DE102018102203A1 - Lageranordnung mit integrierter Sensoreinrichtung zur Erfassung von Relativbewegungen - Google Patents

Lageranordnung mit integrierter Sensoreinrichtung zur Erfassung von Relativbewegungen Download PDF

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Christian Mock
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung (01) umfassend ein Lager (02) mit einem ersten Lagerteil (04), einem relativ zu dem ersten Lagerteil (04) drehbaren zweiten Lagerteil (07) und mehreren zwischen dem ersten Lagerteil (04) und dem zweiten Lagerteil Innenring (07) in einem Wälzkörperraum (08) angeordneten Wälzkörpern (09). Die Lageranordnung (01) umfasst weiterhin eine Sensoreinrichtung (10) mit einem Encoder (12), welcher drehfest mit dem beweglichen zweiten Lagerteil (07) verbunden ist und eine erste magnetisch kodierte Spur (22) aufweist, und eine erste Sensoreinheit (24) zur Messung eines von der ersten Spur (22) erzeugten Magnetfeldes. Erfindungswesentlich ist, dass der Encoder (12) darüber hinaus eine zweite magnetisch kodierte Spur (23) aufweist, und dass die Sensoreinrichtung (10) eine zweite Sensoreinheit (25) zur Messung eines von der zweiten Spur (23) erzeugten Magnetfeldes aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit integrierter Sensoreinrichtung zur Erfassung von Relativbewegungen. Insbesondere eignet sich die Erfindung für die Verwendung an Radlagern.
  • Sensoreinrichtungen mit Encodern als Signalgeber werden zur Erfassung der Drehzahl oder der Winkellage zueinander beweglicher Maschinenteile eingesetzt. In der Kraftfahrzeugtechnik erfolgt mittels Encodern beispielsweise eine Drehzahlmessung bei Radlagern.
  • Die DE 10 2006 032 159 A1 zeigt eine Lageranordnung einer über ein Drehgelenk antreibbaren Radnabe eines Kraftfahrzeuges, bei der die mit einem Radflansch verbundene Radnabe und das mit einer Antriebswelle verbundene Drehgelenk mittels einer Verzahnung drehfest miteinander verbunden sind. Auf der Radnabe befindet sich ein zweireihiges Wälzlager mit zumindest einem separaten, axial außen angeordneten und zum Drehgelenk gerichteten Innenring. Der Innenring ist mit einer axial äußeren Stirnfläche im Bereich eines Endes eines Achsstumpfes der Radnabe angeordnet und durch eine auf die Stirnfläche des separaten Innenringes einwirkende Radialfläche der Radnabe axial vorgespannt. Außenring und Innenring sind mit einer Dichtung versehen, welche wenigstens einen mit dem Innenring verbundenen Dichtring mit im Querschnitt jeweils einem radialen Schenkel und einem axialen Schenkel aufweist. Der axiale Schenkel ist drehfest mit dem Innenring verbunden und nach axial innen gerichtet. Weiterhin ist der axiale Schenkel des Dichtrings nach radial innen und nach axial außen umgebogen, wobei ein freies Ende des axialen Schenkels axial nach außen die Stirnfläche des Lagerinnenrings überragt. Das freie Ende des axialen Schenkels kann für eine integrierte Encoder-Funktion genutzt werden. Ein Drehzahlsignal kann beispielsweise in radialer Richtung mittels Sensor abgegriffen werden. Nachteilig ist, dass lediglich eine Encoderlesespur in das Lager integriert ist. Fehler im Encoder bzw. im Sensor führen zu einem fehlerhaften Signal und in Folge dessen im Anwendungsfall Radlager zu einer Abschaltung der darauf aufbauenden Fahrerassistenzsysteme.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte Lageranordnung mit integrierter Sensoreinrichtung zur Verfügung zu stellen, welche auch bei Ausfall einzelner Komponenten der Sensoreinrichtung eine zuverlässige Erfassung von Relativbewegungen ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Lageranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
  • Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst zunächst ein Lager mit einem ersten Lagerteil, einem relativ zu dem ersten Lagerteil beweglichen zweiten Lagerteil und mehreren zwischen dem ersten Lagerteil und dem zweiten Lagerteil in einem Wälzkörperraum angeordneten Wälzkörpern.
