DE10041097A1

DE10041097A1 - Sensoranordnung an einem Wälzlager

Info

Publication number: DE10041097A1
Application number: DE10041097A
Authority: DE
Inventors: Rainer Herberholz; Bernhard Elsner; Heinz Eisenschmid; Henry Heidemeyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2002-03-21

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung vorgeschlagen, die in einem Wälzlager (1) zur Detektierung physikalischer Größen während der Bewegung der im Wälzlager (1) geführten Bauteile geeignet ist. Es werden die auf die Lagerschale oder Lagerschalen (4, 5) des Wälzlagers (1) wirkenden Kräfte derart erfasst, dass die auf eine Lagerschale (4) des Wälzlagers (1) wirkenden Kräfte mit an die Lagerschale (4) angebrachten Sensorelementen (7, 8) detektiert werden, mit denen eine akustische Oberflächenwelle (SAW) erzeugbar und detektierbar ist. Aus der Beeinflussung der akustischen Oberflächenwelle (SAW) aufgrund der mechanischen Spannungen oder sonstigen physikalischen Beeinflussungen an der Lagerschale (4) ist ein entsprechendes Messsignal herleitbar.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung an einem Wälzlager, insbesondere zur Detektion von physikalischen Größen in einem Radlager nach dem Oberbegriff des Haupt anspruchs und ein Messverfahren zur Auswertung der Sen sorsignale.

Es ist für sich gesehen bekannt, dass an drehenden Tei len, die mit einem Wälzlager geführt sind, wie z. B. am Radlager eines Kraftfahrzeuges, verschiedene Messgrößen auftreten, welche von hoher Relevanz für die antreibenden und ggf. auch lenkenden Systeme sind. Die so gelagerten Bauteile sind oft Bestandteile von Antiblockiersystemen, Antischlupfregelungen oder sonstigen das Fahrverhalten oder die Fahrsicherheit positiv beeinflussenden Steue rungssystemen. Hierbei kann es von großer Bedeutung sein, Messdaten z. B. über die Drehzahl, die Radkräfte oder auch die Beschleunigung zu erhalten.

Aus der EP 0 992 797 A1 ist es beispielsweise bekannt, dass innerhalb eines Kugelwälzlagers ein magnetoelasti scher Drehzahlsensor angeordnet ist. Die Kugelwälzlager bieten hier einen sehr vorteilhaften, geschützten Einbau raum für entsprechende Sensoren. Durch eine Integration der Sensorik in das Kugellager entsteht außerdem eine, er hebliche System- und Montagevereinfachung, wobei aller dings eine weitergehende Erfassung der Lagerkräfte beim Stand der Technik nicht vorgesehen ist.

Mit einer solchen Sensoranordnung sollte eine Messung beispielsweise der im Radlager auftretenden Kräfte in al len drei Raumrichtungen möglich sein. Die Kräfte im Rad lager geben Auskunft über die zwischen Fahrzeug, bzw. Reifen, und Fahrbahn existierenden Kraftwirkungen. Die Sensorik sollte sich dabei auf dem vorhandenen Radlager ohne großen Aufwand realisieren lassen, wobei die Kosten, der Bauraum, die Verbindungstechnik, die Umweltbedingun gen und die Auflösung sowie das Signal-Rausch-Verhältnis der Sensoren beachtet werden müssen.

Für sich gesehen ist es darüber hinaus bekannt, dass zur Erfassung physikalischer Größen im Oberflächenbereich ei nes Materials sogenannte Surface Acoustic Wave Sensoren (SAW-Sensoren) angewandt werden, die unter der Ausnutzung einer Wechselwirkung zwischen der Ausbreitungsstrecke ei ner akustischen Oberflächenwelle oder einer Bulkwelle und den physikalischen Bedingungen auf oder in dem auszuwer tenden Material arbeiten und zum anderen gibt es auch Sensoren, deren Messwandler aus resonant schwingenden Mikrostrukturen bestehen.

