Sensierter Wälzkörper Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Wälzkörper mit einer Außenfläche zur Bildung ei- nes ersten Wälzkontakts mit einer Außenlaufbahn eines inneren Wälzlagerteils und zur gleichzeitigen Bildung eines zweiten Wälzkontakts mit einer Innenlaufbahn eines äußeren Wälzlagerteils, wobei die Wälzlagerteile relativ zueinander drehbar sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Wälzlageranordnung, insbesondere Radlageranordnung, die derartige Wälzkörper aufweist.

Stand der Technik Hintergrund der Erfindung Sensorik in Wälzlagern betraf in den letzten Jahren Messgrößen, wie zum Beispiel Temperatur, Kräfteverteilung oder Drehzahlen. Anhand der an verschiedenen Stellen des Wälzlagers gemessenen Messgrößen konnten Betriebszu- stände oder Mängel des Wälzlagers festgestellt werden und darüber hinaus auch Aussagen über Vorrichtungen, die mit dem Wälzlager verbunden waren, getroffen werden.

So konnte beispielsweise bei Radlagern durch eine ausgefeilte Drehzahlsenso- rik in Kombination mit einer Kräftemessung erkannt werden, in welchem fahrdynamischen Zustand sich das Fahrzeug befindet.

In der Vergangenheit wurde auch insbesondere der rotierende Teil des Wälzlagers bzw. der Wälzlageranordnung anderen Sensoren, als nur den Drehzahlsensoren, zugänglich gemacht werden, indem eine drahtlose Übermittlung des Messsignals von einem drehbaren Wälzlagerteile zu einem stehenden Wälzlagerteils oder den Radträger drahtlos bewerkstelligt wurde. Ein besonderes Problem hierbei ist die Energieversorgung des Messelementes, welche nicht ohne weiteres bei einem drehbaren Wälzlagerteil zur Verfügung gestellt wer- den konnte. Hierzu wurde das Generatorprinzip verwendet, wobei ein statisches Teil der Wälzlageranordnung dem Stator und ein drehbares Teil der Wälzlageranordnung zu einem Rotor gemacht wurde. Beim Betrieb des Wälzlagers wurde auf diese Weise das Messelement oder der ganze Sensor mit elektrischer Energie versorgt.

Aus DE 10 2007 061279 A1 ist eine Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten bekannt. Die aktuelle Betriebssituation wird lokal von einem Messelement gemessen, welches von einer Energieversorgungseinheit mit Strom versorgt wird, wobei eine senderseitige Empfangseinheit drahtlos mit einer Betriebs- energie versorgt wird. Dabei findet die Energieübertragung und die Signalübertragung zwischen den Lagerringen statt.

Aufgabenstellung Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist daher Wälzlageranordnungen anzugeben, die es erlauben neue Messanordnungen im Rahmen der Wälzlagersensorik zu erschließen, die umfassendere Aussagen über den Betriebszustand des Wälzla- gers oder dessen Umgebung erlauben, oder zumindest die Signalstärke bisher gemessener Messgrößen verbessern.

Die Aufgabe wird durch eine Radlagereinheit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Wälzkörper wenigstens ein Messelement und wenigs- tens ein Übertragungsmittel zur drahtlosen Übertragung eines Signals aufweist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wälzkörper einer Wälzlageranordnung mit seiner Außenfläche einen ersten Wälzkontakt mit einer Außenlauf- bahn eines inneren Wälzlagerteils und gleichzeitig einen zweiten Wälzkontakt mit einer Innenlaufbahn eines äußeren Wälzlagerteils bildet. Damit ist gemeint, dass der Wälzkörper sowohl in der Außenlaufbahn, als auch auf der Innenlaufbahn abrollt. Dabei ist das Tragen einer Last nicht unbedingt erforderlich. Der Wälzkörper kann lediglich zum Tragen eines oder mehrerer Messelemente vorgesehen sein, um Betriebsdaten des Wälzlagers zu sammeln, die dann drahtlos weitergegeben werden. Das Tragen einer Last ist somit eine optionale Funktion. Bei dem inneren Wälzlagerteils handelt es sich beispielsweise um einen Innenring oder eine Nabe. Das äußere Wälzlagerteil kann ein Außenring sein, der gegebenenfalls in eine Nabe integriert ist, oder auch für weitere Funktionen vorgesehen ist, also zum Beispiel Befestigungselemente, Dichtungselemente oder andere Wälzlagerbauteile aufweist. Alternativ kann es sich bei dem inne- ren Wälzlagerteil oder dem äußeren Wälzlagerteil um ein feststehendes Wälzlagerteil handeln.

Bei der Außenfläche des Wälzkörpers handelt es sich um die Fläche, die zum Übertragen einer Aufstandskraft oder auch dynamischer Kräfte zwischen den zueinander gelagerten, inneren und äußeren Wälzlagerteilen vorgesehen ist. Der auf der Außenfläche des Wälzkörpers wandernde Wälzkontakt mit der Innenlaufbahn liegt in Bezug auf die Rotationsachse des Wälzkörpers dem zweiten Wälzkontakt mit der Außenlaufbahn diametral gegenüber. Somit bildet die Außenfläche des Wälzkörpers zusammen mit den Laufbahnen beide Wälz- kontakte gleichermaßen aus.

