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Die Erfindung betrifft ein Lastbestimmungssystem für ein Wälzlager und ein Verfahren zum Bestimmen einer Last auf ein Wälzlager.
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Hintergrund der Erfindung
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Wälzlager sind präzise gefertigte Komponenten, deren Steifheit in mehr als einer Richtung berechenbar ist, so dass die Bewegung des Innenrings des Lagers hinsichtlich des Außenrings als eine Funktion von Last, Temperatur und leichten Thermalparametern berechenbar ist.
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Verfahren, die kontaktlose Sensoren wie beispielsweise Magnetsensoren verwenden, sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise in dem Dokument
JP 2008-215977 A offenbart.
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In dieser Technologie wird ein Sensorsystem verwendet, das auf eine Bestimmung einer Radgeschwindigkeit einer ABS (Anti-Blockier-System) Kontrolle oder einer Rutschkontrolle, die die Frequenz des Sensorsignals verwendet, optimiert ist, um zusätzlich die Last, die auf das Lager wirkt, festzustellen. Zu diesem Zweck wird die Amplitude des Signals, das von dem Magnetsensor erhalten wird, ausgelesen. Die Amplitude des magnetischen Felds, das zwischen einem Magnetsensor und einem Winkelzielring wirkt, hängt von der axialen Distanz zwischen diesen Elementen ab und wird dazu verwendet, die relative axiale Position der Ringe zueinander zu bestimmen.
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Kommerziell erhältliche Nabeneinheiten mit Sensorlagern sind auf eine Radgeschwindigkeitsfeststellung und auf die Periodenlänge des magnetisch aktiven Musters auf oder in dem Zielring von ungefähr 8 mm oder mehr optimiert. Diese Periodenlänge wird im Folgenden auch als Wellenlänge des Zielrings bezeichnet. Für typische Durchmesser von 270 mm und mehr führt dieses Teilungsmaß zu einer ausreichenden Winkelauflösung, während ein ausreichend hohes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis und ordentlich detektierbare Pulse sichergestellt sind. Die relativ große Wellenlänge stellt ein gutes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis innerhalb der elastischen Bewegung des Lagers unter beliebiger Last sicher, erlaubt aber nicht eine genaue Feststellung der Last, da diese relativ wenig mit der Verschiebung zwischen dem magnetischen Ring und dem magnetischen Sensor variiert. Eine kürzere Wellenlänge würde eine verbesserte Änderung mit dem Abstand ermöglichen.
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Wenn, wie beispielsweise in der
JP 2008-215977 A beschrieben, Standardzielräder für die Lastdetektion verwenden werden, hat die charakteristische Funktion, die die Abhängigkeit der Signalamplitude von dem Abstand beschreibt, eine ziemlich flache Neigung, so dass die Auflösung bei der Abstandsdetektion gering ist. Der Grund dafür ist naheliegend: Da Standardsensorräder auf die Radgeschwindigkeitsdetektion optimiert sind, sollte das Signal soweit wie möglich unbeeinflusst von Änderungen in dem Abstand sein.
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Auf der anderen Seite offenbart die Anmeldung
PCT/EP2010/00345 ein Verfahren, das Dehnungsmessstreifen, die an dem Innenring oder an dem Außenring des Lagers befestigt sind, verwendet, um die elastischen Deformationen des Lagers zu messen. Die lokale Deformation ist ein Maß der Laständerung bezüglich einer Basislinie. Die Basislinie hängt jedoch von der Temperatur und thermalen Gradienten, die durch Reibungswärme induziert werden, ab, so dass es normalerweise unmöglich ist, von den absoluten Dehnungen auf absolute Lasten zu schließen.
