DE10136438A1 - Sensor arrangement for direct measurement of forces and moments acting on bearing box and derivation from these of other values useful in automatic vehicle control systems - Google Patents
Sensor arrangement for direct measurement of forces and moments acting on bearing box and derivation from these of other values useful in automatic vehicle control systemsInfo
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Abstract
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.The invention relates to sensor arrangements and Signalaus valuation method in a rolling bearing, in particular for de detection of physical quantities in a wheel bearing the preamble of the main claim.
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.It is known in itself that on rotating Tei len, which are performed with a roller bearing, such as. B. on Wheel bearings of a motor vehicle, various measured quantities occur which are of high relevance for the driving and possibly also steering systems. The so stored Components are often part of anti-lock braking systems, Anti-slip regulations or other driving behavior or tax that positively influences driving safety assurance systems. Here it can be very important Measurement data e.g. B. on the speed, the wheel forces or also get the acceleration.
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.From EP 0 992 797 A1 it is known, for example, that a speed sensor is attached within a ball bearing is arranged. The ball bearings offer a great deal here advantageous, protected installation space for appropriate Sensors. By integrating the sensors into the Ku gel bearing also creates a significant system and Simplification of assembly, although a more extensive one Recording of the bearing forces in the prior art is not is provided.
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.A sensor arrangement and a method for evaluating the Sensor signals of the type specified at the beginning are with the characteristic features of claim 1 further developed. Advantageously, the fact that the La gerschale or bearing shells of the rolling bearing Forces are captured, a direct measurement of those in the Bearing parts prevailing mechanical stresses leads. This takes place according to the invention in that the mechanical stresses or other physical Influencing the bearing shells in the bearing shell integrated sensor elements can be detected.
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.It would be conceivable here that the relative distance of the two bearing shells of the rolling or ball bearing to each other is used as a measure of the wheel force, since this yourself u. a. due to the load-dependent compression of the roller elements (e.g. spheres) in the order of 1 to 20 µm / kN changes. However, this measure is by many other influences such as temperature expansion, lubrication film, bearing wear, etc. unsuitable, the measurement sizes with the required accuracy (usually at ≦ 1%).
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.The measurement according to the invention is particularly accurate if at least one strain gauge as sensor elements the bearing shell is attached. For the sake of easy Ren contacting is attached to the respective standing bearing shell, which z. B. with a driven wheel the outer and non-driven wheels which can be the inner bearing shell, with newer ones Wheel bearings usually have the outer bearing shell stationary is. You can attach the strain gauges here to advantageously z. B. at the fixed La Gerschale provided recesses or grooves on the circumference so that there is no direct contact or frictional connection to the part in which the outer bearing shell is inserted is pressed, e.g. B. a motor vehicle chassis. The outer Bearing shell can already be used here in a simple manner a mounting flange for a wheel carrier so that pressing is not necessary.
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.Since the flow of force during a rotation from the outer La ver shell over the rolling elements to the inner bearing shell runs, the exempted area will then sense itself of the force that occurs. Here are the strains Measuring strips as sensors preferably in the circumferential direction aligned. For recording all forces acting here and / or moments, these sensors are also in axia arranged in the direction.
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.It is useful to eliminate the preload forces one on the diametrically opposite side of the bearing similar recess with a strain gauge who experiences approximately the same preload, but the Absorbs measuring forces in the opposite sense. By a one fold difference formation, z. B. in a half-bridge, or Voltage divider circuit, so the biasing forces and possibly other interference forces are eliminated. With egg a second pair of grooves orthogonal to the first can easily the force component Fx measured in the direction perpendicular to the first.
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.For the detection of axial, at the tire contact of the vehicle row fens attacking forces and moments Fy or Mx as well the steering movement of the motor vehicle resulting Mo Ments Mz around the z-axis is expediently the bearing shell a second set of strain gauges attached, the same on an axially offset circle cher angular position is positioned.
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.According to an advantageous embodiment, sensor elements elements in the area of a bearing flange or on force-carrying parts of the attachment of the fixed Bearing parts of the rolling bearing arranged. Because the Sensor elements not only directly on the wheel bearing brought, but also in the area of the Chassissei wheel bearing flange or even on live parts the wheel attachment, e.g. B. a wheel carrier, would arise Advantage that the sensed stretches are the desired ones represent forces, but to a much lesser extent have a temporal modulation, which by the rolling movement of the rolling bearing balls occurs.