Das Messprinzip mit den SAW-Sensoren ist beispielsweise in dem Aufsatz "A study of Love-wave acoustic sensors" J. Du, G. L. Hardling, P. R. Ogilvy und M. Lake in der Fach zeitschrift Sensors and Actuators A56 (1996), Seiten 211 bis 219 beschrieben. Mit dem hier beschriebenen Messaufbau ist ein Sensor realisiert, bei dem mit horizontal polarisierten akustischen Scherwellen als Oberflächenwel len gearbeitet wird, sog. Leckwellen (Leakywaves) bzw. Surface Skimming Bulk Wave (SSBW-Wellen) oder Love- Wellen. Diese akustischen Wellenmoden werden mit soge nannten, für sich auch aus dem zuvor erwähnten Stand der Technik bekannten, Interdigitaltransducern erzeugt und auch detektiert, so dass aus dem Ausbreitungsverhalten auf einer Ausbreitungs- oder Messstrecke das gewünschte Sensorsignal gewonnen werden kann.

Vorteile der Erfindung

Eine Sensoranordnung der eingangs und im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art ist mit den kennzeichnen den Merkmalen dieses Anspruchs weitergebildet. In vor teilhafter Weise können die auf eine Lagerschale des Wälzlagers wirkenden Kräfte mit an die Lagerschale ange brachten Sensorelementen detektiert werden, mit denen ei ne akustische Oberflächenwelle erzeugbar und detektierbar ist. Aus der Beeinflussung der akustischen Oberflächen welle aufgrund der mechanischen Spannungen oder sonstigen physikalischen Beeinflussungen an der Lagerschale ist dann in vorteilhafter Weise ein entsprechendes Messsignal herleitbar.

Diese sog. SAW-Sensorelemente zur Erzeugung und Detektion einer akustische Oberflächenwelle sind bevorzugt als Re sonatoren oder Reflektoren ausgebildet und durch die me chanischen Spannungen oder sonstigen physikalischen Be einflussungen an der Lagerschale ist ein frequenz-, pha sen- oder amplitudenmoduliertes Messsignal erzeugbar. Die Sensorelemente können auf einfache Weise direkt auf der Außenseite des Wälzlagers bzw. der Lagerschale kraft schlüssig mittels Klebe- oder Löttechniken aufgebracht werden, so dass sich die Spannungen und Dehnungen, z. B. in einem Radlager, auf das Substratmaterial des SAW- Sensorelements übertragen und in die Frequenz-, Phasen- oder Amplitudenänderung umwandelt werden.

Zur richtungsabhängigen Ermittlung der wirkenden Kräfte werden vorzugsweise an mehreren Stellen auf dem Radlager Sensoren angebracht und entsprechen ausgerichtet. Um die Verzerrung und damit die wirkenden Kräfte in zwei Dimen sionen an einer Stelle zu erfassen, ist es vorteilhaft zwei Sensoren in einem Winkel von 90° zueinander anzu bringen. Zusätzlich ist ein unbelasteter Sensor zur Tem peraturkompensation sinnvoll. Die optimalen Positionen für das Anbringen der Sensoren können durch Berechnung der auftretenden Verzerrungen oder experimentell ermit telt werden. Die wirkenden Kräfte können dann durch einen geeigneten Auswertealgorithmus aus den Sensorausgangssig nalen berechnet werden.

Das erfindungsgemäße Messprinzip kann in vorteilhafter Weise mit einem Messverfahren realisiert werden, bei dem die SAW-Sensorelemente als Resonatoren bei durch äußere Kräfte verursachte, Spannungen/Dehnungen im Wälzlager ihre Resonanzfrequenz ändern, vorausgesetzt sie sind ent sprechend eingebaut. Beispielsweise kann man die Reso nanzfrequenz der Sensorelemente in einem bestimmten Fre quenzbereich, z. B. 433 MHz oder 2,45 GHz, z. B. mit einer Bandbreite von ca. 20 KHz, wählen, die für Fernabfragbar keit freigegeben sind, ansonsten ist die Frequenz auch frei wählbar.

