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Title:
WHEEL HUB BEARING UNIT OF A VEHICLE, IN PARTICULAR AN AGRICULTURAL VEHICLE, COMPRISING MEANS FOR DETECTING A FORCE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/114541
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a wheel bearing unit (1) of a vehicle, in particular an agricultural vehicle, comprising a hub (2) for attaching a wheel (3) of the vehicle, wherein the hub (2) is mounted in a housing (5) by means of at least one bearing (4), and means (6, 7, 8) are provided for detecting a force transferring from the wheel (3) to the housing (5). In order to be able to easily measure the effective forces from the ground on the housing, according to the invention, the means (6, 7, 8) comprise a measuring ring (6) arranged on one of the rings (9) of the bearing (4), wherein, in the unloaded state of the wheel bearing unit (1), there is a radial gap (7) at least in sections between the measuring ring (6) and a receiving hole (10) for the ring (9) of the bearing (4) in the housing (5), wherein at least one distance sensor (8) is arranged in the housing (5), with which the distance of the measuring ring (6) from the housing (5) in the region of the radial gap (7) can be measured.

Inventors:
BREHM HORST (DE)
BERESCH EDUARD (DE)
HEIM JENS (DE)
HÖRNING PHILIPP (DE)
Application Number:
DE2019/100925
Publication Date:
June 11, 2020
Filing Date:
October 28, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG (DE)
International Classes:
F16C19/52; B60B27/00; F16C27/04; F16C35/077; G01L5/00; A01B63/112; B62D49/06; G01B7/14; G01L1/14
Domestic Patent References:
WO2017042265A12017-03-16
WO2002044678A12002-06-06
Foreign References:
DE2452925A11976-05-13
DE19919006A12000-11-16
EP1695056A22006-08-30
DE102014204130B32015-06-18
DE102006028294A12007-12-27
US20070051187A12007-03-08
DE102009025494B42012-07-19
DE102013110311A12015-03-19
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Claims:
io

Patentansprüche

1. Radlagereinheit (1 ) eines Fahrzeugs, insbesondere eines landwirtschaftlichen Fahrzeugs, umfassend eine Nabe (2) zur Anbringung eines Rades (3) des Fahrzeugs, wobei die Nabe (2) mittels mindestens eines Lagers (4) in einem Gehäuse (5) gelagert ist, wobei Mittel (6, 7, 8) zur Erfassung einer vom Rad (3) auf das Gehäuse (5) übertragenen Kraft vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6, 7, 8) einen Messring (6) umfassen, der an einem der Ringe (9) des Lagers (4) angeordnet ist, wobei im lastfreien Zustand der Radlagerein heit (1 ) zumindest abschnittsweise ein radialer Spalt (7) zwischen dem Mess ring (6) und einer Aufnahmebohrung (10) für den Ring (9) des Lagers (4) im Gehäuse (5) vorliegt, wobei im Gehäuse (5) mindestens ein Abstandssensor (8) angeordnet ist, mit dem der Abstand des Messrings (6) im Bereich des radi alen Spalts (7) vom Gehäuse (5) gemessen werden kann.

2. Radlagereinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ab standssensoren (8) um den Umfang des Rings (9) des Lagers (4) herum im Gehäuse (5) angeordnet sind.

3. Radlagereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ab standssensor (8) in der vertikalen Wirkungslinie (V) angeordnet ist und mindes tens ein weiterer Abstandssensor (8) hierzu um die Achse des Lagers (4) um 90° versetzt angeordnet ist.

4. Radlagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Messring (6) über die axiale Erstreckung des Rings (9) hinaus er streckt und mit einem Endbereich (11 ) mit dem Gehäuse (5) verbunden ist.

5. Radlagereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messring (6) im axialen Bereich zwischen dem Kontakt mit dem Ring (9) des Lagers (4) und dem Endbereich (11 ) in seiner radialen Dicke im Verhältnis zur Dicke im Bereich des Rings (9) des Lagers (4) und zur Dicke im Endbereich (11 ) redu ziert ist.

6. Radlagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messring (6) den Ring (9) des Lagers (4) axial übergreift und mit ei nem sich radial erstreckenden Abschnitt (12) umfasst.

7. Radlagereinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messring (6) mit dem sich radial erstreckenden Abschnitt (12) im lastfreien Zustand mit einem axialen Spalt (13) zu einer axialen Anlagefläche (14) im Gehäuse (5) angeordnet ist.

8. Radlagereinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des axialen Spalts (13) mindestens ein Abstandssensor (15) angeordnet ist, mit dem der Abstand des Messrings (6) im Bereich des axialen Spalts (13) von der axialen Anlagefläche (14) des Gehäuses (5) gemessen werden kann.

9. Radlagereinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messring (6) mit seinem Endbereich (11 ) an einer axialen Anlageflä che (16) des Gehäuses (5) anliegt.

10. Radlagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandssensoren (8, 15) als kapazitive oder induktive Sensoren aus gebildet sind.

Description:
RADNABE-LAGEREINHEIT EINES FAHRZEUGS, INSBESONDERE EINES LANDWIRTSCHAFTLICHEN FAHRZEUGS, MIT MITTELN ZUR ERFASSUNG

EINER KRAFT

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Radlagereinheit eines Fahrzeugs, insbesondere eines landwirtschaftlichen Fahrzeugs, umfassend eine Nabe zur Anbringung eines Rades des Fahrzeugs, wobei die Nabe mittels mindestens eines Lagers in einem Gehäuse gelagert ist, wobei Mittel zur Erfassung einer vom Rad auf das Gehäuse übertragenen Kraft vorhanden sind.

Hintergrund der Erfindung

Messsysteme zur Erfassung der Radkraft sind bei Automobilen hinlänglich bekannt und werden insbesondere benötigt, um die elektronischen Stabilisierungssysteme des Fahrzeugs (ESP) zu optimieren. Derartige Messsysteme sind auch bei landwirtschaft lichen Fahrzeugen, insbesondere bei Traktoren, nötig. Dies liegt insbesondere darin begründet, dass die größten Treibstoffverluste (nach dem Motor) zwischen dem Rei fen und dem Boden entstehen. Diese Verluste lassen sich durch richtiges Ballastiren des landwirtschaftlichen Fahrzeugs verringern. Hierzu ist es allerdings erforderlich zu wissen, mit welcher Kraft das Rad während der Benutzung des Fahrzeugs auf den Boden drückt. Diese Kraft lässt sich nicht im Stand ermitteln, vielmehr ist hierfür eine Radaufstandskraftmessung im Fahrzeug nötig.

Eine gattungsgemäße Radlagereinheit ist aus der DE 10 2009 025 494 B4 bekannt. Bei der hier beschriebenen Lösung wird ein Abstandssensor eingesetzt, der den Ab stand zwischen der Felge und der Reifenaufstandsfläche erfasst. Kennt man den Luftdruck im Reifen sowie dessen Kennlinie„Druck-Einfederungsweg“ abhängig von der Last bzw. der Temperatur, kann man zurückrechnen, welche Last auf dem Reifen liegt. Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass eine spezielle Felge sowie eine Telemetrie (zur Übertragung des gemessenen Signals vom drehenden Reifen zu einem Steuer gerät) erforderlich sind, was das System entsprechend teuer macht. Weiterhin muss die Kennlinie des Reifens bekannt sein, die nicht jeder Reifenhersteller zur Verfügung stellt. Wird also ein anderer Reifen (beispielsweise mit einer anderen Gummizusam mensetzung oder einer anders gewickelten Karkasse) eines anderen Herstellers ein gesetzt, ist eine entsprechende Anpassung des Systems erforderlich.

Eine andere gattungsgemäße Lösung offenbart die DE 10 2013 110 311 A1. Hier wird mit dem magneto-rheologischen Prinzip gearbeitet. Wird ein Rad des Traktors belas tet, verbiegt sich die das Rad tragende Welle und es entstehen entsprechende Span nungen in derselben. Diese Spannungen kann man mit dem magneto-rheologischen Prinzip messen und so auf die Radaufstandskräfte zurückrechnen. Problematisch ist bei dieser Lösung, dass auch Kräfte quer zur Kraft in Radaufstandsrichtung (Kräfte „quer zum Berg“) zu einer entsprechenden Verbiegung der Welle führen. Somit ist es mit dieser Lösung nicht möglich, die reine Radaufstandskraft zu erfassen. Die Schwie rigkeiten bei dieser Lösung bestehen also darin, die Radaufstandskräfte von den sonstigen am Rad wirkenden Querkräften zu unterscheiden, da beide zu einer Ver biegung der Welle führen.