Für den Wälzkontakt ist grundsätzlich ein gewisses Maß an Reibung notwendig, so dass der Wälzkörper kontinuierlich eine Eigenbewegung um die eigene Rotationsachse vollführt. Ist dieses Mindestmaß nicht vorhanden, wird die Ei- genrotation verhindert, das heißt, es kommt zu Schlupf zwischen den relativ zueinander drehbaren inneren und äußeren Wälzlagerteilen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wälzkörper wenigstens ein Mess- element und wenigstens ein Übertragungsmittel zur drahtlosen Übertragung eines Signals aufweist. Dabei geht das Signal in irgendeiner Form auf das Messsignal des Messelementes zurück oder wird mittels diesem gebildet. So- mit können Messgrößen im oder am Wälzkörper, insbesondere auch im Wälzkontakt, gemessen und drahtlos ausgelesen werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei den Wälzkörpern vorzugsweise um lasttragende Wälzkörper, die sowohl Messelemente beinhalten, als auch Last zwischen den zueinander gelagerten Wälzlagerteilen übertragen. Dabei muss gegebenenfalls verhindert werden, dass die Messelemente größere Hohlräume innerhalb der Wälzkörper benötigen, womit die Anordnung des Messelementes und des Übertragungsmittels innerhalb des Wälzkörpers unter Berücksichtigung der diametralen Kraftübertragung festzulegen ist. Dabei bieten sich die übrigen Außenflächen, wie zum Beispiel Seitenflächen des Wälzkörpers für die Anbringung des Übertragungsmittels und gegebenenfalls auch für des Messelements an. Die Anordnung des Messelementes hängt weiterhin von der zu messenden Messgröße ab, die gegebenenfalls in der Nähe der lastübertragenden Außenfläche oder auch an einer Seitenfläche, die beispielsweise auch als Führungsfläche dient, gemessen werden sollte.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Messelement an einer Seitenfläche des Wälzkörpers angeordnet. Hierbei kann sowohl das Messelement, als auch das Übertragungsmittel lediglich auf der Seitenfläche eines herkömm- liehen Wälzkörpers aufgebracht worden sein, wobei berücksichtigt werden muss, dass keine unnötigen Reibungspunkte mit dem Wälzkörperkäfig entstehen. Alternativ ist es denkbar, dass an der Seitenfläche eine Ausbuchtung oder eine Ausnehmung vorgesehen ist, die beispielsweise in einen herkömmlichen Wälzkörper durch eine nachträgliche Bohrung eingebracht werden kann. Damit ist es möglich einen normalen Wälzkörper innerhalb eines Wälzlagers als sen- sierten Wälzkörper nachträglich auszubilden ohne Einbußen bei der Lastaufnahme hinnehmen zu müssen. Vorteilhaft ist auch, dass das Wälzlager da- durch nachgerüstet werden kann, indem ein Wälzkörper gegen einen sensier- ten Wälzkörper ausgetauscht wird.

Vorteilhafterweise ist ein sensierter Wälzkörper auch als Analysemittel ein- setzbar, der eine eingehende Untersuchung eines Wälzlagers erlaubt. So ist es beispielsweise denkbar, dass ein fortwährender Ausfall eines Großwälzlagers dadurch untersucht wird, dass ein Wälzkörper vorübergehend durch einen sensierten Wälzkörper ausgetauscht wird und damit zu einem Zeitpunkt Daten sammeln kann, wenn eine vermeintliche Fehlfunktion auftritt. Nach der der Fehlersuche ist der sensierte Wälzkörper wieder zu entfernen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Übertragungsmittel eine erste Spule, eine Antenne oder ein Telemetriering. Das Übertragungsmittel ist in erster Linie dazu vorgesehen ein Signal zu übertragen, welches auf das von dem Messelement generierten Messsignal zurückgeht oder selbst dieses Messsignal abbildet oder enthält. In Abhängigkeit von der Anwendung ist es somit möglich, dass ein unbearbeitetes Messsignal als Signal an einen Signalaufnehmer weitergegeben wird. Alternativ kann eine Bearbeitung oder nur eine Vorbearbeitung des Messsignals innerhalb des Wälzkörpers stattfinden, wo- nach beispielsweise ein aufbereitetes Signal oder ein datenoptimiertes Signal drahtlos weitergegeben wird. Beispielsweise kann das Messsignal durch einen Verstärker aufbereitet werden und als verstärktes, aufbereitetes Signal drahtlos weitergegeben werden. Ein datenoptimiertes Signal wird dahingehend vorbearbeitet, dass nur in einem ganz bestimmten Fall einen drahtlos weiterzuge- bendes Signal generiert wird. Ist beispielsweise eine End-of-life Funktion des Sensors erwünscht, werden insbesondere derartige Signale weitergeleitet werden, die tatsächlich auf ein Lebensende des Wälzlagers hindeuten. Das Signal muss erst dann aus dem Messsignal generiert werden, wenn der Anwender vor dem nahenden Lebensende des Wälzlagers gewarnt werden muss.

Neben einer ersten Spule, die zur Informationsübertragung vorgesehen ist, kann eine zweite Spule zur Übertragung der Betriebsenergie vorgesehen sein oder die erste Spule übernimmt beide Funktionen, womit die erste Spule auch zur drahtlosen Bestromung des Messelementes und gegebenenfalls einer Auswerteeinheit vorgesehen ist. Die Auswerteeinheit verarbeitet das Messsignal in irgendeiner Form, das heißt, sie verstärkt, wandelt das Messsignal um und/oder wertet es anderweitig aus, um das drahtlos zu übertragende Signal zu generieren.

