DE102011085711A1

DE102011085711A1 - Wälzlager mit Kraftmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102011085711A1
Application number: DE102011085711A
Authority: DE
Inventors: Jan-Rene Aust; Thomas Meyer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (1) mit zwischen zwei Laufringen (2, 3) abwälzenden, über den Umfang verteilt in einem Lagerkäfig (4) aufgenommenen Wälzkörpern (5) sowie einer eine zwischen den Laufringen (2, 3) wirksame Kraft erfassenden Kraftmesseinrichtung (6) mit zumindest einem Kraftsensor (8) und einer Auswerteeinrichtung (7). Um in einfacher Weise und platzsparend eine Kraftmesseinrichtung (6) in dem Wälzlager (1) vorsehen zu können, ist erfindungsgemäß zumindest ein Kraftsensor (8) anstelle eines Wälzkörpers (5) in dem Lagerkäfig (4) aufgenommen und überträgt Sensorsignale drahtlos an die Auswerteeinrichtung (7).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit zwischen zwei Laufringen abwälzenden, über den Umfang verteilt in einem Lagerkäfig aufgenommenen Wälzkörpern sowie einer eine zwischen den Laufringen wirksame Kraft erfassenden Kraftmesseinrichtung mit zumindest einem Kraftsensor und einer Auswerteeinrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Wälzlager mit zwischen radial ineinander geschachtelten Laufringen angeordneten Wälzkörpern, beispielsweise Kugeln oder Kugelrollen sind hinreichend bekannt. Die Wälzkörper sind hierbei über den Umfang verteilt in einem Lagerkäfig aufgenommen und wälzen an entsprechend an den Laufringen vorgesehenen Laufbahnen ab. Um an dem Wälzlager auftretende Kräfte ermitteln zu können, um beispielsweise Vorkehrungen zu deren Abstellung beziehungsweise Bewertung und Steuerung vornehmen zu können, werden entsprechende Kraftmesseinrichtungen vorgesehen.
Beispielsweise zeigt die DD 213 297 A1 eine Einrichtung zur Messwerterfassung an einem Wälzlager, wobei ausschließlich im nicht drehenden Außenring verschiedene Messfühler wie Kraftmessfühler angeordnet sind, die unter anderem auf den Außenring wirkende Radialkräfte erfassen.
Aus der DE 60 2004 000 775 T2 ist eine Wälzlageranordnung bekannt, bei der eine Kraftmesseinrichtung zur Bestimmung von Axialkräften axial benachbart zum Wälzlager angeordnet ist. Infolge dieses Aufbaus erfordert diese Kraftmesseinrichtung einen großen Bauraum.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Wälzlagers mit einer Kraftmesseinrichtung, welche bauraumneutral im Wälzlager untergebracht ist.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch ein Wälzlager mit zwischen zwei Laufringen abwälzenden, über den Umfang verteilt in einem Lagerkäfig aufgenommenen Wälzkörpern sowie einem eine zwischen den Laufringen wirksame Kraft erfassenden Kraftmesseinrichtung mit zumindest einem Kraftsensor und einer Auswerteeinrichtung dadurch gelöst, dass zumindest ein Kraftsensor anstelle eines Wälzkörpers in dem Lagerkäfig aufgenommen ist und Sensorsignale drahtlos an die Auswerteeinrichtung überträgt.
Durch die Aufnahme eines oder mehrerer, beispielsweise drei gleichmäßig über den Umfang verteilten Kraftsensoren anstelle von Wälzkörpern ist keinerlei Bauraumzuwachs nötig. Ein derartiger Kraftsensor enthält dabei in seinem Inneren abhängig von einer auf diesen einwirkenden Kraft ein kraftspezifisches Element sowie entsprechende aktive und/oder passive elektronische Bauelemente, um die abhängig von einwirkenden Kräften oder Kraftänderungen erzeugten Sensorsignale drahtlos nach außen zu übertragen. Dabei nimmt der Kraftsensor bevorzugt radial einwirkende Kräfte auf, kann jedoch alternativ oder zusätzlich zur Erfassung von Axialkräften ausgelegt sein.
