DE102014210547A1

DE102014210547A1 - Verfahren und Anordnung zur Ermittlung einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition eines Lagers

Info

Publication number: DE102014210547A1
Application number: DE102014210547.1A
Authority: DE
Inventors: Dagmar Münch; Fabian Kempe; Matthias Herbrich; Jürgen Stölzle
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-06-04
Filing date: 2014-06-04
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-06-05
Also published as: DE102014210547B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Ermittlung einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition eines drehenden Teils eines Lagers. Durch ein RFID-Lesegerät wird ein elektromagnetisches Wechselfeld mit Anregungssignalen und einer Sendefeldstärke aufgebaut. Mindestens ein RFID-Transponder (33–36) ist an dem drehbaren Lagerteil angeordnet und sendet in Reaktion auf die Anregungssignale Antwortsignale über das elektromagnetische Wechselfeld (01) an das RFID-Lesegerät. Das RFID-Lesegerät bestimmt zusätzliche die Gesamtfeldstärke im elektromagnetischen Wechselfeld, die gegenüber der Sendefeldstärke reduziert ist, in Abhängigkeit von den Antwortsignalen und der Position des RFID-Transponders (33–36). Eine Kontrolleinheit bestimmt aus der Differenz zwischen Sende- und Gesamtfeldstärke eine Winkelposition. Eine Drehzahl kann bei Verarbeitung mehrerer aufeinanderfolgender Antwortsignale ebenfalls ermittelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition eines drehenden Teils an einem Lager. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung an einem Lager, welche sich zur Ausführung eines solchen Verfahrens eignet.
RFID-Systeme dienen dem berührungslosen Lokalisieren und Identifizieren von Objekten und basieren auf der Übertragung von Radiowellen. Je nach Typ des Systems arbeiten diese in unterschiedlichen Frequenzbereichen, wie beispielsweise in dem der Langwelle, der Kurzwelle oder auch im UHF-Bereich. RFID-Systeme bestehen im Wesentlichen aus mindestens einem Transponder, der auch RFID-Tag genannt wird und eine ID-Kennung enthält, sowie einem Lesegerät, welches die ID-Kennung auslesen kann. Dabei sendet das Lesegerät ein elektromagnetisches Wechselfeld, dem der Transponder ausgesetzt ist. Bei passiven Transpondern wird über deren Antenne während der Kommunikation mit dem Lesegerät ein Teil des elektrischen Wechselfelds zur Stromversorgung eines Transponder-Chips genutzt. Aktive Transponder besitzen eine eigene Stromquelle. Der aktivierte Chip am Transponder decodiert die im elektromagnetischen Wechselfeld transportierten Befehle und moduliert eine Antwort in das gesendete Wechselfeld, die als gegenphasige Feldschwächung beschreibbar ist und vom Lesegerät erkannt wird.
RFID-Systeme sind auf Grund ihrer geringen Größe und Robustheit vielseitig einsetzbar und in vielen Bereichen der Industrie vertreten. So werden sie beispielsweise zur Identifikation von Ausweispapieren, für Wegfahrsperren in Fahrzeugen, für den Diebstahlschutz an Textilien oder auch in Banknoten verwendet. RFID-Transponder sind aufgrund großer Stückzahlen und einfachen Aufbaus verhältnismäßig preiswert erhältlich.
Auch die Verwendung von RFID-Systemen im Maschinenbau, speziell an Radiallagern, ist an sich bekannt. So zeigt die DE 100 17 572 A1 ein Wälzlager mit einer Erfassungseinheit, die über eine Antenne verfügt und über Funk abfragbar ist. Die Erfassungseinheit umfasst mindestens ein Bauelement, welches auf dem Surface-Acoustic-Wave (SAW) Prinzip und/oder auf dem Bulk-Acoustic-Wave (BAW) Prinzip basiert und eine Längenänderung und/oder eine Temperaturänderung im Material des Wälzlagers erfasst. Die Messergebnisse werden als Funksignale gesendet.
Die DE 10 2007 009 093 zeigt eine Wälzlageranordnung mit einer ersten und einer zweiten Lauffläche und zwischen den Laufflächen angeordneten Wälzkörpern. Am Wälzkörper ist ein aktiver RFID-Tag mit einem Speicher angeordnet, welcher durch einen Sensor am Wälzkörper ermittelte Kräfte zwischenspeichert und drahtlos weiterleitet.