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Als eine Konsequenz sind beide Verfahren unbefriedigend. Während das Verschiebesensorverfahren unfähig ist, die Auswirkungen der lokalen Dehnungen oder thermalen Expansionen zu berücksichtigen, hat die konventionelle Methode, die Dehnungsmessstreifen verwendet, Probleme beim Feststellen absoluter Werte für die Last.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung schlägt eine Lösung für die oben genannten Probleme vor und startet von einem Lastbestimmungssystem mit einem Sensorwälzlager in einer Nabeneinheit für Räder. Das Lager umfasst einen ersten Ring und einen zweiten Ring als einen Innenring und einen Außenring, wobei entweder der erste oder der zweite Ring der Innenring sein kann, während der andere Ring der Außenring ist. Das System umfasst mindestens einen Magnetsensor, der an dem ersten Ring derart befestigt ist, um mit einem Zielrad, das an dem zweiten Ring befestigt ist, zu interagieren. Weiterhin umfasst das System eine Signalverarbeitungseinheit, die dazu ausgelegt ist, die Magnetsensorausgabe des zumindest einen Magnetsensors zu empfangen, wobei die Signalverarbeitungseinheit dazu ausgelegt ist, zumindest axiale Kräfte, die auf das Lager wirken, basierend auf der Amplitude der Magnetsensorausgabe zu bestimmen.
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Es wird vorgeschlagen, dass eine Teilungsmaßwellenlänge des Zielrings 4 mm oder weniger ist. Die magnetische Interaktion zwischen dem Zielring und dem Sensor verringert sich in guter Näherung exponentiell mit einem steigenden Abstand. Der Abklingfaktor ist eine Funktion der charakteristischen Längenskalen der Strukturen auf dem Umfang des Zielrings, das heißt insbesondere der Teilungsmaßwellenlänge oder der Periodenlänge des Musters. Unter der Voraussetzung, dass die Teilungsmaßwellenlänge die einzige relevante Längenskala ist, folgt aus den Skalierungsargumenten unmittelbar, dass der Abklingfaktor, das heißt der Abstand, bei dem die Amplitude um 1/е (e: Eulersche Konstante) abfällt, proportional zu der Teilungsmaßwellenlänge ist. Die Wahl der Teilungsmaßwellenlänge gemäß der Erfindung steigert die Sensitivität des Systems derart, dass der Abklingfaktor bis auf 2 mm–1 oder sogar über diesen Wert steigt, wobei der Abklingfaktor in momentan erhältlichen ABS-Naben 1 mm–1 oder weniger beträgt. Der vorstehende Wert entspricht der minimalen Sensitivität, die für eine zuverlässige Detektion der Lagerdeformationen, die durch Kurvenkräfte in einer Automobilnabeneinheit oder einer Lastwagennabeneinheit verursacht werden, benötigt wird.
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Die Wahl der kleinen Teilungsmaßwellenlänge in einer Nabeneinheit, die nicht lediglich eine Lastdetektion sondern eher ein Feststellen der Radgeschwindigkeit in einer ABS-Kontrolle implementiert, ist nicht offensichtlich, da die gesteigerte Sensitivität hinsichtlich der Distanzvariationen dem allgemeinen Ziel, diese Sensitivität in ABS-Naben zu vermeiden, widerspricht. Die Zielringe in ABS-Naben haben typischerweise Durchmesser von 200–300 mm und Breiten von 10–20 mm, und die Größe (Länge in Umfangsrichtung) des Sensors liegt zwischen 1,5 mm und 3 mm oder ist zumindest kleiner als die Teilungsmaßwellenlänge.
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Die Erfindung ist bei verschiedenen Arten von Wälzlagern, die in Nabeneinheiten von Automobilen, Lastwagen oder Zügen verwendet werden, einsetzbar, inklusive doppelreihigen Wälzlagern, Kegelrollenlager, toroidalen Rollenlagern, Kugellagern oder ähnlichen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Lastbestimmungssystem weiterhin zumindest einen Deformationssensor umfasst. Der Deformationssensor ist dazu ausgelegt, an einem Innenring oder an einem Außenring des Lagers befestigt zu sein, und die Signalverarbeitungseinheit ist dazu ausgelegt, die Deformationssensorausgabe des mindestens einen Deformationssensors zu empfangen. Der Deformationssensor kann als ein Standarddehnungsmessstreifen ausgebildet sein, der auf einer gemusterten Metallfolie, einem Halbleiter oder einem piezoelektrischen Dehnungsmessstreifen basiert, oder auf einem Faser-Bragg-Gitter (FBG), das an dem Innenring oder dem Außenring zumindest an einer Position, vorzugsweise an mehreren, homogen über den Umfang verteilten Positionen, angebracht ist, basiert.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Signalverarbeitungseinheit weiterhin dazu ausgelegt, die Magnetsensorausgabe des magnetischen Sensors zu empfangen und eine Lagerlast als eine Funktion der Deformationssensorausgabe und der Magnetsensorausgabe zu berechnen.
