Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einer Positionsbestimmungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In verschiedenen Anwendungsgebieten von Wälzlagern ist es wünschenswert, eine durch das Wälzlager eingestellte Winkelposition mittels einer Positionsbestimmungseinrichtung überwachen zu können, um dadurch beispielsweise eine Positionsverstellung regeln zu kön nen. Ein beispielhafter Anwendungsfall ist die Positionsbestimmung eines gegenüber dem Fahrwerk drehbaren Baggeraufbaus. Weitere Anwendungsbeispiele können Krananlagen o- der Blattlager von Windenergieanlagen sein.

Eine gängige Form der Positionsbestimmung sind Inkrementalgeber, die entweder direkt an einem Antriebsmotor zur Verstellung des Wälzlagers angeflanscht oder extern über ein Mit nehmerritzel angetrieben werden. Im Inneren der Geber befindet sich eine Strichscheibe als Maßverkörperung, die üblicherweise optisch abgetastet wird. Typische Auflösungen sind z.B. 200-400 Striche pro Umdrehung. Ferner sind Impulszähler bekannt, die auf einer digitalen Abtastung von Impulsmarken mit induktiven Näherungsschaltern basieren.

Neben diesen antriebsseitig, außerhalb eines Wälzlagers vorgesehenen Positionsbestim mungseinrichtungen ist beispielsweise aus EP 1 526362 B1 ein Wälzlager bekannt, das ei nen eingebauten Absolutwertgeber enthält. Bei Absolutwertgebern, die eine beispielsweise sinusförmig verlaufende magnetische Charakteristik abtasten, besteht ein Zielkonflikt zwi schen der erreichbaren Messgenauigkeit und der Größe des abdeckbaren Messbereichs.

Um diesen Zielkonflikt zu lösen, wird in EP 1 526362 B1 eine steiler als sinusförmig verlau fende magnetische Charakteristik an einem Wälzlagerring mit mindestens zwei an dem an deren Wälzlagerring in Umfangsrichtung versetzt angeordneten Magnetsensoren abgetastet. Nachteilig an dieser Positionsbestimmungseinrichtung ist, dass die zur Positionsbestimmung abgetasteten Messdaten unter dem Einfluss externer Magnetfelder, oder auch durch mit der Alterung eintretender Entmagnetisierung der Charakteristik verfälscht werden und damit un genaue und unzuverlässige Positionswerte bereitgestellt werden. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Wälzlager mit einer Positionsbestimmungseinrich tung anzugeben, bei dem auch in rauen Umgebungsbedingungen eine zuverlässige und ge naue Bestimmung des Absolutdrehwinkels des Wälzlagers möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Hierdurch wird ein Wälzlager mit mindestens zwei zueinander verdrehbar angeordneten La gerringen, mindestens einer Reihe von zwischen den Lagerringen abrollbar angeordneten Wälzkörpern und mit einer Positionsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer absolu ten Winkelposition der Lagerringe zueinander geschaffen. Die Positionsbestimmungseinrich tung umfasst auf einer Oberfläche eines ersten der Lagerringe über dessen Umfang verteilt angeordnete Feldmuster, deren Felder wertdiskrete Feldhöhen aufweisen. Die Positionsbe stimmungseinrichtung umfasst ferner mindestens einen an einem zweiten der Lagerringe zur Abtastung der Feldmuster angeordneten Wirbelstromsensor und eine Auswerteeinrichtung. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, der Abtastung jeweils eines der Feldmuster ein zugehöriges Winkelpositionssignal zuzuordnen, das die absolute Winkelposition der La gerringe zueinander beschreibt.

Die erfindungsgemäße Positionsbestimmungseinrichtung ist in das Wälzlager integriert. Die Positionsbestimmungseinrichtung ist somit insbesondere in rauen Umgebungsbedingungen mechanisch durch das Material der Wälzlagerringe geschützt. Die Wälzlagerringe sind bei spielsweise aus einem Wälzlagerstahl hergestellt. Durch die Abtastung von Feldmustern mit tels Wirbelstromsensoren beruht die Positionsbestimmungseinrichtung ferner auf einem Messprinzip, das unempfindlich ist gegenüber einer Fett- oder Ölschmierung, wie sie im In nenraum des Wälzlagers Verwendung finden kann. Durch die Verwendung von Feldmustern mit wertdiskreten Feldhöhen werden in Abhängigkeit von der jeweils abgetasteten Feldhöhe diskret unterschiedliche Messsignale erzeugt, die eine eindeutige Zuordnung des zugehöri gen Winkelpositionssignals erlauben. Das erfindungsgemäße Positionsbestimmungssystem ist dadurch unempfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen und Alterungserscheinungen.

