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Die
Erfindung betrifft ein Lager, insbesondere ein Wälzlager, das einen Innenring
und einen Außenring
aufweist, wobei das Lager einen Sensor enthält, der mittelbar oder unmittelbar
an einem der Lagerringe drehfest angeordnet ist und mit dem ein Drehzustand
des Lagers detektiert werden kann, und wobei der Sensor mit einem
Erregerelement in Wirkverbindung steht, das an dem anderen der Lagerringe
drehfest angeordnet ist.
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Lager
dieser Art sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Namentlich
kommt für
jede Radlageranordnung, die mit einem Antiblockiersystem versehen
ist, eine so geartete Ausgestaltung zur Anwendung. Das Lager ist
hiernach mit einem Sensor versehen, der mit einem Geberrat in Verbindung steht.
Hierdurch kann detektiert werden, ob eine Drehung des Rades vorliegt
oder nicht und wie groß die Winkelgeschwindigkeit
der Drehung ist.
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Die
EP 1 245 958 A2 offenbart
ein Wälzlager mit
integriertem Drehsensor. Um den Sensor leichter und in einem sehr
kleinen Bauraum unterzubringen, ist hier vorgesehen, dass der elektronische
Schaltkreis, der Bestandteil der Sensoreinheit ist, flexibel ausgestaltet
ist.
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Bei
einigen Anwendungen kommt es entscheidend darauf an, welche Drehrichtung
das Lager hat. Als Beispiel seien Handwerkzeuge wie Winkelschleifer
oder Bohrmaschinen genannt aber auch Kettensägen oder Asphaltfräsen. Wenngleich
es grundsätzlich
eine Vielzahl von Möglichkeiten
gibt, mit elektronischen Mitteln die Drehrichtung eines Lagers zu
bestimmen, sind diese Maßnahmen
bislang relativ aufwendig.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lager, insbesondere
ein Wälzlager,
zu schaffen, bei dem es in besonders einfacher Weise möglich ist,
die Drehrichtung zu erkennen und anzuzeigen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Enegerelement zwei Enegerbereiche aufweist, die sich jeweils über einen
vorgegebenen Umfangswinkel auf unterschiedlichen Kreisbahnen um
die Drehachse des Lagers herum erstrecken, wobei zumindest ein Umfangswinkelbereich
vorhanden ist, in dem sich beide Enegerbereiche erstrecken, und
mindestens ein, vorzugsweise zwei, Umfangswinkelbereiche vorhanden
sind, in denen sich nur einer der beiden Enegerbereiche erstreckt,
und dass der Sensor als Doppelsensor mit zwei Teilsensoren ausgebildet
ist, wobei jeder Teilsensor mit je einem Enegerbereich in Wirkverbindung
stehen kann.
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Eine
erste Fortbildung sieht vor, dass beide Teilsensoren des Sensors
an der selben Umfangsstelle des Lagerrings angeordnet sind, wobei
die beiden Teilsensoren hinsichtlich ihrer jeweiligen radialen Lage
zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, im Bereich der radialen
Erstreckung des Enegerbereichs angeordnet. sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Enegerelement
in einer Scheibe angeordnet ist, in dieser ausgebildet ist oder
durch diese gebildet wird (z. B. durch ein Scheibensegment), die
mit einem der Lagerringe drehfest verbunden ist. Die Enegerbereiche
können
dabei als Ausnehmungen in der Scheibe ausgebildet sein.
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Alternativ
dazu kann auch vorgesehen werden, dass die Enegerbereiche als Bereiche
der Scheibe ausgebildet sind, in denen ein signalgebendes Material
angeordnet ist. Hierbei kann es sich zum Beispiel um ein magnetisiertes
Material handeln, so dass die Teilsensoren auf den Magnetismus dieses Materials
ansprechen können.
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Es
kann jedoch auch vorgesehen werden, dass das Enegerelement als Ausnehmung,
als Erhebung oder als ähnliche
Kodierung in einem der Lagerringe ausgebildet ist. Hiernach sind
also die beiden sich kreisförmig
um die Drehachse des Lagers herum erstreckenden Enegerbereiche direkt
in oder auf einem der Lagerringe eingebracht bzw. angeordnet.