In der DE 10 2008 007 999 ist ein Dichtelement für ein Wälzlager beschrieben, welches einen ringförmigen Korpus und einen aktiven RFID-Tag mit einer Antenne umfasst. Das RFID-Element umfasst weiterhin einen Mikroprozessor, der Daten eines Sensors erfasst und verarbeitet.
Bekannt ist auch, dass RFID-Systeme zum Auslesen von Informationen an Produkten eingesetzt werden, wie es die EP 1 402 492 B1 zeigt. Die Schrift bezieht sich auf einen aktiven oder passiven RFID-Tag, auf welchem Daten über die Herstellung und Art des Produkts gespeichert sind. Der RFID-Tag ist an einem Produkt, beispielsweise an einem Lager befestigt. In diesem Fall enthalten die Daten Informationen über Herstellmaße und physikalische Eigenschaften, um einem Anwender Maße bereitstellen zu können, die genauer sind als diejenigen Maße, die einem allgemein angegebenen Toleranzbereich entsprechen. Außerdem sind die Lager hinsichtlich Echtheit identifizierbar und die Lagerleistung ist unter Betriebsbedingungen überwachbar. Über ein RFID-Lesegerät sind die Daten drahtlos abfragbar.
Die WO 2009/127190 A1 zeigt eine spezielle Ausführungsform einer RFID-Transponder-Antenne, die insbesondere in Wälzlagern, Gleitlagern und Linearführungen anwendbar ist. Die Antenne zeigt eine einfache Form mit einem Schlitz, die weitestgehend unabhängig von der Lagerform als Lagerbestandteil ausgebildet werden kann.
Die vorgenannten RFID-Lösungen gestatten eine Identifizierung von Produkten und das Auslesen gespeicherter Daten. In Verbindung mit Sensoren ermöglichen sie auch das Ermitteln von Kräften oder die Zustandsprüfung eines Produkts. Zusätzliche Sensoren zur Ermittlung physikalischer Größen müssen beispielsweise an Wälzlagern angeordnet und elektrisch versorgt werden. Dies führt zu einer deutlichen Kostensteigerung des RFID-Systems.
Von speziellem Interesse ist die Ermittlung der Drehzahl an Radiallagern. Beispielhaft hierfür ist die Ermittlung der Drehzahl an einer Radaufhängung eines Fahrzeugs zu nennen, um Rückschlüsse auf die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ziehen zu können. Eine bekannte Methode zur Ermittlung der Drehzahl ist die Verwendung von Hallsensoren.
So wird in der DE 10 2007 055 037 A1 eine Radlageranordnung eines Lastkraftwagens gezeigt, die ein Kegelrollenlager mit einer Dichtung umfasst. In die Dichtung ist eine aktive Rad-Drehzahlsensorvorrichtung integriert, die durch einen Hall-Sensor gebildet ist. Auch in diesem Fall umfasst das Lager einen zusätzlichen Sensor und erfordert entsprechende bauliche Anpassungen am Lager. Neben der Kostensteigerung bei der Herstellung und der elektrischen Versorgung im Anwendungsfall können defekte Lagersensoren auch zum Ausfall der Lager führen, da ein auftretender Fehler oder Verschleiß ggf. nicht vom Sensor erkannt wird.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein preiswertes Verfahren und eine preiswerte und einfach zu handhabende Anordnung zur Ermittlung einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition an einem Lager, insbesondere einem Radiallager, zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 7 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Ermittlung einer Drehzahl eines an einem mechanischen Lager angeordneten drehenden Teils. Ebenso sieht das Verfahren eine Ermittlung einer Winkelposition des drehenden Teils vor.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem Einsatz eines preiswerten RFID-Systems, welches im Wesentlichen ein RFID-Lesegerät und einen RFID-Transponder umfasst. Der RFID-Transponder ist in oder an dem drehenden Teil des Lagers angeordnet, um mit dem drehenden Teil des Lagers zu rotieren. Dabei ist er in einer Funkreichweite des RFID-Lesegeräts angeordnet.
