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EP1754066A2 - Verfahren und computerprogramm zur ermittlung von betriebsparametern in einem wälzlager sowie hiermit auswertbares wälzlager - Google Patents

Verfahren und computerprogramm zur ermittlung von betriebsparametern in einem wälzlager sowie hiermit auswertbares wälzlager

Info

Publication number
EP1754066A2
EP1754066A2 EP05763672A EP05763672A EP1754066A2 EP 1754066 A2 EP1754066 A2 EP 1754066A2 EP 05763672 A EP05763672 A EP 05763672A EP 05763672 A EP05763672 A EP 05763672A EP 1754066 A2 EP1754066 A2 EP 1754066A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
value
calculated
time
sign
calculation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05763672A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alfred Pecher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler KG filed Critical Schaeffler KG
Publication of EP1754066A2 publication Critical patent/EP1754066A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/04—Bearings
    • G01M13/045—Acoustic or vibration analysis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/52—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/52—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions
    • F16C19/522—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions related to load on the bearing, e.g. bearings with load sensors or means to protect the bearing against overload
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0009—Force sensors associated with a bearing
    • G01L5/0019—Force sensors associated with a bearing by using strain gages, piezoelectric, piezo-resistive or other ohmic-resistance based sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/04—Bearings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/443—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed mounted in bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2233/00—Monitoring condition, e.g. temperature, load, vibration

Definitions

  • the present invention relates to a method and a computer program product (also called computer program or software for short) according to claims 1 and 19 for determining operating parameters in a rolling bearing and a rolling bearing which can be evaluated with the aid of the aforementioned method according to claim 20.
  • Rolling bearings are used in every machine in the industrial area. Due to the constantly increasing demands on the service life and the operational safety of such machines, there is an increasing need for individual operating parameters such as the speed, the direction of rotation, forces acting on the bearing in the axial and radial direction, and disturbances in the bearing, which are generally referred to as structure-borne noise events, to be recorded in order to derive, among other things, indications of potentially critical situations for the warehouse and / or the machine.
  • the local extrema could be found by differentiating the curve and searching for the zeros of the first derivative. The times for the occurrence of an extremum can be read from this, from which the functional value of the original curve at the corresponding point in time is then obtained.
  • the sensor signal is overlaid with interferers, so that the approach of differentiation does not lead to a usable result.
  • values of the signal curve would have to be buffered using this method.
  • Such problems are often also solved by detecting the local maxima and minima of the curve via the time shift of a window with a width adapted to the signal frequency. However, this procedure is only practical if the frequency remains constant or changes only slowly in order to be able to readjust the window width accordingly. When used in the warehouse, the speed changes are too fast, so that such an approach must be excluded from the outset.
  • Spectral evaluation methods for determining the signal frequency and the speed to be deduced therefrom are also unsuitable for the application, since the real-time character is lost through Fourier transformation or Fast Fourier transformation and the temporal averaging contained therein, since fluctuations in the frequency are no longer detected can.
  • a considerable number of function values of the curve must be buffered here in order to obtain the necessary one to achieve spectral resolution.
  • the problem of data lines can be solved by integrating sensors and evaluation electronics in the form of several sensors with assigned microcomputers in the vicinity of the rolling bearing, if possible even in the rolling bearing itself. with a so-called IQ Bearing - solve.
  • the demands placed on development are particularly high, since this local integration of sensors and evaluation electronics is to be carried out without changing the external geometric shape of the bearing. This naturally increases the demands on the microelectronic components due to the increased environmental influences of temperature, lubricants and coolants and the small size of the required hardware components.
  • the present invention is based on the object of creating the most efficient but safe method for determining operating parameters in a rolling bearing, which is intended to offer the possibility of using an electronic circuit which is located in the vicinity of the rolling bearing and preferably in the rolling bearing itself to be carried out, the method also being intended to be implementable as a computer program. Furthermore, a rolling bearing is to be created which can be or is connected to an evaluation device in which the operating parameters are determined efficiently and reliably.