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Mit
Vorteil liegt der Umfangswinkelbereich, in dem sich beide Enegerbereiche
erstrecken, zwischen 5° und
60° oder
zwischen 300° und
355°. Die Umfangswinkelbereiche,
in denen sich nur eine der beiden Enegerbereiche erstrecken, liegen
ebenfalls bevorzugt zwischen 5° und
60° oder
zwischen 300° und
355°.
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Nach
einer Ausgestaltung können
beide Enegerbereiche zusammenhängend
ausgebildet werden. Allerdings ist es ebenfalls möglich, beide
Enegerbereiche voneinander getrennt auszubilden.
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Hinsichtlich
der Sensorik hat es sich bewährt,
wenn die Teilsensoren solche Sensoren sind, die auf optische Signale
reagieren. Genauso können jedoch
auch Sensoren eingesetzt werden, die auf magnetische Signale reagieren.
Im letztgenannten Fall hat sich der Einsatz von Hall-Sensoren bewährt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn vorgesehen wird, dass die Teilsensoren
mit einer Auswerteeinheit in Verbindung stehen. Die Auswerteeinheit kann
dazu geeignet sein, aus den von den Teilsensoren detektierten Signalen
die Drehrichtung des Lagers zu ermitteln und als Information auszugeben.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteeinheit in unmittelbarer Nähe der Teilsensoren angeordnet
ist. Hierbei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Auswerteeinheit
samt Teilsensoren auf einem gemeinsamen Trägerelement angeordnet sind,
quasi also als elektronischer Chip gemeinsam platziert sind.
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Das
Lager ist vorzugsweise ein Wälzlager.
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Mit
dem vorgeschlagenen Lager ist es in sehr einfacher Weise möglich, eine
Drehrichtungserkennung zu bewerkstelligen und anzuzeigen. Es ist vor
allem möglich,
die Drehrichtungserkennungsvorrichtung in sehr preiswerter Weise
zu verwirklichen. Durch entsprechende Programmierung der Auswerteeinheit
ist es weiterhin möglich,
mit der vorgeschlagenen strukturellen Ausgestaltung eines Lagers
nicht nur die Drehrichtung, sondern auch die Drehzahl der Lageranordnung
sowie die Winkelposition des einen Lagerrings relativ zum anderen
zu ermitteln. Hierzu werden gegebenenfalls weitere Erregerbereiche über den
Umfang verteilt angeordnet.
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Durch
die preiswerte Verfügbarkeit
elektronischer Bauteile wird ein modularer Aufbau geschaffen, der
nur geringen Bauraum benötigt.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 die
Seitenansicht eines mit einer Drehrichtungserkennung ausgestatteten
Wälzlagers,
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2 den
linken Bildausschnitt gemäß 1 in
einer vergrößerten Ansicht,
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3 den
Schnitt A-A gemäß 1,
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4 den
zeitlichen Verlauf der von zwei Teilsensoren aufgenommenen Signale
bei Drehung des Innenrings des Lagers relativ zum Außenring
im Uhrzeigersinn und
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5 die
zu 4 analoge Darstellung bei Drehung im Gegenuhrzeigersinn.
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In
den 1 bis 3 ist ein Wälzlager 1 zu sehen,
dass einen Innenring 2 und einen Außenring 3 aufweist.
Dazwischen sind in üblicher
Weise nicht bezeichnete Wälzkörper angeordnet.
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Wie
am besten aus 3 gesehen werden kann, ist der
Innenring 2 mit einer Scheibe 14 verbunden, die
an einer der beiden Stirnseiten des Lagerrings 2 angebracht
ist. In 3 ist ebenfalls zu erkennen,
dass in nahem Abstand zur Scheibe 14 – durch einen Luftspalt von
der Scheibe 14 getrennt – ein Sensor 4 angeordnet
ist, der aus zwei Teilsensoren 12 und 13 besteht.