Im ersten Verfahrensschritt generiert ein Sender des RFID-Lesegeräts in an sich bekannter Weise ein elektromagnetisches Wechselfeld einer vorbestimmten Sendefeldstärke und sendet dabei Anregungssignale aus, welche den im Wechselfeld befindlichen RFID-Transponder anregen. Das RFID-Lesegerät ist in Bezug zum feststehenden Lagerteil fix angeordnet. Der im Wechselfeld bewegte RFID-Transponder sendet in an sich bekannter Weise Antwortsignale an das RFID-Lesegerät zurück, wodurch das elektromagnetische Wechselfeld überlagert wird. Zumindest wenn mehrere RFID-Transponder im Wechselfeld betrieben werden, enthalten die von jedem RFID-Transponder erzeugten Antwortsignale auch eine eindeutige ID-Kennung des RFID-Transponders.
In einer abgewandelten Ausführungsform ist es möglich, die Sendefeldstärke des gesendeten elektromagnetischen Wechselfelds zu variieren. Somit ist das Verfahren beispielsweise auch bei Anwendungen mit einer hohen Anforderung hinsichtlich einer elektromagnetischen Verträglichkeit anwendbar. Ebenso kann das RFID-Lesegerät nur in vorbestimmten Zeitintervallen das elektromagnetische Wechselfeld senden. So ist das RFID-System Energie und Kosten sparend einsetzbar. Vorteilhaft ist es in dieser Weise ermöglicht, die elektromagnetische Verträglichkeit von elektrischen Bauteilen zu berücksichtigen, nämlich wenn elektrische Bauteile, die sich im zeitgleichen Betrieb hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit behindern würden, nacheinander oder abwechselnd betrieben werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung enthalten die Anregungssignale Daten, die beispielsweise einen Adresscode für einen zugeordneten RFID-Transponder umfassen. Dadurch lassen sich mehrere Transponder gezielt ansprechen, sodass sie nur bei entsprechender Adressierung ein Antwortsignal erzeugen.
Das üblicherweise gegenphasig zum anregenden Wechselfeld vom RFID-Transponder gesendete Antwortsignal führt bei Summenbildung mit dem elektromagnetischen Wechselfeld zu einer Feldschwächung, die vom RFID-Lesegerät bestimmt wird. Die Antwortsignale werden vorzugsweise mit gleichbleibender Antwortfeldstärke vom RFID-Transponder abgegeben.
Das RFID-Lesegerät empfängt die Antwortsignale, welche jeweils die ID-Kennung des antwortenden RFID-Transponders enthalten. Jedes Antwortsignal bewirkt darüber hinaus eine Feldschwächung im elektromagnetischen Wechselfeld. Da die Feldschwächung abhängig ist vom Abstand zwischen dem Transponder und dem Lesegerät, stellt die vom Lesegerät zum Zeitpunkt der Erzeugung des Antwortsignals gemessene Gesamtfeldstärke ein Maß der aktuellen Position des RFID-Transponders dar, somit also ein Maß für die Winkelposition des drehenden Teils, an welchem der RFID-Transponder befestigt ist. Rotiert der Transponder mit dem drehenden Teil eines Lagers, ändert er stetig seinen Abstand zum RFID-Lesegerät.
Mithilfe eines einfachen Algorithmus, der letztlich einen Vergleich zwischen der Sendefeldstärke und der gemessenen Gesamtfeldstärke durchführt, kann damit auf die aktuelle Winkelposition des drehenden Teils – zunächst in einem 180° Winkelsystem – gefolgert werden. Durch Einbeziehung der Zeit lässt sich aus einer zeitlichen Abfolge von ermittelten Winkelpositionen die Drehzahl des Teils bestimmen.
Werden mindestens zwei versetzt am drehbaren Teil angeordnete RFID-Transponder verwendet und deren Antwortsignale sowie deren Einfluss auf die Feldstärke im Wechselfeld berücksichtigt, lassen sich die absolute Position im 360° Winkelsystem und auch die Drehrichtung des drehenden Teils ermitteln. Außerdem kann dadurch die Genauigkeit bei der Bestimmung der Winkelposition erhöht werden.
