DE19919007B4 - Einrichtung zum Messen von Lagerdaten - Google Patents

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Abstract

Einrichtung zum Messen von Lagerdaten vorzugsweise 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 angeordneten Bezugsfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit – bestehend aus mindestens einer Mikrowellensendeeinheit (21) d einer Bezugsfläche (31), die auf dem rotierenden Laufring oder der Welle plaziert ist, – die Mikrowellen im Frequenzbereich größer 1 GHz wobbelt und zur Abstandsermittlung die Frequenzlage des Resonanzpeak (24) ermittelt, beidseitig durch Dichteinrichtungen (10, 11, 12) vor Verschmutzungen oder Schmierstoff geschützt ist, damit die Abstandsmessung nicht beeinflusst wird.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Lagerdaten vorzugsweise in einer Radlagerung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Um den Fahrkomfort und die Sicherheit moderner Fahrzeuge weiter zu verbessern, benötigen die elektronischen Regelsysteme des Fahrbetriebes im Fahrzeug zunehmend mehr Informationen über die aktuelle Fahrsituation. Zusätzlich zu den aktuellen Daten des Motors, des Getriebes und Drehzahl der einzelnen Räder sollen zukünftig auch die aktuellen Kräfte und Kraftrichtungen, die auf die einzelnen Reifen wirken, zur Regelung des Fahrbetriebes mit herangezogen 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 Fahrzeugrahmen übertragen werden, bewirken im Radlager Verschiebungen und Verkippungen zwischen Innenring und Außenring. Mißt man diese Verschiebungen 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 Verschiebungsachse 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.
  • DE 199 03 183 A1 zeigt eine Einrichtung der gattungsbildenden Art zum Messen von kleinen Verschiebungen aufgrund von Axial- und Tangentialkräften in Radlagern von Kraftfahrzeugen, in der ein Messwertgeber am stehenden Laufring des Lagers angebracht ist und die eine Bezugsfläche am rotierenden Laufring aufweist. Dabei werden Mikrowellen im Frequenzbereich größer 1 GHz eingesetzt und zur Abstandsermittlung die Frequenzlage des Resonanzpeak ermittelt.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messsystem der gattungsbildenden Art aufzuzeigen, das alle Verschiebungen zwischen dem rotierenden Ring und dem feststehenden Ring in einem Lager zuverlässig 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 Messfläche ist an dem rotierenden Laufring oder der Welle angebracht. Die Abstandsbestimmung erfolgt über die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zwischen Mikrowellensender und Messfläche. Dazu wird die Mikrowellensendefrequenz 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 geschlossen werden. Die Grundlagen zu dem Mikrowellensender werden in der DE 19807593 A1 beschrieben. Die Mikrowellenmesseinheiten befinden sich zwischen zwei Dichtungseinrichtungen. Dies ist notwendig, damit das Messergebnis der Mikrowellenmesseinheiten nicht durch Verschmutzungen, die von außerhalb in das Wälzlager eindringen, sowie durch Schmierstoffe oder Abrieb aus dem Wälzlager heraus, beeinflusst wird und zuverlässig arbeitet.
  • Gemäß Anspruch 2 können mehrere Mikrowellenmesseinheiten in einem Lager angebracht werden, um damit die Verschiebungen zu messen. Durch die Anordnung der Messeinheiten in z. B.: horizontaler oder vertikaler Richtung können horizontale und vertikale Verschiebungen direkt gemessen werden. Durch die Anordnung der Messeinheiten in einer Winkellage um 180° versetzt, werden über Differenzmessungen in dieser Wirkrichtung noch genauere Ergebnisse in dieser Richtung erzielt.
  • Gemäß Anspruch 3 wird ein trapezartiger (Sonderfall rechteckiger) Ring auf dem rotierenden Laufring angeordnet. Durch diesen Ring können mit den Mikrowellenmesseinheiten 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.
    •
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Die Erfindung wird anhand von 6 Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Messeinrichtung im Resonanzfrequenzverfahren.
  • 2 zeigt die Kräfte bzw. Momente, die im Radlager wirken
  • 3 zeigt stark vergrößert die daraus resultierenden Verschiebungen im Wälzlager.
