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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Radsatzlagereinheit eines Fahrzeugs, insbesondere
eines Schienenfahrzeuges mit einer Einrichtung zur Messung der Drehzahl
einer in der Radsatzlagereinheit gelagerten Radachse. Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Sensoranordnung zur Messung der Drehzahl
einer rotierenden Achse oder Welle.
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Bei
Schienenfahrzeugen besteht zunehmend das Bedürfnis, die Drehzahl der einzelnen Radachsen
während
des Betriebes messen zu können.
Aus den Messwerten können
Rückschlüsse auf die
Geschwindigkeit des Fahrzeuges, auf Störungen des Fahrbetriebes oder
auch auf die Betriebsdauer des Radsatzlagers gezogen werden.
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Aus
der
DE 41 38 867 02 ist
eine Schienenfahrzeug-Achsanordnung mit einem feststehenden Drehzahldetektor
bekannt. Der Drehzahldetektor ist innerhalb einer Dichtungsbaugruppe
zur Abdichtung eines Wälzlagers
angeordnet. Die Dichtungsbaugruppe umfasst weiterhin ein Ringelement,
welches drehfest mit der Radachse verbunden ist. Das Ringelement
ist mit mehreren Diskontinuitätszonen
versehen, die beispielsweise durch permanent magnetisierte Zonen
gleicher Breite gebildet sind. Im Bereich eines axialen Endes der
Radachse befindet sich ein Sitz, auf welchem der Detektor stationär getragen wird.
Der Detektor kann als Sensor eines magnetoresistiven Typs oder als
Hall-Sensor ausgeführt
sein. Der Detektor steht dem Ringelement gegenüber und misst bei einer Rotation
der Radachse die Auswirkungen der sich am Detektor entlang bewegenden Diskontinuitätszonen.
Dem Vorteil einer dichten Detektoranordnung steht der Nachteil einer
aufwändigen
Konstruktion einer solchen Lösung
gegenüber. Insbesondere
erfordert die Herstellung und Montage des Ringelementes mit den
Diskontinuitätszonen
einen erhöhten
Aufwand.
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Aus
der
DE 196 44 744 02 ist
eine Drehzahlmesseinrichtung für
Radlager bekannt, mit welcher die Lagerdrehzahl eines Radlagers
von Kraftfahrzeugen bestimmt werden kann. Am stillstehenden Lageraußenring
des Radlagers ist ein nicht ferromagnetisches Abdeckteil befestigt,
welches das Lagerinnere gegen Umwelteinflüsse schützt. Am rotierenden Lagerinnenring
ist ein mitrotierendes Impulsgeberteil innerhalb des Abdeckteiles
angeordnet. Außerhalb des
Abdeckteiles und getrennt von diesem ist ein Drehzahlsensor angeordnet,
welcher dem Impulsgeberteil gegenübersteht. Des Weiteren sind
am Abdeckteil Dichtlippen zu Abdichtung gegenüber dem Lagerinnenring angeordnet.
Der Drehzahlsensor kann durch einen Hall-Sensor oder einen magnetoresisitiven
Sensor gebildet sein und ist über
ein Kabel mit einer Auswerteeinheit verbunden. Auch diese Lösung zur
Drehzahlmessung an einem Rad weist den Nachteil auf, dass es eines
speziellen Wälzlagers
bedarf, welches mit einem Impulsgeberteil und einer aufwändigen Dichtung
versehen ist. Das die Maßverkörperung
bildende Impulsgeberteil kann infol ge nicht sachgerechter Montage
oder Wartung am Lageraußenring
anschlagen oder sogar abreißen,
was zu einer Blockade des Lagers führen kann. Dies stellt ein
erhebliches Sicherheitsrisiko dar.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Radsatzlagereinheit
insbesondere für
ein Schienenfahrzeug zur Verfügung
zu stellen, bei welcher die Drehzahl der gelagerten Radachse aufwandsarm
und ohne weit reichende konstruktive Veränderungen an konventionellen
Radsatzlagern gemessen werden kann. Insbesondere sind die Nachteile
des Standes der Technik hinsichtlich der Montage und Sicherheitsrisiken
der Maßverkörperung
zu überwinden.
