DE102016213591B3 - Bearing arrangement with measuring arrangement for measuring a force and / or a moment - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit einem ersten Lagerring (01) und mit einem gegenüber dem ersten Lagerring (01) um eine Achse rotierbaren zweiten Lagerring (02). Die Lageranordnung umfasst eine Messanordnung (07, 08) zur Messung einer auf den ersten Lagerring (01) wirkenden Kraft und/oder eines auf den ersten Lagerring (01) wirkenden Momentes. Die Messanordnung (07, 08) umfasst mindestens einen Ring (07) aus einem magnetostriktiven Material. Der eine Ring (07) bzw. die mehreren Ringe (07) sitzen auf dem ersten Lagerring (01) und weisen mindestens eine um die Achse umlaufende Permanentmagnetisierung (08) auf. Die Messanordnung (07, 08) umfasst weiterhin mindestens vier Magnetfeldsensoren, die gegenüber der mindestens einen umlaufenden Permanentmagnetisierung (08) angeordnet und zur Messung eines durch die jeweilige umlaufende Permanentmagnetisierung (08) und durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind. Somit beruht die Messanordnung (07, 08) auf dem invers-magnetostriktiven Effekt.The present invention relates to a bearing arrangement with a first bearing ring (01) and with respect to the first bearing ring (01) rotatable about an axis second bearing ring (02). The bearing arrangement comprises a measuring arrangement (07, 08) for measuring a force acting on the first bearing ring (01) and / or a torque acting on the first bearing ring (01). The measuring arrangement (07, 08) comprises at least one ring (07) made of a magnetostrictive material. The one ring (07) or the plurality of rings (07) sit on the first bearing ring (01) and have at least one permanent magnetization (08) revolving around the axis. The measuring arrangement (07, 08) furthermore comprises at least four magnetic field sensors, which are arranged opposite to the at least one circumferential permanent magnetization (08) and designed for measuring a magnetic field caused by the respective revolving permanent magnetization (08) and by the force and / or by the moment , Thus, the measuring arrangement (07, 08) is based on the inverse magnetostrictive effect.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit einem ersten Lagerring und mit einem gegenüber dem ersten Lagerring um eine Achse rotierbaren zweiten Lagerring. Die Lageranordnung umfasst eine Messanordnung zur Messung einer auf den ersten Lagerring wirkenden Kraft und/oder eines auf den ersten Lagerring wirkenden Momentes. The present invention relates to a bearing arrangement with a first bearing ring and with respect to the first bearing ring rotatable about an axis second bearing ring. The bearing arrangement comprises a measuring arrangement for measuring a force acting on the first bearing ring and / or a force acting on the first bearing ring torque.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, das Messen von Kräften und Momenten an einer Lageranordnung genauer vornehmen zu können, wofür insbesondere die Wirkung von magnetischen Störfeldern zu minimieren ist und eine Unterscheidung von unterschiedlich ausgerichteten Kräften und Momenten zu ermöglichen ist.The object of the present invention, starting from the state of the art, is to be able to make the measurement of forces and moments on a bearing arrangement more accurate, for which purpose in particular the effect of magnetic interference fields is to be minimized and a differentiation of differently aligned forces and moments is to be enabled.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Lageranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.The stated object is achieved by a bearing arrangement according to the appended claim 1.
Die erfindungsgemäße Lageranordnung dient primär zum rotativen Lagern eines rotierenden Maschinenelementes gegenüber einem weiteren Maschinenelement. Hierfür umfasst die Lageranordnung einen ersten Lagerring und einen gegenüber dem ersten Lagerring um eine Achse rotierbaren zweiten Lagerring. Insoweit stellt die erfindungsgemäße Lageranordnung ein rotatives Lager dar. Auf die Lageranordnung, insbesondere auf den ersten Lagerring, wirkt mindestens eine Kraft und/oder mindestens ein Moment. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf den ersten Lagerring, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich der erste Lagerring zumeist geringfügig verformt. The bearing arrangement according to the invention is primarily used for rotational bearing of a rotating machine element with respect to a further machine element. For this purpose, the bearing assembly comprises a first bearing ring and a relative to the first bearing ring rotatable about an axis second bearing ring. In that regard, the bearing assembly according to the invention represents a rotary bearing. On the bearing assembly, in particular on the first bearing ring, acts at least one force and / or at least one moment. The force or the moment acts on the first bearing ring, which leads to mechanical stresses and the first bearing ring usually deforms slightly.
Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst weiterhin eine Messanordnung zur Messung der auf den ersten Lagerring wirkenden Kraft und/oder des auf den ersten Lagerring wirkenden Momentes. Die auf den ersten Lagerring wirkende Kraft bzw. das auf den ersten Lagerring wirkenden Moment kann unmittelbar oder mittelbar auf den ersten Lagerring wirken.The bearing arrangement according to the invention further comprises a measuring arrangement for measuring the force acting on the first bearing ring and / or the torque acting on the first bearing ring. The force acting on the first bearing ring or the force acting on the first bearing ring moment can act directly or indirectly on the first bearing ring.