Generell möglich ist es weiterhin, den Druck und den Einfederungsweg von Hydrau likzylindern zu messen, mit denen die Vorderachsen von Traktoren zumeist gefedert sind. Durch die Erfassung des Drucks und des Einfederungsweges ist auch ein Rück schluss auf die Achslast möglich. Allerdings verfälscht hier die Dichtungsreibung im Hydraulikzylinder das Ergebnis. Dies ist insbesondere beim Übergang vom Bereich der Haftreibung zur Gleitreibung relevant. Demgemäß ist dieses Verfahren nicht be sonders genau. Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die A ufg a b e zugrunde, eine gattungsgemäße Rad lagereinheit zu schaffen, mit der es in einfacher und effektiver Weise möglich ist, die wirksamen Kräfte vom Boden auf das Gehäuse messen zu können. Somit soll in mög lichst genauer Weise mit einfachen Mitteln die Radaufstandskraft erfasst werden kön nen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erfassung der vom Rad auf das Gehäuse übertragenen Kraft einen Messring umfassen, der an einem der Ringe des Lagers angeordnet ist, wobei im last freien Zustand der Radlagereinheit zumindest abschnittsweise ein radialer Spalt zwi schen dem Messring und einer Aufnahmebohrung für den Ring des Lagers im Gehäu se vorliegt, wobei im Gehäuse mindestens ein Abstandssensor angeordnet ist, mit dem der Abstand des Messrings im Bereich des radialen Spalts vom Gehäuse bzw. von der Aufnahmebohrung gemessen werden kann.

Bevorzugt sind dabei mehrere Abstandssensoren um den Umfang des Rings des La gers herum im Gehäuse angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist ein Abstands sensor in der vertikalen Wirkungslinie angeordnet und ein weiterer Abstandssensor hierzu um die Achse des Lagers um 90° versetzt angeordnet. Damit ist es möglich, gezielt zum einen die Radaufstandskräfte in vertikaler Richtung und hiervon isoliert Kräfte quer dieser Richtung zu ermitteln.

Der Messring erstreckt sich nach einer Weiterbildung über die axiale Erstreckung des Rings hinaus und ist mit einem Endbereich mit dem Gehäuse verbunden. In diesem Falle ist bevorzugt vorgesehen, dass der Messring im axialen Bereich zwischen dem Kontakt mit dem Ring des Lagers und dem Endbereich in seiner radialen Dicke im Verhältnis zur Dicke im Bereich des Rings des Lagers und zur Dicke im Endbereich reduziert ist. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, das System sensibel zu gestalten, so dass kraftbedingte Verformungen begünstigt werden. Es kann so eine hinreichende Genauigkeit der Messung erreicht werden, wozu im gegebenen Falle besagte radiale Dicke variiert und angepasst wird. Je geringer die Dicke ist desto größer werden die Verformungen des Messrings.

Der Messring kann den Ring des Lagers axial übergreifen und mit einem sich radial erstreckenden Abschnitt umfassen. Der Messring kann dabei mit dem sich radial er streckenden Abschnitt im lastfreien Zustand mit einem axialen Spalt zu einer axialen Anlagefläche im Gehäuse angeordnet sein. In diesem Falle ist bevorzugt vorgesehen, dass im Bereich des axialen Spalts mindestens ein Abstandssensor angeordnet ist, mit dem der Abstand des Messrings im Bereich des axialen Spalts von der axialen An lagefläche des Gehäuses gemessen werden kann. Der Messring kann dabei mit sei nem Endbereich an einer axialen Anlagefläche des Gehäuses anliegen. Auf diese Weise ist es möglich, auch axiale Kräfte zu erfassen, die vom Rad auf das Gehäuse übertragen werden.

Die Abstandssensoren sind bevorzugt als kapazitive oder induktive Sensoren ausge bildet.

Die vorgeschlagene Ausgestaltung mit radialem und axialem Spalt hat auch den vor teilhaften Effekt, dass keine Überlastung der Anordnung mit nachteiligen plastischen Verformungen des Messrings erfolgen kann. Bei entsprechend hoher Belastung und großen Kräften legt sich die Oberfläche des Messrings nach Überwindung des Spalts an die Gehäuseoberfläche an, so dass weitergehende Verformungen nicht mehr mög lich sind.

Die Größe des radialen bzw. axialen Spalts kann beispielsweise im Bereich zwischen 0,5 mm und 3,0 mm liegen. Er wird so groß gewählt, dass sich der Messring im Be reich der Messung zwar frei bewegen kann, allerdings im Falle der Einleitung höherer Lasten dafür Sorge getragen ist, dass der Messring im Bereich der Aufnahmebohrung für das Lager zur Anlage kommt und so verhindert wird, dass er plastisch deformiert wird. Die vorgesehenen Spalte (d. h. sowohl der radiale als auch der axiale Spalt) sind also so ausgelegt, dass sie im regulären Messbereich des Messrings größer als Null sind. Wird der Messbereich durch zu große Lasten (Missbrauchslasten) überschritten, kommt es zur Anlage des Messrings am Gehäuse (der Spalt reduziert sich dann also zu Null), so dass einer Zerstörung des Messrings vorgebeugt wird.

