DE10136438A1 - Sensoranordnung in einem Wälzlager und Verfahren zur Auswertung des Sensorsignals - Google Patents
Sensoranordnung in einem Wälzlager und Verfahren zur Auswertung des SensorsignalsInfo
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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 und Momente derart erfasst, dass die mechanischen Spannungen oder sonstige physikalische Beeinflussungen der Lagerschale(n) (4, 5) mit in die Lagerschale(n) (4, 5) integrierten Sensorelementen (7 bis 10; 20 bis 23; 31 bis 34; 41 bis 44; 50) und auch eventuell damit zusammengefassten Elektronikbauteilen detektiert werden.
Description
Die Erfindung betrifft Sensoranordnungen und Signalaus
werteverfahren in einem Wälzlager, insbesondere zur De
tektion von physikalischen Größen in einem Radlager nach
dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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 Kugellagers ein Drehzahlsensor ange
ordnet ist. Die Kugelwälzlager bieten hier einen sehr
vorteilhaften, geschützten Einbauraum für entsprechende
Sensoren. Durch eine Integration der Sensorik in das Ku
gellager entsteht außerdem eine erhebliche System- und
Montagevereinfachung, wobei allerdings eine weitergehende
Erfassung der Lagerkräfte beim Stand der Technik nicht
vorgesehen ist.
Eine Sensoranordnung und ein Verfahren zur Auswertung der
Sensorsignale der eingangs angegebenen Art ist mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weitergebildet.
In vorteilhafter Weise kann dadurch, dass die auf die La
gerschale oder Lagerschalen des Wälzlagers wirkenden
Kräfte erfasst werden, eine direkte Messung der in den
Lagerteilen herrschenden mechanischen Spannungen durchge
führt werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass
die mechanischen Spannungen oder sonstige physikalische
Beeinflussungen der Lagerschalen mit in die Lagerschale
integrierten Sensorelementen detektiert werden.
Es wäre hier zwar denkbar, dass der relative Abstand der
beiden Lagerschalen des Wälz- bzw. Kugellagers zueinander
als Maß für die Radkraft herangezogen wird, da dieser
sich u. a. durch die lastabhängige Kompression der Wälz
elemente (z. B. Kugeln) in der Größenordnung von 1 bis 20 µm/kN
ändert. Diese Messgröße ist jedoch durch viele an
dere Einflüsse wie die Temperaturdehnung, den Schmier
film, den Lagerverschleiß usw. wenig geeignet, die Mess
größen mit der erforderlichen Genauigkeit (in aller Regel
bei ≦ 1%) zu repräsentieren.
Besonders genau wird die erfindungsgemäße Messung, wenn
als Sensorelemente mindestens ein Dehnungsmessstreifen an
der Lagerschale angebracht ist. Aus Gründen der leichte
ren Kontaktierung bringt man diese an der jeweils fest
stehenden Lagerschale an, welche z. B. bei einem ange
triebenen Rad die äußere und bei nicht angetriebenen Rä
dern die innere Lagerschale sein kann, wobei bei neueren
Radlagern in der Regel die äußere Lagerschale feststehend
ist. Zur Anbringung der Dehnungsmessstreifen können hier
zu in vorteilhafter Weise z. B. an der feststehenden La
gerschale am Umfang Ausnehmungen oder Nuten vorgesehen
werden, so dass kein direkter Kontakt, bzw. Kraftschluss
zu dem Teil besteht, in das die äußere Lagerschale einge
presst wird, z. B. ein Kraftfahrzeugchassis. Die äußere
Lagerschale kann hier bereits auch auf einfache Weise mit
einem Befestigungsflansch für einen Radträger versehen
werden, so dass eine Verpressung nicht notwendig ist.
Da der Kraftfluss bei einer Drehung von der äußeren La
gerschale über die Wälzkörper zu inneren Lagerschale ver
läuft, wird sich dann der ausgenommene Bereich im Sinne
der auftretenden Kraft dehnen. Hierzu sind die Dehnungs
messstreifen als Sensoren vorzugsweise in Umfangsrichtung
ausgerichtet. Zur Erfassung aller hier wirkender Kräfte
und/oder Momente sind diese Sensoren jedoch auch in axia
ler Richtung angeordnet.
Zur Elimination von Vorspannkräften bringt man zweckmäßig
auf der diametral entgegengesetzten Seite des Lagers eine
gleichartige Vertiefung mit einem Dehnungsmessstreifen
an, der etwa die gleiche Vorspannung erfährt, jedoch die
Messkräfte in umgekehrten Sinne aufnimmt. Durch eine ein
fache Differenzbildung, z. B. in einer Halbbrücken-, oder
Spannungsteilerschaltung, werden so die Vorspannkräfte
und eventuell auch andere Störkräfte eliminiert. Mit ei
nem zweiten, orthogonal zum ersten angebrachten Nutenpaar
kann auf einfache Weise zusätzlich die Kraftkomponente Fx
in der zur ersten senkrechten Richtung gemessen werden.