Das Signal muss nicht notwendigerweise von der ersten Spule zum Signalaufnehmer übertragen werden, sondern kann auch mittels einer Antenne zum Signalaufnehmer gefunkt werden. Damit legt der Signalaufnehmer nicht mehr im Nahfeld, sondern in Fernfeld. Dies ist dann vorteilhaft, wenn der Signalaufnehmer weit vom Übertragungsmittel entfernt ist und beispielsweise auf einen ein Radlager aufnehmenden Radträger oder an einer anderen Stelle des Fahrwerks untergebracht ist, womit ein geringerer mechanischer Aufwand und eventuell eine einfachere Installation des Radlagers möglich ist. Entsprechen- des gilt beispielsweise bei Lagern, die nicht immer leicht zugänglich sind, aber dennoch bequem über eine gewisse Distanz überwacht werden können. Dies ist beispielsweise bei Wälzlagern von Windkraftanlagen der Fall, die bei Anwesenheit einer Servicekraft nicht betrieben werden können, jedoch die Funkverbindung den notwendigen Abstand zur Anlage ermöglicht und eine Analyse des laufenden Systems durchgeführt werden kann.

Beim Telemetriering als Übertragungsmittel wird eine zeitweise Übertragung innerhalb des Nahfelds gewährleistet, wenn der Wälzkörper während des Wälzlagebetriebes in die Nähe des Signalaufnehmers gelangt. Dies ist dann sinnvoll, wenn eine einzige Signalübertragung während eines Umlaufs ausreicht, um sämtliche Daten oder Informationen übertragen zu können.

Zusätzlich ist es möglich auf diese Weise ein Schlupfmesssystem zu bewerkstelligen beziehungseise eine Schlupfmessung durchzuführen, die in Kombina- tion mit üblichen Drehzahlsensoren ausführbar ist. Dies wird dadurch erreicht, indem die jeweils gemessenen Drehzahlen miteinander verglichen werden und eine Diskrepanz dann festgestellt wird, wenn die Wälzkörper nicht betriebsgemäß auf den Laufbahnen abrollen und damit eine Drehung um die Lagerachse nicht mit der üblichen Winkelgeschwindigkeit mitverfolgen. Im Falle einer Radlagerung hieße das, dass der Encoder eines ABS-Systems schneller als die zweifache Wälzkörperwinkelgeschwindigkeit bewegt würde, was bei einem betriebsgemäßen Abwälzen der Wälzkörper nicht möglich ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Messelement zur Detektion von Luftschall, Körperschall, Temperatur, Schmierfilmdicke, Schmierfilmqualität, Luftdruck oder Wassergehalt innerhalb des Wälzlagers vorgesehen. Bei der Detektion von Luft und Körperschall ist es möglich Beschädigungen am Wälz- lagers zu detektieren, die beispielsweise durch ein so genanntes Pitting verursacht werden. Sind die Laufbahnen nachhaltig geschädigt worden, typischerweise mehr als 3 μιτι Eindrücktiefe, so können Störgeräusche entstehen, die durch einen Schallsensor detektierbar sind. Temperaturmessungen sind mittels eines Peltier-Elements oder schlicht durch ein Bauteil mit elektrischem Wider- stand realisierbar, der in Abhängigkeit von der Temperatur seinen ohmschen Widerstand ändert. Schmierfilmdicke und Schmierfilmqualität sind mit einer aktiven optischen Messanordnung detektierbar, indem die Transmission von Lichtstrahlen durch das Schmiermittel hindurch gemessen wird. Verschlechtert sich die Transmission, das heißt, erhöht sich die Absorption des Schmiermit- tels, so kann von einer niedrigen Schmierfilmqualität, beispielsweise aufgrund von Verschleiß, geschlossen werden. Alternativ kann auf die Dicke des Schmierfilms geschlossen werden, womit eine Fehlfunktion innerhalb des Lagers, zum Beispiel eine Unterfettung oder eine ungenügende Fettumverteilung, erkannt werden kann.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Messelement an einer Ausnehmung im Wälzkörper angeordnet und zur optischen Detektion von Lichtstrahlung vorgesehen. Die Ausnehmung kann hierbei zur Dosierung der zu untersuchenden Schmiermittelmenge dienen oder den Bereich des Wälzkör- pers, in dem das Messelement angebracht ist, entlasten. Es handelt sich um eine aktive Sensoranordnung, bei der Lichtstrahlung beispielsweise durch eine Diode generiert wird und anschließend die Intensität der durch das Schmiermittel transmittierten Lichtstrahlung gemessen wird. Durch die Formgebung der Ausnehmung sind unterschiedliche Anordnungsmoglichkeiten der Lichtquelle und des Messelementes bzw. mehrerer Messelemente möglich, womit der Strahlungsverlauf festgelegt werden kann. Vorteilhafterweise wird die Lichtstrahlung von wenigstens einer an der Ausnehmung angeordneten Lichtquelle generiert und durch ein der Ausnehmung vorhandenes Schmiermittel transmittiert, bevor die Lichtstrahlung durch das Messelement detektiert wird. Aufgrund der Transmission wird die Lichtstrahlung in einer Weise verändert, die Aussagen über den Zustand des Schmier- mittels zulassen. Es kann eine Betrachtung der Intensität zu einer Messung von Fremdpartikeln innerhalb des Schmiermittels dienen, die entweder durch die Dichtungsanordnung eingedrungen oder durch Verschleiß am Lager entstanden sind. Alternativ ist es möglich eine Spektralanalyse durchzuführen, die idealerweise mit einer weißen Diode als Lichtquelle durchgeführt wird. Soll beispielsweise gezielt ein Stoff innerhalb des Schmiermittels nachgewiesen werden, so kann das Messelement mit einem Spektralfilter versehen werden, so dass die Intensität eines Spektralbereichs, der für den zu detektierenden Stoff charakteristisch ist, gemessen werden kann. Damit ist ein Rückschluss auf die Konzentration der zu detektierenden Stoffes möglich.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Lichtquelle derart angeordnet, dass die Lichtstrahlung vor der Detektion durch das Messelement an einer Laufbahnoberfläche eines äußeren oder inneren Wälzlagerteils reflektiert wird. Damit kann gewährleistet werden, dass insbesondere bei geringer Schmier- filmdicke, ausreichend Intensitätsverlust durch die zweifache Transmission durch den Schmierfilm gewährleistet wird.

