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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Drehzahl eines in einem Wälzlager angeordneten Wälzkörpers, bei welchem durch den sowohl um dessen Wälzkörperachse als auch um eine dazu parallele Wälzlagerachse rotierenden und mit einem zumindest teilweise senkrecht zur Wälzkörperachse orientierten Magnetfeld behafteten Wälzkörper ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, und dessen magnetische Feldstärke durch einen Magnetfeldsensor in ein elektrisches Spannungssignal umgeformt wird, das mit einer Abtastfrequenz gemessen wird und zur Errechnung mindestens einer Drehzahl algorithmisch ausgewertet wird, insbesondere um den Schlupf eines solchen Wälzkörpers zu bestimmen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Einrichtung, mit der ein solches Verfahren durchführbar ist.
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Das Einsatzgebiet Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf Wälzlager, bei denen beispielsweise zu Wartungszwecken oder bei der Produktion oder auch im Betrieb die Drehzahl eines Wälzkörpers bestimmt werden soll. In einem Wälzlager sind zwischen einem rotierend beweglichen konzentrischen Innen- und Außenring Wälzkörper angeordnet, die jeweils an den beiden Ringen anliegen und bei Relativbewegung daran entlang rollen. Dadurch wird ein reibungsarmes Lager verwirklicht. Idealerweise lässt sich eine solche Drehzahl durch Kenntnis der Drehzahl des Außenrings und des Innenrings und derer beider Radien bestimmen. Gerade bei zu geringer Last auf dem Wälzlager kann es allerdings dazu kommen, dass die bündig an dem inneren und an dem äußeren Ring anliegenden Wälzkörper beim Rollen über den inneren und / oder den äußeren Ring einen Schlupf aufweisen, so dass insbesondere die Drehzahl des Rollkörpers nicht der vorgesehenen und ideal wie oben beschrieben rechnerisch bestimmbaren Soll-Drehzahl entspricht.
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Im allgemein bekannten Stand der Technik sind Verfahren bekannt, bei denen ein Wälzkörper mit einem Magnetfeld versehen wird, welches mit einer konzentrisch zur Wälzlagerachse angeordneten Leiterspule wechselwirkt. Durch Messung der durch das wechselnde Magnetfeld induzierten Spannung an den Enden der Leiterspule kann auf das Magnetfeld und somit auf die Drehzahl des Wälzkörpers geschlossen werden.
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Dabei werden zur Bestimmung der Drehzahl des Wälzkörpers beziehungsweise der Frequenz des Schwingungssignals die Extremwerte und Nulldurchgänge des Signals als Stützstellen verwendet, um über die Abstände dieser Stützstellen die Frequenz der Schwingung zu bestimmen. Nachteilhaft an dieser Vorgehensweise ist unter anderem, dass pro Schwingung des Signals nur genau vier Stützstellen, nämlich Maximum, Minimum und zwei Nulldurchgänge, verwendet werden, um die Frequenz zu bestimmen. Eigenschaften des Schwingungssignal auf Zeitskalen, die kleiner als der Abstand zweier solcher Stützstellen, werden durch dieses Verfahren nicht erfasst.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, bei welchem mit hoher Auflösung die Drehzahl beziehungsweise die Frequenz eines Wälzkörpers eines Wälzlagers gemessen wird.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß im Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wieder. Eine die Erfindung betreffende Einrichtung wird in Anspruch 6 vorgeschlagen.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass als Teil der algorithmischen Auswertung eine Demodulation des abgetasteten Spannungssignals durchgeführt wird.
