Bezeichnung der Erfindung Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem für ein Wälzlager und Wälzlager mit einem solchen System
Beschreibung Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem für ein Wälzlager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Wälzlager mit einem solchen System
Hintergrund der Erfindung
Aus der DE 101 36 438 A1 ist eine Sensoranordnung in einem Wälzlager bekannt, die zur Ermittlung physikalischer Größen während der Bewegung eines im Wälzlager gelagerten Bauteils geeignet ist. Bei dieser Sensoranordnung werden die auf die Lagerschalen des Wälzlagers wirkenden Kräfte und Momente dadurch erfasst, dass mechanische Spannungen oder sonstigen physikali- sehen Reaktionen der Lagerschalen auf diese Kräfte und Momente mit an den Lagerschalen angebrachten Sensorelementen und Elektronikbausteinen festgestellt werden. Die Sensorelemente sind dabei als Dehnungsmesswiderstände ausgebildet, die vorzugsweise in einer Nut am Umfang der feststehenden
Lagerschale befestigt sind, wobei letztere als innere oder äußere Lagerschale eines Wälzlagers aufgebildet sein kann.
Gemäß dieser Druckschrift können die Dehnungsmesswiderstände über eine Isolationsschicht auf einem metallischen Zwischenträger wie z.B. einem Plättchen aufgebracht sein. Ein weiteres als Schaltungsträger ausgebildetes Trägermaterial umgibt den genannten Zwischenträger mit den Dehnungsmesswiderständen und dient zur Aufnahme von elektronischen Bausteinen und Leiterbahnen. Zur Befestigung des Zwischenträgers und des Schaltungsträgers an der Lagerschale sind diese in die Nut derselben eingepresst oder eingeschweißt.
Darüber hinaus ist aus dieser DE 101 36 438 A1 bekannt, dass die Dehnungsmesswiderstände auf dem metallischen Zwischenträger in Form einer axial und tangential messenden Voll- oder Halbbrückenschaltung aufgebracht sein können. Zudem offenbart diese Druckschrift, dass mit den elektronischen Bausteinen eine Signalauswertung und Signalübertragung zu weiteren Messstellen oder anderen Auswerteschaltungen bzw. zu einem Anschlussstecker erfolgt. Die Signalübertragung bei diesem bekannten Messlager kann dabei seriell über einen Digital- oder einen Analogbussystem erfolgen, das beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.
Dieses bekannte Messlager weist aufgrund der Anordnung von Sensorelementen und elektronischen Bausteinen in der Nut des Lagerringes zwar einen ver- gleichsweise hohen und vorteilhaften Integrationsgrad auf, jedoch wird für diesen Aufbau eine relativ breite Nut benötigt. Da die Nut in einem solchen Lagerring zur Vermeidung einer Bauteilschwächung jedoch möglichst klein gehalten werden soll, ist die Umsetzung der aus der DE 101 36 438 A1 bekannten Anordnung in ein marktreifes Produkt weniger wahrscheinlich. Das geschilderte technische Problem tritt insbesondere bei axial sehr schmalen Wälzlagern auf.
Außerdem ist aus der nicht vorveröffentlichten DE 103 04 592 A1 der Anmelderin ein Messlager bekannt, bei dem die Dehnungsmessstreifen, die elektrischen
Leiter und/oder die elektronischen Bausteine direkt auf die Oberfläche der Aussparung des Lagerringes oder auf die Siliziumdioxidschicht aufgesputtert sind.
Der Aufbau des Messlagers gemäß der letztgenannten nicht vorveröffentlichten DE 103 04 592 A1 bringt gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik zwar deutliche Vorteile hinsichtlich der Kompaktheit eines an einem Wälzlager ausgebildeten Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystems, es besteht aber ein Bedarf an einer noch kostengünstiger herstellbaren Variante. So ist zum Beispiel die Vorbereitung der Oberfläche zum Befestigen des Systems an einem Lagerring aufwendig und teuer, da diese genau und sauber ausgeführt sein muss.
Zusammenfassung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe an die Erfindung darin, ein Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem für ein Wälzlager sowie ein diesbezügliches Messwälzlager vorzustellen, das einen kompakten Aufbau hat und kostengünstig herstellbar ist. Es sind insbesondere die Vorbereitung und die Befestigung der Sensoranordnung auf dem Lager zu vereinfachen.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Demnach betrifft die Erfindung ein Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem für ein Wälzlager, bei dem wenigstens ein Sensorelement, Leiterbahnen und elektronische Bauteile benachbart zu einem flexiblen Trägermaterial angeordnet sind.