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.According to a further advantageous embodiment at least one piezoresistive sensor element Sheet resistance attached to the bearing shell. This are orthogonal to their flat Chen-like expansion pressed. Advantageously the sensitive elements lie directly in the flow of force. These resistors are directly on the cylindrical Outer shell of the outer bearing shell printed, so you can a second metal shell over it to protect it slide. If you use so-called thick-film resistors here uses, this additional shell can also be glassed on, so that a particularly intimate, long-term stable shape closure of the parts.
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.In this embodiment too, in an expedient manner se by means of diametrically attached pairs of resistors Difference principle, as previously described, who applied the. The active measuring resistor lying in the power flow to be able to add stands to half or full bridges, can also be passive, d. H. not pressed resistors en by placing the additional outer shell on has a hollow in this place.
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. According to another alternative, it is advantageous if the sensor elements for evaluating a magnetoelasti effect in the bearing shell Form at least one meal at a time coil at least one geometrically orthogonally arranged Reception coil running in circumference in the warehouse shell is attached. Here can be used that most steels for the manufacture of rolling bearings have a magneto-elastic effect, which just if can be used for force measurement. Under one mechanical tension changes the anisotropic relative permeability µr of the steel, so that from the Field strength H originating vector of the magnetic ind ukti on B is no longer directed parallel to H.
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.This effect can be achieved with the cross according to the invention use duct arrangement. Due to the orthogonal arrangement the receiving coils only receive an induction voltage, when a force acts, this effect by far Area is linear and signed. The coils who the appropriate here also in corresponding grooves of the Au Outer shell sunk, so that a mechanical press-in the outer shell z. B. in a live vehicle part is possible.
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.It is also advantageously possible that the Sensor elements for evaluating one on the rolling elements acting magnetoelastic effect a coil arrangement form, in which on at least one of the end faces of the In principle, each roller bearing has radial coils are arranged. The coils form the basic shape a segment of a circle and each cover approximately a four tel the circumference of the bearing shell with the rolling elements.
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. In this embodiment too, a suitable connection of the coils differences between form the diametrically arranged coils and thus the determine both orthogonal force components. The Spu However, the magneto-elastic effect would have to be used in the rolling elements through a so-called cage sieren, which is necessary for all rolling bearings keep the balls at the right distance. expedient you choose a cage shape here, usually made of art material that reduces the measuring effect as little as possible shades. This arrangement can preferably be used with bikes support with two rows of balls to absorb forces Fy in the axial direction on both end faces of the wheel bearing bring.
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.The sensor elements can also be used to evaluate a mag netostatic effect with a circular magnetized outer bearing shell made of hard magnetic material in front cooperate in a partial way. Here are the sensors elements a magnetostatic Hall, AMR or other Sensor with which the magnetization in the air gap between the bearing shells depending on the force line of the rolling elements is detectable. I'm mechanical unloaded case, the magnetic field remains circular magnetized parts completely in the bearing shell where however, it must be assumed that these bearings shell made of a hard magnetic or permanent magnet magnetoelastic material.
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.According to another embodiment, the sensor elements are elements for the evaluation of surface acoustic waves trained, which can be excited on the bearing shell and whose term is different from that prevailing in the bearing shell mechanical tension are dependent. These sensor elements are in the form of solid-state chips (so-called SAW sensors; SAW = surface acoustic wave) on which piezo electrical material the surface acoustic waves be excited, their running time in a reflection arrangement on the chip depends on a special measurement such as B. depends on the mechanical stress in the substrate. Such sensors can also be used instead of a wire connection provided with a very small antenna structure or he be completed, which the excitation signals from a cent ralen broadcasting station receives and the information-carrying Reflection signal from the chip on the same antenna the headquarters sends back.
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.Overall, it is advantageous if the output signals the sensor elements without contact to an evaluation unit are transferable. The contactless transmission can be there at by an inductive rotary transformer, an electro magnetic remote transmission or an infrared or Ult Schnellall transmission route or by a combination of these methods can be carried out.
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.In summary, it can be said that the inventions sensor arrangement according to the invention in a simple manner a two to three-dimensional acquisition, for example, the interim between a vehicle body and the road surface Acceleration / braking forces Fx, Fy, Fz and the verti kalen contact forces and acting torques Mx, Mz, on a concentrated, inexpensive installation space, namely enables the bearing housing of a rolling bearing. The torque ment My would be a torque in the direction of rotation of the Wheels and as such not detectable.