Zur Erfassung axialer, am Reifenlatsch des Fahrzeugrei
fens angreifender Kräfte und Momente Fy bzw. Mx sowie aus
der Lenkbewegung des Kraftfahrzeuges resultierender Mo
mente Mz um die z-Achse wird in zweckmäßiger Weise auf
der Lagerschale ein zweiter Satz von Dehnungsmessstreifen
angebracht, der auf einem axial versetzten Kreis in glei
cher Winkellage positioniert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind Sensorele
mente zusätzlich im Bereich eines Lagerflansches oder an
kraftführenden Teilen der Befestigung der feststehenden
Lagerteile des Wälzlager angeordnet. Dadurch, dass die
Sensorelemente nicht nur unmittelbar auf das Radlager an
gebracht werden, sondern auch im Bereich des chassissei
tige Radlagerflansches oder gar an kraftführenden Teilen
der Radbefestigung, z. B. eines Radträgers, entstünde der
Vorteil, dass die sensierten Dehnungen zwar die gewünsch
ten Kräfte repräsentieren, jedoch in weit geringerem Maße
eine zeitliche Modulation aufweisen, welche durch die
rollende Bewegung der Wälzlagerkugeln zustande kommt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind
als Sensorelemente mindestens ein piezoresistiver
Schichtwiderstand an der Lagerschale angebracht. Diese
werden durch die Krafteinwirkung orthogonal zu ihrer flä-
chenhaften Ausdehnung gepresst. In vorteilhafter Weise
liegen hier die sensitiven Elemente direkt im Kraftfluss.
Werden diese Widerstände direkt auf die zylinderförmige
Außenhaut der äußeren Lagerschale gedruckt, so kann man
zu ihrem Schutz noch eine zweite Metallschale darüber
schieben. Wenn man hier sog. Dickschichtwiderstände be
nutzt, so kann diese Zusatzschale auch aufgeglast werden,
so dass ein besonders inniger, langzeitstabiler Form
schluss der Teile entsteht.
Auch bei dieser Ausführungsform kann in zweckmäßiger Wei
se mittels diametral angebrachter Widerstandspaare das
Differenzprinzip, wie zuvor beschrieben, angewendet wer
den. Um die aktiven, im Kraftfluss liegenden Messwider
stände zur Halb- oder Vollbrücken ergänzen zu können,
lassen sich auch passive, d. h. nicht gedrückte Widerstän
de dadurch vorsehen, dass die zusätzliche Außenschale an
dieser Stelle ein Höhlung besitzt.
Gemäß einer anderen Alternative ist es vorteilhaft, wenn
die Sensorelemente zur Auswertung eines magnetoelasti
schen Effekts in der Lagerschale eine Kreuzduktoranord
nung bilden, bei der jeweils zu mindestens einer Speise
spule mindestens eine geometrisch orthogonal angeordnete
Empfangsspule jeweils am Umfang verlaufend in der Lager
schale angebracht ist. Hierbei kann ausgenutzt werden,
dass die meisten Stähle für die Herstellung der Wälzlager
einen magnetoelastischen Effekt aufweisen, welcher eben
falls zur Kraftmessung genutzt werden kann. Unter einer
mechanischen Spannung ändert sich hierbei anisotrop die
relative Permeabilität µr des Stahls, so dass der aus der
Feldstärke H herrührende Vektor der magnetischen Ind ukti
on B nicht mehr parallel zu H gerichtet ist.
Diesen Effekt kann man mit der erfindungsgemäßen Kreuz
duktoranordnung nutzen. Durch die orthogonale Anordnung
erhalten die Empfangsspulen nur eine Induktionsspannung,
wenn eine Kraft einwirkt, wobei dieser Effekt in weitem
Bereich linear und vorzeichengerecht ist. Die Spulen wer
den zweckmäßig auch hier in entsprechenden Nuten der Au
ßenschale versenkt, so dass mechanisch eine Einpressung
der Außenschale z. B. in ein kraftführendes Fahrzeugteil
möglich ist.
Es ist weiterhin in vorteilhafter Weise möglich, dass die
Sensorelemente zur Auswertung eines auf die Wälzkörper
wirkenden magnetoelastischen Effekts eine Spulenanordnung
bilden, bei der auf zumindest einer der Stirnseiten des
Wälzlagers jeweils im Prinzip radial verlaufende Spulen
angeordnet sind. Die Spulen bilden hierbei die Grundform
eines Kreissegments und überdecken jeweils ca. ein Vier
tel des Umfangs der Lagerschale mit den Wälzkörpern.
Auch bei dieser Ausführungsform lassen sich durch eine
geeignete Verschaltung der Spulen Differenzen zwischen
den diametral angeordneten Spulen bilden und somit die
beiden orthogonalen Kraftkomponenten bestimmen. Die Spu
len müssten hierbei jedoch den magnetoelastischen Effekt
in den Wälzkörpern durch einen sog. Käfig hindurch sen
sieren, welcher bei allen Wälzlagern notwendig ist, um
die Kugeln in richtigem Abstand zu halten. Zweckmäßig
wählt man hier eine Käfigform, in der Regel aus Kunst
stoff, welche den Messeffekt so wenig wie möglich ab
schattet. Diese Anordnung kann man vorzugsweise bei Rad
lagern mit zwei Kugelreihen zur Aufnahme von Kräften Fy
in Achsrichtung an beiden Stirnseiten des Radlagers an
bringen.