  • inventive method according to claim 1 and the inventive computer program according to claim 19 can be integrated into an electronic circuit or a chip even in the rolling bearing itself in a very small space, reacts "intelligently" to dynamic changes in the rolling bearing and is capable of operating parameters with high To determine accuracy.
  • the rolling bearing according to the invention according to claim 20 comprises an evaluation device with which the method according to claims 1 to 18 or alternatively the and / or storable on a storage medium (for example RAM, ROM, CD, DVD, floppy disk, hard disk, flash memory, etc.) or can be executed via a network accessible computer program according to claim 19.
  • a storage medium for example RAM, ROM, CD, DVD, floppy disk, hard disk, flash memory, etc.
  • the evaluation device which is preferably designed as an ASIC in a chip, has only limited computing capacities due to its placement in the groove of the outer ring.
  • the width of the chip is determined a priori by the width of the outer ring of the bearing.
  • the chip is not too long in the circumferential direction of the outer ring, since otherwise the chip located in the groove would be disproportionately bent due to the curvature of the outer ring, and a defect would therefore result. Due to the limited chip area, the mathematical or signal-theoretical possibilities that can be realized by the module are indeed very limited, but are completely sufficient for carrying out the method according to the invention. In particular, no evaluation methods are used that rely on the intermediate storage of a large amount of signal values.
  • 5 shows a block diagram of an ASIC according to the invention
  • 6 shows a sensor signal in which reference points for evaluating the operating parameters are given
  • FIG. 7 shows a representation similar to FIG. 2 for an arrangement for detecting the axial force acting on the bearing
  • 13 is a graph of the structure-borne noise signal at the output of the IIR high-pass filter
  • FIG. 15 shows a graph of the same section of the signal as in FIG. 14, but the usual second-order statistical moment of the signal was calculated recursively
  • 16a to 16h are flow diagrams which illustrate a preferred embodiment of the method according to the invention for determining all operating parameters in all details.
  • a rolling bearing according to the invention and the theoretical foundations for a method for determining the operating parameters are first described using a preferred embodiment, and then this method according to the invention for determining these operating parameters is described in detail using flow diagrams.
  • 1 and 2 represent the main components of the roller bearing 20 according to the invention, a so-called intelligent bearing.
  • the representation is symbolic and serves to illustrate, but is not to be regarded as restrictive.
  • the intelligent bearing is intended to provide the user with information about the force acting on the roller bearing 20 (hereinafter also abbreviated to "bearing"), about the speed and the direction of rotation of the bearing. Furthermore, a possibility is to be created for the detection of rolling bearing faults and of impacts transmitted to the rolling bearing 20, which are noticeable as a structure-borne sound signal.
  • a roller bearing 20 comprises an inner ring 21 and an outer ring 22, on the outside of which a circumferential longitudinal groove 23 is provided.
  • Rolling elements 24 are arranged between the inner ring 21 and in the outer ring 22, so that the inner ring 21 is rotatable relative to the outer ring 22.
  • sensor arrangements 26 - also called “sensors” 26 for short - are used, which in the preferred embodiment are four strain gauges 31 to 34 combined to form a Wheatstone bridge circuit, which are accommodated in an external longitudinal groove 23 in the outer ring 22 and the like Resistance changes due to the rolling over by the rolling elements 24.
  • a circuit board 28 arranged in the groove 23 is shown schematically, which produce the conductor connections between the individual strain gauges 31 to 34 of each sensor 26 and the conductor connections between the sensors 26 and the evaluation devices 50 described later.
  • the direction of movement of the rolling elements 24 is indicated by an arrow A in FIG. 2.
  • the groove 23 and thus the printed circuit board 28 is located in the entire circumference of the outer ring 22 with sensors 26 (strain gauges 31 to 34) arranged at equidistant intervals and a corresponding evaluation device 50 for each sensor, as will be explained in more detail later.
