Die Erfindung betrifft ein wartungsfrei betreibbares Gleitlager. Ferner betrifft die Erfin dung ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes eines solchen Gleitlagers.

Gleitlager, auch in wartungsfreier Ausführung, stellen grundsätzlich Verschleißteile dar. Ein Verfahren zur Bestimmung des Verschleißes eines Gleitlagers ist zum Bei spiel in der DE 10 2012 106295 A1 beschrieben. Das beschriebene Verfahren soll bei einem Gleitlager anwendbar sein, das zusätzlich zu einer Gleitschicht eine weitere Schicht aufweist, wobei die Gleitschicht und die weitere Schicht eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit haben.

Die Gleitschicht umgibt bei der in der DE 10 2012 106295 A1 beschriebenen Vorrich tung eine Welle. Die weitere Schicht umgibt die Gleitschicht. Während die Welle elektrisch leitfähig ist, ist die Gleitschicht als elektrischer Isolator ausgebildet oder le diglich gering elektrisch leitfähig. Beispielsweise hat die Gleitschicht eine elektrische Leitfähigkeit von unter 10 ^-6 , 10 ⁴ , 10 ² oder von unter 10 S/m. Zur Erzielung einer ver gleichsweise hohen elektrischen Leitfähigkeit der weiteren Schicht wird die Verwen dung von Füllstoffen wie Kohlenstoff, Stahl oder Kupfer vorgeschlagen. Zur Ver schleißmessung wird eine elektrische Spannung zwischen die gelagerte Welle und die konzentrisch zur Welle angeordnete weitere Schicht angelegt. Damit wird, sofern die Gleitschicht einen endlichen elektrischen Widerstand hat, ein elektrischer Strom durch die Gleitschicht geleitet. Ist die Gleitschicht verschlissen, so kontaktiert die Welle die weitere Schicht. Die damit verbundene Änderung des elektrischen Widerstands zeigt den Verschleiß des Gleitlagers an. Bei der Gleitschicht handelt es sich im Fall des Gleitlagers nach der DE 10 2012 106 295 A1 um eine Kunststoffschicht.

Die DE 10324 924 A1 offenbart ein Gleitlager mit sphärisch oder zylindrisch ausge bildeten Lagerflächen, welches mit einem Sensor ausgestattet ist. Der Sensor befindet sich hierbei im Außenring des Gleitlagers und ist zur Messung einer Entfernung zum Innenring des Gleitlagers vorgesehen. Zur Ermittlung des Verschleißzustandes des Gleitlagers soll das Sensorsignal unter einem definierten Lastzustand, insbesondere bei vernachlässigbarer Belastung des Gleitlagers, ermittelt werden. Im Neuzustand des Gleitlagers kann unter einem definierten Lastzustand, insbesondere bei vernach lässigbarer Belastung, ein Sensorsignal ermittelt und als Referenzsignal gespeichert werden. Dieses Referenzsignal findet Eingang in die Ermittlung des Verschleißzu standes des Gleitbelags und/oder der vom Gleitlager aufgenommenen Last.

Ein in der EP 2 957 338 A1 beschriebenes Gelenklager umfasst Lagerteile, in denen Hohlräume ausgebildet sind. Die Hohlräume sind zur Durchleitung von Schmierstoff, optional auch zur Anbringung von Sensoren, nutzbar.

Verschiedene mögliche Bauformen und Werkstoffe von Gelenklagern sind in den Do kumenten DE 10 2018 131 021 A1 , DE 10 2015 209 760 A1 und DE 101 39 969 A1 beschrieben, wobei im letztgenannten Fall die Verwendung des Gelenklagers in ei nem Schienenfahrzeug vorgesehen ist.

Aus den Dokumenten DE 20 2016 102 133 U1 , DE 20 2019 101 776 U1 und DE 20 2018 105 755 U1 sind verschiedene Bauformen von Gleitlagern bekannt, in welchen Leiterbahnstrukturen Sensorikfunktionen übernehmen.

Aus der WO 2020/074519 A1 ist eine als Gleitlagerelement ausgebildete Sensorplatte mit einer Mehrzahl von Verschleißsensoren bekannt, welche in Form einer (m x n)- Matrix in eine Gleitlagerfläche integriert sind. Die Verschleißsensoren sind zum Erfas sen eines Materialabtrags an der Gleitlagerfläche geeignet und umfassen hierzu je weils einen elektrischen Widerstand.

