DE102018131254A1

DE102018131254A1 - Ringförmige Sensoreinheit

Info

Publication number: DE102018131254A1
Application number: DE102018131254.7A
Authority: DE
Inventors: Alexander Schamin; Timo Woehner; Lorenz Bell
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-06-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine ringförmige Sensoreinheit umfassend ein Sensorelement und ein Verbindungselement. Das Verbindungselement weist einen ringförmigen Boden mit einer umlaufenden Außenwand auf und das Sensorelement ist ins Verbindungselement eingelegt und mit einem Bindemittel umspritzt. Die Sensoreinheit umfasst weiterhin mindestens einen axialen Abstandshalter, der zwischen dem Sensorelement und dem Boden des Verbindungselements angeordnet ist. Ferner weist das Verbindungselement mindestens zwei radiale Vertiefungen an der umlaufenden Außenwand zur radialen Ausrichtung des Sensorelements auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine ringförmige Sensoreinheit und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensoreinheit.
Hintergrund der Erfindung
Wälzlageranordnungen mit integrierten Sensoreinheiten sind auch als Sensorlager bekannt und dienen zum Erfassen unterschiedlicher Lagerzustandsgrößen, wie beispielsweise Drehzahl, Temperatur und Drehwinkel.
DE 10 2015 203 861 A1 offenbart eine Sensoreinrichtung für ein Wälzlager mit einem Außenring und einem relativ zu diesem drehbaren Innenring. Die Sensoreinrichtung umfasst mindestens einen mit einem der beiden Lagerringe drehfest verbindbaren Sensor, mindestens einen mit dem anderen der beiden Lagerringe drehfest verbindbaren Signalgeber, einen an einer Stirnfläche des Außenrings des Wälzlagers befestigbaren äußeren Ring und einen an einer Stirnfläche des Innenrings des Wälzlagers befestigbaren inneren Ring. Der Sensor und der Signalgeber sind auf einander gegenüberliegenden Mantelflächen des äußeren und inneren Rings angeordnet.
Die Sensoreinrichtung kann noch weiter verbessert werden, um eine sichere Verbindung zwischen der Sensoreinrichtung und dem Wälzlager bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen und unter Vibration zu ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoreinheit bereitzustellen, die auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen an einem Wälzlager sicher befestigbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine ringförmige Sensoreinheit und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensoreinheit nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Die ringförmige Sensoreinheit umfasst ein Sensorelement und ein Verbindungselement. Das Verbindungselement weist einen ringförmigen Boden mit einer umlaufenden Außenwand auf. Das Sensorelement ist ins Verbindungselement eingelegt und mit einem Bindemittel umspritzt. Die Sensoreinheit umfasst mindestens einen axialen Abstandshalter, der zwischen dem Sensorelement und dem Boden des Verbindungselements angeordnet ist. Ferner weist das Verbindungselement mindestens zwei radiale Vertiefungen an der umlaufenden Außenwand zur radialen Ausrichtung des Sensorelements auf.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen ringförmigen Sensoreinheit besteht darin, dass eine sichere Verbindung zwischen der Sensoreinheit und einem Wälzlager oder anderen Bauteilen in einfacher Weise bereitgestellt werden kann. Ferner kann eine einfache Anordnung der Sensoreinheit an dem Bauteil realisiert werden und eine zuverlässige Erfassung des Verhaltens des Bauteils kann ermöglicht werden.
Die ringförmige Sensoreinheit kann zum Anbau an ein kreisförmiges Bauteil, beispielsweise ein Wälzlager, vorgesehen sein. Daher kann das Sensorelement auch ringförmig gestaltet sein. Das Sensorelement kann beispielsweise aus einer ringförmigen Leiterplatte mit einem Kabel (eventuell mit einem Stecker) bestehen. Das Sensorelement kann aber auch eine flexible Leiterplatte mit verschiedenen Sensorelementen umfassen, die über Leiterbahnen elektrisch verbunden sind. Das Sensorelement ist dazu eingerichtet, um zumindest eine Lagerzustandsgröße wie beispielsweise Drehzahl, Temperatur und Drehwinkel zu erfassen. Das Sensorelement kann auch mehrere Sensoren zur Erfassung unterschiedlicher Zustandsgrößen umfassen. Ein Außendurchmesser des Sensorelements kann kleiner sein als ein Außendurchmesser des Verbindungselements.
Das Verbindungselement kann zur Verbindung bzw. als Schnittstelle zwischen dem Sensorelement und dem Bauteil (zum Beispiel einem Wälzlager) dienen, an dem die Sensoreinheit befestigt wird. Das Verbindungselement kann beispielsweise eine Hülse oder ein Gehäuse aus Metall oder Kunststoff sein, welches einen ringförmigen Boden mit einer umlaufenden Außenwand bzw. Außenmantelfläche aufweist. Ein Durchmesser des Verbindungselements kann größer als ein Durchmesser des ringförmigen Sensorelements sein, sodass das Sensorelement vollständig in einen Innenraum des Verbindungselements eingelegt werden kann. In anderen Worten, das Sensorelement kann durch das Verbindungselement vollständig überdeckt sein.