  • Ein weiterer Bestandteil der Lageranordnung ist eine Sensoreinrichtung, welche einen in das Lager integrierten Encoder umfasst. Der Encoder ist drehfest mit dem beweglichen Lagerteil verbunden und weist eine erste magnetisch kodierte Spur auf. Die Sensoreinrichtung beinhaltet weiterhin eine erste Sensoreinheit zur Messung eines von der ersten Spur erzeugten Magnetfeldes. Erfindungswesentlich ist, dass der Encoder eine zweite magnetisch kodierte Spur aufweist. Eine zweite Sensoreinheit dient zur Messung eines von der zweiten Spur erzeugten Magnetfeldes.
  • Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lageranordnung besteht darin, dass durch Ausstattung des Encoders mit einer zweiten magnetisch kodierten Spur, deren Magnetfeld mittels einer separaten zweiten Sensoreinheit erfasst wird, eine redundante Messdatenerfassung realisiert wird. Damit stehen zwei parallele Signale zur Verfügung. Falls bei einem der beiden Signale ein Fehler vorliegt, kann auf das andere Signal zurückgegriffen werden. Durch die Verwendung von zwei Sensoreinheiten kann auch bei einem kompletten Ausfall einer Sensoreinheit die Messdatenerfassung sichergestellt werden. Auf diese Weise erhöht sich die Zuverlässigkeit der Sensoreinrichtung.
  • Das Lager kann sowohl als Linearlager als auch als Rotationslager ausgebildet sein. Das Rotationslager kann beispielsweise als ein Radlager ausgebildet sein.
  • Bei Rotationslagern ist der Encoder vorzugsweise als Encoderring ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform weist der Encoderring einen Doppel-L-förmigen Querschnitt auf. Der Encoderring kann hierbei einen sich in axialer Richtung erstreckenden ersten axialen Schenkel umfassen, welcher in Bezug zu dem Wälzkörperraum axial außenliegend angeordnet ist. Des Weiteren kann der Encoderring einen sich in radialer Richtung über den Wälzkörperraum zumindest teilweise erstreckenden ersten radialen Schenkel aufweisen. Der erste radiale Schenkel ist in Bezug zu dem Wälzkörperraum axial innenliegend angeordnet. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist auf dem ersten axialen Schenkel die erste Spur ausgebildet, während auf dem ersten radialen Schenkel die zweite Spur ausgebildet ist. Bei alternativen Ausführungsformen können auf dem ersten axialen Schenkel beide Spuren oder auf dem ersten radialen Schenkel beide Spuren ausgebildet sein. Bei alternativen Ausführungsformen kann der Encoderring einen L-förmigen, einen S-förmigen, einen C-förmigen oder einen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Weitere geeignete Ausführungsformen des Encoderrings sind möglich.
  • Die Sensoreinheiten sind bei sämtlichen Ausführungsformen auf geeignete Art und Weise den Spuren gegenüberliegend zu positionieren, um die von den Spuren erzeugten Magnetfelder erfassen zu können.
  • Die Magnetisierung der ersten Spur kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einen Phasenversatz zu der zweiten Spur aufweisen.
  • Die erste und die zweite Sensoreinheit können innerhalb eines gemeinsamen Sensorgehäuses angeordnet sein. Bei abgewandelten Ausführungsformen können die erste Sensoreinheit und die zweite Sensoreinheit jeweils innerhalb separater Sensorgehäuse angeordnet sein.