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Bei der Frequenz-Demodulation wird ausgehend von einem mit einem ursprünglichen Signal frequenzmodulierten Trägersignal das ursprüngliche Signal wiederhergestellt. Eine solche Art der Signalverarbeitung wird beispielsweise in der Nachrichtentechnik eingesetzt, so werden beispielsweise niederfrequente Schallwellen auf hochfrequente elektromagnetische Welle aufmoduliert. Bei der vorliegenden Erfindung wird das Spannungssignal, welches durch das Magnetfeld des Wälzkörpers in Verbindung mit dem Magnetfeldsensor erzeugt wird, aufgrund der Rotation des Wälzkörpers in Form eines sinuskurvenförmigen Verlaufs ausgeprägt. Steigt dabei die Drehzahl des Wälzkörpers, so erhöht sich proportional die Frequenz des Spannungssignals. Daher ist es möglich, die Frequenz-Demodulation auf das Spannungssignal anzuwenden, um die Drehzahl des Wälzkörpers zu bestimmen. Als Eingangsgröße für die Frequenz-Demodulation dient, neben dem Spannungssignal selbst, die prinzipiell beliebig hoch wählbare Abtastrate des Spannungssignals, als auch die Angabe der Frequenz eines Trägersignals, da auf Basis dieses Trägersignals die Spannung demoduliert wird. Wird als Trägersignal eine Frequenz von x Hz festgelegt, wird dadurch eine Drehzahl des Wälzkörpers von x Umdrehungen pro Sekunde als Referenzwert gewählt. Somit entspricht das demodulierte Signal der Drehzahl des Wälzkörpers in x Umdrehungen pro Sekunde. Vorteilhaft an dieser Methode ist vor allem, dass die Abtastrate durch den Sensor so hoch gewählt werden kann, so dass auch beispielsweise kurzzeitige Beschleunigungsvorgänge mit aufgelöst werden.
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Das Verfahren wird weiter dadurch verbessert, dass ebenfalls als Teil der algorithmischen Auswertung einer Tiefpassfilterung des demodulierten Signals durchgeführt wird. Bei einer Tiefpassfilterung werden nur die tiefen Frequenzen eines Signals behalten, die hohen Frequenzen gedämpft oder abgeschnitten, so dass das resultierte Signal insbesondere geglättet ist. Somit werden beispielweise hohe Frequenzanteile, die beispielsweise als numerische Artefakte in dem Signal entstehen können, herausgefiltert. Insbesondere kann es in der Praxis sonst vorkommen, dass die gemessene Drehzahl des Wälzkörpers oberhalb der Soll-Drehzahl liegt, was nur durch numerische Artefakte oder sonstige algorithmische Fehler zu erklären ist, da ein Schlupf des Wälzkörpers auf den Innen- oder Außenring des Wälzlagers nur zu einer Verringerung der Drehzahl gegenüber der Soll-Drehzahl führen kann.
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Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird die Abtastrate, mit welcher der Betrag der Spannung durch den Magnetfeldsensor gemessen wird, an den Spannungsverlauf angepasst. Somit kann zum Beispiel während Beschleunigungsvorgängen, in denen eine feinere zeitliche Auflösung wünschenswert ist, die Abtastrate entsprechend erhöht werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausbildungsform der Erfindung wird die Frequenz-Demodulation benutzt, um die Drehzahl der Rotation des Wälzkörpers um seine eigene Wälzkörperachse zu errechnen. Unter Kenntnis der Drehzahl des inneren und des äußeren Rings kann somit der Schlupf ermittelt werden. Es ist allerdings auch denkbar, statt dessen oder zusätzlich die Drehzahl der Rotation des Wälzkörpers um die Wälzlagerachse zu errechnen, also die Umlaufgeschwindigkeit des Wälzkörpers in dem Wälzlager.
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Bei einer die Erfindung betreffenden Einrichtung wird der Magnetfeldsensor vorzugsweise in Form einer Leiterspule ausgebildet, zur Induktion einer elektrischen Spannung durch das wechselnde Magnetfeld des rotierenden Wälzkörpers. Vorteilhaft hieran ist vor allem der einfache Aufbau und die Tatsache, dass das wechselnde Magnetfeld selbst als Energielieferant für den Magnetfeldsensor, also die Leiterspule, verwendet wird.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der, um den Wälzkörper mit einem Magnetfeld zu behaften, ein Permanentmagnet an dem Wälzkörper angebracht wird. Idealerweise wird dieser Permanentmagnet auf einer der Leiterspule zugewandten Stirnseite des Wälzkörpers angebracht. Dadurch besitzt das Magnetfeld eine besonders starke Ausprägung senkrecht zur Rotationsachse des Wälzkörpers und kann somit besonders genau durch die Leiterspule erfasst werden.
