DE102014223219A1 - Bearing arrangement with a force sensor and Sensorwälzkörper for such a bearing assembly - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, insbesondere ein Wälzlager, mit einer Innenlauffläche (01), einer Außenlauffläche (03) sowie mehreren zwischen Innen- und Außenlauffläche angeordneten Wälzkörpern (06). Mindestens ein Sensorwälzkörper (07) ist ebenfalls zwischen den Laufflächen (01, 03) angeordnet. Der Sensorwälzkörper (07) weist einen ferromagnetischen Materialbereich (12) auf, der eine Verformung erfährt, wenn eine von den Laufflächen (01, 03) ausgehende Kraft (13) auf den Sensorwälzkörper (07) einwirkt. Ein magnetoresistiver Sensor (08) ist angeordnet, um die Magnetfeldänderung zu detektieren, die bei Verformung des ferromagnetischen Materialbereichs (12) des Sensorwälzkörpers (07) auftritt. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Sensorwälzkörper (07) für eine solche Lageranordnung.The invention relates to a bearing arrangement, in particular a roller bearing, with an inner running surface (01), an outer running surface (03) and a plurality of rolling elements (06) arranged between the inner and outer running surface. At least one sensor rolling element (07) is likewise arranged between the running surfaces (01, 03). The sensor rolling element (07) has a ferromagnetic material region (12) which undergoes deformation when a force (13) emanating from the running surfaces (01, 03) acts on the sensor rolling element (07). A magnetoresistive sensor (08) is arranged to detect the magnetic field change which occurs upon deformation of the ferromagnetic material region (12) of the sensor rolling body (07). The invention further relates to a sensor rolling element (07) for such a bearing arrangement.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung, welche eine Innenlauffläche, eine Außenlauffläche sowie mehrere zwischen diesen beiden Laufflächen angeordnete Wälzkörper umfasst. In typischen Fällen sind solche Lageranordnungen als rotatorische Wälzlager ausgebildet. Die Innenlauffläche ist dabei am äußeren Umfang eines Innenrings geformt, während die Außenlauffläche durch den Innenumfang eines Außenrings gebildet ist. In nicht rotatorischen Anwendungen können Lageranordnungen, auf welche die vorliegende Erfindung ebenfalls anwendbar sind, auch in linearer oder planarer Bauweise gestaltet sein. Beispielsweise sind Wellenführungen oder Schienenführungen bekannt, bei denen Wälzkörper zum Einsatz kommen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine derartige Lageranordnung, die mit einem Kraftsensor zur Erfassung auftretender Lagerkräfte ausgerüstet ist.The present invention relates to a bearing assembly, which comprises an inner raceway surface, an outer raceway surface and a plurality of rolling elements arranged between these two raceway surfaces. In typical cases, such bearing arrangements are designed as rotary rolling bearings. The inner race is formed on the outer periphery of an inner ring, while the outer race is formed by the inner periphery of an outer ring. In non-rotary applications, bearing assemblies to which the present invention is also applicable can also be designed in a linear or planar construction. For example, shaft guides or rail guides are known in which rolling elements are used. In particular, the invention relates to such a bearing assembly which is equipped with a force sensor for detecting occurring bearing forces.
Um die Belastung, einen möglichen Verschleiß oder sogar eine bevorstehende Zerstörung eines Wälzlagers bestimmen zu können, ist es von Interesse, die im Lager auftretenden Kräfte während des Betriebs zu messen. Üblicherweise geschieht dies durch eine indirekte Messung der an angrenzenden Bauteilen auftretenden Kräfte, woraus unter Heranziehung von Erfahrungswerten auf die im Lager tatsächlich herrschenden Kräfte rückgeschlossen wird. Eine Kraftmessung unmittelbar im Lager ist üblicherweise nur unter Laborbedingungen möglich.In order to determine the load, possible wear or even impending destruction of a rolling bearing, it is of interest to measure the forces occurring in the bearing during operation. Usually, this is done by an indirect measurement of the forces occurring at adjacent components, which is deduced from empirical values on the forces actually prevailing in the camp. A force measurement directly in the warehouse is usually only possible under laboratory conditions.
Aus der
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Lageranordnung bereitzustellen, die eine Kraftmessung innerhalb des Lagers gestattet, wobei diese Kraftmessung im laufenden Betrieb und ohne Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit der Lageranordnung möglich sein soll. Eine weitere Aufgabe wird darin gesehen, einen Sensorwälzkörper bereitzustellen, der für die Kraftmessung in einer entsprechenden Lageranordnung verwendbar ist. An object of the present invention is therefore to provide a bearing assembly which allows a force measurement within the bearing, said force measurement during operation and without affecting the functionality of the bearing assembly should be possible. Another object is seen to provide a sensor rolling element usable for force measurement in a corresponding bearing arrangement.