Im Weiteren besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine geeignete
Sensoranordnung zur Messung der Drehzahl der gelagerten Achse oder
einer rotierenden Achse oder Welle im Allgemeinen bereitzustellen.
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Diese
Aufgaben werden gelöst
durch eine Radsatzlagereinheit und durch eine Sensoranordnung gemäß dem jeweiligen
unabhängigen
Anspruch.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Radsatzlagereinheit
ist ein Dauermagnet an einem axialen Ende einer Radachse angeordnet,
sodass er gegenüber einem
stationären
Sensor rotiert.
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Der
Sensor, welcher dem Dauermagneten gegenüberstehend und drehfest gegenüber dem Fahrzeug
angeordnet, bestimmt eine Richtung eines auf den Sensor einwirkenden
Magnetfeldes. Abhängig
von der bestimmten Richtung des Magnetfeldes erzeugt der Sensor
ein elektrisches Ausgangssignal. Eine elektronische Schaltung dient
der Umwandlung des Ausgangssignals des Sensors in einen Drehzahlimpuls.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
ist ein Dauermagnet an einem axialen Ende einer rotierenden Achse
oder Welle angeordnet, sodass er gegenüber einem stationären Sensor
in der Rotationsachse der Achse oder Welle rotiert.
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Der
Sensor bestimmt ein Ausgangssignal, welches abhänigig ist von einer Richtung
eines auf den Sensor einwirkenden Magnetfeldes des Dauermagneten.
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Anders
ausgedrückt,
das Ausgangssignal des Sensors ändert
sich in Abhängigkeit
von der Richtung des einwirkenden Magnetfeldes, sodass die infolge
einer Rotation der Achse auftretende Magnetfeldrichtungsänderung
des Dauermagneten mit dem Sensor gemessen werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Sensoranordnung kann
für eine
rotierende Achse eines Fahrzeuges oder für eine rotierende Welle oder
Achse eines Getriebes oder auch eines allein fungierenden Maschinenelementes
genutzt werden.
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Ein
wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Radsatzlagereinheit besteht
darin, dass nur eine minimale Veränderung an den rotierenden
Teilen einer konventionellen Radsatzlagereinheit notwendig ist. Im
einfachsten Fall ist lediglich ein kleiner Dauermagnet auf das Ende
der Radachse aufzukleben. Hierfür
sind keine zusätzlichen
abdichtenden Maßnahmen
erforderlich.
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Ein
wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Sensoranordnung besteht
darin, dass sie an vielen Achsen und Wellen aufwandsarm nachgerüstet werden
kann.
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Eine
erfindungsgemäße Radsatzlagereinheit kann
durch ein Nachrüsten
einer bestehenden Radsatzlagereinheit geschaffen werden. Es müssen lediglich
der Dauermagnet und der Sensor einschließlich der elektronischen Schaltung
nachgerüstet
werden. Hierfür
sind keine Veränderungen
an funk tionell relevanten Teilen der bestehenden Radsatzlagereinheit
notwendig. Ebenso ist es möglich,
in Produktion befindliche konventionelle Radsatzlagereinheiten durch
ergänzende
Produktionsschritte erfindungemäß auszuführen. Daher
sind keine grundlegenden Veränderungen
der bestehenden Produktionstechnik für Radsatzlagereinheiten erforderlich.
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Vorzugsweise
bestimmt der Sensor die Richtung des Magnetfeldes in Form eines
Richtungsvektors, insbesondere in Polarkoordinaten oder kartesische
Koordinaten.
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Weiter
vorzugsweise ist der Dauermagnet durch einen einfachen zweipoligen
Magneten gebildet. Die beiden Pole eines solchen Dauermagneten sind
für die
Funktion einer erfindungsgemäßen Radsatzlagereinheit
ausreichend. Es können
aber auch Magnete mit mehr als zwei Polen verwendet werden.