Sensorelemente sind zum Beispiel die bekannten Dehnungsmessstreifen mit Leitern z.B. aus Nickel-Chrom und weitere gesondert hergestellte und an sich bekannte Widerstandselemente oder Leiterbahnen aus Kupfer, die gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung im Sinne einer Widerstandbrücke miteinander
verschaltet sind. Solche Widerstandsbrücken können auf streifenförmigen flexiblen Trägerobjekten aber auch direkt auf das flexible Trägermaterial aufgetragen sein.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht einen oder mehrere Kondensatoren als Sensorelemente vor. Der Grundaufbau dieser Sensoren gleicht dem Aufbau eines Plattenkondensators. Großflächig auf das Trägermaterial aufgebrachte Leiterflächen oder Metallfolien sind als „Kondensatorplatten" sind durch das flexible Trägermaterial als Dielektrikum voneinander getrennt. Dabei sind auch alternativ mehrere Flächen/Folien oder Kondensatoren in Reihe geschaltet.
Die Leiterflächen auf der einen Seite des Trägermaterials sind zumindest partiell elastisch durch die zu erfassenden Einflüsse aus dem Wälzlager in Rich- tung der gegenüberliegenden Flächen/Folien soweit verformbar, dass sich der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen/Folien und sich damit die Kapazität des/der Kondensators/Kondensatoren verändert. Die Einflüsse aus dem Wälzlager sind beispielsweise elastische Verformungen eines Lagerringes aus dem Wälzkontakt der Wälzkörper mit dem Lagerring. Die elas- tischen Verformungen des Ringes übertragen sich auf die elastischen Flächen des Kondensators, so dass die Änderung der Kapazität ein Bewertungskriterium für die elastische Verformung in dem Lagerring ist.
Alternativ bildet die sich elastisch verformende Oberfläche des Wälzlagerbau- teiles die eine Platte des Kondensators, die dann auf der einen Seite des Trägermaterials mit dem Trägermaterial, beispielsweise über eine sehr dünne und elastische Schicht aus Kleber, verbunden ist. Auf der anderen Seite des entsprechend dünn und elastisch ausgeführten Trägermaterials ist dann eine oder sind dann mehrere der Platten des Kondensators in Form der Leiterflächen oder Folien angeordnet. Durchkontaktierungen durch das Trägermaterial sind im Falle der Verwendung von Kondensatoren als Sensorelemente nicht erforderlich.
Die Sensorelemente, die Leiterbahnen und die elektronischen Bauteile sind mit dem flexiblen Trägermaterial an der von dem Wälzlagerbauteil abgewandten Seite - also oben, vorzugsweise aber unten direkt verbunden. Dies ist aus der DE 103 04 592 A1 nicht vorbekannt, da bei dieser die Dehnungsmessstreifen auf einem Isolationssubstrat aufgebracht sind, welches direkt auf einem Wälzlagerbauteil aufgebracht ist.
Gegenüber diesem Stand der Technik bietet die Erfindung eine Reihe von Vorteilen. So kann durch den geschilderten Aufbau das Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem samt aller Sensorelemente in geschützter Umgebung komplett hergestellt und anschließend mit dem jeweiligen Wälzlager verbunden werden. Dadurch bietet sich die Möglichkeit, die Funktionsfähigkeit des Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystems schon vor der Verbindung mit dem Wälzlager zu überprüfen, daran Änderungen vorzunehmen oder dieses als sogenannten Ausschuss nicht weiter zu verwenden. Außerdem sind, da die Sensorelemente nicht direkt auf der Oberfläche des Wälzlagerbauteiles aufgebracht sind, keine kostenaufwendigen Vorbereitungen dieser Oberfläche erforderlich.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei einer lösbaren Verbindung zwischen einem Wälzlagerbauteil und dem Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystems dieses bei einem Defekt leicht entfernt und durch ein funktionsfähiges Exemplar ausgetauscht werden kann, ohne dass dazu das Wälzlager aufwendig bearbeitet werden muss. Dies ist besonders bei großen Wälzlagern von wirtschaftlicher Bedeutung. Dieses Austauschexemplar kann beispielsweise auch ein solches sein, mit dem andere Messungen durchführbar sind.