Die beschriebenen, erfindungsgemäßen Wälzkörper kommen in einer Wälzlageranordnung zum Einsatz, die das Signal des Übertragungsmittels drahtlos empfangenden Signalaufnehmer an einem feststehenden Bestandteil aufweist. Idealerweise kommunizieren Signalaufnehmer und Übertragungsmittel miteinander, so dass beispielsweise ein Signal des Übertragungsmittels nur nach Anfrage über den Signalaufnehmer gesendet wird, oder alternativ in regelmäßigen Abständen vom Übertragungsmittel gesendet wird. Eine Auswerteeinheit gen Abständen vom Übertragungsmittel gesendet wird. Eine Auswerteeinheit kann an den Signalaufnehmer angeschlossen sein und das Signal für eine entsprechende Verwendung auswerten, wobei gegebenenfalls das Signal bereits im sensierten Wälzkörper durch eine andere Auswerteeinheit in irgendeiner Form aufbereitet oder basierend auf einem Messsignal generiert worden ist.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Kegelrollenlager mit einem lasttragenden, sensierten

Wälzkörper,

Fig. 2 ein zweites Kegelrollenlager mit einem sensierten Wälzkörper

Fig. 3 einen sensierten Wälzkörper mit modifizierter drahtloser Signalübertragung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines sensierten Wälzkörpers auf

Funkbasis

Fig. 5 eine erste sensierte Kegelrolle auf einem Innenring

Fig. 6 zweite sensierte Kegelrolle auf einem Innenring,

Fig. 7 einen sensierten Wälzkörper auf einem inneren Lagerteilen (z.B.

Innenring) mit einer umlaufenden Nut, Fig. 8 einen sensierten Wälzkörper mit einer umlaufenden, spiralförmigen Nut, und

Fig. 9 eine Ausnehmung in einem sensierten Wälzkörper mit aktivem

Streudetektor.

Ausführungsbeispiel Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein erstes Kegelrollenlager mit einem lasttragenden, sensierten Wälzkörper 2. Der Wälzkörper 2 ist als Kegelrolle ausgeführt, wobei dieser an seiner Seitenfläche, die zur Führung der sensierten Wälzkörpers gedacht ist, eine Ausnehmung aufweist, die sowohl ein Messelement 6, als auch einen Ü- bermittlungselennent 7 aufweist. Die Ausnehmung ist derart angeordnet, dass sie zum einen die lasttragenden Eigenschaften der Kegelrolle 2 nicht behindert und auch die Führung durch den Außenbord des Innenrings 5 nicht beeinträchtigt. Das Messelement 6 kann hierbei für die unterschiedlichsten Messgrößen vorgesehen sein, wie zum Beispiel Körperschall, Temperatur oder Ausdehnungen des Wälzkörpers 2 (Dehnungsmessstreifen). Vorteilhaft ist, dass in jedem Fall die Signalstärke im Vergleich zu bekannten Sensoranordnungen sehr gut ist, da bei möglichen Mängeln die Schallquelle, die Wärmequelle bzw. die Auswir- kungen in Form einer Torsionskraft in erster Linie auf den Wälzkörper einwirken.

Das Messelement 6 ist gegebenenfalls über eine Auswerteeinheit mit dem Ü- bertragungsmittel 7 verbunden, welches beispielsweise als eine Spule ausge- bildet ist, die mit dem Signalaufnehmer 4 in drahtlosen Kontakt treten kann. Dabei ist es sinnvoll, wenn der Signalaufnehmer 4 - ebenfalls über eine Spule - eine Betriebsenergie in den Schaltkreis de Übertragungsmittels 7 drahtlos überträgt, womit das Messelement 6 und auch die Auswerteeinheit mit Strom versorgt werden können. Somit kann bei Bedarf, zum Beispiel auf Anfrage, eine Messung durchgeführt werden, wofür das Messelement 6 ein Messsignal liefert, welches gegebenenfalls zuerst in der Auswerteeinheit aufbereitet wird und über das Übertragungsmittel 7 an den Signalaufnehmer 4 gesendet wird.