Um eine Anordnung zum Bestimmen einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition eines drehbaren Teils eines Lagers aufzubauen, ist ein an sich bekanntes RFID-Lesegerät so konfiguriert, dass der Empfang und ggf. auch die unmittelbare Auswertung von Antwortsignalen ermöglicht ist. Außerdem, ist eine Messeinheit vorgesehen, die in der Lage ist, die Feldstärken im elektromagnetischen Wechselfeld zu bestimmen. Mit einer optional im Lesegerät integrierten Kontrolleinheit können daraus unter Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens die Winkelposition und/oder die Drehzahl des drehbaren Teils ermittelt werden.
Um aus der gemessenen Feldstärkeschwächung auf die Winkelposition des RFID-Transponders bzw. des drehenden Teils zu schließen, können verschiedene Schritte ausgeführt werden.
Beispielsweise können in einem separaten Kalibrierungsschritt Vergleichsfeldstärken in einem in Betrieb befindlichen RFID-System erfasst und in einer Wertetabelle in der Kontrolleinheit mit zugehörigem Winkelpositionen verknüpft werden. Voraussetzung ist dabei jedoch, dass die jeweilige Winkelposition durch eine externe Messeinheit bestimmt wird. Beispielsweise ist das Lager für einen sogenannten Teach-in-Vorgang mit einem Inkrementalgeber zur Positionsvorgabe gekoppelt und das drehende Teil wird durch einen Motor rotativ bewegt. In einer anderen Ausführungsform ist das Lager mit einem Schrittmotor gekoppelt, welcher einen der Lagerringe positionsgesteuert rotativ bewegt.
Alternativ kann eine Kalibrierung auch dadurch erfolgen, dass die Feldstärkeänderung über eine vollständige Rotation des drehenden Teils aufgezeichnet wird. Da die Position des RFID-Lesegerätes unveränderlich ist, lassen sich die Winkellagen der stärksten und der geringsten Feldschwächung leicht ermitteln und den Winkeln 0° sowie 180° zuordnen, bezogen auf den Winkelversatz gegenüber der Position des Lesegerätes. Die dazwischen liegenden Winkel können unter Berücksichtigung der Kreisfunktionen mathematisch aus den Feldstärken abgeleitet werden. Für die Bestimmung einer absoluten Winkelposition im 360° System wird mindestens ein zweiter RFID-Transponder am drehenden Teil benötigt.
Weiterhin ist vorteilhaft, die Kontrolleinheit mit einem digitalen oder analogen Anzeigegerät zu koppeln. Die ermittelten Winkelpositionen und/oder die Drehzahl können hier in einem zusätzlichen Verfahrensschritt visualisiert werden. Neben der Darstellung weiterer möglicher Daten und Informationen wäre auch die Visualisierung einer statistischen Erhebung der ermittelten Winkelpositionen und/oder Drehzahlen möglich.
In komplexeren Anwendungen umfasst die Kontrolleinheit stattdessen eine Schnittstelle für die Datenübertragung an externe Datenverarbeitungseinheiten. Die Schnittstelle kann übliche Datenübertragungsprotokolle verwenden und drahtgebunden oder drahtlos arbeiten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird zur Erhöhung der Messgenauigkeit eine Mehrzahl von RFID-Transpondern am drehenden Teil angebracht und zur Ermittlung der Winkelpositionen und/oder der Drehzahl genutzt. Jeder dieser RFID-Transponder ist über das ausgesendete elektromagnetische Wechselfeld durch das RFID-Lesegerät aktivierbar und sendet ein ihm zuordenbares Antwortsignal. Vorteilhaft können die RFID-Transponder beispielsweise um jeweils 90° versetzt am drehenden Teil angeordnet sein. Die resultierenden Feldstärkeschwächungen haben dann einen Phasenversatz von 90°, sodass diese Teilsignale mit den üblichen Berechnungsmethoden zusammengeführt werden können.
Auch im Fall eines Defekts eines der mehreren RFID-Transponder ist das Verfahren dann weiterhin ausführbar, wenngleich mit reduzierter Genauigkeit.
