WO2004068146A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der bewegungsrichtung eines wälzlagerbauteils - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der bewegungsrichtung eines wälzlagerbauteils Download PDF

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WO2004068146A1
WO2004068146A1 PCT/DE2004/000096 DE2004000096W WO2004068146A1 WO 2004068146 A1 WO2004068146 A1 WO 2004068146A1 DE 2004000096 W DE2004000096 W DE 2004000096W WO 2004068146 A1 WO2004068146 A1 WO 2004068146A1
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resistor
measuring
bearing
bearing component
movement
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PCT/DE2004/000096
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Alfred Pecher
Henry Van Der Knokke
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Fag Kugelfischer Ag & Co. Ohg
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F16C41/007—Encoders, e.g. parts with a plurality of alternating magnetic poles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • G01P13/04—Indicating positive or negative direction of a linear movement or clockwise or anti-clockwise direction of a rotational movement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/443—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed mounted in bearings

Definitions

  • the invention relates to a measuring arrangement, a roller bearing and a method for determining the direction of movement of a roller bearing component according to the features of the preambles of claims 1, 6 and 9.
  • a so-called measuring roller bearing is known from DE 2746 937 C2, in which a force acting on the roller bearing is detected by means of strain-sensitive sensors which are arranged on or in the stationary bearing shell thereof. These strain-sensitive sensors are designed as strain gauging resistors and interconnected in a Wheatstone measuring bridge.
  • DE 10041 093 A1 shows a roller bearing with strain-sensitive sensors with which, among other things, the rotational speed of a rotatable roller bearing shell can be determined.
  • These sensors are two mutually assigned strain gauges or strain gauges, which are attached to the fixed outer bearing shell.
  • the two strain gauges can be arranged with respect to one another in such a way that they are connected in series and are each offset in the bearing shell by half the angular distance of the rolling elements in the direction of rotation.
  • DE 10041 093 gives no indication of how the direction of rotation of the balls of the rolling bearing and thus the direction of rotation of a rotating bearing shell can be determined with this measuring bearing.
  • a measuring arrangement in a rolling bearing is known, with which, in addition to the force acting on the rolling bearing, the speed and the running direction of the rolling elements in the bearing can also be determined.
  • This measuring arrangement is distinguished with regard to the detection of the direction of rotation in that several pairs of strain-sensitive sensor elements are attached to or on a bearing shell at an angular distance from one another which is approximately 14 of the angular distance of the rolling elements located in the rolling bearing.
  • the pairs of sensors on the bearing shell are arranged offset from one another in such a way that they assume, for example, a 12 o'clock position or a 9 o'clock position.
  • this publication ensures that the measurement signals from the two sensor elements in the 12 o'clock position and those in the 9 o'clock position have a mutual phase offset, with the aid of which the running direction of the rolling elements and thus the direction of rotation of the movable bearing ring can be determined.
  • this document discloses that an evaluation device is necessary to determine the running direction of the rolling elements, the signals generated by the two sensor elements of each pair of sensor elements receives and determines the relative phase position of each of the rolling elements based on the sensor elements from the amplitude of the signal modulation. From this relative phase position, it is then possible to conclude the running direction of the components guided in the roller bearing.
  • This structure of the measuring arrangement for determining the direction of rotation, for example of a component guided in a roller bearing, is comparatively complex.
  • the application of the sensor elements of each pair of sensor elements and the precise positioning of the sensor pairs relative to one another require a very careful and therefore rather cost-intensive procedure.
  • the object of the invention is to propose a movement direction measuring device for rolling bearings such as rotary and linear bearings, which has a particularly inexpensive and less complex structure.
  • a rolling bearing with such a measuring device and an evaluation method for a measuring signal generated by the measuring device are to be presented.
  • the invention is based on a measuring arrangement on or in a rolling bearing for determining the direction of movement of a movable bearing component relative to a preferably fixed bearing component, in which the measuring arrangement comprises electrical resistances (e.g. strain gauging resistors) which, depending on the pressure and / or tractive force, have their electrical resistances Change resistance and are interconnected in a bridge circuit.
  • electrical resistances e.g. strain gauging resistors
  • the bridge circuit With regard to such a measuring arrangement, it is provided that four resistors of the bridge circuit are arranged in a row on one of the bearing components parallel to the direction of movement of the rolling elements or of the movable bearing component, that the distance K from the first resistor to the second resistor is as large as the distance L of the third resistor to the fourth resistor, and that the distance J between the two middle resistors is greater than the distance K or L between the first resistor and the second resistor or the third resistor and the fourth resistor.
  • measuring roller bearings can therefore be manufactured very inexpensively and can be used advantageously for mounting rotating or linearly moving movement elements such as pumps, pneumatic devices, piston-cylinder arrangements or sealing systems.
  • the distance H between the first resistor and the third resistor and the distance G between the second resistor and the fourth resistor is the same as the distance between two rolling elements arranged directly one behind the other.
  • more than just one of the measuring bridges according to the invention can be attached to the measuring bearing and connected to an evaluation device.
  • the measuring bridges are preferably arranged on the unmoved bearing component.
  • the invention also relates to a rolling bearing, in or on the bearing component of which the resistors of the measuring device according to the invention are mounted in any area.
  • this measuring range lies in a circumferential groove of a fixed bearing outer ring or in a longitudinal groove of a fixed linear bearing component, in which the resistances of the measuring bridge together with the connecting lines belonging to the measuring bridge are sputtered on.
