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Die vorliegende Erfindung betrifft eine ringförmige Sensoreinheit, eine Lageranordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensoreinheit.
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Wälzlageranordnungen mit integrierten Sensoreinheiten sind auch als Sensorlager bekannt und dienen zum Erfassen unterschiedlicher Lagerzustandsgrößen, wie beispielsweise Drehzahl, Temperatur und Drehwinkel.
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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.
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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.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoreinheit bereitzustellen, die auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen an einem Wälzlager sicher befestigbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine ringförmige Sensoreinheit, eine Lageranordnung 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.
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Die ringförmige Sensoreinheit umfasst ein Sensorelement und ein Verbindungselement. Das Verbindungselement weist einen ringförmigen Boden, eine umlaufende Wand und einen Absatz an einer Innenseite der umlaufenden Wand auf. Das Sensorelement ist so in das Verbindungselement eingelegt, dass das Sensorelement auf dem Absatz aufliegt. Mindestens eine Stelle auf einer Oberfläche des ringförmigen Bodens des Verbindungselements ist relativ zum Sensorelement verstemmt, sodass das Verbindungselement und das Sensorelement zueinander fixiert werden.
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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.
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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.
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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 Wand bzw. Mantelfläche 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.
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Das Verbindungselement weist an der Innenseite der umlaufenden Wand bzw. Mantelfläche einen Absatz auf. Der Absatz kann von der Innenseite der umlaufenden Wand in Richtung der Mitte des Verbindungselements vorstehen. Der Absatz kann an der Innenseite der Mantelfläche abschnittsweise oder umlaufend ausgebildet sein. In anderen Worten, der Absatz kann entlang der Umfangsrichtung des Verbindungselements radial ausgebildet sein. Noch in anderen Worten, die Innenseite der umlaufenden Wand des Verbindungselements kann in Richtung des Bodens stufenförmig gestaltet sein. Auf diese Weise kann das Sensorelement auf dem Absatz sicher aufliegen und im Verbindungselement radial ausgerichtet werden.
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Um das Verbindungselement und das Sensorelement dauerhaft zueinander zu fixieren, ist mindestens eine Stelle, vorzugsweise mehrere Stellen auf der Oberfläche des ringförmigen Bodens des Verbindungselements relativ zum Sensorelement verstemmt. Es ist dabei wichtig, dass das Sensorelement während des Verstemmens nicht beschädigt wird. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass durch das Verstemmen nur das Verbindungselement verformt wird. Der Begriff „Verstemmen“ kann so verstanden werden, dass zwei einzelne Komponenten durch ein elastisches oder plastisches Verformen kraft- und formschlüssig verbunden werden. In anderen Worten, zwei gegenüberliegende Oberflächen beider Komponenten verkeilen sich unlösbar ineinander, sodass zwei verbundene Komponenten zueinander fixiert sind. Zum Verstemmen eignen sich alle Materialien, die sich plastisch verformen lassen, wie z. B. Kunststoffe und Metalle. Im Gegensatz zu stoffschlüssigen Verbindungen (z. B. Schweißen) lassen sich durch Verstemmen auch unterschiedliche Werkstoffe mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten zusammenfügen. Ein weiterer Vorteil des Verstemmens besteht darin, dass über verstemmte Verbindungen höhere Drehmomente übertragen werden können.
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In einer Ausführungsform ist mindestens eine weitere Stelle auf der Oberfläche des ringförmigen Bodens des Verbindungselements relativ zum Sensorelement verstemmt. Um das Sensorelement sicher am Verbindungselement zu befestigen, können vorzugsweise mehrere Stellen auf der Oberfläche des ringförmigen Bodens des Verbindungselements relativ zum Sensorelement verstemmt werden. Auf diese Weise kann das Sensorelement gleichmäßig in radialer Richtung am Verbindungselement fixiert sein. Es ist dabei wichtig, dass das Sensorelement während des Verstemmens nicht beschädigt wird.
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In einer Ausführungsform ist das Verbindungselement eine gezogene Hülse. In anderen Worten, der ringförmige Boden und die umlaufende Wand des Verbindungselements können sich so in axialer Richtung erstrecken, dass im Innenraum des Verbindungselements ein vorzugsweise ringförmiges Sensorelement vollständig aufgenommen werden kann.
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In einer Ausführungsform weist der ringförmige Boden des Verbindungselements gegenüber der umlaufenden Wand des Verbindungselements einen größeren Durchmesser auf. In anderen Worten, die umlaufende Wand des Verbindungselements, die zylindrisch ausgebildet ist, kann an einem Ende einen in radialer Richtung umlaufenden und nach außen gestülpten Überstand aufweisen.
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In einer Ausführungsform umfasst das Sensorelement einen Sensor und ein Gehäuse, das den Sensor umgibt. Das Gehäuse kann zum Beispiel aus Kunststoff hergestellt sein. Ein Durchmesser des Bodens des Gehäuses kann so an einen Durchmesser des Sensors angepasst sein, dass der Sensor gerade passend ins Gehäuse eingefügt werden kann. Beim Einlegen des Gehäuses ins Verbindungselement in axialer Richtung kann ein offenes Ende des Gehäuses auf den ringförmigen Boden des Verbindungselements anliegen.