Die erfindungsgemäße Anordnung gemäß Anspruch 7 ermöglicht die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition eines drehbaren Teils eines Lagers.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst die Anordnung ein kostengünstiges passives RFID-System, welches im Wesentlichen aus einem RFID-Lesegerät und mindestens einem passiven RFID-Transponder gebildet ist, wobei der RFID-Transponder in oder an einem drehbaren Teil eines Lagers befestigt ist. Das RFID-Lesegerät ist in der Lage, ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen, dessen Anregungssignale vom RFID-Transponder empfangen und verarbeitet werden können. Dabei ist zu gewährleisten, dass sich der Transponder in jeder Winkellage des drehbaren Lagerteils innerhalb des generierten Wechselfeldes befindet, um die Anregungssignale zu empfangen. Außerdem ist der RFID-Transponder in einer Funkreichweite des RFID-Lesegeräts angeordnet, so dass auch die vom RFID-Transponder generierten Antwortsignale drahtlos vom RFID-Lesegerät empfangbar sind.
Vorteilhaft entfällt für den passiven RFID-Transponder die Versorgung durch eine eigene Stromquelle. So ist der mindestens eine RFID-Transponder platzsparend und wartungsfrei am Lager anbringbar.
Die Anordnung umfasst weiterhin eine Messeinheit, welche die aufgrund der Antwortsignale des RFID-Transponders auftretenden Feldstärkeänderungen in hinreichender Genauigkeit bestimmen kann.
Bevorzugt kann die Anordnung eine Kontrolleinheit zum Verarbeiten von Signalen umfassen, um aus den gemessenen Feldstärkeänderungen und den Antwortsignalen eine Drehzahl und/oder Winkelposition zu berechnen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Kontrolleinheit in einer kompakten Bauform ein Bestandteil des RFID-Lesegerätes. Alternativ kann die Kontrolleinheit aber auch entfernt vom Lesegerät angeordnet sein und von diesem die entsprechenden Daten erhalten. Die Übermittlung der Antwortsignale und der Messwerte erfolgt hierbei z.B. über elektrische Leitungen oder drahtlos. Dabei ist die Kontrolleinheit bevorzugt eine SPS-Steuerung oder eine Regelungseinheit.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lager ein Wälzlager, beispielsweise ein Radiallager oder ein Axiallager. Das Lager besitzt Laufflächen und zwischen den Laufflächen angeordnete Wälzkörper, sodass eine Lauffläche gegenüber der anderen Lauffläche um eine gemeinsame Axialachse um 360° rotierbar sind. Die Laufflächen sind Teil von Lagerringen, die als ein Innenring und ein Außenring ausgebildet sind. Die Wälzkörper sind beispielsweise durch Kugeln, Zylinderrollen oder auch Kegelrollen gebildet. Dabei kann das Wälzlager abhängig vom Anwendungsfall in einer beliebigen Position und Lage und in einer beliebigen Vorrichtung angeordnet sein. Wichtig ist, dass zwischen dem RFID-Lesegerät und dem RFID-Transponder Signale weitestgehend störungsfrei austauschbar sind.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine RFID-Transponder an oder in dem drehenden Lagerring des mechanischen Lagers angeordnet. Zur Befestigung des RFID-Transponders am Lagerring ist dieser bevorzugt auf einer Klebefolie als Trägermaterial befestigt. Auch andere Befestigungsarten wie Kleben, Löten oder Schweißen sind möglich. Die Klebefolie ist vorzugsweise der Ringform des Lagerrings nachempfunden und an dessen Durchmesser angepasst, so dass die Klebefolie an einer Stirnseite des Lagerrings anbringbar ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung wird zur Erhöhung der Messgenauigkeit eine Mehrzahl von RFID-Transpondern jeweils um einen Drehwinkel versetzt am drehenden Lagerring des Lagers angeordnet. Jeder dieser RFID-Transponder ist über das ausgesendete elektromagnetische Wechselfeld durch das RFID-Lesegerät aktivierbar.