  • these electrical resistors can also be applied as strain gauges on a flexible substrate carrier and glued together with this in the groove mentioned.
  • shape of the strain gauge measuring strips commercially available rectangular or strain gauge measuring strips in any basic shape can be used.
  • the invention also relates to a method for determining the direction of movement of the movable bearing component with a measurement signal of the measurement arrangement according to the invention.
  • the measurement signal M of the measuring bridge with the resistances mentioned with regard to the left or right rotation of the movable bearing component is analyzed to determine whether the respective positive amplitude maximum A max occurs at a point in time that does not fall in the middle t sym between the occurrence of two consecutive negative amplitude maxima Amj n . , A m lies in2.
  • equation GI.1 and equation GI.2 are compared with one another and the signs, if the signs match, are regarded as a true movement direction indicator in order to subsequently make this available for further information utilization. If the signs determined by the two calculations (GI.1, GI.2) deviate from one another, the measurement and calculation results are at least partially rejected and new measurements and calculations are carried out to determine the direction of movement.
  • the measuring arrangement according to the invention a roller bearing with the measuring arrangement and a method for evaluating the measuring signal generated by the measuring arrangement, as well as their advantageous configurations, can be explained on the basis of concrete exemplary embodiments which are shown in the attached drawing. Show in it
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a rolling bearing according to the invention
  • FIG. 2 shows a plan view of the circumference of the bearing according to FIG. 1 in the area of the measuring bridge
  • FIG. 3 shows the electrical measuring bridge circuit according to FIG. 2 in a simplified manner
  • FIG. 4 shows a comparison of a resistance arrangement of a measuring bridge according to the prior art with a resistance arrangement according to the invention
  • FIG. 5 shows a measurement signal generated by the measuring bridge according to the invention with measuring points for calculating the direction of movement of a bearing component
  • FIG. 6 shows a representation as in FIG. 5 with other measuring points.
  • Figure 1 accordingly shows a schematic cross-sectional view of a rolling bearing, in which a fixed outer ring 1 by means of rolling elements 3 rotatably supports an inner ring 2.
  • This inner ring 2 serves to receive a component, not shown here, which exerts a force F on the inner ring 2.
  • this force F acts on the outer ring 1 via the inner ring 2 and the rolling elements 3.
  • Measuring resistors R1, R2, R3, R4 attached which change their electrical resistance depending on the strain and with which therefore the deformation of the external ring 1 when rolling over each measuring resistor R1, R2, R3, R4 by the rolling elements 3 can be determined.
  • FIG. 1 shows that a second measuring bridge with resistors R11, R21, R31, R41 can also be arranged on the rotatable outer bearing ring 1, which is provided and suitable for generating a comparable measuring signal in the measuring region 5 as the first measuring bridge ,
  • this second measuring bridge will only have to be provided if, for example, to increase the number of measured values or to verify the measured values of the first measuring bridge, further measured values are desired.
  • the measuring resistors R1, R2, R3, R4 are preferably placed in a circumferential groove 4 of the outer ring 1 and arranged in a gluing or sputtering area 7 such that two resistors R1, R2 and R3, R4 each have one A pair of axially parallel to the direction of movement of the inner ring 1 and the rolling elements 3 are positioned.
  • the resistors R1, R2, R3, R4 are interconnected to form a measuring bridge 8, which is shown in a simple circuit diagram in FIG. 3.
  • This measuring bridge 8 is subjected to a voltage U in a manner known per se and supplies a measuring signal M via the contact parts V- and V +.
  • FIG. 4 in the upper half of the illustration, in known measuring bridges the electrical resistances are arranged in such a way that they have the same distances B, C, D from one another and no pairing is provided.
  • the arrangement according to the invention of the electrical resistors R1, R2, R3, R4 of the measuring bridge 8 is shown, with which the direction of rotation of the inner ring 2 can be determined in this example.
  • the resistors R1, R2, R3, R4 are arranged parallel to the direction of movement of the rolling elements 3 or of the movable bearing inner ring 2 in a row in such a way that the resistors R1 and R3 and the resistors R2 and R4 each forming a pair are shifted against each other in comparison to the arrangement according to the prior art.
  • the distance K from the first resistor R1 to the second resistor R2 is the same as the distance L from the third resistor R3 to the fourth resistor R4.
  • the distance J between the two middle resistors R2 and R3 is greater than the distances K and L between the first resistor R1 and the second resistor R2 or the third resistor R3 and the fourth resistor R4.
  • the distance H between the first resistor R1 and the third resistor R3 and the distance G between the second resistor R2 and the fourth resistor R4 is the same as the distance between two immediately adjacent rolling elements third
  • FIG. 5 and FIG. 6 show a measuring signal M, which is shown by way of example in FIG. 5 and FIG. 6.
  • the measured voltage curves do not have a symmetrical, but an asymmetrical curve.
  • This asymmetry is due to the fact that the distance K or L between two resistors R1, R2 or R3, R4 in the measuring bridge 8 is smaller than the distance J between two immediately adjacent resistors R2, R3.
  • the superimposition of the two changes in resistance of the resistors R1, R2 then leads to an asymmetrical deformation of the measuring signal M of the measuring bridge 8.
  • the degree of asymmetry is exaggerated in FIG. 5 and FIG.
  • the symmetry can be derived from the measured values t m ini and t min 2 of the times for the occurrence of two successive negative amplitude maxima A m i n i and A m - n2 and with t max ⁇ for the time of the positive amplitude maximum A ma ⁇ i calculate the measurement curve M.
