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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft im allgemeinen Lager und insbesondere eine Lageranordnung,
die Kräfte und
Drehmomente, die durch sie übertragen
werden, überwacht,
um elektrische Signale bereitzustellen, die von Vorrichtungen verwendet
werden, die Fahrzeugdynamiken überwachen
und steuern, basierend auf berechneter Reifenkontaktflächenbelastung, oder
um die allgemeinen Belastungen und Ladungen, die auf ein Lager wirken,
zu bestimmen.
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Stand der Technik
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Es
gibt eine Anzahl von Anwendungen, bei denen die Belastungen und
Arten von Belastungen, die auf ein Lager in dessen Betrieb wirken,
wichtige Informationen über
das Lager und die mit dem Lager verbundenen Objekte liefern können. Eine
derartige Anwendung ist die Automobilindustrie, wo derartige Belastungsinformationen,
in elektrischer Signalform, entscheidend für die korrekte Anwendung von
Fahrzeugdynamiksteuerungssystemen („VDC") sind. Eine andere Anwendung ist in
der Stahlwalzindustrie, wo elektronische Verarbeitung und Steuerung
zur Manipulation der Geschwindigkeit und Belastungen von Walzen
während
des Walzprozesses verwendet wird. Noch eine Anwendung ist die Werkzeugmaschinenindustrie,
wo programmierbare Steuerungen und Prozessoren die Geschwindigkeit
von Spindeln in Fräs-,
Dreh- und Bohrmaschinen überwachen
und steuern.
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In
der Automobilindustrie werden viele Fahrzeuge aktueller Produktion
mit Antiblockierbremsen ausgestattet. Ein System dieser Art überwacht
die Rotation der Räder
eines Fahrzeugs und, wenn die Bremsen des Fahrzeugs betätigt werden,
vermindert die Bremskraft an jedem Rad das blockiert und rutscht.
Dies vermindert die Neigung des Fahrzeugs vom Kurs abzukommen, wenn
die Traktion an den Rädern
unterschiedlich ist und erleichtert das Lenken des Fahrzeugs unter
derartigen Umständen.
Einige Fahrzeuge weisen ein Traktionskontrollsystem auf. Diese Art
von System überwacht
die Rotation der angetriebenen Räder
und verteilt die Antriebskraft zwischen diesen Rädern, so dass eines nicht losbricht und
durchdreht. Während
beide Systeme es dem Fahrer eines Fahrzeugs ermöglichen, eine bessere Kontrolle über das
Fahrzeug aufrecht zu erhalten, beeinflussen auch andere Faktoren
den Betrieb des Fahrzeugs und trotz des erfolgreichen Betriebs eines Antiblockierbremssystems
und eines Traktionskontrollsystems können diese anderen Faktoren
immer noch zu einem Kontrollverlust des Fahrzeugs führen.
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Wesentlich
unter diesen anderen Faktoren sind die Zentripetalkräfte, die
ein Fahrzeug erfährt, wenn
es um eine Kurve fährt – Kräfte, die
seitlich auf das Fahrzeug wirken. Die Reibung zwischen den Fahrzeugreifen
und der Straßenoberfläche, die
an den so genannten „Reifenkontaktflächen" stattfindet, erzeugt
diese Kräfte,
gelegentlich jedoch mag die Reibung nicht ausreichen und das Fahrzeug
wird rutschen und eventuell außer
Kontrolle geraten, insbesondere, wenn es von einer Person mit ungenügendem Fahrgeschick
betrieben wird. Andererseits können
die Reibungskräfte
an den Reifenkontaktflächen ein
Rutschen verhindern, aber die in der Kurve erzeugte Zentripetalkraft
erzeugt ein Moment um den Schwerpunkt des Fahrzeugs, das ausreicht,
das Fahrzeug umstürzen
zu lassen.
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Die
Automobilhersteller haben sich den VDC-Systemen zugewandt, um einen
Kontrollverlust von Fahrzeugen in Kurven zu verhindern. Das typische
VDC-System stützt
sich auf einen Giersensor, der die Rate der Veränderung des Gierens (Rotation des
Fahrzeugs um seine vertikale Achse) misst, und einen Querbeschleunigungssensor,
um die Zentripetalkraft, die auf das Fahrzeug als Folge des Durchfahrens
einer Kurve wirkt, zu messen. Ein VDC-System berücksichtigt auch die Winkelgeschwindigkeit der
Straßenräder, die
Stellung des Lenkrads und die von dem Motor erzeugte Leistung. Das
typische VDC-System analysiert diese Informationen und moduliert
den Betrieb sowohl des Motors als auch der Bremsen, um eine bessere
Kontrolle des Fahrzeugs in der Kurve aufrecht zu erhalten.
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Weiter
fortgeschrittene VDC-Systeme berücksichtigen
bei der Echtzeitanalyse auch geschätzte Lasten an den einzelnen
Rädern
und versuchen auf diese Weise die Zustände an den Reifenkontaktflächen zu
bewerten. Jedoch erfährt
jede Reifenkontaktfläche
beim Durchfahren einer Kurve Kräfte
und Drehmomente, die nicht von einfachen analytischen Methoden erfasst
werden können.