In zahlreichen Anwendungen hat es sich als günstig erwiesen, den RFID-Transponder gegenüber seiner Umgebung durch eine magnetische Abschirmung vor unerwünschten reflektierten elektromagnetischen Wellen zu schützen, um ein gemindertes Rauschen in den Messergebnissen zu erzielen. Hierfür ist beispielsweise eine abschirmende Folie an einem Untergrund des RFID-Transponders anbringbar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Kontrolleinheit mit einem digitalen oder analogen Anzeigegerät gekoppelt. Die ermittelten Winkelpositionen und/oder die Drehzahl sind hier darstellbar. Dabei sind die Winkelpositionen und/oder Drehzahlen beispielsweise als ein Text, ein numerischer Wert, als ein grafischer Code oder auch als eine Grafik abbildbar. Weiterhin ist, neben der Darstellung weiterer möglicher Daten und Informationen, die Darstellung einer statistischen Erhebung der ermittelten Winkelpositionen und/oder Drehzahlen möglich. Das Anzeigegerät kann beispielsweise ein Monitor eines zugehörigen Computers oder ein digitales Anzeigegerät in Kombination mit der SPS-Steuerung oder der Regeleinheit sein. Vorteilhaft sind auch mobile Anzeigegeräte, wie beispielsweise ein Mobil-Telefon und/oder ein I-Pad, zur visuellen Darstellung der ermittelten Drehzahlen und/oder der Winkelpositionen nutzbar.
Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Anordnung für Anwendungsfälle, in welchen die in Bezug auf die Drehzahl und/oder die Winkelposition zu überwachenden Lager schwer zugänglich verbaut sind. Durch die drahtlose Übertragung der für die Ermittlung der Drehzahl und/oder der Winkelposition relevanten Informationen entfallen eine Verkabelung und/oder elektrische Kontakte zu den bewegten Bauteilen. Die Verwendung mehrerer RFID-Transponder an einem Lager ermöglicht eine Weiterbenutzung der Anordnung auch in dem Fall, dass ein RFID-Transponder durch einen Defekt ausfällt.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Rotation eines RFID-Transponders in Verbindung mit einer Diagrammdarstellung des Zusammenhangs zwischen einer elektrischen Feldstärke und der Winkelposition des RFID-Transponders;
2: eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines Lagerrings mit mehreren RFID-Transpondern.
1 zeigt schematisch eine 360°-Rotation 03 eines RFID-Transponders, der an einem drehenden Teil eines mechanischen Lagers befestigt ist, auf einer Kreisbahn 16. Beispielhaft sind zwei Winkelpositionen 04, 05 markiert, die der RFID-Transponder während der Rotation passiert. Der RFID-Transponder rotiert in einer Drehrichtung 13. In einer durch die Kreisbahn 16 eingeschlossenen Kreisfläche 14 ist ein orthogonales Koordinatensystem 15 angeordnet, dessen Koordinatenursprung mit dem Mittelpunkt der Kreisfläche 14 übereinstimmt. Abszisse und Ordinate zeigen, bezogen auf vier Quadranten des Koordinatensystems 15, die Drehwinkel des RFID-Transponders in Grad an.
Der RFID-Transponder bewegt sich in einem elektromagnetischen Wechselfeld 01 und empfängt daher die von einem RFID-Lesegerät (nicht gezeigt) gesendeten Anregungssignale. Das elektromagnetische Wechselfeld 01 besitzt eine Anregungsfeldstärke. Der RFID-Transponder erzeugt daraufhin Antwortsignale 02, die phasenversetzt in das elektromagnetische Wechselfeld 01 eingeprägt werden. Die Antwortsignale summieren sich im elektromagnetischen Wechselfeld mit den Anregungssignalen und führen dabei zu einer Feldschwächung. Die Schwächung des elektromagnetischen Wechselfelds 01 ist vom Abstand zwischen dem RFID-Lesegerät und dem RFID-Transponder abhängig.
1 zeigt weiterhin ein Diagramm 20, welches beispielhaft die resultierende Gesamtfeldstärke des geschwächten elektromagnetischen Wechselfelds über dem Drehwinkel des RFID-Transponders während einer vollständigen Rotation zeigt. Der Werteverlauf der Gesamtfeldstärke wird durch eine sinusförmige Kurve 23 gezeigt.
