AT527704A1 - Device for determining the relative speed between a body and a moving element, and rolling bearing equipped with this device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Ultraschallsensor (1), einem Körper (2) und einem in einer zyklischen Relativbewegung in Bezug auf den Körper (2) beweglichen Element (3). Der Ultraschallsensor (1) und das bewegliche Element (3) befinden sich an gegenüberliegenden Seiten des Körpers (2). Der Ultraschallsensor (1) ist Ultraschallwellen leitend mit dem Körper (2) gekoppelt. Das bewegliche Element (3) und der Körper (2) bilden zwischen einander eine Kontaktgrenzfläche (5). Ein Messbereich (8) des Ultraschallsensors (1) umfasst die Kontaktgrenzfläche (5), und der Ultraschallsensor (1) sendet erste Ultraschallwellen (4) in den Messbereich (8) und empfängt im Messbereich (8) reflektierte zweite Ultraschallwellen (6). Eine mit dem Ultraschallsensor (1) kommunizierende Messeinheit (30) ermittelt aus den zweiten Ultraschallwellen (6) die zyklischen Bewegungen des beweglichen Elements (3) und steuert den Ultraschallsensor (1) zum Aussenden von ersten Ultraschallwellen (4) synchron zu den ermittelten zyklischen Bewegungen des beweglichen Elements (3) an.The invention relates to a device comprising an ultrasonic sensor (1), a body (2), and an element (3) movable in a cyclical relative movement with respect to the body (2). The ultrasonic sensor (1) and the movable element (3) are located on opposite sides of the body (2). The ultrasonic sensor (1) is coupled to the body (2) in a manner that conducts ultrasonic waves. The movable element (3) and the body (2) form a contact interface (5) between them. A measuring region (8) of the ultrasonic sensor (1) comprises the contact interface (5), and the ultrasonic sensor (1) transmits first ultrasonic waves (4) into the measuring region (8) and receives second ultrasonic waves (6) reflected in the measuring region (8). A measuring unit (30) communicating with the ultrasonic sensor (1) determines the cyclical movements of the movable element (3) from the second ultrasonic waves (6) and controls the ultrasonic sensor (1) to emit first ultrasonic waves (4) synchronously with the determined cyclical movements of the movable element (3).
Description
einem beweglichen Element, sowie mit dieser Vorrichtung ausgestattetes Wälzlager a moving element, as well as a rolling bearing equipped with this device
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Geschwindigkeit zwischen einem Körper und einem beweglichen Element gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiters ein Wälzlager, das mit einer oben genannten The invention relates to a device for determining the relative speed between a body and a movable element according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a rolling bearing which is provided with an above-mentioned
Vorrichtung ausgestattet ist. device is equipped.
Im Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen zur Ermittlung von Eigenschaften eines Wälzlagers bekannt. US 2012067111 A1 zeigt eine Vorrichtung, die die Eigenschaften einer Schmierstoffschicht in einem Wälzlager misst. CN 108196259 A zeigt eine Vorrichtung, die die Geschwindigkeit eines Wälzkäfigs in einem Wälzlager mittels Ultraschallwellen misst. US 2013077442 A1 ist ein entfernter Stand der Technik und zeigt eine Vorrichtung, die Position und Geschwindigkeit von Objekten in ihrer Umgebung misst, sodass beispielsweise in einer Fabrik ein automatisierter Roboter nicht vorbeigehende Various devices for determining the properties of a rolling bearing are known in the prior art. US 2012067111 A1 shows a device that measures the properties of a lubricant layer in a rolling bearing. CN 108196259 A shows a device that measures the speed of a rolling cage in a rolling bearing using ultrasonic waves. US 2013077442 A1 is distant prior art and shows a device that measures the position and speed of objects in their environment, so that, for example, in a factory, an automated robot does not
Menschen beeinträchtigt. people are affected.
Weiters sind im Stand der Technik verschiedene Methoden bekannt, die Käfigdrehzahl eines Wälzlagers zu messen. Beispielweise ist in EP 0395783 A1 eine Messung mit optischen Sensoren gezeigt, und US 2006042406 A1 offenbart eine Messung über magnetische Sensoren. Auch Messungen mittels Hochgeschwindigkeitskameras (Altmann, Reithmeier, Proc. SPIE 11503, Infrared Sensors, Devices, and Applications X, 115030R (2020)) sind im Stand der Technik bekannt. Nachteilig an diesen Messmethoden ist, dass bei Wälzlagern mit einem Außendurchmesser von weniger als 200 mm und/oder einer Zapfendrehzahl von mehr als 600 Umdrehungen pro Minute keine gleichzeitige Messung der Eigenschaften des geschmierten Kontakts und der Betriebsbedingungen des Wälzlagers nichtinvasiv und in-situ Furthermore, various methods for measuring the cage speed of a rolling bearing are known in the prior art. For example, EP 0395783 A1 shows a measurement using optical sensors, and US 2006042406 A1 discloses a measurement using magnetic sensors. Measurements using high-speed cameras (Altmann, Reithmeier, Proc. SPIE 11503, Infrared Sensors, Devices, and Applications X, 115030R (2020)) are also known in the prior art. A disadvantage of these measurement methods is that for rolling bearings with an outer diameter of less than 200 mm and/or a journal speed of more than 600 revolutions per minute, a simultaneous measurement of the properties of the lubricated contact and the operating conditions of the rolling bearing is not possible non-invasively and in-situ.
möglich ist. is possible.
Zu den aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallreflexionsvorrichtungen im Sinne der vorliegenden Erfindung gehören auch piezoelektrische Ultraschallvorrichtungen, die in Kontakt mit der Außenlaufbahn von Wälzlagern stehen. Eine solche Vorrichtung wird in The ultrasonic reflection devices known from the prior art within the meaning of the present invention also include piezoelectric ultrasonic devices that are in contact with the outer raceway of rolling bearings. Such a device is described in
JP 2009053040 A gezeigt. Solche Geräte erzeugen eine Ultraschallwelle, die auf die Kontaktfläche zwischen der Laufbahn und dem Wälzkörper trifft. Entsprechend der Passage des Wälzkörpers wird eine Abschwächung des Ultraschallsignals festgestellt. Diese Information wird für die Zustandsüberwachung (JP 2021032769 A), Schichtdickenmessung (US 7066027 B2), Viskositätsmessung (US 5365778 A) oder Belastungsmessungen JP 2009053040 A. Such devices generate an ultrasonic wave that impinges on the contact surface between the raceway and the rolling element. Depending on the passage of the rolling element, an attenuation of the ultrasonic signal is detected. This information is used for condition monitoring (JP 2021032769 A), coating thickness measurement (US 7066027 B2), viscosity measurement (US 5365778 A), or load measurements.
(JP 2009092588 A, JP 2009092436 A, GB 2529484 A) gespeichert. Jedoch ist diese (JP 2009092588 A, JP 2009092436 A, GB 2529484 A). However, this
JP 2021032769 A gezeigt. Im Stand der Technik wird dieses Problem gelöst, indem die Messung von einem externen Encoder ausgelöst wird, um den Ultraschallimpuls mit dem Durchlauf des Wälzkörpers zu synchronisieren und die beschriebene Limitierung JP 2021032769 A. In the prior art, this problem is solved by triggering the measurement from an external encoder to synchronize the ultrasonic pulse with the passage of the rolling element and to avoid the described limitation
aufzuheben. to lift.