Die genannte Aufgabe wird zunächst durch eine Lageranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Weiterhin wird durch die Erfindung für die Lösung der genannten Aufgabe ein Sensorwälzkörper gemäß dem beigefügten Anspruch 10 bereitgestellt. The above object is initially achieved by a bearing arrangement according to the appended claim 1. Furthermore, a Sensorwälzkörper according to the accompanying claim 10 is provided by the invention for solving the above problem.
Eine erfindungsgemäße Lageranordnung besitzt mindestens eine Innenlauffläche, eine Außenlauffläche sowie mehrere zwischen diesen beiden Laufflächen angeordnete Wälzkörper. Darüber hinaus ist mindestens ein Sensorwälzkörper vorgesehen, der ebenfalls zwischen den beiden Laufflächen angeordnet ist und bevorzugt einen oder mehrere der gewöhnlichen Wälzkörper der Lageranordnung ersetzt. Der Sensorwälzkörper weißt mindestens einen ferromagnetischen Materialbereich auf, der eine Verformung erfährt, wenn eine von den Laufflächen ausgehende Kraft auf den Sensorwälzkörper einwirkt. Der ferromagnetische Materialbereich ist dabei so dimensioniert, dass die Verformung zu einer messbaren Beeinflussung eines den Sensorwälzkörper umgebenden Magnetfeldes führt, wobei dieses Magnetfeld durch das natürliche Erdmagnetfeld oder durch ein gezielt erzeugtes Messmagnetfeld gebildet sein kann. Insbesondere kann ein magnetostriktives Material verwendet werden, welches bei Einwirkung einer Verformungskraft eine Magnetfeldänderung hervorruft, die wiederum bestimmbar ist. Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Lageranordnung mindestens einen magnetoresistiven Sensor, welcher die genannte Magnetfeldänderung detektiert, die bei der Verformung des ferromagnetischen / magnetostriktiven Materialbereichs des Sensorwälzkörpers auftritt. A bearing arrangement according to the invention has at least one inner running surface, an outer running surface and a plurality of rolling elements arranged between these two running surfaces. In addition, at least one Sensorwälzkörper is provided, which is also disposed between the two treads and preferably one or more of the usual rolling elements of the bearing assembly replaced. The sensor rolling element has at least one ferromagnetic material region, which undergoes deformation when a force originating from the running surfaces acts on the sensor rolling element. The ferromagnetic material region is dimensioned such that the deformation leads to a measurable influence on a magnetic field surrounding the sensor rolling element, whereby this magnetic field can be formed by the natural earth magnetic field or by a specifically generated measuring magnetic field. In particular, a magnetostrictive material can be used, which causes a magnetic field change upon application of a deformation force, which in turn can be determined. Finally, the bearing arrangement according to the invention comprises at least one magnetoresistive sensor which detects said magnetic field change which occurs during the deformation of the ferromagnetic / magnetostrictive material region of the sensor rolling element.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lageranordnung besteht darin, dass ein modifizierter Wälzkörper, nämlich der Sensorwälzkörper, unmittelbar als Messelement fungiert und dadurch die direkt innerhalb des Lagers auftretenden Kräfte erfasst werden. Die vom Sensorwälzkörper erzeugte Messgröße wird unter Nutzung des gut beherrschbaren magnetischen Messprinzips an einen Sensor übertragen, welcher sich in unmittelbarer Nähe des Sensorwälzkörpers befindet, vorzugsweise am Innenring, am Außenring oder am Käfig eines Wälzlagers befestigt ist. A significant advantage of the bearing assembly according to the invention is that a modified rolling element, namely the sensor rolling element, acts directly as a measuring element and thereby the forces occurring directly within the bearing are detected. Using the well-controlled magnetic measuring principle, the measured variable generated by the sensor rolling element is transmitted to a sensor which is located in the immediate vicinity of the sensor rolling element, preferably attached to the inner ring, to the outer ring or to the cage of a roller bearing.