Die an der Kreisbahn 16 dargestellte Drehposition 04 definiert eine 0°-Stellung des RFID-Transponders. Die Winkelposition ist hier einem maximalen Gesamtfeldstärkewert 18 zugeordnet. An dieser Drehposition 04 tritt also die geringste Schwächung des gesendeten elektromagnetischen Wechselfelds 01 auf. Dagegen ist bei einem Drehwinkel von 180° die größte Schwächung des gesendeten elektromagnetischen Wechselfelds 01 erreicht, die einem normierten Nullwert der Gesamtfeldstärke entspricht. Zwei Hilfslinien 19 verbinden die beiden beispielhaft hervorgehobenen Winkelpositionen 04, 05 auf der Kreisbahn 16 mit den zugehörigen Werten auf der Wertekurve 23.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Lagerrings 30 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung. Der Lagerring 30 hat die Form eines Hohlzylinders. Der Lagerring 30 kann ein Außenring oder ein Innenring eines Lagers sein. Eine Stirnseite 41 des Lagerrings 30 zeigt die Form eines Kreisringes. Die Stirnseite 41 besitzt einen virtuellen Mittelpunkt 45, durch welchen eine Axialachse verläuft um die der Lagerring 30 rotierbar ist.
2 zeigt weiterhin ein orthogonales Koordinatensystem 46, dessen Koordinatenursprung dem Mittelpunkt 45 der Stirnseite 41 entspricht. Abszisse und Ordinate sind mit Gradzahlen beschriftet, welche Drehwinkel des Lagerrings 30 bei einer Rotation des Lagerrings 30 um die Axialachse angeben.
An der Stirnseite 41 sind vier RFID-Transponder 33, 34, 35, 36 angeordnet. Diese sind, bezogen auf den Mittelpunkt 45 des Kreisrings um je einen Drehwinkel von 90° versetzt auf einer Klebefolie 43 befestigt. Bezogen auf das Koordinatensystem sind die RFID-Transponder 33, 34, 35, 36 beispielhaft in Positionen mit einem Drehwinkel von 0°, 90°, 180° und 270° auf der Klebefolie 43 befestigt. Bevorzugt sind die RFID-Transponder in einem gleichmäßigen Abstand zueinander angeordnet. Grundsätzlich ist es jedoch möglich, die RFID-Transponder in beliebigen Positionen am Lagerring anzuordnen.
Jeder der RFID-Transponder 33, 34, 35, 36 empfängt von einem RFID-Lesegerät (nicht gezeigt) Anregungssignale in dem bereits erwähnten elektromagnetischen Wechselfeld 01. Jeder RFID-Transponder 33, 34, 35, 36 sendet ein eigenes Antwortsignal 02 in das elektromagnetische Wechselfeld 01. Abhängig vom aktuellen Drehwinkel jedes RFID-Transponders, bezogen auf die Axialachse, resultiert daraus eine bestimmte Feldschwächung des elektromagnetischen Wechselfelds 01, was zu einem auswertbaren Gesamtfeldstärkewert führt.
Durch Verwendung mehrerer, gleichzeitig am Lagerring 30 befestigter RFID-Transponder 33, 34, 35, 36, die mit dem RFID-Lesegerät drahtlos verbunden sind, ist eine höhere Messgenauigkeit bei der Ermittlung der Winkelposition und/oder der Drehzahl erreichbar. Vorteilhaft können die gesendeten Daten mehrerer RFID-Transponder ergänzend auch zur Überprüfung der korrekten Arbeitsweise der einzelnen RFID-Transponder genutzt werden.