Daher liefert beispielsweise die Messung der Auslenkung eines Stoßdämpferkolbens
nicht sehr verlässliche
Hinweise auf die Zustände,
die an der Reifenkontaktfläche unterhalb
dieses Stoßdämpfers herrschen.
Sicherlich liefert es keinen Hinweis auf das Drehmoment an der Reifenkontaktfläche und
noch weniger auf den Ort, an dem die Resultierende der Kraft auf
die Reifenkontaktfläche
wirkt. Es gibt Lageranordnungen, die die Verwendung von Dehnmessstreifen
umfassen, um gewisse Informationen hinsichtlich unterschiedlicher
Lagerbelastungen zu liefern. Beispielsweise verwendet ein Wälzlager,
das in dem
US-Patent 5,140,849 vom
25. August 1992 beschrieben ist, zwei Dehnmessstreifen, um die allgemeinen
auf das Lager wirkenden Lasten zu überwachen. Dieses Lager ist
jedoch nicht dazu in der Lage, die vielfältigen Daten zu liefern, die
von fortgeschrittenen VDC-Elektroniksystemen
oder von den prozessorgesteuerten Systemen in der Walzwerkindustrie
oder der Werkzeugmaschinenindustrie benötigt werden.
US-Patent 4,748,844 beschreibt eine
Lasterfassungsvorrichtung, die eher die Automobilindustrie betrifft.
Diese Vorrichtung besteht aus einer mehrkomponenten Lastzellenstruktur,
die an der Nabe, an der ein Straßenrad montiert wird, befestigt
ist, wobei die Lastzellenstruktur derart befestigt ist, dass sie
zusammen mit dem Reifen des Rads rotiert. Während diese Vorrichtung einige
Signalvorzüge
aufweist, kann diese Vorrichtung nicht Signale bereitstellen, die
sämtliche Lasten
und Drehmomente anzeigt, die für
die ordentliche Funktion eines fortgeschrittenen VDC-Elektroniksystems
erforderlich sind. Insbesondere ordnet diese Vorrichtung alle ihrer
Dehnmess streifen in lediglich einer Ebene an, die senkrecht zu der
Drehachse des Rads verläuft.
Als Folge hiervon sind die Signale der Dehmessstreifen dieser Vorrichtung
nicht dazu geeignet, die Kräfte
festzustellen, die ein Seitwärtsrutschen
eines Fahrzeugs oder ein Umstürzen eines
Fahrzeugs verursachen können.
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Während die
Automobilindustrie fortwährend elektronische
Vorrichtungen entwickelt, die dem Fahrer durch unterschiedliche
Kombinationen von Bremsbetätigung
und fortwährender
Fahrwerkseinstellung helfen, Kontrolle über sein Fahrzeug zu behalten,
erfordern die weiter fortgeschrittenen dieser Systeme daher verlässliche
Eingangssignale, die das gesamte Spektrum der Belastung widerspiegeln, die
ein Hinweis auf die Lasten sind, die auf die Reifenkontaktfläche wirken.
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US 4,821,582 beschreibt
eine Reifentestvorrichtung, die zur Bestimmung der auf einen Reifen wirkenden
Lasten verwendet wird. Die Vorrichtung weist ein Lager auf, das
die Rotation eines Reifens um eine Achse ermöglicht, die sich durch einen
Belastungsmesswandler erstreckt, der innere und äußere Gehäuse umfasst. Das Lager ist
in dem inneren Gehäuse
angeordnet, während
das äußere Gehäuse mit
einem Messgerättragarm
verbunden ist. Die zwei Gehäuse
sind über
radial ausgerichtete Spinnen oder Scherträger miteinander verbunden.
Diese Träger
verbiegen sich und diese Eigenschaft wird von Dehnungsmessstreifen
auf den Scherträgern
erfasst.
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Auf ähnliche
Weise verwenden die Walzwerk- und Werkzeugmaschinen-Industrien unterschiedliche
Arten von Prozesssteuerungen, die die Überwachung von Lasten auf Lagern
erfordern. Im Speziellen erfordern Walzwerke Lagerrückmeldungen
betreffend Anzeichen eines Antriebsriemenschlupfes an den Walzen
oder Anzeichen, dass ein spezifischer Satz von Walzen höhere Belastungen erfährt. Computergesteuerte
Werkzeugmaschinen müssen
die Lasten, die ein eine Spindel tragendes Lager erfährt, überwachen,
um zu beurteilen, ob Schneid- oder Bohrwerkzeuge stumpf geworden
sind oder ob die Schneid- oder Bohrgeschwindigkeiten die für den Bearbeitungsvorgang
vorgegebenen Grenzen überschreiten.
