DE10041093A1

DE10041093A1 - Sensoranordnung in einem Wälzlager und Verfahren zur Auswertung des Ausgangssignals der Sensoranordnung

Info

Publication number: DE10041093A1
Application number: DE10041093A
Authority: DE
Inventors: Erich Zabler; Marianne Rosenberger-Koch; Anton Dukart; Dietmar Arndt; Volker Imhof
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2002-03-14

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung und es werden Auswerteverfahren vorgeschlagen, die in einem Wälzlager (1) zur Detektierung physikalischer Größen, insbesondere zur Detektierung und Auswertung drehzahlabhängiger Größen, während der Bewegung der im Wälzlager (1) geführten Bauteile geeignet sind. Die auf die feststehende Lagerschale (4) des Wälzlagers (1) wirkenden, durch Wälzelemente (6) des Wälzlagers (1) verursachten Dehnkräfte werden mit dehnungsempfindlichen Sensoren (7, 8) dadurch erfasst, dass zwei Sensoren (7, 8) jeweils um die Hälfte des Winkelabstands (alpha) der Wälzelemente (6) in Drehrichtung versetzt zueinander auf der Lagerschale (4) angebracht sind.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung in einem Wälzlager und Ausführungsformen von Verfahren zur Auswer tung des Ausgangssignals der Sensoranordnung, insbesonde re in einem Radlager, nach dem Oberbegriff des Hauptan spruchs.

Es ist für sich gesehen bekannt, dass an drehenden Tei len, die mit einem Wälzlager geführt sind, wie z. B. am Radlager eines Kraftfahrzeuges, verschiedene Messgrößen auftreten, welche von hoher Relevanz für die antreibenden und ggf. auch lenkenden Systeme sind. Die so gelagerten Bauteile sind oft Bestandteile von Antiblockiersystemen, Antischlupfregelungen oder sonstigen das Fahrverhalten oder die Fahrsicherheit positiv beeinflussenden Steue rungssystemen. Hierbei kann es von großer Bedeutung sein, Messdaten z. B. über die Drehzahl, die Radkräfte, die Be schleunigung oder auch den Reifendruck oder die Tempera tur zu erhalten um die Kräfte und Momente, die von der Straße über das Rad und über das Radlager auf das Fahr werk übertragen werden, auszuwerten.

Aus der EP 0 992 797 A1 ist es beispielsweise bekannt, dass innerhalb eines Kugellagers ein Drehzahlsensor ange ordnet ist. Die Kugelwälzlager bieten hier einen sehr vorteilhaften, geschützten Einbauraum für entsprechende Sensoren. Durch eine Integration der Sensorik in das Ku gellager entsteht außerdem eine erhebliche System- und Montagevereinfachung, wobei allerdings eine weitergehende Erfassung der Lagerkräfte beim Stand der Technik nicht vorgesehen ist.

Bei den bekannten Anordnungen ist allerdings der Grad der Integration der Sensorelemente in den Wälzlageraufbau recht niedrig, da man hier in der Regel Einstecksensoren verwendet, welche dem Lagerhersteller vom Hersteller der Sensoren oder anderen Konfektionären zugeliefert werden. Durch das sogenannte Einsteckprinzip ist hier das Problem der mechanischen Toleranzen vor allem bezüglich der Luft spaltweite zwischen drehenden Teilen und den Sensoren we nig befriedigend gelöst.

Vorteile der Erfindung

Eine Sensoranordnung der eingangs angegebenen Art, insbe sondere zu Verwertung eines Drehzahlsignals, ist mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weitergebildet.

In vorteilhafter Weise kann dadurch, dass die auf die feststehende Lagerschale des Wälzlagers wirkenden, durch Wälzelemente des Wälzlagers verursachten, Dehnkräfte mit dehnungsempfindlichen Sensoren dadurch erfasst werden, dass zwei Sensoren jeweils um die Hälfte des Winkelab standes der Wälzelemente zueinander versetzt auf der La gerschale angebracht sind.

Im Prinzip können Radkräfte in einem Wälzlager auf einfa che Weise mit Dehnmesswiderständen oder Dehnungsmess streifen erfasst werden, welche an geeigneten Stellen des Lagers angebracht werden müssen. So kann vorzugsweise ei ne Anbringung am äußeren feststehenden Teil des Lagers erfolgen und zwar auf einem Umfangskreis über der Lauf bahn der Wälzkörper sowohl im vertikalen Scheitelpunkt (Aufstandskräfte Fz) als auch um einen Winkel von 90° in Drehrichtung des Rades versetzt dazu, insbesondere für die Erfassung von Brems- und Beschleunigungs- sowie Quer und Aufstandskräften.