  • the resulting sensor signal 40 is to be evaluated in a suitable manner by the evaluation device 50, preferably electrical circuits in the form of user-specific circuits, so-called ASICs (Application Specific Integrated Circuits).
  • ASICs Application Specific Integrated Circuits
  • the method according to the invention, which runs in the ASICs, for determining the operating parameters sought must be dimensioned in such a way that consistent online evaluation of the data is possible despite the restricted installation space and thus the limited chip size.
  • the complete unit of sensor and intelligent evaluation hardware thus represents a so-called “smart sensor", which makes it possible to provide the potential customer with extensive information about the bearing 20 and its operating parameters in real time.
  • the geometric arrangement of the sensors 26 in the outer ring 22 must be taken into account, since this determines the course of the signal 40 supplied by the sensor 26 and thus also specifies the procedure for the signal-theoretical treatment of the sensor signal 40.
  • the four strain gauges 31 to 34 of a sensor 26 connected to form a Wheatstone bridge are arranged in the longitudinal direction of the groove 23 in such a way that their distance from one another corresponds to half the distance between the rolling elements (cf. FIG. 2). This ensures that two strain gauges 31 and 33 or 32 and 34 of a bridge are always rolled over by rolling elements 24 at the same time.
  • the first strain gauge 31 of the subsequent Wheatstone bridge in the groove 23 is also again half the distance between the rolling elements and the last strain gauge 34 of the previous bridge.
  • This arrangement results in z / 2 sensors 26 in the bearing for z rolling elements. This ensures that Force influences can be measured from all radial directions.
  • fewer or even more than z / 2 sensors can be present, for example z / 2 -1, z / 2 +1, z + 1, or 2 z sensors.
  • the strain gauges (hereinafter also abbreviated as strain gauges) are preferably connected to form bridges such that the distance between the first strain gauge and the third strain gauge and the distance between the second strain gauge and the fourth strain gauge are an integral multiple of the rolling element distance.
  • strain gauges for example the first and second strain gauges
  • a third or fourth strain gage each with a non-strain-sensitive resistor
  • other sensors such as piezoelectric or magnetic sensors can also be used. In this case, a different ratio of sensors to rolling elements can result.
  • FIG. 2 schematically shows the geometric distribution of strain gauges and rolling elements 24 in the groove 23 of the outer ring 22 for a sensor.
  • DMS1 31 and DMS3 33 are rolled over, the bridge output voltage increases with a constant supply voltage U B with increasing deformation of the strain gauges caused by the rolling bearing pressure U A (t) on.
  • the strain gauges connected crosswise in the bridge circuit are rolled over or deformed synchronously, which increases the increase in the output voltage.
  • the strain gauges DMS1 31 and DMS3 33 are increasingly relieved until they have reached their original resistance value and the bridge is almost balanced.
  • the frequency f of the signal 40 corresponds to the rollover frequency of the rolling elements 24 on the fixed outer ring 22, which is mathematical about the rotational speed of the shaft in the following Connection stands:
  • variable z indicates the number of rolling elements 24, D w is the diameter of the rolling elements, D pw is the pitch circle diameter and ⁇ is the contact angle, which is to be set to zero in the cylindrical roller bearing.
  • n the speed of the shaft is denoted in ⁇ / Mm , which has to be converted to the unit U / Hz in order to obtain the frequency in Hz.
  • the sensor signal 40 has an offset or offset which differs from sensor to sensor and which arises due to the process when the thin-film structures of a bridge are applied to the roller bearing steel with resistance values which are not exactly the same.
  • the unbalanced distribution of the resistance values results in the DC component at the bridge output.
  • a further offset can arise during operation of the rolling bearing due to changes in the ambient conditions, for example due to changes in temperature.
  • a surface defect in the rolling bearing or a structure-borne noise event caused by the rollover of dirt particles is manifested in the application by a signal component in the sensor signal that is higher in frequency than the approximately sinusoidal fundamental vibration. 4 shows an example of such a rolling element fault.