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Gemäß der vorliegenden
Anmeldung ist eine Straßenradanordnung
für ein
Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei die Anordnung eine Komponente für das Aufhängungssystem
des Kraftfahrzeugs, ein in Nachbarschaft zu der Aufhängungskomponente
angeordnetes Straßenrad
des Fahrzeugs und eine Lageranordnung, die das Straßenrad mit
der Aufhängungskomponente
verbindet, aufweist, um eine Rotation des Straßenrads um eine Achse zu ermöglichen
und Lasten zwischen dem Straßenrad
und der Aufhängungskomponente
zu übertragen,
wobei den Kontakt des Rads mit einer Straße reflektierende Kräfte erfasst
werden, wobei die Lageranordnung umfasst:
eine Nabe, an der
das Straßenrad
befestigt ist, wobei die Nabe eine entlang ihrer Achse angeordnete
Spindel aufweist,
erste und zweite innere, auf der Spindel
der Nabe angeordnete Laufflächen,
wobei die inneren Laufflächen
nach außen,
weg von der Achse weisen und bezüglich
der Achse in entgegengesetzte Richtungen geneigt sind,
ein
Gehäuse,
das die inneren Laufflächen
umschließt und
in Umfangsrichtung und im Wesentlichen axial ausgerichtete Außen- und
Innenflächen
aufweist, die nach außen
weg von und nach innen hin zu der Achse weisen, und einen Flansch,
der nach außen
weg von der in Umfangsrichtung und axial verlaufenden Außenfläche absteht,
wobei das Gehäuse
mit seinem Flansch an der Aufhängungskomponente
befestigt ist und wobei die in Umfangsrichtung und axial verlaufenden
Außen-
und Innenflächen
und der Flansch Sensorflächen
am Gehäuse
bilden,
erste und zweite äußere Laufflächen, die
am Gehäuse
vorgesehen und nach innen, zu der Achse und den inneren Laufflächen hingewandt
sind, wobei die erste äußere Lauffläche zu der
ersten inneren Lauffläche
hingewandt und in die gleiche Richtung wie diese geneigt ist und
die zweite äußere Lauffläche zu der
zweiten inneren Lauffläche
hingewandt und in die gleiche Richtung wie diese geneigt ist,
erste
Wälzkörper, die
in einer Reihe zwischen den ersten Laufflächen angeordnet sind und mit
diesen in Berührung
stehen, und zweite Wälzkörper, die
in einer Reihe zwischen den zweiten Laufflächen angeordnet sind und mit
diesen in Berührung
stehen, wodurch die Nabe sich mit minimaler Reibung in dem Gehäuse drehen
kann und die einzelnen Wälzkörper auf
den Laufflächen
abrollen, um zwischen dem Gehäuse
und der Nabe radiale Lasten und in beide Axialrichtungen weisende
Drucklasten zu übertragen und
Spannungen in das Gehäuse
zu leiten, die durch Verformungen der Sensorfläche reflektiert werden, und
Dehnungsmessstreifen, die an mehreren Orten auf der Sensorfläche des
Gehäuses
angeordnet sind, wobei die Dehnungsmessstreifen derart ausgebildet
und angeordnet sind, dass Dehnungen der Sensorfläche in Umfangs- und Axialrichtung
erfasst werden.
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Zusätzliche
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Straßenrads und zeigt mehrere auf
dieses wirkende Kräfte
und Drehmomente;
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2 ist
eine Schnittansicht einer Lageranordnung, die gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist und ein Ausführungsbeispiel dieser darstellt;
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3 ist
eine Draufsicht auf eines der Sensormodule für die Lageranordnung;
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4 ist
eine Draufsicht auf einen Sensor für das Sensormodul der 3;
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5 ist
eine perspektivische Ansicht des Gehäuses der Lageranordnung;
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6 ist
eine Stirnseitenansicht eines Gehäuses für eine abgeänderte Lageranordnung;
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7 ist
eine abgerollte Ansicht, die die Sensormodule der abgeänderten
Lageranordnung in einer einzigen Ebene zeigt; und
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8 ist
eine Stirnseitenansicht eines Gehäuses für eine weitere abgeänderte Lageranordnung.
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Beste Art der Ausführung der
Erfindung
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Bezug
nehmend auf die Zeichnung erfährt ein
Straßenrad
W (1), welches ein Automobil auf einer Straßenoberfläche abstützt, mehrere
Kräfte und
Drehmomente, wenn das Rad W entlang der Straßenoberfläche rollt. Zunächst ist
dies die Vertikalkraft Fv, die allgemein für das Gewicht des Fahrzeugs
steht und jegliche Trägheitskräfte, die
durch Unregelmäßigkeiten
in der Straßenoberfläche und durch
Bremsen erzeugt werden. Das Rad W erfährt auch horizontale Kräfte Fh,
die allgemein in der Bewegungsrichtung des Rads wirken. Weiterhin
gibt es Axiallasten Ft, welches axial ausgerichtete Kräfte sind,
d. h. in der Richtung der Drehachse X. Dann gibt es das vertikale
Drehmoment Tv, das heißt
Drehmoment um eine Achse, die vertikal durch das Rad W tritt und
das gelegentlich als Lenkmoment bezeichnet wird.
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Schließlich gibt
es ein horizontales Drehmoment Th, gelegentlich als Kippmoment bezeichnet, welches
um eine Achse wirkt, die horizontal durch das Rad W in Fortbewegungsrichtung
des Rads W wirkt. Das Rad W weist eine Felge 2 und einen
auf der Felge 2 montierten Reifen 4 auf. Der Reifen 4 berührt die
Straßenoberfläche entlang
einer Reifenkontaktfläche 6,
wo der Reifen 4 die Kräfte
F und Drehmomente T erfährt.
Die Größe der Kräfte und
Drehmomente ist ein Hinweis auf die Zustände an der Reifenkontaktfläche 6 und,
wenn zusammen mit anderen Umständen
in Echtzeit ausgewertet, liefert eine gute Repräsentation der Fähigkeit
des Fahrzeugs unter Kontrolle zu verbleiben, oder, andererseits,
außer
Kontrolle zu geraten.
