DE10011820A1

DE10011820A1 - Messeinrichtung für Wälzlager

Info

Publication number: DE10011820A1
Application number: DE2000111820
Authority: DE
Inventors: Markus Weser; Josef Binder; Vasilis Hassiotis; Heinrich Hofmann
Original assignee: FAG Automobiltechnik AG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2020-03-11
Also published as: DE10011820B4

Abstract

Ziel dieser Messeinrichtung ist es die Drehzahl eines Wälzlagers über mehrere Millimeter Luftstrecke durch einen externen Sensor 19 zu erfassen, ohne dass Kabel zur Stromversorgung oder Datenübertragung am Wälzlager angeordnet sind. Die Aufgabe wird durch die magnetische Kopplung zweier Spulen 18, 19 erreicht, wobei ein am drehenden Teil 2 des Wälzlagers angeordneter magnetischer Encoder 10 eine Induktivitätsänderung in der Spule 18, die am Wälzlager angebracht ist, bewirkt. Diese Induktivitätsänderung wird von der externen Spule erfasst.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Messeinrichtung für Wälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Hintergrund der Erfindung

Die Drehzahlerfassung zwischen stehendem und rotierendem Laufring in einem Wälzlager ist schon seit langem Stand der Technik. Hierbei gibt es verschie dene Prinzipien der Drehzahlerfassung.

So wird die Drehzahl beispielsweise über Einrichtungen, die am Wälzlager angeordnet sind erfasst und die ermittelten Daten werden über Kabel zur Datenauswertung weitergeleitet. Diese Kabel sind dann direkt am Wälzlager angebracht. (FAG Rillenkugellager mit integriertem Sensor, FAG TI Nr. WL 43- 1206 D) So gibt es auch Einsatzfälle, bei denen diese direkt am Wälzlager angebrachten Kabel stören und deshalb die Drehzahl über extern angeordnete Sensoren erfasst wird. Ein Einsatzbeispiel für eine externe Anordnung von Sensoren ist das Radlager. Um mehr konstruktive Freiheiten um das Radlager zu bekommen, werden die Sensoren immer weiter von dem Radlager entfernt angebracht. In der DE 196 44 744 A1 wird die Drehzahl über einen Halleffekt sensor erfasst. Hierbei dreht sich der magnetische Encoder hinter einer feststehenden nicht ferromagnetischen Scheibe. Der Halleffektsensor ist außerhalb des Wälzlagers angeordnet. Der maximale Abstand, der mit einer solchen Anordnung problemlos überbrückt werden kann beträgt maximal 3 mm. Auch vergleichbare Meßprinzipien wie MR (magnetoresistive Sensoren) oder GMR (Gigant magnetoresistive Sensoren) erreichen nur Übertragungsabstände in Luft von bis zu 3 mm. Sind größere Abstände zwischen Encoder und Hallef fektsensor zu überbrücken, funktionieren diese Systeme nicht mehr betriebssi cher.

In der DE 196 32 345 A1 sind unter anderem auch ein Telemetriesender und Telemetrieempfänger gezeigt. Die übertragbare Entfernung, die mit diesem System erreicht werden kann, hängt im wesentlichen von der eingesetzten Sendeleistung des Senders ab. Diese Telemetriesender- und Telemetrieemp fängereinheiten sind aufwendig gebaut, da diese für die Stromversorgung der aktiven Systeme auf der Empfängerseite die Energie zur Verfügung stellen müssen. Diese Energie wird mit elektromagnetischen Wellen vom Sender außerhalb des Wälzlagers zum aktiven Messsystem am Wälzlager übertragen, mit einer Antenne empfangen, gleichgerichtet, gespeichert und dem aktiven Sensor zugeführt. Die Messwerte werden dann zum Telemetrieempfänger außerhalb des Lagers zurückgeschickt.

Im Aufsatz Microcoil Speed and Position Sensor for Automotive Applications, (MME '96, Micromechanics Europe, 21-22 October 1996, Barcelona, Spain) wird ein Sensorsystem gezeigt, das auf planaren Spulen aufbaut. Bei dieser Anwendung dreht ein magnetischer Encoder, und die Drehzahl sowie Drehrich tung werden über die planaren Minispulen erfasst. Diese beiden Spulensy steme sind zusammen angeordnet und magnetisch gekoppelt. Das Problem dieser Anordnung ist, dass das erste Spulensystem zur Energieversorgung genutzt wird und das zweite Spulensystem das Drehzahlsignal zur Verfügung stellt. Aufgrund dieser Konstellation müssen beide Spulensysteme an Kabel angeschlossen werden. Der maximale Abstand der zwischen dem Magneten und der Spule, die die Drehzahl erfasst, beträgt nur wenige mm. Um die Drehzahlimpulse in einem Wälzlager zu erfassen, muss deshalb der Sensor (bzw. die beiden Spulensysteme) sehr nahe am Wälzlager angeordnet werden.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem aufzuzei gen, mit dem die aktuelle Drehzahl des Wälzlagers berührungslos über mehre re Millimeter Entfernung fehlerfrei erfasst werden kann und das aus einfachen Elementen aufgebaut ist.

Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspru ches 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 7 beschreiben vorteilhafte Ausführungsvari anten.

Die Vorteile dieser Messeinrichtung bestehen darin, dass nur die Induktivi tätsänderung der Spule bzw. Mikrospulenschwingkreis am Wälzlager vom externen Sensor erfasst wird. Die Energie, die vom Schwingkreis am Wälzlager benötigt wird, um als Schwingkreis zu arbeiten wird vom externen Sensor über die magnetische Kopplung zur Verfügung gestellt. Da der Schwingkreis am Wälzlager nur den Bruchteil der Energie der aktiven Meßsysteme im Stand der Technik benötigt, kann die Drehzahlerfassung so mit einfachsten Mitteln bis über mehrere Millimeter hinweg realisiert werden. Der externe Sensor kann unabhängig vom Wälzlager angeordnet werden, und direkt am Wälzlager sind keine Kabel angebracht, die bei der Handhabung stören könnten. Eine Ener gieversorgung in Form einer Batterie wird auch nicht benötigt. Durch den drehenden magnetischen Encoder mit seinen Nord- und Südpolen wird die Induktivität der Spule im stationär angeordneten Mikrospulenschwingkreis am Wälzlager geändert. Außerhalb des Wälzlagers ist in einem Sensor der zweite Mikrospulenschwingkreis angeordnet. Dieser zweite Mikrospulenschwingkreis wird mit einer Frequenz von < 5 MHz angesteuert. Durch die Veränderung der Induktivität der Spule im Mikrospulenschwingkreis am Wälzlager wird die Gesamtinduktivität des Spulensystems verändert. Das Drehzahlsignal wird dann über eine Strom- oder Spannungsänderung oder Phasenverschiebung an der externen Spule ermittelt, wobei die Hüllkurve der ansteuernden Frequenz ausgewertet wird.

Der mathematische Zusammenhang ist durch die Grundgleichungen eines einfachen Spulensystems gegeben:

U = jωL₁ I ₁ + jωM₁₂ I ₂

Aus dieser Formel geht hervor, dass die Veränderung der Induktivität einer Spulenseite (hier am Wälzlager), bei sonst konstanten Größen, zur Verände rung der Spannung an der anderen Spulenseite (hier im Sensor) führt.

Das heißt, dass die Anzahl der Übergänge zwischen Nord- und Südpol auf dem drehenden Encoder unter der Spule direkt am Wälzlager sich im Spannungs verlauf in der Spule des Sensors abbilden. Bei Kenntnis der Nord- und Südpole auf dem Encoderring kann so direkt auf die Drehzahl des Wälzlagers geschlos sen werden.

Gemäß Anspruch 2 werden die Schwingkreise am Wälzlager und im externen Sensor an ihrer Resonanzfrequenz betrieben. Dieser Betriebspunkt hat den Vorteil, dass die auszuwertenden Messsignale im Sensor die deutlichsten messbaren Unterschiede im Spannungsverlauf oder Stromverlauf oder Pha senverschiebung aufweisen.

Gemäß Anspruch 3 werden die Minispulen in Form von planaren Spulen ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass diese Spulen äußerst flach bauen (10 µm bis 100 µm) und in bekannter galvanischer Additivtechnik oder durch ein Aufdrucken erzeugt werden und direkt auf dem Kondensator angeordnet sind.

Gemäß Anspruch 4 werden die planaren Mikrospulen so aufgebaut, dass die Streukapazität zwischen den einzelnen Windungen der Spule als Kondensator genutzt wird. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Konden satoren eingesetzt werden müssen, um einen Schwingkreis zu erzeugen.

Gemäß Anspruch 5 werden diese Mikroschwingkreise in die stationäre Dicht scheibe, die aus nicht ferromagnetischem Material besteht, integriert und mit einvulkanisiert. Dadurch sind diese Spulen vor äußeren Einflüssen geschützt.

Gemäß Anspruch 6 werden einzelne Mikroschwingkreise in einem engen Abstand gleichmäßig über die Oberfläche der feststehenden nicht ferromagne tischen Dichtscheibe verteilt. Dadurch wird erreicht, dass bei dem Einbau des Wälzlagers die Position des Mikroschwingkreises nicht auf den externen Sensor ausgerichtet werden muß. Das Wälzlager kann aufgrund der vielen Mikroschwingkreise so lageunabhängig eingebaut werden.