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Dadurch, dass beide Arten von Sensorausgaben verwendet werden, ist die Erfindung fähig, die Vorteile beider Verfahren gemäß dem Stand der Technik zu kombinieren, und deren entsprechende Nachteile zu vermeiden, wie im Folgenden beschrieben werden wird.
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Durch Verwendung der absoluten Distanzmessung basierend auf der Magnetsensorausgabe sind das Verfahren und das System fähig, den Drift, der durch Reibungshitze induziert wird, zu annulieren, aber zusätzlich einen Weg bereitzustellen, um Lagerlasten und Lagersysteme mit mehreren elastischen Reduzierungen der Tilgung, die unzureichend sind, um einen oder mehrere Lastvektoren zu bestimmen, zu messen. Dies geschieht insbesondere bei doppelreihigen kompakten Radlagereinheiten, bei denen zwei Wälzkörperreihen in großer Nähe zueinander sind. Es ist bekannt, dass Kurvenlasten zu sehr ähnlichen Dehnbeanspruchungsmustern auf den Flächen der Lager für sehr verschiedene Manöver auftreten und normalerweise nicht durch die Verwendung von Dehnungsmessstreifen alleine bestimmt werden können.
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Das Zielrad wird vorzugsweise zum Messen der Winkelposition des Lagers verwendet. In diesem Zusammenhang der Erfindung kann das Zielrad eine beliebige Art von Rad oder Zahnrad, das magnetisch mit dem Magnetsensor interagiert, sein, so dass ein Sensorsignal produziert wird, das mit dem Abstand zwischen den Sensor und dem Rad variiert.
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Vorzugsweise ist das Zielrad derart angeordnet, dass es einer Detektionsfläche des Sensors mit einem axialen Spalt zugewandt ist. Folglich ist der Abstand und demnach das Sensorsignal eine direkte Funktion der axialen Verschiebung zwischen dem Innenring und dem Außenring. Es kann jedoch möglich sein, geneigte Detektionsflächen oder Detektionsflächen, die in eine radiale Richtung zeigen, in anderen Ausführungsbeispielen, zu verwenden
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Vorzugsweise ist der Magnetsensor als ein differentialer Hallsensor ausgebildet. Ein differentialer Hallsensor, vorzugsweise mit einem Rückenmagnet, wenn er mit einem magnetisch hervorspringenden sich drehenden Ring verwendet wird, beobachtet die speziellen Variationen des Magnetfelds aufgrund der Passage des eingekerbten magnetisch durchlässigen Stahlrings, Zielrings, Scheibe oder Zahnrads, oder kann mit einem Zielring kombiniert werden, der eine Vielzahl von genau produzierten Nord- und Südpolen an seiner Oberfläche (ein Multipolmagnetring mit alternierend magnetisierten Regionen ähnlich einer Hallbach-Anordnung) umfasst.
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Weiterhin ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinheit dazu ausgelegt ist, eine Lagerlast als eine Funktion der Magnetsensorausgabe zu berechnen. Durch das Beschränken der Signalverarbeitung auf die Amplitude, wird die Verarbeitung im Vergleich zu komplexeren Lösungen, bei denen mehr Information, beispielsweise hinsichtlich des Frequenzspektrums, aus dem Signal extrahiert wird, sehr vereinfacht.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Signalverarbeitungseinheit dazu ausgelegt ist, die Sensorsignale zu verarbeiten, indem eine Drift, die durch Reibungshitze verursacht wird, vor dem Berechnen des Mittelwerts aus den Sensorsignalen zu entfernen. Die Drift kann insbesondere basierend auf den Deformationssensorsignalen berechnet werden.
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Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren, das das Lastdetektionsverfahren, wie oben beschrieben, implementiert. Insbesondere umfasst das Verfahren die Schritte des Empfangens einer Magnetsensorausgabe des mindestens einen Magnetsensors und des Berechnens der Last als eine Funktion zumindest der Deformationssensorausgabe. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt des Berechnens einer Lagerlast als eine Funktion der Magnetsensorausgabe.