Um das Sensorelement am Verbindungselement dauerhaft zu befestigen, kann das Sensorelement mittels eines Bindemittels umspritzt werden. Vorzugsweise kann das Umspritzen von einem freien Ende in Richtung des Bodens des Verbindungselements durchgeführt werden. Umspritzen ist ein Spritzgießverfahren, bei welchem Einlegeteile wie z.B. Metallteile, Halbteile oder auch Kabelenden in einer Form mit Kunststoffschmelze eingespritzt werden. Der erhitzte flüssige Kunststoff wird in einen Hohlraum der Form gefüllt, danach abgekühlt und erstarrt. Das Umspritzen ermöglicht, dass eine dichte Verbindung zwischen den Einlegeteilen und dem Spritzguss-Kunststoff hergestellt wird. Auf diese Weise können die Einlegeteile vor Schmutz, Feuchtigkeit und Staub geschützt und elektrisch isoliert werden. Als Bindemittel bzw. Spritzguss-Kunststoff kann beispielsweise ein Duroplast zum Einsatz kommen. Im Gegensatz zu anderem Kunststoff, weist Duroplast eine hohe Temperaturbeständigkeit, chemische Beständigkeit und Steifigkeit auf.
Durch das Umspritzen des Sensorelements im Verbindungselement mit Duroplast wird erreicht, dass Prozessdrücke und Prozesstemperaturen keine Schäden an der Leiterplatte des Sensorelements anrichten. Ferner ermöglicht das Umspritzen einen Stoffschluss zwischen dem Sensorelement und dem Verbindungselement, wodurch das Sensorelement gegen Umwelteinflüsse sicher geschützt werden kann.
Ferner weist die Sensoreinheit mindestens einen axialen Abstandshalter in Richtung des Bodens des Verbindungselements auf. Auf diese Weise kann das Sensorelement beim Umspritzen nicht gegen den Boden des Verbindungselements gedrückt werden. Der Abstandshalter kann beispielsweise ein auf der Leiterplatte geformter Vorsprung sein, welcher bei einem Bestückungsprozess der Leiterplatte kostengünstig angebracht werden kann. Das Sensorelement umfasst vorzugsweise mindestens drei Abstandshalter, die in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet sind, um einen gleichen Abstand zwischen dem Sensorelement und dem Boden des Verbindungselements entlang des Bodens des Verbindungselements sicherzustellen. Der axiale Abstandshalter, der zwischen dem Boden des Verbindungselements und dem Sensorelement angeordnet ist, kann alternativ oder zusätzlich ein O-Ring sein, der vorzugsweise an einen äußeren Umfang des Sensorelements eingelegt wird. Der axiale Abstandshalter kann ein beliebiges Bauteil, wie zum Beispiel ein sonst funktionsloser Widerstand sein, der lediglich geometrisch einen gewissen Abstand zwischen dem Sensorelement und dem Verbindungselement sicherstellt.
Des Weiteren weist das Verbindungselement mindestens zwei Vertiefungen auf, die an der Außenwand des Verbindungselements vorzugsweise im Bodenbereich des Verbindungselements geformt sind. Die Vertiefungen können dabei entlang einer Umfangsrichtung des Verbindungselements radial ausgebildet sein. In anderen Worten, die Außenwand des Verbindungselements kann in Richtung des Bodens mindestens zwei Stufen umfassen, die vorzugsweise in Umfangsrichtung des Verbindungselements voneinander beabstandet sind. Auf diese Weise kann das Sensorelement radial ausgerichtet werden und durch das Umspritzen und die Vertiefungen umschlossen werden.
In einer Ausführungsform weist das Verbindungselement in seinem Boden mindestens ein Loch zur Entlüftung beim Umspritzen mit dem Bindemittel auf. Beim Umspritzen des Sensorelements kann ein Hohlraum zwischen dem Sensorelement und dem Verbindungselement mit einem Bindemittel gefüllt werden. Dabei ist es wichtig, dass die im Hohlraum vorhandenen Luft reibungslos entzogen werden kann, sodass das Sensorelement vollständig vom Bindemittel umschlossen werden kann. Der Boden des Verbindungselements umfasst vorzugsweise mehrere Löcher für eine effektive Ableitung der Luft beim Umspritzen.
In einer Ausführungsform weist das Verbindungselement in seinem Boden mindestens eine Öffnung zur Durchführung eines Kabels des Sensorelements auf. Um die Sensoreinheit an ein weiteres Bauteil beispielsweise ein Wälzlager aufbringen zu können, muss das am Sensorelement verbundenen Kabel vorzugsweise durch den Boden des Verbindungselements durchgeführt werden. Die im Boden des Verbindungselements vorgesehene Öffnung kann dabei eine Orientierung des Kabels und somit auch des Sensorelements bereitstellen.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer ringförmigen Sensoreinheit. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Bereitstellen eines Sensorelements,
- Bereitstellen eines Verbindungselements, wobei das Verbindungselement einen ringförmigen Boden mit einer umlaufenden Außenwand aufweist,
- Einlegen des Sensorelements ins Verbindungselement, und
- Umspritzen des Sensorelements mit einem Bindemittel,