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Der
Dauermagnet ist bevorzugt rotationssymmetrisch in Form eines Zylinders
ausgeführt.
Die Rotationssachse der Zylinderform ist vorzugsweise in der Achse
der rotierenden Radachse angeordnet. Da hierdurch der Schwerpunkt
des Dauermagneten in der Achse der rotierenden Radachse liegt, wirken keine
Unwuchtkräfte
auf den Dauermagneten.
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Der
Dauermagnet ist vorzugsweise auf einer Druckkappe aufgebracht, die
auf dem axialen Ende der Radachse aufgesetzt wird. Der Dauermagnet kann
beispielsweise auch als Klebestreifen, als Substrat oder als integraler
Bestandteil der Druckkappe oder der Radachse ausgeführt sein.
Auch kann der Dauermagnet durch eine dauerhafte Magnetisierung eines
Bereiches einer bereits vorhandenen Druckkappe oder der Radachse
ausgebildet werden.
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Bei
dem Sensor einer erfindungsgemäßen Radsatzlagereinheit
oder einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
handelt es sich vorzugsweise um einen Sensor, welcher unter Anwendung
des anisotropen magnetoresistiven Effektes (AMR), des Giant-magnetoresistiven
Effektes (GMR), des Hall-Effekts
oder des Tunnel-magnetoresistiven Effektes (TMR) arbeitet. Derartige
Sensoren sind als miniaturisierte Bauteile verfügbar und eignen sich besonders zur
Messung einer Magnetfeldrichtungsänderung. Die miniaturisierten
Bauteile enthalten meist zumindest einen Teil der elektronischen
Schaltung zur Erzeugung eines Drehzahlimpulses. Es lassen sich jedoch
auch andere Sensortypen verwenden, die sensitiv hinsichtlich einer
Magnetfeldrichtungsänderung sind
und beispielsweise auf Basis einer im Sensor induzierten Spannung
messen.
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Der
Sensor ist vorzugsweise so angeordnet, dass sich ein sensibles Sensorelement
des Sensors in der Rotationsachse der rotierenden Radachse befindet.
Diese Anordnung bewirkt, dass die infolge des rotierenden Dauermagneten
auftretenden Richtungsänderungen
des Magnetfeldes in hohem Maße
am Sensor wirksam werden.
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Bevorzugt
sind Sensoren zu verwenden, welche zwei Sensorelemente umfassen,
wobei die Sensorelemente in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
Bei einer Rotation des Dauermagneten weisen die beiden Sensorelemente
Ausgangssignale auf, die hinsichtlich ihrer Periodendauer um 90° versetzt
sind, sodass immer mindestens ein Ausgangssignal von Null verschieden
ist. Die beiden Ausgangssignale können mit einer Schaltung zur
Interpolation innerhalb der elektronischen Schaltung zu einem Signal
kombiniert werden. Dieses kombinierte Ausgangssignal ähnelt dem
Ausgangssignal konventioneller Drehzahlmesseinrichtungen. Schaltungen zur
Kombination der beiden Ausgangsignale sind als integrierte Schaltungen
verfügbar.
Daher kann der Sensor einschließlich
dessen elektronischer Schaltung in Form einer integrieren Schaltung,
welche den Sensor enthält,
und einer integrierten Schaltung zur Kombination der Ausgangssignale
beider Sensorelemente des Sensors ausgeführt werden.
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Bekannte
Radsatzlagereinheiten weisen einen Lagerdeckel auf, der bevorzugt
zur Anbringung des Sensors und der elektronischen Schaltung zu verwenden
ist. Derartige Lagerdeckel sind wie der Lageraußenring an einem Radträger befestigt.
Folglich ist der Lagerdeckel unbeweglich und daher drehfest gegenüber dem
Lageraußenring
angeordnet. Eine bestehende Radsatzlagereinheit kann durch einen
Austausch des Lagerdeckels und durch die Anbringung des Dauermagneten
einfach und aufwandsarm zu einer erfindungsgemäßen Radsatzlagereinheit umgerüstet werden.