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Die obigen Ausführungsbeispiele der Erfindung genauso wie die anhängenden Ansprüche und Figuren zeigen verschiedene charakterisierende Eigenschaften der Erfindung in speziellen Kombinationen. Der Fachmann ist leicht befähigt, sich weitere Kombinationen oder Unterkombinationen dieser Merkmale auszudenken, um die Erfindung, die in den Ansprüchen definiert ist, an seine oder ihre spezifischen Bedürfnisse anzupassen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 ist eine schematische Darstellung eines Lastbestimmungssystems, das in einem Lager verwendet wird, das in einer Automobilnabeneinheit integriert ist.
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2 ist ein Zielring des Lastbestimmungssystems nach 1.
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3 ist ein adaptierter Magnetsensor des Lastbestimmungssystems von 1 und 2.
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4 ist eine schematische Darstellung einer Sensorausgabe des Sensors gemäß 3 für verschiedene Breiten eines Spalts.
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5 ist ein Kurvendiagramm, das die Relation zwischen der Breite des Spalts zwischen dem Sensor und dem Zielring, und eine Signalamplitude des Sensorsignals darstellt.
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6 ist ein Kurvendiagramm, das eine Relation zwischen einer Teilungsmaßwellenlänge/Periodenlänge des Zielrings gemäß 2 und einer exponentiellen Abklingkonstante in der in 5 illustrierten Relation darstellt.
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7 illustriert eine Relation zwischen einer Anstellung des Zielrings und einer lateralen Kraft, die auf die Lagereinheit wirkt.
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8 illustriert einen Vergleich zwischen einer lateralen Kraft, die auf die Lagereinheit wirkt, wie durch das Lastbestimmungssystem gemäß der Erfindung abgeschätzt, und der lateralen Kraft, die tatsächlich angewandt ist.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 stellt eine Nabeneinheit eines Automobils dar, mit einem Lager 10, das als ein doppelreihiges Wälzlager ausgebildet ist. Das Lager umfasst einen Innenring 12, der an einer Achse befestigt ist und einen Außenring 14. Die Nabeneinheit ist mit einem integrierten ABS (Antiblockiersystem) ausgestattet und ist mit einem Zielring 18, der als eingekerbter magnetisch durchlässiger Stahlring ausgebildet und an dem Außenring 14 befestigt ist, ausgestattet.
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Der Zielring 18 ist in 2 dargestellt und ist als ein Stahlring mit Aussparungen und sich radial erstreckenden Trennstegen, die die Aussparungen voneinander trennen, ausgebildet. Der Abstand der Aussparungen in radialer Richtung, das heißt das Teilungsmaß w des Rings beträgt ungefähr 3 bis 4 mm und ist deshalb kleiner als das Teilungsmaß der Zielringe, die in Standard-ABS-Sensoren verwendet werden, bei denen die Periodenlänge zwischen 6 mm und 8 mm liegt. Hier und im Folgenden wird die Periodenlänge auch als Wellenlänge w beschrieben. Die Teilungsmaßwellenlänge w kann beispielsweise entlang eines gekrümmten Abstands eines Kreises, der die Mittelpunkte der radialen inneren Kanten der Aussparungen verbindet, gemessen werden.
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3 ist eine schematische Darstellung eines Sensors 16, der als ein Differentialhallsensor mit Rückenmagnet ausgebildet ist, der die räumliche Veränderung des Magnetfelds in Abhängigkeit des Durchgangs des eingekerbten magnetisch durchlässigen Stahlrings 18 beobachtet. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf Zielringe der eingekerbten magnetisch durchlässigen Stahlringe eingeschränkt, sondern kann mit Stahlscheiben, Zahnrädern oder magnetisierten Zielringen, die eine Vielzahl präzise produzierter Nord- und Südpole auf ihrer Oberfläche aufweisen, verwendet werden. Im letzteren Fall ist auch ein Differentialhallsensor ohne Rückenmagnet einsetzbar.