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Das
Rad W ist mit einer Komponente C (2) des Aufhängungssystems
des Fahrzeugs an einer Lageranordnung A verbunden, was es dem Rad
W ermöglicht,
um die Achse X zu rotieren, während
Belastungen von dem Rad W auf die Komponente C des Aufhängungssystems übertragen
werden. Typischerweise ist die Komponente C des Aufhängungssystems
ein Achsschenkel. Die Lageranordnung A umfasst eine Nabe 12,
an der das Rad W befestigt ist, ein Gehäuse 14, das an der
Komponente C des Aufhängungssystems
befestigt ist, und ein Lager 16, das zwischen der Nabe 12 und
dem Gehäuse 14 angeordnet
ist und es der Nabe 12 ermöglicht, an dem Gehäuse 14 mit
minimaler Reibung zu rotieren. Zur Aufnahme des Gehäuses 14 ist
die Komponente C des Aufhängungssystems
mit einer Durchtrittsöffnung 18 und
einer bearbeiteten Stirnfläche 20 versehen.
Das Gehäuse 14 passt überwiegend
teilweise in die Bohrung 18 und liegt an der Stirnfläche 20 an.
Das Lager 16 ist innerhalb des Gehäuses 14 angeordnet.
Die Nabe 12 erstreckt sich in das Lager 16 hinein,
wo sie sowohl axial als auch radial festgelegt ist.
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Im
Einzelnen umfasst die Nabe 12 einen Flansch 26 und
eine Hohlspindel 28, die von dem Flansch 26 an
einer Schulter 30, die sich an der hinteren Stirnfläche des
Flansches 26 befindet, übersteht.
Außerhalb
der Schulter 30 ist der Flansch 26 mit Radbolzen 32 versehen,
die axial von seiner anderen Stirnfläche abstehen und durch die
Felge 2 des Straßenrads
W hindurch treten. Jenseits des Rads W sind Radmuttern 34 auf
die Bolzen 32 aufgeschraubt, um das Rad W an der Nabe 12 zu
befestigen.
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An
ihrem dem Flansch 26 gegenüberliegenden Ende ist die Spindel 28 gestaucht,
das heißt nach
außen
verformt, wobei ein geformtes Ende 36 mit einer Anschlagsfläche 38 gebildet
wird, die senkrecht zu der Achse X verläuft und der Schulter 30 zugewandt
ist. Das Lager 16 ist zwischen der Schulter 30 an
dem Flansch 26 und der Stirnfläche 38 des geformten
Endes 36 eingefangen.
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Das
Lager 16 weist einen inneren Lagerring in Form zweier Konusse 40 auf,
die um die Spindel 28 passen, wobei zwischen jedem Konus 40 und
der Spindel 28 ein Presssitz gegeben ist. Jeder Konus 40 weist
eine konische Lauffläche 42 auf,
die nach außen,
weg von der Achse X gerichtet ist, eine Anschlagrippe 44 am
großen
Ende ihrer Lauffläche 42 und
eine rückseitige
Stirnfläche 46,
die am Ende der Anschlagrippe 44 senkrecht bezüglich der
Achse X angeordnet ist. Der innen liegende Konus 40 ist
geringfügig
länger
als der außen
liegende Konus 40, aufgrund einer zylindrischen Konusverlängerung 48, die über das
kleine Ende seiner Lauffläche 42 übersteht.
Die Konusverlängerung 48 kann
als Sitz für
ein Zielrad dienen, das von einem Geschwindigkeitssensor in dem
Gehäuse 14 überwacht
wird. Der innen liegende Konus 40 liegt mit seiner Konusverlängerung 48 an
dem kleinen Ende des außen
liegenden Konus 40 entlang der Spindel 28 an,
das heißt
die zwei Konusse 40 liegen mit ihren vorderen Stirnseiten
aneinander an. Die rückwärtige Stirnfläche 46 des
außen
liegenden Konus 40 liegt an der Schulter 30 an,
die sich entlang dem Flansch 26 erstreckt, während die
rückwärtige Stirnfläche 46 des
innen liegenden Konus 40 an der Stirnfläche 38 des formten Endes 36 anliegt.
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Zusätzlich zu
den Konussen 40 weist das Lager 16 konische Wälzkörper 54 auf,
die in zwei Reihen angeordnet sind, wobei eine separate Reihe um je den
Konus 40 herum angeordnet ist. Tatsächlich sind die Wälzkörper 54 um
die Laufflächen 42 der
Konusse 40 herum angeordnet, wobei ein im Wesentlichen
linienförmiger
Kontakt zwischen den konischen Mantelflächen der Wälzkörper 54 und den Laufflächen 42 besteht.
Die großen
Stirnflächen
der Wälzkörper 54 liegen
an den Anschlagrippen 46 an. Die Wälzkörper 54 einer jeden
Reihe befinden sich im Wesentlichen in einer Scheitelpunktlage,
das heißt dass
die Einhüllenden
ihre konischen Mantelflächen ihre
Scheitelpunkte an einem gemeinsamen Punkt entlang der Achse X aufweisen.