Als weiterer Vorteil soll erwähnt werden, dass das Aufbringen von Sensorelementen, Leiterbahnen und elektronischen Bauteilen auf einem flach auf einer Unterlage liegenden Trägermaterial deutlich kostengünstiger ist als derartige Produktionsschritte auf gekrümmten Oberflächen, so dass sich bei verbesserter Funktionalität gegenüber dem Stand der Technik Herstellkosten einsparen lassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorelemente auf der Unterseite, und die Leiterbahnen sowie die elektronischen Bauteile auf der Oberseite des flexiblen Trägermaterials befestigt sind. Alternativ dazu ist vorgesehen, dass die elektronischen Bauteile sowie die Leiterbahnen auf der Unterseite und die Sensorelemente auf der Oberseite des Trägermaterials angeordnet sind.
Zur Weiterleitung der von den Sensorelementen ermittelten verformungsbe- dingten Widerstandsänderungen sind diese über Kontaktierungselemente signaltechnisch entweder mittels Durchkontaktierungselementen mit den auf der gegenüberliegenden Seite des flexiblen Trägermaterials angeordneten Leiterbahnen verbunden, oder zu benachbarten elektronischen Bausteinen mittels Leiterflächen/Banen verbunden. Die Durchkontaktierungselemente sind vor- zugsweise senkrecht zur Längs- und Quererstreckung des flexiblen Trägermaterials in demselben ausgebildet und ausgerichtet.
Die Sensorelemente sind bevorzugt derjenigen Seite des flexiblen Trägermaterials befestigt, die auf die Oberfläche desjenigen Wälzlagerbauteils zuweist, an dem das Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem angeordnet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Ausbildung des flexiblen Trägermaterials, welches vorzugsweise aus einer Folie oder aus mehreren überein- anderliegenden Folien besteht. Diese Folie beziehungsweise Folien können dabei aus einem Kunststoff oder einer dünnen und biegsamen Metallfolie bestehen. Alternativ dazu ist die Folie aus modernen Werkstoffen, wie Keramik, hergestellt. Sofern ein Kunststoff zur Anwendung gelangt, wird ein Polyimid bevorzugt.
Das Aufbringen der Sensorelemente, der Leiterbahnen und der elektronischen Bauteile auf das flexible Trägermaterial erfolgt vorzugsweise mittels eines Siebdruckverfahrens, durch Aufdampfen oder durch Abscheiden von Leiter-, Halbleiter- und/oder Isolationsmaterialien. Die Sonderform des Aufklebens von
separat gefertigten Sensorelementen auf das flexible Trägermaterial wurde ja schon erwähnt.
Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Sensorelemente, die Leiterbah- nen und/oder die elektronischen Bauteile jeweils auf einem separaten flexiblen Trägermaterial ausgebildet sind, die zu einem gemeinsamen flexiblen Trägermaterial miteinander verbunden sind.
Mit Bezug auf die Definition der elektronischen Bauteile soll nicht unerwähnt bleiben, dass diese als diskrete Bauteile wie Widerstände, Kondensatoren und ähnliches ausgebildet sein können. Darüber hinaus können diese elektronischen Bauteile auch als Mikroprozessor oder als kompletter Mikrocomputer ausgebildet sein. Wichtig ist jedoch, dass zunächst eine Eingangsstufe aus mindestens einem Verstärker mit den Sensorelementen verbunden ist.
Sofern das flexible Trägermaterial weitgehend dünn und flexibel ausgebildet ist, kann nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass das flexible Trägermaterial im Bereich des Verstärkers, eines Mikroprozessors oder Mikrocomputers eine größer mechanische Steifigkeit aufweist als in be- nachbarten Bereichen. Dies kann beispielsweise durch an dieser Stelle dickeres Trägermaterial oder eine Verstärkung des Trägermaterials durch Materialauftrag o.a. realisiert sein.