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Wie in 3 dargestellt umfasst der Magnetfeldsensor 16 ein Joch 20 in Umfangsrichtung des Zielrings 18 und das mehrere Wellenlängen des Zielrings 18 bedeckt. Ein Rückenmagnet 22 ist in einem Mittelteil des Jochs 20 vorgesehen und erzeugt magnetische Feldlinien, die durch einen oder mehrere Differential-Magnetfeldsensoren 21 verlaufen, die auf zumindest einem der zwei magnetischen Kreise, die durch einen Fuß des Jochs 20 und durch den Zielring verlaufen, angeordnet sind. Wenn ein Endabschnitt des Jochs 20, der dem Zielring gegenüber liegt, über der Aussparung im Zielring angeordnet ist, werden die magnetischen Feldlinien unterbrochen oder zumindest stark geschwächt, während sie einfach einen Spalt G zwischen dem Zielring 18 und den Endflächen des Jochs 20 und des davon mittigen Differentialmagnetfeldsensors 21 passieren, wenn letzterer über einem Trennsteg des Zielrings 18 angeordnet ist.
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Wenn der Zielring 18 sich unter dem Sensor 16 vorbei dreht, oszilliert deshalb das magnetische Feld, das durch den Differentialmagnetfeldsensor 21 gemessen wird, mit einer Frequenz, die der Frequenz der vorbeilaufenden Aussparungen im Zielring 18 entspricht.
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Es ist wichtig zu bemerken, dass die Amplitude dieser Oszillation von der Breite des Spalts G zwischen dem Sensor 16 und dem Zielring 18, genauer gesagt, zwischen den Endflächen des Jochs 20 und des Differentialmagnetsensors und den Trennstegen des Zielrings 18 abhängt. Grundsätzlich ist die Amplitude eine exponentiell abfallende Funktion der Breite dieses Spalts G. Diese Breite wird auch hier und im Weiteren als Abstand bezeichnet.
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Rückkehrend zu 1 werden mehrere Sensoren 16 der in 3 dargestellten Art, an dem Umfang des Zielrings 18 bereitgestellt. In dem tatsächlichen Ausführungsbeispiel werden vier Sensoren 16 bei Winkeln 0°, 90°, 180° und 270° bereitgestellt, obwohl nur einer von ihnen der einfachheitshalber dargestellt ist. Wenn der innere Ring 12 des Lagers und demnach der Zielring 18 hinsichtlich des Außenrings verdreht wird, beispielsweise aufgrund einer Last, die auf das Lager wirkt, verändern sich die Abstände zwischen den Sensoren und dem Zielring 18 proportional zu einer Sinuskurve des Anstellwinkels und deshalb werden unterschiedliche Werte auch in Fällen erhalten, in denen die Abstände in einer Konfiguration, bei der der Innenring 12 und der Außenring 14 perfekt aufeinander ausgerichtet sind, identisch sind.
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Wenn auf der anderen Seite der Innenring 12 axial hinsichtlich des Außenrings 14 verschoben ist, werden sich die Abstände, die durch den Abstandssensor 16 beobachtet werden, in einer identischen Weise ändern.
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Es ist deshalb möglich, die axialen Verschiebungen der Ringe und die Kippwinkel der Ringe mit einer hohen Genauigkeit durch die Verwendung der Sensoren 16 zu messen. Die Genauigkeit hängt insbesondere von der Abklingkonstante der exponentiellen Beziehung zwischen Abstand und Amplitude der Sensorsignale ab. Ein hoher Wert der Abklingkonstante entspricht einer hohen Genauigkeit und ein niedriger Wert der Abklingkonstante entspricht einer niedrigen Genauigkeit.
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Sensoranordnungen der oben beschriebenen Art sind aus ABS-Systemen bekannt, in den axiale Kräfte auf das Lager wirken, wobei die axiale Verschiebung und die Kippwinkel nicht interessant sind, da das ABS-System nur die longitudinale Beschleunigung steuert, die aus der Frequenz der Sensorsignale und nicht aus deren Amplitude abgeleitet wird. Die Interferenz der axialen Verschiebungen und des Kippens ist deshalb minimiert durch die Verwendung von Geometrien mit kleinen exponentiellen Abklingkostanten mit Werten um ungefähr 0,5 mm–1. Der Wert der exponentiellen Abklingkonstanten hängt insbesondere von der Wellenlänge der Aussparungen in dem Zielring 18 ab. Lange Wellenlängen entsprechen einem langsamen Abklingen, während kurze Wellenlängen einem schnellen Abklingen entsprechen. ABS-Sensoren auf dem Markt benutzen üblicherweise Wellenlängen von ungefähr 6 mm bis 8 mm.