Hierbei sind auch weitere geeignete Positionen möglich, wobei zur vollständigen Erfassung der Kräfte auch belie bige Kombination der Anbaustellen vorteilhaft sein kön nen. An jeder Anbaustelle wird dabei die bezüglich der Radrichtung tangentiale und axiale lokale Dehnung auf der Lagerschale erfasst. Die Dehnmesswiderstände (DMS) werden dazu üblicherweise in Spannungsteilerkonfiguration oder als Wheatstonesche-Messbrücke geschaltet, insbesondere zur Erhöhung des Messeffekts und zur Eliminierung von Störeffekten.

An einigen Positionen erfahren die Dehnmesswiderstände, insbesondere die tangential ausgerichteten, zwar eine mittlere Dehnung, welche vorwiegend der Aufstandskraft Fz entspricht, welche typischerweise ca. 5 kN betragen kann, jedoch wird dieses Grundsignal erheblich in seiner Stärke moduliert, wenn ein Wälzkörper, z. B. eine Kugel, auf grund der Raddrehung diese Stelle gerade passiert. Die Wälzkörper sind nämlich in der Regel so mit den beiden Lagerschalen montiert, dass sie unter Vorspannung stehen und kein Radialspiel besitzen.

In einem typischen Fall beträgt die Anzahl der Kugeln in einem Radlager für ein Kraftfahrzeug beispielsweise gera de 14; sie werden im Wälzlager von einem sogenannten Kä fig in einem bestimmten Abstand untereinander gehalten. Bei einer Bewegung des Rades führen sie eine Rollbewegung aus und nehmen den Käfig dabei mit, so dass dieser eben falls umläuft.

Da sich die Aufstandskraft Fz gerade über die Hälfte der Kugeln (also z. B. 7 Stück) verteilt und zumindest 6 davon immer im Krafteingriff sind, nahm man bisher an, dass die von der Kugelbewegung verursachte lokale Modulation der Dehnung bei einigen Anordnungen der Sensorelemente etwa 1/7 der Aufstandskraft Fz nicht übersteigt. Im Betrieb zeigt sich jedoch, dass die lokale Modulation der Dehnung typisch ca. 50 bis 100% ausmacht, d. h. der Mittelwert der Dehnung wird durch die Kugeln drastisch in positiver und negativer Richtung geändert. Dadurch gewinnt man den Vor teil, dass man die Modulation gleichzeitig auch zur Er fassung der Drehzahl ausnutzen kann. Zwischen der Rad drehzahl und der Käfig- bzw. Kugelumlaufzahl besteht da mit ein fester Zusammenhang, wobei durch die hohe und im mer wirksame Aufstandskraft Fz gewährleistet ist, dass zwischen beiden Drehzahlen so gut wie kein Schlupf ent steht.

Die Erfindung kann in besonders vorteilhafter Weise in einer Ausführungsform realisiert werden, wenn als Sensorelemente zwei in Reihe geschaltete Dehnungsmessstreifen in halbem Kugelabstand an der äußeren Lagerschale ange bracht sind und mit einer Auswerteschaltung die Differenz der Signale beider Sensorelemente ausgewertet wird. Somit ist erfindungsgemäß gewährleistet, dass die von den Deh nungsmessstreifen erfasste Modulation der an der Lager schale wirkenden Kraftsignale nach Möglichkeit um 180° phasenverschoben ist.

Eine Differenzauswertung der beiden zuvor beschriebenen Teilwiderstände ist besonders gut zur Drehzahlerfassung geeignet. Aufgrund der Durchmessertoleranzen der Kugeln im Wälzlager ist jedoch die sinusähnliche Modulation der Dehnsignale nicht ganz regelmäßig; es bleibt daher eine zusätzliche Modulation von der Periodendauer eines Radum laufs, welche in ihrer Störwirkung entweder tolerierbar ist, oder aber durch ein mitlaufendes Frequenzfilter unterdrückt werden kann, wobei hier jedoch der durch das Frequenzfilter bewirkte Zeitfaktor bei der Auswertung zu berücksichtigen ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können ebenfalls durch die Auswertung der Wälzkörper- bzw. Ku gelmodulation die auf das Wälzlager einwirkenden Kräfte erfasst werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass die lokale Verformung der Lagerschalen aufgrund der Kugelbewegung stark an die von der Kugel übertragene Kraft gekoppelt ist. Überträgt die Kugel keine Kraft auf die Lagerscha len, so wird auch keine Modulation der lokalen Dehnspan nungsverhältnisse aufgrund der Kugelbewegung stattfinden. In erster Näherung ist daher die Amplitude dieser Modula tion proportional zu der jeweils durch die Kugel übertra genen Kraft und die von einer einzelnen Kugel übertragene Kraft ist wiederum proportional zur gesamten Kraft, die auf das gesamte Wälzlager einwirkt.