Jede Reihe der Wälzkörper 54 weist
einen Käfig 56 auf,
um den erforderlichen Abstand zwischen den Wälzkörpern 54 dieser Reihe
aufrecht zu erhalten.
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Das
Gehäuse 14 umgibt
die Spindel 28 sowie die zwei Konusse 40 und die
zwei Reihen Wälzkörper 54.
Es bildet einen Teil des Lagers 16, indem es konische Laufflächen 58 aufweist,
die nach innen in Richtung der Achse X gewandt sind. In diesem Sinne
bildet das Gehäuse 14 den äußeren Lagerring
des Lagers 16. Die Laufflächen 58 am Gehäuse 14 verjüngen sich
abwärts
in Richtung einer zylindrischen Zwischenfläche 59, die sie voneinander
trennt. Die Wälzkörper 54 liegen
ebenfalls an den Laufflächen 58 des
Gehäuses 14 an,
wobei ein im Wesentlichen linienförmiger Kontakt zwischen den
Laufflächen 58 und
den konischen Mantelflächen
der Wälzkörper 54 besteht.
An ihren großen
Enden münden
die Laufflächen 58 in
kurze Endbohrungen 60, in denen sich die Anschlagrippen 44 der
zwei Konusse 40 befinden. Somit weist jedes Ende des Lagers 16 einen
ringförmigen
Raum auf, wobei sich der Raum zwischen der Anschlagrippe 44 an
diesem Ende und der umgebenden Oberfläche der Endbohrung 60 erstreckt.
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Das
Gehäuse 14 weist
eine Außenfläche 62 auf,
die im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, sowie einen dreieckigen
oder rechteckigen Flansch 64, der über die Fläche 62 etwa auf halbem
Weg zwischen ihren Enden übersteht.
In dem Bereich hinter dem Flansch 64 beträgt der Durchmesser
der Fläche 62 etwas
weniger als der Durchmesser der Durchtrittsöffnung 18 in der Komponente
C des Aufhängungssystems.
Diese Partie des Gehäuses 14 passt
mit etwas Spiel in die Bohrung 18, während die hintere Stirnfläche des
Flansches 64 an der Stirnfläche 20 der Komponente
C anliegt. Das Gehäuse 14 ist
mit der Komponente C mittels Bolzen 66, die durch letztere
hindurchtreten und in den Flansch 64 an der ersteren einschraubbar
sind, fest verbunden.
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Die
ringförmigen
Räume an
den Enden des Lagers
16 sind mit Dichtungen
68 verschlossen,
die in die Endbohrungen
60 des Gehäuses
14 und um die
Anschlagrippen
44 der Konusse
40 herum passen.
US-Patent 5,022,659 beschreibt
geeignete Dichtungen für
beide Orte.
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Das
geformte Ende
36 vereinheitlicht die Anordnung A. Jedoch
weist die Nabe
12 nicht immer das geformte Ende
36 auf.
Ursprünglich
erstreckt sich die Spindel
28 der Nabe
12 in Form
einer zylindrischen Fläche
von der Schulter
30 bis hin zu ihrem freien Ende. Die zwei
Konusse
40 mit ihren Wälzkörpern
54 und
mit dem zwischen den Wälzkörpern
54 der
zwei Reihen eingeschlossenen Gehäuse
14 werden über die
zylindrische Fläche
der Spindel
28 montiert und soweit vorgeschoben, bis die
hintere Stirnfläche
46 des
außen
liegenden Konus
40 an der Schulter
30 am anderen
Ende der Spindel
28 anliegt. Wenn sich die Konusse
40 in
dieser Stellung befinden, ragt eine Partie der Spindel
28 über die
hintere Stirnfläche
46 des
innen liegenden Konus
40 über. Diese Partie wird in das
geformte Ende
36 umgeformt. Die PCT-Anmeldung
GB 98/01823 (internationale Veröffentlichung
Nr.
WO98/58762 ) beschreibt ein
Drehumformverfahren zum Stauchen des zunächst geraden Endes der Spindel
28 und
Umwandlung dieses Endes in das integral geformte Ende
36, was
im Ergebnis die Vereinheitlichung der gesamten Anordnung A bewirkt.
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Die
zwei Konusse 40 können
auch auf andere Weise auf der Spindel 28 gesichert werden.
Beispielsweise kann das Ende der Spindel 28 ein Gewinde
aufweisen und eine Mutter, die in das Gewinde eingreift und gegen
die hintere Stirnfläche 46 des
innen liegenden Konus 40 verschraubt wird.
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Wenn
die Anordnung A derart vereinheitlicht ist, befindet sich das Lager 16 in
einem Zustand leichter Vorspannung. Tatsächlich bestimmt der Abstand
zwischen den inneren Laufflächen 42 der
Konusse 40 die Einstellung des Lagers 16, und
dieser Abstand hängt
von der Länge
der Konusverlängerung 48 des
innen liegenden Konus 40 ab, insofern als das Drehumformverfahren,
welches das geformte Ende 46 herstellt, den innen liegenden
Konus 40 mit hinreichender Kraft gegen den außen liegenden
Konus 40 treibt, um ein Anschlagen der Konusverlängerung 48 an
dem Ersteren an dem kleinen Ende des Letzteren zu bewirken. Eine
auf die Spindel 28 aufgeschraubte Mutter, die fest gegen
die hintere Stirnfläche 46 des
innen liegenden Konus 40 geschraubt ist, wird die gleiche
Wirkung haben.