Mit einem zentralen Steuergerät können somit alle Sensor elemente eines Wälzlagers oder bei entsprechenden Kabeln, die das Hochfrequenzsignal der Sensorelemente über größe re Entfernungen von einigen Metern störungsfrei übermit teln können, auch beispielsweise alle vier Wälzlager ei nes Kraftfahrzeuges ausgewertet werden.

Vorteilhaft kann man mehrere Sensorelemente in sich nicht überlappenden Frequenzfenstern ansteuern, so dass man al le Sensoren über eine Hochfrequenzleitung von einem zent ralen Steuergerät mit entsprechenden Impulspaketen von Sinusschwingungen der entsprechenden Resonanzfrequenzen ansprechen kann und entweder über die gleiche Leitung zeitlich versetzt oder über eine zweite wieder auslesen kann. Dies entspricht in vorteilhafter Weise in etwa ei ner digitalen Busansteuerung der einzelnen Sensorelemen te, wobei jedoch eine weitere Elektronik oder sonstige Baugruppen am SAW-Sensorelement nicht notwendig sind. Da durch sind die Sensorelemente klein, leicht und einfach zu montieren und der Verdrahtungsaufwand ist minimal, wo bei eine Spannungsversorgung hier nicht mitgeführt werden muss.

Zur Bestimmung der Resonanzfrequenzen der Sensorelemente gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine Möglichkeit ist das Durchstimmen der Frequenz und die Bestimmung der ma ximalen Amplitude nach dem sogenannte Sweep-Verfahren. Eine weitere Möglichkeit ist das sogenannte Phase-Locked Loop-Verfahren (PLL), das aus der Hochfrequenztechnik, insbesondere der Fernsehtechnik, bekannt ist und auf ei ner Nachführung der von einem Steuergerät gesendeten Re sonanzfrequenz beruht.

Bei der Verwendung von getrennten Sende- und Empfangslei tungen kann dabei eine deutlich höhere Taktfrequenz er reicht werden. Die Abfragerate kann bei Verwendung von z. B. 2,45 GHz-Resonatoren als Sensorelemente sehr hoch liegen, wobei selbst bei dem erwähnten Sweep-Verfahren eine Abfragerate im 1 bis 10 MHz-Bereich möglich ist. Da die Sensoren ein quasi digitales Signal abgeben, ist auch keine Analog/Digital-Wandlung notwendig.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ei Ausführungsbeispiels der von erfindungsgemäßen Sensor anordnungen wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines mit einer Sensor anordnung versehenen Wälzlagers für eine drehende Radachse in einem Fahrzeugchassis und

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Lagerschale des Wälzlagers mit SAW-Sensorelementen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist eine vereinfachte Schnittansicht eines Wälzlagers 1 für eine drehende Radachse 2 gezeigt, wobei diese Anordnung in einem Fahrzeugchassis 3 fest eingefügt ist. Eine feststehende Lagerschale 4 sitzt am Chassis 3 und die mitdrehende Lagerschale 5 befindet sich an der Radachse. Im Wälzlager 1 befinden sich außerdem die Wälz elemente, hier Kugeln 6. An der äußeren feststehenden La gerschale 4 sind Sensorelemente 7 und 8 angedeutet, mit denen eine Detektion der Kraftkomponenten Fx als Trakti onskraft, Fy als Querkraft und Fz als Auflagekraft durch geführt werden soll, die bei einer Drehung der Radachse 2 und der damit einhergehenden mechanischen Beanspruchungen der Kugeln 6 und der Lagerschalen 4 und 5 auftreten.

In der Darstellung nach Fig. 2 sind die Lagerschale 4 und die Kugeln 6 ausschnittsweise gezeigt. Zur Anbringung der Sensorelemente 7 und 8, die als SAW-Sensorelemente ausgeführt sind und mit denen eine akustische Oberflä chenwelle erzeugbar und detektierbar ist, werden an der feststehenden Lagerschale 4 am Umfang zwei um 90° ver setzte Ausnehmungen 9 und 10 vorgesehen.