Die Messanordnung umfasst mindestens einen Ring aus einem magnetostriktiven Material. Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe sitzen auf dem ersten Lagerring. Die Achse der Lagerordnung stellt auch jeweils eine Achse der Ringe dar; d. h. dass der Ring bzw. die Ringe und die Lagerringe koaxial zueinander angeordnet sind. Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe weisen in ihrer Gesamtheit mindestens eine um die Achse umlaufende Permanentmagnetisierung auf. Sind mehrere der umlaufenden Permanentmagnetisierungen vorhanden, so sind diese in der axialen Richtung benachbart. Die umlaufenden Permanentmagnetisierungen sind abgesehen von ihrem Umlaufsinn bevorzugt gleich ausgebildet. Die Achse der Lagerordnung stellt auch jeweils eine Achse der einen umlaufenden Permanentmagnetisierung bzw. der mehreren umlaufenden Permanentmagnetisierungen dar. Die eine umlaufende Permanentmagnetisierung bzw. die mehreren umlaufenden Permanentmagnetisierungen sind jeweils um die Achse herum geschlossen. Die eine umlaufende Permanentmagnetisierung bzw. die mehreren umlaufenden Permanentmagnetisierungen erstrecken sich bevorzugt jeweils auf einer kreisförmigen Bahn. Die eine umlaufende Permanentmagnetisierung bzw. die mehreren umlaufenden Permanentmagnetisierungen können jeweils auch als eine Spur entlang einer kreisförmigen Bahn im jeweiligen Ring angesehen werden.The measuring arrangement comprises at least one ring of a magnetostrictive material. The one or more rings sit on the first bearing ring. The axis of the bearing assembly also represents each an axis of the rings; ie that the ring or rings and the bearing rings coaxial are arranged to each other. The one ring or the plurality of rings have in their entirety at least one permanent magnetization revolving around the axis. If there are several of the circulating permanent magnetizations, these are adjacent in the axial direction. The circulating permanent magnetizations are preferably the same except for their sense of rotation. The axis of the bearing assembly also represents in each case an axis of a rotating permanent magnetization or the plurality of rotating permanent magnetizations. The one circumferential permanent magnetization or the plurality of circumferential permanent magnetizations are each closed around the axis. The one circumferential permanent magnetization or the several circumferential permanent magnetizations preferably each extend on a circular path. The one circumferential permanent magnetization or the several circumferential permanent magnetizations can each also be regarded as a trace along a circular path in the respective ring.
Die Messanordnung umfasst weiterhin mindestens vier Magnetfeldsensoren. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils gegenüber der einen umlaufenden Permanentmagnetisierung bzw. gegenüber einer der mehreren umlaufenden Permanentmagnetisierungen angeordnet, d. h. in der Nähe der jeweiligen Permanentmagnetisierung, aber beabstandet zu der jeweiligen Permanentmagnetisierung. Die Beabstandung führt zu einem Abstand in der radialen Richtung, in der tangentialen Richtung und/oder in der axialen Richtung. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils gegenüber der einen umlaufenden Permanentmagnetisierung bzw. gegenüber den einzelnen umlaufenden Permanentmagnetisierungen angeordnet. Somit sind die Magnetfeldsensoren gegenüber der einen umlaufenden Permanentmagnetisierung bzw. gegenüber der einzelnen umlaufenden Permanentmagnetisierungen angeordnet und zur Messung eines durch die jeweilige Permanentmagnetisierung und durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die Messanordnung beruht somit auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe bilden einen Primärsensor innerhalb der Messanordnung und stellen daher jeweils einen Messring dar. Hierfür sitzt der eine Ring bzw. sitzen die mehreren Ringe auf dem ersten Lagerring, sodass die auf den ersten Lagerring wirkende Kraft und/oder das auf den ersten Lagerring wirkende Moment auch zu Spannungen in dem einen Ring bzw. in den mehreren Ringen führt. Die mechanischen Spannungen im Ring bzw. in den Ringen führen gemeinsam mit der jeweiligen Permanentmagnetisierung aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes zu einem Magnetfeld, welches außerhalb des Ringes bzw. der Ringe messbar ist. Die Magnetfeldsensoren sind zur Messung des durch die jeweilige Permanentmagnetisierung und durch die Kraft bewirkten Magnetfeldes bzw. des durch die jeweilige Permanentmagnetisierung und durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Folglich bilden die Magnetfeldsensoren einen Sekundärsensor innerhalb der auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messanordnung. Der Primärsensor, d. h. der eine Ring bzw. die mehreren Ringe mit der mindestens einen umlaufenden Permanentmagnetisierung dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während der Sekundärsensor die Wandlung dieses Magnetfeldes in ein elektrisches Signal ermöglicht. Die Magnetfeldsensoren sind zumindest jeweils zur Messung einer Richtungskomponente des bewirkten