Titel

Wälzkörper mit Sensor zur Verwendung in einem Wälzlager

Stand der Technik

Auf Großwälzlager, wie sie beispielsweise in Windkraftanlagen zum Einsatz kommen, wirken während des Betriebs erhebliche Kräfte. Daher ist es wünschenswert Belastungsmessungen des Wälzlagers durchführen zu können.

Zu diesem Zweck ist es beispielsweise aus der EP 0 637 734 B1 bekannt, mit Hilfe von Deh- nungsmessstreifen, die in einer Bohrung eines Wälzkörpers angeordnet sind, die Verformun- gen des Wälzkörpers zu messen, wobei aus den Verformungen des Wälzkörpers auf die auf das Wälzlager einwirkenden Kräfte, also die Belastungen, geschlossen werden kann. Die Dehnungsmessstreifen und ihre jeweilige Befestigung, im Regelfall eine Klebung, sind je- doch äußerst verschleiss- und alterungsanfällig, insbesondere da sie in den Wälzlagern in der Regel mit Fetten und/oder anderen Schmierstoffen in Kontakt kommen, und müssen re- gelmäßig ersetzt werden. Daher ist eine solche Belastungsmessung nur unter Laborbedin- gungen oder für eine kurze begrenzte Zeit möglich oder für eine begrenzte Zeit..

Aus der EP 1 849 013 B1 ist bekannt, Sensoren an einem die Wälzkörper in ihrer relativen Lage zueinander fixierenden Käfig anzuordnen, wobei die Sensoren Wirbelströme messen, die in den Wälzkörpern durch Spulen induziert werden. Aus den Wirbelstrommessungen wird dann auf die herrschenden Belastungen geschlossen

Alternativ offenbart die Druckschrift EP 1 795 869 A1 einen Wälzkörper mit einer Bohrung, in dem zwei Platten parallel und voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei auf den Plat ten gegenüberliegend jeweils eine Elektrode angebracht ist, die kapazitiv den Abstand der Platten zueinander messen. Dieser Abstand ist veränderlich, da sie die Platten durch die be- lastungsinduzierte Verformung des Wälzkörpers verbiegen. Diese Messung ist auf einen Be- reich des Wälzkörpers beschränkt und ist durch die Verbiegung der Platinen ebenfalls ver- schleißanfällig. Zudem können die Platten sich gegeneinander verschieben, was zu Messun- genauigkeiten führt. Allgemein kann gesagt werden, dass kapazitive Belastungsmessungen einen sehr hohen Aufwand bei der Fertigung der Wälzkörper erfordern. Die jeweiligen Sensoren müssen auf- wendig an die Wälzkörpergeometrie angepasst werden. Kritisch ist hier vor allem der Ab- stand zwischen dem kapazitiven Sensor und der Fläche zu der ein Abstand gemessen wer- den soll. Schließlich ist eine kapazitive Belastungsmessung nur wenig präzise und in ihrer Auflösung stark beschränkt.

Offenbarung der Erfindung

Es ist also eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Wälzkörper und ein Wälzlager zur Ver- fügung zu stellen, mit welchen während des laufenden Betriebs eine zuverlässige, präzise und dauerhafte Belastungsmessung möglich ist und welche dabei leichter herzustellen sind.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Wälzkörper zur Verwendung in einem Wälzlager, mit einem Außenmantel und einer Bohrung, wobei die Bohrung entlang einer Mittelachse des Wälzkörpers vorgesehen ist, wobei der Wälzkörper wenigstens einen in der Bohrung ange- ordneten Sensor zur Belastungsmessung und ein Übertragungsmodul zur Übertragung der von dem Sensor gemessenen Daten umfasst, wobei der Wälzkörper eine Energiequelle auf- weist, wobei die Energiequelle zur Bereitstellung der zum Betrieb des Sensors und/oder des Übertragungsmoduls benötigten Energie vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein induktiv messender Sensor ist. Der Sensor nutzt zur Abstandsmessung Wirbel- ströme, die er in einem Objekt induziert, zu dem der Abstand zu messen ist. Dazu enthält der Sensor einen LC-Schwingkreis, der zu hochfrequenten elektrischen Schwingungen angeregt wird. Denkbar sind hier beispielsweise Schwingungen mit Frequenzen von 1 MHz oder mehr. Die elektrischen Schwingungen des LC-Schwingkreises erzeugen ein elektromagnetisches Wechselfeld in der Umgebung des LC-Schwingkreises. Nähert sich nun ein elektrisch leitfä- higes Objekt des LC-Schwingkreis, so werden in dem Objekt Wirbelströme induziert, welche die Schwingungen dämpfen. Die Dämpfung der Schwingungen wird gemessen und ausge- wertet.