Der Kraftsensor ist in sich steif ausgebildet, so dass eine nur unwesentliche Schwächung des Wälzverbundes der Wälzkörper auftritt. Versuche haben hierbei gezeigt, dass Änderungen eines Abstands zwischen den Kondensatorflächen im Bereich von 1–10 Mikrometern für einen ausgewählten Kraftbereich ausreichend sein können. Durch die bei Rotation der Laufringe gegeneinander auftretende Rotation der Wälzkörper und damit des oder der Kraftsensoren kann ein Krafteinfluss um die Drehachse des Wälzlagers winkelselektiv erfasst werden.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der zumindest eine Kraftsensor aus einem seine Kapazität abhängig von Krafteinwirkungen ändernden Kondensator gebildet. Dies bedeutet, dass in dem Kraftsensor zwei durch ein Dielektrikum getrennte Kondensatorflächen vorgesehen sind, die unter Krafteinwirkung gegeneinander verlagert, beispielsweise zusammengedrückt werden, so dass sich die Kapazität des Kondensators ändert und damit Sensorsignale abhängig von einer Krafteinwirkung erzeugt werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn der Kondensator aus einem ersten, der äußeren Form der Wälzkörper nachgebildeten Hohlblechkörper und einem in diesem aufgenommenen zweiten Hohlblechkörper unter Zwischenlegung eines Dielektrikums gebildet ist. Hierbei bilden die einander zugewandten Oberflächen der Hohlblechkörper die Kondensatorflächen, zwischen denen das Dielektrikum des Kondensators angeordnet ist. Das Dielektrikum kann nach dem Ineinanderfügen der Hohlblechkörper eingefüllt und anschließend ausgehärtet oder auf beiden oder einer Oberfläche der Hohlblechkörper als Beschichtung wie Lackschicht, Oxidschicht oder dergleichen aufgebracht werden.
Der erste Hohlblechkörper ist den Wälzkörpern nachgebildet und weist je nach Ausbildung des Wälzlagers als Kugellager, Kugelrollenlager, Nadellager oder dergleichen in Axial- und/oder Radialbauweise Kugel-, Kugelrollen-, Tonnen- oder Nadelform auf. Die Hohlblechkörper sind bevorzugt mittels Tiefziehverfahren hergestellt, wobei diese bis auf deren Größe im Wesentlichen dieselbe Form aufweisen und mittels derselben Fertigungsschritte hergestellt sind. Hierbei kann beispielsweise aus Blech der erste Hohlblechkörper soweit vorgeformt werden, dass der bereits fertig gestellte zweite noch eingelegt werden kann, wobei nach dessen Einlage der erste Hohlblechkörper vollständig geschlossen wird.
Die mittels des Kondensators erzeugten Sensorsignale können mittels einer entsprechend miniaturisierten Auswerteeinrichtung direkt an ein Steuergerät gesendet werden, wobei entsprechende Sendeeinrichtungen in der Auswerteeinrichtung vorgesehen sind und die Auswerteeinrichtung von außen, beispielsweise induktiv mit elektrischer Energie versorgt wird.
In vorteilhafter Weise wird der Kraftsensor jedoch elektronisch passiv ausgebildet, indem in bevorzugter Weise in einem Kern des Kondensators eine elektromagnetische Spule angeordnet ist, welche mit dem Kondensator einen Schwingkreis bildet. Hierbei zeichnet sich der Schwingkreis durch eine Resonanzfrequenz aus, die abhängig von der auf den Kondensator einwirkenden Kraft verstimmt wird. Demgemäß können von der Auswerteeinrichtung Erregerfrequenzen ausgesendet werden, die der Resonanzfrequenz entsprechen, so dass hiermit die Sensorsignale in der Auswerteeinrichtung erfasst und bearbeitet werden können.
Die Auswerteeinrichtung kann in einem das Wälzlager umgebenden Gehäuse aufgenommen oder an diesem befestigt werden. Bevorzugt wird die Auswerteeinrichtung in einen feststehenden Lagerring – Außenring oder Innenring – integriert oder an diesem befestigt. Insbesondere mittels der Integration in den Laufring kann ein Bauraum des Wälzlagers auf Abmessungen von Wälzlagern ohne Kraftmesseinrichtung begrenzt werden. Die Übertragung der erfassten und vorteilhafterweise aufbereiteten Sensorsignale auf eine in einer Signalverarbeitungshierarchie höher angesiedelte Einheit wie Steuergerät oder dergleichen kann drahtlos beispielsweise mittels eines Standardprotokolls oder drahtgebunden mittels einer entsprechenden Schnittstelle analog oder digital oder über einen Datenbus wie CAN-Bus erfolgen.