Magnetfeldes ausgebildet.The measuring arrangement further comprises at least four magnetic field sensors. The magnetic field sensors are each arranged opposite the one circumferential permanent magnetization or with respect to one of the several circulating permanent magnetizations, ie. H. in the vicinity of the respective permanent magnetization, but spaced from the respective permanent magnetization. The spacing leads to a distance in the radial direction, in the tangential direction and / or in the axial direction. The magnetic field sensors are each arranged opposite the one circumferential permanent magnetization or with respect to the individual circulating permanent magnetizations. Thus, the magnetic field sensors are arranged opposite to a circulating permanent magnetization or with respect to the individual revolving permanent magnetizations and designed to measure a magnetic field caused by the respective permanent magnetization and by the force and / or by the moment. The measuring arrangement is thus based on the inverse magnetostrictive effect. The one ring or the plurality of rings form a primary sensor within the measuring arrangement and therefore each represent a measuring ring. For this sits one ring or sit the multiple rings on the first bearing ring, so that the forces acting on the first bearing ring and / or Moment acting on the first bearing ring also leads to stresses in the one ring or in the plurality of rings. The mechanical stresses in the ring or in the rings lead, together with the respective permanent magnetization due to the inverse-magnetostrictive effect to a magnetic field which is measurable outside the ring or the rings. The magnetic field sensors are designed to measure the magnetic field caused by the respective permanent magnetization and by the force or the magnetic field caused by the respective permanent magnetization and by the moment. Consequently, the magnetic field sensors form a secondary sensor within the measuring arrangement based on the inverse magnetostrictive effect. The primary sensor, d. H. one ring or the plurality of rings with the at least one circumferential permanent magnetization serves to convert the force to be measured or the moment to be measured into a corresponding magnetic field, while the secondary sensor enables the conversion of this magnetic field into an electrical signal. The magnetic field sensors are each designed at least for measuring a directional component of the magnetic field produced.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lageranordnung besteht darin, dass durch die Verwendung des mindestens einen auf dem ersten Lagerring sitzenden Ringes mit der mindestens einen umlaufenden Permanentmagnetisierung in Kombination mit den mindestens vier Magnetfeldsensoren eine genaue Messung der auf die Lageranordnung wirkenden Kräfte und Momente ermöglicht ist. Die Wirkung von Störfeldern, wie z. B. dem Erdmagnetfeld, kann kompensiert werden. Unterschiedlich ausgerichtete Kräfte und Momente können bei der Messung unterschieden werden.A particular advantage of the bearing arrangement according to the invention is that by using the at least one ring seated on the first bearing ring with the at least one circumferential permanent magnetization in combination with the at least four magnetic field sensors an accurate measurement of the force acting on the bearing assembly forces and moments is possible. The effect of interference fields, such. As the earth's magnetic field can be compensated. Differently aligned forces and moments can be distinguished during the measurement.
Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe mit der einen umlaufenden Permanentmagnetisierung bzw. mit den mehreren umlaufenden Permanentmagnetisierungen sind jeweils in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand nach außerhalb des jeweiligen Ringes bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des jeweiligen Ringes messbar ist. The one ring or the plurality of rings with one circumferential permanent magnetization or with the several circulating permanent magnetizations are preferably magnetically neutral in each case in a state unloaded by a force or by a moment outside the respective ring, so that no technically relevant magnetic field outside of each ring is measurable.
Die eine umlaufende Permanentmagnetisierung bzw. die mehreren umlaufenden Permanentmagnetisierungen sind bevorzugt umlaufend um die Achse ausgerichtet, sodass sie in tangentialer Richtung ausgebildet sind. The one circumferential permanent magnetization or the plurality of circumferential permanent magnetizations are preferably aligned circumferentially about the axis, so that they are formed in the tangential direction.
Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe sind bevorzugt jeweils kreisringförmig. Bei besonderen Ausführungsformen können der eine Ring bzw. die mehreren Ringe beispielsweise auch ellipsenförmig oder ovalförmig sein.The one or more rings are preferably each annular. In particular embodiments, the one or more rings may also be elliptical or oval, for example.