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In einer anderen, alternativen Ausführungsform der Erfindung wird der Wälzkörper zum Erzeugen der Magnetfeldbehaftung selbst magnetisiert. Eine solche Magnetisierung würde idealerweise vor Einsetzen eines beispielsweise ferromagnetischen Wälzkörpers in das Wälzlager stattfinden.
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In einer die Erfindung verbessernden Maßnahme ist die Leiterspule konzentrisch zur Wälzlagerachse in einer Ebene angeordnet, die senkrecht auf der Wälzlagerachse steht. Weiter verbessert wird diese Anordnung indem der Radius der Leiterspule so gewählt wird, dass der mittlere Radius der Leiterspule dem Wälzkörperteilkreisradius entspricht, also dem Abstand von einer Wälzkörperachse zur Wälzlagerachse. In dem Fall laufen die Wälzkörper unmittelbar über der Leiterspule entlang, so dass ein von einem Wälzkörper ausgehendes Magnetfeld dort besonders gut aufgenommen werden kann.
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Bevorzugterweise, aber nicht ausschließlich, ist das Wälzlager einer Wälzlagergruppe zugeordnet, die Zylinderlager, Kugellager, Kegellager, Pendellager und Toroidallager umfasst.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
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1 eine schematisierte Darstellung einer die Erfindung betreffenden Einrichtung,
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2 das Messsignal und dessen Auswertung nach einem aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Verfahren,
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3 die Auswertung des Messsignals nach dem bekannten und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, und
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4 die Gegenüberstellung eines ungefilterten und eines tiefenpassgefilterten, demodulierten Signals.
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Gemäß 1 ist ein zylinderförmiger Wälzkörper 1 zwischen einem Innenring 2 und einem Außenring 3 eines Wälzlagers 4 an die beiden Ringe 2, 3 anliegend angeordnet. In einem, in dieser Darstellung nicht erkennbaren, Abstand von einer Stirnseite des zylinderförmigen Wälzkörpers 1 ist eine Leiterspule 5 angeordnet, deren Radius dem Abstand von der Wälzlagerachse 6 zu der Wälzkörperachse 7 entspricht. Bei einer Drehung des Außenrings 3 in Richtung des Richtungspfeiles 8 dreht sich der Wälzkörper 1 um seine eigene Wälzkörperachse 7 in Richtung des zweiten Richtungspfeiles 9 und bewegt sich entlang der Leiterspule 5. Da der Wälzkörper 1 diametral magnetisiert ist, mit einer zur Darstellung eingezeichneten Mittellinie 10 zwischen Nord- und Südpol, erfährt dabei ein Teilstück der Leiterspule 5, das unter einem rotierenden Wälzkörper 1 liegt, ein wechselndes Magnetfeld. Dadurch wird eine Spannung in der Leiterspule induziert, die wiederum durch ein Messgerät 11 zur Spannungsmessung abgegriffen wird. Die Leiterspule 5 stellt also einen Magnetfeldensor 12 dar. Das Messgerät 11 ist mit einer Recheneinheit 13 verbunden, welche eine Demodulation 14 des gemessenen Signals vornimmt, und welche dadurch die Drehzahl des Wälzkörpers 1 bestimmt.