  • Die magnetisch kodierten Spuren können in Form von abwechselnd angeordneten magnetischen Nord- und Südpolen ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn alle Pole des Encoders jeweils einen gleichen Polwinkel aufweisen. Andersartig magnetisch kodierte Spuren sind ebenso möglich.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Sensoreinrichtung mit einer Auswerteeinheit verbunden sein. In diesem Zusammenhang hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Sensoreinrichtung mit einem Anschlusskabel zum Anschluss an eine Auswerteeinheit auszustatten. Es sind jedoch auch alternative Ausführungsformen möglich, bei denen die Datenübertragung zur Auswerteeinheit nicht über Kabel sondern drahtlos, vorzugsweise mittels Funksignal erfolgt.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Lageranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • 2 eine Querschnittsansicht der Lageranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
    • 3 mehrere Querschnittsansichten verschiedener Ausführungsformen von Encoderringen;
    • 4 eine Querschnittsansicht der Lageranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform;
    • 5 eine Querschnittsansicht der Lageranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform;
    • 6 eine Querschnittsansicht der Lageranordnung gemäß einer fünften Ausführungsform;
    • 7 eine Querschnittsansicht der Lageranordnung gemäß einer sechsten Ausführungsform;
    • 8 eine Querschnittsansicht der Lageranordnung gemäß einer siebenten Ausführungsform;
    • 9 eine Querschnittsansicht der Lageranordnung gemäß einer achten Ausführungsform;
    • 10 eine Querschnittsansicht der Lageranordnung gemäß einer neunten Ausführungsform;
    • 11 eine Querschnittsansicht der Lageranordnung gemäß einer zehnten Ausführungsform;
    • 12 eine Querschnittsansicht der Lageranordnung gemäß einer elften Ausführungsform;
    • 13 eine Querschnittsansicht der Lageranordnung gemäß einer zwölften Ausführungsform;
    • 14 eine Querschnittsansicht der Lageranordnung gemäß einer dreizehnten Ausführungsform.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Lageranordnung 01 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Lageranordnung 01 umfasst zunächst ein Lager 02, welches in der gezeigten Ausführungsform als ein Rotationslager für Personenkraftwagen, d. h. als ein Radlager ausgebildet ist. Das Lager 02 ist zweireihig ausgeführt und befindet sich auf einer Radnabe 03. Es beinhaltet einen Außenring 04 sowie einen ersten und einen zweiten Innenring 05, 07. Der erste Innenring 05 ist einteilig mit der Radnabe 03 ausgebildet. Der als separates Bauteil ausgebildete zweite Innenring 07 ist drehfest mit der Radnabe 03 verbunden. Zwischen Außenring 04 und Innenringen 05, 07 befinden sich innerhalb eines Wälzkörperraumes 08 Wälzkörper 09.
  • Ein weiterer Bestandteil der Lageranordnung 01 ist eine Sensoreinrichtung 10. Die Sensoreinrichtung 10 weist zunächst einen Encoderring 12 auf, welcher drehfest über eine Presspassung an einer Außenfläche des zweiten Innenrings 07 befestigt ist. Der Encoderring 12 weist in der gezeigten Ausführung einen Doppel-L-förmigen Querschnitt auf. Der Encoderring 12 umfasst einen sich in axialer Richtung erstreckenden ersten axialen Schenkel 15, welcher in Bezug zu dem Wälzkörperraum 08 axial außenliegend angeordnet ist. Der Encoderring 12 weist weiterhin einen ersten radialen Schenkel 17 auf, der in Bezug zu dem Wälzkörperraum 08 axial innenliegend angeordnet ist. Zwischen dem ersten radialen Schenkel 17 und dem ersten axialen Schenkel 15 erstrecken sich ein zweiter axialer Schenkel 18 und ein zweiter radialer Schenkel 19. Der zweite axiale Schenkel 18 und der zweite radiale Schenkel 19 liegen an dem zweiten Innenring 07 an. Der erste axiale Schenkel 15 ragt über eine Stirnfläche 13 des zweiten Innenrings 07 hinaus. Der erste axiale Schenkel 15 und der zweite radiale Schenkel 19 befinden sich innerhalb eines umlaufenden Einstichbereichs 20 des zweiten Innenrings 07. Auf dem ersten axialen Schenkel 15 des Encoderrings 12 ist eine erste magnetisch kodierte Spur 22 ausgebildet. Der erste radiale Schenkel 17 des Encoderrings 12 weist eine zweite magnetisch kodierte Spur 23 auf. Die magnetisch kodierten Spuren 22, 23 können als abwechselnd angeordnete magnetische Nord- und Südpole ausgebildet sein. Eine erste Sensoreinheit 24 ist der ersten Spur 22 gegenüberliegend angeordnet. Eine zweite Sensoreinheit 25 ist der zweiten Spur 23 gegenüberliegend angeordnet. Die erste und die zweite Sensoreinheit 24, 25 erfassen ein von der ersten bzw. zweiten Spur 22, 23 erzeugtes Magnetfeld. Die Sensoreinheiten 24, 25 sind in der gezeigten Ausführung innerhalb eines gemeinsamen Sensorgehäuses 27 angeordnet. Das Sensorgehäuse 27 kann beispielsweise mit einem Radträger (nicht dargestellt) drehfest verbunden sein.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht der Lageranordnung 01 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten lediglich dadurch, dass die Sensoreinheiten 24, 25 jeweils in einem separaten Sensorgehäuse 27 angeordnet sind.