  • FIG. 5 shows a block diagram for an evaluation device 50 according to the invention for determining the operating parameters of a roller bearing 20, this evaluation device preferably being in the form of an ASIC which can be arranged in the groove 23 of the outer ring 22 of the bearing 20.
  • this evaluation device preferably being in the form of an ASIC which can be arranged in the groove 23 of the outer ring 22 of the bearing 20.
  • a low-pass filter 57 preferably an FIR (Finite Impulse Response) filter
  • This FIR filter 57 is preferably sixteenth order at a cutoff frequency of 12 kHz. For example, it could also have a higher order, but then requires more space on the ASIC 50.
  • an evaluation of the frequency range is carried out, which contains the relevant information for the evaluation in the branch.
  • FIR filter 58 likewise of the sixteenth order
  • the desired operating parameters of the bearing are then determined in the form of the speed, the radial force (corresponding to the Stroke of the signal 40), the axial force and the direction of rotation, which is represented schematically by corresponding function blocks 51 to 54.
  • the frequency correlated with the rotational speed is suppressed by a high-pass filter 59, preferably an MR (Infinite Impulse Response) high-pass filter of the sixth order, and in function block 55 the generally higher-frequency component of the structure-borne noise signal is weighted and then suitable for post-processing evaluated.
  • the determination of the individual operating parameters does not necessarily take place separately in individual function blocks (also called partial methods or "evaluation units") 51 to 55, but preferably in one, according to the schematic representation in FIG. 2 only method in which the individual sub-methods or evaluation units (function blocks 51 to 55) are interlocked and lead to results in real time.
  • the filter limits of the FIR filters are preferably selected so that any bearing designs can be evaluated with the same ASIC.
  • the filter limits therefore represent a compromise between the achievable signal-to-noise ratio SNR in the upper branch of signal evaluation and the cost distribution for the intelligent warehouse over many bearing types and designs.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the lower branch of the ASIC in this embodiment there was a need to implement a sixth order programmable IIR filter.
  • this also makes it possible for a bearing type to adjust the filter in rough frequency steps at varying speeds and thus to carry out the best possible analysis of structure-borne noise events.
  • the features of the sensor signal determined in the blocks "direction of rotation”, “stroke”, “speed”, “axial force” and “structure-borne noise” are obtained via an SPI (serial peripheral interface) located in the groove 23 of the outer ring 22, but not shown here.
  • -Bus forwarded to a DSP (digital signal processor), which is also not shown, located outside the warehouse.
  • the DSP is responsible for organizing the data exchange in the warehouse, programming the ASICs in the warehouse or querying the data from the warehouse.
  • the DSP can calculate a total force for the force acting on the individual sensors 26, which results from the respective signal strokes and the geometric distribution of the measuring points.
  • it essentially forms the interface between the intelligent warehouse and the customer application, which fetches data from the warehouse with the standardized interface provided by the DSP and acts on the system according to the specifications or monitors the system.
  • the parameters of the curve of the sensor signal 40 which are necessary for an evaluation and are related to the auxiliary line are all entered in FIG. 6. This results, for example, from the two Times t aUf i and t auf2 , which mark the crossing points between an auxiliary line 42 and the successive rising edges of the curve, the period of the sensor signal and thus the shaft speed according to equation (1).
  • the speed can thus be determined online within a very short time.
  • the intersection points of the falling flank of the sensor signal 40 with the auxiliary line 42, t a 1 and t ab2 can of course also be used for the calculation of the rotational speed.
  • the given sensor geometry also makes it possible to determine the speed in a half-wave, which seems particularly useful at low speeds.
  • the access time to the value of the shaft speed is halved again, since a new value is available for each half period, so that the information is quickly available even at slow speeds.
  • the auxiliary line concept can also be used to install a criterion for the direction of rotation in the signal curve.
  • a pair of strain gauges (in the picture DMS2 32 'and DMS4 34') is arranged in the sensor 27 with respect to the strain gauges 32 and 34 shown in dashed lines for clarity in accordance with the arrangement known from FIG be overrun at an earlier time.