Durch die eindeutige Zuordnung eines zugehörigen Winkelpositionssignals zu jedem der Feldmuster ist die absolute Winkelposition der Wälzlagerringe zueinander nach dem Abtas ten nur eines Feldmusters bekannt. Das verwendete Messprinzip erlaubt zudem eine schnelle und zuverlässige Abtastung der Feldmuster, so dass die aktuelle Winkelposition auch während Verdrehgeschwindigkeiten von mehr als 10/min unabhängig von der Drehrich tung kontinuierlich bestimmbar ist.

Ein Feldmuster im Sinne der Erfindung ist eine festgelegte Anordnung einer vorgegebenen Anzahl von Feldern. Durch die gleiche Anordnung der Felder in jedem Feldmuster sind die Positionen der Felder relativ zueinander im Feldmuster festgelegt.

Die Feldmuster unterscheiden sich durch die für jedes einzelne Feld vorgesehene Feldhöhe. Die Feldhöhe an jeder der Feldpositionen kann eine vorgegebene Anzahl diskret unter schiedlicher Werte annehmen. Die diskrete Wertemenge für die Feldhöhe kann positive Werte und/oder negative Werte umfassen. Eine Feldhöhe von null ist ausdrücklich von der Erfindung mitumfasst. Im Falle von positiven Werten der Feldhöhe sind die Felder als Erhe bungen und im Falle von negativen Werten als Vertiefungen in der Oberfläche ausgebildet. Bei einer Feldhöhe von null liegt das Feld auf der Höhe der Oberfläche.

Vorzugsweise umfassen die Feldhöhen der Felder Vertiefungen und/oder Erhebungen in der Oberfläche. Besonders bevorzugt sind sämtliche Felder aller Feldmuster entweder als Ver tiefungen oder aber als Erhebungen in der Oberfläche, besonders bevorzugt jeweils ein schließlich einer Feldhöhe von null ausgebildet. Denkbar sind aber auch Ausführungsformen, in denen Erhebungen und Vertiefungen in der Oberfläche in den Feldmustern kombiniert auf- treten.

Vorzugsweise enthält jedes Feldmuster an einer vorgegebenen Position des Feldmusters ein Indexfeld, dessen Feldhöhe sich von der umgebenden Oberfläche unterscheidet. Durch die Mindestabweichung der Feldhöhe der Indexfelder von der umgebenden Oberfläche können auch solche Feldmuster zuverlässig erkannt werden, deren weitere Felder zumindest teil weise eine Feldhöhe von null aufweisen.

Besonders bevorzugt sind die Indexfelder auf einem axial und/oder radial von den übrigen Feldern des Feldmusters separierten Indexkreis angeordnet, und einer der Wir belstromsensoren ist den Indexfeldern zugeordnet, derart, dass dieser beim Umlauf der Wälzlagerringe nur die Indexfelder überstreicht. In diesem Fall genügt die Auswertung der Messsignale eines den Indexfeldern zugeordneten Wirbelstromsensors, um zu erkennen, dass eine Winkelposition vorliegt, in der ein Feldmuster abgetastet werden kann. Vorzugs weise ist die Auswerteeinrichtung daher dazu ausgebildet, basierend auf der Auswertung von Messsignalen des den Indexfeldern zugeordneten Wirbelstromsensors einen Auswerte zeitpunkt für ein Messsignal von mindestens einem weiteren Wirbelstromsensor festzulegen. Auf diese Weise wird vorteilhaft erreicht, dass der Rechenaufwand der Auswerteeinheit redu ziert ist, da nur ein Messsignal kontinuierlich auszuwerten ist.

Vorzugsweise sind die Feldhöhen der Feldmuster aus einer Wertemenge gewählt, die min destens drei diskrete Werte umfasst. Dies hat den Vorteil, dass gegenüber einem ebenfalls funktionsfähigen binären System eine größere Anzahl unterschiedlicher Wnkelpositions- werte bei vorgegebener Feldanzahl pro Feldmuster codiert werden kann. Eine vorgegebene Genauigkeit der Positionsbestimmung ist daher mit einem geringeren Platzbedarf im Wälzla ger erreichbar. Die Anzahl diskreter Feldhöhenwerte ist nach oben durch das Auflösungsver mögen der verwendeten Wirbelstromsensoren begrenzt. In besonders bevorzugten Ausfüh rungsformen sind die Feldhöhen der Feldmuster daher aus einer Wertemenge gewählt, die 3 bis 8 verschiedene diskrete Werte enthält.