Vorteilhafterweise besteht die Dichtungsanordnung 3 nur aus kaltumgeformten Blechteilen und Elastomer basierten Dichtringen, wodurch das Funksignal des Übertragungsmittels 7 ohne weiteres an den Signalaufnehmer 4 gesendet werden kann ohne von der Dichtungsanordnung abgeschirmt zu werden, zumal durch den Außenring 1 und dem Innenring 5 eine gewisse Abschirmung zu erwarten ist. Aus dem gleichen Grund ist es möglich die erforderliche Energie vom Signalaufnehmer 4 über das Übertragungsmittel 7 in den Schaltkreis zu übertragen. Die bereits genannte Auswerteeinheit kann alternativ oder optional dazu verwendet werden, um Vibrationen zu erkennen, die durch ein so genanntes Pit- ting verursacht werden. Das Messsignal des Messelementes 6 wird dabei durch die Auswerteeinheit auf einen bestimmten Frequenzbereich untersucht. Sofern eine Schallwelle erkannt werden kann, die auf ein Pitting zurückzufüh- ren ist, wird ein entsprechendes Warnsignal generiert, welches durch das Übertragungsmittel 7 an den Signalaufnehmer 4 gesendet wird.

Fig. 2 zeigt ein zweites Kegelrollenlager mit einem sensierten Wälzkörper 22. Der Wälzkörper 22 ist eine Kegelrolle, die als Sensorrolle keine Last übertra- gen soll, die aber über die Messelemente 23 verschiedene Messgrößen unmittelbar im Wälzkontakt messen kann. Der Wälzkörper 22 kann hierbei idealerweise aus einem leicht zu bearbeitenden Kunststoff bestehen, der mit den entsprechenden Ausnehmungen für die Messelemente 23, einer Kabelverbindung 8 zum Telemetriering 26 und für den Telemetriering 26 selbst auszuführen ist. Es ist denkbar, dass der Wälzkörper 22 zuerst in die Form einer Kegelrolle gebracht wird und anschließend die genannten Ausnehmungen, beispielsweise durch Bohren oder andere spanabhebenden Verfahren, eingebracht werden. Alternativ ist es möglich die genannten Elemente mit einem Kunststoff zu um- spritzen und diesen gleichzeitig in die gewünschte Kegelrollenform oder eine andere Form (Kugel, Zylinder) zu bringen.

Ein besonderer Vorteil einer Sensorrolle aus Kunststoff liegt darin, dass bei dem Einsatz von Dehnungsmessstreifen als Messelement 23 zur Detektion von Torsionskräften große Dehnungen aufgenommen werden können, ohne die Sensorrolle zu beschädigen, womit ein besseres Messsignal generierbar ist, als es bei Wälzkörpern aus Metall der Fall ist. Vorteilhafterweise kann das oder die Messelemente 23 eine Messung unmittelbar am Wälzkontakt vollziehen, womit beispielsweise eine Messung der Schmierfilmdicke, der Oberfläche der Laufbahn und anderer Parameter grundsätzlich ermöglicht werden. Der Telemetriering 26 wird durch einen Signalaufnehmer 24 mit Energie versorgt und beliefert diesen mit einem Signal, das Informationen zum Messsignal der Messelemente 23 beinhaltet. Der Signalaufnehmer 24 ist in den Innenring 25 integriert und befindet sich in der Mündung einer Zuleitung 27 zum Hinterstich 21 des Innenrings 25, der den Seitenbord von der Außenlaufbahn des Innenrings 25 trennt. Die Zuleitung 27 führt durch einen Stecker 28 in den Achszapfen 29. Aufgrund des Steckers 28 ist es möglich eine Bewegung des Innenrings 25 in Umfangsrichtung um die nicht abgebildete Rotationsachse des Kegelrollenlagers zu verhindern. Somit eignet sich die Zuleitung 27 optimal den Signalaufnehmer 24 mit Strom, Steuerdaten oder ähnlichem zu versorgen, oh- ne dass diese unterbrochen werden muss. Auf diese Weise entsteht ein Kegelrollenlager, welches installiert werden kann, wie ein nicht sensiertes Kegelrollenlager, ohne dass dabei komplizierte Installationsschritte nötig wären. Die einzige zusätzliche Maßnahme besteht darin den Stecker 28 beim Aufziehen des Innenrings 25 auf den Achszapfen 29 korrekt anzuschließen.

Außerdem ist eine derartige Sensoranordnung äußerst unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, da diese nur innerhalb des Wälzraumes, der sehr gut durch Dichtungsanordnungen abgedichtet ist, exponiert wird. Mit der in der Fig. 2 gezeigten Sensoranordnung ist es möglich eine Schlupfmessung durchzuführen, wenn die Sensoranordnungen mit einem üblichen Drehzahlmesssensor kombiniert wird. Die gezeigten Sensoranordnung kann mittels des Signalaufnehmer 24 detektieren, wann der Telemetriering 26, bzw. der Wälzkörper 22, während des Wälzlagerbetriebes an dem Signalaufnehmer 24 vorbeiläuft. Dies kann verglichen werden mit der Umlaufgeschwindigkeit, die mittels eines Encoder gemessen wird, der zum nicht abgebildeten Drehzahlmesssensor gehört. Wird das Kegelrollenlager mit einem gewissen Schlupf betrieben, so bleibt der Wälzkörper 22 hinter dem drehbaren Lagerteilen mit dem Encoder zurück, womit eine messbare Diskrepanz besteht, die nunmehr detektierbar ist und zu einer Warnmeldung für den Benutzer führt.