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Der ABS-Sensor gemäß vorliegender Erfindung weist eine kleinere Teilungsmaßwellenlänge w auf, insbesondere eine Wellenlänge w von weniger als 4 mm, vorzugsweise weniger als 3 mm, um so auf Werte der Abklingkonstante von 1,5 mm–1 oder mehr zu kommen.
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Neben den magnetischen Sensoren 16 ist der Außenring mit vier gleich beabstandeten Dehnungsmesssensoren 24 ausgestattet, die auf der radialen äußern Fläche des Außenrings 14 angebracht sind. Abhängig von dem Anwendungsumfeld können die Dehnungsmesssensoren 24 durch Plastikabdeckungen geschützt sein und/oder in Einkerbungen oder in einer umfänglichen Nut eingebettet sein.
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Die Dehnungsmesssensoren 24 sind auf lokale Deformationen der äußeren Fläche des Außenrings, insbesondere auf Dehnungsdeformationen sensitiv. Dennoch führen Temperaturänderungen oder thermale Gradienten in dem Lager unweigerlich zu lokalen Deformationen, die aus der thermalen Expansion des Materials resultieren, und diese Beiträge sind nicht direkt abhängig von der Kraft, die auf das Lager wirkt.
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Weiterhin unterscheiden die Signale der Dehnungsmesssensoren 24 nicht zwischen verschiedenen Deformationsarten des Außenrings 14. Beispielsweise kann eine Scherdeformation in einer ersten axialen Richtung, die durch Kräfte verursacht wird, die in einem Kurvenmanöver nach rechts erzeugt werden, zu dem gleichen Sensorausgabemuster führen, wie eines, das in einem Kurvenfahrmanöver nach rechts erhalten wird, da die zwei entsprechenden Deformationsmuster Spiegelbilder voneinander bezüglich einer radialen Mittelfläche des Rings sind, so dass die Sensoren 24, die in dieser Ebene angeordnet sind, den Unterschied nicht sehen.
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Die Dehnungsmesssensoren 24 haben deshalb eine sehr begrenzte Fähigkeit absolute Werte der Kräfte zu detektieren, und können Informationen bezüglich der Richtung, in welcher die Kräfte wirken, nicht detektieren.
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Das Lastbestimmungssystem ist mit einer Signalverarbeitungseinheit
26 ausgestattet, die Signale von den Dehnungsmesssensoren
24 und von den Magnetsensoren
16 empfängt, und verwendet die kombinierten Sensorsignale, um die Last, die auf das Lager wirkt, festzustellen, wobei die verschiedenen Frequenzkomponenten, wie im Detail in der Druckschrift
WO2011/154016A1 diskutiert ist, separat behandelt werden. Der Offenbarungsgehalt letzterer Anmeldung hinsichtlich der Verarbeitung der Signale der Dehnungsmesssensoren
24 ist hiermit über in Bezugnahme mit aufgenommen. Insbesondere werden die Sensorsignale vorverarbeitet, indem eine Drift der Sensorsignale, die durch eine Reibungshitze verursacht wird, vor dem Berechnen des Mittelwerts entfernt wird.
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Die axialen Kraftkomponenten werden hauptsächlich basierend auf den Signalen, die von den Magnetsensoren 16 empfangen werden, bestimmt, wie im Weiteren beschrieben wird.
