DE19919006A1 - Einrichtung zum Messen von Lagerdaten - Google Patents

Einrichtung zum Messen von Lagerdaten

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Abstract

Um den Fahrkomfort und die Sicherheit moderner Fahrzeuge weiter zu verbessern, müssen mehr Informationen über die Kräfte und Kraftrichtungen, die an den einzelnen Reifen wirken, den Regelsystemen zur Verfügung gestellt werden. DOLLAR A Um diese Kräfte zu ermitteln, werden in den Radlagern die Verschiebungen zwischen Außenring und Innenring berührungslos mittels Ultraschall gemessen. DOLLAR A Aus diesen Verschiebungen können dann über Kenntnis der Federkennlinie der Radlager die wirkenden Kräfte berechnet werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Belastungsdaten eines Lagers vorzugsweise in einer Radlagerung nach dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1.
Hintergrund der Erfindung
Um den Fahrkomfort und die Sicherheit moderner Fahrzeuge weiter zu verbes­ sern, benötigen die elektronischen Regelsysteme des Fahrbetriebes im Fahr­ zeug zunehmend mehr Informationen über die aktuelle Fahrsituation. Zusätz­ lich zu den aktuellen Daten des Motors, des Getriebes und Drehzahl der ein­ zelnen Räder sollen zukünftig auch die aktuellen Kräfte und Kraftrichtungen, die auf die einzelnen Reifen wirken, zur Regelung des Fahrbetriebes mit her­ angezogen werden. Zur Erfassung dieser Kräfte bieten sich hierbei besonders die Radlager an, da diese die gesamten Kräfte, die am Reifen wirken, auf den Rahmen des Fahrzeuges übertragen. Die Kräfte die vom Reifen auf den Fahr­ zeugrahmen übertragen werden, bewirken im Radlager Verschiebungen und Verkippungen zwischen Innenring und Außenring. Misst man diese Verschie­ bungen zwischen Innenring und Außenring im Radlager, so kann man mit Kenntnis der speziellen Federkennlinie des einzelnen Lagers daraus auf die wirkenden Kräfte direkt Rückschlüsse ziehen.
In der EP 0530093 B1 werden magnetische Abstandsmesser gezeigt, die die Verschiebungen in einer bestimmten Richtung im Wälzlager messen können. Diese magnetischen Abstandsmesser können aber nur in einer Verschie­ bungsachse messen, wobei die Genauigkeit des erzielten Messergebnisses nur im 1/100 mm Bereich liegt. Diese Genauigkeit der Messung reicht nicht aus, um auch kleinere Verschiebungen im Wälzlager zu messen und damit das Fahr­ zeug hinreichend genau in den einzelnen Fahrsituationen regeln zu können.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Messsystem aufzuzeigen, das einerseits genauer misst und andererseits gleichzeitig alle Verschiebungen zwischen dem rotierenden Ring und dem feststehenden Ring in einem Lager messen kann.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.
Hier wird das an sich bekannte Abstandsmessverfahren mittels Ultraschall an­ gewandt. Die hohe Messgenauigkeit von 0,511000 mm wird dadurch erreicht, dass Ultraschallmesseinheiten eingesetzt werden, die mit einer Frequenz grö­ ßer 100 Kilohertz arbeiten. Der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger sind auf dem feststehenden Laufring des Lagers oder im Gehäuse angeordnet. Eine Bezugsfläche, die an dem rotierenden Laufring angebracht ist, reflektiert die Ultraschallstrahlen vom Ultraschallsender zum Ultraschallempfänger. Über eine Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem empfangenen Ultraschallsignal wird dann die Abstandsdifferenz ermittelt. Das Referenzsignal ist ein in der Auswerteelektronik verwendetes Signal, dass mit dem ausgesen­ deten Signal identisch ist und zur Berechnung der Phasendifferenz benutzt wird. Die Absolutmessung des Abstandes zwischen dem feststehenden und dem rotierenden Laufring erfolgt über die Messung der Laufzeit des empfange­ nen Signals.