Gemäß Anspruch 7 werden die planaren Spulen der Mikroschwingkreise auf weich magnetischem Trägermaterial angeordnet, um die Induktivität der planaren Spule zu erhöhen. Die Einheit aus planarer Spule und Trägermaterial ist auf der nicht ferromagnetischen Dichtscheibe angebracht. Durch diese Anordnung wird die Übertragungsstrecke zwischen dem Mikroschwingkreis am Wälzlager und dem externen Sensor vergrößert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird anhand von mehreren Zeichnungen beschrieben.

In Fig. 1 wird das grundsätzliche Schaltungsschema der Erfindung dargestellt.

In Fig. 1a wird der Verlauf des gemessenen Signals dargestellt.

In Fig. 2a werden die wesentlichen Bauteile in perspektivischer Darstellung gezeigt.

In der Fig. 2b wird die Anordnung mehrerer planaren Spulen gezeigt.

Fig. 3 zeigt ein Konstruktionsbeispiel der erfindungsgemäßen Drehzahlmes seinrichtung mit drehendem Außenring.

In der Fig. 3a ist die Spule mit Kondensator in die Dichtscheibe dargestellt.

Fig. 4 zeigt ein Konstruktionsbeispiel mit drehendem Innenring.

Die Fig. 4a zeigt den Aufbau der planaren Spule.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

In Fig. 1 wird das Schaltschema der erfinderischen Messeinrichtung gezeigt. Die zwei Spulen bzw. die Mikroschwingkreise (externer Schwingkreis 19, Mikrospulenschwingkreis am Wälzlager 13) sind über das Medium Luft gekop pelt, wobei die Induktivität der Spule L₂, die auf der Dichtscheibe des Wälzla gers angeordnet ist, durch den rotierenden magnetischen Encoder geändert wird. Die Spule L₁, die sich im externen Sensor befindet, wird mit einer Fre quenz < 5 MHz angesteuert. Über die magnetische Kopplung M₁₂ bewirkt die Induktivitätsänderung der Spule L₂ eine Änderung des Stromes i₁ und der Spannung u₁ in der Spule L₁. Deutlich wird an diesem Schaltschema, dass die Spule L₂ ohne eine Spannungsversorgung auskommt. In Fig. 1a ist der graphische Verlauf des elektrischen Signals, das zur Auswertung der Drehzahl des Wälzlagers genutzt wird, gezeigt. Die Induktivitätsänderung der Spule L₂ ist im Signalverlauf der Hüllkurve sichtbar. Der sinusförmige Spannungsverlauf entspricht der angesteuerten Frequenz.

In der Fig. 2a wird die Anordnung der wesentlichen Bauteile zur Drehzahler fassung dargestellt. Das Wälzlager ist in dieser Darstellung nicht gezeigt. Der Encoder 10, der am drehenden Teil des Wälzlagers angeordnet ist, enthält in seiner Oberfläche eine Vielzahl von Nord- und Südpolen. Diese Pole drehen unter der am stehenden Ring des Wälzlagers angeordneten planaren Spule 18 und bewirken die Induktivitätsänderung der Spule 18. In dieser Darstellung ist nur eine planare Spule 18 auf dem Teil 9 gezeigt. Diese planare Spule 18 muss auf die externe Spule 19 lagemäßig im Einbaufall ausgerichtet werden. Die externe Spule 19 ist in dem Gehäuse 20 angeordnet und ist über Kabel 21 angeschlossen.

In der Fig. 2b sind als einziger Unterschied zu Fig. 2a viele planare Spulen 18 auf dem Teil 9 angeordnet. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass diese über den Umfang gleichmäßig verteilten Spulen 18 bei der Montage des Wälzlagers nicht auf den externen Schwingkreis 19 ausgerichtet werden müssen, da bei jeder Winkellage eine Spule 18 in Richtung des externen Schwingkreises 19 im extern angeordneten Sensor 20 steht.

In der Fig. 3 wird ein Wälzlager im Schnitt parallel zur Rotationsachse darge stellt. Zwischen dem feststehenden Innenring 2 und dem rotierenden Außen ring 1 sind die Wälzkörper 3, die im Käfig 4 geführt werden, angeordnet. Am rotierenden Außenring ist über das Teil 5 der rotierende Encoder 10 ange bracht. Der Encoder 10 wird über verschiedene Dichtungen 7, die am Teil 6 befestigt sind, vor Verschmutzung geschützt. Das Teil 6 ist aus nicht ferroma gnetischem Material gefertigt und ist gleichzeitig der Träger für die Spule 15. Die Spule 15 ist gegenüber dem Träger 6 elektrisch isoliert. Im Beispiel ist die Spule 15 von dem aufvulkanisierten Material der Dichtung umgeben und so vor Verschmutzung geschützt. Der externe Schwingkreis 19 ist im Gehäuse 20 angeordnet. Dieser wird über die Kabel 21 mit der Energieversorgung und Auswerteelektronik verbunden. In der Fig. 3a wird ein Beispiel des Schwing kreises, der aus Spule 15 mit Eisenkern und Kondensator 14 besteht, gezeigt. Unter der Spule 15 dreht sich der magnetische Encoder 10 und verändert so das Magnetfeld und damit die Induktivität der Spule 15. Der externe Sensor 20 ist in diesem Bild nicht gezeigt. Aus diesem Beispiel geht hervor, dass auch nicht planare Spulen eingesetzt werden können.