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der ferromagnetische Materialbereich des Sensorwälzkörpers aus einem magnetostriktivem Material gebildet. Damit stellt der Sensorwälzkörper einen magnetoelastischen Sensor dar, welcher die inverse Magnetostriktion nutzt, bei der eine Änderung der Magnetisierung durch Einprägen einer mechanischen Spannung, insbesondere einer Druckkraft hervorgerufen wird. Die damit veränderliche Magnetisierung des Sensorwälzkörpers selbst kann von dem zugehörigen Sensor der Lageranordnung ausgewertet werden, so dass das Messergebnis weitgehend unabhängig von der Änderung umliegender Magnetfelder wirkt bzw. entsprechend kalibriert werden kann.According to a preferred embodiment, the ferromagnetic material region of the sensor rolling body is formed from a magnetostrictive material. Thus, the Sensorwälzkörper represents a magnetoelastic sensor, which uses the inverse magnetostriction, in which a change in the magnetization is caused by impressing a mechanical stress, in particular a compressive force. The variable magnetization of the sensor rolling element itself can be evaluated by the associated sensor of the bearing arrangement, so that the measurement result largely regardless of the change of surrounding magnetic fields acts or can be calibrated accordingly.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist der Sensorwälzkörper als rotationssymmetrischer Körper bzw. kugelförmig, walzenförmig oder elliptisch im Längsschnitt ausgebildet. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Form des Sensorwälzkörpers derart gewählt ist, dass die Ausrichtung seiner Rotationsachse im Betrieb unveränderlich gegenüber den Laufflächen ist, wie dies beispielsweise bei einen Tonnenwälzkörper in einem ringförmigen Wälzlager der Fall ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die von den Laufflächen einwirkenden Kräfte mit der hervorgerufenen Verformung des Sensorwälzkörpers direkt korrelieren, so dass aus der auftretenden Änderung des Magnetfeldes unmittelbar auf die einwirkende Kraft rückgeschlossen werden kann. Die unveränderliche Ausrichtung der Lage der Rotationsachse des Sensorwälzkörpers gegenüber den Laufflächen und damit auch gegenüber dem Sensor kann aber auch durch andere konstruktive Maßnahmen erreicht werden, beispielsweise durch eine entsprechende Positionierung des Sensorwälzkörpers in einem Käfig.According to preferred embodiments, the sensor rolling body is designed as a rotationally symmetrical body or spherical, cylindrical or elliptical in longitudinal section. It is particularly advantageous if the shape of the sensor rolling element is chosen such that the orientation of its axis of rotation during operation is invariable with respect to the running surfaces, as is the case for example with a barrel rolling element in an annular rolling bearing. This ensures that the forces acting on the running surfaces correlate directly with the induced deformation of the sensor rolling body, so that it is possible to deduce directly from the occurring change in the magnetic field the acting force. The invariable orientation of the position of the axis of rotation of the sensor rolling body relative to the running surfaces and therefore also relative to the sensor can also be achieved by other design measures, for example by a corresponding positioning of the sensor rolling element in a cage.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Sensorwälzkörper aus einem Stahlgrundkörper, der eine Aussparung besitzt, die mit einem elastischen Material mit magnetostriktiven Eigenschaften befüllt ist. Die Aussparung ist so positioniert, dass die auf den Sensorwälzkörper einwirkende Kraft einerseits nicht zu einer dauerhaften Verformung des Stahlgrundkörpers führt, andererseits eine hinreichende Verformung des Materials mit magnetostriktiven Eigenschaften hervorruft. Insbesondere kann die Aussparung als Durchgangsbohrung gebildet sein, deren Achse senkrecht zur Rotationsachse des Sensorwälzkörpers verläuft. According to a preferred embodiment, the sensor rolling body consists of a steel base body having a recess which is filled with an elastic material having magnetostrictive properties. The recess is positioned so that the force acting on the Sensorwälzkörper on the one hand does not lead to a permanent deformation of the steel body, on the other hand causes a sufficient deformation of the material with magnetostrictive properties. In particular, the recess may be formed as a through hole whose axis is perpendicular to the axis of rotation of the sensor roller.
Speziell bei einem kugelförmigen Sensorwälzkörper kann es vorteilhaft sein, wenn die Aussparung ebenfalls kugelförmig ist und sich im Zentrum des Sensorwälzkörpers befindet. Die Druckkräfte, welche das magnetostriktive Material in der Aussparung verformen, wirken dann immer in radialer Richtung, unabhängig von einer Verdrehung des Sensorwälzkörpers zwischen den Laufflächen.Especially in the case of a spherical sensor rolling element, it can be advantageous if the recess is likewise spherical and is located in the center of the sensor rolling element. The compressive forces, which deform the magnetostrictive material in the recess, then always act in the radial direction, regardless of a rotation of the sensor rolling element between the running surfaces.