Bezugszeichenliste

01: gesendetes elektromagnetisches Wechselfeld
02: Antwortsignal
03: 360°-Rotation
04: Winkelposition bei 0°
05: Winkelposition bei 315°
13: Drehrichtung
14: Kreisfläche
15: Koordinatensystem
16: Kreisbahn
18: maximale Gesamtfeldstärke
19: Hilfslinien
20: Diagramm
23: Wertekurve der Gesamtfeldstärke
30: Lagerring
33: RFID-Transponder
34: RFID-Transponder
35: RFID-Transponder
36: RFID-Transponder
41: Stirnseite
43: Klebefolie
45: Mittelpunkt
46: Koordinatensystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10017572 A1 [0004]
DE 102007009093 [0005]
DE 102008007999 [0006]
EP 1402492 B1 [0007]
WO 2009/127190 A1 [0008]
DE 102007055037 A1 [0011]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition eines drehenden Teils eines Lagers, folgende Schritte umfassend: • Generieren eines elektromagnetischen Wechselfelds aus Anregungssignalen mit einer vorbestimmten Sendefeldstärke durch ein RFID-Lesegerät sowie drahtlose Übermittlung der Anregungssignale an mindestens einen RFID-Transponder, welcher an einer vorbestimmten Winkelposition am drehenden Teil des Lagers angeordnet ist; • Erzeugen mindestens eines Antwortsignals durch den RFID-Transponder und drahtlose Übermittlung des Antwortsignals an das RFID-Lesegerät im Wechselfeld; • Bestimmen der Gesamtfeldstärke im Wechselfeld zum Zeitpunkt des Auftretens der Antwortsignale; • Ermitteln der Differenz zwischen der Sendefeldstärke und der Gesamtfeldstärke und Zuordnen des ermittelten Differenzwertes zu der Winkelposition des RFID-Transponders im Zeitpunkt des Erzeugens des Antwortsignals.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Antwortsignale an unterschiedlichen Winkelpositionen vom RFID-Transponder erzeugt werden, dass die Zeit zwischen dem Auftreten der beiden Antwortsignale bestimmt wird, und dass aus den beiden Winkelpositionen und der bestimmten Zeit die Drehzahl bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei RFID-Transponder an vorbestimmten Winkelpositionen des drehenden Teils des Lagers angeordnet werden, die jeweils Anregungssignale im Wechselfeld empfangen und jeweils Antwortsignale erzeugen, dass für beide RFID-Transponder die Differenz zwischen der Sendefeldstärke und der Gesamtfeldstärke ermittelt wird, und dass die ermittelten Differenzwerte den jeweiligen Winkelpositionen der RFID-Transponder zugeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibrierungsschritt ausgeführt wird, bei welchem einem ermittelten Differenzwert aus Sendefeldstärke und Gesamtfeldstärke eine vorgegebene Winkelposition zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Antwortsignal der RFID-Transponder Identifikationsdaten eingeprägt werden, die den jeweils antwortenden RFID-Transponder eindeutig identifizieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Anregungssignal Zieldaten eingeprägt werden, die den anzuregenden RFID-Transponder bestimmen, und dass jeder RFID-Transponder nur dann ein Antwortsignal erzeugt, wenn er ein für ihn bestimmtes Anregungssignal empfängt.
Anordnung zur Ermittlung einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition eines drehbaren Lagerteils (30), umfassend: • ein RFID-Lesegerät, welches gegenüber den unbeweglichen Lagerteilen feststehend angeordnet ist, ein elektromagnetisches Wechselfeld (01) aus Anregungssignalen mit einer vorbestimmten Sendefeldstärke generiert, den Empfang von im Wechselfeld auftretenden Antwortsignalen gestattet, und eine Messeinheit besitzt, welche die im Wechselfeld auftretende Gesamtfeldstärke (23) misst; • mindestens einen RFID-Transponder (33–36), welcher an dem drehbaren Lagerteil (30) so angebracht ist, dass er sich in jeder Winkelposition des drehbaren Lagerteils (30) in dem generierten Wechselfeld befindet, wobei der RFID-Transponder (33–36) nach Anregung durch die Anregungssignale Antwortsignale (02) erzeugt und diese im Wechselfeld an das RFID-Lesegerät übermittelt; • eine Kontrolleinheit, welche aus der Differenz zwischen der Sendefeldstärke und der gemessenen Gesamtfeldstärke (23) zum Zeitpunkt der Übermittlung der Antwortsignale (02) eine zugehörige Winkelposition des drehbaren Lagerteils (30) bestimmt.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der RFID-Transponder ein passiver RFID-Transponder (33–36) ist.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere RFID-Transponder (33–36) auf einer ringförmigen Klebefolie (43) mit einem Winkelversatz zueinander angeordnet sind, die an einer Stirnseite (41) des drehbaren Lagerrings (30) eines Wälzlagers befestigt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit die Zeit zwischen dem Auftreten aufeinanderfolgender Antwortsignale (02) desselben RFID-Transponders erfasst und unter Berücksichtigung der zugehörigen bestimmten Winkelpositionen die Drehzahl des drehbaren Lagerteils (30) errechnet.