Der erfindungsgemäße Wälzkörper ist besonders vorteilhaft gegenüber Wälzkörpern mit her- kömmlichen Sensoren, da das induktive Messen der Belastung des Wälzkörpers nicht an so hohe Anforderungen, die Maßhaltigkeit der Fertigung betreffend, geknüpft ist, wie beispiels- weise ein kapazitives Messen. Gerade bei Wälzkörpern mit Sensoren für kapazitive Mes- sung von Belastungen ist es von sehr großer Wichtigkeit, alle den kapazitiven Sensor betref- fenden Maße einzuhalten. Solche Wälzkörper werden in aufwendigen Verfahren von Hand nachgearbeitet, was eine Fertigung in großer Zahl ausschließt und den einzelnen Wälzkör- per sehr teuer macht. Zudem ist mit dem erfindungsgemäßen Wälzkörper eine wesentlich genauere Belastungsmessung möglich, als mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Wälzkörper. Während die Auflösung einer Verformungsmessung mit einem kapazitiven Sen- sor bei etwa 0,1 pm bis 1 pm liegt, können mit dem erfindungsgemäßen Wälzkörper Verfor- mungsmessungen mit einer Auflösung von bis zu 0,01 pm durchgeführt werden.

Dass die Bohrung entlang der Mittelachse des Wälzkörpers vorgesehen ist, bedeutet im Sin- ne der vorliegenden Erfindung, dass eine Mittelachse der Bohrung im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse des Wälzkörpers angeordnet ist. Dies umfasst zum einen eine Anordnung der Bohrung mit einem Versatz zwischen der Mittelachse der Bohrung und der Mittelachse des Wälzkörpers und zum anderen eine Anordnung der Bohrung, wobei die Mittelachse der Bohrung der Mittelachse des Wälzkörpers entspricht.

Vorzugsweise ist der Außenmantel des Wälzkörpers wenigstens teilweise als Laufläche vor- gesehen, auf der Lagerringe, insbesondere ein Außenring und ein Innenring, des Wälzlagers abrollen. Dabei ist vorzugsweise einer der Lagerringe drehfest vorgesehen, beispielsweise der Außenring, während der andere Lagerring konzentrisch dazu und drehbar vorgesehen ist. Vorzugsweise ist der Wälzkörper zylinderförmig, tonnenförmig, toroidal und/oder kegel- förmig ausgebildet. In diesem Fall weist der Wälzkörper eine Haupterstreckungsrichtung auf, wobei die Mittelachse parallel zu der Haupterstreckungsrichtung angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist der Wälzkörper im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Mittelachse vor- gesehen, insbesondere in dem Bereich zwischen der Bohrungswandung und dem Außen- mantel. Der Außenmantel entspricht insbesondere einer äußeren Mantelfläche des Wälzkör- pers. Beispielsweise weist der Wälzkörper die Form eines 104 mm langen Zylinders auf mit einem Durchmesser von 65 mm. In diesem Fall hat die Bohrung vorzugsweise einen Durch- messer von 20 mm. Vorzugsweise sind auch das Übertragungsmodul und/oder die Energie- quelle wenigstens teilweise in der Bohrung angeordnet.

Abhängig von den auf das Wälzlager und damit auf den Wälzkörper einwirkenden Kräften wird der Wälzkörper verformt, was anhand einer Änderung des Querschnitts der Bohrung messbar ist. Besonders bevorzugt ist der Sensor zur Übermittlung der gemessenen Daten an das Übertragungsmodul konfiguriert, wobei das Übertragungsmodul zur Übertragung der gemessenen Daten konfiguriert ist, beispielsweise an ein geeignetes Empfangsgerät. Hier- durch wird in vorteilhafter Weise eine präzise und einfache Belastungsmessung ermöglicht.