Die Sensoreinheit weist mindestens einen axialen Abstandshalter in Richtung des Bodens des Verbindungselements auf. Des Weiteren weist das Verbindungselement mindestens zwei radiale Vertiefungen an der umlaufenden Außenwand zur radialen Ausrichtung des Sensorelements auf.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den Figuren. Alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale können unabhängig von ihrer Darstellung in einzelnen Ansprüchen, Figuren, Sätzen oder Absätzen miteinander kombiniert werden. In den Figuren stehen gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
Figurenliste

1 zeigt eine Sensoreinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Sensoreinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt ein Verbindungselement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt ein Sensorelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine Sensoreinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine Sensoreinheit mit einem Wälzlager gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer ringförmigen Sensoreinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 und 2 zeigen eine Sensoreinheit 10 mit einem Verbindungselement 1 und einem Sensorelement 2. Das Verbindungselement 1 kann eine Hülse oder ein Gehäuse aus Metall oder Kunststoff sein. Das Sensorelement 2 ist ins Verbindungselement 1 eingelegt und zur Fixierung des Sensorelements 2 im Verbindungselement 1 mit einem Bindemittel 3 umspritzt. Das Bindemittel kann beispielsweise ein Duroplast sein. Beim Umspritzen wird das erhitzte flüssige Bindemittel 3 in einen Hohlraum des Verbindungselements 1 gefüllt, danach wird es abgekühlt und erstarrt. Das Umspritzen ermöglicht, dass eine dichte Verbindung zwischen den Einlegeteilen und dem Spritzguss-Kunststoff hergestellt wird. Auf diese Weise kann das Sensorelement vor Schmutz, Feuchtigkeit und Staub geschützt und elektrisch isoliert werden.
Wie auch in 3 gezeigt, umfasst das Verbindungselement 1 einen ringförmigen Boden 11 mit einer umlaufenden Außenwand 12. Im Boden 11 des Verbindungselements 1 sind fünf Entlüftungslöcher 4 gebildet, um Luft zwischen dem Verbindungselement 1 und dem Sensorelement 2 beim Umspritzen abzuleiten. Das Verbindungselement 1 umfasst weiterhin mindestens zwei Kerben bzw. Vertiefungen 6, die an der Außenwand 12 des Verbindungselements 1 vorzugsweise im Bodenbereich des Verbindungselements 1 ausgebildet sind. Die Vertiefungen 6 können entlang der Umfangsrichtung des Verbindungselements 1 radial ausgebildet sein. In anderen Worten, die Außenwand 12 des Verbindungselements 1 kann in Richtung des Bodens 11 stufenförmig gestaltet sein (siehe 2). Auf diese Weise kann das Sensorelement 2 radial ausgerichtet werden.
4 zeigt das Sensorelement 2, das eine ringförmige Leiterplatte umfasst. Auf der Leiterplatte ist mindestens ein Sensor 30 angeordnet, der eine Zustandsgröße wie zum Beispiel Drehzahl, Temperatur, Drehwinkel etc. erfasst. An der Leiterplatte ist ein Anschlusskabel 7 befestigt, um zwischen der Sensoreinheit 10 und einer Auswerteeinheit (nicht gezeigt) Daten austauschen zu können oder Energie von einer externen Stromversorgung zu liefern. Es ist jedoch auch möglich, dass die Datenübertragung zur Auswerteeinheit nicht über Kabel, sondern drahtlos vorzugsweise mittels Funksignal, beispielsweise über Bluetooth, erfolgt. Um das Kabel außerhalb der Sensoreinheit 10 zu führen, weist das Verbindungselement 1 eine Öffnung 5 im seinem Boden auf (in 3).
Das Sensorelement 2 umfasst ferner drei axiale Abstandshalter 8, die in Richtung des Bodens 11 des Verbindungselements 1 angeordnet sind. Die Abstandshalter 8 sind in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet, um einen gleichen Abstand zwischen dem Sensorelement und dem Boden des Verbindungselements entlang des Bodens des Verbindungselements sicherzustellen.
Die Sensoreinheit 10 kann zusätzlich einen axialen Abstandshalter 9 zwischen dem Verbindungselement 1 und dem Sensorelement 2 umfassen (in 5). Der axiale Abstandshalter kann beispielsweise ein O-Ring sein, der vorzugsweise an den äußeren Umfang des Sensorelements 2 eingelegt wird.
6 zeigt, dass die umspritzte Sensoreinheit 10 auf eine dafür vorgesehene zylindrische Fläche am Wälzlager-Außenring 20 aufgepresst ist. Die Sensoreinheit 10 kann aber auch separat vom Lager direkt in ein Gehäuse gepresst oder eingepresst werden.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer ringförmigen Sensoreinheit 10. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Bereitstellen S1 eines Sensorelements 2,
- Bereitstellen S2 eines Verbindungselements 1,
- Einlegen S3 des Sensorelements 2 ins Verbindungselement 1, und
- Umspritzen S4 des Sensorelements 2 mit einem Bindemittel 3,

