DE19919007A1 - Einrichten zum Messen von Lagerdaten - Google Patents

Einrichten 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 Mikrowellen 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.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Messsystem aufzuzeigen, das einerseits genauer mißt uhd 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.
Hierbei wird die hohe Messgenauigkeit von 0,5/1000 mm durch den Einsatz der Mikrowellenmesseinheiten, die mit einer Frequenz größer 1 GHz (zum Beispiel zwischen 20 und 26 GHz) arbeiten, erreicht. Der Mikrowellensender ist auf dem feststehenden Laufring des Lagers oder im Gehäuse angeordnet. Eine Mess­ fläche ist an dem rotierenden Laufring oder der Welle angebracht. Die Ab­ standsbestimmung erfolgt über die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zwischen Mikrowellensender und Messfläche. Dazu wird die Mikrowellensen­ defrequenz in kurzen Zeitabständen zwischen (zum Beispiel) 20 GHz und 26 GHz gewobbelt und der Resonanzpeak ermittelt. Vom Resonanzpeak aus kann dann auf den Abstand zwischen Mikrowellensender und Messfläche ge­ schlossen werden. Die Grundlagen zu dem Mikrowellensender werden in der DE 198 07 593 A1 beschrieben.
Gemäß Anspruch 2 können mehrere Mikrowellenmesseinheiten in einem Lager angebracht werden, um damit die Verschiebungen zu messen. Durch die An­ ordnung der Messeinheiten in z. B.: horizontaler oder vertikaler Richtung kön­ nen horizontale und vertikale Verschiebungen direkt gemessen werden. Durch die Anordnung der Messeinheiten in einer Winkellage um 180° versetzt, wer­ den über Differenzmessungen in dieser Wirkrichtung noch genauere Ergeb­ nisse in dieser Richtung erzielt.
Gemäß Anspruch 3 wird ein trapezartiger (Sonderfall rechteckiger) Ring auf dem rotierenden Laufring angeordnet. Durch diesen Ring können mit den Mi­ krowellenmesseinheiten zusätzlich zu den radialen Verschiebungen auch axiale Verschiebungen im Wälzlager gemessen werden. Durch die Ausbildung dieses Ringes in Form eines Trapezes wird die nicht senkrecht zum Laufring stehende Fläche im Winkel so ausgelegt werden, dass so eine spezifische Kombination aus Radial- und Axialverschiebungen direkt gemessen werden kann.
Gemäß Anspruch 4 befinden sich die Mikrowellenmesseinheiten zwischen zwei Dichtungseinrichtungen. Dies ist notwendig, damit das Messergebnis der Mi­ krowellenmesseinheiten nicht durch Verschmutzungen, die von außerhalb in das Wälzlager eindringen, sowie durch Schmierstoffe oder Abrieb aus dem Wälzlager heraus, beeinflußt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird anhand von 6 Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Messeinrichtung im Resonanzfre­ quenzverfahren.
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 Mikrowellenmesseinrichtung in einem Wälzlager mit Energie- und Datenaustausch per Telemetrie.
Fig. 5 zeigt die Mikrowellenmesseinrichtung in einem Radlager mit Energie- und Datenaustausch über Kabel
Fig. 6 zeigt verschiedene Anordnungen um radiale Verschiebungen im Lager zu messen. Einzelnen Anordnungen: 6a, 6b, 6c, 6d,
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Fig. 1 zeigt anhand von mehreren Bildern das grundsätzliche Messprinzip. Ein Mikrowellensender 21 strahlt elektromagnetische Wellen 23 im gezeigten Bei­ spiel im Frequenzbereich zwischen zwanzig GHz und sechsundzwanzig GHz aus. Die Sendefrequenz wird in diesem Frequenzband gewobbelt. Bei diesem Wobbeln ergibt sich dann ein Resonanzpeak 24. Die Frequenz dieses Reso­ nanzpeaks 24 ist direkt von dem Abstand des Mikrowellensenders 21 zur Be­ zugsfläche 31 abhängig, d. h. es kann aus der Frequenzlage des Resonanz­ peakes sofort auf den Abstand geschlossen werden.
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 5 Verschiebungen und Verkippungen zwischen dem feststehenden Außenring 2 und dem rotie­ renden 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.
Fig. 4 zeigt den Dichtungsbereich eines Wälzlagers. Zwischen dem festste­ henden Außenring 2 und dem rotierenden Innenring 1 sind die Mikrowellen­ messeinheiten zwischen den Dichtungen 10, 11 angeordnet. Der Mikrowellen­ sender 21 strahlt die elektromagnetischen Wellen Richtung rechteckiger Be­ zugsfläche 30 aus. Zwischen der Oberfläche 31 dieser Bezugsfläche und dem Mikrowellensender wird dann mit dem Resonanzpeak der Abstand bestimmt. Die gemessenen Signale werden über flexible Leiterbahnen 25 zur zentralen Recheneinheit 41 übertragen. Diese Recheneinheit sendet dann das Protokoll, das die zu übertragenden Lagerinformationen enthält, an die Telemetrie Sende- und Empfangseinheit 40. In diesem Beispiel erfolgt die Energieversor­ gung der zentralen Recheneinheit 41 per Telemetrie über den Sender 40.
Fig. 5 zeigt die Anordnung der Mikrowellenmesseinheit zwischen zwei Kugel­ reihen in einem Radlager. Der Außenring 2 steht und die Innenringe 1, die auf dem Radlagerflansch 6 befestigt sind, rotieren. Die Mikrowellenmesseinheiten sind zwischen den beiden Dichtungen 12 angeordnet. Der Mikrowellensender 21 strahlt die elektromagnetischen Wellen in Richtung der rechteckigen Be­ zugsfläche 30. Zwischen der Oberfläche 31 dieser Bezugsfläche und dem Mi­ krowellensender wird über die Frequenzlage des Resonanzpeaks der Abstand bestimmt. Die gemessenen Signale werden über flexible Leiterbahnen 25 zur externen Datenauswertung geleitet. Die Energieversorgung der Einheiten er­ folgt über Kabel von außerhalb der Einheit.
Fig. 6 zeigt die radiale Anordnung der einzelnen Mikrowellenmesseinheiten in einem Lager. In Fig. 6a wird eine Mikrowellenmesseinheit (21, 31) so ange­ ordnet, dass die Verschiebung in einer Richtung gemessen werden kann. Durch die zusätzliche Anordnung der Mikrowellenmesseinheiten (21, 31, 21a) gemäß Fig. 6b um 90° versetzt, können alle Verschiebungen in einer Ebene bestimmt werden. In Fig. 6c wird die Differenzmessung in einer Richtung gezeigt. Die Mikrowellenmesseinheiten (21, 21b, 31) 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.
Durch eine Anordnung der Mikrowellenmesseinheiten in den beiden Außenbe­ reichen des Lagers, durch ein Spiegeln der Anordnung gemäß Fig. 6, wird die Messgenauigkeit, durch die Redundanz der Messwerte, weiter gesteigert.
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
21
Mikrowellensender
21
a, b, c Verschieden angeordnete Mikrowellensender
23
Mikrowellen
24
Resonanzpeak
25
Flexible Leiterbahnen
30
rechteckige Bezugsfläche
31
Oberfläche
40
Telemetrie Sende- und Empfangseinheit
41
Zentrale Recheneinheit mit Sender und Empfänger
Mathematische Kurzzeichen
t Zeit
x0
Standardabstand
Δx radiale Verschiebung
F1
, F2
, F3
, Verschiedene Kräfte am Reifen