Der Sensor 4 bzw. die beiden Teilsensoren 12 und 13 werden
durch ein Halteelement 18 in Position gehalten, wobei das
Halteelement 18 am Außenring 3 angeordnet
ist.
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Wie
am besten in den 1 und 2 zu erkennen
ist, weist die Scheibe 14 ein Erregerelement 5 auf.
Es handelt sich hier – allgemein
gesprochen – um
eine Anordnung, die in der Lage ist, abhängig vom relativen Drehwinkel
zwischen Innenring und Außenring
die Teilsensoren 12 und 13 mit einem Signal zu
beaufschlagen. Im Ausführungsbeispiel
besteht das Erregerelement 5 aus Ausnehmungen, die in die
Scheibe 14 eingebracht sind.
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Wie
am besten aus 2 gesehen werden kann, sind
dabei zwei Erregerbereiche 6 und 7 vorgesehen,
die aus einer jeweiligen Ausnehmung bestehen, die in die Scheibe 14 eingearbeitet
sind. Die beiden Erregerbereiche 6 und 7 erstrecken
sich dabei jeweils über
einen definierten Umfangswinkel α1 bzw. α2. Weiterhin liegen die beiden Enegerbereiche
auf zwei unterschiedlichen Kreisbahnen, die in 2 mit den
Radien r1 und r2 markiert
sind. Hierzu ist anzumerken, dass jeweils die radiale Mitte der
beiden Enegerbereiche 6 und 7 mit den Radien bezeichnet
ist. Die beiden Bereiche 6, 7 erstrecken sich
jeweils über eine
gewisse Breite b1 und b2,
d. h. die in die Scheibe 14 eingearbeiteten Erregerbereiche 6 und 7 stellen Nuten
bzw. Ausnehmungen dar, die in die Scheibe 14 eingebracht
sind, die auf unterschiedlichen Kreisbahnen liegen, die jeweiligen
Breiten b1 und b2 aufweisen und
sich über
die genannten Umfangswinkel α1 bzw. α2 erstrecken.
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Wie
weiter gesehen werden kann, liegt ein winkeliger Versatz zwischen
den beiden Enegerbereichen 6 und 7 vor. Während sich über einen
Umfangswinkelbereich 9 beide Enegerbereiche 6 und 7 gleichzeitig
erstrecken, ist in den Umfangswinkelbereich 10 bzw. 11 vorgesehen,
dass sich hier nur einer der beiden Enegerbereiche 6 bzw. 7 erstreckt.
In 2 sind vier Winkelpositionen ϕ1 bis ϕ4 eingetragen.
Hiernach beginnt der äußere Enegerbereich 6 an
der Position ϕ1 und verläuft zunächst bis zur Position ϕ2. An dieser Position beginnt der innenliegende
Enegerbereich 7; bis zur Position ϕ3 erstrecken sich
beide Enegerbereiche 6, 7 gleichzeitig. An der Position ϕ3 endet der äußere Enegerbereich 6 während der
innere Enegerbereich 7 bis zur Position ϕ4 weiterverläuft und dort endet.
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An
einer definierten Umfangsstelle 15 des Lagers sind die
beiden Teilsensoren 12 und 13 auf einem gemeinsamen
Trägerelement 17 angeordnet und
positioniert. Bei relativer Drehung des Innenrings 2 zum
Außenring 3 bedeutet
dies, dass die beiden Teilsensoren 12 und 13 zu
unterschiedlichen Zeitpunkten von den Enegerbereichen 6 und 7 "aktiviert" bzw. "deaktiviert" werden. Vorliegend
besteht – wie erwähnt – das Erregerelement 5 aus
Enegerbereichen 6 und 7, die als Ausnehmungen
in die Scheibe 14 eingebracht sind. Das bedeutet, dass
der Teilsensor 12 nur dann "deaktiviert" ist, wenn der Enegerbereich 6 (über seinen
Umfangswinkel α1) "unter" dem Teilsensor 12 liegt.