  • 3 zeigt Querschnittsansichten verschiedener Ausführungsformen von Encoderringen, welche bei Rotationslagern zum Einsatz kommen können. Die möglichen Bereiche zur Anbringung der magnetisch kodierten Spuren sind mit gepunkteten Linien dargestellt. Mit Strichpunktlinien sind die möglichen Montagebereiche zum Aufpressen auf das rotierende Maschinenteil (Innen- oder Außenring) des Rotationslagers dargestellt. Zur Orientierung ist jeweils eine Rotationsachse 28 eingezeichnet. Jeder Encoderring 12 umfasst einen Träger 29 aus einem ferro- bzw. nicht-ferromagnetischen Material, abhängig davon, ob er zwischen einer magnetischen Spur und dem Sensor angeordnet ist. Auf dem Träger 29 sind die magnetisch kodierten Spuren 22, 23 aufgebracht.
  • 3a zeigt Ausführungsformen des Encoderrings 12 mit L-förmigem Querschnitt. 3b zeigt Ausführungsformen des Encoderrings 12 mit S-förmigem Querschnitt. 3c zeigt eine Ausführungsform des Encoderrings 12 mit Doppel-L-förmigem Querschnitt. 3d zeigt Ausführungsformen des Encoderrings 12 mit C-förmigem Querschnitt. 3e zeigt eine Ausführungsform des Encoderrings 12 mit U-förmigem Querschnitt.
  • Die gezeigten Ausführungsformen des Encoderrings 12 besitzen lediglich beispielhaften und keinen einschränkenden Charakter. Weitere geeignete Querschnittsformen sind durchaus möglich.
  • Die in den 4 bis 14 gezeigten Ausführungsformen der Lageranordnung 01 umfassen wie die in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen jeweils das Lager 02, welches als Radlager ausgebildet ist. In den Figuren sind lediglich das bzw. die Sensorgehäuse 27 dargestellt. Die Sensoreinheiten, welche sich innerhalb des bzw. der Sensorgehäuse befinden, sind nicht explizit dargestellt.
  • Die in den 4 bis 12 dargestellten Ausführungen betreffen Radlager mit rotierenden Innenringen 05, 07. Der Encoderring 12 ist drehfest über eine Presspassung an der Außenfläche des zweiten Innenrings 07 befestigt.
  • Die 4 bis 7 zeigen Ausführungsformen der Lageranordnung 01, welche jeweils einen Encoderring 12 mit L-förmigem Querschnitt nutzen. Die Ausführungsformen unterscheiden sich durch die jeweilige Anordnung der magnetisch kodierten Spuren 22, 23 bzw. durch die Gestaltung der Innenringe 05, 07.
  • 8 zeigt eine siebte Ausführungsform der Lageranordnung 01, welche einen Encoderring 12 mit C-förmigem Querschnitt verwendet. Der Encoderring 12 erstreckt sich von dem zweiten Innenring 07 über den Außenring 04 hinaus, wobei der Encoderring 12 den Außenring 04 teilweise umschließt. Die offene Seite des Encoderrings 12 ist dem Wälzkörperraum 08 zugewandt. Die Sensoreinrichtung 10 umfasst zwei Sensorgehäuse 27, in welchen jeweils eine Sensoreinheit (nicht dargestellt) angeordnet ist.
  • 9 zeigt eine achte Ausführungsform der Lageranordnung 01. Der Encoderring 12 besitzt wiederum einen C-förmigen Querschnitt. Im Unterschied zu der in 8 gezeigten Ausführung befindet sich der Encoderring 12 vollständig innerhalb des Wälzkörperraums 08. Die offene Seite des Encoderrings 12 ist nach außen gerichtet.