Demnach besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, zumindest einzelne Nachteile des Standes der Technik zu lindern bzw. zu beheben. Die Erfindung setzt sich insbesondere zum Ziel, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Synchronisation zwischen dem Aussenden von Ultraschallwellen und dem Durchlauf des Wälzkörpers ohne externen Accordingly, the object of the present invention is to alleviate or eliminate at least some of the disadvantages of the prior art. The invention particularly aims to create a device that enables synchronization between the emission of ultrasonic waves and the passage of the rolling element without external
Encoder ermöglicht. Encoder enables.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Wälzlager nach Anspruch 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen This object is achieved by a device according to claim 1 and a rolling bearing according to claim 16. Preferred embodiments are set out in the dependent claims
und der Beschreibung angegeben. and the description.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine mit dem zumindest einen Ultraschallsensor kommunizierende Messeinheit auf, die dazu konfiguriert ist, aus den von dem zumindest einen Ultraschallsensor empfangenen zweiten Ultraschallwellen die zyklischen Bewegungen des zumindest einen beweglichen Elements zu ermitteln und den zumindest einen Ultraschallsensor zum Aussenden von ersten Ultraschallwellen synchron zu den ermittelten The device according to the invention has a measuring unit communicating with the at least one ultrasonic sensor, which measuring unit is configured to determine the cyclic movements of the at least one movable element from the second ultrasonic waves received by the at least one ultrasonic sensor and to enable the at least one ultrasonic sensor to emit first ultrasonic waves synchronously with the determined
zyklischen Bewegungen des zumindest einen beweglichen Elements anzusteuern. to control cyclic movements of at least one movable element.
Die in den unabhängigen Ansprüchen definierte Erfindung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass die Messungen der Bewegungen des beweglichen Elements in Bezug auf den Körper zuverlässig ohne externen Encoder funktioniert und unabhängig von der elektronischen Abtastrate der verwendeten Messeinheit ist. Dadurch wird die Möglichkeit geboten, schwächere, also eine geringere Abtastrate aufweisende, und dadurch auch wesentlich günstigere Messeinheiten zu verwenden, ohne Einbußen in der The invention defined in the independent claims is distinguished from the prior art in that the measurements of the movements of the movable element in relation to the body function reliably without an external encoder and are independent of the electronic sampling rate of the measuring unit used. This offers the possibility of using weaker, i.e., lower sampling rate, and thus significantly cheaper measuring units, without any loss in performance.
Auflösung der Messung zu verzeichnen. Resolution of the measurement.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der zumindest eine Ultraschallsensor eine asymmetrische geometrische Ausbildung auf. Durch diese asymmetrische geometrische Ausbildung ist die Bewegung des beweglichen Elements in allen drei Raumrichtungen erfassbar. Besonders bevorzugt umfasst die asymmetrische geometrische Ausbildung des zumindest einen Ultraschallsensors einen ausgenommenen Bereich in seiner Sensorfläche, wobei die Sensorfläche aufgrund des ausgenommenen Bereichs keine Geometriesymmetrie, insbesondere keine Dreh-, Spiegel- oder Punktsymmetrie aufweist. Vorzugsweise kann dadurch die Bewegungsrichtung des zumindest einen beweglichen Elements in der Ebene In a further preferred embodiment, the at least one ultrasonic sensor has an asymmetrical geometric design. Due to this asymmetrical geometric design, the movement of the movable element can be detected in all three spatial directions. Particularly preferably, the asymmetrical geometric design of the at least one ultrasonic sensor comprises a recessed area in its sensor surface, wherein the sensor surface has no geometric symmetry, in particular no rotational, mirror or point symmetry, due to the recessed area. Preferably, the direction of movement of the at least one movable element in the plane
der Kontaktgrenzfläche bestimmt werden. the contact interface.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinheit dazu konfiguriert, mittels der reflektierten zweiten Ultraschallwellen gleichzeitig die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Körper und dem beweglichen Element und physikalische Eigenschaften einer sich zwischen dem Körper und dem Element befindlichen Schmierstoffschicht zu bestimmen. Besonders bevorzugt werden tribologische und/oder chemische Eigenschaften der Schmierstoffschicht bestimmt. Gemäß dieser Ausführungsform können die gewünschten Eigenschaften der Schmierstoffschicht auch dann berechnet werden, wenn die Dicke der Schmierstoffschicht geringer als die Wellenlänge des verwendeten Ultraschallsignals ist. In a further preferred embodiment, the measuring unit is configured to use the reflected second ultrasonic waves to simultaneously determine the relative speed between the body and the movable element and physical properties of a lubricant layer located between the body and the element. Particularly preferably, tribological and/or chemical properties of the lubricant layer are determined. According to this embodiment, the desired properties of the lubricant layer can be calculated even if the thickness of the lubricant layer is less than the wavelength of the ultrasonic signal used.
Bevorzugt ist die Schmierstoffschicht eine Schmierfettschicht, sodass durch die Messung der Preferably, the lubricant layer is a lubricating grease layer, so that by measuring the
ist, und insbesondere eine Fettausblutung erfassbar ist. and, in particular, fat bleeding can be detected.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die physikalischen Eigenschaften, die von der Schmierstoffschicht ermittelt werden, zumindest eine Eigenschaft, ausgewählt aus Viskosität, Filmdicke, Druck, Spannung und Temperatur. Diese physikalischen Eigenschaften liefern wertvolle Hinweise auf den Betriebszustand von Körper und beweglichen Elementen der Vorrichtung und lassen frühzeitig sich anbahnende Defekte erkennen. Durch die Messung der Filmdicke der Schmierstoffschicht kann die Bewegungsrichtung eines beweglichen Elements in Richtung normal zur Ebene der In a further preferred embodiment, the physical properties determined by the lubricant layer comprise at least one property selected from viscosity, film thickness, pressure, stress, and temperature. These physical properties provide valuable information about the operating condition of the body and moving elements of the device and allow for the early detection of incipient defects. By measuring the film thickness of the lubricant layer, the direction of movement of a moving element in the direction normal to the plane of the
Kontaktgrenzfläche bestimmt werden. contact interface can be determined.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinheit dazu konfiguriert, basierend auf der Messung der Filmdicke der Schmierstoffschicht die Bewegung des zumindest einen beweglichen Elements in Richtung normal auf die Ebene der Kontaktgrenzfläche zu bestimmen und vorzugsweise aus der bestimmten Bewegung des zumindest einen beweglichen Elements in Richtung normal auf die Ebene der Kontaktgrenzfläche das Vorhandensein eines Defekts des zumindest einen beweglichen In a further preferred embodiment, the measuring unit is configured to determine, based on the measurement of the film thickness of the lubricant layer, the movement of the at least one movable element in the direction normal to the plane of the contact interface and preferably to determine the presence of a defect in the at least one movable element from the determined movement of the at least one movable element in the direction normal to the plane of the contact interface.
Elements zu ermitteln. Elements to be determined.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinheit dazu konfiguriert, die Bewegung des zumindest einen beweglichen Elements in allen drei Raumrichtungen zu bestimmen. Indem zuerst die Bewegungsrichtung des beweglichen Elements in der Ebene der Kontaktgrenzfläche, entweder durch die Verwendung einer asymmetrischen geometrischen Ausbildung des verwendeten Ultraschallsensors oder durch die Verwendung eines Arrays von Ultraschallsensoren, ermittelt wird, kann durch die Bestimmung der Bewegungsrichtung normal zu dieser Ebene eine dreidimensionale Bewegungsrichtung In a further preferred embodiment, the measuring unit is configured to determine the movement of the at least one movable element in all three spatial directions. By first determining the direction of movement of the movable element in the plane of the contact interface, either by using an asymmetric geometric design of the ultrasonic sensor used or by using an array of ultrasonic sensors, a three-dimensional direction of movement can be determined by determining the direction of movement normal to this plane.