Die Widerstandswerte R(t) eines auf der Lagerschale auf gebrachten Dehnungsmesswiderstandes ergeben sich daher näherungsweise wie folgt:
R(t) = A0 + A1 . sin(ωt) + . . . . (Terme höherer Ordnung, wie z. B. quadratische, kubische oder höhere harmonische Ter me; 2ω, 3ω, etc.)

Der Koeffizient A0 ist hier in erster Näherung proportio nal zur mittleren lokalen Spannung, also zu der Kraft F, die auf das gesamte Lager einwirkt und proportional hier zu ist aber auch in erster Näherung der Koeffizient A1; der die Amplitude der Modulation darstellt. Eine genauere Beschreibung der Kopplung dieser Koeffizienten A0 und A1 ist mit folgenden Funktionen möglich:

A0 = f(F)

A1 = g(F)

Die zuvor beschriebenen Ausführungsform der Erfindung nutzt daher die Tatsache aus, dass die Größe der Modula tion eine Funktion der Kraft F ist und hier dann keine zu beseitigende Störgröße, die mittels aufwendiger Filterung zu unterdrücken ist. Aus der Beobachtung der Modulation kann man ferner auf die Geschwindigkeit und somit auf die künftige Position der Kugel schließen. Aus der Kenntnis des Ortes der Kugeln und der Kenntnis des Messsignals kann somit eindeutig auf die einwirkende Kraft geschlos sen werden und die Dynamik der Auswertung wesentlich er höht werden.

Weiterhin ist mit einer dritten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform eine Kraftbestimmung durchführbar, wobei diese auch durch die elastischen Verformungen der Lagerschalen aufgrund der externen Kräfte- und Momenteneinwirkungen möglich ist. Will man zum Zweck der Kraftmessung die zu vor anhand der ersten Ausführungsform beschriebene Modu lation nicht nutzen, sondern im Gegenteil sogar unterdrü cken, so kann man ebenfalls durch die Anbringung eines zweiten Sensorelements, dessen Position am Umfang der La gerschale um einen halben Kugelabstand von dem ersten ge trennt ist, eine Modulation vermeiden, wenn man beide Teildehnwiderstände wie einen einzigen Widerstand be trachtet und in Reihe schaltet. So bleibt die Summe der beiden Teilwiderstände von dem Kugelumlauf im Wälzlager in etwa weitgehend unbeeinflusst. Wenn der eine Wider stand durch eine Kugel gerade auf ein Maximum gedehnt wird, befindet sich der andere Teilwiderstand gerade in der Lücke und erfährt ein relatives Minimum an Dehnung.

Mit diesen erfindungsgemäßen Ausführungsformen können da her in vorteilhafter Weise redundante Informationen aus den Sensorsignalen der Sensoranordnung gewonnen werden. Es ist prinzipiell möglich, beispielsweise die Kraft, die auf ein Radlager einwirkt, auf zwei unterschiedliche Wei sen zu bestimmen. Wird das Signal der Dehnungsmesswider stände z. B. mittels eines Tiefpasses gefiltert, so erhält man den zeitlichen Mittelwert, der der mechanischen Span nung des Lagers entspricht, wobei man dann den Gleich stromanteil des Signals auswertet. Betrachtet man dagegen nur den schnell oszillierenden Teil des Signals, der von der Kugelbewegung herrührt gibt die Amplitude dieses Sig nals ebenfalls Auskunft über die wirkende Kraft.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die erfin dungsgemäße Sensoranordnung auf einfache Weise eine Dreh zahlerfassung an einem Wälzlager ermöglicht ohne z. B. ei nen separaten Drehzahlsensor als Einsteckteil mit zugehö rigem Polrad und Stecker zu verwenden. Weiterhin können auch die z. B. bei Magnetsensoren entstehenden Luftspalt probleme vermieden werden und es ist eine darüber hinaus auch eine Richtungserkennung bei der Auswertung der zwei um den halben Kugelabstand versetzten Dehnwiderstandssig nal möglich. Es ist erfindungsgemäß daher ein höherer Grad der Integration der Sensorelemente in das Wälzlager mit einer unkritischen Signalauskopplung erreichbar.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Sensoranord nung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines mit einer Sensor anordnung versehenen Wälzlagers für eine drehende Radachse in einem Fahrzeugchassis;

