Wenn ein Lager mit hoher Drehzahl oder unter Last läuft, entsteht Reibung zwischen Wälzkörpern, Laufbahnen, Käfig und Schmierstoff. Diese Reibung erzeugt Wärme. Wird die Temperatur zu hoch, kann der Schmierstoff dünnflüssiger werden, der Ölfilm abreißen, der Lagerwerkstoff an Festigkeit verlieren und sich die innere Lagerluft verändern. In schweren Fällen kann das Lager überhitzen, fressen oder vorzeitig ausfallen. Aus diesem Grund ist die Messung der Reibungstemperatur von Lagern sehr wichtig. Sie hilft Ingenieuren zu beurteilen, ob das Lager ordnungsgemäß geschmiert ist, ob der Werkstoff für die Betriebsbedingungen geeignet ist und ob am Lager ungewöhnlicher Verschleiß, Überlastung oder eine fehlerhafte Montage vorliegt. Zu den gängigen Verfahren zur Messung der Reibungstemperatur von Lagern gehören Thermoelementmessung, Dünnschichtsensor-Messung, Infrarot-Temperaturmessung, Widerstandstemperaturmessung und faseroptische Temperaturmessung.
1. Thermoelement-Methode
Die Thermoelement-Methode ist eine der gebräuchlichsten und praxisnahsten Möglichkeiten zur Messung der Lagertemperatur. Ein Thermoelement entsteht durch das Verbinden zweier unterschiedlicher Metalldrähte. Liegt zwischen Messstelle und Referenzstelle ein Temperaturunterschied vor, wird ein kleines elektrisches Signal erzeugt. Dieses Signal kann anschließend in einen Temperaturwert umgerechnet werden.
Bei Lageranwendungen werden Thermoelemente häufig in der Nähe des Außenrings, am Lagergehäuse oder am Maschinengestell installiert. Sie werden weit verbreitet eingesetzt, weil sie einfach, zuverlässig und für die Langzeitüberwachung geeignet sind.
Allerdings misst ein Thermoelement in der Regel die Temperatur in der Nähe des Einbauorts und nicht die momentane Temperatur direkt an der tatsächlichen Kontaktfläche zwischen Wälzkörper und Laufbahn. Wenn ein Thermoelement beispielsweise am Lagergehäuse montiert ist, kann die gemessene Temperatur niedriger sein als die tatsächliche Reibungstemperatur im Lagerinneren.
Vorteile der Thermoelement-Methode
Einfacher Aufbau und ausgereifte Technologie Geeignet für den industriellen Feldeinsatz Gut geeignet für die langfristige Temperaturüberwachung Einsetzbar an Lagergehäusen, Außenringen und Maschinenoberflächen
Einschränkungen der Thermoelement-Methode
Die tatsächliche Kontakttemperatur im Inneren des Lagers lässt sich nur schwer direkt messen Die Messergebnisse hängen stark von der Einbauposition ab Der gemessene Wert kann niedriger sein als die tatsächliche Reibungstemperatur
2. Dünnschicht-Sensorverfahren
Das Dünnschicht-Sensorverfahren misst die Temperatur mithilfe einer sehr dünnen Sensorschicht, die auf der Oberfläche des geprüften Bauteils angebracht wird. Ändert sich die Temperatur, verändert sich auch der elektrische Widerstand der Dünnschicht. Diese Änderung kann in ein Temperatursignal umgewandelt werden.
Dieses Verfahren ist nützlich, weil der Sensor sehr nahe an der Reibfläche positioniert werden kann. Dadurch liefert es detailliertere Informationen zur Oberflächentemperatur und zur Temperaturverteilung im Kontaktbereich.
Die Sensorschicht muss jedoch extrem dünn und klein sein, damit sie die ursprünglichen Kontaktbedingungen nicht verändert. Ist der Kontaktdruck zu hoch oder sind die Schmierbedingungen instabil, kann die Dünnschicht schnell beschädigt werden. In manchen Fällen kann der Sensor selbst das Reibungsverhalten beeinflussen.
Aufgrund dieser Einschränkungen wird das Dünnschicht-Sensorverfahren hauptsächlich in der Laborforschung eingesetzt und weniger in üblichen Industriemaschinen.
Vorteile der Dünnschicht-Sensormethode
Kann die Temperatur nahe an der Reibfläche messen Hilfreich zur Untersuchung der Ölfilmtemperatur Geeignet zur Analyse der Temperaturverteilung in der Kontaktzone
Einschränkungen der Dünnschicht-Sensormethode
Der Sensorfilm kann unter hohem Druck leicht beschädigt werden Die Installation ist schwierig und erfordert hohe Präzision Kann den ursprünglichen Kontaktzustand beeinflussen Eher für Laborprüfungen als für den Feldeinsatz geeignet
3. Infrarot-Temperaturmessung
Die Infrarot-Temperaturmessung ist ein berührungsloses Verfahren. Jeder Körper gibt Infrarotstrahlung ab, deren Intensität sich mit der Temperatur verändert. Ein Infrarot-Thermometer oder eine Infrarotkamera erfasst diese Strahlung und wandelt sie in einen Temperaturwert um.