Die Sensorelemente können auch zur Auswertung eines mag
netostatischen Effekts mit einer zirkular magnetisierten
äußeren Lagerschale aus hartmagnetischem Material in vor
teilhafter Weise zusammenwirken. Hierbei sind die Sensor
elemente ein magnetostatischer Hall-, AMR- oder sonstiger
Sensor, mit denen die Magnetisierung im Luftspalt zwi
schen den Lagerschalen in Abhängigkeit von der Kraftein
leitung der Wälzkörper detektierbar ist. Im mechanisch
unbelasteten Fall bleibt so das Magnetfeld der zirkulär
magnetisierten Teile vollständig in der Lagerschale, wo
bei jedoch vorausgesetzt werden muss, dass diese Lager
schale aus einem hartmagnetischen bzw. permanentmagneti
schen magnetoelastischen Material besteht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Sensorele
mente zur Auswertung von akustischen Oberflächenwellen
ausgebildet, die auf der Lagerschale anregbar sind und
deren Laufzeit von der in der Lagerschale herrschenden
mechanischen Spannung abhängig sind. Diese Sensorelemente
sind in Form von Festköperchips (sog. SAW-Sensoren; SAW =
surface acoustic wave) realisiert, auf denen durch piezo
elektrisches Material die akustischen Oberflächenwellen
angeregt werden, deren Laufzeit in einer Reflexionsanord
nung auf dem Chip stark von einer speziellen Messgröße
wie z. B. der mechanischen Spannung im Substrat abhängt.
Statt eines Drahtanschlusses können solche Sensoren auch
mit einer sehr kleine Antennenstruktur versehen oder er
gänzt werden, welche die Anregungssignale von einer zent
ralen Sendestation empfängt und das informationstragende
Reflexionssignal aus dem Chip über die gleiche Antenne an
die Zentrale zurücksendet.
Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn die Ausgangssignale
der Sensorelemente berührungslos zu einer Auswerteeinheit
übertragbar sind. Die berührungslose Übertragung kann da
bei durch einen induktiven Drehübertrager, eine elektro
magnetische Fernübertragung oder eine Infrarot- bzw. Ult
raschall-Übertragungsstrecke oder durch eine Kombination
dieser Verfahren bewirkbar sein.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die erfin
dungsgemäße Sensoranordnung auf einfache Weise eine zwei
bis dreidimensionale Erfassung beispielsweise der zwi
schen einem Fahrzeugaufbau und der Fahrbahn auftretenden
Beschleunigungs-/Bremskräfte Fx, Fy, Fz sowie der verti
kalen Aufstandskräfte und wirkenden Drehmomente Mx, Mz,
an einem konzentrierten, günstigen Einbauraum, nämlich
dem Lagergehäuse eines Wälzlagers ermöglicht. Das Drehmo
ment My wäre hierbei ein Drehmoment in Drehrichtung der
Räder und als solches nicht erfassbar.
Gemäß der Erfindung wird z. B. der weit ungünstigere Ein
bau eines Kraftsensors in Bremsnähe, wo Temperaturen bis
300°C herrschen, vermieden. Durch eine mechatronische In
tegration, das heißt durch einen zusammengefassten Aufbau
von Sensoren und Elektronik, dieser erfindungsgemäßen
Kraftsensorik in das Radlager eines Fahrzeugs werden dem
Fahrzeughersteller zusätzliche Montageschritte und Monta
geteile im Bereich der Radführung erspart. Hierbei werden
z. B. jeweils zu einer Messbrücke verschaltete Dehnungs
messwiderstände auf einem Substrat als Zwischenträger an
geordnet.
Die verschiedenen vorgeschlagenen Sensorprinzipien messen
dabei in vorteilhafter Weise direkt die mechanische Span
nung im Material und sind somit den bekannten wegmessen
den Systemen überlegen, die vielerlei zusätzliche Ein
flüsse miterfassen.
Die Erfindung kann außerdem noch in der Weise erweitert
werden, dass eine Elimination der Kugelumlaufmodulation
oder eine Nutzung der Kugelumlaufmodulation für eine
Drehzahlmessung in vorteilhafter Weise möglich ist. Fer
ner ist auch eine Nutzung des Signals der Dehnungsmess
streifen für eine diagnostische Aussage über den Zustand
des Radlagers auf einfache Weise möglich.
Die Ausgangssignale der Sensorelemente weisen bei einer
Drehung des Wälzlagers einen im wesentlichen sinusförmi
gen Verlauf mit einer drehzahlabhängigen Frequenz auf, so
dass die Drehzahl aus der Frequenz in einer Auswerteein
heit mit herkömmlichen Verfahren auf einfache Weise er
mittelt werden kann.
Bei einer Anordnung von einem einzigen Sensorelement an
der äußeren Lagerschale des Wälzlagers kann gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Drehzahl
aus einem Vergleich des gemessenen sinusförmigen Verlaufs
des Ausgangssignals des Sensors mit dem Ausgangssignal
eines Oszillators ermittelt werden. Dies ist vor allem
deshalb vorteilhaft, da hier die Justage zweier oder meh
rere Sensoren zueinander entfällt. Hierbei kann in vor
teilhafter Weise das Signal des Oszillators mit einem ge
glätteten Ausgangssignal des Vergleichs nach dem soge
nannten, an sich bekannten Phase Locked Loop Prinzip kor
rigiert und daraus dann ein Schätzwert für die Drehzahl
ermittelt werden.