bestimmt werden. be determined.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zwei Körper und zumindest zwei Ultraschallsensoren, wobei das zumindest eine bewegliche Element zwischen den zwei Körpern beweglich ist, wobei sich zumindest einer der zumindest zwei Ultraschallsensoren jeweils auf der dem beweglichen Element abgewandten Seite der Körper befindet. In a further preferred embodiment, the device comprises two bodies and at least two ultrasonic sensors, wherein the at least one movable element is movable between the two bodies, wherein at least one of the at least two ultrasonic sensors is located on the side of the bodies facing away from the movable element.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform steuert die Vorrichtung einen Aktuator an, In a further preferred embodiment, the device controls an actuator,
der eine Kraft auf die zwei Körper ausübt. Dadurch kann der Aktuator vorzugsweise die which exerts a force on the two bodies. This allows the actuator to preferentially
Umgebungsdruck und die Spannung der Lagerringe beeinflussen. Ambient pressure and the tension of the bearing rings.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zwei oder mehr Ultraschallsensoren nebeneinander als Array gekoppelt. Mit einer Anordnung als Array kann die Bewegungsrichtung des beweglichen Elements in der Ebene der Kontaktgrenzfläche In a further preferred embodiment, two or more ultrasonic sensors are coupled side by side as an array. With an array arrangement, the direction of movement of the movable element in the plane of the contact interface can be
ermittelt werden. be determined.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Ultraschallsensor zum Aussenden von Ultraschallanregungen in Form von kontinuierlichen Wellen, stehenden Wellen, Chirps oder Tonbursts konfiguriert. Pulse von Longitudinalwellen bzw. Scherwellen werden verwendet, um insbesondere die Filmdicke bzw. die Viskosität einer Schmierstoffschicht zu bestimmen. Dabei haben diese Wellen definierte Eigenschaften wie z.B. Frequenz, Zyklenzahl, Amplitude, Schwingungsmode etc. Im Gegensatz dazu werden bei kontinuierlichen Wellen kontinuierlich Wellen ausgesandt. Diese können stehende Wellen im Material anregen. Kontinuierliche und stehende Wellen weisen im Vergleich zu Pulsen von Longitudinalwellen eine größere Amplitude auf und haben systemabhängige Zyklenzahlen. Bei einem Chirp oder Sweep wird die Frequenz der ausgesendeten Ultraschallwelle verändert, in einer Welle sind viele Frequenzen enthalten, im Gegensatz zu normalen Longitudinal- oder Scherwellen. Stehende Wellen können beispielsweise ebenfalls für die Filmdickenbestimmung verwendet werden. Sie weisen eine größere Amplitude auf und sind deshalb weniger anfällig für Rauschen. Sie benötigen jedoch mehr Zeit zum In a further preferred embodiment, the at least one ultrasonic sensor is configured to emit ultrasonic excitations in the form of continuous waves, standing waves, chirps, or tone bursts. Pulses of longitudinal waves or shear waves are used, in particular, to determine the film thickness or viscosity of a lubricant layer. These waves have defined properties such as frequency, number of cycles, amplitude, oscillation mode, etc. In contrast, continuous waves emit waves continuously. These can excite standing waves in the material. Continuous and standing waves have a larger amplitude than pulses of longitudinal waves and have system-dependent cycle numbers. During a chirp or sweep, the frequency of the emitted ultrasonic wave is changed; in contrast to normal longitudinal or shear waves, many frequencies are contained in one wave. Standing waves can also be used, for example, for film thickness determination. They have a larger amplitude and are therefore less susceptible to noise. However, you need more time to
Senden, was wiederum die Abtastfrequenz negativ beeinflusst. Send, which in turn negatively affects the sampling frequency.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messeinheit eine Sensorelektronikeinheit und eine Elektronik-Zentraleinheit, wobei die Sensorelektronikeinheit die Signale der reflektierten zweiten Ultraschallwellen empfängt und an die Elektronik-Zentraleinheit weiterleitet, die daraufhin Position und Geschwindigkeit des In a further preferred embodiment, the measuring unit comprises a sensor electronics unit and an electronics central unit, wherein the sensor electronics unit receives the signals of the reflected second ultrasonic waves and forwards them to the electronics central unit, which then determines the position and speed of the
zumindest einen beweglichen Elements berechnet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform basiert das Aussenden von ersten Ultraschallwellen synchron zu den ermittelten zyklischen Bewegungen des zumindest einen at least one movable element. In a further preferred embodiment, the emission of first ultrasonic waves is based synchronously with the determined cyclic movements of the at least one
beweglichen Elements auf der Gleichung moving element on the equation
ti=n * tes + (€ mod m) * (te3/m), ti=n * tes + (€ mod m) * (te3/m),
fi die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden ersten Ultraschallwellen, fi is the time between two consecutive first ultrasonic waves,
7 die Nummer der Messung (beginnt bei 0 und geht bis m), 7 the number of the measurement (starts at 0 and goes up to m),
n eine nicht negative, ganze Zahl, die manuell gewählt wird n is a non-negative integer that is manually selected
fe3 die Dauer, bis dasselbe bewegliche Element wieder vom Messbereich erfasst fe3 the time until the same moving element is detected again by the measuring area
wird (ein „Zyklus“, mod die Modulo-Rechenoperation, die den Rest einer Division berechnet, is (a “cycle”, mod the modulo operation that calculates the remainder of a division,
m die Anzahl der erfassten Ultraschallwellen während einem Zyklus fez. m is the number of ultrasonic waves detected during one cycle fez.
Durch das Anwenden dieser Gleichung auf ein Wälzlager können sowohl die Eigenschaften eines geschmierten Kontakts und gleichzeitig die Betriebsbedingungen des Wälzlagers nichtinvasiv und in-situ gemessen werden, selbst wenn es sich um Wälzlager mit einem Außendurchmesser von weniger als 200 mm und/oder eine Zapfendrehzahl von mehr als 600 Umdrehungen pro Minute handelt. Vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist, dass diese Messung zuverlässig ohne externen Encoder funktioniert und weiters unabhängig von der elektronischen Abtastrate der verwendeten Messeinheit und des Ultraschallsensors ist. Dadurch wird die Möglichkeit geboten, schwächere, also eine geringere Abtastrate aufweisende, und dadurch auch wesentlich günstigere Messeinheiten zu verwenden, ohne By applying this equation to a rolling bearing, both the properties of a lubricated contact and the operating conditions of the rolling bearing can be measured non-invasively and in-situ, even for rolling bearings with an outer diameter of less than 200 mm and/or a journal speed of more than 600 revolutions per minute. An advantage over the state of the art is that this measurement works reliably without an external encoder and is independent of the electronic sampling rate of the measuring unit used and the ultrasonic sensor. This offers the possibility of using weaker, i.e., lower sampling rate, and thus significantly cheaper measuring units, without
Einbußen in der Auflösung der Messung zu verzeichnen. Losses in the resolution of the measurement.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform berücksichtigt die Gleichung weiters einen Fehler e: In a further preferred embodiment, the equation further takes into account an error e:
ti=n * te + (Li mod m) * (te/m) + e, ti=n * te + (Li mod m) * (te/m) + e,
welcher Fehler e durch die verwendete Elektronik und Software verursacht wird, wie weiter which error e is caused by the electronics and software used, how further
unten detailliert erörtert wird. discussed in detail below.
Weiters wird die gestellte technische Aufgabe durch ein Wälzlager gelöst, welches mit einer oben genannten Vorrichtung ausgestattet ist, die dazu konfiguriert ist, gleichzeitig die Relativbewegung der Wälzkörper im Wälzlagerkäfig in Bezug auf den Lagerring und die physikalischen Eigenschaften einer Schmierstoffschicht zu bestimmen. Bevorzugt dient die Schmierstoffschicht zur Herstellung eines flüssigkeits- oder fettgeschmierten Kontakts. Bevorzugt ist die Vorrichtung auf dem Wälzlager weiters zur gleichzeitigen Bestimmung des Volumens der Schmierstoffschicht konfiguriert. Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung auf Furthermore, the stated technical problem is solved by a rolling bearing which is equipped with the above-mentioned device which is configured to simultaneously determine the relative movement of the rolling elements in the rolling bearing cage with respect to the bearing ring and the physical properties of a lubricant layer. Preferably, the lubricant layer serves to establish a liquid- or grease-lubricated contact. Preferably, the device on the rolling bearing is further configured to simultaneously determine the volume of the lubricant layer. Particularly preferably, the device is configured
dem Wälzlager dazu konfiguriert, aufgrund der zeitlichen Veränderung der Eigenschaften the rolling bearing is configured to react to the temporal change in the properties
den Wälzkörpern und/oder dem Wälzkörperkäfig zu erfassen. the rolling elements and/or the rolling element cage.
Die Erfindung wird nachstehend anhand in den Zeichnungen dargestellter The invention is described below with reference to the drawings
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Examples of implementation are explained in more detail.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Fig. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the
erfindungsgemäßen Vorrichtung. device according to the invention.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Fig. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the
erfindungsgemäßen Vorrichtung. device according to the invention.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung, wie sich die Relativbewegung zwischen einem Fig. 3 shows a schematic representation of how the relative movement between a
Körper und einem beweglichen Element auf die reflektierte Amplitude auswirkt. body and a moving element affects the reflected amplitude.