Fig. 3 zeigt einen sensierten Wälzkörper in der Form einer Rolle 32, z.B. einer Kegelrolle oder einer Zylinderrolle, mit modifizierter drahtloser Signalübertragung. Die Rolle 32 besteht ebenfalls aus einem Kunststoff, in welchen die Messelemente 36, 37, 38 und 39 eingebracht und mit dem Übertragungsmittel 34 (Sender) elektrisch leitend verbunden sind. Eine Schlupfmessung ist mit der gezeigten Sensoranordnung möglich, da diese mit einem Drehzahlsensor kombiniert ist. Es handelt sich bei dem gezeigten Kegelrollenlager um ein Radlager eines Lastkraftwagens. Der Innenring 35 ist fest auf dem Achszapfen 29 angeordnet und der Multipol-Encoder 53 ist an dem drehenden Lagerteil befestigt. Der Signalaufnehmer 51 wird über das Ka- bei 27 versorgt und realisiert eine zweifache Sensorfunktion, indem einerseits in Wechselwirkung mit dem Multipol-Encoder 53 in bekannter Weise die Drehzahl ermittelt, aber auch mittels des Übermittlungselementes 52 das Signal vom Übertragungsmittel 34 an den Signalaufnehmer 51 weitergegeben wird. Dazu wird das Signal des Übertragungsmittels 34 zunächst mit dem Signalauf- nehmer 31 empfangen und mittels eines nicht abgebildeten Kabels an das Übermittlungselement 52 übertragen. Da das Übermittlungselement 52 auf einem rotierenden Bauteil befestigt ist, reicht es aus eine Information auf kapazitiven Wege weiterzugeben. Deshalb kann die Nahfeldübertragung vom Über- tragungsmittel 34 auf den Signalaufnehmer 31 ebenfalls kapazitiv (alternativ zur Funkübertragung) bewerkstelligt werden. Bei der kapazitiven Nahfeldübertragung wäre eine Energieversorgung des Signalaufnehmers 31 und des Übermittlungselementes 52 nicht notwendig.

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines sensierten Wälzkörpers 42 auf Funkbasis.

Bei dem Wälzkörper 42 handelt es sich um eine Kombination aus der bekann- ten Radio Frequency Identification (RFID) Technology und der Kegelrollenlagertechnik. Der Wälzkörper 42 beinhaltet einen elektrischen Schwingkreis, der aus dem Übertragungselement 41 , beispielsweise einer Spule, und einen Messelement 43 gebildet wird. Das Messelement 43 wiederum besteht aus einem Widerstand 44 und einen Kondensator 45.

Der Wälzkörper kann alle möglichen Wälzkörperformen aufweisen, wie zum Beispiel, Zylinderollen, Kegelrollen, Kugeln, Tonnenrollen oder ähnliche Wälzkörperformen. Beim Messelement 43 handelt es sich um einen Temperatursensor, dessen Widerstand 44 sich mit der Temperatur ändert und damit die Eigenfrequenz des Schwimmkreises ändert. Diese Eigenfrequenz kann durch ein entsprechendes Signal dem Signalaufnehmers mitgeteilt werden, so dass erkannt werden kann, welche Eigenfrequenz der Schwingkreis derzeitig hat. Aufgrund ei- ner vorher ermittelten Eichkurve, die die Eigenfrequenz in Abhängigkeit von der Temperatur festlegt, kann nach einer Eigenfrequenzmessung durch eine Analyseeinheit festgestellt werden, welche Temperaturen im Wälzkörper und damit im Wälzkörperraum des Kegelrollenlagers vorliegen. Fig. 5 zeigt eine erste sensierte Kegelrolle 72 auf einem Innenring 75. Die Kegelrolle 72 weist die Ausnehmungen 73 auf, die eine Tiefe X aufweisen und jeweils am Boden der Ausnehmung eine Lichtquelle 76 und ein optisches Messelement 74 angeordnet sind. Die Lichtquelle 76 und das optische Mess- element 74 bilden einen aktiven optischen Sensor, der Lichtstrahlung generiert, auf die äußere Lauffläche des Innenrings 75 wirft und die Intensität des reflektierten Lichts misst. An jeder der vier Ausnehmungen 73 kann ein derartiger optischer Sensor vorgesehen sein, so dass eine Überwachung des Schmiermit- telfilms in einer ausreichenden axialen Breite gewährleistet werden kann.

In Abhängigkeit der gemessenen Intensität der reflektierten Lichtstrahlung kann auf die Schmierfilmqualität geschlossen werden. Beispielsweise könnten 4 Stufen vorgesehen sein: a) Stufe 1 : sehr hohe Intensität (sehr starke Reflektion); kein oder zu wenig Schmiermittel b) Stufe 2: hohe Intensität (starke Reflektion); optimaler Schmiermittelfilm c) Stufe 3: geringe Intensität (wenig Reflektion); ausreichender Schmiermittelfilm d) Stufe 4: kaum Intensität (zu wenig Reflektion); ungenügender Schmiermittel- film (Schmiermittel ist zu alt oder mit zu vielen Fremdpartikeln durchsetzt)

Bei Stufe 2 und Stufe 3 sind keine Aktionen erforderlich. Beim Eintritt der Stufe 3 kann der Anwender jedoch eine Information erhalten, die sich auf die Lebensdauer des Wälzlagers bezieht und den Anwender davon unterrichtet, wann mit dem Ausfall des Lagers in absehbarer Zeit zu rechnen ist.