Entsprechend gilt dies für
den Teilsensor 13 dann, wenn der Erregerbereich 7 (mit seinem
Umfangswinkel α2) "unter" dem Sensor zu liegen
kommt.
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Auf
dem Trägerelement 17 ist
eine Auswerteeinheit 16 in Form eine Mikrochips angeordnet,
die mit beiden Teilsensoren 12 und 13 in Verbindung steht
und deren Signale auswertet. Abhängig
von dem Auswerteergebnis gibt die Auswerteeinheit 1G eine
Information 0/1 ab, d. h. eine Information darüber, ob sich der Innenring 2 relativ
zum im Ausführungsbeispiel
feststehenden Außenring 3 im Ührzeigersinn
(Signal: "0") oder im Gegenuhrzeigersinn
(Signal: "1") dreht. Wie diese
Ermittlung stattfindet ergibt sich aus den 4 bzw. 5.
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In 4 sind
für die
beiden Teilsensoren 12 und 13 die Signale eingetragen,
die diese über
die Zeit t aufnehmen. Eingetragen sind die vier Winkelpositionen ϕ1 bis ϕ4.
Der eingetragene zeitliche Nullpunkt entspricht der Position, bei
der die mit Material besetzte Scheibe 14 "unter" den Sensoren 12 bzw. 13 liegt
(in 2 läge
der Sensor 4 damit – wie
dargestellt – etwas
oberhalb der beiden Erregerbereiche 6 bzw. 7).
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Hat
sich der Innenring 2 samt Scheibe 14 bis zum Drehwinkel ϕ1 auf Höhe
des Sensors 4 bzw. der Teilsensoren 12 und 13 gedreht,
kommt der Erregerbereich 6 als Ausnehmung in der Scheibe 14 in
den Bereich des Teilsensors 12. Wie aus dem oberen Koordinatensystem
in 4, das für
den Teilsensor 12 gilt, gesehen werden kann, fällt an dieser
Stelle das Signal vom vorher detektierten Wert "1" auf
den Wert "0" ab, da nun die Ausnehmung
in der Scheibe 14 "unter" dem Teilsensor 12 zu
liegen kommt. Bei weiterer Drehung der Scheibe 14, nämlich bis
der Sensor 4 bei der Winkelposition ϕ2 liegt,
detektiert der Teilsensor 12 das Signal "0", während
der Teilsensor 13 – nach
wie vor – das
Signal "1" erhält, weil
so lange Material der Scheibe 14"unter" den Teilsensor 13 liegt. An
der Winkelposition ϕ3 jedoch kommt
auch der Erregerbereich 7 zur Wirkung, so dass das vom Teilsensor 13 detektierte
Signal auf "0" abfällt. Wie aus 4 weiter
gesehen werden kann, zeigen beide Sensoren zwischen den Winkelpositionen ϕ2 bis ϕ3 den
Wert "0" an während bei
der Winkelposition ϕ3 das Ende
des Erregerbereichs 6 erreicht ist und somit der Teilsensor 12 wieder
den Wert "1" erhält. Dies gilt
für den
Erregerbereich 7 erst ab der Winkelposition ϕ4, so dass ab dieser Position wieder beide
Sensoren 12, 13 das Signal "1" erhalten.
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Aus
dem detektierten Verlauf gemäß der beiden
Darstellungen in 4 lässt sich in Folge der bekannten
Geometrie des Erregerelements 5 und namentlich der beiden
Erregerbereiche 6 und 7 auf die Drehrichtung schließen: Mit
dem Abfall des Signals, dass der Teilsensor 12 feststellt,
vom Wert "1" auf den Wert "0" an der Winkelposition ϕ1 und dem vom Teilsensor 13 zunächst festgestellten
weiteren Signal "1" steht fest, dass
sich der Innenring 2 relativ zum Außenring im Uhrzeigersinn ("0") dreht, was oberhalb des oberen Koordinatensystems
in 4 angedeutet ist.