Fig. 4 zeigt ein charakteristisches Amplitudenmuster einer reflektierten Ultraschallwelle. Fig. 4 shows a characteristic amplitude pattern of a reflected ultrasonic wave.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer asymmetrischen geometrischen Ausbildung eines Fig. 5 shows an example of an asymmetric geometric design of a
Ultraschallsensors. Ultrasonic sensor.
Fig. 6 zeigt schematisch die Amplitudenänderung der reflektierten Ultraschallwellen für eine Fig. 6 shows schematically the amplitude change of the reflected ultrasonic waves for a
in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform. embodiment shown in Fig. 5.
Fig. 7 zeigt schematisch die Richtungsbestimmung bei der Verwendung mehrerer Fig. 7 shows schematically the direction determination when using several
Ultraschallsensoren als Array. Ultrasonic sensors as an array.
Fig. 8 zeigt ein Flussdiagram einer Steuerlogik gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Fig. 8 shows a flowchart of a control logic according to a preferred embodiment.
Fig. 9 zeigt ein Flussdiagram einer Steuerlogik gemäß einer weiteren bevorzugten Fig. 9 shows a flowchart of a control logic according to another preferred
Ausführungsform Embodiment
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Wälzlager, das mit Fig. 10 shows a schematic representation of a cross section through a rolling bearing which is provided with
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet ist. In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 of the device according to the invention. In Fig. 1, a preferred embodiment of the device 100 according to the invention is shown.
abgebildet. Ultraschallsensoren 1 bzw. Arrays 1a von Ultraschallsensoren 1 sind mit Ultrasonic sensors 1 or arrays 1a of ultrasonic sensors 1 are
Körpern 2a, 2b bevorzugt stoffschlüssig verbunden, sodass die von den Bodies 2a, 2b are preferably connected by a material bond, so that the
rechts und ein darauffolgendes Austreten aus dem Messbereich 8 nach links darstellt. right and a subsequent exit from the measuring area 8 to the left.
Die Berührungsfläche zwischen den Körpern 2a, 2b und den beweglichen Elementen 3 definiert eine Kontaktgrenzfläche 5. Im Beispiel der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform haben die Körper 2a, 2b und die beweglichen Elemente jeweils eine Geschwindigkeit va, vb, v3 relativ zu einem gemeinsamen Bezugssystem. Die Ultraschallsensoren 1 sind so ausgerichtet, dass ihre Apertur 7 in Richtung der beweglichen Elemente 3 zeigt und damit der erfassbare Messbereich 8 zumindest einen Teil der Kontaktgrenzfläche 5 umfasst. Wenn sich die Kontaktgrenzfläche 5 zumindest teilweise im Messbereich 8 befindet, kann das dazugehörige bewegliche Element 3 vom Ultraschallsensor 1 erfasst werden. Dazu senden die Ultraschallsensoren 1 erste Ultraschallwellen 4 aus, die innerhalb des Messbereichs 8, insbesondere an der Kontaktgrenzfläche 5, reflektiert werden. Diese reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 werden von den Ultraschallsensoren 1 erfasst. Die Ultraschallsensoren kommunizieren mit einer Messeinheit 30, die dazu konfiguriert ist, aus den von den Ultraschallsensoren 1 empfangenen zweiten Ultraschallwellen 6 die zyklischen Bewegungen der beweglichen Elemente 3 zu ermitteln und die Ultraschallsensoren 1 zum Aussenden von ersten Ultraschallwellen 4 synchron zu den ermittelten zyklischen Bewegungen der beweglichen Elemente 3 anzusteuern. Die Messeinheit 30 kann somit das Aussenden von ersten Ultraschallwellen auf die zyklische Bewegung der beweglichen Elemente 3 synchronisieren. Bevorzugt weist die Messeinheit 30 eine Sensorelektronikeinheit 9 und eine Elektronik-Zentraleinheit 10 auf. Die Sensorelektronikeinheit 9 empfängt die Signale der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 und leitet sie an die Elektronik-Zentraleinheit 10 weiter. Die Elektronik-Zentraleinheit 10 berechnet daraufhin Position und Geschwindigkeit des beweglichen Elements 3, von dessen Kontaktgrenzfläche 5 die zweiten The contact area between the bodies 2a, 2b and the movable elements 3 defines a contact interface 5. In the example of the embodiment shown in Fig. 1, the bodies 2a, 2b and the movable elements each have a speed va, vb, v3 relative to a common reference system. The ultrasonic sensors 1 are aligned such that their aperture 7 points in the direction of the movable elements 3 and thus the detectable measuring range 8 encompasses at least part of the contact interface 5. If the contact interface 5 is at least partially located in the measuring range 8, the associated movable element 3 can be detected by the ultrasonic sensor 1. For this purpose, the ultrasonic sensors 1 emit first ultrasonic waves 4, which are reflected within the measuring range 8, in particular at the contact interface 5. These reflected second ultrasonic waves 6 are detected by the ultrasonic sensors 1. The ultrasonic sensors communicate with a measuring unit 30, which is configured to determine the cyclical movements of the movable elements 3 from the second ultrasonic waves 6 received by the ultrasonic sensors 1 and to control the ultrasonic sensors 1 to emit first ultrasonic waves 4 synchronously with the determined cyclical movements of the movable elements 3. The measuring unit 30 can thus synchronize the emission of first ultrasonic waves with the cyclical movement of the movable elements 3. The measuring unit 30 preferably has a sensor electronics unit 9 and a central electronics unit 10. The sensor electronics unit 9 receives the signals of the reflected second ultrasonic waves 6 and forwards them to the central electronics unit 10. The central electronics unit 10 then calculates the position and speed of the movable element 3, from whose contact interface 5 the second
Ultraschallwellen 6 reflektiert wurden. Ultrasonic waves 6 were reflected.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform ähnelt jener in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform, wobei in Fig. 2 die Ultraschallsensoren 1 nur an einem Körper 2a angeordnet sind. Weiters hat der Körper 2a in dieser Ausführungsform keine Relativgeschwindigkeit va relativ zu dem The embodiment shown in Fig. 2 is similar to the embodiment shown in Fig. 1, wherein in Fig. 2 the ultrasonic sensors 1 are arranged only on one body 2a. Furthermore, the body 2a in this embodiment has no relative speed va relative to the
Bezugssystem bezüglich dem die Geschwindigkeiten vv und v3 gemessen werden. Reference system relative to which the velocities vv and v3 are measured.
Körper 2 auf das bewegliche Element 3 ausgeübt. Body 2 exerted on the movable element 3.
Fünf exemplarisch ausgewählte Zeitpunkte t1—ts sind den Positionen des beweglichen Elements 3 zu früheren (tı, t2) und späteren (t4, ts) Zeitpunkten, verglichen mit einem Referenzzeitpunkt tz, zugeordnet. Der Referenzzeitpunkt tz bezieht sich auf das mit durchgezogener Linie dargestellte bewegliche Element 3. Die Geschwindigkeit v3 des beweglichen Elements 3 zeigt in Fig. 3 nach rechts. Dementsprechend sind strichliert links des beweglichen Elements 3 die Positionen 3' sowie die Kontaktgrenzflächen 5' zu früheren Zeitpunkten und strichliert rechts des beweglichen Elements 3 die Positionen 3' sowie die Kontaktgrenzflächen 5' zu späteren Zeitpunkten dargestellt. Ebenfalls gezeigt ist in Fig. 3 die Apertur 7 des Ultraschallsensors 1 sowie der dazugehörige Messbereich 8, der vom beweglichen Element 3 durchlaufen wird, sowie die Kommunikation des Five exemplary selected times t1—ts are assigned to the positions of the movable element 3 at earlier (t1, t2) and later (t4, ts) times, compared to a reference time tz. The reference time tz refers to the movable element 3 shown with a solid line. The speed v3 of the movable element 3 points to the right in Fig. 3. Accordingly, the positions 3' and the contact interfaces 5' at earlier times are shown with dashed lines to the left of the movable element 3, and the positions 3' and the contact interfaces 5' at later times are shown with dashed lines to the right of the movable element 3. Also shown in Fig. 3 is the aperture 7 of the ultrasonic sensor 1 and the associated measuring range 8, which is traversed by the movable element 3, as well as the communication of the
Ultraschallsensors 1 mit der Sensorelektronikeinheit 9 und der Elektronik-Zentraleinheit 10. Ultrasonic sensor 1 with the sensor electronics unit 9 and the electronics central unit 10.