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Die
Merkmale der Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Radsatzlagereinheit
hinsichtlich der Anordnung und Gestaltung des Sensors und des Dauermagneten
sind in gleicher Weise auch bei einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
realisierbar.
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Weitere
Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen, unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Radsatzlagereinheit;
und
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2 eine
Detailansicht eines Dauermagneten der in 1 gezeigten
Radsatzlagereinheit.
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1 zeigt
eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radsatzlagereinheit.
Die Radsatzlagereinheit ist insbesondere im Endbereich einer in
der Radsatzlagereinheit gelagerten Radachse gezeigt, wobei die Radachse
durch eine auf das Ende der Radachse aufgesetzte Druckkappe 01 in
der Darstellung verdeckt ist. Die Radsatzlagereinheit umfasst weiterhin ein
Wälzlager
(nicht gezeigt), welches durch einen rotierenden Lagerinnenring,
einen stationären
Lageraußenring
und Wälzkörper gebildet
ist. Die Druckkappe 01 ist mit Schrauben 02 an
der Radachse befestigt. An der Außenseite der Druckkappe 01 ist
ein Dauermagnet 03 angeordnet, dessen Schwerpunkt in der
Achse der rotierenden Radachse liegt. Der Dauermagnet 03 rotiert
gemeinsam mit der Radachse und deren Druckkappe 01. Da
der Schwerpunkt des Dauermagneten 03 in der Achse der rotierenden Radachse
liegt, wirken während
der Rotation des Dauermagneten 03 keine Unwuchtkräfte auf
diesen. Die Pole des Dauermagneten 03 sind so angeordnet, dass
eine gedachte Verbindungslinie zwischen den Polen senkrecht zur
Achse der Radachse liegt. Der Dauermagnet 03 ist beispielsweise
mit einer Klebeverbindung an der Druckkappe 01 befestigt.
Der Dauermagnet kann aber auch mit einer Halterung oder einer Schraubbefestigung
an der Druckkappe befestigt werden. Bei Radsatzlagereinheiten, die
keine Druckkappe aufweisen, kann der Dauermagnet auch direkt an
der Radachse oder an einem anderen mit der Radachse verbundenen
Teil angebracht werden. Die Verbindung muss drehfest und entsprechend
der auftretenden Belastungen ausgeführt sein.
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Die
Radsatzlagereinheit weist weiterhin einen Lagerdeckel 04 auf,
welcher das Innere der Radsatzlagereinheit vor Umwelteinflüssen schützt. Der Lagerdeckel 04 ist
gemeinsam mit dem stationären Lageraußenring
an einem Lagerträger
(nicht gezeigt) befestigt. Folglich ist der Lagerdeckel 04 gemeinsam mit
dem Lageraußenring
stationär
gegenüber
der rotierenden Radachse und dem Lagerinnenring angeordnet. Auf
der Innenseite des stationären
Lagerdeckels 04 ist ein Sensor 06 mit einer elektronischen Schaltung
angeordnet. Der Sensor 06 ist so angeordnet, dass dessen
sensorische Seite dem Dauermagneten 03 gegenübersteht.
Bei dem Sensor 06 handelt es sich um einen GMR-Sensor,
dessen ohmscher Widerstand sich in Abhängigkeit von der Richtung des
Magnetfeldes ändert.
Der Sensor 06 umfasst zwei Sensorelemente, welche hinsichtlich
ihrer Abtastrichtung im Winkel von 90° zueinander angeordnet sind
und vorzugsweise jeweils über
einen eigenen Anschluss von außen
anschließbar
sind. Diese Anschlüsse
bzw. die an ihnen gelieferten Sensorsignale werden im Weiteren mit
den Bezeichnungen cos und sin benannt, da sie im Sinne eines trigonometrisch beschreibbaren Winkelwertes
des abgetasteten Magnetfeldes dem Cosinusanteil und dem Sinusanteil entsprechen.