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.
Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Sensoranord
nungen werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines mit einer Sensor
anordnung versehenen Wälzlagers für eine drehende
Radachse in einem Fahrzeugchassis,
Fig. 2 eine Detailansicht der Lagerschalen des
Wälzlagers mit Dehnungsmesswiderständen als
Sensorelemente,
Fig. 3 eine Detailansicht der Lagerschalen eines
Wälzlagers mit zwei in axialer Richtung nebeneinan
der angeordneten zwei Kugelreihen und dementspre
chend zwei nebeneinander angeordneten Dehnungsmess
streifen als Sensorelemente,
Fig. 4 eine Schnittansicht eines Teils eines Radla
gers mit Dehnungsmesswiderständen für ein Kraftfahr
zeug,
Fig. 5 eine Detailansicht eines Dehnungsmessstrei
fens nach einer der vorhergehenden Figuren,
Fig. 6 eine Ansicht einer Sensoranordnung mit Deh
nungsmesswiderständen in Dünnschichttechnik,
Fig. 7 eine Detailansicht der Lagerschalen des
Wälzlagers mit piezoresistiven Widerständen als Sen
sorelemente,
Fig. 6 und 9 jeweils Detailansichten eines Wider
stands nach der Fig. 7,
Fig. 10 eine Detailansicht der Lagerschalen des
Wälzlagers mit zu einer Kreuzkonduktorschaltung ver
schalteten Spulen als Sensorelemente,
Fig. 11 eine Detailansicht einer Spule nach der
Fig. 10,
Fig. 12 eine Detailansicht der Lagerschalen des
Wälzlagers mit Spulen zur Erfassung des magnetoelas
tischen Effekts bei der Verformung der Wälzkörper
als Sensorelemente,
Fig. 13 eine Detailansicht der Lagerschalen des
Wälzlagers mit einer zirkularen Magnetisierung der
äußeren Lagerschale und einem magnetostatischen Sen
sor als Sensorelement,
Fig. 14 eine Schaltungsanordnung zur Auswertung des
Sensorsignals eines einzigen Sensors auf der äußeren
Lagerschale nach dem Phase-Locked-Loop-Prinzip und
Fig. 15 eine beispielhafte Darstellung der sinus
förmigen Signalverläufe des Sensorsignals und der
weiteren Signale in der Schaltung nach der Fig. 14.
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 2. Im Wälzlager 1 befinden sich außerdem die
Wälzelemente, hier Kugeln 6. An der äußeren feststehenden
Lagerschale 4 sind Sensorelemente 7 und 8 angedeutet, mit
denen eine Detektion der Kraftkomponenten Fx und Fz
durchgeführt werden soll, die bei einer Drehung der Rad
achse 2 und der damit einhergehenden mechanischen Bean
spruchungen der Kugeln 6 und der Lagerschalen 4 und 5
auftreten.
In der Darstellung nach Fig. 2 sind die Lagerschalen 4
und 5 sowie die Kugeln 6 ausschnittsweise vergrößert ge
zeigt. Zur Anbringung von Sensorelementen 7, 8, 9' und 10,
die beispielsweise aus Dehnungsmessstreifen gebildet
sind, werden an der feststehenden Lagerschale 4 am Umfang
Ausnehmungen oder Nuten 11 vorgesehen, welche die Anbrin
gung der Dehnungsmessstreifen 7 bis 10 mitsamt einer hier
nicht gezeigten Abdeckung so erlauben, dass kein direkter
Kontakt, bzw. Kraftschluss zu dem Chassis 3 besteht, in
das die äußere Lagerschale 4 eingepresst wird.
Mit Fig. 3 ist eine Ausführung des Wälzlagers 1 nach der
Fig. 1 mit zwei in axialer Richtung nebeneinander ange
ordneten, hier nicht sichtbaren Kugelreihen, gezeigt und
daher sind dementsprechend zwei nebeneinander angeordnete
Dehnungsmessstreifen 7' und 7" sowie 9' und 9" als Sen
sorelemente an beiden Umfangsseiten des Radlagers ange
bracht. Nach diesem Ausführungsbeispiel kann man bei den
heute üblicherweise eingesetzten Radlagern mit zwei Ku
gelreihen auch Kräfte Fy in Achsrichtung aufnehmen.
Aus Fig. 4 ist ein Schnitt durch die konstruktive Anord
nung eines heute üblichen Aufbaus eines Radlagers für ein
Kraftfahrzeug gezeigt, bei dem eine äußere feststehende,
mit dem Chassis des Fahrzeugs verbundenen Lagerschale 4
mit den erfindungsgemäßen Dehnungsmesswiderständen 7' und
7" versehen ist. Es sind hier entsprechend zwei Reihen
mit Kugeln 6 vorhanden. Die innere Lagerschale 5 ist mit
einem Radträger 60 für das aufsteckbare Fahrzeugrad ver
bunden.
