WO2003087745A2 - Wälzlager mit sensoren - Google Patents

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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0009—Force sensors associated with a bearing
    • G01L5/0019—Force sensors associated with a bearing by using strain gages, piezoelectric, piezo-resistive or other ohmic-resistance based sensors
    • 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
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/52—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions
    • F16C19/522—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions related to load on the bearing, e.g. bearings with load sensors or means to protect the bearing against overload
    • G—PHYSICS
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M13/04—Bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2300/00—Application independent of particular apparatuses
    • F16C2300/02—General use or purpose, i.e. no use, purpose, special adaptation or modification indicated or a wide variety of uses mentioned

Definitions

  • the invention relates to rolling bearings with sensors that are used in a wide variety of applications to measure the force acting on rolling bearings and the temperature.
  • Rolling bearings with sensors have the task of measuring the operating conditions that exist at the rolling bearing in order to then be able to control or regulate the entire process of the machine arrangement with these measurement data.
  • Rolling bearings with sensors are used for force measurement, direction of rotation measurement, rotation speed measurement and temperature measurement.
  • Such roller bearings with sensors are also known, inter alia, from US Pat. No. 5,952,587.
  • the use z. B. strain gauge sensors and the evaluation of these measurement results are described in detail in the document.
  • the problem with this document is that for rolling bearings with different numbers of rolling elements, different numbers of cables have to be routed from the rolling bearing to the external evaluation unit. The problem is therefore that the evaluation unit must be designed differently depending on the rolling elements currently used in the rolling bearing. Object of the invention
  • the essential essence of the invention is that a standardized interface between the rolling bearing and the evaluation unit is introduced.
  • This standardized interface makes it possible to always provide the same information at the interface regardless of the number of rolling elements in the rolling bearing.
  • This is achieved in that the rolling bearing z. B. is divided into three (claim 2) 120 degree areas. All sensors that are in a 120 degree range are evaluated by means of an ASIC arranged on the roller bearing, so that a force vector results for this range.
  • a region ASIC here carries out a vector addition of the individual vectors, which are determined by the sensors, in order to form an overall vector.
  • the force vectors of the three area ASICs are thus permanently present at the interface between the rolling bearing and the evaluation unit.
  • Each of the three ASICs thus passes information that contains the amount of force and the direction of the force in the respective area.
  • These three area vectors are then added vectorially in the evaluation unit, and a vector which corresponds to the total load on the rolling bearing is thus determined.
  • the rolling bearing is divided into 4 areas of 90 degrees.
  • the difference compared to claim 2 is that 4 range ASICs are used to determine the force vector (amount and direction). Otherwise, the further procedure corresponds to claim 2.
  • the invention is illustrated in a figure.
  • the side view shows schematically a rolling bearing consisting of the outer ring 1, the inner ring 2 and the rolling elements 3.
  • 9 rolling elements are shown in the example.
  • the sensors 4, 5 are arranged schematically on the outer ring 1.
  • the sensors are arranged in a groove on the outer ring.
  • the sensors 4, 5 are arranged such that the sensor distance corresponds to half the distance between two rolling elements.
  • the sensor 5 is currently arranged directly in the rolling contact, while the sensor 4 is arranged exactly between two rolling bodies.
  • the sensors 4 and 5 represent a strain gauge half-bridge 6, two further sensors being arranged outside the load zone of the roller bearings, which serve for temperature compensation of these two sensors 4 and 5.
  • the area ASIC Also located in the groove of the rolling bearing is the area ASIC, which adds up the results (in the drawing of three rolling elements) for an area of 120 degrees.
  • the current angular position in the 120 degree range (of the respective strain gauge half bridge) is given to the range - ASIC via the factors d, c2 and c3 for range 1 and c4, c5 and c6 for range 2 and c7, c ⁇ and c9 for the Range 3 passed on, d to c9 are scalars which correspond to the angular position of the individual sensors in a range.
  • the area ASICs now form the area vectors 7, 8, 9 from the measured values. These area vectors (amount and direction) 7, 8, 9 are transmitted to the evaluation unit via a defined interface.

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Abstract

Wälzlager mit Sensoren (4, 5, 6) zum Messen der Längenveränderung im Wälzkontakt zwischen Wälzkörper (3) und Ring (1), wobei die Bereichsvektoren (7, 8, 9) gebildet werden, die über eine definierte Schnittstelle zur ausserhalb des Wälzlagers angeordneten Auswerteeinheit gelangen.