Die untere Hälfte von Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Amplituden der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6. Die Zeitpunkte t1-ts sind entlang des Amplitudenverlaufes mit Punkten markiert. Zum Zeitpunkt tı befindet sich das bewegliche Element 3‘ gänzlich außerhalb des Messbereichs 8 des Ultraschallsensors 1. Zum Zeitpunkt tz befindet sich das bewegliche Element 3‘ teilweise innerhalb des Messbereichs 8 des Ultraschallsensors 1. Das führt dazu, dass jener Teil des beweglichen Elements 3‘, der sich innerhalb des Messbereichs 8 befindet, einen Teil der Energie einer ersten Ultraschallwelle 4 absorbiert, sodass die reflektierte zweite Ultraschallwelle 6 beim Eintreffen am Ultraschallsensor 1 eine geringere Amplitude verglichen mit jener vom Zeitpunkt tı aufweist. Zum Zeitpunkt tz befindet sich das bewegliche Element 3 gänzlich innerhalb des Messbereichs 8. Die Energie erster Ultraschallwellen 4, die vom Ultraschallsensor 1 ausgesandt werden, kann zu diesem Zeitpunkt entlang der vollen Kontaktgrenzfläche 5 an das bewegliche Element übertragen werden. Daraus resultiert, dass die Amplitude der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 zu diesem Zeitpunkt ein Minimum annimmt. Zum Zeitpunkt t4 verlässt das bewegliche Element 3‘ den Messbereich 8 und die entsprechende Kontaktgrenzfläche 5‘ ist somit nur noch teilweise im Messbereich 8. Die Amplitude der reflektierten zweiten The lower half of Fig. 3 shows the temporal progression of the amplitudes of the reflected second ultrasonic waves 6. The times t1-ts are marked with dots along the amplitude progression. At time t1, the movable element 3' is located entirely outside the measuring range 8 of the ultrasonic sensor 1. At time t1, the movable element 3' is located partially within the measuring range 8 of the ultrasonic sensor 1. This results in the part of the movable element 3' located within the measuring range 8 absorbing part of the energy of a first ultrasonic wave 4, so that the reflected second ultrasonic wave 6, upon arriving at the ultrasonic sensor 1, has a lower amplitude compared to that at time t1. At time t 1 , the movable element 3 is located entirely within the measuring range 8. The energy of the first ultrasonic waves 4 emitted by the ultrasonic sensor 1 can be transmitted to the movable element along the entire contact interface 5 at this time. As a result, the amplitude of the reflected second ultrasonic waves 6 reaches a minimum at this time. At time t 4 , the movable element 3' leaves the measuring range 8 and the corresponding contact interface 5' is thus only partially within the measuring range 8. The amplitude of the reflected second
Ultraschallwellen 6 verhält sich analog zum Zeitpunkt t2. Zum Zeitpunkt ts hat das Ultrasonic waves 6 behave analogously to time t2. At time ts the
bewegliche Element 3‘ den Messbereich 8 gänzlich verlassen und die Amplitude der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 verhält sich analog zum Zeitpunkt tı. Anhand der Darstellung in Fig. 3 lässt sich erkennen, wie man vom Amplitudenmuster der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 auf die Geschwindigkeit eines beweglichen Elements 3 schließen kann. Der absolute Wert der Steigung der Kurve des Amplitudenverlaufs ist direkt proportional zur Geschwindigkeit, mit der die Kontaktgrenzfläche 5 (und somit das bewegliche Element 3) in den Messbereich 8 des Ultraschallsensors 1 ein- oder austreten. Falls sich zwischen dem Körper 2 und dem beweglichen Element 3 eine fluide Schicht befindet, führt das dazu, dass der relative (in Fig. 3 vertikale) Abstand zwischen Körper 2 und beweglichem Element 3 variabel sein kann. Eine solche Bewegung normal zur Kontaktgrenzfläche resultiert in unterschiedlich stark ausgeprägten Absenkungen des Amplitudenverlaufs. Je näher ein bewegliches Element 3 am Körper 2 ist, desto mehr Energie kann eine erste Ultraschallwelle 4 abgeben, sodass der Amplitudenverlauf der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 stark absinkt. Je weiter entfernt ein bewegliches Element 3 vom Körper 2 ist, desto weniger Energie kann eine erste Ultraschallwelle 4 auf das bewegliche Element 3 abgeben (dafür jedoch an die fluide Schicht). Dementsprechend movable element 3' completely leaves the measuring range 8 and the amplitude of the reflected second ultrasonic waves 6 behaves analogously to the time tı. The illustration in Fig. 3 shows how the speed of a movable element 3 can be deduced from the amplitude pattern of the reflected second ultrasonic waves 6. The absolute value of the slope of the amplitude curve is directly proportional to the speed with which the contact interface 5 (and thus the movable element 3) enters or exits the measuring range 8 of the ultrasonic sensor 1. If there is a fluid layer between the body 2 and the movable element 3, this means that the relative (vertical in Fig. 3) distance between body 2 and movable element 3 can be variable. Such a movement normal to the contact interface results in varying degrees of reduction in the amplitude curve. The closer a moving element 3 is to the body 2, the more energy a first ultrasonic wave 4 can emit, so that the amplitude of the reflected second ultrasonic waves 6 decreases significantly. The farther a moving element 3 is from the body 2, the less energy a first ultrasonic wave 4 can emit to the moving element 3 (but instead to the fluid layer). Accordingly,
schwächer sinkt der Amplitudenverlauf der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 ab. the amplitude curve of the reflected second ultrasonic waves 6 decreases more weakly.
Fig. 4 zeigt einen Amplitudenverlauf von reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6. Der erste Zeitabschnitt entspricht einem nicht synchronisiertem Signal 11a. Während dieser Zeit findet keine Synchronisation zwischen dem Aussenden von ersten Ultraschallwellen 4 und der Bewegung der beweglichen Elemente 3 statt. Der zweite Zeitabschnitt entspricht einem synchronisierten Signal 11b. Während dieser Zeit ist das Aussenden von ersten Ultraschallwellen 4 auf die zyklische Bewegung von beweglichen Elementen 3 synchronisiert, wodurch sich ein vom nicht synchronisierten Signal 11a unterscheidbares Signal 11b ergibt. Fig. 4 shows an amplitude curve of reflected second ultrasonic waves 6. The first time period corresponds to a non-synchronized signal 11a. During this time, no synchronization occurs between the emission of first ultrasonic waves 4 and the movement of the movable elements 3. The second time period corresponds to a synchronized signal 11b. During this time, the emission of first ultrasonic waves 4 is synchronized with the cyclical movement of the movable elements 3, resulting in a signal 11b that is distinguishable from the non-synchronized signal 11a.
In Fig. 5 und Fig. 6 ist gezeigt, wie man mithilfe einer asymmetrischen geometrischen Ausbildung eines Ultraschallsensors 1 die Bewegungsrichtung eines beweglichen Fig. 5 and Fig. 6 show how the direction of movement of a movable object can be determined using an asymmetric geometric design of an ultrasonic sensor 1.