  • an asymmetry can be generated in the course of the sensor signal 40, which can be used to detect the direction of rotation.
  • 8 shows the measuring principle on a positive half-wave of the sensor signal. The relationships in the illustration are exaggerated in comparison to the real asymmetry in order to clarify the principle.
  • the extrema of the signal 40 shift relative to one another in the time direction, so that, for example, the maximum, depending on the direction of rotation, either to the left or to the right of the time center (with "0" on the abscissa in FIG. 8 designated) from t auf1 and t a 1 , whereby t aUf i and t ab1 do not change in the arrangement according to FIG. 8 compared to the arrangement according to FIG. 2.
  • the direction of rotation results from the sign of the expression, for example
  • the evaluation of the sensor signal 40 can be carried out very easily in this way.
  • the mean value of the offset signal 40 is useful as an auxiliary line 42.
  • a solution can, however, be found by recursively / adaptively estimating the desired mean value of the signal 40 as the aforementioned auxiliary line 42 intersecting the signal 40.
  • This recursive / adaptive estimate of the mean represents a preferred embodiment of the present invention; it is generally sufficient if an auxiliary line is selected which intersects the signal 40 and is essentially parallel to its envelope or essentially follows this signal.
  • the stochastic variable E ⁇ Y ⁇ (k) represents the linear expected value of the sensor signal y (k) at the time k and K (k) represents the feedback gain or in other words the adaptation constant.
  • the feedback gain K (k) dynamically depending on the noise processes.
  • the design of the adaptive estimate with regard to the speed and consistency of the estimate can, for example, be based on stochastic criteria.
  • the result is a feedback gain K (k) that changes over time.
  • the values of K (k) are very high, which leads to a rapid settling to the desired value.
  • FIG. 9 shows the course of the estimate of the mean value 43 for the sensor signal 40 specified in FIG. 3 according to the method discussed.
  • the mean value obtained for each sampling cycle is subtracted from the current sensor signal value.
  • the frequency response of the sixth-order IIR filter 59 in the structure-borne branch of FIG. 5 can be programmed in its frequency characteristic by downloading coefficients via the SPI bus.
  • a high-pass characteristic is imposed on the IIR filter in order to separate the high-frequency structure-borne noise signals from the approximately sinusoidal basic signal according to FIG. 3.
  • FIG. 11 shows a typical application-related frequency response of the filter 59.
  • the cut-off frequency for the pass band is 1 kHz. Attenuation is attenuated at 60 dB, in the passband attenuation is negligibly small at 0.0002 dB.
  • the structure-borne noise event as shown in the circled section of FIG. 4 or can be seen in FIG. 12, is extracted in a first step. The result of the filtering is shown in FIG. 13.
  • the filter delivers a very good result due to its good properties in the pass and blocking range by separating the structure-borne noise event from the low frequencies exactly in real time, so that the fundamental signal of the sensor signal 40 can no longer be seen in the filtered signal 44.
  • a threshold is drawn parallel to the time axis.
  • the selectivity at the output of the filter 59 between the structure-borne noise event and the periods in which no structure-borne noise occurs is not very high. If the threshold is low enough, it is in principle possible that it is constantly exceeded due to the noise quantities superimposed by the filter signal 44. On the other hand, to avoid these false alarms, the threshold must not be too high, since otherwise not only the noise levels will not reach the threshold, but also less pronounced structure-borne noise events can no longer be detected. For this reason, it is very difficult to find the optimal threshold function, especially if no automation can be used due to the lack of computing capacity.
  • the determination of the structure-borne noise events is directly included in the result value.
  • the output signal 46 of the IIR filter 59 shown in FIG. 14 is used, only the front area of the output signal 46 containing a structure-borne noise signal. The rear area is taken up by a roller bearing without structure-borne noise signal in order to make a direct comparison.
  • the result of the resulting signal 48 is a clear highlighting of the first section, as shown in FIG. 15.