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.According to the invention, for. B. the far less favorable one build a force sensor near the brake, where temperatures up to Maintain 300 ° C, avoided. Through a mechatronic In tegration, that is, through a summarized structure of sensors and electronics, this invention Force sensors in the wheel bearing of a vehicle are the Vehicle manufacturers additional assembly steps and assembly spare parts in the area of the wheel guide. Here are z. B. each connected to a measuring bridge strain measuring resistors on a substrate as an intermediate carrier orderly.
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. Measure the various proposed sensor principles thereby advantageously the mechanical chip directly tion in the material and are thus the well-known measure superior to the systems that have many additional inputs capture rivers.
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.The invention can also be expanded in this way be that an elimination of recirculating ball modulation or use of the ball circulation modulation for one Speed measurement is possible in an advantageous manner. Fer It is also useful to use the strain gauge signal strips for a diagnostic statement about the condition of the wheel bearing possible in a simple manner.
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.The output signals of the sensor elements indicate a Rotation of the rolling bearing is essentially sinusoidal course with a speed-dependent frequency, so that the speed from the frequency is in an evaluation unit using conventional methods can be averaged.
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.With an arrangement from a single sensor element the outer bearing shell of the rolling bearing can be according to one advantageous embodiment of the invention, the speed from a comparison of the measured sinusoidal curve the output signal of the sensor with the output signal of an oscillator can be determined. Most of all, this is therefore advantageous since here the adjustment of two or more There are no more sensors to each other. This can be done in front geous way the signal of the oscillator with a ge smoothed output signal of the comparison after the so-called called known phase locked loop principle kor rig and then an estimate of the speed be determined.
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.These and other features of preferred training gene of the invention go out not only from the claims the description and the drawings, the individual characteristics individually or for more ren in the form of sub-combinations in the execution form of the invention and realized in other fields his and advantageous as well as protectable execution represent representations for which protection is claimed here becomes.
Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Sensoranord nungen werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:Embodiments of sensor arrangement according to the invention nations are explained with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines mit einer Sensor anordnung versehenen Wälzlagers für eine drehende Radachse in einem Fahrzeugchassis, Fig. 1 is a sectional view of a rolling bearing equipped with a sensor arrangement for a rotating axle in a vehicle chassis,
Fig. 2 eine Detailansicht der Lagerschalen des Wälzlagers mit Dehnungsmesswiderständen als Sensorelemente, Fig. 2 is a detailed view of the bearing shells of the rolling bearing with strain gauge resistors as sensor elements,
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. 3 is a detailed view of the bearing shells of a rolling bearing with two axially nebeneinan the arranged two rows of balls and corresponding spre accordingly two adjacent strain gauge as the sensor elements,
Fig. 4 eine Schnittansicht eines Teils eines Radla gers mit Dehnungsmesswiderständen für ein Kraftfahr zeug, Fig. 4 is a sectional view of a portion of a generating gers Radla with strain gauge resistances for a motor vehicle,
Fig. 5 eine Detailansicht eines Dehnungsmessstrei fens nach einer der vorhergehenden Figuren, Fig. 5 is a detail view of a Dehnungsmessstrei fens according to one of the previous figures,
Fig. 6 eine Ansicht einer Sensoranordnung mit Deh nungsmesswiderständen in Dünnschichttechnik, Fig. 6 is a view of a sensor assembly with Deh voltage measuring resistors in thin-film technology,
Fig. 7 eine Detailansicht der Lagerschalen des Wälzlagers mit piezoresistiven Widerständen als Sen sorelemente, Fig. 7 is a detailed view of the bearing shells of the rolling bearing with sorelemente piezoresistive resistors as Sen,
Fig. 6 und 9 jeweils Detailansichten eines Wider stands nach der Fig. 7, FIGS. 6 and 9 are respectively detailed views of a resisting stands of FIG. 7,
Fig. 10 eine Detailansicht der Lagerschalen des Wälzlagers mit zu einer Kreuzkonduktorschaltung ver schalteten Spulen als Sensorelemente, Fig. 10 is a detailed view of the bearing shells of the rolling bearing with a ver Kreuzkonduktorschaltung switched coil as sensor elements,