Elements 3 innerhalb der Ebene der Kontaktgrenzfläche bestimmen kann. Die Ebene der Kontaktgrenzfläche steht im Wesentlichen normal auf die Richtung der Verbindungslinie zwischen Ultraschallsensor 1 und Körper 2. In Fig. 5 wird rechts oben ein Körper 2 und ein bewegliches Element 3 gezeigt, welches sich entlang einer Trajektorie 13 bewegt. Die Richtung der Ultraschallsensorapertur zeigt hier in die Bildebene hinein. Der Sensorkopf des Ultraschallsensors 1 wird nach links unten hin vergrößert gezeigt. Der kreisrunde Ultraschallsensor 1 weist in dieser Ausführungsform einen ausgenommenen Bereich 1b auf, Element 3 within the plane of the contact interface. The plane of the contact interface is essentially normal to the direction of the connecting line between ultrasonic sensor 1 and body 2. Fig. 5 shows a body 2 and a movable element 3 at the top right, which moves along a trajectory 13. The direction of the ultrasonic sensor aperture points into the image plane. The sensor head of ultrasonic sensor 1 is shown enlarged towards the bottom left. In this embodiment, the circular ultrasonic sensor 1 has a recessed area 1b,
in dessen Richtung keine ersten Ultraschallwellen 4 ausgesendet oder zweite in whose direction no first ultrasonic waves 4 are emitted or second
Ultraschallwellen 6 empfangen werden können. Vorzugsweise führt der ausgenommene Bereich 1b dazu, dass die resultierende Fläche des Ultraschallsensors keine Geometriesymmetrie, insbesondere keine Dreh-, Spiegel- oder Punktsymmetrie, aufweist. In der gezeigten Ausführungsform ist der ausgenommene Bereich 1b eine Ellipse, die nicht konzentrisch mit dem kreisförmigen Ultraschallsensor angeordnet ist. Exemplarisch werden zwei mögliche Bewegungsrichtungen eines beweglichen Elements 3 gezeigt, einmal eine mit durchgezogener Linie dargestellte Trajektorie 13, sowie eine mit gestrichelter Linie dargestellte Trajektorie 13b. Diese Trajektorien 13, 13b unterscheiden sich in ihrem Ultrasonic waves 6 can be received. Preferably, the recessed area 1b results in the resulting surface of the ultrasonic sensor having no geometric symmetry, in particular no rotational, mirror, or point symmetry. In the embodiment shown, the recessed area 1b is an ellipse that is not arranged concentrically with the circular ultrasonic sensor. Two possible directions of movement of a movable element 3 are shown as examples: a trajectory 13 shown with a solid line, and a trajectory 13b shown with a dashed line. These trajectories 13, 13b differ in their
Winkel 14 zu einem ausgewählten Bezugssystem. Um die Bewegungsrichtung eines beweglichen Elements 3 erfassen zu können, muss sich die Trajektorie 13, 13b des beweglichen Elements 3 durch die aktive Zone 12 des modifizierten Ultraschallsensors 1 bewegen. Die Form der aktiven Zone 12 hängt von der Form des Ultraschallsensors 1 und der Form des ausgenommenen Bereichs 1b ab. In der gezeigten Ausführungsform ist die aktive Zone 12 eine Ellipse. Der Vorteil der Verwendung einer asymmetrischen geometrischen Ausbildung des Ultraschallsensors 1 gegenüber der Verwendung eines Arrays la von Ultraschallsensoren 1 liegt im geringeren Platzbedarf, da nur ein Sensor statt mehreren Sensoren verwendet wird. Das reduziert auch die Kosten für das gesamte Angle 14 to a selected reference system. In order to detect the direction of movement of a movable element 3, the trajectory 13, 13b of the movable element 3 must move through the active zone 12 of the modified ultrasonic sensor 1. The shape of the active zone 12 depends on the shape of the ultrasonic sensor 1 and the shape of the recessed area 1b. In the embodiment shown, the active zone 12 is an ellipse. The advantage of using an asymmetric geometric design of the ultrasonic sensor 1 compared to using an array 1a of ultrasonic sensors 1 is the smaller space requirement, since only one sensor is used instead of several sensors. This also reduces the costs for the entire
Sensorsystem. Sensor system.
Verläuft die Bewegung des beweglichen Elements 3 entlang der Trajektorie 13, so ist das Amplitudenmuster der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 schematisch in Fig. 6 abgebildet. Für die Trajektorie 13 kann man die Bewegung des beweglichen Elements 3 innerhalb des Messbereichs des Ultraschallsensors 1 in drei Teile unterteilen. Zuerst verläuft die Bewegung innerhalb des erfassbaren Bereichs des Ultraschallsensors 1 und die Amplitude der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 nimmt ab (erstes Minimum des Amplitudenverlaufs in Fig. 6). Als nächstes verläuft die Bewegung durch die aktive Zone 12 des Ultraschallsensors 1 im Bereich 1c, sodass die reflektierten zweiten Ultraschallwellen derart beschaffen sind, als befände sich das bewegliche Element 3 gänzlich außerhalb des Messbereichs 8. Dementsprechend steigt die Amplitude der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 wieder an (mittlerer Bereich des Amplitudenverlaufs in Fig. 6). Anschließend tritt das bewegliche Element 3 wieder in einen kleinen erfassbaren Bereich des Ultraschallsensors 1 ein, sodass die resultierende Absenkung des Amplitudenverlaufs in Fig. 6 schmäler ist als die erste Absenkung. Basierend auf der Breite der Absenkung im Amplitudenverlauf, sowie dem Abstand zweier etwaiger Absenkungen und der genauen Geometrie des Ultraschallsensors 1 kann auf die Bewegungsrichtung des beweglichen Elements 3 geschlossen werden und somit beispielsweise zwischen der Trajektorie 13 und If the movement of the movable element 3 proceeds along the trajectory 13, the amplitude pattern of the reflected second ultrasonic waves 6 is schematically depicted in Fig. 6. For the trajectory 13, the movement of the movable element 3 within the measuring range of the ultrasonic sensor 1 can be divided into three parts. First, the movement proceeds within the detectable range of the ultrasonic sensor 1, and the amplitude of the reflected second ultrasonic waves 6 decreases (first minimum of the amplitude curve in Fig. 6). Next, the movement proceeds through the active zone 12 of the ultrasonic sensor 1 in the area 1c, so that the reflected second ultrasonic waves are such that the movable element 3 is located entirely outside the measuring range 8. Accordingly, the amplitude of the reflected second ultrasonic waves 6 increases again (middle area of the amplitude curve in Fig. 6). Subsequently, the movable element 3 re-enters a small detectable area of the ultrasonic sensor 1, so that the resulting reduction in the amplitude curve in Fig. 6 is narrower than the first reduction. Based on the width of the reduction in the amplitude curve, as well as the distance between two possible reductions and the exact geometry of the ultrasonic sensor 1, the direction of movement of the movable element 3 can be deduced and thus, for example, a distinction can be made between the trajectory 13 and
der Trajektorie 13b unterschieden werden. the trajectory 13b can be distinguished.
Fig. 7 zeigt, wie man mit einem ein Array 1a von Ultraschallsensoren 1 analog zu Fig. 5 die Bewegungsrichtung eines beweglichen Elements 3 bestimmen kann. Die Ultraschallsensoren 1 des Arrays la entsprechen einzeln für sich betrachtet nicht der in Fig. 5 gezeigten asymmetrischen Geometrie. Durch die Verwendung eines Arrays la wird dieselbe Funktionalität wie die eines einzelnen Ultraschallsensors 1 mit asymmetrischer Geometrie erreicht. Die Nachteile eines Arrays la sind jedoch insbesondere die erhöhte Komplexität Fig. 7 shows how the direction of movement of a movable element 3 can be determined using an array 1a of ultrasonic sensors 1, analogous to Fig. 5. The ultrasonic sensors 1 of the array 1a, considered individually, do not correspond to the asymmetric geometry shown in Fig. 5. By using an array 1a, the same functionality is achieved as that of a single ultrasonic sensor 1 with asymmetric geometry. The disadvantages of an array 1a, however, are in particular the increased complexity
und der erhöhte Platzbedarf, was den Anwendungsbereich stark einschränkt. and the increased space requirement, which severely limits the area of application.