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4 ist eine schematische Darstellung einer Sensorausgabe des Sensors gemäß 3 für verschiedene Spaltbreiten. Wie dargestellt ist die Sensorausgabe ungefähr sinusförmig mit einer Frequenz, die der Frequenz der vorbeilaufenden Aussparungen in dem Zielring entspricht. Eine hohe Amplitude entspricht einem engen Spalt G und eine kleine Amplitude einem breiten Spalt G. Grundsätzlich ist die Spannungsvariation des Differentialhallsensors von dem unter ihm vorbeilaufenden Zielring eine Funktion des Abstandes oder der Breite des Spalts G. Je größer der Abstand ist, desto kleiner wird das Signal. 4 ist eine Darstellung der Spannung des Hallsensors als Funktion eines Winkels eines Stahlzielrads mit 48 Aussparungen (7,5 Grad für einen vollständigen Sinus), wobei beispielsweise der IC-MZ Chip (ein kommerziell erhältlicher 2,000 mm Differentialsensor) und ein 0,4 T bis 1 T Rückenmagnet verwendet werden. Die benachbarten Linien zeigen das Signal, wenn der Sensor 16 in Schritten von 0,1 mm von dem Zielrad 18 entfernt wird.
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5 ist ein Kurvendiagramm, das die Relation zwischen der Breite des Spalts G zwischen dem Sensor 16 und dem Zielring 18 und der Signalamplitude des Sensorsignals in einer logarithmischen Darstellung illustriert. Die gerade Linie in der logarithmischen Darstellung zeigt eine exponentielle Relation an, wobei die beste Anpassung durch eine gestrichelte Linie angezeigt ist, die einem Abklingfaktor von –1,6466 mm–1 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht. Der exakte Wert der Amplitude hängt von der Geometrie des Magnets und des Jochsystems und von der Geometrie der Zähne oder Aussparungen oder Stege in dem magnetisch leitenden Zielring 18 ab.
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6. ist ein Kurvendiagramm, das eine Relation zwischen einer Teilungsmaßwellenlänge/Periodenlänge des Zielrings gemäß 2 und einer exponentiellen Abklingkonstante in der in 5 illustrierten Relation darstellt.
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Wie bereits oben diskutiert, ist der Wert des Exponenten insbesondere auf die Periodenlänge w des Zielrings sensitiv und in einer geringeren Weise auf die Breite des Rings und den Radius der Krümmung. Allgemein liegt der Wert des Exponenten in dem Wertebereich zwischen –0,7 bis –3,5, und der Exponent wird negativer, wenn sich die Periodenlänge verkleinert. Grob gesprochen resultiert eine Periodenlänge von 7 mm in einem Exponenten von ungefähr –1, während eine Periodenlänge von 2,5 mm in einem Exponenten in der Größenordnung von –2,6 resultiert.
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Demnach werden die Periodenlänge und die exakten Geometrieanpassungen verwendet, um die Abstandsmessung an die Größe und den Einsatz des Wälzlagers 10 anzupassen. Für eine hohe Auflösung sind kurze Periodenlängen bevorzugt, aber der Nachteil ist, dass der Sensor 16 eine genaue Stelle und Abstand haben muss, wenn er montiert wird.
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Im Fall eines magnetisch durchlässigen Teils wie beispielsweise eines Zahnrad oder einer eingekerbten Scheibe weisen die Muster Toleranzen in Geometrie und Materialzusammensetzung und Auslauf und Flachheit der Scheibe oder des Rads 18 auf. Deshalb sind die von dem Hallsensor gemessenen Sinuswellenähnlichen Variationen nicht exakt und variieren von Ort zu Ort. Ähnlich können im Fall eines Magnetrings, die in das Material einprogrammierten Magnete von Ort zu Ort variieren. Das Ergebnis ist, dass die beobachteten Signale leicht in Phase und Amplitude variieren.
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Der Effekt der Sinuswellenamplitudenvariation ist dadurch minimiert, dass die Amplitude über eine Umdrehung gemittelt wird. Die Signalverarbeitungseinheit berechnet deshalb diesen Durchschnitt. Mitteln über eine Umdrehung führt zu einem sehr stabilen Auslesen der Signalamplitude und es ist dann möglich, die Amplitude als Funktion des Abstands zu dem Zielring 18, dem Magnetring oder einem magnetischen leitenden (durchlässigen) Ferritring, Zahnrad oder einen scheibenförmigen Teil zu kalibrieren. Die Kalibrierung wird durch das Speichern einer geeigneten Charakteristik wie in 4 dargestellt, in einer Speichereinheit der Signalverarbeitungseinheit 26 erreicht.