  • the occurrence of a structure-borne noise event can thus be detected much better via a threshold value than was previously the case with the signal 46 according to FIG. 14.
  • the evaluability of the signal 48 obtained can be further increased if the aforementioned recursive adaptive estimate of the usual second-order moment according to equation (5) is applied to the signal 48 and then the variance according to equation (6) is calculated using the equation (3) becomes.
  • the time information can be evaluated when the result is exceeded via the threshold and the error source can be assigned on the basis of the period resulting therefrom.
  • the feedback gain was set to K
  • 0.8 in this example.
  • the accuracy of the method according to the invention is relevant in two directions: the resolution in the amplitude range and the resolution in the time range.
  • the precision of the values for the signal swing and structure-borne noise determined by the intelligent bearing depend on the quantization and modulation of the analog-digital conversion.
  • the speed accuracy is predetermined by the time resolution determined by the scanning grid of the system, as is the direction of rotation, the latter measure representing a qualitative - not quantitative - characteristic of the bearing.
  • the voltage range for the sensor signal to be converted is between -9.9 mV and +9.9 mV. This corresponds to a maximum signal swing of 19.8 mV.
  • the word length of the implemented analog-digital converter is 14 bits in the fault-free case, so that a voltage value of 1.2 ⁇ V is represented on a digit.
  • the maximum load of the cylindrical roller bearing considered here is assumed to be 50 kN.
  • each sensor 26 delivers a wave-shaped signal 40, which is dependent on its rotational position, when the roller bearing 20 rotates, for example as shown in FIG.
  • the signal 40 is sampled at - preferably equidistant - sampling points k, k + 1, k + 2, ..., and the resulting sampling values x * (k), x * (k + 1), x * (k + 2) , ... are further processed in accordance with the respective parts of the method according to the invention.
  • step S101 a (k + 1) -th estimated value E (x * (k + 1)) as the sum of the previous, k-th estimated value E (x * (k)) and the product of an adaptation constant cO is shown in FIG. 16a with the result of subtracting this kth estimate E (x * (k)) from the (k + 1) th sample x * (k + 1). Then, in step S101, the (k + 1) -th estimated value E (x * (k + 1)) calculated in step S100 is subtracted from the k + 1-th sample value x * (k + 1), and the difference becomes a (k + 1) th calculation value x (k + 1) is used for the further method.
  • step S101 the sign of this calculated (k + 1) th calculation value x (k + 1) is compared with the sign of the corresponding kth calculation value x (k) from the previous run through this method part. The process then branches into two branches:
  • step S102 If the signs compared in step S102 are the same, ie the signal 40 has not undergone a change of sign and, in other words, has not undergone a zero crossing, k is increased by 1 and method steps S100 to S102 are repeated. In other words, none of the method steps S302 to S316 according to FIG. 16c is necessary for determining the speed. If the signs compared in step S102 are not the same, ie the signal 40 has made a zero crossing, a further case distinction is compared in step S203 according to FIG. 16b as to whether the (k + 1) th calculation value x (k + 1) from current step S101 is greater than the corresponding k-th calculated value x (k), which was already determined when step S101 was run through previously.
  • step S210 If it is found in step S203 with x (k + 1)> x (k) that the signal is on a rising edge, it is checked in step S210 whether the current calculated value x (k + 1) is exactly zero. If this is the case, the point in time at which this calculated value occurred is fixed in step S214 as the point in time (cf. FIG. 6) of the zero crossing on the rising edge. If this is not the case, however, the time t2 on the zero crossing on the rising edge is determined in step S212 by linear interpolation between the two calculated values x (k + 1) and x (k). This linear interpolation represents a preferred procedure of the method according to the invention.
  • step S404 of FIG. 16d then becomes the "ascending" period length .DELTA.T to by forming the difference between two zero crossings on the rising edge, namely the just determined "new” time and the determined in the previous cycle corresponding "old" time t at i , calculated.
  • step S406 the "new" time t auf2 is stored as the "old" time t aut i, so that it can be used when a "rising" period length ⁇ T auf is recalculated .