Weiterhin ist denkbar, dass der Wälzkörper eine Einrichtung zur Messung der von der Ener- giequelle zur Verfügung gestellten elektrischen Spannung und/oder des von der Energie- quelle zur Verfügung gestellten elektrischen Stromes aufweist. Dazu ist denkbar, dass die Einrichtung zur Messung der von der Energiequelle zur Verfügung gestellten elektrischen Spannung und/oder des von der Energiequelle zur Verfügung gestellten elektrischen Stro- mes von der Energiequelle mit Energie versorgt wird und dass die von der Einrichtung zur Messung der von der Energiequelle zur Verfügung gestellten elektrischen Spannung und/oder des von der Energiequelle zur Verfügung gestellten elektrischen Stromes ermittel- ten Daten vom Übertragungsmodul übertragen werden. Schließlich ist denkbar, dass der Wälzkörper eine Einrichtung zur Ermittlung der Drehzahl des Wälzkörpers, eine Einrichtung zur Ermittlung der Schiefstellung des Wälzkörpers und eine Einrichtung zur Ermittlung des Schlupfes des Wälzkörpers aufweist. Denkbar ist für die Einrichtung zur Ermittlung der Dreh- zahl des Wälzkörpers, die Einrichtung zur Ermittlung der Schiefstellung des Wälzkörpers und die Einrichtung zur Ermittlung des Schlupfes des Wälzkörpers, dass diese jeweils der Ener- giequelle mit Energie versorgt werden und dass die von der Einrichtung zur Ermittlung der Drehzahl des Wälzkörpers, der Einrichtung zur Ermittlung der Schiefstellung des Wälzkör- pers und der Einrichtung zur Ermittlung des Schlupfes des Wälzkörpers ermittelten Daten von dem Übertragungsmodul übertragen werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können den Unteransprü- chen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnommen werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Übertragungsmodul ein Funkmodul ist. Funkwellen sind geeignet, aus dem erfin- dungsgemäßen Wälzkörper nach außen zu dringen. Damit ist eine vorteilhafte Möglichkeit geschaffen, kabellos Daten vom Inneren des Wälzkörpers nach außen zu übertragen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Energiequelle ein Mikrogenerator ist. Ein Mikrogenerator im Rahmen dieser Anmel- dung ist dabei insbesondere eine Vorrichtung mit geringen Abmessungen, welche aus der Umgebung Energie gewinnt und somit eine autonome Energiequelle darstellt. Besonders be- vorzugt bedient sich der Mikrogenerator dabei wenigstens einem Verfahren des sogenann- ten Energy Harvesting. Ganz besonders bevorzugt gewinnt der Mikrogenerator Energie aus einem Temperaturunterschied, einem Luftdruckunterschied, einer Luftströmung, mittels Pho- tovoltaik und/oder, im Rahmen dieser Anmeldung besonders bevorzugt, aus Bewegung. Der Mikrogenerator ist also insbesondere dazu vorgesehen, aus der Abroll- bzw. Drehbewegung des Wälzkörpers Energie zu gewinnen, die er dann zum Betrieb des Sensors und/oder der Übertragungseinrichtung zur Verfügung stellt. Denkbar ist auch, dass der Mikrogenerator ein induktiver Generator ist oder dass der Wälzkörper einen induktiven Generator aufweist. Be- sonders bevorzugt wirkt der induktive Generator mit Magneten und/oder Spulen zusammen, die an einem Käfig eines Wälzlagers angeordnet sind. Hierdurch ist es in besonders vorteil- hafter Weise möglich, eine autonome Energieversorgung bereitzustellen, die insbesondere auch nur dann Energie zur Verfügung stellt, wenn sie benötigt wird, nämlich bei einer Dre- hung des Wälzkörpers. In dem Fall, dass der Wälzkörper zusätzlich zu dem Mikrogenerator einen induktiven Generator aufweist, ist es vorteilhaft möglich eine redundante Stromversor- gung vorzusehen für den Fall einer Störung oder eines Ausfalls des Mikrogenerators. Insbe- sondere in Kombination mit Magneten ist dabei vorteilhafterweise weiterhin keine Verkabe- lung des Wälzlagers nötig.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Wälzkörper eine in der Bohrung im Wesentlichen parallel zur Mittelachse des Wälz- körpers angeordnete Platine aufweist, und wobei der Sensor vorzugsweise eine auf der Pla- tine angeordnete Leiterbahn aufweist. Denkbar ist, dass das Übertragungsmodul und/oder die Energiequelle an der Platine befestigt sind. Besonders bevorzugt weist die Platine eine Dicke von 1 mm bis 2 mm, insbesondere 1 ,6 mm, auf. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine einfache Installation der einzelnen Komponenten in dem Wälzkörper ermöglicht. Denk- bar ist, dass die Leiterbahn auf die Platine aufgedruckt ist. Weiterhin ist denkbar, dass die Leiterbahn als Spule ausgebildet ist. Dazu ist denkbar, dass die Leiterbahn zum Erzeugen eines Magnetfeldes geeignet ist. Vorstellbar ist, dass die Leiterbahn einen im Wesentlichen runden mehreckigen, bevorzugt viereckigen, Verlauf aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensor einen an der Bohrungswandung angeordneten leitfähigen Messkontakt auf- weist, wobei der Messkontakt vorzugsweise an einer die Bohrungswand berührenden und der Platine abgewandten Fläche der Kontur der Bohrungswand angepasst ist und an einer der Platine zugewandten Fläche eine im Wesentlichen zur Platine parallele Messfläche auf- weist. Dies ermöglicht, dass durch Belastungen des Wälzkörpers hervorgerufene Verformun- gen auf den Messkontakt übertragen werden und sich so als Änderung des Abstandes zwi- schen der Messfläche und der Platine äußern. Dadurch, dass die Messfläche im Wesentli- chen parallel zur Platine angeordnet ist, ergibt sich eine Möglichkeit, Belastungen sehr ge- nau zu messen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorge- sehen, dass der Sensor einen an der dem Messkontakt abgewandten Seite der Platine an- geordneten Abstandshalter aufweist, wobei der Abstandshalter vorzugsweise an einer die Bohrungswand berührenden und der Platine abgewandten Außenfläche der Kontur der Boh- rungswand angepasst ist und an