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Die Form des räumlichen Differentialmagnetfelds ist also im Allgemeinen nicht sinusförmig. Durch Feinabstimmen der geometrischen Form der Zahnradzähne oder der Geometrie der Aussparungen und Stege in der Stahlblechscheibe, ist es dennoch möglich, die Signalform zu optimieren und die gesamtharmonische Abweichung auf praktische Werte gut unterhalb 2 % THD zu bringen, so dass die Abschätzungsgenauigkeit der Mittelungsamplitude nicht ernsthaft verschlechtert ist, wenn eine Mittelung über mehr oder weniger als 360 Grad in einer praktischen automatisierten Messsituation gemacht wird.
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Durch Verwendung der oben angegebenen Beispielsdaten wird abgeschätzt, wie gut der Abstand w des sich drehenden Zielrings 18 abgeschätzt werden kann. Der erste Schritt ist die Messung der Antwort B als Funktion des tatsächlichen Abstands Xactual. Die Standardabweichung von B, wenn sich die Scheibe dreht, ist zwischen 45 und 55 mal kleiner als B selbst. Zuerst wird der Abstand aus der Mittelungsamplitude B aus dem inversen Anpassungsmodells berechnet: Abstand X_estimate = –1/1,6466·ln(B/0,5052). (1)
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Der Rand in X_estimate mit der B ± 3 fachen Standardabweichung ist 8,5 Mikrometer. Für die Kurvenbelastung eines Fahrzeugs in einer starken Kurve von ungefähr 1G Zentrifugalkraft ist die Reifen-Straße-Kontakt-Belastung in lateraler Richtung in der Größenordnung von 5 kN. Das Lager erfährt eine kombinierte axiale Last von 5 kN und ein korrespondierendes Kurvenlagermoment von 1,6 kNm. Wenn wir eine Kippbewegung von 0,100 mm an dem Teilkreisradius des ABS-Zielrings erwarten, kann eine Differentialbewegung von 0,200 mm gemessen werden. Nachdem dies abgeleitet wurde ist es möglich, mit einer Anpassung eines ABS-Sensors wie oben beschrieben, dies mit einer Auflösung von 8,5 Mikrometer durchzuführen, wenn die Lastauflösung in der Größenordnung von 200 N ist.
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Die tatsächliche Bewegung des Lagers kann, wie Experimente gezeigt haben, substantiell sein.
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7 zeigt eine Relation zwischen einer Verkippung des Zielrings und einer lateralen Kraft, die auf die Lagereinheit wirkt. 7 ist eine Darstellung der relativen axialen Bewegung, die mit Wirbelstromsensoren gemessen ist, um die Korrektheit der Kippbewegung des Innenrings zu dem Außenring in einer Radnabeneinheit, die in BMW E60 Testfahrzeugen verwendet wird, als Funktion der Kurvenbelastungskräfte, die auf das Rad (laterale Reifenkontaktkräfte Fy) ausgeübt werden, zu beweisen. Mehrere Tests lieferten ähnliche Resultate.
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Das Anpassungsmodell, das bei der Verkippungsmessung angewandt wird, gibt eine Abschätzung der lateralen Kräfte aus der Verkippungsbewegung aus. Das Resultat ist als durchgängige Linien dargestellt, die als Charakteristik in der Signalverarbeitungseinheit gespeichert werden können.
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8 illustriert einen Vergleich zwischen einer lateralen Kraft, die auf die Lagereinheit wirkt, wie durch das Lastbestimmungssystem gemäß vorliegender Erfindung abgeschätzt, und der lateralen Kraft, die tatsächlich angewandt ist. Der Vergleich zeigt, dass eine zuverlässige Detektion der axialen Kräfte praktikabel ist, wenn eine Sensoreinheit gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird.
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Neben dem Detektieren der Last kann die Signalverarbeitungseinheit 26 die Sensorinformationen für andere Zwecke, beispielsweise zum Überwachen und Erzeugen von Wartungsinformationen, verwenden. Insbesondere kann die Signalverarbeitungseinheit 26 dazu ausgelegt sein, ein axiales Spiel des Wälzlagers 10 festzustellen und ein Signal zu erzeugen, das eine verbleibende Lagerlebensdauer basierend auf dem axialen Spiel darstellt.