Das Verbindungselement 1 weist einen ringförmigen Boden 11 mit einer umlaufenden Außenwand 12 auf. Weiterhin umfasst die Sensoreinheit 10 mindestens einen axialen Abstandshalter 8, der zwischen dem Sensorelement 2 und dem Boden 11 des Verbindungselements 1 angeordnet ist. Das Verbindungselement 1 weist mindestens zwei radiale Vertiefungen 6 an der umlaufenden Außenwand 12 zur radialen Ausrichtung des Sensorelements 2 auf.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können.
Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen
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 102015203861 A1 [0003]

Claims

Ringförmige Sensoreinheit (10) umfassend ein Sensorelement (2), und ein Verbindungselement (1), wobei das Verbindungselement (1) einen ringförmigen Boden (11) mit einer umlaufenden Außenwand (12) aufweist, wobei das Sensorelement (2) ins Verbindungselement (1) eingelegt und mit einem Bindemittel (3) umspritzt ist, wobei die Sensoreinheit (10) weiterhin mindestens einen axialen Abstandshalter (8) umfasst, der zwischen dem Sensorelement (2) und dem Boden (11) des Verbindungselements (1) angeordnet ist, und wobei das Verbindungselement (1) mindestens zwei radiale Vertiefungen (6) an der umlaufenden Außenwand (12) zur radialen Ausrichtung des Sensorelements (2) aufweist.
Die ringförmige Sensoreinheit (10) nach Anspruch 1, wobei das Verbindungselement (1) in seinem Boden (11) mindestens ein Loch (4) zur Entlüftung beim Umspritzen mit dem Bindemittel (3) aufweist.
Die ringförmige Sensoreinheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verbindungselement (1) in seinem Boden (11) mindestens eine Öffnung (5) zur Durchführung eines Kabels (7) des Sensorelements (2) aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer ringförmigen Sensoreinheit (10), umfassend die Schritte: - Bereitstellen (S1) eines Sensorelements (2), - Bereitstellen (S2) eines Verbindungselements (1), wobei das Verbindungselement (1) einen ringförmigen Boden (11) mit einer umlaufenden Außenwand (12) aufweist, - Einlegen (S3) des Sensorelements (2) ins Verbindungselement (1), und - Umspritzen (S4) des Sensorelements (2) mit einem Bindemittel (3), wobei die Sensoreinheit (10) weiterhin mindestens einen axialen Abstandshalter (8) umfasst, der zwischen dem Sensorelement (2) und dem Boden (11) des Verbindungselements (1) angeordnet ist, und wobei das Verbindungselement (1) mindestens zwei radiale Vertiefungen (6) an der umlaufenden Außenwand (12) zur radialen Ausrichtung des Sensorelements (2) aufweist.