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Die
Kräfte
Fv, Fh und Ft und die Drehmomente Tv und Th, die auf das Rad W wirken,
spiegeln die Zustände
an der Reifenkontaktfläche 6 wider.
Beispielsweise bedeutet eine äußere Druckbelastung
Ft von Null die Bewegung entlang einer geraden Linie und wird für etwas
mehr als die Vorspannung des Lagers 16 stehen. Andererseits
wird eine größere, unausgeglichene
Belastung Ft, das heißt
mehr in einer Richtung als in der anderen, eine Kurvenfahrt oder möglicherweise
eine signifikante Neigung des Fahrzeugs zu einer Seite oder der
anderen anzeigen. Eine Erhöhung
der Vertikalkraft Fv wird eine Kurvenfahrt oder die Anwendung der
Bremsen anzeigen, wenn das Rad W sich vorne am Fahrzeug befindet.
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Die
Kräfte
Fv, Fh und Ft und die Drehmomente Tv und Th, die das Rad W erfährt, werden
auf die Komponente C des Aufhängungssystems
durch die Lageranordnung A übertragen,
so dass die Lageranordnung A diese Kräfte F und Drehmomente T ebenfalls
erfährt.
Die Kräfte
F und Drehmomente T drücken
sich durch geringfügigste
Ausdehnungen und Stauchungen des Gehäuses 14 aus, und diese geringfügigsten
Ausdehnungen und Stauchungen werden von Sensormodulen M (5)
erfasst, welche an der äußeren Fläche 62 des
Gehäuses 14 unmittelbar
außerhalb
der beiden Laufflächen 58 angeordnet
sind. Tatsächlich übertragen
die konischen Wälzkörper 54 die
Kräfte
F und Drehmomente T von den Konussen 40 des Gehäuses 14 und übertragen die
Ausdehnungen und Stauchungen in dem Lager 16 während sie
entlang der Laufflächen 58 abrollen. Diese
Ausdehnungen und Stauchungen werden auf die äußere Fläche 62 übertragen
und zu den Orten der Sensoren M entlang dieser Fläche 62.
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In
einem Ausführungsbeispiel
umfasst jedes Sensormodul M (3 und 4)
einen Dehnungsmessstreifen 70, der im Wesentlichen aus
einer Trägermatrix 72 und
zwei Folienwiderstandselementen 74 und 76 besteht.
Es sollte erwähnt
werden, dass, während
die Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels
die Verwendung von gebundenen Widerstandsdehnmessstreifen beschreibt,
die über
sich verändernde
Widerstandswerte funktionieren, andere Arten von Stresssensoren,
wie beispielsweise mechanische Sensoren, fotoelektrische Sensoren,
optische Sensoren, kapazitive Sensoren, induktive Sensoren und Halbleiter-Sensoren
ebenso geeignet sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Trägermatrix 72 jedoch
aus einem geeigneten Polymer gebildet, wie beispielsweise einem
Polyimid, das seinerseits in der Lage ist, sich zusammen mit dem
Gehäuse 14 auszudehnen
und zu kontrahieren. Es ist mittels eines geeigneten Klebstoffs
mit der äußeren Fläche des
Gehäuses 14 verbunden.
Jedes Folienwiderstandselement 74 und 76 ist aus
einer geeigneten Metallfolie gebildet, wie beispielsweise Konstantan-Folie,
die mit der Trägermatrix 72 verbunden
ist, so dass sie die gleichen Ausdehnungen und Kontrahierungen wie
die Matrix 72 erfährt.
Jedes Widerstandselement 74 und 76 weist mehrere
parallele Schenkel 78 und Endschleifen 80 auf,
die die Enden der benachbarten Schenkel 78 miteinander
verbinden. Die äußersten
Schenkel 78 werden an Kontaktfeldern 82 terminiert.
Die Elemente 74 und 76 sind, auch wenn sich beide
auf der Matrix 72 befinden, voneinander elektrisch isoliert.
Weiterhin sind die Schenkel 78 des Elements 74 in
einem Winkel von 90° zu
den Schenkeln 78 des Elements 76 angeordnet. Der
Widerstand eines jeden Schenkels 78 verändert sich, wenn er die Ausdehnungen
und Kontrahierungen durchführt,
die die Trägermatrix 72 erfährt, und
der Widerstand eines jeden Elements 74 und 76 erfährt eine
noch größere Veränderung
des Widerstands, insofern als es aus einer Vielzahl von in Serie geschalteten
Schenkeln 78 besteht. Die Matrix 72 isoliert die
Elemente 74 und 76 elektrisch von dem Metallgehäuse 14,
jedoch überträgt sie die
geringfügigen
Ausdehnungen und Kontrahierungen des Gehäuses 14 auf die Schenkel 78 der
Elemente 74 und 76.
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Zusätzlich zu
seinem Sensor 70 weist jedes Sensormodul M einen Temperaturkompensator 84 und
einen Anschlussblock 86 auf. Der Temperaturkompensator 84 sollte
mit der gleichen Temperatur wie der Sensor 70 arbeiten,
und zu diesem Zweck sollte er an dem Gehäuse 14 neben dem Sensor 70 angeordnet
sein, sogar auf der Trägermatrix 72 des Sensors 70.