Die Feldmuster umfassen vorzugsweise eine vorgegebene Anzahl an Feldern, denen jeweils genau ein Wirbelstromsensor zur Abtastung zugeordnet ist. Vorzugsweise umfasst jedes Feldmuster eine festgelegte Feldanzahl im Bereich von 2 bis 5 Feldern. Durch die 1:1 Zuord nung von Wirbelstromsensoren zu Feldern in den Feldmustern wird erreicht, dass das ge samte Feldmuster zeitgleich abgetastet werden kann. Es muss somit nicht ein Überstreichen mehrerer Felder durch einen Wrbelstromsensor abgewartet werden, bevor ein Winkelpositi onssignal ausgegeben werden kann. Es wird dadurch eine schnelle und gegenüber Dreh richtungswechseln unempfindliche Messmethode realisiert.

Bevorzugt weisen die Felder der Feldmuster Feldflächen auf, die größer sind als eine aktive Sensorfläche des mindestens einen Wrbelstromsensors. Beim Überstreichen der Felder mit der aktiven Sensorfläche wird dann ein Messwert-Plateau erreicht, solange die aktive Sen sorfläche vollständig innerhalb der Feldfläche liegt. Die Auswerteeinrichtung kann anhand eines erreichten Messwert-Plateaus die Felder eindeutig erkennen. Die Erkennung der Fel der kann somit unabhängig vom absoluten Wert der vorliegenden Messwerte erfolgen. Denk bar sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Feldflächen kleiner oder gleich der ak tiven Sensorfläche der Wrbelstromsensoren sind. In diesem Fall können die Feldpositionen über eine Extremwerterkennung festgestellt werden. ln vorteilhaften Ausführungsformen kann ferner vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrich tung dazu ausgebildet ist, außerhalb von Feldmustern aufgenommene Messwerte des min destens einen Wirbelstromsensors bei der Bestimmung des Winkelpositionssignals zu ver wenden, um lastabhängige Verformungen der Lagerringe zu kompensieren. Die Auswer teeinrichtung kann außerhalb von Feldmustern aufgenommene Messwerte anhand eines Messwert-Plateaus erkennen, das einem Mindestabstand zum Wirbelstromsensor entspricht. Dieser Mindestabstand schwankt in Abhängigkeit von lastabhängigen Verformungen der La gerringe in gleichem Maße, wie die erfassten Feldhöhen. Die außerhalb von Feldmustern aufgenommenen Messwerte können somit von der Auswerteeinrichtung als Offset verwendet werden, um die bei der Abtastung der Feldmuster aufgenommenen Messwerte lastabhängig zu korrigieren.

Sofern die Felder als Vertiefungen ausgebildet sind können diese beispielsweise als ge bohrte Sacklöcher mit unterschiedlichen Feldhöhen unmittelbar in den Lagerring eingebracht sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Feldmuster durch mindestens ein an dem ersten Lagerring fixiertes gelochtes Blech ausgebildet sind. Durch das Übereinanderle- gen mehrerer gelochter Bleche können auch Feldmuster mit mehr als zwei unterschiedlichen Tiefen mittels gelochter Bleche realisiert werden. Erhebungen können beispielsweise durch das Aufbringen von Blechen mit festgelegter Stärke, vorzugsweise Abstimmbeilagen, ausge bildet sein.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der nachfolgenden Beschreibung und den Un teransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht ein erstes Ausfüh rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wälzlagers,

Fig. 2 zeigt schematisch einen Lagerring eines zweiten Ausführungsbeispiels der

Erfindung, und

Fig. 3 zeigt schematisch die Abtastung eines Feldes durch einen Wir belstromsensor. Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1 in einer perspektivischen Darstellung, in der allein zur Verdeutlichung der Erfindung ein Abschnitt eines der Lagerringe ausgeschnitten ist, um das Innere des Lagers sichtbar zu machen.

Das Wälzlager 1 weist zwei zueinander verdrehbar angeordnete Lagerringe 2, 3 auf, sowie mindestens eine Reihe von zwischen den Lagerringen 2, 3 abrollbar angeordneten Wälzkör pern 4 und eine Positionsbestimmungseinrichtung 5 zur Bestimmung einer absoluten Winkel position der Lagerringe 2, 3 zueinander.

Beispielhaft ist eine sogenannte dreireihige Rollendrehverbindung dargestellt, die drei Rei hen von Wälzkörpern 4 - eine Trag-, Radial- und Halterollenreihe - aufweist. Die Wälzkörper 4 können durch Fensterstücke 15 bzw. Rollenzwischenstücke 16 voneinander getrennt sein. Alternativ können auch Käfige zu diesem Zweck verwendet werden. Das gezeigte Wälzlager 1 umfasst ferner Befestigungsbohrungen 18 an beiden Lagerringen 2, 3 zur Befestigung des Lagers 1 an den Anschlusskonstruktionen der jeweils zu lagernden Bauteile. Neben der Po sitionsbestimmungseinrichtung 5 kann das Lager weitere Sensoren 17 enthalten, beispiels weise zur Verschleiß- oder Belastungsmessung.