Sofern die Sensorelemente auf dem flexiblen Trägermaterial aufgeklebt sind, kann gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass auf dem flexiblen Trägermaterial ein Klebstoff zur Befestigung der Sensorelemente aufgetragen und vor dem Anbringen der Sensorelemente mit einer Schutzfolie abgedeckt ist. Diese Vorgehensweise ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn das Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem derart variabel ausgebildet sein soll, dass je nach Anwendungsfall unterschiedlich geformte Sensorelemente messtechnisch zur Anwendung gelangen sollten.
Zudem ist es sinnvoll die Oberfläche der Sensorelemente und der Leiterbahnen
mit einer elektrischen Isolationsschicht abzudecken. Diese Isolationsschicht kann aus einem Lötstopplack bestehen oder ist durch den Klebstoff gebildet, mit dem das System am Wälzlagerbauteil befestigt ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die elektrischen und elektronischen Bauteile sowie die Isolationsschichten und das flexible Trägermaterial aber auch die Sensorelemente zumindest teilweise aus leitenden, halbleitenden und/oder isolierenden Polymeeren bestehen oder aufgebaut sind.
Das erfindungsgemäße Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem wird mit Vorteil an einem Wälzlager genutzt, wobei das Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem in einer Aussparung beziehungsweise in einer Umfangs- nut, oder an einer nutlosen beziehungsweise aussparungslosen Ringfläche an einem von zwei Wälzlagerbauteilen befestigt ist, welche Wälzkörper zwischen sich einschließen. Derartige Wälzlagerbauteile sind bekanntermaßen der Innenring und der Außenring eines Wälzlagers. Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem auch an Linearlagern eingesetzt.
Sofern das Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem in einer Aussparung oder Nut an einem Wälzlagerbauteil befestigt ist, wird empfohlen dieses mit einem Vergussmaterial abzudecken, wenn eine dauerhafte und unveränderte Nutzung eines solchen Messwälzlagers sinnvoll und gewünscht ist.
Schließlich sei erwähnt, dass das Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem mit Vorteil auf der Außenseite eines Gehäuseflansches befestigt ist, an dessen Innenwand Wälzkörper abrollen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung lässt sich anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutern. Es
zeigen:
Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Messdatenerfassungs- und Verarbeitungs- System mit einem Dehnmessstreifen,
Figur 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Wälzlageraußenring mit einem in eine Umfangsnut eingebauten Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem mit Widerstands- brücken aus Kupfer und
Figur 3 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem mit einem Kondensator.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die Darstellung in Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem 1 , dessen zentrales Bauteil ein als Folie ausgebildetes flexibles Trägermaterial 2 ist. An der Unterseite dieses Trägermaterials 2 befinden sich als Sensorele- rrtFsntfi 19 angeordnete nfihnnng.qmfiRRRtreiffin 3, die in diesem Fall in die Ebene der Darstellung hinein, aber alternativ auch in beliebige Richtungen ausge- richtet sind und die in diesem konkreten Ausführungsbeispiel photolithographisch aber auch alternativ mittels Siebdruck aufgetragen sind. Als Unterseite des flexiblen Trägermaterials 2 ist diejenige Seite definiert, die befestigungssei- tig in Richtung des Wälzlagerbauteiles, an dem das Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem angeordnet ist, weist. Dabei ist/sind das/die Datenerfas- sungs- und Verarbeitungssystem(e) beispielsweise an einem Innenumfang oder Außenumfang bzw. stirnseitig eines oder mehrerer innerer oder äußerer Lagerringe o.a. angeordnet.
Zudem ist in Fig. 1 deutlich erkennbar, dass die freien Oberflächen der Dehnmessstreifen 3 mit einem Isolationsmaterial 8 abgedeckt sind, welches in diesem Beispiel aus einem Lötstopplack oder Kleber besteht.
Auf der gegenüberliegenden Oberseite des Trägermaterials 2 sind Leiterbahnen 4, elektronische Einzelbauteile 5 sowie ein Mikrocomputer 6 angeordnet, wobei die einzelnen elektronischen Bauteile 5 beispielsweise elektrische Widerstände, Kondensatoren u.a. sein können. Diese Leiterbahnen 4, Elektronikbauteile 5 und Mikrocomputer 6 sind mit einer oder verschienen Herstelltechno- logien auf das Trägermaterial 2 aufgebracht, wobei das Aufdampfen und/oder Aufbringen von Leiter- und Halbleiter- und/oder Isolationsmaterialien bevorzugt photolithographisch aber auch alternativ mittels Siebdruck vorgenommen wird.