Die eine umlaufende Permanentmagnetisierung bzw. die mehreren umlaufenden Permanentmagnetisierungen erstrecken sich bevorzugt jeweils kreisringförmig. Bei besonderen Ausführungsformen kann sich die eine umlaufende Permanentmagnetisierung bzw. können sich die mehreren umlaufenden Permanentmagnetisierungen beispielsweise auch ellipsenförmig oder ovalförmig erstrecken.The one circumferential permanent magnetization or the plurality of circumferential permanent magnetizations preferably extend in each case annularly. In particular embodiments, the one circumferential permanent magnetization or the plurality of circumferential permanent magnetizations may, for example, also extend elliptically or oval-shaped.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung umfasst die Messanordnung den genau einen Ring, welcher die genau eine um die Achse umlaufende Permanentmagnetisierung aufweist. Mindestens vier der Magnetfeldsensoren besitzen in ihrer axialen Position einen Versatz zu der axialen Position der umlaufenden Permanentmagnetisierung. Bevorzugt sind auf beiden Seiten der axialen Position der umlaufenden Permanentmagnetisierung jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren angeordnet, deren axialer Versatz vom Betrag gleich ist. In a first preferred embodiment of the bearing arrangement according to the invention, the measuring arrangement comprises the exactly one ring, which has exactly one circumferential permanent magnetization about the axis. At least four of the magnetic field sensors have in their axial position an offset to the axial position of the rotating permanent magnetization. Preferably, at least two of the magnetic field sensors are arranged on both sides of the axial position of the rotating permanent magnetization, the axial offset of which is equal to the amount.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung weist der eine Ring bzw. weisen die mehreren Ringe in ihrer Gesamtheit mindestens zwei der um die Achse umlaufenden Permanentmagnetisierungen auf, die einen entgegengesetzten Umlaufsinn ihrer Magnetisierungen besitzen, d. h. gegenläufig sind. Es sind jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren gegenüber den einzelnen umlaufenden Permanentmagnetisierungen angeordnet. Somit sind jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren gegenüber jeder der umlaufenden Permanentmagnetisierungen angeordnet und zur Messung eines durch die jeweilige Permanentmagnetisierung und durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet.In a second preferred embodiment of the bearing assembly according to the invention, the one ring or the plurality of rings in their entirety at least two of the permanent magnetizations revolving around the axis, which have an opposite sense of rotation of their magnetizations, d. H. are in opposite directions. In each case, at least two of the magnetic field sensors are arranged relative to the individual circulating permanent magnetizations. Thus, in each case at least two of the magnetic field sensors are arranged opposite each of the revolving permanent magnetizations and designed to measure a magnetic field caused by the respective permanent magnetization and by the force and / or by the moment.
Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe weisen in ihrer Gesamtheit besonders bevorzugt mindestens drei der um die Achse umlaufenden Permanentmagnetisierungen auf, wobei der Umlaufsinn zwischen axial benachbarten der umlaufenden Permanentmagnetisierungen jeweils wechselt.The one or more rings in their entirety particularly preferably have at least three of the permanent magnetizations revolving around the axis, the direction of rotation alternating between axially adjacent ones of the revolving permanent magnetizations.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung sind die Magnetfeldsensoren jeweils zur Messung mindestens einer einzelnen Richtungskomponente des durch die jeweilige Permanentmagnetisierung und durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet.In preferred embodiments of the bearing arrangement according to the invention, the magnetic field sensors are each designed to measure at least one individual directional component of the magnetic field caused by the respective permanent magnetization and by the force and / or by the moment.
Die mit den Magnetfeldsensoren jeweils messbare Richtungskomponente bzw. die mit den Magnetfeldsensoren jeweils messbaren Richtungskomponenten sind bevorzugt aus der folgenden Gruppe von Richtungen ausgewählt: eine Richtung parallel zur Achse, d. h. eine axiale Richtung; eine Richtung radial zur Achse, d. h. eine radiale Richtung und eine Richtung tangential zur Achse, d. h. eine tangentiale Richtung.The respectively measurable with the magnetic field sensors direction component or respectively with the magnetic field sensors respectively measurable direction components are preferably selected from the following group of directions: a direction parallel to the axis, d. H. an axial direction; a direction radial to the axis, d. H. a radial direction and a direction tangential to the axis, d. H. a tangential direction.
Insofern einer oder mehrere der Magnetfeldsensoren jeweils zur Messung von zwei oder drei einzelnen Richtungskomponenten ausgebildet sind, so stehen diese Richtungskomponenten bevorzugt senkrecht aufeinander. Die axiale Richtung, die radiale Richtung und die tangentiale Richtung stehen senkrecht aufeinander.Insofar as one or more of the magnetic field sensors are each designed to measure two or three individual directional components, these directional components are preferably perpendicular to one another. The axial direction, the radial direction and the tangential direction are perpendicular to each other.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung sind gegenüber jeder der umlaufenden Permanentmagnetisierungen zumindest zwei der Magnetfeldsensoren angeordnet, die bezogen auf die Achse um 180° versetzt sind. Eine die beiden Magnetfeldsensoren verbindende Gerade schneidet die Achse in einem rechten Winkel. Die beiden um 180° versetzten Magnetfeldsensoren sind jeweils zur Messung mindestens einer einzelnen Richtungskomponente des durch die jeweilige Permanentmagnetisierung und durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die mit dem ersten der beiden Magnetfeldsensoren messbare Richtungskomponente und die mit dem zweiten der beiden Magnetfeldsensoren messbare Richtungskomponente sind bevorzugt parallel ausgerichtet.In particularly preferred embodiments of the bearing arrangement according to the invention, at least two of the magnetic field sensors which are offset by 180 ° with respect to the axis are arranged opposite each of the revolving permanent magnetizations. A straight line connecting the two magnetic field sensors intersects the axis at a right angle. The two magnetic field sensors offset by 180 ° are each designed to measure at least one individual directional component of the magnetic field caused by the respective permanent magnetization and by the force and / or by the moment. The directional component measurable with the first of the two magnetic field sensors and the directional component measurable with the second of the two magnetic field sensors are preferably aligned in parallel.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung sind die Magnetfeldsensoren radial beabstandet zu der jeweiligen umlaufenden Permanentmagnetisierung angeordnet. Dabei sind die Magnetfeldsensoren bevorzugt radial außen gegenüber der jeweiligen umlaufenden Permanentmagnetisierung angeordnet. In preferred embodiments of the bearing arrangement according to the invention, the magnetic field sensors are arranged radially spaced from the respective revolving permanent magnetization. In this case, the magnetic field sensors are preferably arranged radially outside the respective circumferential permanent magnetization.
Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse auf. Somit weisen die Magnetfeldsensoren einen gleichen radialen Abstand zur jeweiligen Permanentmagnetisierung auf.The magnetic field sensors preferably have an equal distance from the axis. Thus, the magnetic field sensors have a same radial distance to the respective permanent magnetization.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung weisen mehrere oder sämtliche der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position wie die zugehörige umlaufende Permanentmagnetisierung auf. Bevorzugt weisen jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position wie die zugehörige umlaufende Permanentmagnetisierung auf.In preferred embodiments of the bearing arrangement according to the invention, several or all of the magnetic field sensors have the same axial position as the associated revolving permanent magnetization. Preferably, at least two of the magnetic field sensors each have an identical axial position as the associated circumferential permanent magnetization.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung weisen zumindest mehrere der Magnetfeldsensoren einen Versatz zu der axialen Position der zugehörigen umlaufenden Permanentmagnetisierung auf. Bevorzugt weisen jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position wie die zugehörige umlaufende Permanentmagnetisierung auf, während jeweils mindestens zwei weitere der Magnetfeldsensoren einen Versatz zu der axialen Position der zugehörigen umlaufenden Permanentmagnetisierung aufweisen.In further preferred embodiments of the bearing arrangement according to the invention, at least a plurality of the magnetic field sensors have an offset to the axial one Position of the associated circumferential permanent magnetization on. Preferably, in each case at least two of the magnetic field sensors have an identical axial position as the associated revolving permanent magnetization, while in each case at least two further of the magnetic field sensors have an offset to the axial position of the associated revolving permanent magnetization.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung sind jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren mit dem axialen Versatz auf beiden Seiten der axialen Position der zugehörigen umlaufenden Permanentmagnetisierung angeordnet.In preferred embodiments of the bearing arrangement according to the invention, in each case at least two of the magnetic field sensors are arranged with the axial offset on both sides of the axial position of the associated circumferential permanent magnetization.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung sind jeweils vier der Magnetfeldsensoren an der axialen Position der zugehörigen umlaufenden Permanentmagnetisierung angeordnet, die gleichverteilt um die Achse angeordnet sind, sodass sie bezogen auf die Achse paarweise einen rechten Winkel zueinander aufweisen. Diese Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung der radialen Richtungskomponente, der axialen Richtungskomponente und der tangentialen Richtungskomponente des durch die jeweilige Permanentmagnetisierung und durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Weiterhin sind bevorzugt jeweils vier der Magnetfeldsensoren mit dem axialen Versatz auf beiden Seiten der axialen Position der zugehörigen umlaufenden Permanentmagnetisierung angeordnet. Diese jeweils vier Magnetfeldsensoren weisen gleiche tangentiale und radiale Positionen wie die vier an der axialen Position der zugehörigen umlaufenden Permanentmagnetisierung angeordneten Magnetfeldsensoren auf. Die mit dem axialen Versatz angeordneten Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung der radialen Richtungskomponente des durch die jeweilige Permanentmagnetisierung und durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Einzelne der beschriebenen Anordnungspositionen der einzelnen Magnetfeldsensoren können aber auch unbesetzt sein, sodass beispielsweise an der axialen Position der zugehörigen umlaufenden Permanentmagnetisierung oder an der den axialen Versatz aufweisenden Position nur zwei oder drei der vier beschriebenen Magnetfeldsensoren vorhanden sind.In a particularly preferred embodiment of the bearing assembly according to the invention, four of the magnetic field sensors are arranged at the axial position of the associated circumferential permanent magnetization, which are arranged uniformly distributed about the axis, so that they have a right angle to each other in pairs relative to the axis. These magnetic field sensors are each designed for individual measurement of the radial direction component, the axial direction component and the tangential direction component of the magnetic field caused by the respective permanent magnetization and by the force and / or by the moment. Furthermore, four of the magnetic field sensors are preferably arranged with the axial offset on both sides of the axial position of the associated circumferential permanent magnetization. These four magnetic field sensors each have the same tangential and radial positions as the four magnetic field sensors arranged at the axial position of the associated circumferential permanent magnetization. The magnetic field sensors arranged with the axial offset are each designed for the individual measurement of the radial direction component of the magnetic field caused by the respective permanent magnetization and by the force and / or by the moment. However, individual of the described arrangement positions of the individual magnetic field sensors can also be unoccupied so that, for example, only two or three of the four described magnetic field sensors are present at the axial position of the associated revolving permanent magnetization or at the position having the axial offset.