Die Positionsbestimmungseinrichtung 5 umfasst auf einer Oberfläche 19 eines ersten Lager rings 2 der Lagerringe 2, 3 über dessen Umfang verteilt angeordnete Feldmuster 6 mit wert diskreten Feldhöhen TO, T1, T2, T3, T4 (vgl. Fig. 3), mindestens einen an dem zweiten La gerring 3 zur Abtastung der Feldmuster 6 angeordneten Wirbelstromsensor 7, 8 und eine Auswerteeinrichtung 9. Die Auswerteeinrichtung 9 ist dazu ausgebildet, der Abtastung je weils eines der Feldmuster 6 ein zugehöriges Winkelpositionssignal PS zuzuordnen, das die absolute Winkelposition der Lagerringe 2, 3 zueinander beschreibt.

Das Winkelpositionssignal PS kann wie in Fig. 1 gezeigt von der Auswerteeinrichtung 9 aus gegeben werden. Denkbar sind aber auch Ausführungsformen bei denen die Auswerteein- richtung 9 die Winkelpositionssignale Zwischenspeicher† und beispielsweise durch Differenz bildung jeweils ein relatives Positionssignal bestimmt und ausgibt, das die relative Drehung des Lagers im Verhältnis zu einer früheren Position des Lagers beschreibt.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen die Feldmuster 6 eine vorgegebene Anzahl von beispielsweise drei Feldern, denen jeweils genau ein Wirbelstromsensor 7, 8 zur Abtas tung zugeordnet ist. Die Felder 10, 11 der Feldmuster 6 sind als Vertiefungen in der Oberflä che 19 ausgebildet, wobei eine Feldhöhe von null eingeschlossen ist. Die Vertiefungen kön nen beispielsweise als gebohrte Löcher ausgebildet sein. Andere Formen, wie beispiels weise Nuten, Schlitze oder ovale Löcher sind aber ebenfalls denkbar. Gleiches gilt für die Formen möglicher Erhebungen.

Jedes Feldmuster 6 enthält an einer vorgegebenen Position des Feldmusters 6 ein soge nanntes Indexfeld 10, dessen Feldhöhe immer verschieden von null ist. Die Indexfelder 10 sind auf einem axial von den übrigen Feldern 11 des Feldmusters 6 separierten Indexkreis 12 angeordnet. Der den Indexfeldern 10 zugeordnete Wrbelstromsensor 7 überstreicht da her beim Umlauf der Wälzlagerringe 2, 3 nur die Indexfelder 10.

In alternativen Wälzlagerbauformen ist auch denkbar, dass die Positionsmesseinrichtung in axial einander gegenüberliegenden Flächen von zwei Wälzlagerringern verwirklicht ist. In diesem Fall kann der Indexkreis radial separiert von den übrigen Feldern der Feldmuster an geordnet sein.

Die Auswerteeinrichtung 9 ist dazu ausgebildet, basierend auf der Auswertung von Messsig nalen MS des den Indexfeldern 10 zugeordneten Wirbelstromsensors 7 einen Auswertezeit punkt für ein Messsignal MS‘ von mindestens einem weiteren Wrbelstromsensor 8 festzule gen. Zu diesem Zweck können die Messsignale MS des Wrbelstromsensors 7 kontinuierlich mit einer Messfrequenz von beispielsweise 200 MHz abgetastet werden. Denkbar ist aber auch, dass alle Wrbelstromsensoren 7, 8 kontinuierlich, vorzugsweise mit der gleichen Messfrequenz betrieben werden.

Während des Umlaufs der Wälzlagerringe 2, 3 zueinander tastet der Wrbelstromsensor 7 die Indexfelder 10 ab. Dabei schwankt das Messsignal MS zwischen einem Plateau-Mess- wert außerhalb der Indexfelder 10 und verschiedenen weiteren Plateau-Messwerten, die auf- genommen werden, während die aktive Fläche 14 des Sensors 7 vollständig in der Feldflä che 13 des jeweiligen Indexfeldes 10 liegt. Die weiteren Plateau-Messwerte unterscheiden sich für unterschiedliche Feldhöhen TO bis T4.