  • Die in den 10 und 11 gezeigten Ausführungsformen der Lageranordnung 01 nutzen einen Encoderring 12 mit einem Doppel-L-förmigen Querschnitt. Die beiden Ausführungen unterscheiden sich durch die Anordnung der magnetisch kodierten Spuren 22, 23. Die in 10 gezeigte Ausführungsform nutzt zwei Sensorgehäuse 27, während die in 11 gezeigte ein Sensorgehäuse 27 verwendet.
  • 12 zeigt eine elfte Ausführungsform der Lageranordnung 01. Der Encoderring 12 besitzt hier einen L-förmigen Querschnitt.
  • Die in den 13 und 14 gezeigten Ausführungsformen der Lageranordnung 01 unterscheiden sich von den bislang beschriebenen Ausführungsformen zunächst dadurch, dass der Außenring 04 rotiert. Der Encoderring 12 ist drehfest über eine Presspassung an der Außenfläche des Außenrings 04 befestigt. Die in 13 gezeigte Ausführungsform nutzt einen Encoderring 12 mit S-förmigem Querschnitt sowie zwei Sensorgehäuse 27. Die Ausführungsform gemäß 14 verwendet einen Encoderring 12 mit einem C-förmigen Querschnitt sowie ein Sensorgehäuse 27. Die offene Seite des Encoderrings 12 ist nach außen gerichtet.
  • Bezugszeichenliste
    • 01
    Lageranordnung
    02
    Lager
    03
    Radnabe
    04
    Außenring
    05
    erster Innenring
    06
    -
    07
    zweiter Innenring
    08
    Wälzkörperraum
    09
    Wälzkörper
    10
    Sensoreinrichtung
    11
    -
    12
    Encoderring
    13
    Stirnfläche
    14
    -
    15
    erster axialer Schenkel
    16
    -
    17
    erster radialer Schenkel
    18
    zweiter axialer Schenkel
    19
    zweiter radialer Schenkel
    20
    Einstichbereich
    21
    -
    22
    erste Spur
    23
    zweite Spur
    24
    erste Sensoreinheit
    25
    zweite Sensoreinheit
    26
    -
    27
    Sensogehäuse
    28
    Rotationsachse
    29
    Träger
  • 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
    • DE 102006032159 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Lageranordnung (01) umfassend: • ein Lager (02) mit einem ersten Lagerteil (04), einem relativ zu dem ersten Lagerteil (04) beweglichen zweiten Lagerteil (07) und mehreren zwischen dem ersten Lagerteil (04) und dem zweiten Lagerteil (07) in einem Wälzkörperraum (08) angeordneten Wälzkörpern (09), • eine Sensoreinrichtung (10) mit i. einem Encoder (12), welcher drehfest mit dem beweglichen zweiten Lagerteil (07) verbunden ist und eine erste magnetisch kodierte Spur (22) aufweist, und ii. einer ersten Sensoreinheit (24) zur Messung eines von der ersten Spur (22) erzeugten Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass der Encoder (12) eine zweite magnetisch kodierte Spur (23) aufweist, und dass die Sensoreinrichtung (10) eine zweite Sensoreinheit (25) zur Messung eines von der zweiten Spur (23) erzeugten Magnetfeldes aufweist.
  2. Lageranordnung (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager ein Linearlager ist.
  3. Lageranordnung (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager ein Rotationslager ist, wobei der Encoder ein Encoderring (12) ist.
  4. Lageranordnung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Encoder (12) in einem Einstichbereich (20) des zweiten Lagerteils (07) angeordnet ist.
  5. Lageranordnung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung der ersten Spur (22) einen Phasenversatz zu der Magnetisierung der zweiten Spur (23) aufweist.
  6. Lageranordnung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Sensoreinheit (25) innerhalb eines gemeinsamen Sensorgehäuses (27) angeordnet sind.
  7. Lageranordnung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheiten (24, 25) jeweils in einem separaten Sensorgehäuse (27) angeordnet sind.
  8. Lageranordnung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (24, 25) mit einer Auswerteeinheit verbindbar ist.
  9. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch kodierten Spuren durch abwechselnd angeordnete magnetische Nord- und Südpole ausgebildet sind.
  10. Lageranordnung (01) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (02) als Radlager ausgebildet ist.
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