  • the result of this calculation depends on the sign of the determination of the direction of movement, to which a defined direction of movement is assigned. So it depends on the installation position of a measuring bearing according to the invention whether a left-turning measuring bearing generates a positive or negative calculation value. However, once a sign is assigned to a certain direction of movement and the bearing is installed by definition, the movement direction calculation gives a reliable value with regard to the actual direction of rotation of the bearing.
  • t max 2 ⁇ t maxi sym - sign • (t min 1 - t max l) (Eq 2) where the measured values i and t ma ⁇ 2 for the times for the occurrence of two successive positive amplitude maxima and tmini for the time of the negative amplitude maximum mean A m i n ⁇ .
  • FIG. 6 shows the measurement curve M in a time period in which the measurements for the calculation are carried out using the second equation GI.2.
  • This point of symmetry t sym is namely in the middle of the period t A , which lies between the occurrence of the two positive amplitude maxima A ma ⁇ i and A ma ⁇ 2 at times t max ⁇ and t ma ⁇ 2.
  • This second calculation gives a second result value for the symmetry of the measurement signal, so that with a subsequent sign comparison of the calculation results of the equations GI.1 and GI.2, the security of the direction of movement determination can be increased.
  • the ascertained sign or direction of movement value is only passed on for further information processing (eg display device, control computer) if both calculation results have led to the same sign value. If the calculations show different signs, the determined values are averaged (preferably averaged over an odd number of individual results) and a new measurement and calculation process is carried out to determine the direction of movement. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung in einem Wälzlager zur Ermittlung der Bewegungsrichtung eines bewegbaren Lagerbauteils (2) gegenüber einem feststehenden Lagerbauteil (1). Ein besonders kostengünstiger Aufbau der Messanordnung lässt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, dass vier druckabhängige Widerstände (R1, R2, R3, R4) einer Brückenschaltung (8) in einem Messbereich (5) an einem Lagerbauteil (1, 2) parallel zur Bewegungsrichtung der Wälzkörper (3) bzw. des bewegbaren Lagerbauteils (2) in einer Reihe hintereinander angeordnet sind, dass der Abstand (R1-R2) genauso groß ist wie der Abstand (R3-R4) und dass der Abstand (R2-R3) größer ist als die anderen Abstande. Die position der Widerstände und der Brückenschaltung sind derart gewählt, dass ein einziges Ausgangssignal mit asymmetrischer Form entsteht. Die Drehrichtung wird z. B. durch die Auswertung der Abweichung eines Maximums von der Mittellage zwischen zwei benachbarten Minima bestimmt.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ERMITTLUNG DER BEWΞGUNGSRICHTUNG EINES
WÄLZLAGΞRBAUTEILS
Beschreibung Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung, ein Wälzlager und ein Verfahren zur Ermittlung der Bewegungsrichtung eines Wälzlagerbauteils gemäß den Merkmalen der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 , 6 und 9.
Hintergrund der Erfindung
Aus der DE 2746 937 C2 ist ein sogenanntes Messwälzlager bekannt, bei dem eine auf das Wälzlager wirkende Kraft mittels dehnungsempfindlicher Sensoren erfasst wird, die an oder in dessen feststehenden Lagerschale angeordnet sind. Diese dehnungsempfindlichen Sensoren sind dabei als Dehnungsmesswiderstände ausgebildet und in einer Wheatstoneschen-Messbrücke miteinander verschaltet.
Darüber hinaus zeigt die DE 10041 093 A1 ein Wälzlager mit dehnungsempfindlichen Sensoren, mit denen u.a. die Drehzahl einer drehbaren Wälzlagerschale ermittelbar ist. Bei diesen Sensoren handelt es sich um zwei einander zugeordnete Dehnungsmesswiderstände oder Dehnungswiderstand- Messbrückenschaltungen, die an der feststehenden äußeren Lagerschale angebracht sind. Die beiden Dehnungsmessstreifen können dabei so zueinander angeordnet sein, dass diese in Reihe geschaltet und jeweils um die Hälfte des Winkelabstandes der Wälzelemente in Drehrichtung zueinander versetzt in der Lagerschale angebracht sind. Zur Drehzahlmessung ist hinsichtlich dieser Messanordnung verfahrensgemäß vorgesehen, dass das von diesen beiden Sensoren beim Überrollen ihrer Befestigungsorte gewonnene Signal einer Auswerteschaltung zugeführt wird, in der die Signale einer Differenzbildung unterworfen werden. Die DE 10041 093 gibt jedoch keinen Hinweis darauf, wie mit diesem Messlager die Laufrichtung der Kugeln des Wälzlagers und damit die Drehrichtung einer rotierenden Lagerschale bestimmbar ist.