Aus Fig. 5 ist eine Draufsicht auf ein Sensorelement,
hier der Dehnungsmessstreifen 7, gezeigt, das wie die an
deren Dehnungsmessstreifen vorzugsweise mäanderförmig in
Umfangsrichtung ausgerichtet ist. Dies ist vorteilhaft,
da der Kraftfluss von der äußeren Lagerschale 4 über die
Wälzkörper (Kugeln 6) zur inneren Lagerschale 5 verläuft
und sich damit der mit der Nut 11 Versehene Bereich je
weils im Sinne dieser Kraft dehnt.
Zur Elimination von Vorspannkräften sind dabei, wie aus
der Fig. 2 oder 3 ersichtlich, auf diametral entgegenge
setzten Seiten der Lagerschale 4 jeweils gleichartige Nu
ten 11 mit einem der Dehnungsmessstreifen 7 und 8 ange
ordnet, wobei diese Nuten 11 in etwa die gleiche Vorspan
nung erfahren, sich jedoch die Messkräfte in umgekehrtem
Sinne auswirken. Durch eine einfache Differenzbildung in
einer hier nicht dargestellten Auswerteschaltung mit ei
ner Halbbrücken-, bzw. Spannungsteilerschaltung können
dann die Vorspannkräfte und eventuell auch andere Stör
kräfte eliminiert werden. Mit einem zweiten, orthogonal
zum ersten angebrachten Nutenpaar 11, mit Dehnungsmess
streifen 9 und 10 kann die Kraftkomponente in der zur
ersten senkrechten Richtung gemessen werden.
Die Anordnung von Dehnungsmessstreifen nach den vorheri
gen Figuren kann auch dahingehend erweitert werden, dass
diese nicht nur unmittelbar auf das Radlager angebracht
werden, sondern eventuell auch im Bereich des chassissei
tige Radlagerflansches oder an kraftführenden Teilen der
Radbefestigung.
Des weiteren zeigt Fig. 6 eine Sensoranordnung, die auf
einem Trägermaterial 61, z. B. einem Substrat, angeordnet
ist. Die zuvor beschriebenen Dehnungsmesswiderstände der
Sensoren 7 oder 9, ev. können über eine hier nicht darge
stellte Isolationsschicht auf einem metallischen Zwi
schenträger 62, z. B. ein Plättchen oder eine Rondenform,
kostengünstig aufgebracht werden. Das als Schaltungsträ
ger ausgebildete Trägermaterial 61 kann dann an den zuvor
beschriebenen Stellen des Wälzlagers oder den entspre
chenden Fahrzeugteilen aufgeschweißt oder eingepresst
werden bzw. sonst wie kraftschlüssig verbunden werden.
Auf das Plättchen 62 können dann sowohl axial als auch
tangential messende Dehnungsmesswiderstände in Voll- oder
Halbbrückenschaltung aufgebracht werden.
Die Brückenschaltung nach der Fig. 6 kann dann auch noch
mit elektronischen Bausteinen 63 verbunden werden, mit
denen eine Signalauswertung und -übertragung zu weiteren
Messstellen oder einer anderen Auswerteschaltung bzw. zu
einem Anschlussstecker möglich ist. Die Signalübertragung
über Anschlussmittel 64, 65 am Zwischenträger 61 kann da
bei z. B. seriell über einen Digitalbus oder einen Analog
bus erfolgen. Diese sogenannte mechatronische Anordnung
erlaubt die zusätzliche direkte Zuordnung von Bausteinen
zur elektronischen Signalverarbeitung, so dass beispiels
weise direkt digitale Ausgangssignale erzeugt werden kön
nen und die Sensoranordnung unmittelbar an ein Bussystem,
z. B. in einem Kraftfahrzeug, angeschaltet werden können.
Bei einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind als Sen
sorelemente zur Kraftmessung elektrische, vorzugsweise in
Schichttechnik hergestellte piezoresistive Widerstände 20
bis 23 angeordnet, welche bei einer Krafteinwirkung or
thogonal zu ihrer flächenhaften Ausdehnung gepresst wer
den. Im Gegensatz zu der Anordnung nach den Fig. 1 bis
3 liegen hier die Sensorelemente 20 bis 23 direkt im
Kraftfluss. Werden die Widerstände 20 bis 23 direkt auf
die zylinderförmige Außenhaut der äußeren Lagerschale 4
gedruckt, so kann zu ihrem Schutz noch eine zweite Me
tallschale 24 darüber angeordnet werden. Wenn die Wider
stände 20 bis 23 sogenannte Dickschichtwiderstände sind,
so kann diese Zusatzschale 24 auch aufgeglast werden.
Auch hier sind diametral angebrachte Widerstandspaare 20,
22 und 21, 23 so geschaltete, dass nach dem Differenz
prinzip gemessen werden kann.
Um die aktiven, im Kraftfluss liegenden Widerstände zur
Halb- oder Vollbrücke ergänzen zu können, ist es nach
Fig. 8 auch möglich, zusätzlich zu den aktiven Widerstän
den, hier ist der Widerstand 20 gezeigt, auch passive,
nicht gedruckte Widerstände (hier 20') vorzusehen. Dies
ist aus Fig. 9 erkennbar, in der gezeigt ist, dass die
zusätzliche Außenschale 24 an dieser Stelle eine Höhlung
25 besitzt, durch die die passiven Widerstände 20' mecha
nisch nicht beansprucht werden.