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In einer Ausführungsform weist das Gehäuse einen ringförmigen Boden und eine umlaufende Außenwand auf, und die umlaufende Außenwand des Gehäuses liegt auf dem Absatz des Verbindungselements auf. Das Gehäuse des Sensorelements kann einen ringförmigen Boden mit einer umlaufenden Innenwand und einer umlaufenden Außenwand aufweisen. Wenn das Gehäuse mit dem Sensor in axialer Richtung ins Verbindungselement eingelegt wird, kann die umlaufende Außenwand des Gehäuses auf dem Absatz des Verbindungselements aufliegen, der an der Innenseite der umlaufenden Wand des Verbindungselements in Umfangsrichtung geformt ist. Auf diese Weise kann das Sensorelement bzw. das Gehäuse mit dem Sensor im Verbindungselement radial ausgerichtet sein.
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In einer Ausführungsform ist der Sensor im ringförmigen Gehäuse mit einem Kunststoffverguss eingebettet und der Kunststoffverguss bedeckt eine axiale Stirnfläche des Sensors. Die axiale Stirnfläche kann eine Oberfläche des Sensors sein, die dem ringförmigen Boden des Verbindungselements gegenüberliegt. Das im Gehäuse befindliche Sensorelement kann mit einem Verguss versehen sein, um empfindliche elektronische Komponenten wie bestückte Leiterplatten oder Leistungsmodule vor chemischen, korrosiven oder mechanischen Einflüssen zu schützen. Auch eine Reduzierung von thermischen Spannungen, eine Abführung von Wärme, sowie ein Schutz vor Brandgefahr sind beim Vergießen möglich. Als Vergussmaterial kann ein niedrigviskoses Material aus beispielsweise PU, Epoxid oder Silikon zum Einsatz kommen.
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In einer Ausführungsform ist nur das Verbindungselement durch das Verstemmen punktuell und plastisch verformt. Das Verbindungselement und das Sensorelement können durch das Verstemmen zueinander fixiert werden. Durch das Verstemmen kann jedoch nur das Verbindungselement elastisch oder plastisch verformt werden, um eine kraft- und formschlüssige Verbindung mit dem Sensorelement zu erzeugen ohne das Sensorelement zu beschädigen.
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In einer Ausführungsform kann das Verbindungselement in seinem Boden mindestens eine Öffnung zur Durchführung eines Kabels des Sensorelements aufweisen. 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.
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Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin eine Lageranordnung. Die Lageranordnung umfasst ein Wälzlager mit einem ersten Lagerring, einem relativ zu dem ersten Lagerring drehbaren zweiten Lagerring und mehreren zwischen dem ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring angeordneten Wälzkörpern. An einem der beiden Lagerringe ist die beschriebene erfindungsgemäße Sensoreinheit befestigt, die sich radial zwischen den beiden Lagerringen befindet.
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Zwischen der Sensoreinheit und dem Lagerring könnte eine Presseverbindung, insbesondere eine Zylinderpressverbindung bestehen.
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Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer ringförmigen Sensoreinheit. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen eines Sensorelements,
- - Bereitstellen eines Verbindungselements mit einem ringförmigen Boden und einer umlaufenden Wand, wobei das Verbindungselement einen Absatz an einer Innenseite der umlaufenden Wand aufweist,
- - Einlegen des Sensorelements so in das Verbindungselement, dass das Sensorelement auf dem Absatz aufliegt, und
- - Verstemmen mindestens einer Stelle auf einer Oberfläche des ringförmigen Bodens des Verbindungselements relativ zum Sensorelement, sodass das Verbindungselement und das Sensorelement zueinander fixiert werden.
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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.
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Es zeigen:
- 1 eine Teilansicht eines Querschnitts einer ringförmigen Sensoreinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine Perspektivansicht einer ringförmigen Sensoreinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine Teilansicht eines Querschnitts einer ringförmigen Sensoreinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 4 eine Teilansicht eines Querschnitts einer Lageranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 5 eine Teilansicht eines Querschnitts einer Lageranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 6 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer ringförmigen Sensoreinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 und 2 zeigen eine ringförmige Sensoreinheit 10 mit einem Sensorelement 2 und einem Verbindungselement 1. Das Verbindungselement 1 kann eine Hülse oder ein Gehäuse aus Metall oder Kunststoff sein. Das Verbindungselement 1 weist einen ringförmigen Boden 11 und eine umlaufende Wand 12 auf. Der ringförmige Boden 11 des Verbindungselements 1 weist gegenüber der umlaufenden Wand 12 des Verbindungselements 1 einen größeren Durchmesser auf. Ferner weist das Verbindungselement 1 einen Absatz 4 an einer Innenseite der umlaufenden Wand 12 auf. Der Absatz 4 kann entlang der Umfangsrichtung des Verbindungselements 1 radial ausgebildet sein. In anderen Worten, die Innenseite der umlaufenden Wand 12 des Verbindungselements 1 kann in Richtung des ringförmigen Bodens 11 stufenförmig gestaltet sein.