  • 4 zeigt die Mikrowellenmesseinrichtung in einem Wälzlager mit Energie- und Datenaustausch per Telemetrie.
  • 5 zeigt die Mikrowellenmesseinrichtung in einem Radlager mit Energie- und Datenaustausch über Kabel
  • 6 zeigt verschiedene Anordnungen um radiale Verschiebungen im Lager zu messen. Einzelne Anordnungen: 6a, 6b, 6c, 6d,
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • 1 zeigt anhand von mehreren Bildern das grundsätzliche Messprinzip. Ein Mikrowellensender 21 strahlt elektromagnetische Wellen 23 im gezeigten Beispiel 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 Resonanzpeaks 24 ist direkt von dem Abstand des Mikrowellensenders 21 zur Bezugsfläche 31 abhängig, d. h. es kann aus der Frequenzlage des Resonanzpeakes sofort auf den Abstand geschlossen werden.
  • 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 rotierenden Innenring 1. Aus Kenntnis der Federkennlinie des Radlagers, des Radlagerflansches 6, der Felge 8 und des Reifens 9 sowie deren geometrischen Verhältnisse, werden dann diese Verschiebungen in wirkende Kräfte zurückgerechnet.
  • In 3 wird die Verkippung zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 gezeigt. Hierbei ist +/–Δx die gemessene Verschiebung im Lager.
  • 4 zeigt den Dichtungsbereich eines Wälzlagers. Zwischen dem feststehenden Außenring 2 und dem rotierenden Innenring 1 sind die Mikrowellenmesseinheiten zwischen den Dichtungen 10, 11 angeordnet. Der Mikrowellensender 21 strahlt die elektromagnetischen Wellen Richtung rechteckiger Bezugsfläche 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 Energieversorgung der zentralen Recheneinheit 41 per Telemetrie über den Sender 40.
  • 5 zeigt die Anordnung der Mikrowellenmesseinheit zwischen zwei Kugelreihen 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 Bezugsfläche 30. Zwischen der Oberfläche 31 dieser Bezugsfläche und dem Mikrowellensender 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 erfolgt über Kabel von außerhalb der Einheit.
  • 6 zeigt die radiale Anordnung der einzelnen Mikrowellenmesseinheiten in einem Lager. In 6a wird eine Mikrowellenmesseinheit (21, 31) so angeordnet, dass die Verschiebung in einer Richtung gemessen werden kann. Durch die zusätzliche Anordnung der Mikrowellenmesseinheiten (21, 31, 21a) gemäß 6b um 90° versetzt, können alle Verschiebungen in einer Ebene bestimmt werden. In 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 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 Außenbereichen des Lagers, durch ein Spiegeln der Anordnung gemäß 6, wird die Messgenauigkeit, durch die Redundanz der Messwerte, weiter gesteigert.
    • 1
    Innenring hier: rotierend
    2
    Außenring hier: feststehend
    3
    Wälzkörper
    4
    Käfig
    5
    Radlager
    6
    Radlagerflansch
    8
    Felge
    9
    Reifen
    10
    Dichtung incl. Dichtlippen
    11
    Äußere Dichtung incl. Dichtlippen
    12
    Innenliegende Dichtung incl. Dichtlippen
    21
    Mikrowellensender
    21a, 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 (3)

  1. Einrichtung zum Messen von Lagerdaten vorzugsweise 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 angeordneten Bezugsfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit – bestehend aus mindestens einer Mikrowellensendeeinheit (21) d einer Bezugsfläche (31), die auf dem rotierenden Laufring oder der Welle plaziert ist, – die Mikrowellen im Frequenzbereich größer 1 GHz wobbelt und zur Abstandsermittlung die Frequenzlage des Resonanzpeak (24) ermittelt, beidseitig durch Dichteinrichtungen (10, 11, 12) vor Verschmutzungen oder Schmierstoff geschützt ist, damit die Abstandsmessung nicht beeinflusst wird.
  2. Einrichtung zum Messen von Lagerdaten gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der radialen und axialen Verschiebungen (50) im Lager mehrere Messeinheiten, bezogen auf die Rotationsachse 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, oder als Sonderform rechteckigen Ringes (30) ausgeführt ist, der am drehenden Laufring des Lagers befestigt ist, so dass radiale und axiale Verschiebungen gemessen werden können.
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