In diesem Zusammenhang verändern sich
die Widerstände
der Widerstandselemente 74 und 76 nicht nur mit
den Ausdehnungen und Kontrahierungen der Matrix 72, sondern
auch mit der Temperatur. Der Temperaturkompensator 84 ist
mit den Widerstandselementen 74 und 76 verbunden,
entweder durch einen Brückenschaltkreis
oder durch einen Prozessor, so dass er die Veränderungen der Widerstände der
Elemente 74 und 76 aufgrund von Temperaturveränderungen
kompensiert oder ausgleicht. Somit spiegeln die von den Widerstandselementen 74 und 76 gewonnenen
Signale ausschließlich
Veränderungen
des Stresses wider. Der Anschlussblock 86 enthält Anschlüsse 88,
mit denen die Kontaktfelder 82 der Widerstandselemente 74 und 76 verbunden
sind und mit denen der Temperaturkompensator 84 ebenfalls
verbunden ist, all diese über
Leitungen. Die Anschlüsse 88 sind
wiederum mit einem Prozessor zur Auswertung und Verarbeitung der
von den Widerstandselementen 74 und 76 und des
Temperaturkompensators 84 erzeugten Signale verbunden.
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Vier
Sensormodule M sind mit der Außenfläche 62 des
Gehäuses 14 radial
außerhalb
der außen liegenden
Fläche 58 in
Winkelabständen
von 90° angeordnet,
vergleiche 5, wobei sich eines mit seinem
Sensor 70 im oberen Scheitelpunkt der Fläche 62 befindet,
ein weiteres mit seinem Sensor 70 unten an der Fläche 62 und
die zwei weiteren mit ihren Sensoren 70 an den Seiten der
Fläche 62 befinden.
Die verbleibenden vier Sensormodule M sind ebenfalls an der Außenfläche 62 befestigt,
jedoch befinden sich diese radial außerhalb der innen liegenden
Lauffläche 58.
Diese sind ebenfalls in 90° Winkelabständen angeordnet,
mit ihren Sensoren 70 oben, unten und an den Seiten der
Fläche 62.
In anderen Worten sind die Sensoren 70 in zwei Reihen angeordnet,
wobei sich die Sensoren in jeder Reihe bei 0°, 90°, 180° und 270° befinden, wobei 0° den oberen
Scheitelpunkt bezeichnet. In jedem der Sensoren 70 der
acht Module M erstrecken sich die Schenkel 78 des Widerstandselements 74 dieses
Sensors 70 in Umfangsrichtung, während sich die Schenkel 78 des Elements 76 axial
erstrecken.
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Wenn
das Straßenrad
W über
eine Straßenfläche rollt
und die Komponente C des Aufhängungssystems
mit sich trägt – so wie
auch das gesamte Fahrzeug, dessen Teil die Komponente C ist – rotiert die
Spindel 28 der Nabe 12 in dem Gehäuse 14.
Die Konusse 40 des Lagers 16, die auf die Spindel 28 aufgepresst
sind, rotieren ebenfalls. Die konischen Wälzkörper 54 der außen liegenden
Reihe rollen auf der Lauffläche 42 des
außen
liegenden Konus 40 ab und auf der außen liegenden Lauffläche 58 des
Gehäuses 14.
Die konischen Wälzkörper 54 der
inneren Reihe rollen auf der Lauffläche 42 des innen liegenden
Konus 40 und der innen liegenden Lauffläche 58 des Gehäuses 16 ab.
Während
die Wälzkörper 54 zwischen
ihren zugehörigen
Laufflächen 42 und 58 abrollen, übertragen
sie radiale Lasten zwischen den Konussen 40 und dem Gehäuse 14.
Die radiale Last, die von irgendeinem Wälzkörper 54 auf die äußere Lauffläche 58 übertragen
wird, entlang welcher er abrollt, bewirkt eine sehr geringe Verbiegung
des Gehäuses 14,
und diese Verbiegung wird, obwohl sie an der Lauffläche 58 auftritt,
durch das Gehäuse 14 auf die äußere Fläche 62 übertragen
und manifestiert sich als eine geringfügige Umfangsverlängerung und,
etwas geringer, Axialverlängerung
der Fläche 62 radial
außerhalb
der Kontaktlinie zwischen dem Wälzkörper 54 und
der Lauffläche 58.
Somit wird jedes Mal wenn ein belasteter Wälzkörper 58 zwischen einem
Sensor 70 und der Achse X hindurch tritt die entlang seiner
Lauffläche 58 auftretende
Verformung auf die äußere Fläche 62 bei
dem Sensor 70 übertragen,
wo sie die parallelen Schenkel 78 der Widerstandselemente 74 des
Sensors 70 dehnt und den Widerstand des Widerstandselements 76 erhöht. Die Größe der Veränderung
des Widerstands hängt
von der Belastung ab, da ein Wälzkörper, der
mit einer großen
Kraft gegen seine Lauffläche 58 gedrückt wird,
eine größere Verformung
erzeugen wird als einer, der mit einer geringeren Kraft gegen die
Lauffläche
drückt.
Durch einen Vergleich der Verformung – und damit der Wälzkörperlasten –, die durch
die Signale der Sensoren 70 wiedergegeben werden, können die
Zustände
an der Reifenkontaktfläche 6 in Echtzeit
bestimmt werden.