Description

Wälzlager mit Sensoren
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Wälzlager mit Sensoren, die in den verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden, um die auf Wälzlager wirkende Kraft und die Temperatur zu messen.
Hintergrund der Erfindung
Wälzlager mit Sensoren haben die Aufgabe, die Betriebsbedingungen, die am Wälzlager vorliegen, zu messen, um mit diesen Messdaten dann den gesamten Prozess der Maschinenanordnung steuern bzw. regeln zu können. Wälzlager mit Sensoren werden hierbei zur Kraftmessung, Drehrichtungsmessung, Drehgeschwindigkeitsmessung und Temperaturmessung eingesetzt. Solche Wälzlager mit Sensoren sind u. a. auch aus der US 5,952,587 bekannt. Der Einsatz z. B. von DMS-Sensoren sowie die Auswertung dieser Messergebnisse sind in der Schrift ausführlich beschrieben. Das Problem dieser Schrift besteht darin, dass für Wälzlager mit unterschiedlicher Anzahl von Wälzkörpern unterschiedlich viele Kabel vom Wälzlager zur außenliegenden Auswerteeinheit geführt werden müssen. Das Problem besteht also darin, dass die Auswerteeinheit in Abhängigkeit von den aktuell im Wälzlager benutzten Wälzkörpern, unterschiedlich ausgelegt werden muss. Aufgabe der Erfindung
Es besteht also die Aufgabe eine Auswerteeinheit von Wälzlagern mit Sensoren vorzuschlagen, die unabhängig von der Anzahl der Wälzkörper im Wälzlager eingesetzt werden kann.
Beschreibung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht.
Der wesentliche Kern der Erfindung besteht darin, dass eine normierte Schnittstelle zwischen Wälzlager und Auswerteeinheit eingeführt wird. Diese normierte Schnittstelle erlaubt es, unabhängig von der Anzahl der Wälzkörper im Wälzlager immer die gleichen Informationen an der Schnittstelle zur Verfügung zu stellen. Dies wird dadurch erreicht, dass das Wälzlager z. B. in drei (Anspruch 2) 120 Grad umfassende Bereiche unterteilt wird. Alle Sensoren die in einem 120 Grad Bereich liegen, werden mittels eines auf dem Wälzlager angeordneten ASIC ausgewertet, so dass sich für diesen Bereich ein Kraftvektor ergibt. Ein Bereichs-ASIC führt hierbei eine Vektoraddition der einzelnen Vektoren, die von den Sensoren ermittelt werden, durch, um einen Gesamtvektor zu bilden. An der Schnittstelle zwischen dem Wälzlager und der Auswerteeinheit stehen also permanent die Kraftvektoren der drei Bereichs-ASICs an. Jeder der drei ASICs übergibt also eine Information, die den Betrag der Kraft sowie die Richtung der Kraft in dem jeweiligen Bereich enthält. In der Auswerteeinheit werden dann diese drei Bereichs-Vektoren vektoriell addiert und ein Vektor, der der Gesamtbelastung des Wälzlagers entspricht, wird somit ermittelt.
Gemäß Anspruch 3 wird das Wälzlager in 4 Bereiche a 90 Grad eingeteilt. Der Unterschied gegenüber dem Anspruch 2 besteht darin, dass hier 4 Bereichs - ASICs eingesetzt werden, die den Kraftvektor (Betrag und Richtung) ermitteln. Ansonsten entspricht die weitere Vorgehensweise dem Anspruch 2. Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird an einer Figur dargestellt. Die Seitenansicht zeigt schematisch ein Wälzlager bestehend aus dem Außenring 1 , dem Innenring 2 und den Wälzkörpern 3. Hier im Beispiel sind 9 Wälzkörper gezeigt. Am Außenring 1 sind schematisch die Sensoren 4, 5 angeordnet. Die Sensoren sind in einer Nut am Außenring angeordnet. Die Sensoren 4, 5 sind so angeordnet, dass der Sensorabstand dem halben Abstand zweier Wälzkörper entspricht. In dieser Darstellung ist aktuell der Sensor 5 direkt im Wälzkontakt angeordnet während der Sensor 4 genau zwischen zwei Wälzkörpern angeordnet ist. Die Sensoren 4 und 5 stellen eine DMS - Halbbrücke 6 dar, wobei zwei weitere Sensoren außerhalb der Lastzone der Wälzlager angeordnet sind, die zur Temperaturkompensation dieser zwei Sensoren 4 und 5 dienen. Ebenfalls in der Nut des Wälzlagers angeordnet ist der Bereichs-ASIC der die Ergebnisse (in der Zeichnung von drei Wälzkörpern) für einen Bereich von 120 Grad aufaddiert. Die aktuelle Winkellager in dem 120 Grad Bereich (der jeweiligen DMS-Halbbrücke) wird dem Bereichs - ASIC über die Faktoren d , c2 und c3 für den Bereich 1 sowie c4, c5 und c6 für den Bereich 2 und c7, cδ und c9 für den Bereich 3 weiter gegeben, d bis c9 sind Skalare, die der Winkellage der einzelnen Sensoren in einem Bereich entsprechen. Die Bereichs-ASICs bilden nun aus den Messwerten den Bereichsvektor 7, 8, 9. Diese Bereichsvektoren (Betrag und Richtung) 7,8,9 werden über eine definierte Schnittstelle zur Auswerteeinheit übertragen.
Bezugszeichenliste:
1 Außenring
2 Innenring
3 Wälzkörper
4 nicht belasteter Sensor
5 belasteter Sensor 6 Sensor bzw. DMS-Halbbrücke
7, 8, 9 Bereichsvektoren
d ...c9 aktuelle Winkellage der Sensor bzw. DMS-Halbbrücken im Bereich

Claims

Wälzlager mit SensorenAnspruch
1. Wälzlager mit Sensoren (4, 5, 6) zum Messen der Längenveränderung im Wälzkontakt zwischen Wälzkörper (3) und Ring (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Bereichsvektoren (7,8,9) gebildet werden, die über eine definierte Schnittstelle zur außerhalb des Wälzlagers angeordneten Auswerteeinheit gelangen.
2. Wälzlager mit Sensoren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass drei Bereichsvektoren (7,8,9) gebildet werden.
3. Wälzlager mit Sensoren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vier Bereichsvektoren gebildet werden.
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