Fig. 2 eine Detailansicht der Lagerschalen des Wälzlagers mit zwei um den halben Winkelabstand der Wälzlagerkugeln versetzten Dehnungsmessstreifen als Sensorelemente;

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild der zusammengeschalte ten Dehnungsmessstreifen;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer mechatroni schen Anordnung von verschalteten Dehnungsmesswider ständen auf einem Substrat und

Fig. 5 ein Diagramm aus dem die Bestimmung der auf das Lager einwirkenden Kraft, aus den Amplituden der Wälzkörpermodulation möglich ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine vereinfachte Schnittansicht eines Wälzlagers 1 für eine drehende Radachse 2 gezeigt, wobei diese Anordnung in einem Fahrzeugchassis 3 fest eingefügt ist. Eine feststehende Lagerschale 4 sitzt am Chassis 3 und die mitdrehende Lagerschale 5 befindet sich an der Radachse 2; am Wälzlager treten unter anderem dabei Kraftkomponenten Fx und Fz auf. Im Wälzlager 1 befinden sich außerdem die Wälzelemente, hier Kugeln 6. An der äu ßeren feststehenden Lagerschale 4 sind Sensorelemente 7 und 8 angedeutet, mit denen eine Detektion der Dehnungen durchgeführt werden soll, die bei einer Drehung der Rad achse 2 und der damit einhergehenden mechanischen Bean spruchungen der Kugeln 6 und der Lagerschalen 4 und 5 auftreten.

In der Darstellung nach Fig. 2 sind die Lagerschalen 4 und 5 sowie die Kugeln 6 ausschnittsweise vergrößert ge zeigt, wobei die Kugeln 6 in einem Winkelabstand α zuein ander angeordnet sind. Die Sensorelemente 7 und 8 sind Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Dehnwiderstände, die eine Messung am Ort A auf dem Umfang der äußeren Lagerschale 4 durchführen sollen. Zur Erfassung und Auswertung einer drehzahlabhängigen Modulation der mechanischen Spannungen in der Lagerschale 4 sind diese Dehnungsmessstreifen 7 und 8 am Ort A jeweils um den halben Winkelabstand α/2 der Kugeln 6 zueinander versetzt.

Eine erste Möglichkeit für eine Auswertung der Sensorsig nale besteht darin, dass die zwei Dehnungsmessstreifen 7 und 8 hinsichtlich der Differenz der Signale ausgewertet werden, z. B. durch eine Spannungsteilerschaltung, da eine Differenzauswertung besonders gut zur Drehzahlerfassung geeignet ist. Um Störwirkungen unerwünschter Modulatio nen zu verringern können diese durch ein hier nicht dar gestelltes, mitlaufendes Frequenzfilter unterdrückt wer den.

Will man dagegen lediglich zur Kraftmessung im Wälzlager 1 die zuvor beschriebene Modulation nicht nutzen, sondern im Gegenteil sogar unterdrücken, so kann man als zweite Möglichkeit die beiden Dehnungsmessstreifen 7 und 8 wie einen einzigen Widerstand betrachten und gemäß Fig. 3 in Reihe schalten, wobei hier das elektrische Schaltbild der in Reihe geschalteten Dehnungsmessstreifen 7 und 8 gezeigt ist. Hierbei bleibt in etwa die Summe der beiden Teilwiderstände von dem Kugelumlauf im Wälzlager weitge hend unbeeinflusst. Während nämlich der eine Widerstand (z. B. Widerstand 7) durch eine Kugel 6 gerade auf ein Ma ximum gedehnt wird, befindet sich der andere Teilwider stand (z. B. Widerstand 8) gerade in der Lücke und erfährt ein relatives Minimum an Dehnung.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht von zu jeweils einer Messbrü cke verschalteten Dehnungsmesswiderständen, beispielswei se des Sensors 7. Dieser zuvor beschriebene Dehnungsmess widerstand 7 kann ev. über eine hier nicht dargestellte Isolationsschicht, auf einem metallischen Zwischenträger 61, z. B. ein Plättchen 62 oder eine Rondenform, kosten günstig aufgebracht werden. Dieser Zwischenträger 61 kann dann an den zuvor beschriebenen Stellen des Wälzlagers oder den entsprechenden Fahrzeugteilen aufgeschweißt oder eingepresst werden bzw. andersartig kraftschlüssig ver bunden werden. Auf das Plättchen 62 können dann sowohl axial als auch tangential messende Dehnungsmesswiderstän de in Voll- oder Halbbrückenschaltung aufgebracht werden.