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In 2 ist ein aus dem allgemeinen bekannten Stand der Technik bekanntes Verfahren gezeigt, bei dem das gemessene Spannungssignal 19 satt über Demodulation 14 über die Abstandsmessung von Stützstellen, insbesondere der Maximalstellen 15, Minimalstellen 16 und Nulldurchgängen 17; 18 im Hinblick auf deren Frequenz, also der erzeugenden Drehzahl, analysiert wird. Im ersten Graphen, in dem die Spannung U über der Zeit t aufgetragen ist, ist gezeigt, wie immer, wenn das Spannungssignal 19 einen der genannten Stützstellenpunkte 15; 16; 17; 18 erreicht, ein Impuls 20 gesetzt wird, wobei der Abstand dieser Impulse 20 zur Bestimmung der Frequenz des Spannungssignals 19 verwendet wird. In dem zweiten Graphen, in dem die Drehzahl f des Wälzkörpers 1 über der Zeit t aufgetragen ist, ist die aus dem Spannungssignal 19 der ersten Figur hervorgehende Wälzkörperdrehzahl zu sehen, die nach dieser Methode errechnet wurde, wobei erkennbar ist, dass bei niedrigen Wälzkörperdrehzahlen die zeitlichen Abstände der Messpunkte 22 weiter auseinander liegen, da dort die Abstände der impulsgebenden Stützstellen weiter auseinander liegen. Die Verbindungslinien 21 zwischen den einzelnen Messpunkten 22 entstehen lediglich durch numerische Interpolation und repräsentieren keinen echten Informationsgewinn über die Drehzahl des Wälzkörpers 1.
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In 3 ist in einem Graphen wieder die Drehzahl f des Wälzkörpers 1 über der Zeit t abgebildet. Hier zu sehen ist eine Gegenüberstellung der beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Stützstellenmethode mit einer ersten Kurve 23 und der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Methode über Demodulation mit einer zweiten Kurve 24. Dadurch, dass die Abtastrate und somit die Auflösung der Demodulation prinzipiell, nur durch die Sensoreigenschaften begrenzt, beliebig hoch gewählt werden kann, ist hier die Auflösung beziehungsweise die Anzahl der Stützstellen gegenüber der allgemein bekannten Methode erheblich erhöht. Dadurch können insbesondere auch Vorgänge gemessen beziehungsweise erkennbar gemacht werden, die auf sehr kleinen zeitlichen Skalen ablaufen, wie beispielsweise schnelle Beschleunigungsvorgänge des Wälzkörpers 1.
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In 4 ist der Einfluss einer Tiefpassfilterung auf ein durch Demodulation gewonnenes Signal zu sehen. In einem ersten Graphen, in dem die gemessene Drehzahl f des Wälzkörpers 1 über der Zeit t aufgetragen ist, ist das ungefilterte Signal 25 zu sehen, das auch aufgrund numerischer Artefakte teilweise über der Soll-Drehzahl 26 des Wälzkörpers 1 liegt. Durch eine in der zweiten Graphik gezeigten Anwendung eines Tiefpassfilters entsteht ein gefiltertes Signal 27, in dem hohe Frequenzen beziehungsweise Rauschen und insbesondere die numerischen Artefakte oberhalb der Soll-Drehzahl aus dem Signal herausgefiltert sind.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, dass der Wälzkörper nicht selbst magnetisiert ist, sondern dass darauf vorzugsweise stirnseitig, der Leiterspule zugewandt mindestens ein Permanentmagnet angebracht ist. Auch lässt sich diese Erfindung nicht nur auf Wälzlager anwenden, sondern auf sämtliche mechanische Vorrichtungen, bei denen ein Körper um mehrere Rotationsachsen rotiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzkörper
- 2
- Innenring
- 3
- Außenring
- 4
- Wälzlager
- 5
- Leiterspule
- 6
- Wälzlagerachse
- 7
- Wälzkörperachse
- 8
- erster Richtungspfeil
- 9
- zweiter Richtungspfeil
- 10
- Mittellinie
- 11
- Messgerät
- 12
- Magnetfeldsensor
- 13
- Recheneinheit
- 14
- Demodulation
- 15
- Maximalstelle
- 16
- Minimalstelle
- 17, 18
- Nulldurchgänge
- 19
- Spannungssignal
- 20
- Impuls
- 21
- Verbindungslinie
- 22
- Messpunkt
- 23
- erste Kurve
- 24
- zweite Kurve
- 25
- ungefiltertes Signal
- 26
- Soll-Drehzahl
- 27
- gefiltertes Signal