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Das Sensorelement 2 umfasst vorzugsweise eine ringförmige Leiterplatte. Das Sensorelement 2 ist dazu eingerichtet, um zumindest eine Lagerzustandsgröße wie beispielsweise Drehzahl, Temperatur und Drehwinkel zu erfassen. Das Sensorelement 2 kann auch mehrere Sensoren zur Erfassung unterschiedlicher Zustandsgrößen umfassen. Das Sensorelement 2 ist in das Verbindungselement 1 in axialer Richtung so eingelegt, dass das Sensorelement 2 auf dem Absatz 4 aufliegt. Auf diese Weise kann das Sensorelement 2 im Verbindungselement radial ausgerichtet werden. Ein Durchmesser des Verbindungselements 1 kann größer als ein Durchmesser des ringförmigen Sensorelements 2 sein, sodass das Sensorelement 2 vollständig in einen Innenraum des Verbindungselements 1 eingelegt werden kann.
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Zur Fixierung des Sensorelements 2 am Verbindungselement 1 ist mindestens eine Stelle 6, vorzugsweise mehrere Stellen 6' auf einer Oberfläche des ringförmigen Bodens 11 des Verbindungselements 1 relativ zum Sensorelement 2 verstemmt. Beim Verstemmen wird nur das Verbindungselement 1 punktuell und plastisch verformt, sodass das im Verbindungselement eingelegte ringförmige Sensorelement 2 nicht beschädigt wird.
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Wie in 3 gezeigt, kann das Sensorelement 2 einen Sensor 2' und ein Gehäuse 3 umfassen. Das Gehäuse 3 weist einen ringförmigen Boden 31, eine umlaufende Außenwand 32 und eine umlaufende Innenwand 33 auf. Auf diese Weise umgibt das Gehäuse 3 den ins Gehäuse eingelegten Sensor 2'. Der Sensor 2' ist im ringförmigen Gehäuse 3 mit einem Kunststoffverguss 7 eingebettet, wobei der Kunststoffverguss 7 eine axiale Stirnfläche des Sensors 2' bedeckt. Auf diese Weise können empfindliche elektronische Komponenten wie bestückte Leiterplatten oder Leistungsmodule vor chemischen, korrosiven oder mechanischen Einflüssen geschützt werden.
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Beim Einlegen des Gehäuses 3 ins Verbindungselement 1 in axialer Richtung liegt ein offenes Ende des Gehäuses 3 auf den Boden 11 des Verbindungselements 1 an. Die umlaufende Außenwand 32 des Gehäuses 3 liegt zur radialen Ausrichtung des Sensorelements 2 auf dem Absatz 4 des Verbindungselements 1 auf, der entlang der Umfangsrichtung des Verbindungselements 1 radial ausgebildet ist. Zur Fixierung des Sensorelements 2 am Verbindungselement 1 ist mindestens eine Stelle 6, vorzugsweise mehrere Stellen auf der Oberfläche des ringförmigen Bodens 11 des Verbindungselements 1 relativ zum Sensorelement 2 verstemmt. Hier wird auch nur das Verbindungselement 1 durch das Verstemmen punktuell und plastisch verformt.
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4 und 5 zeigen eine Lageranordnung, die ein Wälzlager 20 mit einem ersten Lagerring 21, einem relativ zu dem ersten Lagerring 21 drehbaren zweiten Lagerring 22 und mehreren zwischen dem ersten Lagerring 21 und dem zweiten Lagerring 22 angeordneten Wälzkörpern 23 umfasst. An einem der beiden Lagerringe 21, 22 ist die beschriebene erfindungsgemäße Sensoreinheit 10 befestigt, die sich radial zwischen den beiden Lagerringen 21, 22 befindet.
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6 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 mit einem ringförmigen Boden 11 und einer umlaufenden Wand 12, wobei das Verbindungselement 1 einen Absatz 4 an einer Innenseite der umlaufenden Wand 12 aufweist,
- - Einlegen S3 des Sensorelements 2 so in das Verbindungselement 1, dass das Sensorelement 2 auf dem Absatz 4 aufliegt, und
- - Verstemmen S4 mindestens einer Stelle 6 auf einer Oberfläche des ringförmigen Bodens 11 des Verbindungselements 1 relativ zum Sensorelement 2, sodass das Verbindungselement 1 und das Sensorelement 2 zueinander fixiert werden.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- ringförmige Sensoreinheit
- 1
- Verbindungselement
- 11
- ringförmiger Boden des Verbindungselements
- 12
- umlaufende Wand des Verbindungselements
- 2
- Sensorelement
- 2'
- Sensor
- 3
- Gehäuse
- 31
- ringförmiger Boden des Gehäuses
- 32
- umlaufende Außenwand des Gehäuses
- 33
- umlaufende Innenwand des Gehäuses
- 4
- Absatz
- 6
- Verstemmungsstelle
- 7
- Kunststoffverguss
- 20
- Wälzlager
- 21
- erster Lagerring
- 22
- zweiter Lagerring
- 23
- Wälzkörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015203861 A1 [0003]