In der Fig. 4 wird die gleiche Anordnung wie in Fig. 3 gezeigt, wobei der Unterschied darin besteht, dass in diesem Anwendungsfall der Außenring 1 steht und der Innenring 2 rotiert. Demzufolge ist der Encoder 10 nun über das Teil 8 mit dem Innenring 2 verbunden. Die planare Spule 18 ist auf weich ferromagnetischem Trägermaterial 17 aufgebracht, diese Einheit ist auf dem nicht ferromagnetischen Dichtungsteil 9 angeordnet. Der Außenring 1 ist mit dem Dichtungsteil 9 verbunden. Das weich ferromagnetische Trägermaterial erhöht die Induktivität der planaren Spulen 18. In der Fig. 4a wird die Einzel heit der planaren Spule in einer dreidimensionalen Darstellung gezeigt. Ein möglicher Schichtaufbau unter der planaren Spule ist dargestellt. Die gestri chelten Linien 24 zeigen die elektrische Verbindung zu Flächen, die als Kon densatorfunktion genutzt werden.

Bezugszeichenliste

1

Außenring

2

Innenring

3

Wälzkörper

4

Käfig

5

Drehendes Dichtungsteil

6

Stehendes nicht ferromagnetisches Dichtungsteil

7

Dichtlippen

8

Drehendes Dichtungsteil

9

Stehendes nicht ferromagnetisches Dichtungsteil

10

Magnetischer Encoder

11

Aufvulkanisiertes Material

13

Mikrospulenschwingkreis am Wälzlager

14

Kondensator

15

Spule am Wälzlager mit Eisenkern

16

Dielektrikum

17

Weich magnetisches Trägermaterial

18

Planare Spule

19

Externer Schwingkreis

20

Gehäuse

21

Elektroanschluß der externen Spule

22

Isolationsschicht

23

Trägermaterial der planaren Spule

24

Elektrische Verbindung zur Kondensatorfunktion

Claims

1. Messeinrichtung für Wälzlager bestehend aus einem am rotierenden Laufring angeordneten drehenden magnetischen Encoder (10) mit meh reren Nord- und Südpolen, der mit einer nicht ferromagnetischen Scheibe (6, 9) abgedeckt ist und dessen magnetischen Impulse von ei nem externen Sensor abgetastet werden, dadurch gekennzeichnet, dass an der nicht ferromagnetische Scheibe (6, 9) mindestens ein Mikro spulenschwingkreis (13), bestehend aus Minispule (15, 18) und Konden satorfunktion, angeordnet ist, wobei der drehende magnetische En coder (10) in der Minispule (15, 18) eine Induktivitätsänderung bewirkt, die von der gekoppelten Spule (19) im Schwingkreis des externen Sen sors (20), der mit einer Frequenz < 5 MHz schwingt, erfasst wird.

2. Messeinrichtung für Wälzlager gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Mikrospulenschwingkreis (13) auf dem Wälzlager und der Schwingkreis (19) im externen Sensor (20) die gleiche Reso nanzfrequenz haben.

3. Messeinrichtung für Wälzlager gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Minispulen in Form von planaren Spulen (18) ausge führt sind, die direkt auf den ebenfalls planaren Kondensatoren ange ordnet sind.

4. Messeinrichtung für Wälzlager gemäß Anspruch 1 und 3, dadurch ge kennzeichnet, dass als Kondensator die Streukapazität der planaren Minispule (18) genutzt wird.

5. Messeinrichtung für Wälzlager gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Mikrospulenschwingkreise in der Dichtscheibe (6, 9) des Wälzlagers einvulkanisiert sind.

6. Messeinrichtung für Wälzlager gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Dichtscheibe (6, 9) aufgrund der im Umfang gleich mäßig angeordneten Mikrospulenschwingkreise (15, 18) im Bezug auf den externen Sensor (20) lageunabhängig eingebaut werden kann.

7. Messeinrichtung für Wälzlager gemäß Anspruch 1 und 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die planaren Mikrospulenschwingkreise (18) in weichmagnetisches Material (17) integriert sind.