Fig. 11 eine Detailansicht einer Spule nach der Fig. 10, Fig. 11 is a detail view of a coil according to the 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. 12 is a detailed view of the bearing shells of the rolling bearing with coils for detecting the magnetoelas tables effect during the deformation of the rolling elements as sensor elements,
Fig. 13 eine Detailansicht der Lagerschalen des Wälzlagers mit einer zirkularen Magnetisierung der äußeren Lagerschale und einem magnetostatischen Sen sor als Sensorelement, Fig. 13 is a detailed view of the bearing shells of the rolling bearing with a circular magnetization of the outer bearing shell and a magnetostatic sen sor as a sensor element,
Fig. 14 eine Schaltungsanordnung zur Auswertung des Sensorsignals eines einzigen Sensors auf der äußeren Lagerschale nach dem Phase-Locked-Loop-Prinzip und Fig. 14 is a circuit arrangement for evaluating the sensor signal of a single sensor on the outer bearing shell according to the phase-locked loop principle and
Fig. 15 eine beispielhafte Darstellung der sinus förmigen Signalverläufe des Sensorsignals und der weiteren Signale in der Schaltung nach der Fig. 14. Fig. 15 is an exemplary representation of the sinusoidal waveforms of the sensor signal and the other signals in the circuit of 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 Fig. 1 is a simplified sectional view of a rolling bearing 1 for a rotating axle 2, which device is fixedly inserted in a vehicle chassis 3. A fixed bearing shell 4 sits on the chassis 3 and the rotating bearing shell 5 is located on the wheel axle 2 . In the rolling bearing 1 there are also the rolling elements, here balls 6 . On the outer fixed bearing shell 4 sensor elements 7 and 8 are indicated, with which a detection of the force components Fx and Fz is to be carried out, the stresses upon rotation of the wheel axis 2 and the associated mechanical stresses of the balls 6 and the bearing shells 4 and 5 occur.
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.In the illustration of FIG. 2, the bearings 4 and 5 and the balls 6 are enlarged fragmentary showing ge. For the attachment of sensor elements 7 , 8 , 9 'and 10 , which are formed for example from strain gauges, recesses or grooves 11 are provided on the fixed bearing shell 4 on the circumference, which the attachment of the strain gauges 7 to 10 together with a cover, not shown here allow that there is no direct contact or non-positive connection to the chassis 3 into which the outer bearing shell 4 is pressed.
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.With FIG. 3 is an embodiment of the roller bearing 1 of FIG. 1 with two adjacently in the axial direction arranged, not visible here rows of balls are shown and therefore are accordingly two juxtaposed strain gauges 7 'and 7' and 9 'and 9 "as Sensor elements are placed on both circumferential sides of the wheel bearing. According to this embodiment, one can absorb forces Fy in the axial direction in the wheel bearings usually used today with two rows of balls.
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.From Fig. 4 is a section through the constructive Anord voltage of a today conventional structure of a wheel bearing for a motor vehicle shown in which an outer fixed, connected to the chassis of the vehicle bearing shell 4 with the novel strain gauge resistors 7 'and 7 is provided. "It there are two rows with balls 6. The inner bearing shell 5 is connected to a wheel carrier 60 for the attachable vehicle wheel.
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.From Fig. 5 is a plan view of a sensor element, here the strain gauge 7, shown, as that is aligned with the strain gauge preferably meandering fashion in circumferential direction. This is advantageous since the force flow from the outer bearing shell 4 via the rolling elements (balls 6 ) to the inner bearing shell 5 and thus the area provided with the groove 11 expands in the sense of this force.
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.To eliminate preload forces, as can be seen from FIG. 2 or 3, diametrically opposed sides of the bearing shell 4 each have the same nu 11 with one of the strain gauges 7 and 8 , these grooves 11 being approximately the same preload experienced, but the measuring forces have an opposite effect. The biasing forces and possibly other interference forces can then be eliminated by a simple difference formation in an evaluation circuit, not shown here, with a half-bridge or voltage divider circuit. With a second, orthogonal to the first pair of grooves 11 , with strain gauges 9 and 10 , the force component can be measured in the direction perpendicular to the first.
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.The arrangement of strain gauges according to the previous Figures can also be expanded to the extent that these are not only attached directly to the wheel bearing be, but possibly also in the area of the chassis term wheel bearing flange or on live parts of the Wheel attachment.