Der größte Vorteil der Infrarotmessung besteht darin, dass weder das Lager noch die Reibfläche berührt werden müssen. Dadurch wird der ursprüngliche Betriebszustand des Lagers nicht beeinflusst. Besonders sinnvoll ist das Verfahren bei schnell rotierenden Bauteilen, Lagergehäusen und Bereichen, in denen die Montage eines Sensors schwierig ist.
Allerdings erfasst die Infrarotmessung in der Regel die Oberflächentemperatur. Das Ergebnis kann durch Oberflächenfarbe, Rauheit, Emissionsgrad, Ölfilm, Staub und Reflexionen beeinflusst werden. In üblichen industriellen Anwendungen ist es für ein Infrarot-Thermometer schwierig, die tatsächliche Kontakttemperatur im Inneren des Lagers direkt zu messen.
In der Laborforschung können Infrarotverfahren eingesetzt werden, um die Kontakttemperatur unter speziellen Prüfbedingungen zu untersuchen. Beispielsweise kann einer der Kontaktkörper aus einem infrarotdurchlässigen Werkstoff wie Saphir bestehen. Dieser Prüfaufbau kann jedoch von der realen Struktur eines Lagers abweichen.
Vorteile der Infrarot-Temperaturmessung
Berührungslose Messung Beeinflusst weder das Lager noch den Reibungszustand Geeignet für schnelllaufende, bewegte Bauteile Nützlich für die schnelle Prüfung von Lagergehäusen und Außenringen
Grenzen der Infrarot-Temperaturmessung
Misst hauptsächlich die Oberflächentemperatur Die Ergebnisse werden durch Emissionsgrad, Oberflächenzustand, Öl und Staub beeinflusst Eine direkte Messung der internen Kontaktlagertemperatur ist schwierig
4. Widerstandstemperaturmessung
Die Widerstandstemperaturmessung nutzt das Prinzip, dass sich der elektrische Widerstand bestimmter Materialien mit der Temperatur verändert. Zu den gängigen Widerstandstemperatursensoren gehören RTD-Sensoren und Thermistoren. Platin-Widerstandssensoren und Kupfer-Widerstandssensoren werden in der industriellen Temperaturmessung häufig eingesetzt. Vereinfacht gesagt: Wenn die Temperatur steigt, verändert sich der Widerstand des Sensors. Durch die Messung dieser Widerstandsänderung kann die Temperatur berechnet werden. Die Widerstandstemperaturmessung bietet in der Regel eine gute Genauigkeit und Stabilität. Sie wird häufig zur Messung der Temperatur von Lagergehäusen, Schmieröl, Maschinenkörpern, Motorwicklungen und anderen relativ stabilen Komponenten eingesetzt. Ähnlich wie Thermoelemente sind Widerstandstemperatursensoren in der Regel nicht für den direkten Einbau in der hochbelasteten Kontaktzone zwischen Wälzkörper und Laufbahn geeignet. Sie eignen sich besser zur Überwachung benachbarter Bereiche des Lagersystems.
Vorteile der Widerstandstemperaturmessung
Gute Genauigkeit und Stabilität Geeignet für die langfristige Temperaturüberwachung Weit verbreitet in Motoren, Wicklungen, Schmierölsystemen und Lagergehäusen
Einschränkungen der Widerstandstemperaturmessung
Nicht geeignet für die direkte Messung in Hochdruck-Reibkontaktbereichen Die Ansprechgeschwindigkeit kann langsamer sein als bei einigen anderen Verfahren Die Messergebnisse hängen von der Einbauposition des Sensors ab
5. Faseroptische Temperaturmessung
Die faseroptische Temperaturmessung nutzt optische Signale, um Temperaturänderungen zu erfassen. Im Gegensatz zu Sensoren mit Metalldrähten leiten Glasfasern keinen elektrischen Strom. Dadurch sind sie besonders nützlich in Umgebungen mit starken elektrischen Feldern, starken Magnetfeldern, Hochspannung, Mikrowellenstrahlung oder ausgeprägten elektromagnetischen Störungen.
In solchen Umgebungen können herkömmliche Thermoelemente, Thermistoren oder Widerstandstemperatursensoren Probleme verursachen. Ihre Metalldrähte können durch elektromagnetische Störungen beeinflusst werden, unerwünschte Erwärmung erzeugen oder in Hochspannungsanlagen sogar ein Kurzschlussrisiko darstellen.
Faseroptische Sensoren vermeiden viele dieser Probleme. Sie sind elektrisch isolierend, beständig gegen elektromagnetische Störungen und für Messungen aus der Ferne geeignet. Bei der Messung der Lagertemperatur werden faseroptische Sensoren häufig in fortschrittlichen Prüfsystemen, Hochspannungsanlagen, Luft- und Raumfahrtprüfungen, Elektromotoren und anderen Sonderanwendungen eingesetzt.