Eine Sonderform der Ultraschallabstandsmessung über die Phasendifferenz ist das an sich bekannte Verfahren des Ultraschall resonance mode locking. Hier­ bei wird die Resonanzfrequenz (stehende Weile zwischen Ultraschallsender und Bezugsfläche) ermittelt. Das entspricht einer Phasendifferenz von 0° oder 360° zwischen gesendeter und empfangener Welle. Diese Resonanzfrequenz ist direkt proportional zum Abstand zwischen Ultraschallsender und Bezugsflä­ che. Hierbei besteht ein Verfahren darin, dass die Ultraschallfrequenz der aktu­ ellen Abstandsveränderung nachgeregelt wird, so dass die Phasendifferenz konstant bei 0° bzw. 360° bleibt.
Ein anderes Verfahren besteht darin, dass bei einem Ultraschallsender bzw. Ultraschallwandler die Impedanz bei stehender Welle ermittelt wird (Phasen­ lage zwischen Ansteuerstrom und Ansteuerungsspannung im Ultraschallwand­ ler). Diese Phasenlage wird bei einer Abstandsänderung dann durch eine Än­ derung der Ultraschallsendefrequenz wieder auf den Ausgangswert zurückge­ regelt. Bei diesem Verfahren wird kein separater Ultraschallempfänger benötigt.
Gemäß Anspruch 2 können mehrere Ultraschallmesseinheiten in einem Lager angebracht werden, um damit die Verschiebungen zu messen. Durch die ra­ diale Anordnung der Messeinheiten in z. B.: horizontaler oder vertikaler Rich­ tung einer Messebene können alle radialen Verschiebungen direkt gemessen werden. Eine radiale Anordnung der Messeinheiten, in einer Winkellage um 180° versetzt, bewirkt, dass wegen der Differenzmessungen in dieser Kraft­ wirkrichtung noch genauere Ergebnisse erzielt werden.
Gemäß Anspruch 3 wird ein trapezartiger (Sonderfall rechteckiger) Ring auf dem rotierenden Laufring angeordnet. Durch diesen rechteckigen Ring können mit den Ultraschallmesseinheiten zusätzlich zu den radialen Verschiebungen auch axiale Verschiebungen im Wälzlager gemessen werden. Somit können alle Verschiebungen in einem Wälzlager gemessen werden. Durch die Ausbil­ dung dieses Ringes in Form eines Trapezes wird die nicht senkrecht zum Laufring stehende Fläche im Winkel so ausgelegt werden, dass so eine spezifi­ sche Kombination aus Radial- und Axialverschiebungen direkt gemessen wer­ den kann.
Gemäß Anspruch 4 befinden sich die Ultraschallmesseinheiten zwischen zwei Dichtungseinrichtungen. Dies ist notwendig, damit das Messergebnis der Ultra­ schallmesseinheiten nicht durch Verschmutzungen, die von außerhalb in das Wälzlager eindringen, sowie durch Schmierstoffe oder Abrieb aus dem Wälzla­ ger heraus, beeinflußt wird.
Gemäß Anspruch 5 kann die Temperatur der Messstrecke über die Laufzeit­ verschiebung des Ultraschallsignals bei einer bekannten Laufstreckendifferenz direkt bestimmt werden. Der physikalische Zusammenhang ist folgender Formel zu entnehmen:
T = Temperatur; R = spezifische Gaskonstante, χ = Isentropenexponent; Δh = Abstand zwischen Aussparung und Erhebung, Δt = Zeitverschiebung.
Durch das Einbringen von definierten Erhebungen und Aussparungen in die Bezugsfläche des rotierenden Laufringes, kann über die Zeit des Ausbleibens eines Ultraschallsignales am Empfänger beim Übergang von der Erhebung in die Aussparung ΔtA bzw. aus dem Zeitraum des überlagerten Signals beim Übergang von der Aussparung auf die Erhebung ΔtB ein direkter Rückschluß auf die Temperatur im Lager gezogen werden.
Ein weiterer Vorteil der Erhebungen und Aussparungen ist, dass so gleichzeitig die Drehzahl und die Drehrichtung des rotierenden Laufringes, d. h. des Rades, erfaßt werden kann.
Bei der Erfassung der Drehrichtung werden drei aufeinanderfolgende Erhe­ bungen oder Aussparungen mit zunehmender Breite ausgelegt. Dieses be­ kannte Verfahren zur Drehrichtungserkennung ist in DE-OS 37 33 136 beschrie­ ben.
So kann mit einer Ultraschallmesseinheit, in Verbindung mit definierten Ausspa­ rungen und Erhebungen auf der Bezugsfläche, der Abstand bzw. Abstandsver­ änderung zwischen dem feststehenden Ring und dem rotierenden Ring, die Drehzahl und Drehrichtung des rotierenden Ringes und die Temperatur der Messstrecke ermittelt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird anhand von 8 Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Messeinrichtung im Phasenver­ gleichsverfahren.