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.Furthermore, FIG. 6 shows a sensor arrangement which is mounted on a carrier material 61 , e.g. B. a substrate. The previously described strain gauges of the sensors 7 or 9 , ev. Can via an insulation layer not shown here on a metallic intermediate carrier 62 , z. B. a plate or a round shape, can be applied inexpensively. The carrier material 61 designed as a circuit carrier can then be welded or pressed in at the previously described locations of the rolling bearing or the corresponding vehicle parts or otherwise connected in a force-locking manner. Both axial and tangential strain gauging resistors can then be applied to the plate 62 in full or half-bridge circuit.
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.The bridge circuit of FIG. 6 can then also be still connected to electronic components 63, with which a signal processing and transmission is possible to the other measuring point or another evaluation circuit or to a connector. The signal transmission via connection means 64 , 65 on the intermediate carrier 61 can there with z. B. serial over a digital bus or an analog bus. This so-called mechatronic arrangement allows the additional direct assignment of components for electronic signal processing, so that example digital output signals can be generated directly and the sensor arrangement directly to a bus system, for. B. in a motor vehicle can be turned on.
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.In an exemplary embodiment according to FIG. 7, electrical, preferably piezoresistive resistors 20 to 23 , preferably produced in layer technology, are arranged as sensor elements for force measurement, which are pressed or thogonally to their areal extent when a force is applied. In contrast to the arrangement according to FIGS. 1 to 3, the sensor elements 20 to 23 are located directly in the power flow. If the resistors 20 to 23 are printed directly onto the cylindrical outer skin of the outer bearing shell 4 , a second metal shell 24 can be arranged above them to protect them. If the resistances 20 to 23 are so-called thick-film resistors, this additional shell 24 can also be glazed. Here, too, diametrically attached pairs of resistors 20 , 22 and 21 , 23 are connected in such a way that the difference can be measured in principle.
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.In order to be able to supplement the active resistors in the power flow to form half or full bridges, it is also possible according to FIG. 8, in addition to the active resistors, here resistor 20 is shown, also passive, non-printed resistors (here 20 ' ) to be provided. This can be seen from Fig. 9, in which it is shown that the additional outer shell 24 at this point has a cavity 25 through which the passive resistors 20 'are not mechanically stressed.
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.A comparable effect, as in the embodiment of FIGS. 7 to 9 is also provided with a so-called. Cross duktoranordnung of FIG. 10 and FIG. 11 usable. Here, feed coils 31 , 31 'and 32 , 32 ' are arranged diametrically opposite in the outer bearing shell 4 . The location of a feed coil with the turns 31 and 31 'in the La gerschale 4 is shown in detail in FIG. 11. Geo metrically orthogonal to the feed coils 31 , 31 'and 32 , 32 ' are also diametrically opposed to each other receiving coils 33 , 33 'and 34 , 34 ' attached, which are connected in the same direction in both cases.
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.Due to the orthogonal arrangement, the receive spools 33 , 33 'and 34 , 34 ' according to FIG. 10 only receive an induction voltage when a force acts on the bearing shell 4 , this effect being largely linear and in accordance with the sign. The coils 33 , 33 'and 34 , 34 ' as well as 31 , 31 'and 32 , 32 ' can also be sunk in corresponding nu of the bearing shell 4 , so that the bearing shell is mechanically pressed into a force-carrying chassis part 3 (see FIG. 4) is possible.
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. The cross-duct arrangement described with reference to FIGS . 10 and 11 presupposes, however, that the pressure of the bearing shells 4 and 5 below and above, ie here between the coil turns 33 'and 31 and 32 ' and 34, is symmetrical. This would be more the case if the arrangement were printed on a hard surface by a force F. In the case of the wheel bearing according to FIG. 1 or 4, however, a predominantly one-sided pressing is to be expected, whereby the tension loosens accordingly loosely, even in the reverse sense, by the compression of the balls 6 . In this case, it is advantageous if the magnetic toelastic effect is evaluated quadrant-wise with the arrangement according to FIG. 10, the force-dependent change in permeability μr being used here, for example by measuring the individual coil inductivity. For this purpose, the four coils are then expediently not arranged at 45 ° to the x and z axes, but parallel to them. In the illustration according to FIG. 10, the windings 33 'and 31 , 31 ' and 34 ', 34 and 32 ' and 32 and 33 could then together form the coils.