Diese Brückenschaltung nach der Fig. 4 kann dann auch noch mit elektronischen Bausteinen 63 verbunden werden, mit denen eine Signalauswertung und -übertragung zu wei teren Messstellen oder einer anderen Auswerteschaltung möglich ist. Die Signalübertragung über Anschlussmittel 64, 65 kann dabei z. B. seriell über einen Digitalbus oder einen Analogbus erfolgen. Diese sogenannte mechatronische Anordnung erlaubt die zusätzliche direkte Zuordnung von Bausteinen zur elektronischen Signalverarbeitung, so dass beispielsweise direkt digitale Ausgangssignale erzeugt werden können und die Sensoranordnung unmittelbar an ein Bussystem, z. B. in einem Kraftfahrzeug, angeschaltete werden können.

Aus Fig. 5 ist ein Diagramm zu entnehmen, in dem als Mo dulationssignal ein analoges Ausgangssignal eines Deh nungsmesswiderstandes oder der Sensoranordnung über der Zeit dargestellt ist. Es sind hier die durch eine Viel zahl von Einflüssen verursachten Amplituden 13 der Wälz körpermodulation erkennbar, wobei für die Bestimmung der auf das Wälzlager 1 einwirkenden Kraft F die Amplituden 14, 15 und 16 gekennzeichnet sind. Die Amplitude 14 ist hier einer einwirkenden Kraft F₁ = 2 kN, die Amplitude 15 einer einwirkenden Kraft F₂ = 4 kN und die Amplitude 16 ist einer einwirkenden Kraft F₃ = 6 kN zuzuordnen.

Bei der Auswertung nach diesem Ausführungsbeispiel wird ausgenutzt, dass die lokale Verformung der Lagerschale 4 nach der Fig. 1 aufgrund der Bewegung der Kugeln 6 stark an die von der Kugel 6 übertragene Kraft gekoppelt ist. Überträgt die Kugel 6 keine Kraft auf die Lagerschale 4, so wird auch keine Modulation der lokalen Dehnspannungs verhältnisse aufgrund der Kugelbewegung stattfinden.

Claims

1. Sensoranordnung in einem Wälzlager (1) zur Detektie rung und Auswertung drehzahlabhängiger und/oder anderer physikalischer Größen während der Bewegung der im Wälzla ger (1) geführten Bauteile (2), dadurch gekennzeichnet, dass die auf die feststehende Lagerschale (4) des Wälzla gers (1) wirkenden, durch Wälzelemente (6) des Wälz lagers (1) verursachten Dehnkräfte mit dehnungsemp findlichen Sensoren (7, 8) dadurch erfasst werden, dass zwei Sensoren (7, 8) jeweils um die Hälfte des Winkelabstands (α) der Wälzelemente (6) in Drehrich tung zueinander versetzt auf der Lagerschale (4) an gebracht sind.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass als Sensoren zwei einander zugeordnete Dehnungsmess widerstände (7, 8) oder Dehnungsmesswiderstands- Messbrückenschaltungen (10, 11) an der äußeren La gerschale (4) angebracht sind.

3. Verfahren zur Auswertung des Ausgangssignals der Sen soranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Drehzahlmessung der durch das Wälzlager (1) geführten drehenden Teile (2) mit einer Auswerte schaltung die Differenz der Signale beider Sensoren (7, 8; 10, 11) ausgewertet wird.

4. Verfahren zur Auswertung des Ausgangssignals der Sen soranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Messung der im Wälzlager (1) auftretenden Kräfte mit einer Auswerteschaltung die Summe der Signale beider Sensoren (7, 8; 10, 11) ausgewertet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, dass die mit der Auswerteschaltung gewonnen drehzahlab hängigen Signale mit einem Frequenzfilter bearbeitet werden.

6. Verfahren zur Auswertung des Ausgangssignals der Sen soranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Auswerteschaltung die durch die Wälzkörper (6) bewirkten Amplituden (13; 14, 15, 16) der Modulati on des Ausgangssignals der Sensoren (7, 8; 10, 11) und damit die auf das Wälzlager (1) einwirkenden Kräfte (F; F₁, F₂, F₃) erfasst werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswerte R(t) eines auf der Lagerschale (4) aufgebrachten Dehnungsmesswiderstandes (7, 8; 10, 11) sich näherungsweise wie folgt ergeben:
R(t) = A0 + A1 . sin(ωt) + (Terme höherer Ordnung),
wobei der Koeffizient (A0) und der Koeffizient (A1) in erster Näherung proportional zur mittleren loka len Kraft (F) sind, die auf das gesamte Wälzlager (1) einwirkt.