der der Außenfläche gegenüberliegenden Fläche an der Platine fixiert ist, wobei der Abstandshalter vorzugsweise mit der Platine verklebt und/oder verschraubt und/oder verklipst ist. Damit ist vorteilhaft realisiert, dass die Platine indirekt mit der Borhungswand über den Abstandshalter verbunden ist. Eine Deformation des Wälzkör- pers, also auch der Bohrung, bewirkt nun, dass sich sowohl die Platine als auch der Mess- kontakt aufeinander zu beziehungsweise von einnander weg bewegen. Im Vergleich zu einer Ausführungsform, bei der sich nur der Messkontakt bewegt und die Platine nicht in mechabi- schem Kontakt mit der Bohrungswand steht, ist eine aus einer Deformation des Wälzkörpers resultierende Größenänderung des Spaltes etwa doppelt so groß. Damit ist eine deutlich bessere Auflösung der Verformungsmessung möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Leiterbahn und der Messfläche ein Spalt vorgesehen ist. Die Ausdehnung des Spaltes ist direkt mit der Verformung des Wälzkörpers verknüpft und damit direkt aussa- gekräftig bezüglich der Verformung des Wälzkörpers. Ferner ist durch den Spalt die Platine von der Bohrungswand mechanisch entkoppelt. Hierdurch wird die Platine im Betrieb des Wälzkörpers weniger mechanischem Stress unterzogen, woraufhin sich die Lebensdauer der Platine verlängert. Ferner bedingt die mechanische Entkopplung eine Verbesserung der Ge- nauigkeit der Messergebnisse.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensor geeignet ist, die Größe des Spaltes durch das Erzeugen von Wirbelströmen im Messkontakt zu ermitteln. Größe des Spaltes bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfin- dung Abstand zwischen der Platine und der Messfläche entlang der Flächennormalen der Messfläche. Die induktive Messung der Größe des Spaltes ist hochpräzise und ermüdungs- frei. Kleinste Veränderungen der Größe des Spaltes können detektiert werden, wobei die Grenzen für die Größe des Spaltes im unbelasteten Zustand des Wälzkörpers sehr weit sind. Dier ermöglicht Messergebnisse mit hoher Qualität und gleichzeitig eine weitgehend hohe Unempfindlichkeit gegenüber Abweichungen bei der Fertigung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in der Bohrung wenigstens zwei voneinander entlang der Mittelachse beabstandete Sensoren angeordnet sind. Hierdurch wird es in vorteilhafter Weise ermöglicht, zusätzlich zu Kräften auch eine Verkippung oder Schiefstellung des Wälzkörpers zu messen, indem die gemessenen Daten der Sensoren ausgewertet, insbesondere verglichen, werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Funkmodul zur Übertragung der gemessenen Daten in einem Frequenzbereich von 100 MHz bis 6 GHz, vorzugsweise von 300 MHz bis 2 GHz, besonders bevorzugt von 700 MHz bis 1 GHz, insbe- sondere mit einer Frequenz von 868 MHz, vorgesehen ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine kabellose Datenübertragung ermöglicht, die auch durch ggf. metallische Kompo- nenten des Wälzkörpers oder des Wälzlagers nicht gestört wird und eine hinreichend große Übertragungsreichweite aufweist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorge- sehen, dass der Wälzkörper einen Energiespeicher zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie aufweist, wobei der Energiespeicher vorzugsweise ein Kondensator ist. Denkbar ist, dass der Energiespeicher zur Speicherung der von dem Mikrogenerator erzeugten Energie vorgesehen ist. Bevorzugt ist der Energiespeicher auf der Platine vorgesehen. Besonders bevorzugt ist der Energiespeicher ein Akkumulator und/oder ein Kondensator, insbesondere ein hochkapazitiver Kondensator, z.B. ein sogenannter Green-Cap-Kondensator. Denkbar dazu ist, dass der Wälzkörper eine Einheit zum Überwachen des Ladezustandes des Ener- giespeichers aufweist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Platine einen Mi- krocontroller aufweist, wobei der Mikrocontroller einen elektronischen Speicher zum Zwi- schenspeichern von Messdaten aufweist. Die Messdaten können damit vorteilhaft zu Pake- ten zusammengefasst und als Pakete zeitversetzt übermittelt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Messungen energieeffizient und vollständig durchgeführt werden können. Steht kurzfristig nicht ausreichend viel Energie zur Messung und Übermittlung der Messdaten zur Verfügung, so ist es möglich, die Messung und Übermittlung in Paketen dann durchzuführen, wenn genügend Energie zur Verfügung steht, beispielsweise wenn ein Energiespeicher aus- reichend aufgeladen ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wälzkörper- bohrung einen Durchmesser von 5 mm bis 50 mm, vorzugsweise von 10 mm bis 30 mm, ins- besondere einen Durchmesser von 20 mm, aufweist, und/oder dass der Wälzkörper vorzugs- weise zylinderförmig ausgebildet ist und besonders bevorzugt eine Länge von 90 mm bis 150 mm, insbesondere 140mm, sowie ganz besonders bevorzugt einen Durchmesser von 90 mm bis 110 mm, insbesondere 100mm, aufweist. Dies hat sich als besonders vorteilhaft bei Wälzkörper für Wälzlager für Momentenlager für Windenergieanlagen von circa 8 MW mit beispielsweise 3,5 m Laufkreisdurchmesser erwiesen. Der Durchmesser der Bohrung ist ab- hängig vom Durchmesser des Wälzkörpers, von der Anzahl an Wälzkörpern im Wälzlager und von den erwarteten Belastungen und Verformungen des Wälzkörpers im Betrieb des Wälzlagers. Die Durchmesser der Bohrung des Wälzkörpers werden unter Berücksichtigung der möglichen Sensorauflösung festgelegt. Hierdurch wird einerseits eine hinreichend große Bohrung zur Unterbringung sämtlicher Komponenten zur Verfügung gestellt. Weiterhin ist der Wälzkörper dauerfest ausgelegt. Andererseits ist bei einer Bohrung mit den oben genannten Maßen der zur Verfügung stehende Verformungsspielraum groß genug für eine präzise Mes- sung