Schließlich ist aus der DE 101 00299 A1 eine Messanordnung in einem Wälzlager bekannt, mit der neben der auf dem Wälzlager lastenden Kraft auch die Drehzahl und die Laufrichtung der Wälzkörper im Lager ermittelbar ist. Diese Messanordnung zeichnet sich hinsichtlich der Drehrichtungserkennung dadurch aus, dass mehrere Paare von dehnungsempfindlichen Sensorelementen an oder auf einer Lagerschale in einem Winkelabstand zueinander angebracht sind, der annähernd 14 des Winkelabstandes der im Wälzlager befindlichen Wälzkörper beträgt. Außerdem sind die Paare der Sensoren auf der Lager- schale derartig versetzt zueinander angeordnet, dass diese beispielsweise eine 12-Uhr-Position bzw. eine 9-Uhr-Position einnehmen. Bei einer ungeraden Anzahl der Wälzkörper im Lager ist gemäß dieser Druckschrift gewährleistet, dass die Messsignale von den beiden Sensorelementen der 12-Uhr-Position und denjenigen in der 9-Uhr-Position einen gegenseitigen Phasenversatz haben, mit dessen Hilfe die Laufrichtung der Wälzkörper und damit auch die Drehrichtung des beweglichen Lagerringes bestimmbar ist.
Wenn dagegen bei einer dazu alternativen Ausführungsform eine gerade Anzahl von Wälzkörpern im Wälzlager vorhanden ist, so lässt sich gemäß der DE 101 00 299 A1 die Laufrichtung der Wälzkörper durch die Messsignale von
Sensorpaaren bestimmen, bei denen der gegenseitige Winkelversatz der Sensorpaare zwischen den in der 12-Uhr-Position und den in der 9-Uhr-Position angebrachten Sensoren etwas von der 90°-Position abweicht.
Letztlich offenbart diese Druckschrift, dass zur Bestimmung der Laufrichtung der Wälzkörper eine Auswerteeinrichtung notwenig ist, die von den beiden Sensorelementen eines jeden Sensorelementpaares erzeugten Signale empfängt und aus der Amplitude der Signalmodulation die relative Phasenposition jedes der Wälzkörper bezogen auf die Sensorelemente ermittelt. Aus dieser relativen Phasenposition kann dann schließlich auf die Laufrichtung der im Wälzlager geführten Bauteile geschlossen werden.
Dieser Aufbau der Messanordnung zur Bestimmung der Drehrichtung beispielsweise eines in einem Wälzlager geführten Bauteils ist vergleichsweise aufwendig. Insbesondere bedarf bei der Herstellung eines solchen Messlagers das Aufbringen der Sensorelemente eines jeden Sensorelementpaares sowie die winkelgenaue Positionierung der Sensorpaare zueinander einer sehr sorg- fältigen und damit eher kostenintensiven Vorgehensweise.
Aufgabe der Erfindung
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe an die Erfindung darin, eine Be- wegungsrichtungsmessvorrichtung für Wälzlager wie Dreh- und Linearlager vorzuschlagen, die einen besonders kostengünstigen und weniger komplexen Aufbau aufweist. Darüber hinaus soll ein Wälzlager mit einer solchen Messvorrichtung und ein Auswerteverfahren für ein von der Messvorrichtung erzeugtes Messsignal vorgestellt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
Die Erfindung geht demnach von einer Messanordnung an oder in einem Wälzlager zur Ermittlung der Bewegungsrichtung eines bewegbaren Lagerbauteils gegenüber einem vorzugsweise feststehenden Lagerbauteil aus, bei der die Messanordnung elektrische Widerstände (z. B. Dehnungsmesswiderstände) umfasst, die druck- und/oder zugkraftabhängig ihren elektrischen Widerstand verändern und untereinander in einer Brückenschaltung verschaltet sind. Hinsichtlich einer solchen Messanordnung ist vorgesehen, dass vier Widerstände der Brückenschaltung in einem Messbereich an einem der Lagerbauteile parallel zur Bewegungsrichtung der Wälzkörper bzw. des bewegbaren Lagerbauteils in einer Reihe hintereinander angeordnet sind, dass der Abstand K vom ersten Widerstand zum zweiten Widerstand genauso groß ist wie der Abstand L des dritten Widerstands zum vierten Widerstand, und dass der Abstand J zwischen den beiden mittleren Widerständen größer ist als der Abstand K bzw. L zwischen dem ersten Widerstand und dem zweiten Widerstand bzw. dem dritten Widerstand und dem vierten Widerstand.
Durch diesen Aufbau wird erreicht, dass im Unterschied zu den Lösungen des Standes der Technik mit nur einem Sensor in dem Messlager ein Messsignal erzeugbar ist, das Aufschluss über die Bewegungsrichtung des beweglichen Lagerbauteils und damit über die Bewegungsrichtung des von dem Lager gela- gerten Bauteils gibt. Von besonderer Bedeutung hinsichtlich der praktischen Nutzung der Erfindung ist, dass die elektrischen Widerstände des Drehrichtungssensors an einer beliebigen Stelle an dem Messlager angeordnete sein können, wenngleich darauf zu achten ist, dass eine Kraft F über die Wälzkörper auf die Messanordnung einwirken kann.
Darüber hinaus ist eine sehr präzise Anordnung der Widerstände der Messbrücke nicht notwendig, da schon eine grobe Asymmetrie bei den Abständen der Widerstände zueinander ausreicht, um ein links- oder rechtsschiefes Messsignal zu erzeugen, welches eine Aussage über die Drehrichtung zulässt. Sol- ehe Messwälzlager können daher sehr kostengünstig hergestellt und mit Vorteil zur Lagerung von rotierenden oder linear bewegten Bewegungselementen wie etwa Pumpen, Pneumatikvorrichtungen, Kolben-Zylinder-Anordnungen oder Dichtsystemen eingesetzt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zur Erzeugung eines besonders eindeutigen Messsignals der Messbrücke vorgesehen, dass der Abstand H zwischen dem ersten Widerstand und dem dritten Widerstand sowie der Abstand G zwischen dem zweiten Widerstand und der vierten Widerstand genauso groß ist wie der Abstand zwischen zwei unmittelbar hintereinander angeordneten Wälzkörpern.