Neben Kondensator und Spule können weitere aktive und/oder passive elektronische Bausteile in den zweiten Hohlblechkörper aufgenommen sein, um den Schwingkreis zu erweitern. Beispielsweise können Bauelemente wie Temperaturfühler zur Kompensation und/oder Messung der Temperatur, Schwingquarze zur Stabilisierung von Frequenzen und Taktraten und/oder dergleichen vorgesehen sein.
Wird insbesondere bei mehreren über den Umfang verteilten Kraftsensoren von der Auswerteeinrichtung eine Wiederholungsrate der Sensorsignale abhängig von der Zeit ermittelt, können aus der Anzahl der sich wiederholenden Sensorsignale pro Zeiteinheit Drehkennwerte des Wälzlagers wie Drehwinkel, Drehzahl, Windelgeschwindigkeit und -beschleunigung der gegeneinander drehenden Laufringe zumindest annähernd ermittelt werden. Unter Berücksichtigung insbesondere unter hoher Krafteinwirkung auftretendem Schlupf kann die Erfassung dieser Drehkennwerte weiter verbessert werden. Beispielsweise kann ein kraftabhängiger Schlupf mittels der Kraftmessung selbst kompensiert werden.
Ein Arbeitsbereich des Schwingkreises, beispielsweise dessen Resonanzfrequenzbereichs kann beispielsweise mittels eines Abstands der Hohlblechkörper zueinander, Eigenschaften des Dielektrikums und/oder Eigenschaften der Spule in Form einer Windungszahl, eines Durchmessers und/oder Eigenschaften eines Spulenkerns einstellbar vorgesehen sein. Der Arbeitsbereich kann daher in einem weiten Bereich zwischen 100 kHz und 10 GHz vorgesehen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Wälzlager mit Kraftmesseinrichtung in Ansicht;
2 einen Kraftsensor des Wälzlagers der 1 im Schnitt;
3a bis f die Produktionsschritte eines Tiefziehverfahrens zur Herstellung des Kraftsensors der 2.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein als Rillenkugellager ausgebildetes Wälzlager 1 mit einem als feststehendem Außenring ausgebildeten Laufring 2 und einem als drehendem Innenring ausgebildeten Laufring 3 sowie den zwischen den Laufringen abwälzenden, mittels eines Lagerkäfigs 4 über den Umfang angeordneten, hier als Kugelrollen ausgebildeten Wälzkörpern 5.
In das Wälzlager 1 ist die Kraftmesseinrichtung 6 integriert, die aus der Auswerteeinrichtung 7 und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei über den Umfang gleichverteilten Kraftsensoren 8, welche jeweils einen Wälzkörper 5 ersetzen, gebildet ist. Die insbesondere radial gegenüber einer in Richtung des Pfeils 9 einwirkenden Kraft sensitiven Kraftsensoren 8 übermitteln unter Krafteinwirkung gebildete Sensorsignale drahtlos an die Auswerteeinrichtung 7, die diese vorverarbeitet und an ein nicht dargestelltes Steuergerät drahtlos oder mittels einer nicht dargestellten Datenleitung überträgt. Die Auswerteeinrichtung ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einer Ausnehmung des Laufrings 2 aufgenommen.
2 zeigt einen der Kraftsensoren 8 der 1 im Schnitt. Dieser ist als Kondensator 10 mit den einander zugewandten Kondensatorflächen 11, 12 und dem dazwischen angeordneten Dielektrikum 13 ausgebildet. Hierzu sind die ineinander geschachtelten Hohlblechkörper 14, 15 vorgesehen, die mittels eines Tiefziehverfahrens hergestellt sind, wobei der äußere Hohlblechkörper 14 der Form der Wälzkörper 5 (1) nachgebildet ist. Infolge seines kleineren Durchmessers verhält sich der kleinere Hohlblechkörper 15 steifer als der äußere Hohlblechkörper 14, so dass bei einer auf diesen wirkenden Kraft der Abstand zwischen den Hohlblechkörpern 14, 15 verringert wird, indem das Dielektrikum zusammengedrückt wird. Die Abstandsveränderungen liegen dabei im Bereich von wenigen Mikrometern.