Nicht ausgeschlossen wird in diesem Zusammenhang ausdrücklich, dass die elektrischen und elektronischen Bauteile sowie die Isolationsschichten und das flexible Trägermaterial aus Polymeeren bestehen oder aufgebaut sind.
Wie Fig. 1 außerdem zeigt, sind insbesondere die Leiterbahnen 4 an der Oberseite des flexiblen Trägermaterials 2 ebenfalls mit einem Isolationsmaterial 8 abgedeckt. Zudem sind an verschienenen Stellen auf dem flexiblen Trägermaterial 2 elektrische Kontaktstellen 7 ausgebildet, die als Verbindungs- beziehungsweise Lötstützpunkte zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den elektronischen Bauteilen 5 beziehungsweise den Anschlussstellen des Mikrocomputers 6 mit den Leiterbahnen 4 dienen.
Zur elektrischen Verbindung der Dehnungsmessstreifen 8 und zumindest einigen der Leiterbahnen 4 auf der gegenüberliegenden Seite des flexiblen Trägermaterials 2 sind in demselben an geeigneten Stellen sogenannte Durchkon- taktierungselemente 13 angeordnet, die sich im wesentlichen senkrecht zur Längs- und Quererstreckung des flexiblen Trägermaterials 2 erstrecken. Derartige Durchkontaktierungselemente sind zum Beispiel elektrische Leiter aus Kupfer, mit denen die Verbindung durchkontaktiert ist.
Ein solchermaßen aufgebautes Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem 1 lässt sich vergleichsweise einfach an einem Wälzlager befestigen. Fig. 2 zeigt dazu in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, dass ein solches Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem 1 in eine Umfangsnut 12 ei- nes Wälzlageraußenringes 9 eingesetzt und auf einer am Nutboden aufgebrachte Klebstoffschicht 10 befestigt ist. Dieser Klebstoff 10 kann aber ebenso gut vor Montagebeginn auch an der Unterseite des flexiblen Trägermaterials 2 die Dehnungsmessstreifen überdeckend aufgetragen sein.
Alternativ zu der Darstellung nach Figur 1 , ist das Sensorelement 19 aus Widerstandsbrücken 14 mit Leitern aus Kupfer anstelle der Dehnmessstreifen 3 gebildet. Das Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem 1 auf dem flexiblen Trägermaterial 2 ist dabei am Außenumfang des Lageraußenrings 9 so angeordnet, dass die Widerstandsbrücken 14jn Richtung zu den hier nicht darge- stellten Wälzkörpern des Wälzlagers weisen.
Schließlich zeigt Fig. 2, dass in diesem Ausführungsbeispiel das Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem 1 mit einer vor mechanischen und elektrischen Einflüssen schützenden Vergussmasse 11 abgedeckt ist.
Figur 3 zeigt ein Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem 15, dessen Sensorelement 19 durch einen Plattenkondensator 16 gebildet ist. An der Oberseite des Trägermaterials 2 sind dazu zwei in Reihe geschaltete Kondensatorplatten in Form von Leiterflächen 17 angeordnet, die relativ starr ausgebildet sind. An der zu dem nicht dargestellten Lager hingewandten Unterseite des Trägermaterials 2 ist eine weitere plattenartig ausgebildete Leiterfläche 18 fest. Die Leiterfläche 18 ist, wie auch das Trägermaterial 2 aus Polyimid folienartig und elastisch ausgebildet, so dass Verformungen aus dem Lagerring durch die Leiterfläche 18 an das Trägermaterial weitergeben werden und über den dadurch veränderten Abstand zwischen den Leiterflächen 17 und der Leiterfläche 18 die Kapazität des Plattenkondensators 16 als Messwert beeinflussbar ist. An mit dem Plattenkondensator 16 ist ein Verstärker 20 verbunden.
Bezugszeichenliste
Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem Trägermaterial Dehnungsmessstreifen Leiterbahn Elektronisches Bauteil Mikrocomputer Kontaktstelle zur Leiterbahn Isolationsschicht Lageraußenring Klebmaterial Vergussmaterial Nut im Lageraußenring Kontaktierungselement Widerstandsbrücke Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem Platttenkondensator Leiterfläche Leiterfläche Sensorelement Verstärker