Ein vergleichbarer Effekt, wie beim Ausführungsbeispiel
nach den Fig. 7 bis 9, ist auch mit einer sog. Kreuz
duktoranordnung nach Fig. 10 und Fig. 11 nutzbar. Hier
sind Speisespulen 31, 31' und 32, 32' diametral gegenüber
liegend in der äußeren Lagerschale 4 angeordnet. Die Lage
einer Speisespule mit den Windungen 31 und 31' in der La
gerschale 4 ist im Detail in der Fig. 11 gezeigt. Geo
metrisch orthogonal zu den Speisespulen 31, 31' und 32,
32' sind ebenfalls diametral gegenüberliegend zueinander
Empfangsspulen 33, 33' und 34, 34' angebracht, welche in
beiden Fällen gleichsinnig hintereinandergeschaltet sind.
Durch die orthogonale Anordnung erhalten die Empfangsspu
len 33, 33' und 34, 34' nach der Fig. 10 nur eine Induk
tionsspannung, wenn eine Kraft auf die Lagerschale 4 ein
wirkt, wobei dieser Effekt in weitem Bereich linear und
vorzeichengerecht ist. Die Spulen 33, 33' und 34, 34' so
wie 31, 31' und 32, 32' können auch in entsprechenden Nu
ten der Lagerschale 4 versenkt werden, so dass mechanisch
eine Einpressung der Lagerschale in ein kraftführendes
Chassisteil 3 (siehe Fig. 4) möglich ist.
Die anhand der Fig. 10 und 11 beschriebene Kreuzduktor
anordnung setzt allerdings voraus, dass die Pressung der
Lagerschalen 4 und 5 unten und oben, d. h. hier zwischen
den Spulenwindungen 33' und 31 und 32' und 34 symmetrisch
ist. Dies wäre aber eher der Fall, wenn die Anordnung
durch eine Kraft F auf eine harte Unterlage gedruckt wür
de. Im Falle des Radlagers nach der Fig. 1 oder 4 ist
jedoch eher mit einer überwiegend einseitigen Pressung zu
rechnen, wobei sich sogar im umgekehrten Sinne durch die
Kompression der Kugeln 6 die Verspannung entsprechend lo
ckert. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der magne
toelastische Effekt mit der Anordnung nach der Fig. 10
quadrantenweise ausgewertet wird, wobei man hier die
kraftabhängige Veränderung der Permeabilität µr ausnutzt,
beispielsweise durch Messung der Einzelspuleninduk
tivität. Hierzu werden dann zweckmäßig die vier Spulen
nicht unter 45° zur der x- und z-Achse, sondern parallel
dazu angeordnet. Bei der Darstellung nach der Fig. 10
könnten dann die Windungen 33' und 31, 31' und 34', 34
und 32' sowie 32 und 33 jeweils zusammen die Spulen bil
den.
Nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 kann auch der
magnetoelastische Effekt bei einer Verformung der Wälz
körper (Kugeln 6) ausgenutzt werden. Hierzu sind auf ei
ner oder beiden Stirnseiten des Wälzlagers 1 Spulen 41,
42, 43 und 44 angebracht, welche die Grundform eines
Kreissegments haben und wobei in etwa jede Spule ein
viertel des gesamten Umfangs überdeckt. Auch hier lassen
sich durch eine geeignete Verschaltung der Spulen 41, 42,
43 und 44, wie vorhergehend beschrieben, Differenzspan
nungen zwischen den jeweils diametral angeordneten Spulen
41, 43 und 42, 44 bilden und die beiden orthogonalen
Kraftkomponenten Fz und Fx (vgl. Fig. 1) bestimmen.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels kann zur Mes
sung von Radkräfte nach Fig. 13 auch die obere Lager
schale 4 des Wälzlagers 1 zirkulär magnetisiert werden.
Im mechanisch unbelasteten Fall bleibt so das Magnetfeld
vollständig in der Lagerschale 4, Voraussetzung ist hier
bei jedoch, dass diese Lagerschale aus einem hartmagneti
schen, permanentmagnetischen bzw. magnetoelastischen Ma
terial besteht, was bei fast allen Stählen mehr oder we
niger der Fall ist.
Unter Einfluss der Kraft F nach der Fig. 13 erhält die
Magnetisierung auch eine Komponente in F-Richtung, welche
die Lagerschalen 4 und 5 in axialer Richtung magneti
siert. Diese Magnetisierung B(F) ist kann z. B. im Luft
spalt zwischen äußerer Lagerschale 4 und innerer Lager
schale 5 mittels eines magnetostatischen Sensorelements
50, beispielsweise nach dem Hall- oder AMR-Prinzip, mess
bar. Zweckmäßig verteilt man zur Messung der Kraftkompo
nenten Fz und Fx vier solcher Messstellen äquidistant am
Umfang, wobei die Signale von jeweils zwei diametral ge
genüberliegenden Sensoren von einander subtrahiert wer
den, um den Einfluss der mechanischen Vorspannung zu eli
minieren.