Fig. 2 zeigt die Kräfte bzw. Momente, die im Radlager wirken.
Fig. 3 zeigt stark vergrößert die daraus resultierenden Verschiebungen im Wälzlager.
Fig. 4 zeigt die Ultraschallmesseinrichtung in einem Wälzlager mit Energie- und Datenaustausch per Telemetrie.
Fig. 5 zeigt die Ultraschallmesseinrichtung in einem Radlager mit Energie- und Datenaustausch über Kabel.
Fig. 6 zeigt verschiedene Anordnungen um radiale Verschiebungen im Lager zu messen. Einzelne Anordnungen: 6a, 6b, 6c, 6d.
Fig. 7 zeigt die Funktionsweise bei Einsatz der Ultraschallmesseinrichtung an den Aussparungen bzw. Erhebungen in der Bezugsfläche.
Fig. 8 zeigt eine Kombination von Dichtscheibe und Lochblech.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Fig. 1 zeigt anhand von mehreren Bildern das grundsätzliche Messprinzip. Ein Ultraschallsender 21 strahlt akustische Wellen im Frequenzbereich < 100 Kilo­ hertz aus, die an der Oberfläche 31 reflektiert werden und vom Empfänger 22 aufgenommen werden. In der unbelasteten Stellung des Lagers ergibt sich für einen Abstand x0 zwischen Außenring und Innenring eine Phasenlage ϕ0 zwi­ schen dem Referenzsignal 23 und dem empfangenen Signal 24. Das Refe­ renzsignal 23 ist ein Signal der Steuerung, das identisch mit dem gesendeten Signal ist. Eine Belastung des Lagers mit äußeren Kräften bewirkt, dass sich der drehende Ring gegenüber dem feststehenden Ring um Δx verschiebt und damit auch die Phasenlage des empfangenen Signals 24. Das empfangene Signal 24 hat jetzt eine Phasenlage 91 gegenüber dem Referenzsignal 23. So­ mit ist Δϕ die daraus resultierende Phasenverschiebung
Δϕ = ϕ1-ϕ0
proportional zur Verschiebung des Lagers und folglich proportional zu den von außen wirkenden Kräften.
Fig. 2 zeigt die Kräfte F1, F2, F3, die auf den Reifen 9 wirken. Über die Felge 8 den Radlagerflansch 6 werden diese Kräfte auf die Innenringe 1 übertragen. Diese Kräfte bzw. Momente verursachen nun im Radlager Verschiebungen und Verkippungen zwischen dem feststehenden Außenring 2 und dem rotierenden Innenring 1. Aus Kenntnis der Federkennlinie des Radlagers, des Radlagerflansches 6, der Felge 8 und des Reifens 9 sowie deren geometri­ schen Verhältnisse werden dann diese Verschiebungen in wirkende Kräfte zurückgerechnet.
In Fig. 3 wird die Verkippung zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 gezeigt. Hierbei ist ± Δx die gemessene Verschiebung im Lager. Auf beiden Seiten des Lagers sind hierbei Ultraschallmesseinheiten 21, 22, 31 angeordnet.
Fig. 4 zeigt den Dichtungsbereich eines Wälzlagers. Zwischen dem festste­ henden Außenring 2 und dem rotierenden Innenring 1 sind die Ultraschall­ messeinheiten zwischen den Dichtungen 10, 11 angeordnet. Der Ultraschall­ sender 21 strahlt die Schallwellen in Richtung rechteckiger Bezugsfläche 30 aus. An der Oberfläche 31 dieser Bezugsfläche wird das Signal reflektiert und kommt zum Ultraschallempfänger 22. Die gemessenen Signale werden über flexible Leiterbahnen 25 zur zentralen Recheneinheit 41 übertragen. Diese Re­ cheneinheit sendet dann das Protokoll, das die zu übertragenden Lagerinfor­ mationen enthält, an die telemetrische Sende- und Empfangseinheit 40. In die­ sem Beispiel erfolgt die Energieversorgung der zentralen Recheneinheit 41 per Telemetrie über den Sender 40. Auf der rechteckigen Bezugsfläche 30 ist in radialer Orientierung der Ring mit Aussparungen 35 gezeigt, über den zusätz­ lich zu den Verschiebungen noch die Drehzahl, die Drehrichtung und die Tem­ peratur der Lagerluft bestimmt wird.