Die SAW-Sensorelemente 7 und 8 sind in der Regel elektro akustischen Wandler, die die akustischen Oberflächenwel len mit vorgegebenen Wellenmoden erzeugen und detektie ren. Solche elektroakustischen Wandler sind beispiels weise schon in dem eingangs erwähnten Fachaufsatz "A study of Love-wave acoustic sensors," J. Du, G. L. Hardling, P. R. Ogilvy und M. Lake in der Fachzeit schrift Sensors and Actuators A56 (1996), Seiten 211 bis 219 beschrieben.

Die SAW-Sensorelemente 7 und 8 enthalten richtungsmäßig entsprechend ausgerichtete schwingfähige Resonanzelemente 11 und 12 zur Erzeugung und Detektion der akustische O berflächenwelle und sind bevorzugt als Resonatoren oder Reflektoren ausgebildet. Durch die aufgrund einer Drehung der Radachse 2 über die Kugeln 6 erzeugten mechanischen Spannungen an der Lagerschale 4 und die Übertragung der resultierenden geometrischen Verformung auf die frequenz bestimmenden Elemente 11 und 12 der SAW-Sensorelemente 7 und 8 ist dann mit einer hier nicht näher gezeigten, aber für sich gesehen bekannten Auswerteeinrichtung ein fre quenz-, phasen- oder amplitudenmoduliertes Messsignal auswertbar.

Claims

1. Sensoranordnung an einem Wälzlager (1) zur Detektie rung physikalischer Größen während der Bewegung der im Wälzlager (1) geführten Bauteile (2), dadurch gekenn zeichnet, dass die auf eine Lagerschale (4, 5) des Wälzlagers (1) wir kenden Kräfte mit an die Lagerschale (4) angebrachten Sensorelementen (7, 8) detektiert werden, mit denen ei ne akustische Oberflächenwelle (SAW) erzeugbar und de tektierbar ist, wobei aus der Beeinflussung der akus tischen Oberflächenwelle (SAW) aufgrund der mechani schen Spannungen oder sonstigen physikalischen Beein flussungen an der Lagerschale (4) ein entsprechendes Messsignal herleitbar ist.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Sensorelemente (7, 8) zur Erzeugung und Detektion einer akustische Oberflächenwelle (SAW) als Resonato ren oder Reflektoren (11, 12) ausgebildet sind.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass durch die mechanischen Spannungen oder sonstigen phy sikalischen Beeinflussungen an der Lagerschale (4) ein frequenz-, phasen- oder amplitudenmoduliertes Messsig nal erzeugbar ist.

4. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gegeneinander um 90° versetzte Sensor elemente (7, 8) an der Lagerschale (4) angeordnet sind.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, dass ein zusätzliches mechanisch unbelastetes Sensorelement zur Temperaturkompensation an der Lagerschale (4) an gebracht ist.

6. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (7, 8) mit getrennten Sende- und Empfangsleitungen versehen sind.

7. Messverfahren zur Auswertung des Messsignals der Sen soranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (7, 8) zur Erzeugung und Detektion einer akustische Oberflächenwelle (SAW) mit einer ver änderlichen Frequenz durchgestimmt werden und die ma ximale Amplitude nach dem Sweep-Verfahren ermittelt wird.

8. Messverfahren zur Auswertung des Messsignals der Sen soranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (7, 8) zur Erzeugung und Detektion einer akustische Oberflächenwelle (SAW) mit einer nachgeführten von einem Steuergerät erzeugten Reso nanzfrequenz nach einem Phase-Locked-Loop-Verfahren beaufschlagt werden.

9. Messverfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, da durch gekennzeichnet, dass
die verschiedenen Sensorelemente (7, 8) in unterschied lichen, sich nicht überlappenden Frequenzbändern ange steuert werden, wobei entsprechende Pulspakete von Si nusschwingungen erzeugt werden und dass
die Messsignale entweder über die gleiche Leitung oder über eine separate Leitung wieder ausgelesen werden.

10. Messverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da durch gekennzeichnet, dass die Frequenzbereiche zur Ansteuerung der Sensorelemen te (7, 8) im Bereich von 433 MHz oder 2,45 GHz liegen und das Messsignal über eine Fernabfrage übertragen wird.