Die Auswerteeinrichtung 9 kann dazu ausgebildet sein, außerhalb von Feldmustern 6 aufge nommene Messwerte des mindestens einen Wirbelstromsensors 7, 8 bei der Bestimmung des Wnkelpositionssignals PS zu verwenden, um lastabhängige Verformungen der Lager ringe 2, 3 zu kompensieren.

In Fig. 2 ist ein Lagerring 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind die Feldmuster auf einem Außenumfang des Rings angeordnet. In der rechten Bildhälfte sind die einzelnen Feldmuster 6 durch fiktive gestrichelte Linien zur besseren Veranschaulichung voneinander abgegrenzt.

Wie im ersten Ausführungsbeispiel umfassen die Feldmuster jeweils 3 Felder. Die Felder sind beispielhaft in L-Form angeordnet mit einem Indexfeld 10 in einer unteren Feldzeile und zwei weiteren Feldern 11 in einer oberen Feldzeile. Die Indexfelder 10 sind somit axial sepa riert von den weiteren Feldern 11 auf einem Indexkreis 12 angeordnet. Die weiteren Felder 11 sind ebenfalls auf einem Kreis angeordnet, der als Codierkreis bezeichnet werden kann. Die Indexfelder 10 weisen jeweils eine Feldhöhe verschieden von null auf, während die wei teren Felder 11 auch eine Feldhöhe von null aufweisen können.

Das in Fig. 2 gezeigte Beispiel basiert auf vier diskret unterschiedlichen Feldhöhen T0, T1, T2, T3 für die Indexfelder 10 und fünf diskret unterschiedlichen Feldhöhen TO, T1 , T2, T3, T4 für die weiteren Felder 11 (vgl. Fig. 3). Dadurch ergeben sich 100 = 5 ² x 4 verschiedene Co diermöglichkeiten, so dass die Positionsmesseinrichtung eine Auflösung von 3,6° erreicht. Über die Codierung der Felder kann direkt ein Wnkelpositionssignal zugeordnet werden, das die absolute Winkelposition der Lagerringe 2, 3 zueinander beschreibt. Dies kann beispiels weise nach Art eines Stellenwertsystems erfolgen:

Winkel = Inkrement x (25 x L1 + 5 x L2 + L3), wobei L1 , L2 und L3 für normierte Werte der Feldhöhen T0 bis T4 der drei Felder des Feld musters stehen, die ganzzahlige Werte von 0 (größte Tiefe TO) bis 4 (verschwindende Feld höhe T4) annehmen können, die jeweils einer physikalischen Feldhöhe TO bis T4 zugeordnet sind. Die physikalischen (nicht normierten) Feldhöhen TO bis T4 können sich beispielsweise gleichmäßig gestuft in 0,2 mm bis 1 mm Schritten voneinander unterscheiden.

Durch zyklisch sich wiederholende Wahl der normierten Feldhöhe L3= 0, 1, 2, 3, 4, 0, 1,... des zweiten Felds 11 der oberen Zeile ergeben sich die dargestellten 5er-Gruppierungen, da alle fünf Feldmuster ein Feldmuster mit verschwindender Feldhöhe T4 (L3=4) auftritt.

In Fig. 3 ist schematisch ein Wirbelstromsensor 7, 8 bei der Abtastung eines Felds 10, 11 ei nes Feldmusters gezeigt. Wie dargestellt weisen vorzugsweise die Felder 10, 11 der Feld- muster Feldflächen 13 auf, die größer sind als eine aktive Sensorfläche 14 des mindestens einen Wirbelstromsensors 7, 8, so dass sich die aktive Sensorfläche 14 während der Dre hung zumindest zeitweise vollständig im Bereich des Felds 10, 11 befindet. Beispielsweise kann der Wirbelstromsensor 7, 8 bei einem Felddurchmesser von ca. 10 mm eine aktive Flä che 14 mit einem Durchmesser von ca. 8 mm haben.

Gemäß einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die Feldmuster 6 durch min destens ein an dem ersten Lagerring 2 fixiertes Blech ausgebildet sein. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen entsprechend.

Bezugszeichenliste

1 Wälzlager

2 erster Lagerring

3 zweiter Lagerring

4 Wälzkörper

5 Positionsbestimmungseinrichtung

6 Feldmuster

7 Wirbelstromsensor für Indexfelder

8 Wirbelstromsensor

9 Auswerteeinrichtung

10 Indexfeld

11 Feld

12 Indexkreis

13 Feldfläche

14 aktive Sensorfläche

15 Fensterstück

16 Rollenzwischenstück

17 Sensor

18 Befestigungsbohrung

19 Oberfläche

T0 bis T4 Feldhöhe

MS, MS‘ Messsignal

PS Winkelpositionssignal