Fig. 5 zeigt die Anordnung der Ultraschallmesseinheit zwischen zwei Kugel­ reihen in einem Radlager. Der Außenring 2 steht, und die Innenringe 1, die auf dem Radlagerflansch 6 befestigt sind, rotieren. Die Ultraschallmesseinheiten sind zwischen den beiden Dichtungen 12 angeordnet. Der Ultraschallsender 21 strahlt die Schallwellen in Richtung der rechteckigen Bezugsfläche 30. An der Oberfläche 31 dieser Bezugsfläche wird das Signal reflektiert und kommt zum Ultraschallempfänger 22. Die gemessenen Signale werden über flexible Leiter­ bahnen 25 zur externen Datenauswertung geleitet. Die Energieversorgung der Einheiten erfolgt über Kabel von außerhalb der Einheit. Auf der Bezugsfläche 30 ist in radialer Orientierung der Ring mit Aussparungen 35 gezeigt, über den zusätzlich zu den Verschiebungen noch die Drehzahl, die Drehrichtung und die Temperatur der Messstrecke bestimmt wird.
Fig. 6 zeigt die Winkelpositionen der einzelnen Ultraschallmesseinheiten in einem Lager bei radialer Anordnung in einer Messebene. Der Innenring 1 rotiert, und der Außenring 2 steht. Die Pfeile 50 zeigen die Kraftrichtungen bzw. Ver­ schiebungen, die von den Ultraschallmesseinheiten direkt gemessen werden können. In Fig. 6a wird eine Ultraschallmesseinheit (21, 22, 31) so angeord­ net, dass die Verschiebung in einer Richtung gemessen werden kann. Durch die zusätzliche Anordnung der Ultraschallmesseinheiten (21, 22, 31, 21a, 22a) gemäß Fig. 6b um 90° versetzt, können alle Verschiebungen in einer Ebene bestimmt werden. In Fig. 6c wird die Differenzmessung in einer Richtung ge­ zeigt. Die Ultraschallmesseinheiten (21, 22, 31, 21b, 22b) sind hierbei um 180° versetzt angeordnet. Durch die Differenzbildung beider Messsignale werden die Messungenauigkeiten reduziert. In Fig. 6d ist diese Differenzbildung für zwei Messrichtungen beschrieben. Alle Verschiebungen in dieser Ebene werden dadurch genauer gemessen.
In Fig. 7 zeigt eine Ultraschalleinheit mit dem Signalverlauf an den Ausspa­ rungen und Erhebungen 35 der Bezugsfläche. Das Referenzsignal 23 wird mit dem empfangenen Signal 24 verglichen. Beim Übergang von der Erhebung in die Aussparung wird aufgrund der bekannten längeren Laufstrecke für eine Zeit ΔtA kein Signal empfangen. Beim Übergang von der Aussparung auf die Erhe­ bung wird für den Zeitraum ΔtB ein überlagertes Signal empfangen. Aufgrund der temperaturabhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in Luft werden so bekannte Laufstreckenunterschiede zur Temperaturbe­ stimmung der Messstrecke herangezogen. Somit stehen ΔtA und ΔtB nach oben genannter Formel im bekannten Zusammenhang zur Temperatur der Luft im Lager.
Fig. 8 zeigt den Dichtungsbereich eines Wälzlagers. Der Ultraschallsender 21 und Ultraschallempfänger 22 ist am stehenden Außenring 2 angebracht. Die Bezugsoberfläche des Ultraschallsignals liegt im Schenkel 14 der Dichtung 13. Gleichzeitig sind die Aussparungen zur Drehzahlerkennung in diesem Bereich integriert.