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.According to the embodiment of FIG. 12, the magneto-elastic effect can also be used in the event of a deformation of the rolling bodies (balls 6 ). For this purpose, 1 coils 41 , 42 , 43 and 44 are attached to egg ner or both end faces of the rolling bearing, which have the basic shape of a segment of a circle and wherein approximately each coil covers a quarter of the entire circumference. Here, too, can be prepared by a suitable interconnection of the coils 41, 42, 43 and 44, as previously described, differential clamping voltages between the respective diametrically opposed coils 41, 43 and 42, form 44 and the two orthogonal force components Fz and Fx (see Fig. . 1) determine.
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.According to a further embodiment, the upper bearing shell 4 of the rolling bearing 1 can be magnetized circularly to measure wheel forces according to FIG. 13. In the mechanically unloaded case, the magnetic field remains completely in the bearing shell 4 , but the prerequisite here is that this bearing shell consists of a hard magnetic, permanent magnetic or magnetoelastic material, which is more or less the case with almost all steels.
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.Under the influence of the force F as shown in FIG. 13, the magnetization also obtains a component in the F direction, which in the axial direction Siert magneti the bearing shells 4 and 5. This magnetization B (F) is z. B. in the air gap between the outer bearing shell 4 and the inner bearing shell 5 by means of a magnetostatic sensor element 50 , for example according to the Hall or AMR principle, measurable bar. It is useful to distribute four such measuring points equidistantly around the circumference for measuring the force components Fz and Fx, the signals being subtracted from each other by two diametrically opposed sensors in order to eliminate the influence of the mechanical preload.
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.According to an exemplary embodiment shown in FIG. 14, an evaluation unit is evaluated with only one sensor, preferably a strain gauge 7 according to FIG. 1, the sinusoidal shape of the sensor output signal when the rolling bearing 1 and thus the balls 6 rotate. An exemplary signal profile of the signals occurring in the evaluation unit according to FIG. 14 is shown in FIG. 15.
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.The evaluation unit according to FIG. 14 is constructed according to the phase-locked loop principle, in which an attempt is made to continuously adapt an estimated frequency to the actual frequency. The output signal 70 (cf. FIG. 15) from the sensor 7 is fed to a comparator 71 , for example a multiplier, at whose other input the output signal of an oscillator 72 is present.
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.The output signal 73 (cf. FIG. 15) of the comparator 71 is smoothed in a module 74 , for example a low-pass filter (see signal curve 75 according to FIG. 15) and is available as a correction signal for the readjustment of the estimated frequency (see signal curve 76 below) of Fig. 15) is available. Through this frequency control, it is sufficient that the signal curves of the sensor 7 and the oscillator 72 are practically always in phase with one another and thus the actual frequency of the rolling bearing rotation or the speed of the rolling bearing 1 can be estimated relatively easily in a simple manner.
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.In addition to the exemplary embodiments explained so far other sensor elements can also be used. For this include z. B. the so-called. SAW sensors (SAW = surface acous tic wave). These are reali in the form of solid body chips siert on which acousti by piezoelectric material surface waves are excited, their transit time in a reflection arrangement on the chip greatly from one special measurement such as B. the mechanical tension depends in the substrate. Instead of a wire connection you can such sensors also with a very small antenna structure be provided or supplemented, what the excitation signal nale from a central station and that information-carrying reflex signal from the chip on the sends the same antenna back to the control center. This ver simplifies the wiring problem, especially if one considers that for complete and low error Er recording of the wheel forces and moments several, possibly up to eight strain gauges are to be provided.
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.It is also possible that the signals of the previously be written sensor elements for measuring local strains can be queried remotely at the warehouse or warehouse environment nen, d. H. without any galvanic connection between Sen sor and chassis-side control center. As such telemetri cal transmission means can be inductive rotary transformers, electromagnetic remote transmission by radio and infra serve red transmission path, for the purposes of Sen voltage supply and signal transmission too appropriate combinations of these. Procedures are possible.
Claims (18)
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.9. Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that
the sensor elements ( 50 ) for evaluating a magnetic tostatic effect with a circular magnetized th outer bearing shell ( 4 ) of hard magnetic material interact and that
the sensor elements ( 50 ) are a magnetostatic Hall, AMR or other sensor with which the magnetization in the air gap between the bearing shells ( 4 , 5 ) can be detected as a function of the force application of the rolling elements ( 6 ).
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