Die Hohlblechkörper 14, 15 sind um ihre Drehachse offen und enthalten den Kern 16, auf dem die Spule 17 gewickelt ist. Spule 17 und Kondensator 10 bilden den Schwingkreis 18 mit einer von den Eigenschaften des Kondensators 10 und der Spule 17 abhängigen Resonanzfrequenz. Diese wird beispielsweise durch die Kondensatorflächen 11, 12, deren Abstand voneinander und die Art des Dielektrikums einerseits und von der Windungszahl und der Drahtstärke der Spule 17 andererseits vorgegeben und ist daher durch Wahl dieser Eigenschaften in einem weiten Arbeitsbereich, beispielsweise zwischen 100 kHz und 10 GHz einstellbar. Im Weiteren wird deutlich, dass durch kraftbedingte Änderung des Abstands der Kondensatorflächen 11, 12 die Resonanzfrequenz variiert, so dass durch Erfassung der Resonanzfrequenzänderungen die anliegende Kraft bestimmt werden kann. Die Resonanzänderungen werden durch Anlegen einer Erregerfrequenz durch die Auswerteeinrichtung 7 (1) erfasst, so dass eine passive Ausgestaltung des Kraftsensors 8 ohne eigene Stromversorgung möglich ist.
Die 3a bis 3f zeigen eine Abfolge der Herstellung und Fügen der Hohlblechkörper 14, 15 der 2 mittels eines Tiefziehverfahrens. Ausgehend von dem in 3a gezeigten planen Blechteil 19, beispielsweise einer Blechronde, wird in 3b der Topf 20 tiefgezogen und in 3c zu einem vertieften Topf 21 elongiert, der als Topf 22 in 3d an seinem offenen Ende auf den Durchmesser des kleineren Hohlblechkörpers 15 (2) eingerollt wird. 3e zeigt den bereits in den Topf 22 eingebrachten, in gleicher Weise hergestellten und bereits fertig gestellten Hohlblechkörper 15. Nach dem Einbringen des Hohlblechkörpers 14 in den Topf 22 wird – wie in 3f gezeigt – der Hohlblechkörper 14 fertig gestellt.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Laufring
3: Laufring
4: Lagerkäfig
5: Wälzkörper
6: Kraftmesseinrichtung
7: Auswerteeinrichtung
8: Kraftsensor
9: Pfeil
10: Kondensator
11: Kondensatorfläche
12: Kondensatorfläche
13: Dielektrikum
14: Hohlblechkörper
15: Hohlblechkörper
16: Kern
17: Spule
18: Schwingkreis
19: Blechteil
20: Topf
21: Topf
22: Topf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DD 213297 A1 [0003]
DE 602004000775 T2 [0004]

Claims

Wälzlager (1) mit zwischen zwei Laufringen (2, 3) abwälzenden, über den Umfang verteilt in einem Lagerkäfig (4) aufgenommenen Wälzkörpern (5) sowie einer eine zwischen den Laufringen (2, 3) wirksame Kraft erfassenden Kraftmesseinrichtung (6) mit zumindest einem Kraftsensor (8) und einer Auswerteeinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kraftsensor (8) anstelle eines Wälzkörpers (5) in dem Lagerkäfig (4) aufgenommen ist und Sensorsignale drahtlos an die Auswerteeinrichtung (7) überträgt.
Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kraftsensor (8) aus einem seine Kapazität abhängig von Krafteinwirkungen ändernden Kondensator (10) gebildet ist.
Wälzlager (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (10) aus einem ersten, der äußeren Form der Wälzkörper (5) nachgebildeten Hohlblechkörper (14) und einem in diesem aufgenommenen zweiten Hohlblechkörper (15) unter Zwischenlegung eines Dielektrikums (13) gebildet ist.
Wälzlager (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kern (16) des Kondensators (10) eine elektromagnetische Spule (17) angeordnet ist, welche mit dem Kondensator (10) einen Schwingkreis (18) bildet.
Wälzlager (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (7) eine Erregerspule aufweist.
Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (7) in einen feststehenden Laufring (2) integriert ist.
Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass neben Kondensator (10) und Spule (17) weitere aktive und/oder passive elektronische Bauteile in den zweiten Hohlblechkörper (15) aufgenommen sind.
Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von der Auswerteeinrichtung (7) anhand einer Wiederholungsrate der Sensorsignale eine Drehzahl auswertbar ist.
Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsbereich des Schwingkreises (18) mittels eines Abstands der Hohlblechkörper (14, 15) zueinander, Eigenschaften des Dielektrikums (13) und/oder Eigenschaften der Spule (17) in Form einer Windungszahl, eines Durchmessers und/oder Eigenschaften des Kerns (16) einstellbar vorgesehen ist.
Wälzlager (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsbereich des Schwingkreises (18) zwischen 100 kHz und 10 GHz vorgesehen ist.