Bezugszeichenliste
1
Innenring hier: rotierend
2
Außenring hier: feststehend
3
Wälzkörper
4
Käfig
6
Radlagerflansch
8
Felge
9
Reifen
10
Dichtung incl. Dichtlippen
11
Äußere Dichtung incl. Dichtlippen
12
Innenliegende Dichtung incl. Dichtlippen
13
Dichtung mit integrierten Aussparungen
14
Schenkel der Dichtung
13
21
Ultraschallsender
21
a, b, c Verschieden angeordnete Ultraschallsender
22
Ultraschallempfänger
22
a, b, c Verschieden angeordnete Ultraschallempfänger
23
Referenzsignal oder gesendetes Signal
24
Empfangenes Ultraschallsignal
25
Flexible Leiterbahnen
30
rechteckige Bezugsfläche
31
Oberfläche
35
Ring mit Aussparungen
35
A Übergang von Erhebung zur Aussparung
35
B Übergang von der Aussparung zur Erhebung
40
Telemetrie Sende- und Empfangseinheit
41
Zentrale Recheneinheit mit Sender und Empfänger
50
Verschiebungen zwischen den Ringen
Mathematische Kurzzeichen
t Zeit
x0
Abstand
x1
Abstand in den Aussparungen
Δx radiale Verschiebung
ϕ0
Standard Winkellage
Δϕ Aktuelle Winkellage
ϕ1
verschobene Winkellage
xh
Abstand zwischen Erhebung und Aussparung
ΔtA
Zeitverschiebung am Beginn der Aussparung
ΔtB
Zeitverschiebung am Ende der Aussparung
F1
, F2
, F3
Verschiedene Kraftrichtungen am Reifen

Claims (6)

1. Einrichtung zum Messen von kleinen Verschiebungen zwischen dem stehenden und dem drehenden Ring von Lagern, bestehend u. a. aus einem am stehenden Laufring oder Gehäuse angebrachten Messwert­ geber und einer am drehenden Laufring oder Welle angeordneten Be­ zugsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messeinheit - bestehend aus mindestens einer stehenden Ultraschallsender - (21) und Ultra­ schallempfangseinheit (22) und einer dazwischen auf dem drehenden Laufring angeordneten, die Ultraschallwellen reflektierenden, Bezugsflä­ che (31) - die Abstandsveränderung über die Phasendifferenz bzw. re­ sonance mode locking oder die Laufzeit zwischen dem empfangenen Signal (24) und dem Referenzsignal (23), das dem gesendeten Signal gleichwertig ist, bestimmt.
2. Einrichtung zum Messen von Lagerdaten gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der radialen Verschiebungen (50) in einer Ebene mehrere Messeinheiten, bezogen auf die Rotationsachse des Lagers in verschiedenen Winkellagen (21, 21a, 21b, 21c, 22, 22a, 22b, 22c, 31) angebracht sind.
3. Einrichtung zum Messen von Lagerdaten gemäß Anspruch 1 und/­ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsfläche in Form eines im Querschnitt trapezförmigen, (Sonderform rechteckigen) Ringes (30) ausgeführt ist, der am drehenden Laufring des Lagers befestigt ist, so daß radiale und axiale Verschiebungen gemessen werden können.
4. Einrichtung zum Messen von Lagerdaten gemäß Anspruch 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Messeinheiten beidseitig durch Dicht­ einrichtungen (10, 11, 12) vor Verschmutzungen oder Schmierstoff ge­ schützt sind, damit die Abstandsmessung nicht beeinflußt wird.
5. Einrichtung zum Messen von Lagerdaten gemäß Anspruch 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bezugsfläche (35) in Umfangsrichtung mit definierten Erhebungen und Aussparungen ausgebildet ist, so daß über die Laufzeitdifferenz (ΔtA, ΔtB) des Ultraschallsignals zwischen dem Übergang von der Erhebung zur Aussparung (und umgekehrt) ein di­ rekter Rückschluß auf die Temperatur der Messstrecke und damit der Luft im Lager möglich ist.
6. Verwendung von Ultraschall zur Messung des Abstandes bzw. Ab­ standsveränderung zwischen dem feststehenden Laufring (2) oder Ge­ häuse und rotierenden Laufring (1) oder Welle in Lagern bestehend aus
  • a) Mindestens einer Ultraschallsendereinheit (21) am feststehenden Laufring oder Gehäuse, die mit einer Frequenz größer 100 Kilohertz sendet
  • b) Einer Bezugsfläche (31) am rotierenden Laufring des Lagers
  • c) Mindestens einer Empfängereinheit (22) am feststehenden Laufring oder Gehäuse, die den von der Bezugsfläche (31) reflektierten Ultra­ schall empfängt
  • d) Einer Auswerteelektronik (41), die aufgrund der Phasendifferenz bzw. resonance mode locking oder Laufzeit zwischen dem Refe­ renzsignal (23) und dem empfangenen Signal (24) die Abstandsver­ änderung oder den Abstand bestimmt.
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