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Eine
abgewandelte Lageranordnung B (6) stimmt
mit der Lageranordnung A in jeder Hinsicht überein, außer der Anordnung der Sensormodule
M. Bei dem Lager B sind die acht Sensormodule M an dem Flansch 64 des
Gehäuses 16 in
der Nähe
der Außenfläche 62 befestigt,
wo sie in einer einzigen Reihe an der nach außen weisenden Fläche des
Flansches 64 angeordnet sind. Vier der Sensormodule M haben
ihre Sensoren 70 in Winkelabständen von 90° um den Flansch herum angeordnet,
wobei sich einer dieser Sensoren oben an dem Flansch 64 befindet,
ein weiterer unten an dem Flansch 64 und die verbleibenden
zwei an den Seiten des Flansches 64 – in anderen Worten bei 0°, 90°, 180° und 270° (7).
Bei diesen Sensoren 70 erstrecken sich die Schenkel 78 ihrer
Widerstandselemente 74 in Umfangsrichtung und die Schenkel 78 erstrecken sich
parallel zu den Hauptachsen der Sensoren 70.
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Bei
einem Straßenrad
W auf einer Nabe 12, die an ihrer Spindel 28 angetrieben
wird, sind die verbleibenden vier Sensormodule M mit den Schenkeln 78 der
Widerstandselement 74 und 76 ihrer Sensoren 70 in
einen Winkel von 45° zu
der Umfangsrichtung angeordnet. Eines dieser zusätzlichen Sensormodule M hat
seinen Sensor 70 65° hinter
dem Sensor 70 oben an dem Flansch 64 angeordnet,
das heißt
65° hinter
dem oberen Mittelpunkt (7). Ein weiterer der vier verbleibenden
Sensormodule M hat seinen Sensor 70 25° vor dem oberen Mittelpunkt
angeordnet, während
noch ein weiteres seinen Sensor 70 65° vor dem oberen Mittelpunkt
angeordnet hat. Noch ein weiteres hat seinen Sensor 70 155° vor dem
oberen Mittelpunkt angeordnet. Die vier verbleibenden Sensoren 70,
das heißt
diejenigen, deren Schenkel 78 der Widerstandselemente 45° zu der Umfangsrichtung
angeordnet sind, messen Scherkräfte
innerhalb des Gehäuses 14.
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Eine
weitere abgewandelte Lageranordnung C (8) stimmt
ebenfalls in jeder Hinsicht mit der Lageranordnung A überein,
abgesehen von der Anordnung der Sensoren 70 der acht Sensormodule
M. Bei der Lageranordnung C sind die Sensormodule M entlang der
Zwischenfläche 59,
die sich zwischen den zwei Laufflächen 58 des Gehäuses 14 befindet, angeordnet
und an dieser befestigt. Vier der Sensormodule M weisen ihre Sensoren 70 bei
0°, 90°, 180° und 270° entlang
der Fläche 59 auf,
wobei sich der Scheitelpunkt der Fläche 59 bei 0° befindet.
Bei diesen Sensoren 70 erstrecken sich die Schenkel 78 ihrer
Widerstandselemente 74 in Umfangsrichtung und die Schenkel 78 ihrer
Widerstandselemente 76 erstrecken sich axial. Die verbleibenden
vier Sensormodule M haben ihre Sensoren 70 bei 25°, 65°, 155° und 295° bezüglich des
oberen Scheitelpunkts angeordnet, gemessen in Vorwärts- und
dann Umfangsrichtung. Die Schenkel 78 der Widerstandselemente 74 und 76 der
verbleibenden Sensoren 70 sind 45° bezüglich der Umfangsrichtung angeordnet
und ebenfalls 45° bezüglich der
Axialrichtung. Kurz gesagt, entspricht die Anordnung der Sensoren 70 entlang
der Zwischenfläche 59 der
Anordnung der Sensoren 70 entlang des Flansches 64 der
Lageranordnung B, und im Wesentlichen trifft dies auch bezüglich der
Orientierung der Widerstandselemente 74 und 76 der
Sensoren 70 zu (7).
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
entspricht der Lageranordnung A in jeder Hinsicht, außer dass kein
Straßenrad
W, keine Felge 2 oder Nabe 12 vorhanden ist. Stattdessen
ist die Lageranordnung A an einer beliebigen Einrichtung mit rotierender
Welle angeordnet und die Lagersensoren werden dazu verwendet, elektrische
Signale bereitzustellen, die ein Maß für Umfangsmomente, Umfangs-Axialmomente, Axialmomente
und Scherbelastungen des Lagers im Allgemeinen sind. Beispiele für Anwendungen,
die derartige Informationen benötigen
würden,
sind Prozesssteuerungen für
Walzwerke und Prozesssteuerungen für Werkzeugmaschinen. Es wird
für den Fachmann
der Lagerkonstruktion und Lageranwendung offensichtlich sein, dass
es viele weitere Anwendungen gibt, bei denen die Belastungen, denen das
Lager ausgesetzt ist, die Verwendung eines Lagers erforderlich machen
würde,
das in der Lage ist, elektrische Signale zur Überwachung dieser Lagerbelastungen
bereitzustellen.