Nach einem in Fig. 14 gezeigten Ausführungsbeispiel ei
ner Auswerteeinheit wird mit nur einem Sensor, vorzugs
weise ein Dehnungsmessstreifen 7 nach der Fig. 1, der
sinusförmige Verlauf des Sensorausgangssignals bei einer
Rotation des Wälzlagers 1 und damit der Kugeln 6 ausge
wertet. Ein beispielhafter Signalverlauf der in der Aus
werteeinheit nach der Fig. 14 auftretenden Signale ist
in Fig. 15 gezeigt.
Die Auswerteeinheit nach der Fig. 14 ist nach dem Phase-
Locked-Loop-Prinzip aufgebaut, bei der versucht wird eine
geschätzte Frequenz der tatsächlichen Frequenz ständig
anzupassen. Das Ausgangssignal 70 (vgl. Fig. 15) des
Sensors 7 wird auf einen Vergleicher 71, beispielsweise
ein Multiplikator, geführt, an dessen anderen Eingang das
Ausgangssignal eines Oszillators 72 anliegt.
Das Ausgangssignal 73 (vgl. Fig. 15) des Vergleichers 71
wird in einem Baustein 74, beispielsweise einem Tiefpass,
geglättet (siehe Signalverlauf 75 nach der Fig. 15) und
steht als Korrektursignal für die Nachregelung der ge
schätzten Frequenz (siehe Signalverlauf 76 nach der Fig.
15) zur Verfügung. Durch diese Frequenzregelung ist er
reicht, dass die Signalverläufe des Sensors 7 und des Os
zillators 72 praktisch immer in Phase zueinander sind und
damit die tatsächliche Frequenz der Wälzlagerrotation
bzw. die Drehzahl des Wälzlagers 1 auf einfache Weise re
lativ genau geschätzt werden kann.
Zusätzlich zu den bisher erläuterten Ausführungsbeispie
len sind auch andere Sensorelemente anwendbar. Hierzu
gehören z. B. die sog. SAW-Sensoren (SAW = surface acous
tic wave). Diese sind in Form von Festköperchips reali
siert, auf denen durch piezoelektrisches Material akusti
sche Oberflächenwellen angeregt werden, deren Laufzeit in
einer Reflexionsanordnung auf dem Chip stark von einer
speziellen Messgröße wie z. B. der mechanischen Spannung
im Substrat abhängt. Statt eines Drahtanschlusses können
solche Sensoren auch mit einer sehr kleine Antennenstruk
tur versehen oder ergänzt werden, welch die Anregungssig
nale von einer zentralen Sendestation empfängt und das
informationstragende Reflexsignal aus dem Chip über die
gleiche Antenne an die Zentrale zurücksendet. Dies ver
einfacht das Problem der Verdrahtung, insbesondere wenn
man bedenkt, dass zur vollständigen und fehlerarmen Er
fassung der Radkräfte und -momente mehrere, evt. bis zu
acht Dehnungsmessstellen vorzusehen sind.
Außerdem ist es möglich, dass die Signale der vorher be
schriebenen Sensorelemente zur Messung lokaler Dehnungen
am Lager oder Lagerumfeld auch fernabgefragt werden kön
nen, d. h. ohne jede galvanische Verbindung zwischen Sen
sor und chassisseitiger Zentrale. Als solche telemetri
sche Übertragungsmittel können induktive Drehübertrager,
elektromagnetische Fernübertragung durch Funk und Infra
rotübertragungsstrecke dienen, wobei für Zwecke der Sen
sorspannungsversorgung und der Signalübertragung auch
zweckmäßige Kombinationen dieser. Verfahren möglich sind.
Claims (18)
1. Sensoranordnung in einem Wälzlager (1) zur Detektie
rung physikalischer Größen während der Bewegung der im
Wälzlager (1) geführten Bauteile (2), dadurch gekenn
zeichnet, dass
die auf die Lagerschale oder Lagerschalen (4, 5) des
Wälzlagers (1) wirkenden Kräfte derart erfasst wer
den, dass die mechanischen Spannungen oder sonstige
physikalische Beeinflussungen der Lagerschale oder
der Lagerschalen (4, 5) mit in die Lagerschale (4, 5)
integrierten Sensorelementen (7 bis 10; 20 bis 23;
31 bis 34; 41 bis 44; 50) detektiert werden.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, dass
als Sensorelemente mindestens ein Dehnungsmessstrei
fen (7 bis 10) an der äußeren Lagerschale (4) ange
bracht ist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, dass
die Sensorelemente (7 bis 10)zusätzlich im Bereich
eines Lagerflansches oder an kraftführenden Teilen
der Befestigung der feststehenden Lagerteile (4) des
Wälzlagers (1) angeordnet sind.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, dass
als Sensorelemente (20 bis 23) mindestens ein piezo
resistiver Schichtwiderstand an der äußeren Lager
schale (4) angebracht ist.