Mit der vorgeschlagenen Lösung ist es in einfacher Weise möglich, die Daten vom Messmittel (Abstandssensoren) zu erfassen und durch entsprechende Auswertung auf die tatsächlich in Radaufstandsrichtung wirkenden Kräfte zu schließen.

Insbesondere durch mehrere um den Umfang herum verteilt angeordnete Abstands sensoren wird die Differenzierung der Kräfte in den verschiedenen Achsrichtungen er leichtert. Die Auswertung der Signale erlaubt die Berechnung der von den Querkräften isolierten Radaufstandskräfte.

Da bei Radlagern von Traktoren der Außenring des Lagers stehend ist, entfällt vorteil hafter Weise eine Telemetrie (d. h. Datenübertragung vom sich drehenden zum ru henden Bauteil).

Vorteilhafter Weise werden mehrere Lager der Radlageranordnung des (insbesondere landwirtschaftlichen) Fahrzeugs (d. h. das zumeist vorhandene innere und das äußere Lager) mit einer entsprechenden Sensorik versehen, so dass eine breite Basis für die Datenerhebung vorliegt.

Die oben beschriebenen Nachteile der vorbekannten Lösungen können somit über wunden werden.

Die vorgeschlagene Radlagereinheit kommt bevorzugt bei landwirtschaftlichen Fahr zeugen zum Einsatz. Gleichermaßen können allerdings auch generell mobile Arbeits maschinen, wie beispielsweise Baumaschinen oder Flurförderfahrzeuge, erfindungs gemäß ausgestattet werden. Kurze Beschreibung der Figuren

In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht eines landwirtschaftlichen Fahrzeugs in Form eines Trak tors und

Fig. 2 den Radialschnitt durch eine Radlagereinheit des Traktors gemäß Figur 1 .

Ausführliche Beschreibung der Figuren

In Figur 1 ist ein landwirtschaftliches Fahrzeug 17 in Form eines Traktors zu sehen. Der angedeutete Schnitt A-A gibt an, von welchem Bereich des Traktors im Zusam menhang mit dem Ausführungsbeispiel vorliegend gesprochen wird, nämlich von der Radlagerung im vorliegenden Falle der Flinterräder. Natürlich kann das vorgeschlage ne Konzept analog auch an den Vorderrädern eingesetzt werden.

Von der Radlagerung ist in Figur 2 ein Teil dargestellt, nämlich eine Radlagereinheit 1 , die eine Nabe 2 aufweist, an der ein Rad 3 befestigt ist. Die Nabe 2 ist mittels eines Lagers 4 relativ zu einem Gehäuse 5 gelagert, wie es dem Stand der Technik ent spricht. Die Radlagereinheit 1 ist weiterhin mit Mitteln 6, 7, 8 versehen, mit denen eine vom Rad 3 auf das Gehäuse 5 übertragene Kraft erfasst bzw. gemessen werden kann. Hierzu ist eine nicht dargestellte elektronische Auswerteeinheit erforderlich, die mit den Mitteln 6, 7, 8 (und namentlich mit einem Abstandssensor 8) verbunden ist.

Die Mittel zur Erfassung der Kraft umfassen zunächst einen Messring 6. Dieser be steht im wesentlichen aus vier axialen Abschnitten: Ein Abschnitt des Messrings 6 er streckt sich über die außenliegende zylindrische Fläche des Außenrings 9 des Lagers 4 und liegt an dieser an. Ein weiterer Abschnitt (ganz rechts in Figur 2) umgreift den Außenring 9 des Lagers 4 mit einem sich radial erstreckenden Abschnitt 12. Ein weite rer Abschnitt (ganz links in Figur 2), nämlich ein Endbereich 1 1 , erstreckt sich über den Bereich einer Verbindungsstelle, wo der Messring 6 in einer Aufnahmebohrung des Gehäuses 5 liegt und axial gegen eine Anlagefläche 16 im Gehäuse anliegt. Schließlich ist ein axialer Abschnitt vorhanden, der im Verhältnis zu den anderen Ab schnitten in der radialen Dicke geschwächt ist; dieser Abschnitt liegt zwischen demje nigen Abschnitt, der mit dem Ring 9 des Lagers 4 verbunden ist, und dem Endbereich 1 1 .