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung sind jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren an der axialen Position der zugehörigen umlaufenden Permanentmagnetisierung angeordnet, die paarweise symmetrisch in Bezug auf eine die Achse senkrecht schneidende Symmetriegerade angeordnet sind. Die paarig symmetrisch angeordneten Magnetfeldsensoren weisen einen vom Betrag gleichen Winkel zu der Symmetriegerade auf. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung der radialen Richtungskomponente, der axialen Richtungskomponente und/oder der tangentialen Richtungskomponente des durch die jeweilige Permanentmagnetisierung und durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Bevorzugt sind jeweils mindestens vier der Magnetfeldsensoren an der axialen Position der zugehörigen umlaufenden Permanentmagnetisierung angeordnet, die paarweise symmetrisch in Bezug auf die Symmetriegerade angeordnet sind. Weiterhin sind bevorzugt jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren mit dem axialen Versatz auf beiden Seiten der axialen Position der zugehörigen umlaufenden Permanentmagnetisierung angeordnet. Diese jeweils zwei Magnetfeldsensoren weisen gleiche tangentiale und radiale Positionen wie die mindestens zwei an der axialen Position der zugehörigen umlaufenden Permanentmagnetisierung angeordneten Magnetfeldsensoren auf. Die mit dem axialen Versatz angeordneten Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung der radialen Richtungskomponente des durch die jeweilige Permanentmagnetisierung und durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Einzelne der beschriebenen Anordnungspositionen der einzelnen Magnetfeldsensoren können aber auch unbesetzt sein.In a further particularly preferred embodiment of the bearing arrangement according to the invention, in each case at least two of the magnetic field sensors are arranged at the axial position of the associated circumferential permanent magnetization, which are arranged in pairs symmetrically with respect to a symmetry thread perpendicularly intersecting the axis. The paired symmetrically arranged magnetic field sensors have a magnitude equal to the angle to the symmetrical arc. The magnetic field sensors are each designed for individual measurement of the radial direction component, the axial direction component and / or the tangential direction component of the magnetic field caused by the respective permanent magnetization and by the force and / or by the moment. Preferably, in each case at least four of the magnetic field sensors are arranged at the axial position of the associated circumferential permanent magnetization, which are arranged in pairs symmetrically with respect to the symmetrical pitch. Furthermore, preferably at least two of the magnetic field sensors are arranged with the axial offset on both sides of the axial position of the associated circumferential permanent magnetization. These two magnetic field sensors each have the same tangential and radial positions as the at least two magnetic field sensors arranged at the axial position of the associated circumferential permanent magnetization. The magnetic field sensors arranged with the axial offset are each designed for the individual measurement of the radial direction component of the magnetic field caused by the respective permanent magnetization and by the force and / or by the moment. However, individual of the described arrangement positions of the individual magnetic field sensors can also be unoccupied.
Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen sind weniger oder mehr als vier der Magnetfeldsensoren an der axialen Position der zugehörigen umlaufenden Permanentmagnetisierung und/oder mit dem axialen Versatz auf einer oder beiden Seiten der axialen Position der zugehörigen umlaufenden Permanentmagnetisierung angeordnet. Diese jeweils weniger oder mehr als vier Magnetfeldsensoren weisen bezogen auf die Achse paarweise einen Winkel zueinander auf, der von einem rechten Winkel oder von einem gestreckten Winkel abweicht.In alternatively preferred embodiments, fewer or more than four of the magnetic field sensors are disposed at the axial position of the associated circumferential permanent magnetization and / or with the axial offset on one or both sides of the axial position of the associated circumferential permanent magnetization. These less or more than four magnetic field sensors each have an angle with respect to the axis in relation to one another, which deviates from a right angle or from an extended angle.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung umfasst die Messanordnung mindestens zwei der Ringe, wobei jeder der Ringe eine der umlaufenden Permanentmagnetisierungen aufweist. Die Ringe sind bevorzugt jeweils vollständig durch die jeweilige umlaufende Permanentmagnetisierung magnetisiert. Die mehreren Ringe sind bevorzugt gleich ausgebildet.In preferred embodiments of the bearing arrangement according to the invention, the measuring arrangement comprises at least two of the rings, wherein each of the rings has one of the circulating permanent magnetizations. The rings are preferably each completely magnetized by the respective circumferential permanent magnetization. The plurality of rings are preferably identical.
Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung umfasst die Messanordnung genau den einen Ring, welcher die mehreren umlaufenden Permanentmagnetisierungen aufweist. Sämtliche der umlaufenden Permanentmagnetisierungen sind in dem einen Ring ausgebildet. Die umlaufenden Permanentmagnetisierungen weisen bevorzugt einen axialen Abstand auf, sodass axial zwischen den umlaufenden Permanentmagnetisierungen nichtmagnetisierte Bereiche im Ring vorhanden sind.In alternatively preferred embodiments of the bearing arrangement according to the invention, the measuring arrangement comprises exactly the one ring which has the several circulating permanent magnetizations. All of the circulating permanent magnetizations are formed in the one ring. The circulating permanent magnetizations preferably have an axial spacing, so that non-magnetized regions are present in the ring axially between the rotating permanent magnetizations.
Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe weisen in ihrer Umlaufrichtung bevorzugt jeweils einen rechteckförmigen oder trapezförmigen Querschnitt auf. Dieser Querschnitt liegt in einer Ebene, welche auch die Achse der Lageranordnung umfasst.The one or more rings preferably have a rectangular or trapezoidal cross-section in their direction of rotation. This cross-section is in a plane which also includes the axis of the bearing assembly.
Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe sitzen bevorzugt jeweils in einer im ersten Lagerring ausgebildeten umlaufenden Vertiefung. Entsprechend weist der erste Lagerring für jeden der Ringe eine der Vertiefungen auf. Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe schließen bevorzugt jeweils mit der zugehörigen Vertiefung bündig ab, sodass die Vertiefung bzw. die Vertiefungen vollständig ausgefüllt sind. Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe können aber auch aus der zugehörigen Vertiefung herausragen.The one ring or the plurality of rings preferably sit in each case in a circumferential recess formed in the first bearing ring. Corresponding the first bearing ring has one of the recesses for each of the rings. The one ring or the plurality of rings preferably terminate flush with the associated recess, so that the depression or depressions are completely filled. The one ring or the plurality of rings can also protrude from the associated recess.
Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe sitzen alternativ bevorzugt jeweils auf einer Zylindermantelfläche des ersten Lagerringes.The one ring or the plurality of rings preferably alternatively sit in each case on a cylinder jacket surface of the first bearing ring.
Die umlaufende Vertiefung bzw. die umlaufenden Vertiefungen erstrecken sich bevorzugt jeweils kreisringförmig. Die umlaufende Vertiefung bzw. die umlaufenden Vertiefungen weisen in ihrer Umlaufrichtung bevorzugt jeweils einen rechteckförmigen oder trapezförmigen Querschnitt auf. Dieser Querschnitt liegt in der Ebene, welche auch die Achse der umlaufenden Vertiefung und der Lageranordnung umfasst. Die umlaufende Vertiefung gewährleistet einen sicheren Sitz des jeweiligen Ringes und eine sichere Übertragung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes auf den jeweiligen Ring.The circumferential recess or the circumferential depressions preferably each extend in an annular manner. The circumferential recess or recesses preferably have a rectangular or trapezoidal cross-section in their direction of rotation. This cross-section is in the plane which also includes the axis of the circumferential recess and the bearing assembly. The circumferential recess ensures a secure fit of the respective ring and a secure transmission of the force to be measured or the torque to be measured on the respective ring.
Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe sitzen bevorzugt jeweils fest auf dem ersten Lagerring. Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe sitzen bevorzugt jeweils kraftschlüssig auf dem ersten Lagerring. Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe sind bevorzugt jeweils stoffschlüssig mit dem ersten Lagerring verbunden. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der eine Ring bzw. sind die mehreren Ringe jeweils als ein integrativer Bestandteil des ersten Lagerringes ausgebildet.The one ring or the plurality of rings are preferably each firmly seated on the first bearing ring. The one ring or the plurality of rings preferably sit non-positively on the first bearing ring. The one ring or the plurality of rings are preferably connected in each case materially connected to the first bearing ring. In further preferred embodiments, the one or more rings are each formed as an integral part of the first bearing ring.
Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe weisen bevorzugt eine hohe Magnetostriktivität auf. Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe bestehen bevorzugt aus einem magnetoelastischen Material. Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe bestehen bevorzugt aus einem ferromagnetischen Material. Der eine Ring bzw. die mehreren Ringe bestehen bevorzugt aus einem Stahl, besonders bevorzugt aus einem Werkzeugstahl. The one or more rings preferably have a high magnetostriction. The one or more rings are preferably made of a magnetoelastic material. The one or more rings are preferably made of a ferromagnetic material. The one or more rings are preferably made of a steel, particularly preferably of a tool steel.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung ist der erste Lagerring durch einen Außenring der Lageranordnung gebildet, während der zweite Lagerring durch einen Innenring der Lageranordnung gebildet ist. Alternativ bevorzugt ist der erste Lagerring durch einen Innenring der Lageranordnung gebildet, während der zweite Lagerring durch einen Außenring der Lageranordnung gebildet ist.In preferred embodiments of the bearing arrangement according to the invention, the first bearing ring is formed by an outer ring of the bearing assembly, while the second bearing ring is formed by an inner ring of the bearing assembly. Alternatively, preferably, the first bearing ring is formed by an inner ring of the bearing assembly, while the second bearing ring is formed by an outer ring of the bearing assembly.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung ruht der erste Lagerring, während der zweite Lagerring zum Rotieren gegenüber dem ersten Lagerring ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann auch der erste Lagerring zum Rotieren ausgebildet sein.In preferred embodiments of the bearing arrangement according to the invention, the first bearing ring rests, while the second bearing ring is designed to rotate with respect to the first bearing ring. Alternatively or additionally, the first bearing ring can also be designed to rotate.
Der erste Lagerring und der zweite Lagerring bestehen bevorzugt aus einem Stahl; besonders bevorzugt aus einem Wälzlagerstahl.The first bearing ring and the second bearing ring are preferably made of a steel; particularly preferably from a rolling bearing steel.
Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt an dem ruhenden der beiden Lagerringe befestigt. Die Magnetfeldsensoren sind alternativ bevorzugt an einem den ruhenden der beiden Lagerringe tragenden Maschinenelement befestigt. Die Magnetfeldsensoren sind besonders bevorzugt an dem ersten Lagerring befestigt. Die Magnetfeldsensoren sind alternativ besonders bevorzugt an einem den ruhenden ersten Lagerring tragenden Maschinenelement befestigt.The magnetic field sensors are preferably attached to the stationary of the two bearing rings. Alternatively, the magnetic field sensors are preferably fastened to a machine element supporting the stationary one of the two bearing rings. The magnetic field sensors are particularly preferably attached to the first bearing ring. As an alternative, the magnetic field sensors are particularly preferably fastened to a machine element carrying the stationary first bearing ring.
Der Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils durch eine Förstersonde, durch ein Fluxgate-Magnetometer, durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule oder durch einen Halbleitersensor gebildet. Grundsätzlich kann auch ein anderer Sensortyp verwendet werden, insofern er zur Messung des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet ist.The magnetic field sensors are preferably each formed by a Forster probe, by a fluxgate magnetometer, by a Hall sensor, by a coil or by a semiconductor sensor. In principle, another type of sensor can also be used insofar as it is suitable for measuring the magnetic field produced by the inverse-magnetostrictive effect.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung umfassen weiterhin Wälzkörper, die zwischen dem ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring angeordnet sind. Somit handelt es sich bei dem durch den ersten Lagerring, den zweiten Lagerring und die Wälzkörper gebildeten Lager um ein Wälzlager.Preferred embodiments of the bearing assembly according to the invention further comprise rolling elements, which are arranged between the first bearing ring and the second bearing ring. Thus, it is in the bearing formed by the first bearing ring, the second bearing ring and the rolling elements to a rolling bearing.
Die erfindungsgemäße Lageranordnung ist bevorzugt zur Lagerung eines Rades eines Fahrzeuges ausgebildet. Hierzu ist der erste Lagerring oder der zweite Lagerring bevorzugt einstückig mit einer Radnabe ausgebildet. Bevorzugt ist der als Innenring ausgebildete zweite Lagerring einstückig mit der Radnabe ausgebildet. The bearing assembly according to the invention is preferably designed for mounting a wheel of a vehicle. For this purpose, the first bearing ring or the second bearing ring is preferably formed integrally with a wheel hub. Preferably designed as an inner ring second bearing ring is formed integrally with the wheel hub.
Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Lageranordnung für eine beliebige Lageranwendung auch außerhalb der Fahrzeugtechnik geeignet.Basically, the bearing assembly according to the invention for any bearing application is also suitable outside the vehicle technology.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further details, advantages and developments of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention, with reference to the drawing. Show it:
Auf den Außenring
Die Messringe
Die Messringe
Radial beabstandet zu jedem der beiden Messringe
Der Lageraußenring
Eine erste Gruppe
Eine zweite Gruppe
Eine dritte Gruppe
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 0101
- Außenring outer ring
- 0202
- Innenring inner ring
- 0303
- Wälzkörper rolling elements
- 0404
- Radträger wheel carrier
- 0505
- 0606
- Radnabe wheel hub
- 0707
- Messring Messring
- 0808
- umlaufende Permanentmagnetisierung revolving permanent magnetization
- 0909
- umlaufende Vertiefung circumferential recess
- 1010
- 1111
- Magnetfeldsensor magnetic field sensor
- 1212
- Achse axis
- 1313
- 1414
- erste Gruppe first group
- 1515
- 1616
- zweite Gruppe second group
- 1717
- dritte Gruppe third group
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