Zur Vergrößerung der Anzahl der beispielsweise pro Umdrehung des bewegten Lagerbauteils ermittelbaren Messwerte und damit zur Verbesserung der statistischen Aussagekraft der Messwerte kann auch mehr als nur eine der erfindungsgemäßen Messbrücken an dem Messlager angebracht sein und mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sein. Die Anordnung der Messbrücken erfolgt vorzugsweise an dem unbewegten Lagerbauteil.
Die Erfindung betrifft auch ein Wälzlager, in oder an dessen Lagerbauteil die Widerstände der erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem beliebigen Bereich angebracht sind. Dieser Messbereich liegt in einer bevorzugten Ausfüh- rungsform der Erfindung in einer Umfangsnut eines feststehenden Lageraußenringes oder in einer Längsnut eines feststehenden Linearlagerbauteils, in der die Widerstände der Messbrücke samt der zu der Messbrücke gehörenden Verbindungsleitungen aufgesputtert sind. In einer anderen Variante können diese elektrischen Widerstände aber auch als Dehnungsmessstreifen auf einem flexiblen Substratträger aufgebracht und zusammen mit diesem in der genannten Nut eingeklebt sein. Bei der Form der DMS-Messstreifen können handelsübliche rechteckige oder auch DMS-Messstreifen in einer beliebigen Grundform verwendet werden.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Bestimmung der Bewegungsrichtung des beweglichen Lagerbauteils mit einem Messsignal der erfindungsgemäßen Messanordnung. Bei diesem Auswerteverfahren wird das Messsignal M der Messbrücke mit den genannten Widerständen hinsichtlich des Links- oder Rechtslaufes des beweglichen Lagerbauteils dahingehend analysiert, ob das jeweilige positive Amplitudenmaximum Amaxι zu einem Zeitpunkt auftritt, der zeitlich nicht in der Mitte tsym zwischen dem Auftreten von zwei aufeinander folgenden negativen Amplitudenmaxima Amjn . , Amin2 liegt. Darüber hinaus kann festgestellt werden, ob das jeweilige negative Amplitudenmaximum Amini des Messsignals M zu einem Zeitpunkt auftritt, der sich zeitlich nicht in der Mitte tsy zwischen dem Auftreten von zwei aufeinander folgenden positiven Amplitudenmaxima Amaχ. , Amaχ2 befindet.
Verfahrensgemäß ist dazu vorgesehen, dass die Bewegungsrichtung des beweglichen Lagerbauteils durch ein Auswerteprogramm ermittelt wird, das die Gleichung t min 2 — t min 1 sym = + sign ■ — (t max \ — t min l) (GI. 1)
2 nutzt, bei der ein positives Vorzeichen des Gleichungsergebnisses die Drehrichtung in die eine Richtung und ein negatives Vorzeichen des Gleichungsergebnisses die entgegengesetzte Bewegungsrichtung angibt.
Zudem kann die Bewegungsrichtung des beweglichen Lagerbauteils durch das Auswerteprogramm bei Nutzung der Gleichung t max 2 — t max 1 sym = - sign ■ (t min 1 — t max l) (Gl. 2)
2 bestimmt werden, bei der ein positives Vorzeichen des Gleichungsergebnisses die Bewegungsrichtung in die eine Richtung und ein negatives Vorzeichen des Gleichungsergebnisses die entgegengesetzte Bewegungsrichtung angibt.
Schließlich kann verfahrensgemäß vorgesehen sein, dass die Berechnungsergebnisse der Gleichung GI.1 und der Gleichung GI.2 miteinander verglichen werden und die Vorzeichen bei Vorzeichenübereinstimmung als wahrer Bewe- gungsrichtungsindikator betrachtet werden, um diesen anschließend einer wei- teren Informationsverwertung zur Verfügung zu stellen. Bei einer Abweichung der durch die beiden Berechnungen (GI.1 , GI.2) ermittelten Vorzeichen voneinander werden die Mess- und Berechnungsergebnisse zumindest teilweise verworfen und erneute Messungen und Berechnungen zur Bewe- gungsrichtungsbestimmung durchgeführt. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die erfindungsgemäße Messanordnung, ein Wälzlager mit der Messanordnung und ein Verfahren zur Auswertung des von der Messanordnung erzeugten Messsignals sowie deren vorteilhafte Ausgestaltungen lassen sich anhand von konkreten Ausführungsbeispielen erläutern, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind. Darin zeigen
Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Wälzlager, Figur 2 eine Draufsicht auf den Umfang des Lagers gemäß Figur 1 im Bereich der Messbrücke, Figur 3 die elektrische Messbrückenschaltung gemäß Figur 2 in vereinfachter
Darstellung, Figur 4 ein Vergleich einer Widerstandsanordnung einer Messbrücke gemäß dem Stand der Technik mit einer erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung, Figur 5 eine Darstellung eines von der erfindungsgemäßen Messbrücke erzeugten Messsignals mit Messpunkten zur Berechnung der Bewegungsrichtung eines Lagerbauteils, und Figur 6 eine Darstellung wie in Fig. 5 mit anderen Messpunkten.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt demnach eine schematische Querschnittsdarstellung eines Wälzlagers, bei dem ein feststehender Außenring 1 mittels Wälzkörper 3 einen Innenring 2 drehbar lagert. Dieser Innenring 2 dient zur Aufnahme eines hier nicht dargestellten Bauteils, welches auf den Innenring 2 eine Kraft F ausübt. Wie dieser Darstellung entnehmbar ist, wirkt diese Kraft F über den Innenring 2 und die Wälzkörper 3 auf den Außenring 1.