Beim Eintritt der Stufe 4 ist bei entsprechender Meldung durch die Sensoreinheit gewährleistet, dass das Wälzlager ausgetauscht wird, bevor es zu einem völligen Versagen des Wälzlagers kommt. Damit können möglichen Gefahren aus dem Weg gegangen werden.

Sollte Stufe 1 vorliegen, so wird ein zu dünner Schmiermittelfilm gemeldet. Anschließend sind ein Austausch des Wälzlagers oder eine Nachschmierung des- selben als adäquate Maßnahmen denkbar. Somit ermöglicht der sensierte Wälzkörper 72 ein frühzeitiges Eingreifen, bevor es zu einem Lagerausfall kommt. Die Tiefe X der Ausnehmungen 73 sollte so gewählt werden, dass weder das Messelement 74, noch die Lichtquelle 76 durch den Wälzbetrieb oder bei Ein- federungen geschädigt werden können. Jedoch gilt grundsätzlich, dass die Tiefe X besser möglichst gering gewählt wird. Durch eine entsprechende Anordnung der Ausnehmungen und der optisch aktiven Messelemente kann das Schmiermittel an verschiedenen Stellen der Laufbahnen (Innenlaufbahn und Außenlaufbahn) überwacht werden. Dies ist insbesondere beim Kegelrollenlager von Vorteil, da eine Umverteilung durch die Form des Wälzkörpers nicht begünstigt wird und oft (beispielsweise durch dafür vorgesehene Käfige) durch zusätzliche Umverteilungsmittel verbessert werden muss.

Fig. 6 zeigt eine zweite sensierte Kegelrolle 62 auf einem Innenring 65. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem der Fig. 5, wobei sich die Anordnung der Lichtquelle 66 und die Messelemente 64 an den Ausnehmungen 63 von der in Fig. 5 unterscheidet. Die Lichtquellen 66 grenzen vom schmaleren Ende der Kegelrolle 62 her an die Ausnehmungen 63, wobei gleichzeitig die Messelemente 64 auf der gegenüberliegenden Seite der die Ausnehmungen 63 angeordnet sind. Somit wird die Lichtstrahlung von der Lichtquelle 66 generiert und direkt auf das Messelement 63 gerichtet. Das Messelement 63 misst die Intensität des transmittierten Lichtes, wobei die Intensität wegen dem in der Ausnehmung 63 vorhandenen Schmiermittel (Öl oder Fett) variieren kann. Auch hier können unterschiedliche Stufen für die gemessene Lichtintensität (ähnlich wie in Figur 5) vorgesehen werden, womit jedoch nicht die Qualität des Schmierfilms gemessen wird, sondern die Qualität des Schmiermittels selbst.

Fig. 7 zeigt einen sensierten Wälzkörper 82 auf einem inneren Lagerteil 85 mit einer umlaufenden Nut 83. Die Messelemente 84 sind entlang des Nutbodens in Umfangsrichtung aneinandergereiht, womit eine Detektion der Intensität des reflektierten Lichtes der Lichtquelle 86 möglich ist, die sich in Umfangsrichtung an die Messelemente 84 anschließt. Damit sind Unebenheiten in oder auf den Laufbahnen ebenfalls auf optische Weise detektierbar. Das Licht der Lichtquel- le 86 wird auf der Außenlaufbahn des inneren Wälzlagerteils 85 reflektiert und anschließend in vier Messelementen 84 detektiert. Die Intensität, die in dem jeweiligen Messelement 84 gemessen wird, hängt von dem Streuwinkel ab, der wiederum in Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur stark variieren kann. Anhand der gemessenen Intensitätsmuster können unterschiedliche Strukturen auf den Laufbahnen erkannt werden. Zusätzlich oder alternativ ist eine zunehmende Verschmutzung des Schmiermittels oder die Menge des Schmiermittels detektierbar, indem das Messelement 84.1 bei optimalem Betrieb das gesamte reflektierte Licht detektiert oder zumindest den größten Anteil desselben. Bei zunehmender Verschmutzung oder einer Mengenzunahme des Schmiermittels wird ein Teil des Lichtes auch stärker gestreut. Somit werden die Messelemente 84-2, 84-3 und 84-4 in den genannten Fällen mehr Streulicht detektieren. Sowohl über den Streuwinkel, als auch über die Intensität in den einzelnen Messelementen 84-1 , 84-2, 84-3 und 84-4 kann auf die Schmiermittelmenge (z.B. Fett) und/oder die Schmiermittelverunreinigung rückgeschlossen werden.

In der umlaufenden Nut 83 können mehrere Messelemente 84 oder auch Lichtquellen 86 angeordnet werden. Die Verarbeitung des Messsignals, bzw. eine Weiterleitung des Signals an einen Signalaufnehmer kann in dem Ausfüh- rungsbeispiel der Fig. 7, als auch in den Ausführungsbeispielen der Figuren 5,6,8 und 9 wahlweise so gelöst werden, wie es in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 3 vorgeschlagen wird.