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass an der Bohrungs- wandung, insbesondere in radialer Richtung wenigstens teilweise umlaufend, ein Dehnungs- messstreifen angeordnet ist. Hierdurch ist es vorteilhafterweise möglich, zusätzlich zu der präzisen induktiven Messung, eine redundante und bewährte Messmethode mit geringem Aufwand zu implementieren.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Wälzkörper ein Mittel zur Temperaturbestimmung, umfasst. Damit ist vorteilhaft eine Temperaturkontrolle möglich. Denkbar ist, dass das Übertragungselement zum Übertragen der von dem Mittel zur Temperaturbestimmung erfassten Daten konfiguriert ist. Denkbar ist weiterhin, dass die Energiequelle zur Versorgung des Mittels zur Temperaturbestimmung mit Energie konfigu- riert ist, das heißt, dass die Energiequelle geeignet ist, das Mittel zur Temperaturbestimmung mit Energie zu versorgen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Wälzkörper ein Mittel zur Beschleunigungsbestimmung, umfasst. Damit ist vorteilhaft eine Kontrolle der Beschleunigung und des Schlupfes des Wälzkörpers möglich. Denkbar ist, dass das Übertra- gungselement zum Übertragen der von dem Mittel zur Beschleunigungsbestimmung erfass- ten Daten konfiguriert ist, das heißt, dass die Energiequelle geeignet ist, das Mittel zur Be- schleunigungsbestimmung mit Energie zu versorgen. Denkbar ist weiterhin, dass die Ener- giequelle zur Versorgung des Mittels zur Beschleunigungsbestimmung mit Energie konfigu- riert ist. Ferner ist denkbar, dass das Mittel zur Beschleunigungsbestimmung einen dreiach- sigen Beschleunigungssensor umfasst.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wälzlager, insbesondere ein Großwälzlager, mit einem ersten Lagerring und einem um eine Drehachse drehbaren, und insbesondere konzentrisch zu dem ersten Lagerring angeordneten zweiten Lagerring, sowie einer Vielzahl von zwischen dem ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring angeordneten Wälzkörpern, wobei wenigstens ein Wälzkörper ein Wälzkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 ist. Vorzugsweise ist der erste Lagerring ein Außenring und/oder der zweite Lager- ring ein Innenring. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, ein Wälzlager bereitzustellen, welches eine hochpräzise Belastungsmessung ermöglicht und dabei einfach herzustellen ist.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Belastungsmes- sung eines Wälzkörpers in einem Wälzlager nach Anspruch 17, insbesondere einem Groß- wälzlager, wobei eine Verformung des Wälzkörpers durch eine Abstandsmessung mit dem Sensor durchgeführt wird, wobei die vom Sensor gemessenen Daten vorzugsweise von ei- nem Übertragungsmodul übertragen werden, wobei vorzugsweise Energie für den Sensor und/oder für das das Übertragungsmodul von der Energiequelle bereitgestellt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Abstandsmessung in- duktiv durchgeführt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Wälzlager einen Wälz- körper gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16 aufweist, wobei Messdaten in dem elektroni- schen Speicher des Mikrocontrollers auf der Platine zwischengespeichert werden und in Ab- hängigkeit eines Ladezustandes eines Energiespeichers paketweise gemessen und zusam- mengefasst und als Pakete zeitversetzt von dem Übertragungsmodul übertragen werden. Dies hat den Vorteil, dass die Messungen energieeffizient und vollständig durchgeführt wer- den können. Erst nach ausreichender Aufladung des Energiespeichers steht die Leistung zur Messung und Übermittlung der Daten zur Verfügung.