An der Umfangsfläche des Außenringes 1 sind in einem Messbereiche 5
Messwiderstände R1 , R2, R3, R4 befestigt, die dehnungsabhängig ihren elektrischen Widerstand verändern und mit denen daher die Verformung des Außen- ringes 1 beim Überrollen eines jeden Messwiderstandes R1 , R2, R3, R4 durch die Wälzkörper 3 feststellbar ist.
Darüber hinaus verdeutlicht Figur 1 , dass an dem drehbaren Lageraußenring 1 auch eine zweite Messbrücke mit Widerständen R11 , R21 , R31 , R41 in einem Messbereich 6 angeordnet sein kann, die zur Erzeugung eines vergleichbaren Messsignals wie die erste Messbrücke im Messbereich 5 vorgesehen und geeignet ist. Diese zweite Messbrücke wird aber nur dann vorzusehen sein, wenn etwa zur Vergrößerung der Anzahl der Messwerte oder zur Verifizierung der Messwerte der ersten Messbrücke weitere Messwerte gewünscht werden.
Wichtig ist in diesem Zusammenhang aber, dass die beiden Messbrücken mit den Widerständen R1 , R2, R3, R4 bzw. R11 , R21 , R31 , R41 hinsichtlich ihres Abstandes zueinander nicht sonderlich ausgerichtet sind. Es ist allenfalls darauf zu achten, dass die beiden Messbereiche 5, 6 der Kraft F zur Verformung der genannten Widerstände über die Wälzkörper 3 ausgesetzt sind.
Wie Figur 2 verdeutlicht, sind die Messwiderstände R1 , R2, R3, R4 vorzugsweise in einer Umfangsnut 4 des Außenringes 1 platziert sowie in einem Aufklebe- oder Besputteerungsbereich 7 so angeordnet, dass jeweils zwei Wider- stände R1 , R2 und R3, R4 jeweils eine Paar bildend achsparallel zur Bewegungsrichtung des Innenringes 1 bzw. der Wälzkörper 3 positioniert sind.
Die Widerstände R1 , R2, R3, R4 sind untereinander zu einer Messbrücke 8 verschaltet, die in einem einfachen Schaltschema in Figur 3 dargestellt ist. Diese Messbrücke 8 wird in an sich bekannter Weise mit einer Spannung U beaufschlagt und liefert über die Kontaktsteilen V- und V+ ein Messsignal M.
Wie Figur 4 in der oberen Hälfte der Darstellung zeigt, sind bei bekannten Messbrücken die elektrischen Widerstände so angeordnet, dass diese gleiche Abstände B, C, D zueinander haben und keine Paarbildung vorgesehen ist. Im unteren Teil von Figur 4 ist dagegen die erfindungsgemäße Anordnung der elektrischen Widerstände R1 , R2, R3, R4 der Messbrücke 8 dargestellt, mit der in diesem Beispiel die Drehrichtung des Innenringes 2 feststellbar ist. Wie Figur 4 zeigt, sind die Widerstände R1 , R2, R3, R4 dazu parallel zur Bewegungsrich- tung der Wälzkörper 3 bzw. des bewegbaren Lagerinnenringes 2 derart in einer Reihe hintereinander so angeordnet, dass die Widerstände R1 und R3 sowie die Widerstände R2 und R4 jeweils ein Paar bildend im Vergleich zur Anordnung nach dem Stand der Technik gegeneinander verschoben sind. Dabei ist der Abstand K vom ersten Widerstand R1 zum zweiten Widerstand R2 genauso groß ist wie der Abstand L des dritten Widerstands R3 zum vierten Widerstand R4. Zudem ist der Abstand J zwischen den beiden mittleren Widerständen R2 und R3 größer als die Abstände K und L zwischen dem ersten Widerstand R1 und dem zweiten Widerstand R2 bzw. dem dritten Widerstand R3 und dem vierten Widerstand R4.
Darüber hinaus ist in dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Abstand H zwischen dem ersten Widerstand R1 und dem dritten Widerstand R3 sowie der Abstand G zwischen dem zweiten Widerstand R2 und dem vierten Widerstand R4 genauso groß ist wie der Abstand zwischen zwei unmittelbar benachbarten Wälzkörpern 3.