Zu erkennen ist in Figur 2, dass der Messring 6 sowohl mit einem radialen Spalt 7 als auch mit einem axialen Spalt 13 eingebaut ist.

Zur Erfassung von Kräften, die vom Rad 3 bzw. der Nabe 2 auf das Gehäuse 5 wir ken, sind mehrere Abstandssensoren 8 um den Umfang des Lagers 4 herum ange ordnet. In Figur 2 ist ein Abstandssensor 8 dargestellt, der zur Aufnahme von Kräften in vertikale Richtung V dient. Um die Drehachse des Lagers 4 herum um 90° versetzt ist ein weiterer (nicht dargestellter) Abstandssensor vorgesehen, der entsprechend zur Ermittlung von Kräften quer zur vertikalen Richtung V (also in horizontale Richtung) dient.

Zur Erfassung von axialen Kräften ist ein weiterer Abstandssensor 15 vorhanden.

Infolge der Verformung des Messrings 6 aufgrund der genannten Kräfte ändert sich auch die Größe des Spalts 7 (im Falle radialer Kräfte) und des Spalts 13 (im Falle axi aler Kräfte); die Abstandssensoren 8 und 15 erfassen diese Änderung. In einer (nicht dargestellten) Auswerteeinheit kann dann aufgrund einer vorher erfolgten Kalibrierung auf die tatsächlich aktuell wirkenden Kräfte rückgeschlossen werden. Namentlich ist es möglich, die Kraft in vertikaler Richtung V von anderen (Quer)Kräften in einfacher Weise zu isolieren, wozu das Signal des Abstandssensors 8 herangezogen wird.

Wie Figur 2 entnommen werden kann, liegt der Messring 6 fest im Bereich des Endbe reich 1 1 in einer Aufnahmebohrung des Gehäuses 5 sowie fest am Außenumfang des Außenrings 9 des Lagers 4 an; ferner umgreift der Messring 6 den Außenring 9 des Lagers 4 mit seinem Abschnitt 12. Indes ist ersichtlich, dass zwischen dem Messring 6 im Bereich der axialen Erstreckung des Außenrings 9 des Lagers 4 zur Aufnahmeboh- rung 10 im Gehäuse 5 im lastfreien Zustand der radiale Spalt 7 vorliegt. Werden gro ße Kräfte von der Nabe 2 auf das Gehäuse 5 übertragen, kommt es demgemäß zur Anlage des Messrings 6 an die Aufnahmebohrung 10, wodurch eine Überlastung des Messrings 6 vermieden wird. Nach Anlage des Messrings 6 an der Aufnahmebohrung 10 infolge hoher Kräfte werden dann also die Kräfte quasi um den Messring 6 herum in das Gehäuse 5 eingeleitet, so dass der Messring geschont bleibt.

Entsprechend liegt der Messring 6 mit seinem sich radial erstreckenden Abschnitt 12 in einem innenliegenden radialen Abschnitt an einer axialen Anlagefläche 18 im Ge- häuse 5 fest an. Indes liegt der Abschnitt 12 bei Lastfreiheit in seinem radial außen liegenden Bereich frei, so dass der axiale Spalt 13 zu der axialen Anlagefläche 14 im Gehäuse vorliegt.

Somit kann bei hoher axialer Belastung der Messring 6 mit seinem Abschnitt 12 zur Anlage an der Anlagefläche 14 gelangen, um insoweit eine Überlastung des Messrings 6 zu vermeiden. In diesem Falle erfolgt die axiale Kraftübertragung über die Anlagefläche 16 und den Messring 6 auf die Anlagefläche 14.

Bezugszeichenliste

1 Radlagereinheit

2 Nabe

3 Rad

4 Lager

5 Gehäuse

6, 7, 8 Mittel zur Erfassung einer Kraft

6 Messring

7 radialer Spalt

8 Abstandssensor

9 Ring des Lagers

10 Aufnahmebohrung

1 1 Endbereich

12 sich radial erstreckender Abschnitt des Messrings

13 axialer Spalt

14 axiale Anlagefläche im Gehäuse

15 Abstandssensor

16 axiale Anlagefläche im Gehäuse

17 Fahrzeug / landwirtschaftliches Fahrzeug (Traktor)

18 axiale Anlagefläche im Gehäuse

V vertikale Wirkungslinie