Alle vorstehenden Ausführungen unter„Offenbarung der Erfindung“ gelten gleichermaßen für den erfindungsgemäßen Wälzkörper, das erfindungsgemäße Wälzlager und das erfindungs- gemäße Verfahren.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnun- gen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen an- hand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausfüh- rungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschrän- ken.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Wälzkörpers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung senkrecht zur Mittelachse eines

Wälzkörpers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Käfig eines Wälzlagers.

Figur 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung parallel zu der Mittelachse eines

Wälzkörpers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 4 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild der Spulen aus den Figuren 3 und 4 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 5 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Wälzkörpers gemäß einer bei- spielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 6 zeigt eine Platine eines Wälzkörpers gemäß einer beispielhaften Ausführungs- form der vorliegenden Erfindung.

Figur 7 zeigt eine Perspektivansicht eines Wälzlagers gemäß einer beispielhaften

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 8 zeigt eine perspektivische Detailansicht eines Wälzlagers gemäß einer bei- spielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Wälzlagers gemäß einer beispiel- haften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 10 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Platine eines Wälzkörpers ge- mäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung der Platine eines Wälzkörpers gemäß ei- ner beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 12 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Wälzkörpers und der Platine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung des Wälzkörpers gemäß einer beispiel haften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 14 zeigt eine schematische Darstellung des Wälzkörpers mit der Platine, dem

Messkontakt und dem Abstandshalter gemäß einer beispielhaften Ausfüh- rungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen ver- sehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.

In Figur 1 ist eine schematische Perspektivansicht eines Wälzkörpers 1 gemäß einer bei- spielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ein derartiger Wälzkör- per 1 wird in Wälzlagern eingesetzt und dient der beweglichen Führung eines ersten Lager- rings 1 1 und eines zweiten Lagerrings 12 zueinander, insbesondere eines in einem drehfest angeordneten Außenring 11 angeordneten Innenrings 12. Dabei sind üblicherweise zwi- schen Außenring 1 1 und Innenring 12 eine Vielzahl von Wälzkörpern vorgesehen, die auf Laufflächen des Außenrings 11 und des Innenrings 12 abrollen. Vorliegend handelt es sich um eine sogenannte Messrolle, also einen Wälzkörper 1 , der zur Belastungsmessung in dem Wälzlager vorgesehen und ausgebildet ist.

Der Wälzkörper 1 umfasst hier einen zylindrischen oder im Wesentlichen kegelförmigen Kör- per mit einem Außenmantel 2 der als Lauffläche dient und auf der der Außenring 1 1 und der Innenring 12 abrollen. Der Wälzkörper 1 weist in seiner Mitte eine Bohrung 3 auf, die kon- zentrisch um die Mittelachse des Wälzkörpers 1 herum ausgebildet ist. Zu sehen sind zudem eine Vielzahl von Spulen 10, die hier auf einer Kreisbahn zwischen der Bohrung 3 und dem Außenmantel 2 angeordnet sind. Hierbei handelt es sich um vierzehn Spulen 10, die jeweils um ca. 25° versetzt angeordnet sind, wobei durch Beaufschlagen der Spulen mit einem äu- ßeren elektrischen magnetischen Wechselfeld, in den Spulen eine elektrische Spannung er- zeugt wird.

In Figur 2 ist eine schematische Schnittdarstellung senkrecht zur Mittelachse eines Wälzkör- pers 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Käfig 13 eines Wälzlagers dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform, so dass generell auf die diesbe- züglichen Ausführungen verwiesen wird. In der Bohrung sind ein Sensor 5, hier ein induktiver Sensor 5, ein Funkmodul 6 und ein Mikrogenerator 4 vorgesehen. Der Mikrogenerator 4 ist hier ein induktiver Mikrogenerator. Damit die Wälzkörper eines Wälzlagers für eine gleichmä- ßige Lastverteilung regelmäßig beabstandet bleiben, ist zwischen dem Außenring 1 1 und dem Innenring 12 ein Käfig 13 angeordnet, der die Wälzkörper umfasst. D.h. die Wälzkörper sind drehbar, aber bezüglich des Käfigs 13 an festen Positionen gelagert. An der Stelle des Wälzkörpers 1 umfasst der Käfig 13 Magnete 15, hier vier Magnete 5. Diese Magnete 15 er- möglichen es dem Mikrogenerator 4 eine elektrische Spannung zu induzieren und somit eine Energieversorgung für den Sensor 5 und das Funkmodul 6 sowie die Spulen 10 bereitzustel- len. Alternativ oder zusätzlich und im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist der Mikrogenerator 4 derart vorgesehen, dass er alleine aus der Bewegung, d.h. dem Abrollen, des Wälzkörpers 1 Energie generiert.

Die Bohrung 3 ist durch eine hier nicht dargestellte entlang der Mittelachse des Wälzkörpers 1 angeordneten Platine 8 in zwei Halbräume geteilt. Der Sensor 5 ist in einem ersten Halb- raum auf einer ersten Seite der Platine 8 angeordnet.

In Figur 3 ist eine schematische Schnittdarstellung parallel zu der Mittelachse eines Wälz- körpers 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darge- stellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in Figur 2 dar- gestellten Ausführungsform, so dass generell auf die diesbezüglichen Ausführungen verwie- sen wird. Hier ist insbesondere die Bohrung 3 zu erkennen, sowie schematisch der Mikroge- nerator 4 und das Funkmodul 6.