Claims (5)

1. Einrichtung zum Messen von kleinen Verschiebungen in Lagern vor­ zugsweise an Radlagern von Kraftfahrzeugen im Betrieb, bestehend u. a. aus einem am stehenden Laufring oder Gehäuse angebrachten Messwertgeber und einer am drehenden Laufring oder Welle angeord­ neten Bezugsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messeinheit - bestehend aus mindestens einer Mikrowellensendeeinheit (21) und einer Bezugsfläche (31), die auf dem rotierenden Laufring oder Welle plaziert ist, - die Mikrowellen im Frequenzbereich größer 1 GHz wobbelt und zur Abstandsermittlung die Frequenzlage des Resonanzpeak (24) ermittelt.
2. Einrichtung zum Messen von Lagerdaten gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der radialen und axialen Verschie­ bungen (50) im Lager mehrere Messeinheiten, bezogen auf die Rota­ tionsachse des Lagers in verschiedenen Winkellagen (21, 21a, 21b, 21c) 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. Verwendung von Mikrowellen zur Messung des Abstandes zwischen dem feststehenden Laufring (2) oder Gehäuse und rotierenden Laufring (1) oder Welle in Lagern bestehend aus.
  • a) Mindestens einer Mikrowellensendeeinheit (21) am feststehenden Laufring oder Gehäuse, die mit einer Frequenz größer 1 GHz sendet
  • b) Einer Bezugsfläche (31) am rotierenden Laufring oder Welle des La­ gers
  • c) Einer Auswerteelektronik (41), die beim Wobbeln der Sendefrequenz (23) die Frequenzlage des Resonanzpeaks (24) ermittelt und aus dieser Frequenzlage den aktuellen Abstand zwischen Mikrowellen­ sendeeinheit (21) und Bezugsfläche (31) ermittelt.
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