Fig. 8 zeigt einen sensierten Wälzkörper 92 mit einer umlaufenden, spiralför- migen Nut 93. Ähnlich wie in den Ausführungsbeispielen der Figuren 7 und 6 wird eine Lichtintensität mittels der Messelemente 94 gemessen, die durch die Transmission durch das Schmiermittel vermindert ist. Dazu werden die Lichtquelle 96 und Messelemente 94 in einer Nut gegenüberliegend angeordnet. Die Nut verläuft über die Außenflächen des Wälzkörpers 92 in spiralförmiger Weise, das heißt, sie bildet in Richtung der Eigenrotationsachse des Wälzkörpers 92 betrachtet eine Spirale.

Es wird, wie auch im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 die Schmiermittelqualität überwacht, wobei gleichzeitig eine Umverteilung des Schmiermittels gewährleistet wird. Durch das fortwährend in der Nut 93 transportierte Schmiermittel wird die Durchmischung des Schmiermittels verbessert, womit die ermittelte Lichtabsorption weniger lokalen Randbedingungen unterworfen ist, sondern genau die Lichtabsorption messbar ist, die einem gleichmäßig gemischten Schmiermittel zuzuordnen ist. Damit wird der ermittelnde Messwert zuverlässiger. Des weiteren ist es möglich mehrere Lichtquellen 96 mit zugehörigem Messelement 94 vorzusehen, so dass über die Messwerte dieser Messelemen- te 94 zusätzlich gemittelt werden kann. Damit erhöht sich die Verlässlichkeit der Sensoranordnung weiter.

Fig. 9 zeigt eine Ausnehmung in einem sensierten Wälzkörper 102 mit aktivem Streudetektor. Ähnlich wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 kann auch eine Streudetektion bewerkstelligt werden, indem die Messelemente 104 über die Breite der Ausnehmung 103 verteilt sind, d.h. senkrecht zur Umfangsrichtung des Wälzkörpers 102. Idealerweise wird ein einziges Messelement eingesetzt, welches eine Reihe von Messelementen 104 beinhaltet (Array). Aufgrund der Vielzahl der Messwerte der Messelemente 104 können Intensitätsverteilungen gemessen werden, die auf eine ganz bestimmte Struktur (Eindrücktiefe, Pitting) der Laufbahnoberfläche des Lagerteils 105 (z.B. Innenring oder Aussenring) schließen lassen.

Zudem kann die Absorption durch einen Schmiermittelfilm 1 10 berücksichtigt werden, wobei sowohl die Dicke des Schmiermittelfilms 1 10 gemessen, als auch die Qualität des Schmiermittels festgestellt werden kann. Damit vereinigt die gezeigte Messelementanordnung die Messung von drei unterschiedlichen Parametern, die für den Wälzlagerbetrieb entscheidend sind und Aussagen über das Verhalten des Wälzlagers und dessen Lebenserwartung ermöglichen.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Wälzkörper mit einer Außenflä- che zur Bildung eines ersten Wälzkontakts mit einer Außenlaufbahn eines inneren Wälzlagerteils und zur gleichzeitigen Bildung eines zweiten Wälzkontakts mit einer Innenlaufbahn eines äußeren Wälzlagerteils, wobei die Wälzlagerteile relativ zueinander drehbar sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Wälzlageranordnung, insbesondere Radlageranordnung, die derartige Wälz- körper aufweist. Ziel ist es die Möglichkeiten der Messung von Wälzlagerparametern zu erweitern, jedoch zumindest die Signalstärke bekannter Messgrößen m Messelement zu verbessern. Dazu wird vorgeschlagen einen Wälzkörper mit einem Messelement und einem Übertragungsmittel auszustatten, wobei das Übertragungsmittel ein Signal an einen Signalaufnehmer senden kann und Informationen zu einer Messgröße unmittelbar am oder im Wälzkörper liefert. Damit werden Parameter des Wälzlagers während des Wälzlagerbetriebs messbar gemacht und ermöglichen eine Früherkennung eines Betriebsmangels, wie zum Beispiel eine geringe Schmierfilmdicke beziehungsweise eine zu geringe Schmiermittelmenge.

Bezugszeichenliste

Rotationsachse 39 Luftdruckmesselement

Außenring 41 Spule

Wälzkörper 42 Wälzkörper

Dichtungsanordnung 43 Messelement

Signalaufnehmer 44 Widerstand

Innenring 45 Kondensator

Spule 51 Signalaufnehmer

Messelement 52 Übermittelungselement

Leitung 53 Multipol-Encoder

Hinterstich 62 Wälzkörper

Wälzkörper 63 Ausnehmung

Sensorarray 64 Optisches Messelement

Signalaufnehmer 65 Innenring

Innenring 66 Lichtquelle

Telemetriering 72 Wälzkörper

Kabel 73 Ausnehmung

Steckverbindung 74 Optisches Messelement

Achszapfen 75 Innenring

Signalaufnehmer 76 Lichtquelle

Kegelrolle 82 Wälzkörper

Dichtungsanordnung 83 Nut

Übertragungselement 84 Optisches Messelement

Innenring 85 Inneres Lagerteil

Dehnungsmessstreifen 86 Lichtquelle

Schmiermittelmesselement 87 Reflektierte Lichtstrahlung

Temperaturmesselement 92 Wälzkörper Spiralförmige Nut Optisches Messelement

Innenring

Lichtquelle

Wälzkörper

Ausnehmung

Optisches Messelement

Lagerteil

Lichtquelle

Lichtstrahlung

Schmiermittelfilm