Das Flussdiagramm in Fig. 8 zeigt die Steuerungslogik der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Verwendung in einem Wälzlager. Ausgehend von dem Signal reflektierter Ultraschallwellen 6, das vom Ultraschallsensor 1 an die Sensorelektronikeinheit 9 übertragen wird, stellt sich die Frage, ob die reflektierten Ultraschallwellen mit der Bewegung des beweglichen Elements 3 synchron sind. Falls nein, muss das Drehzahlverhältnis iteriert werden: basierend auf der Berechnung des Verhältnisses der Drehzahlen von The flowchart in Fig. 8 shows the control logic of the device according to the invention when used in a rolling bearing. Based on the signal of reflected ultrasonic waves 6, which is transmitted from the ultrasonic sensor 1 to the sensor electronics unit 9, the question arises whether the reflected ultrasonic waves are synchronous with the movement of the movable element 3. If not, the speed ratio must be iterated: based on the calculation of the ratio of the speeds of
Wälzlagerkäfig 25 zu Lagerzapfen 24 werden die zeitlichen Abstände zwischen Rolling bearing cage 25 to bearing journal 24, the time intervals between
ausgesendeten ersten Ultraschallwellen 4 gesteuert. Dies beruht auf der Gleichung emitted first ultrasonic waves 4. This is based on the equation
ti=n * tes + (Li mod m) * (tea/m) + e, ti=n * tes + (Li mod m) * (tea/m) + e,
wobei die verwendeten Symbole folgende Bedeutungen haben: The symbols used have the following meanings:
fi die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden ersten Ultraschallwellen 4, 7 die Nummer der Messung (beginnt bei 0 und geht bis m), fi is the time between two consecutive first ultrasonic waves 4, 7 is the number of the measurement (starting at 0 and going up to m),
n eine nicht negative, ganze Zahl, die manuell gewählt wird, n is a non-negative integer chosen manually,
fe3 die Dauer, bis dasselbe bewegliche Element 3 wieder vom Messbereich 8 fe3 the time until the same movable element 3 is removed from the measuring range 8
erfasst wird is recorded
mod die Modulo-Rechenoperation, die den Rest einer Division berechnet, mod the modulo operation that calculates the remainder of a division,
m die Anzahl der erfassten Ultraschallwellen 6 während einem Zyklus fez, e der Fehler der Erfassungszeit, verursacht durch die verwendete Elektronik und Software. m is the number of ultrasonic waves 6 detected during one cycle fez, e is the error of the detection time caused by the electronics and software used.
Die Untergrenze für die Erfassungszeit /-3/m wird durch die Abtastrate der Sensorelektronikeinheit 9 bestimmt. Wenn fe3/m kleiner ist als die Abtastrate der Sensorelektronikeinheit 9, wird » entsprechend erhöht, so dass f; größer ist als die praktischen Grenzen der Abtastrate der Sensorelektronikeinheit 9. Der zentrale Vorteil der Gleichung ist, dass es möglich ist, m Erfassungen an der Kontaktgrenzfläche 5 abzutasten, wenn sich das Element 3 vor dem The lower limit for the acquisition time /-3/m is determined by the sampling rate of the sensor electronics unit 9. If fe3/m is smaller than the sampling rate of the sensor electronics unit 9, » is increased accordingly so that f; is larger than the practical limits of the sampling rate of the sensor electronics unit 9. The central advantage of the equation is that it is possible to sample m acquisitions at the contact interface 5 when the element 3 is in front of the
Ultraschallsensor 1 vorbeibewegt, indem man auf » Umdrehungen zwischen jeder Erfassung Ultrasonic sensor 1 is moved past by clicking on » revolutions between each detection
wartet. In der oben beschriebenen Gleichung ist n * f3 als Wartezeit von n ganzen Zyklen zu verstehen. Die Zeit fe3/m ist die Untergrenze der Erfassungszeit. Wenn diese geringer ist als die Abtastrate der verwendeten Elektronik, wird n erhöht, bis n * fez + fe3/m größer oder gleich der minimalen Erfassungszeit ist. Durch eine solche Synchronisierung muss der Ultraschallsensor 1 nicht mit der höchstmöglichen Erfassungsabtastrate pulsieren, um eine waits. In the equation described above, n * f3 is to be understood as the waiting time of n whole cycles. The time fe3/m is the lower limit of the acquisition time. If this is less than the sampling rate of the electronics used, n is increased until n * fez + fe3/m is greater than or equal to the minimum acquisition time. Through such synchronization, the ultrasonic sensor 1 does not have to pulse at the highest possible acquisition sampling rate to achieve a
hohe Messabtastauflösung zu erreichen. to achieve high measurement sampling resolution.
Während theoretisch für beliebig große Werte von n die oben beschriebene Gleichung zu beliebig großen Messauflösungen führt, basiert die praktische räumliche und zeitliche Genauigkeit auf dem Verarbeitungszeitfehler der Sensorelektronikeinheit 9. Dies umfasst sowohl Verarbeitungszeitgrenzen in der Software als auch Fehler bei der Steuerung des While theoretically for arbitrarily large values of n the equation described above leads to arbitrarily large measurement resolutions, the practical spatial and temporal accuracy is based on the processing time error of the sensor electronics unit 9. This includes both processing time limits in the software and errors in the control of the
Ultraschallsensors 1 durch das pulsierende Signal der Sensorelektronikeinheit 9. Ultrasonic sensor 1 by the pulsating signal of the sensor electronics unit 9.
Die Optimierung der Signalerfassung kann durch das Berücksichtigen eines Fehlers e erfolgen, welcher den gesamten Zeitfehler aufgrund von Hardware- und Softwareeinflüssen umfasst. Mittels echtzeitfähiger Elektronik, bei welcher der Fehler bekannt ist, ist der Fehler bei der eingesetzten Messstrecke bestimmbar. In der Praxis ändert sich dieser Fehler in den meisten Anwendungen über die Zeit nicht und eine laufende Synchronisierung ist daher nicht erforderlich. Im gegenständlichen Fall wird der Fehler durch eine ständige Synchronisierung bestimmt und im Synchronisierungsverfahren kompensiert, da ein Fehler The optimization of signal acquisition can be achieved by considering an error e, which includes the entire time error due to hardware and software influences. Using real-time capable electronics, where the error is known, the error can be determined for the measuring section used. In practice, this error does not change over time in most applications and ongoing synchronization is therefore not necessary. In the present case, the error is determined by continuous synchronization and compensated in the synchronization process, since an error
in der Erfassungszeit zu einer fehlerhaften Synchronisierung führen würde. would lead to incorrect synchronization during the acquisition time.
Die gemäß der oben beschriebenen Gleichung ausgesendeten ersten Ultraschallwellen 4 werden innerhalb des Messbereichs 8 an der Kontaktgrenzfläche 5 reflektiert und der Ultraschallsensor 1 kommuniziert das empfangene Signal der reflektierten Ultraschallwelle 6 der Sensorelektronikeinheit. Ist die Synchronisierung erfolgt, wird das Signal mittels Ultraschallreflektometrie analysiert und an die Elektronik-Zentraleinheit 10 weitergeleitet. Die Ultraschallreflektometrie bestimmt den Zusammenhang zwischen der Energie der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 und den Eigenschaften der Kontaktgrenzfläche 5. Die Elektronik-Zentraleinheit 10 berechnet die Geschwindigkeiten va, vv der Körper 2a, 2b und kommuniziert dieses Signal zurück an die Sensorelektronikeinheit 9. Diese berechnet die Drehzahl des Wälzlagerkäfigs 25 unter der Annahme von idealem Rollen, also ohne Schlupf oder Gleiten des Wälzlagerkäfigs 25 zu berücksichtigen. Diese berechnete Drehzahl wird zur Berechnung des Verhältnisses der Drehzahlen von Wälzlagerkäfig 25 zu Lagerzapfen 24 verwendet und das Aussenden von ersten Ultraschallwellen 4 kann mit oben The first ultrasonic waves 4 emitted according to the equation described above are reflected within the measuring range 8 at the contact interface 5, and the ultrasonic sensor 1 communicates the received signal of the reflected ultrasonic wave 6 to the sensor electronics unit. Once synchronization has been achieved, the signal is analyzed using ultrasonic reflectometry and forwarded to the central electronics unit 10. The ultrasonic reflectometry determines the relationship between the energy of the reflected second ultrasonic waves 6 and the properties of the contact interface 5. The central electronics unit 10 calculates the velocities va, vv of the bodies 2a, 2b and communicates this signal back to the sensor electronics unit 9. The latter calculates the rotational speed of the rolling bearing cage 25 assuming ideal rolling, i.e., without taking slippage or sliding of the rolling bearing cage 25 into account. This calculated speed is used to calculate the ratio of the speeds of the rolling bearing cage 25 to the bearing journal 24 and the emission of the first ultrasonic waves 4 can be started with the above
beschriebener Gleichung erfolgen. described equation.
Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm für eine Steuerungslogik einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, welche eine intelligente Regelung 18 umfasst, die den Betriebszustand des Systems auf der Grundlage eines Vergleiches mit einem digitalen Zwilling 9a verändert. Die Elektronik-Zentraleinheit 10 greift in dieser Ausführungsform bei optimalen Betriebsparametern nicht in die Regelung ein. Bei suboptimalen Parametern beeinflusst die Elektronik-Zentraleinheit 10 mit dem Aktuator 17 die Drehzahl, die Temperatur, die Last auf die Lager, die Schmierstoffzufuhr, die Schmierstoffzusammensetzung, den Umgebungsdruck, die Spannung der Lagerringe oder andere Parameter, um das System so Fig. 9 shows a flowchart for a control logic of another preferred embodiment, which includes an intelligent controller 18 that changes the operating state of the system based on a comparison with a digital twin 9a. In this embodiment, the central electronics unit 10 does not intervene in the control when the operating parameters are optimal. When the parameters are suboptimal, the central electronics unit 10 uses the actuator 17 to influence the rotational speed, the temperature, the load on the bearings, the lubricant supply, the lubricant composition, the ambient pressure, the tension of the bearing rings, or other parameters in order to optimize the system.
zu beeinflussen, dass wieder optimale Betriebsparameter erreicht werden. to ensure that optimal operating parameters are achieved again.
Fig. 10 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf ein Wälzlager gemäß Anspruch 16. Ein äußerer Lagerring 19 und ein innerer Lagerring 20 übernehmen die Funktion der Körper 2a, 2b und die Wälzkörper 26 im Wälzlagerkäfig 25 übernehmen die Funktion der beweglichen Elemente 3. Die Form der Wälzkörper 26 umfasst kugelförmige, zylindrische, tonnenförmige, nadelförmige, sowie kegelförmige Wälzkörper 26. Der innere Lagerring 20 ist am Lagerzapfen 24 befestigt. Der äußere Lagerring 19 ist räumlich stationär und nicht rotierend eingespannt in einem externen Gehäuse, welches nicht in Figur 10 gezeigt ist. Die Ultraschallsensoren 1 sind an mechanischen Komponenten 22 und/oder an Befestigungskörpern 23 und/oder an den Lagerzapfen 24 montiert. Zwischen dem Wälzlagerkäfig 25 und dem äußeren Lagerring 19 sowie zwischen dem Wälzlagerkäfig 25 und dem inneren Lagerring 20 befindet sich eine Schmierstoffschicht 21. Erste Ultraschallwellen 4 werden an den Laufflächen 5a, 5b reflektiert und zweite Ultraschallwellen 6 werden von den Ultraschallsensoren 1 empfangen. Die Verwendung von mehr als einem Ultraschallsensor 1 ist zur Optimierung der Erfassung der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 dann erforderlich, wenn die Reflexion der ersten Ultraschallwellen 4 an einer Kontaktgrenzfläche 5 unter einem beliebigen Winkel Fig. 10 shows a preferred embodiment of an application of the device according to the invention to a rolling bearing according to claim 16. An outer bearing ring 19 and an inner bearing ring 20 assume the function of the bodies 2a, 2b and the rolling elements 26 in the rolling bearing cage 25 assume the function of the movable elements 3. The shape of the rolling elements 26 includes spherical, cylindrical, barrel-shaped, needle-shaped and conical rolling elements 26. The inner bearing ring 20 is fastened to the bearing journal 24. The outer bearing ring 19 is spatially stationary and non-rotating and is clamped in an external housing, which is not shown in Figure 10. The ultrasonic sensors 1 are mounted on mechanical components 22 and/or on fastening bodies 23 and/or on the bearing journal 24. A lubricant layer 21 is located between the rolling bearing cage 25 and the outer bearing ring 19 as well as between the rolling bearing cage 25 and the inner bearing ring 20. First ultrasonic waves 4 are reflected at the running surfaces 5a, 5b and second ultrasonic waves 6 are received by the ultrasonic sensors 1. The use of more than one ultrasonic sensor 1 is necessary to optimize the detection of the reflected second ultrasonic waves 6 when the reflection of the first ultrasonic waves 4 at a contact interface 5 at any angle
erfolgt. takes place.
Im Falle eines Wälzlagers bestimmt sich der Zyklus £e3 durch die Umlauffrequenz fi des In the case of a rolling bearing, the cycle £e3 is determined by the rotational frequency fi of the
Wälzlagerkäfigs 25 gemäß Rolling bearing cage 25 according to
Die Umlauffrequenz £ des Wälzlagerkäfigs 25 wird gemäß folgender Gleichung berechnet, The rotational frequency £ of the rolling bearing cage 25 is calculated according to the following equation,
f-f(1-d/di)/2, f-f(1-d/di)/2,
wobei f; die Zapfen- oder Wellendrehzahl, di. der Durchmesser der Wälzkörper 26 und d» der zugehörige Teilkreisdurchmesser ist. Durch die Verwendung dieser Gleichungen lässt sich where f; is the journal or shaft speed, di. is the diameter of the rolling elements 26 and d» is the corresponding pitch diameter. By using these equations,
die Abhängigkeit der Zeit £; von der Geschwindigkeit vs der Wälzkörper erkennen. recognize the dependence of time £; on the speed vs of the rolling elements.
Liste der Bezugszeichen 100 Vorrichtung List of reference symbols 100 Device
1 Ultraschallsensor 1 ultrasonic sensor
la Array von Ultraschallsensoren 1b Loch im Ultraschallsensor la Array of ultrasonic sensors 1b Hole in the ultrasonic sensor
1c Trajektorie durch das Loch 1b im Ultraschallsensor 2, 2a, 2b Körper 1c Trajectory through the hole 1b in the ultrasonic sensor 2, 2a, 2b body
3, 3‘ bewegliches Element 3, 3' movable element
4 erste Ultraschallwellen 4 first ultrasound waves
5, 5‘ Kontaktgrenzfläche 5, 5' contact interface
5a, 5b Lauffläche 5a, 5b running surface
6 zweite Ultraschallwellen 6 second ultrasound waves
7 Ultraschallwellenapertur 7 Ultrasonic wave aperture
8 Messbereich eines Ultraschallsensors 9 Sensorelektronikeinheit 8 Measuring range of an ultrasonic sensor 9 Sensor electronics unit
9a digitaler Zwilling 9a digital twin
10 Elektronik-Zentraleinheit 10 Electronic central unit
11a nicht synchronisiertes Signal 11b synchronisiertes Signal 11a unsynchronized signal 11b synchronized signal
12 aktive Zone 12 active zones
13 Trajektorie 13 Trajectory
14 Trajektorienwinkel 14 trajectory angles
17 Aktuator 17 Actuator
18 intelligente Regelung 18 intelligent control
19 äußerer Lagerring 19 outer bearing ring
20 innerer Lagerring 20 inner bearing ring
21 Schmierstoffschicht 21 Lubricant layer
22 mechanische Komponente 22 mechanical components
23 Befestigungskörper 23 Fastening body
24 Lagerzapfen 24 bearing journals
25 Wälzlagerkäfig 25 rolling bearing cage
26 Wälzkörper 26 rolling elements
30 Messeinheit 30 measuring units
Claims (1)
Priority Applications (2)
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| ATA50864/2023A AT527704A1 (en) | 2023-10-24 | 2023-10-24 | Device for determining the relative speed between a body and a moving element, and rolling bearing equipped with this device |
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Applications Claiming Priority (1)
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| ATA50864/2023A AT527704A1 (en) | 2023-10-24 | 2023-10-24 | Device for determining the relative speed between a body and a moving element, and rolling bearing equipped with this device |
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| AT527704A1 true AT527704A1 (en) | 2025-05-15 |
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Family Applications (1)
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| ATA50864/2023A AT527704A1 (en) | 2023-10-24 | 2023-10-24 | Device for determining the relative speed between a body and a moving element, and rolling bearing equipped with this device |
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