Die DE 10 2005 056 983 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verlängerung der Nut zungsdauer eines Gelenklagers, welches unter großen einseitigen Lasten Schwenk- und Kippbewegungen mit kleinen Amplituden ausführt. Im Rahmen des beschriebe nen Verfahrens soll eine örtlich begrenzte Verschleißzone beim eingebauten Lager mittels Sensoranordnungen ermittelt werden. Diese Information soll genutzt werden, um nach einem Ausbau des Lagers eine gezielte Neuausrichtung von Lagerkompo nenten vornehmen zu können.

Die Dokumente US 3,845,735 A und DE 82 10 726 U1 beschreiben verschiedene Bauformen von Gelenklagern, welche jeweils einen Sensor mit einem beweglichen Element umfassen. Der Sensor ist einschließlich des beweglichen Elements in beiden Fällen im Außenring des Gelenklagers angeordnet.

Die US 6,080,982 A beschreibt einen Verschleißsensor für eine Lageranordnung, wel cher Lichtleitfasern umfasst, die eine Lagerfläche kontaktieren. Ein Lagerverschleiß soll mit einem einfach detektierbaren Verschleiß der Lichtleitfasern korreliert sein.

Die DE 10 2017 210 783 A1 offenbart eine messtechnische Anordnung an einem Gleitlager, welche ein Dielektrikum umfasst. Das Gleitlager nach der DE 10 2017 210 783 A1 ist insbesondere zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten der Verschleißerkennung an Gleitlagern, insbesondere Gelenklagern, gegenüber dem genannten Stand der Tech nik weiterzuentwickeln, wobei ein robuster, kompakter Aufbau gegeben sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gleitlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Überwa chung des Zustandes eines Gleitlagers gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusam menhang mit dem Zustandsüberwachungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Gleit lager, und umgekehrt.

Das Gleitlager umfasst zwei Lagerbauteile, nämlich einen Außenring und einen Innen ring, wobei sich auf einem der Lagerbauteile ein nichtmetallischer, elektrisch zumin- dest teilweise leitfähiger Gleitbelag befindet und das andere Lagerbauteil eine metalli sche Oberfläche aufweist, und wobei unter dem nichtmetallischen Gleitbelag mehrere elektrische Kontaktierungselemente angeordnet sind, welche einem Stromkreis zuzu rechnen sind, der einen zwischen den Kontaktierungselementen liegenden Abschnitt des Gleitbelags einschließt.

Die Formulierung „unter dem nichtmetallischen Gleitbelag“ ist dahingehend zu verste hen, dass sich die dort befindlichen Elemente, das heißt Kontaktierungselemente, zwischen dem Gleitbelag und einem in der Regel metallischen Grundkörper des be treffenden Lagerbauteils befinden, wobei die Ausrichtung des Lagerbauteils im Raum irrelevant ist. Der Begriff „Innenring“ wird unabhängig davon verwendet, ob es sich hierbei um ein hohles oder ein massives Bauteil handelt.

Die mindestens zwei elektrischen Kontaktierungselemente befinden sich an ein und demselben Lagerbauteil, typischerweise am nicht beweglichen Lagerbauteil, das heißt in der Regel am Außenring. Dies hat gegenüber bekannten Lösungen, wie sie bei spielsweise in der DE 10 2012 106 295 A1 beschrieben sind, den Vorteil, dass keine Stromzuführung zu einem beweglichen Teil erforderlich ist. Die beiden Kontaktie rungselemente sind elektrisch in Reihe geschaltet.

Gemäß einer möglichen Weiterentwicklung befinden sich unter dem Gleitbelag mehr als zwei Kontaktierungselemente, beispielsweise sechs, acht, zwölf oder mehr Kon taktierungselemente, wobei diese als leitfähige Elemente verschiedener, jeweils einen definierten Abschnitt des Gleitbelags einschließender Stromkreise nutzbar sind. Hier bei können insbesondere Kontaktierungselemente vollumfänglich am Lagerbauteil, insbesondere am Außenring, verteilt sein. Auch die Verteilung von Kontaktierungs elementen in einer Matrix-Anordnung ist möglich. Dies gilt insbesondere für Gleitlager mit zylindrischen oder konischen Gleitflächen, jedoch auch für Gleitlager mit geomet risch nicht abrollbaren Gleitflächen, worunter Gelenklager fallen. ln allen Bauformen ist durch die Vielzahl an Kontaktierungselementen eine Unabhän gigkeit der Messmöglichkeiten von der Lastrichtung erzielbar. Die Mehrzahl an Kon taktierungselementen, beispielsweise sechs oder mehr rechteckigen und/oder runden Kontaktierungselementen, welche in Zeilen und Spalten, das heißt matrixförmig, an geordnet sind, kann sich in vorteilhafter Ausgestaltung auf einem flexiblen Schaltungs träger befinden, welcher auf eine Oberfläche des Grundkörpers des Lagerbauteils aufgebracht, insbesondere aufgeklebt, ist, womit zugleich eine elektrische Isolation zwischen den Kontaktierungselementen und dem metallischen Grundkörper herge stellt ist. Ein weiterer Vorteil der Vielzahl an Kontaktierungselementen liegt darin, dass durch die geeignete Ansteuerung der Kontaktierungselemente unterschiedlichste Stromkreise gebildet werden können, in denen jeweils der elektrische Widerstand zwi schen den gewählten Kontaktierungselementen bestimmt werden kann. Dies ermög licht eine ortsaufgelöste Messung des Verschleißzustandes des Gleitbelags.