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Die
beiden Signale cos und sin werden der elektronischen Schaltung am
Sensor 06 zugeführt. Die
elektronische Schaltung umfasst eine Interpolationsschaltung, welche
die Signale cos und sin kombiniert. Das kombinierte Signal alterniert
im Takt der Magnetfeldrichtungsänderung
des Dauermagneten 03. Dieses Signal ist daher vergleichbar
mit einem Ausgangssignal eines konventionellen Drehzahlsensors,
dessen Maßverkörperung
beispielsweise durch eine Schlitzscheibe oder ein Zahnrad gebildet
ist. Auf diese Weise ist erfindungsgemäß eine Drehzahlmesseinrichtung
zur Verfügung
gestellt, welche hinsichtlich ihres Ausgangssignals kompatibel zu
bisherigen Drehzahlmesseinrichtungen ist.
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Der
Sensor kann bei anderen Ausführungsformen
auch direkt oder mit einer Halterung am stationären Lageraußenring befestigt werden. Der
Sensor kann auch an einem anderen Teil der Radsatzlagereinheit befestigt
werden, insofern der Sensor hierdurch stationär gegenüber der rotierenden Radachse ausgerichtet
ist und er sich im Wirkungsbereich des magnetischen Feldes des Dauermagneten
befindet.
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Die
Sensor 06 und dessen elektronische Schaltung sind über ein
Kabel (nicht gezeigt) angeschlossen, welches durch ein Loch in dem
Lagerdeckel 04 nach außen
geführt
ist. Die Austrittsstelle des Kabels ist mit einer Schutzkappe 07 geschützt. In
der Schutzkappe 07 befinden sich elektrische Anschlüsse (nicht
gezeigt), an welche Leitungen zum Anschluss an die Fahrzeugelektronik
angeklemmt werden können.
Zur Demontage der Radsatzlagereinheit werden diese Leitungen von
der Radsatzlagereinheit abgeklemmt.
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Alternativ
kann eine Steckverbindung zum Anschluss an die Fahrzeugelektronik
vorgesehen sein. Weiter alternativ kann die Signalübertragung auch über eine
kabellose Kommunikationsverbindung vorgenommen werden.
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2 zeigt
eine Detailansicht des zylinderförmigen
Dauermagneten 03 und des Sensors 06 der in 1 gezeigten
Radsatzlagereinheit. Der Dauermagnet 03 weist einen Nordpol
N und einen Südpol S
auf, die bei einer durch einen Pfeil 08 symbolisierten
Rotation sich in gleicher Weise gegenüber dem Sensor 06 bewegen.
Der Dauermagnet 03 kann auch mit mehr als zwei Polen ausgeführt werden,
um beispielsweise Umdrehungen des Rades auch in kleinen Winkelabschnitten
genau messen zu können oder
um den Verdrehwinkel des Rades gegenüber einem Referenzpunkt bestimmen
zu können.
Der Dauermagnet kann auch eine andere Form, beispielsweise die eines
Kegelstumpfes oder die eines Quaders aufweisen, insofern der Dauermagnet
ein Magnetfeld mit einer sich mit der Rotation der Radachse verändernden
Richtung aufweist.
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Das
zwischen den Polen des Dauermagneten 03 ausgebildete Magnetfeld
ist durch Magnetfeldlinien 09 dargstellt. Die Magnetfeldlinien 09 verlaufen durch
den Sensor 06. Die Richtung der Magnetfeldlinien 09 ist
abhängig
vom Verdrehwinkel der Radachse, sodass sich bei einer Rotation des
Dauermagneten 06 die vom Sensor gelieferten Signale cos
und sin periodisch ändern.
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- 01
- Druckkappe
- 02
- Schraube
- 03
- Dauermagnet
- 04
- Lagerdeckel
- 05
- –
- 06
- Sensor
mit elektronischer Schaltung
- 07
- Schutzkappe
- 08
- Rotationsrichtung
- 09
- Magnetfeldlinien