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Entsprechend
umgekehrte Verhältnisse
ergeben sich, wenn der Innenring 2 sich relativ zum Außenring
3 im Gegenuhrzeigersinn dreht (Drehrichtung "1"):
Hier fällt
bei der Winkelposition ϕ4 zunächst das
vom Teilsensor 13 detektierte Signal vom vorher vorhandenen
Wert "1" auf den Wert "0" ab, während der zweite Teilsensor 13 zunächst weiterhin
das Signal "1" erhält. Erst
bei der Winkelposition ϕ3 fällt auch das
vom Teilsensor 12 detektierte Signal auf den Wert "0" ab. Entsprechend endet die Ausnehmung
in der Scheibe 14, also der Erregerbereich 6 bzw.
7, an den Winkelposition ϕ2 bzw. ϕ1, so dass hier wiederum die Signale "1" von den Teilsensoren 13 bzw. 12 festgestellt
werden. Ab der Winkelposition ϕ4 kann
die Auswerteeinheit 16 daher feststellen, dass eine Drehung
im Gegenuhrzeigersinn ("1") vorliegt, was im oberen
Koordinatensystem in 5 angedeutet ist.
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In 1 ist
schematisch dargestellt, dass die beiden Erregerbereiche 6 und 7 in
Form einer Ausnehmung in der Scheibe 14 als zusammenhängendes
Gebilde eingearbeitet sind. In 2 ist dargestellt,
dass die beiden Ausnehmungen, die in der Scheibe 14 die
Erregerbereiche 6 und 7 bilden, als separate Ausnehmungen
in die Scheibe 14 eingearbeitet sein können.
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Durch
entsprechende Auswertung der zeitlichen Abfolge der Signale der
beiden Teilsensoren 12 und 13 kann im übrigen nicht
nur die Drehrichtung des Lagers sondern auch die Drehgeschwindigkeit und
gegebenenfalls der Drehwinkel festgestellt werden. Die hierfür notwendige
Algorithmen sind als solche bekannt und z. B. in der Auswerteeinheit 16 speichermäßig hinterlegt.
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Während das
Ausführungsbeispiel
darauf abstellt, dass die Detektion der Teilsensoren 12 und 13 dadurch
erfolgt, dass die Sensoren beobachten, ob Scheibenmaterial vorhanden
oder nicht vorhanden ist, kann die Detektion auch auf beliebig andere Weise
erfolgen. Es können
sowohl optische als auch magnetische Sensoren zum Einsatz kommen,
wobei die Erregerbereiche 6 und 7 dann beispielsweise
dadurch gebildet werden können,
dass eine magnetische Substanz über
die Umfangswinkel α1 bzw. α2 auf der Scheibe 14 aufgebracht
ist.
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Auch
kann vorgesehen werden, dass das Erregerelement 5 mit seinen
Erregerbereichen 6 und 7 direkt in einen der beiden
Lagerringe 2 oder 3 eingebracht bzw. eingearbeitet
ist, so dass sich im gegebenen Falle ein besonders platzsparender
Aufbau ergeben kann.
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- 1
- Lager
(Wälzlager)
- 2
- Innenring
- 3
- Außenring
- 4
- Sensor
- 5
- Erregerelement
- 6
- Erregerbereich
- 7
- Erregerbereich
- 8
- Drehachse
- 9
- Umfangswinkelbereich
- 10
- Umfangswinkelbereich
- 11
- Umfangswinkelbereich
- 12
- Teilsensor
- 13
- Teilsensor
- 14
- Scheibe
- 15
- Umfangsstelle
- 16
- Auswerteeinheit
- 17
- Trägerelement
- 18
- Halteelement
- α1
- Umfangswinkel
- α2
- Umfangswinkel
- r1
- Kreisbahn
- r2
- Kreisbahn
- b1
- Breite
- b2
- Breite
- ϕ1
- Winkelposition
- ϕ2
- inkelposition
- ϕ3
- Winkelposition
- ϕ4
- Winkelposition
- 0/1
- usgegebene
Information