Allgemein ist der Zustand des Gleitlagers hinsichtlich seines Verschleißzustands überwachbar, indem bereits in einem ersten Zustand des Gleitlagers, in welchem eine Verschleißgrenze noch nicht erreicht ist, der elektrische Widerstand eines Abschnitts des Gleitbelags gemessen und mit Erreichen der Verschleißgrenze ein sprunghafter Widerstandsabfall detektiert wird.

Hierbei können schon vor Erreichen der Verschleißgrenze Widerstände, welche durch verschiedene Abschnitte des Gleitbelags gebildet sind, wiederkehrend miteinander verglichen werden. Auf diese Weise ist ein partieller, in bestimmten Bereich des Gleit belags auftretender Verschleiß detektierbar. Unabhängig davon, auf wie viele ver schiedene Arten ein Strompfad durch das metallische, keinen Gleitbelag aufweisende Lagerteil gelegt werden kann, ist es unter der Voraussetzung einer Mindestleitfähigkeit des gesamten Gleitbelags vor Erreichen der Verschleißgrenze möglich, einen Strom kreis, in welchem mindestens ein Abschnitt des Gleitbelags und ein Abschnitt des die metallische Oberfläche aufweisenden Lagerteils parallel geschalten sind, auf die Ver änderung der Anteile des Stroms, welche durch den Gleitbelag beziehungsweise durch das andere Lagerteil fließen, zu überwachen. Als Material, welches die gewünschte elektrische Leitfähigkeit des Gleitbelags her stellt, ist insbesondere Graphit geeignet, wobei nicht notwendigerweise der gesamte Gleitbelag eine einheitliche elektrische Leitfähigkeit aufweist. Der Graphitanteil des Gleitbelags beträgt beispielsweise 0,1 % bis 10 %, insbesondere mindestens 0,5 % und höchstens 5 %, bezogen auf den fertiggestellten, ausgehärteten Belag. Diese An gaben (in Gew.-%) beziehen sich entweder auf den gesamten Gleitbelag, sofern die ser einheitlich zusammengesetzt ist, oder auf eine an die elektrischen Kontaktie rungselemente grenzende Teilschicht, welche dem Gleitbelag zuzurechnen ist. Alter nativ zu Graphit ist auch Bronze als elektrisch leitfähiges Material des Gleitbelags, zumindest einer Teilschicht des Gleitbelags, verwendbar. Im Zuge der Herstellung des Gleitbelags kann Bronze zum Beispiel als Pulver zugegeben und in einem späteren Schritt gesintert werden.

Die elektrisch leitfähige Teilschicht macht beispielsweise 5 % bis 40 %, insbesondere ein Drittel, der Dicke des gesamten Gleitbelags in dessen Neuzustand aus. Sofern der Gleitbelag auch außerhalb der Teilschicht elektrisch leitfähig ist, beträgt die elektri sche Leitfähigkeit der Teilschicht zum Beispiel mindestens das 5-fache und höchstens das 500-fache der Leitfähigkeit des übrigen Gleitbelags. Die Leitfähigkeit des Gleitbe lags auch außerhalb der Teilschicht ermöglicht ein früheres Ansprechen der Ver schleißüberwachung.