In Figur 4 ist ein schematisches Ersatzschaltbild der Spulen 10 aus den Figuren 3 und 4 ge- mäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Spu- len 10 stellen dabei Induktivitäten dar, die in Reihe geschaltet sind. Gemäß den zuvor be- schriebenen Darstellungen sind hier vierzehn Spulen 10, entsprechend vierzehn Induktivitä ten, vorgesehen.

In Figur 5 ist ein schematischer Längsschnitt eines Wälzkörpers 1 gemäß einer beispielhaf- ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei entspricht die dargestell- te Ausführungsform im Wesentlichen der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform, so dass generell auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier ist deutlich die Platine 8 zu erkennen, wobei auf der einen Seite der Platine 8 zwei entlang der Mittellinie des Wälz- körpers 1 voneinander beabstandete induktive Sensoren 5, 5‘ mit zwei Messkontakten 7, 7‘angeordnet sind. Die Leiterbahnen der Sensoren 5, 5‘ sind in dieser Darstellung nicht sicht- bar. Zwischen den Leiterbahnen und den Messkontakten 7, T ist ein Spalt vorgesehen. Die ’Messkontakte 7, T sind in Kontakt mit der Bohrungswand. Je nachdem, ob die Bohrung ge- staucht oder gedrückt wird, ändert sich der Abstand zwischen den’Messkontakten 7, 7‘ und der Platine 8, welche durch die Abstandshalter 70, 70‘ in Kontakt mit der Bohrungswand steht. Dieser Abstand, also die Größe des Spaltes, wird gemessen. Zu erkennen sind weiter- hin der Energiespeicher 18 und das Funkmodul 6. In Figur 6 ist eine Platine 8 eines Wälzkörpers 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungs- form der vorliegenden Erfindung dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind dabei nicht alle Elemente dargestellt. In der Mitte ist der Energiespeicher 18 sichtbar. Ferner ist le- diglich beispielshaft ein Funkmodul 6 dargestellt. Die Platine 8 ist derart bemessen, dass sie in die Bohrung 3 passt und vorzugsweise eine geringe seitliche Toleranz aufweist.

In Figur 7 ist eine Perspektivansicht eines Wälzlagers 100 gemäß einer beispielhaften Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hier handelt es sich dabei um ein Großwälzlager mit einem als Außenring ausgeführten ersten Lagerringl 1 , einem hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten, als Innenring ausgeführten zweiten Lager- ring 12 und einem dazwischen angeordneten Käfig 13, der eine Vielzahl von Wälzkörpern umfasst und gleichmäßig voneinander beabstandet hält. Neben herkömmlichen Wälzkörpern T ist wenigstens ein Wälzkörper dabei ein Wälzkörper 1 im Sinne dieser Anmeldung, also ei- ne Messrolle.

In Figur 8 ist eine perspektivische Detailansicht eines Wälzlagers 100 gemäß einer beispiel haften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hier ist insbesondere ein er- findungsgemäßer Wälzkörper 1 neben zwei herkömmlichen Wälzkörpern T dargestellt. Wie aus der Darstellung ersichtlich wird, weist der Wälzkörper 1 keine Verkabelung auf, er funk- tioniert autonom und übermittelt die Messdaten kabellos, so dass das Wälzlager 100 bei- spielsweise von einem Gehäuse umschlossen sein kann und dennoch eine Belastungsmes- sung möglich ist. Hierdurch kann das Großwälzlager beispielsweise in einer Windkraftanlage eingebaut werden und Belastungsmessdaten an eine Kontrolleinheit übermitteln, so dass ein Wartungsbedarf frühzeitig und ohne aufwändige Eingriffe in das Wälzlager 100 erkannt wer- den kann.

In Figur 9 ist eine schematische Darstellung eines Wälzlagers 100 gemäß einer beispielhaf- ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Wälzlager 100 weist zwischen dem ersten Lagerring 11 und dem zweiten Lagerring 12 einen erfindungsgemäßen Wälzkör- per 1 und eine Vielzahl herkömmlicher Wälzkörper T auf.

In Figur 10 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Platine 8 gemäß einer beispielhaf- ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Zu erkennen sind neben der Plati ne 8 die Sensoren 5, 5‘ mit den Messkontakten 7, 7‘ und den Abstandshaltern 70, 70‘, der Energiespeicher 18 und der Spalt 19 zwischen der nicht zu erkennenden, auf der Platine 8 angeordneten Leiterbahn und dem Messkontakt 7. Der Messkontakt 7 liegt mit seiner abge- rundeten Seite an der Bohrungswand an (hier nicht dargestellt). Stauchungen der Bohrung übertragen sich auf den Messkontakt 7 und über den Abstandshalter 70 auf die Platine 8, wodurch sich die Größe des Spaltes 19 ändert. Die Messung der Größe des Spaltes 19 er- möglicht die Messung der Deformation des Wälzkörpers.