Das magnetostriktive Material kann bei einer bevorzugten Ausführungsform partikelartig in das elastische Material eingeschlossen sein oder als Materialstreifen in ein Elastomer eingelegt werden. Bei der Auswahl des ferromagnetischen bzw. magnetostriktiven Materials, welches zu einer Magnetfeldänderung bei einer Kraftbelastung des Sensorwälzkörpers führen soll, ist von besonderer Bedeutung, dass die resultierenden magnetischen Eigenschaften des Sensorwälzkörpers signifikant von den magnetischen Eigenschaften der übrigen Wälzkörper unterscheidbar sind. Dies gilt insbesondere für Anwendungsfälle, bei denen in einem rotatorischen Aufbau der Sensorwälzkörper jeweils durch Umdrehung um die Lagerachse wiederkehrend am feststehenden Sensor vorbeigeführt wird. Hingegen ist eine solche Unterscheidung zwischen Sensorwälzkörper und gewöhnlichem Wälzkörper nicht oder nur weniger bedeutsam, wenn der Sensorwälzkörper in seiner Position unveränderlich gegenüber dem Sensor angeordnet ist, wie es beispielsweise bei Linearlagern der Fall sein kann.The magnetostrictive material may in a preferred embodiment be entrapped particle-like in the elastic material or inserted as a material strip in an elastomer. In the selection of the ferromagnetic or magnetostrictive material, which is to lead to a magnetic field change in a force load of the sensor roller, is of particular importance that the resulting magnetic properties of Sensorwälzkörpers are significantly different from the magnetic properties of the other rolling elements. This applies in particular for applications in which the sensor rolling element is guided past the stationary sensor in a rotational configuration in each case by rotation about the bearing axis. By contrast, such a distinction between sensor rolling body and ordinary rolling elements is not or only less significant if the sensor rolling element is arranged in its position invariable with respect to the sensor, as may be the case for example with linear bearings.
Es ist zweckmäßig, wenn der magnetoresistive Sensor mit einer elektronischen Auswerteeinheit gekoppelt ist, vorzugsweise durch eine drahtlose Datenübertragungsstrecke. Wenn sowohl der Sensor als auch die Auswerteeinheit unbeweglich an der Lagerordnung positioniert sind, kann natürlich auch eine drahtgebundene Kopplung zwischen diesen beiden erfolgen. Geeignete Datenübertragungslösungen sind dem Fachmann bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung hier verzichtet werden kann. It is expedient if the magnetoresistive sensor is coupled to an electronic evaluation unit, preferably by a wireless data transmission path. If both the sensor and the evaluation unit are immovably positioned on the bearing assembly, of course, a wired coupling between these two can be done. Suitable data transmission solutions are known to those skilled in the art, so that a detailed description can be omitted here.
Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Sensorwälzkörper bereit, der für die Verwendung in einer zuvor beschriebenen Lageranordnung geeignet ist und sich dadurch auszeichnet, dass er einen ferromagnetischen bzw. magnetostriktiven Materialbereich aufweist, der eine Verformung erfährt, wenn eine Kraft auf den Sensorwälzkörper einwirkt. The present invention also provides a sensor rolling element suitable for use in a bearing assembly as described above and characterized by having a ferromagnetic or magnetostrictive material region which undergoes deformation when a force is applied to the sensor rolling element.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further advantages, details and developments will become apparent from the following description of preferred embodiments, with reference to the drawings. Show it:
Eine mögliche Gestaltung des Sensorwälzkörpers ist aus der in
Der Fachmann kann sowohl die Formgebung als auch die Position des ferromagnetischen Materialbereichs innerhalb des Sensorwälzkörpers an den entsprechenden Anwendungsfall anpassen.The person skilled in the art can adapt both the shaping and the position of the ferromagnetic material region within the sensor rolling element to the corresponding application.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 0101
- Innenlauffläche Interior tread
- 0202
- Innenring inner ring
- 0303
- Außenlauffläche Outer tread
- 0404
- Außenring outer ring
- 0505
- 0606
- Wälzkörper rolling elements
- 07, 07a, 07b07, 07a, 07b
- Sensorwälzkörper Sensorwälzkörper
- 0808
- magnetoresistiver Sensor magnetoresistive sensor
- 0909
- Käfig Cage
- 1010
- 1111
- Stahlgrundkörper Steel body
- 1212
- Elastomer mit ferromagnetischem / magnetostriktivem Material Elastomer with ferromagnetic / magnetostrictive material
- 1313
- Kraft force
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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