Ist der Gleitbelag, abgesehen von der mit Graphit oder einem anderen elektrisch leit fähigen Stoff, insbesondere einer Kupferlegierung wie Bronze, versehenen Schicht, elektrisch isolierend, so fließt praktisch kein elektrischer Strom durch das keinen Gleitbelag aufweisende Lagerbauteil, solange die Verschleißgrenze noch nicht er reicht ist. Das Erreichen der Verschleißgrenze wird hierbei mit der Freilegung der elektrisch leitfähigen Schicht des Gleitbelags gleichgesetzt. Das Erreichen der Ver schleißgrenze bedeutet ein elektrisches Parallelschalten der elektrisch leitfähigen Schicht des Gleitbelags und eines Abschnitts des metallischen, nicht mit einem Gleit belag versehenen Lagerbauteils. Der grundsätzliche Aufbau des Gleitbelags kann beispielsweise handelsüblichen Gleitbelägen entsprechen, wie sie zum Beispiel unter der Marke Elgoglide am Markt sind. Dementsprechend umfasst der Gleitbelag insbesondere PTFE-Fasern und Stütz fasern, welche in eine Harzmatrix eingebettet sind. Statt Fasern aus PTFE sind auch Glasfasern verwendbar.

Der Außenring des Gleitlagers kann ein- oder mehrteilig aufgebaut sein. Der Gleitbe lag umfasst nicht notwendigerweise ein Gewebe. Je nach Ausgestaltung und Be triebsbedingungen kann das Gleitlager zumindest teilweise als hydrodynamisches La ger fungieren.

Der Gleitbelag kann schichtweise, beispielsweise aus drei Schichten, hergestellt wer den. Ist lediglich eine dieser drei Schichten mit Graphit angereichert, so ergibt sich un ter der Voraussetzung, dass alle Schichten gleich dick sind, eine Dicke der elektrisch leitfähigen Schicht von einem Drittel der Gesamtdicke des Gleitbelags. Ebenfalls mög lich sind Gestaltungen, in denen die mit Graphit angereicherte, unterste Schicht des Gleitbelags dünner als die übrigen Schichten des Gleitbelags ist. Es hat sich gezeigt, dass sich die mechanischen Eigenschaften des Gleitbelags durch die Hinzufügung von Graphit, insbesondere in einem Gewichtsanteil von mindestens 0,5 % und nicht mehr als 5 %, nicht stark verändert werden. Somit ist auch bei Erreichen der Ver schleißgrenze, welche mit der Freilegung der elektrisch leitfähigen Schicht des Gleit belags gleichgesetzt wird, noch ein Weiterbetrieb des Gleitlagers über eine nennens werte Dauer möglich. Eine Nachschmierung des Gleitlagers ist nicht vorgesehen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung nä her erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 Komponenten eines Außenrings eines Gleitlagers in perspektivischer

Ansicht,

Fig. 2 den Innenring des Gleitlagers in einer Ansicht analog Figur 1 , Fig. 3 eine Sensoranordnung des Gleitlagers,

Fig. 4 ausschnittsweise das Gleitlager in einer schematischen Schnittdarstel lung.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Gleitlager umfasst einen Außenring 2 und einen Innenring 3, welche allgemein als Lagerbauteile 2, 3 bezeich net werden. Im Ausführungsbeispiel sind die Lagerbauteile 2, 3 zylindrisch geformt. Alternativ könnte das Gleitlager 1 zum Beispiel als Gelenklager gestaltet sein.

Der Außenring 2 weist einen mit 7 bezeichneten Stahlstützkörper auf, auf welchem sich eine Sensoranordnung 4 zur Verschleißmessung befindet. Die Sensoranord nung 4 ist im betriebsbereiten Zustand des Gleitlagers 1 abgedeckt durch einen Gleit belag 15, welcher eine weitere Komponente des Außenrings 2 darstellt. Der Innenring 3 ist im Gegensatz zum Außenring 2 aus Stahl gefertigt und im vorliegenden Fall ver chromt. Die mit 14 bezeichnete Außenoberfläche des Innenrings 3 gleitet beim Betrieb des Lagers 1 auf dem Gleitbelag 15.

Komponenten der Sensoranordnung 4, welche kaum Platz innerhalb des Gleitlagers 1 einnimmt, sind ein flexibler, elektrisch isolierender Träger 6 sowie mehrere auf diesem angeordnete Kontaktierungselemente 5. Die Länge des insgesamt streifenförmigen Trägers 6 entspricht annähernd dem Innenumfang des Stahlstützkörpers 7. Die Breite des flexiblen Trägers 6 ist, wie aus Figur 1 hervorgeht, im vorliegenden Fall deutlich geringer als die Breite des Außenrings 2. Maximal könnte der flexible T räger 6 die ge samte Breite des Lagerbauteils 2 einnehmen.