In Figur 11 ist eine Darstellung einer Platine 8 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Zu erkennen sind die gleichen Merkmale wie sie in Figur 10 gezeigt sind, weshalb diese an dieser Stelle nicht weiter diskutiert werden. Am linken Sensor 5 mit dem linken Messkontakt 7 und dem linken Abstandshalter 70 ist im Gegensatz zum rechten Sensor 5‘ mit dem rechten Messkontakt T und dem rechten Abstandshalter 70‘ der Spalt 19 zu sehen. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass der linke Sensor 5 in einem in den Wälzkörper eingebauten Zustand gezeichnet ist und der rechte Sensor 5‘ in einem nicht in den Wälzkörper eingebauten Zustand gezeichnet ist (siehe Figur 12). Im eingebauten Zu- stand liegen der Messkontakt 7 und der Abstandshalter 70 an der Bohrungswand an und da- mit ist die Messfläche des Messkontaktes 7 zur Platine 8 mit dem Spalt 19 beabstandet. Im nicht eingebauten Zustand liegt der Messkontakt T nicht an der Bohrungswand, sondern an der Platine 8 an.

In Figur 12 ist eine Darstellung einer Platine 8 und eines Wälzkörpers 1 gemäß einer bei- spielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dargestellt ist das Einfüh ren der Platine 8 mit den Sensoren 5‘ und 5 in die Bohrung des Wälzkörpers 1 bei der Her- stellung des Wälzkörpers 1. Der Sensor 5‘ mit dem Messkontakt 7‘ und dem Abstandshalter 70‘ ist bereits in den Wälzkörper 1 eingeführt. Der Messkontakt 7‘ und der Abstandshalter 70‘ liegen an der Bohrungswand an. Dadurch ist der Spalt 19 zwischen dem Messkontakt 7‘ und der auf der Platine 8 angeordneten Leiterbahn gebildet. Zu erkennen sind weiterhin der Energiespeicher 18 und ein weiterer Sensor 5 mit einem weiteren Messkontakt 7 und einem weiteren Abstandshalter 70. Der weitere Messkontakt 7 ist noch nicht in die Bohrung des Wälzkörpers 1 eingeführt und damit noch nicht in Kontakt mit der Bohrungswand. Der weite- re Messkontakt 7 liegt auf der Platine 8 auf, so dass an dieser Stelle kein Spalt entsteht.

Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung des Wälzkörpers 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zu sehen ist ein Schnitt entlang einer Ebene, welche orthogonal auf der Mittelachse des Wälzkörpers 1 steht. In dem Wälzkörper 1 mit dem Außenmantel 2 ist in der Bohrung 3 die Platine 8 mit der Leiterbahn 22 angeordnet. Die Platine 8 steht über den Abstandshalter 70 in mechanischem Kontakt mit der Bohrungswand. Der Abstandshalter 70 ist mit dem weiteren Magneten 21 an der Bohrungswand fixiert. Die magnetische Wechselwirkung zwischen Bohrungswand und weiterem Magneten 21 ist durch die magnetischen Feldlinien 201 verdeutlicht. Weiterhin ist der Messkontakt 7 zu erkennen, welcher seinerseits mit dem Magneten 20 an der Bohrungswand fixiert ist. Die magnetische Wechselwirkung zwischen Bohrungswand und Magnet 20 ist ebenfalls durch die magneti- schen Feldlinien 200 verdeutlicht. Wird der Wälzkörper 1 deformiert, so ändert sich die Grö- ße des Spaltes 19 zwischen dem Messkontakt 7 und der Leiterbahn 22. Dir Größe des Spal- tes 19 und damit die Deformation des Wälzkörpers 1 wird induktiv gemessen.

Figur 14 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnittes des Wälzkörpers 1 mit der Platine 8, dem Messkontakt 7 und dem Abstandshalter 70 gemäß einer beispielhaften Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist hier ein Schnitt entlang der Mitte- lachse des Wälzkörpers 1. Zu erkennen sind die Platine 8 mit dem an ihr fixierten Abstands- halter 70, welcher in mechanischem Kontakt mit der Bohrungswand (nicht gezeigt) steht. Weiterhin ist der Messkontakt 7 zu erkennen. Zwischen dem Messkontakt 7 und der Platine 8 befindet sich der Spalt 19. Bei Deformationen des Wälzkörpers 1 kommt es zu Größenän- derungen des Spaltes 19, dargestellt durch den Doppelpfeil. Eine Deformationsmessung des Wälzkörpersl erfolgt durch Messung der Größe des Spaltes 19.

Bezugszeichenliste

1 Wälzkörper

1‘ Wälzkörper

2 Außenmantel

3 Bohrung

4 Mikrogenerator

5, 5‘ Sensor

6 Funkmodul

7, 7‘ Messkontakt

8 Platine

9 Dehnungsmessstreifen

10 Spulen

1 1 erster Lagerring

12 zweiter Lagerring

13 Käfig

14 Magnet

15 Käfigmagneten

17 weitere Platine

18 Energiespeicher

19 Spalt

20 erster Magnet

21 zweiter Magnet

22 Leiterbahn

70, 70‘ Abstandshalter 100 Wälzlager

200 magnetische Feldlinien

201 magnetische Feldlinien