DE10136438A1

DE10136438A1 - Sensoranordnung in einem Wälzlager und Verfahren zur Auswertung des Sensorsignals

Info

Publication number: DE10136438A1
Application number: DE10136438A
Authority: DE
Inventors: Volker Imhof
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2001-07-26
Publication date: 2002-03-07

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

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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

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.

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.