Die Kontaktierungselemente 5, welche Messpunkte darstellen, haben jeweils eine rechteckige Form und sind in einer Zeilen-Spalten-Anordnung, das heißt matrixförmig, auf dem Träger 6 angeordnet. Zwischen den Kontaktierungselementen 5 und An- schlusspunkten 9, die sich ebenfalls auf dem Träger 6 befinden, sind Leiterbahnen 8 erkennbar. Die Anschlusspunkte 9 sind einer Reihenanordnung 10 auf dem Träger e platziert und elektrisch mit einer in den Figuren 3 und 4 lediglich angedeuteten Mess vorrichtung 11 verbunden. Die Messvorrichtung 11 ist dazu ausgebildet, den elektri schen Widerstand zwischen zwei beliebigen der in Zeilen 12 und Spalten 13 angeord neten Kontaktierungselemente 5 zu messen.

Der Gleitbelag 15 ermöglicht einen wartungsfreien Betrieb des Gleitlagers 1 und um fasst verschiedene Fasern 17, 18, nämlich PTFE-Fasern 18 und Stützfasern 17, wel che in eine Flarzmatrix 19 eingebettet sind. Die Dicke des gesamten Gleitbelags 15 ist mit D bezeichnet. Mit 21 ist die Gleitfläche des Gleitbelags 15 bezeichnet.

Die Verschleißgrenze des Gleitlagers 1 ist erreicht, wenn der Gleitbelag 15 bis auf ei ne Teilschicht 16, deren Dicke mit T angegeben ist und im Ausführungsbeispiel etwa 20 % bis 25 % der Gesamtdicke D beträgt, abgetragen ist. Die elektrische Leitfähigkeit der Teilschicht 16 unterscheidet sich signifikant von der elektrischen Leitfähigkeit des übrigen Gleitbelags 15. Die Teilschicht 16, welche im bestimmungsgemäßen Betrieb des Gleitlagers nicht oder kaum, lediglich gegen Ende der Nutzungsdauer, als Gleit schicht zum Einsatz kommt, ist in Figur 4 durch gestrichelte Linien kenntlich gemacht. Zur Einstellung der elektrischen Leitfähigkeit des Gleitbelags 15 wird Graphit 20 ver wendet. Hierbei kann Graphit 20, wie in Figur 4 angedeutet, im gesamten Gleitbelag 15 vorhanden sein. Ebenso ist es möglich, Graphit 20 als Pulver ausschließlich in die Teilschicht 16 zu mischen. In jedem Fall ist der Graphitgehalt der Teilschicht 16 höher als der Graphitgehalt des übrigen Gleitbelags 15.

Sollte sich in einem Schadensfall der Gleitbelag 15 vollständig vom Stahlstützkörper 7 ablösen, so dass keinerlei Verbindung zwischen den zur Messung herangezogenen Kontaktierungselementen 5 mehr gegeben wäre, so könnte auch dieser Fall durch ei ne Widerstandsänderung detektiert werden. ln der Konstellation nach Figur 4, das heißt im Neuzustand des Gleitlagers 1 , fließt le diglich ein äußerst kleiner Teil des durch beide Kontaktierungselemente 5 geleiteten elektrischen Stroms durch den Innenring 3. Ist dagegen der Gleitbelag 15 bis auf die Teilschicht 16 durch Verschleiß abgetragen, so ist eine elektrische Parallelschaltung zwischen einem Abschnitt der Teilschicht 16 und einem Abschnitt des Innenrings 3 gegeben. In diesem Zustand fließt der weitaus größte Teil des elektrischen Stroms durch den Innenring 3, welcher an keiner anderen Stelle an eine elektrische Span nung angeschlossen ist. Aufgrund der stark voneinander abweichenden elektrischen Leitfähigkeit der Teilschicht 16 einerseits und des übrigen Gleitbelags 15 andererseits geht das Erreichen der Verschleißgrenze mit einem nahezu sprungartigen Anstieg der mittels der Messvorrichtung 11 detektierbaren elektrischen Leitfähigkeit einher. Die Vielzahl an Kontaktierungselementen 5 ermöglicht eine ortsaufgelöste Bestimmung des Verschleißzustands des Gleitbelags 15.

Bezuqszeichenliste

1 Gleitlager, wartungsfrei Außenring Innenring Sensoranordnung Kontaktierungselement flexibler Träger Stahlstützkörper des Außenrings Leiterbahn Anschlusspunkt

10 Reihenanordnung

11 Messvorrichtung

12 Zeile

13 Spalte

14 Oberfläche des Innenrings

15 Gleitbelag

16 leitfähige Teilschicht

17 Stützfaser

18 PTFE-Faser

19 Harzmatrix

20 Graphit

21 Gleitfläche

D Dicke des Gleitbelags T Dicke der Teilschicht