Eine solche Messbrücke erzeugt beim Überrollen der Widerstände R1 , R2, R3, R4 ein Messsignal M, das beispielhaft in Figur 5 und Figur 6 dargestellt ist. Wie diese Abbildungen verdeutlichen, weisen die gemessenen Spannungsverläufe keinen symmetrischen, sondern einen unsymmetrischen Kurvenverlauf auf. Diese Unsymmetrie hat ihre Ursache darin, dass der Abstand K bzw. L zwischen zwei Widerständen R1 , R2 bzw. R3, R4 in der Messbrücke 8 kleiner ist als der Abstand J zwischen zwei unmittelbar benachbarten Widerständen R2, R3. Die Überlagerung der beiden Widerstandsänderungen der Widerstände R1 , R2 führt sodann zu einer asymmetrischen Verformung des Messsignals M der Messbrücke 8. Der Grad der Asymmetrie ist in Figur 5 und Figur 6 zwar übertrieben dargestellt, dies verdeutlicht aber sehr gut, dass beispielsweise in Figur 5 die positive Maximalamplitude Amaxi des Messsignals M zu einem Zeitpunkt tmaxι auftritt, der um einen Zeitraum ti deutlich vor dem Zeitpunkt tsym liegt, an dem bei einem symmetrischen Messsignalverlauf das Amplitudenmaximum eigentlich stattfinden müsste. Dieser Zeitpunkt tsym ergibt sich aus einer Halbierung des Zeitraumes t-A, der zwischen dem Auftreten von zwei negativen Amplitudenmaxima Amini und Amin2 zu den Zeitpunkten tmini und tmin2 liegt. Mit Hilfe der Gleichung t min 2 — t min 1 sym = + sign ■ (t max 1 — t min l) (Gl. 1)
2 lässt sich aus den Messwerten tmini und tmin2 der Zeitpunkte für das Auftreten von zwei aufeinander folgenden negativen Amplitudenmaxima Amini und Am-n2 sowie mit tmaxι für den Zeitpunkt des positiven Amplitudenmaximums Amaχi die Symmetrie der Messkurve M berechnen.
Bei dem Ergebnis dieser Berechnung kommt es hinsichtlich der Ermittlung der Bewegungsrichtung auf dessen Vorzeichen an, dem eine definierte Bewegungsrichtung zugeordnet wird. So hängt es von der Einbaulage eines erfindungsgemäßen Messlagers ab, ob ein linksdrehendes Messlager einen positi- ven oder negativen Berechnungswert erzeugt. Ist jedoch erst einmal einer bestimmten Bewegungsrichtung ein Vorzeichen zugeordnet und wird das Lager definitionsgemäß verbaut, so ergibt die Bewegungsrichtungsberechnung einen zuverlässigen Wert hinsichtlich der tatsächlichen Drehrichtung des Lagers.
Da man vorzugsweise nicht für jede einzelne Halbperiode des Messsignals M einen Wert für die Drehrichtung bekommen möchte, wird folgende Symmetrieberechnung der Messkurve M mehrfach durchgeführt: t max 2 ~ t maxi sym = - sign • (t min 1 — t max l) (Gl. 2) bei der die Messwerte i und tmaχ2 ür die Zeitpunkte für das Auftreten von zwei aufeinander folgenden positiven Amplitudenmaxima sowie tmini für den Zeitpunkt des negativen Amplitudenmaximums Aminι bedeuten.
Figur 6 zeigt die Messkurve M in einem Zeitabschnitt, in dem die Messungen für die Berechnung mit der zweiten Gleichung GI.2 durchgeführt werden. Darin wird deutlich, dass die beiden positiven Maximalamplituden Amaxι und AmaX2 zu Zeitpunkten tmaxι bzw. tmaχ2 auftreten, während das negative Amplitudenmaximum Amini um einen Zeitraum t2 später eintritt, als dies bei einem symmetrischen Signalverlauf zu erwarten gewesen wäre. Dieser Symmetriezeitpunkt tsym befindet sich nämlich in der Mitte des Zeitraumes tA, der zwischen dem Auftreten der beiden positiven Amplitudenmaxima Amaχi und Amaχ2 zu Zeitpunkten tmaxι bzw. tmaχ2 liegt.
Durch diese zweite Berechnung erhält man einen zweiten Ergebniswert für die Symmetrie des Messsignals, so dass mit einem anschließenden Vorzeichenvergleich der Berechnungsergebnisse der Gleichungen GI.1 und GI.2 die Sicherheit der Bewegungsrichtungsbestimmung erhöht werden kann. Der ermittelte Vorzeichen- bzw. Bewegungsrichtungswert wird dabei nur dann zur weite- ren Informationsverarbeitung (z. B. Anzeigevorrichtung, Steuerungscomputer) weitergegeben, wenn beide Berechnungsergebnisse zu dem gleichen Vorzeichenwert geführt haben. Sofern die Berechnungen unterschiedliche Vorzeichen ergeben, werden die ermittelten Werte gemittelt (vorzugsweise über eine ungerade Anzahl von Einzelergebnissen gemittelt) und ein erneutes Mess- und Be- rechnungsverfahren zur Bewegungsrichtungsbestimmung durchgeführt. Bezugszeichenliste
1 Außenring
2 Innenring
3 Wälzkörper
4 Nut
5 Messbereich
6 Messbereich
7 Aufklebe- oder Besputteerungsbereich
8 Messbrücke
Amax Positives Amplitudenmaximum
Amax Negatives Amplitudenmaximum
B Strecke
C Strecke
D Strecke
F Kraft
G Strecke
H Strecke
J Strecke
K Strecke
L Strecke
M Asymmetrisches Messsignal
R1 Messwiderstand
R2 Messwiderstand
R3 Messwiderstand
R4 Messwiderstand
R1 " 1 Messwiderstand
R2' 1 Messwiderstand
R3" 1 Messwiderstand
R4- 1 Messwiderstand
U Versorgungsspannung
V Messspannung t Zeit tA Zeitraum zwischen dem Auftreten von zwei aufeinander folgenden Amplitudenmaxima tsym Zeitpunkt in der Mitte von tA tmaxi Zeitpunkt eines positiven Amplitudenmaximums tmax2 Zeitpunkt eines positiven Amplitudenmaximums tmini Zeitpunkt eines negativen Amplitudenmaximums tmin2 Zeitpunkt eines negativen Amplitudenmaximums