Vorteile der faseroptischen Temperaturmessung
Ausgezeichnete Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen Elektrisch isolierend und sicherer in Hochspannungsumgebungen Geeignet für die Temperaturmessung aus der Ferne Nützlich für spezielle Prüfaufgaben und High-End-Anlagen
Einschränkungen der faseroptischen Temperaturmessung
Höhere Systemkosten Komplexerer Sensoraufbau Installation und Signalverarbeitung erfordern mehr technisches Fachwissen
Verfahren Einfache Erklärung Wichtigste Vorteile Wichtigste Einschränkungen Geeignete Anwendungen
Thermoelement-Verfahren Nutzt zwei unterschiedliche Metalle, um ein temperaturabhängiges Signal zu erzeugen Einfach, ausgereift und weit verbreitet Schwierige Messung der tatsächlichen inneren Kontakt-Temperatur
Temperaturueberwachung von Lagergehaeuse, Aussenring und Anlage
Duennschicht-Sensormethode Verwendet eine duenne Sensorschicht auf der Oberflaeche Nahe an der Reibflaeche Leicht zu beschaedigen und kann die Kontaktbedingungen beeinflussen Laborforschung zu Reibung und Schmierung
Infrarot-Temperaturmessung Misst die Infrarotstrahlung der Oberflaeche Beruehrungslos und fuer bewegte Teile geeignet Beeinflusst durch Oberflaechenzustand, Oel, Staub und Emissionsgrad Schnellpruefung, Lagergehaeuse, rotierende Teile
Widerstands-Temperaturmessung Misst die Temperatur durch Erfassung der Widerstandsaenderung Praezise und stabil Nicht geeignet fuer direkte Messungen bei Hochdruckkontakt Motoren, Wicklungen, Schmieroel, Lagergehaeuse
Faseroptische Temperaturmessung Verwendet optische Signale zur Temperaturmessung Stoerfest, nicht leitend, sicher in Hochspannungsumgebungen Hoehere Kosten und komplexeres System Hochspannungsanlagen, starke elektromagnetische Felder, Luft- und Raumfahrtpruefungen
So wählen Sie das richtige Verfahren zur Lagertemperaturmessung
Das beste Verfahren hängt vom Prüfzweck und von der Arbeitsumgebung ab. Für übliche Industrieanlagen wie Motoren, Ventilatoren, Pumpen, Förderanlagen und Getriebe sind Thermoelemente, Widerstandstemperatursensoren oder Infrarot-Thermometer in der Regel ausreichend. Diese Verfahren sind praxisgerecht, einfach anzuwenden und eignen sich für die Vor-Ort-Prüfung oder die Langzeitüberwachung. Für eine schnelle Kontrolle kann ein Infrarot-Thermometer oder eine Wärmebildkamera helfen, ungewöhnliche Erwärmung am Lagergehäuse oder am Außenring zu erkennen. Für eine kontinuierliche Online-Überwachung können Thermoelemente oder RTD-Sensoren in der Nähe des Lageraußenrings oder des Lagergehäuses installiert werden. Für Laboruntersuchungen zur tatsächlichen Reibungstemperatur, Ölfilmtemperatur oder elastohydrodynamischen Schmierung können Dünnschichtsensoren oder Infrarot-Prüfverfahren detailliertere Informationen liefern. Für Prüfumgebungen mit Hochspannung, starken Magnetfeldern, starker elektromagnetischer Störung oder in der Luft- und Raumfahrt ist die faseroptische Temperaturmessung in der Regel die bessere Wahl. Fazit
Die Messung der Reibungstemperatur von Lagern ist ein wichtiges Verfahren zur Beurteilung von Schmierung, Verschleiß, Lastzustand und Betriebssicherheit. Unterschiedliche Messmethoden haben jeweils eigene Vorteile und Grenzen. Für den allgemeinen industriellen Einsatz sind Thermoelemente, Widerstandstemperatursensoren und Infrarotverfahren die praxisgerechtesten Optionen. Für Laboruntersuchungen können Dünnschichtsensoren und Infrarotmessungen dabei helfen, die tatsächliche Temperatur im Reibkontakt zu analysieren. In Sonderumgebungen mit starker elektromagnetischer Störung oder Hochspannung bietet die faseroptische Temperaturmessung deutliche Vorteile. Vereinfacht gesagt: Für die normale industrielle Temperaturüberwachung von Lagern eignen sich Thermoelemente, RTD-Sensoren oder Infrarot-Thermometer; für die Reibungsforschung kommen Dünnschichtsensoren oder spezielle Infrarotsysteme zum Einsatz; und für Hochspannungsumgebungen oder Bereiche mit starker elektromagnetischer Beeinflussung sind faseroptische Sensoren geeignet.