5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, dass
an der äußeren Lagerschale(4) an gegenüberliegenden
Seiten vier jeweils gleiche Sensorelemente (7 bis
10; 20 bis 23; 31 bis 34; 41 bis 44; 50) angebracht
sind, die in Form einer Spannungsteiler- oder Halb
brückenschaltung zusammengeschaltet sind.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, dass
die Sensorelemente (31 bis 34) zur Auswertung eines
magnetoelastischen Effekts in der Lagerschale (4)
eine Kreuzduktoranordnung bilden, bei der jeweils zu
mindestens einer Speisespule (31, 32) mindestens eine
geometrisch orthogonal angeordnete Empfangsspule
(33, 34)jeweils am Umfang verlaufend in der Lager
schale (4) angebracht ist.
7. Sensoranordnung nach Anspruch 2, 4 oder 6, dadurch ge
kennzeichnet, dass
die Sensorelemente (7 bis 10; 20 bis 23; 31 bis 34)
in einer äußeren Nut (11) an der Lagerschale (4) an
gebracht sind.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, dass
die Sensorelemente zur Auswertung eines auf die
Wälzkörper wirkenden magnetoelastischen Effekts eine
Spulenanordnung (41 bis 44) bilden, bei der auf zu
mindest einer der Stirnseiten des Wälzlagers (1) je
weils im Prinzip radial verlaufende Spulen (41 bis
44) angeordnet sind, die die Grundform eines Kreis
segments haben und ca. ein Viertel des Umfangs der
Lagerschale (4) mit den Wälzkörpern (6) überdecken.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, dass
die Sensorelemente (50) zur Auswertung eines magne tostatischen Effekts mit einer zirkular magnetisier ten äußeren Lagerschale (4) aus hartmagnetischem Ma terial zusammenwirken und dass
die Sensorelemente (50) ein magnetostatischer Hall-, AMR- oder sonstiger Sensor sind, mit denen die Mag netisierung im Luftspalt zwischen den Lagerschalen (4, 5) in Abhängigkeit von der Krafteinleitung der Wälzkörper (6) detektierbar ist.
die Sensorelemente (50) zur Auswertung eines magne tostatischen Effekts mit einer zirkular magnetisier ten äußeren Lagerschale (4) aus hartmagnetischem Ma terial zusammenwirken und dass
die Sensorelemente (50) ein magnetostatischer Hall-, AMR- oder sonstiger Sensor sind, mit denen die Mag netisierung im Luftspalt zwischen den Lagerschalen (4, 5) in Abhängigkeit von der Krafteinleitung der Wälzkörper (6) detektierbar ist.
10. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, dass
die Sensorelemente zur Auswertung von akustischen
Oberflächenwellen ausgebildet sind, die auf der La
gerschale anregbar sind und deren Laufzeit von der
in der Lagerschale herrschenden mechanischen Span
nung abhängig sind.
11. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass
zwei axial nebeneinander angeordnete Reihen von
Wälzelementen (6) und als Sensorelemente zwei eben
falls axial nebeneinander angeordnete Reihen von
Sensorelementen (7', 7", 9', 9") an der äußeren La
gerschale (4) angebracht ist.
12. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgangssignale der Sensorelemente (7 bis 10; 20
bis 23; 31 bis 34; 41 bis 44; 50) berührungslos zu
einer Auswerteeinheit übertragbar sind.
13. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass
durch eine mechatronische Integration ein über Trä
germaterialien (61, 62) zusammengefasster Aufbau von
Sensoren (7, 9) und signalelektronischen Bausteinen
(63, 64, 65) am Wälzlager (1) angeordnet ist.
14. Sensoranordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge
kennzeichnet, dass
die berührungslose Übertragung durch einen indukti
ven Drehübertrager, eine elektromagnetische Fern
übertragung oder eine Infrarot- bzw. Ultraschall-
Übertragungsstrecke bewirkbar ist.
15. Verfahren zur Auswertung der Sensorsignale bei einer
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgangssignale der Sensorelemente (7 bis 10; 20
bis 23; 31 bis 34; 41 bis 44; 50) bei einer Drehung
des Wälzlagers (1) einen im wesentlichen sinusförmi
gen Verlauf mit einer drehzahlabhängigen Frequenz
aufweisen und die Drehzahl aus der Frequenz in einer
Auswerteeinheit ermittelt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
dass
die Drehzahl aus der Umlaufmodulation der Kugeln (6)
des Wälzlagers (1) ermittelt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
dass
bei einer Anordnung von einem einzigen Sensorelement
(7) an der äußeren Lagerschale (4) des Wälzlagers
(1) die Drehzahl aus einem Vergleich (71) des ge
messenen sinusförmigen Verlaufs des Ausgangssignals
des Sensors (7) mit dem Ausgangssignal eines Oszil
lators (72) ermittelt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
dass
das Signal des Oszillators (72) mit einem geglätte
ten Ausgangssignal des Vergleichs (74) nach dem
Phase-Locked-Loop-Prinzip korrigiert wird und daraus
ein Schätzwert für die Frequenz bzw. die Drehzahl
ermittelt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10136438A DE10136438A1 (de) | 2000-08-22 | 2001-07-26 | Sensoranordnung in einem Wälzlager und Verfahren zur Auswertung des Sensorsignals |
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---|---|---|---|
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DE10136438A DE10136438A1 (de) | 2000-08-22 | 2001-07-26 | Sensoranordnung in einem Wälzlager und Verfahren zur Auswertung des Sensorsignals |
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