Δti Zeitraum Symmetrieverschiebung Δt Zeitraum Symmetrieverschiebung

Claims

PatentansprücheMessanordnung, Wälzlager und Verfahren zur Ermittlung der Bewegungsrichtung eines Wälzlagerbauteils
1. Messanordnung an oder in einem Wälzlager zur Ermittlung der Bewegungsrichtung eines bewegbaren Lagerbauteils (2) gegenüber einem feststehenden Lagerbauteil (1), wobei zwischen den beiden Lagerbautei- len (1 , 2) Wälzkörper (3) angeordnet sind, und bei der die Messanordnung elektrische Widerstände (R1 , R2, R3, R4) umfasst, die druck- und/oder zugkraftabhängig ihren elektrischen Widerstand verändern sowie in einer Brückenschaltung (8) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass vier Widerstände (R1 , R2, R3, R4) der Brückenschaltung (8) in einem Messbereich (5) an einem Lagerbauteil (1 , 2) parallel zur
Bewegungsrichtung der Wälzkörper (3) bzw. des bewegbaren Lagerbauteils (2) in einer Reihe hintereinander angeordnet sind, dass der Abstand (K) vom ersten Widerstand (R1) zum zweiten Widerstand (R2) genauso groß ist wie der Abstand (L) des dritten Widerstands (R3) zum vierten Wi- derstand (R4), und dass der Abstand (J) zwischen den beiden mittleren
Widerständen (R2 und R3) größer ist als die Abstände (K, L) zwischen dem ersten Widerstand (R1) und dem zweiten Widerstand (R2) bzw. dem dritten Widerstand (R3) und dem vierten Widerstand (R4).
2. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (H) zwischen dem ersten Widerstand (R1) und dem dritten Widerstand (R3) sowie der Abstand (G) zwischen dem zweiten Wider- stand (R2) und dem vierten Widerstand (R4) genauso groß ist wie der Abstand zwischen zwei unmittelbar benachbarten Wälzkörpern (3).
3. Messanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (R1 , R2, R3, R4) an einem feststehenden Lagerbauteil (1 , 2) angeordnet sind.
4. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lager mehr als eine Messbrücke (8) in be- nachbarten Messbereichen angeordnet sind, die mit einer gemeinsamen
Auswerteeinrichtung verbunden sind.
5. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (R1 , R2, R3, R4) als Dehnungs- messstreifen ausgebildet sind.
6. Wälzlager mit einer Messanordnung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Widerstände (R1 , R2, R3, R4) einer Messbrücke (8) in einem Aufklebe- oder Besputterungsbereich (7) in oder an einem Lagerbauteil (1 , 2) aufgeklebt oder aufgesputtert sind, wobei der Aufklebe- oder Besputterungsbereich (7) bevorzugt in einer Nut (4) eines feststehenden Lagerbauteils angeordnet ist.
7. Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das festste- hende Lagerbauteil als Lageraußenring (1) eines Drehlagers ausgebildet ist.
8. Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager als Linearlager ausgebildet ist.
Verfahren zur Bestimmung der Bewegungsrichtung des beweglichen Wälzlagerbauteils mit einem Messsignal (M) der Messanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (M) hinsichtlich des Links- oder Rechtslaufes des beweglichen Lagerbauteils (2) dahingehend analysiert wird, ob das jeweilige positive Amplitudenmaximum (Amaxi) zu einem Zeitpunkt auftritt, der zeitlich nicht in der Mitte (tsym) zwischen dem Auftreten von zwei aufeinander folgenden negativen Amplitudenmaxima (Amini, Am.r.2) liegt, oder ob das jeweilige negative Amplitudenmaximum (Amim) des Messsignals (M) zu einem Zeitpunkt auftritt, der sich zeitlich nicht in der Mitte (tsym) zwischen dem Auftreten von zwei aufeinander folgenden positiven Amplitudenmaxima (Amaχi, Amaχi) befindet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung des beweglichen Lagerbauteils (2) durch ein Auswerteprogramm ermittelt wird, das die Gleichung
t min 2 — t mini . . sym = + sign (t max \ — t min 1) (Gl. 1)
nutzt, bei der ein positives Vorzeichen des Gleichungsergebnisses die Bewegungsrichtung in die eine Richtung und ein negatives Vorzeichen des Gleichungsergebnisses die entgegengesetzte Richtung angibt.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung des beweglichen Lagerbauteils (2) durch ein Auswerteprogramm ermittelt wird, das die Gleichung
t max 2 — t maxi . Λ sym = - sign t min 1 — t max 1) (Gl. 2)
nutzt, bei der ein positives Vorzeichen des Gleichungsergebnisses die Bewegungsrichtung in die eine Richtung und ein negatives Vorzeichen des Gleichungsergebnisses die entgegengesetzte Richtung angibt.
2. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsergebnisse der Gleichung GI.1 und der Gleichung GI.2 miteinander verglichen werden und bei Vorzeichenübereinstimmung als wahrer Bewegungsrichtungsindikatoren bewertet und einer weiteren Informationsverwertung zur Verfügung gestellt werden, während bei einer Abweichung der durch die beiden Berechnungen (GI.1 , GI.2) ermittelten Vorzeichen voneinander die Mess- und Berechnungsergebnisse über eine ungerade Anzahl von Einzelergebnissen gemittelt werden.
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