  • Step S408 is not required for the determination of the speed, and in step S410 an output flag for the output of the "ascending" period length ⁇ T is set to - ie, a command is given to the processor to calculate it - and this is output as a measure of the speed , It is clear that when the method is run for the very first time, ie when the "new" time t aUf2 is first determined, no "old" time t a ⁇ lf ⁇ is available. A “rising" period length ⁇ T aU f is therefore output for the first time when a "new" time t auf2 has been calculated for the second time. Then k is increased by 1 and the method continues with step S 100.
  • step S203 if x (k + 1)> x (k) does not result in step S203, this means that the signal is on a falling edge.
  • steps S230, S232 or S234 are carried out analogously to steps S210, S212 or S214 described above, the time t a 2 of the zero crossing being determined on the falling edge instead of t aUf2 .
  • the "falling" period length ⁇ T ab is then calculated in steps S504 and S506 according to FIG. 16e by forming the difference between the "new" time t a 2 and the corresponding "old” time ta 1 and output in step S510 as a measure of the speed.
  • k is also increased by 1 and the method continues with step S100. This determines the speed - twice per period: in the form of the "rising" period length ⁇ T up and the "falling" period length ⁇ T down .
  • steps S100 and S102 are the same as in determining the speed, and the only difference in step S101 to step S101 used in determining the speed is that in determining the calculated value x (k + 1 ) an auxiliary variable hub hlf is added, d. that is, the last term in curly brackets in the calculation of step S101 is taken into account this time.
  • auxiliary line 42 should not be identical to the zero line, but rather that it lies below.
  • the auxiliary variable hub-hlf can be chosen freely, but it is preferred that it is composed of a product of a number (hlf) between 0 and 0.5 with the signal stroke (hub).
  • Steps S203 and steps S210, S212 and S214 for the rising edge and steps S230, S232 and S234 for the falling edge are carried out in exactly the same way as in the determination of the rotational speed.
  • step S402 For the rising edge, the time interval ( ⁇ t_nhw), how long the negative half-wave lasts, is then determined in step S402 by subtracting the "new" time t ab2 of the falling edge from the "new" time t auf2 of the rising edge becomes.
  • the illustration in FIG. 6 deviates from this since it does not take into account that the corresponding values t au n. T aU 2 . ta b i, "continue to hike" in different process runs, ie that their designation changes successively as the process proceeds. Thereafter, step S406 is executed, which represents such a successive change.
  • Step S601 differs from step S101 only in that the auxiliary variable hub hlf is not added, but is subtracted. That means nothing else than that the intersection of the signal 40 should take place with a corresponding auxiliary line lying further above.
  • step S601 For better differentiability for the calculated value x (k + 1) from step S101, the calculated value resulting in step S601 is designated y (k + 1), this distinction being retained in steps S602, S603, S610, S612, S614, S630, S632 and S634 , which otherwise run identically to steps S102, S203, S210, S212, S214, S230, S232 and S234 in the "main branch". In order to clarify that the zero crossings determined in the "main branch" differ from those determined in the parallel branch, the latter are marked with a " * ".
  • step S638 the time interval ( ⁇ t_phw), how long the positive half-wave lasts, is then determined in step S638, namely by the fact that the "new" time t * on2 of the rising edge from the "new" time t * ab2 of the falling edge Edge is subtracted. Then step S506 analogous to step S406 is carried out.
  • step S408 and / or step S508 the time interval ⁇ t_phw determined in step S638 can then be subtracted from the time interval ⁇ t_nhw determined in step S402, the sign of this difference ⁇ t_phw - ⁇ t_nhw indicating the direction ax_dir of the axial force acting on the bearing 20 and in step S410 and / or S510 can be output.
  • the amount ax_for of the difference ⁇ t_phw - ⁇ t_nhw can be determined as a measure of the magnitude of the axial force and output in step S410 and / or S510.
  • steps S100, S101 and S102 are the same as when determining the speed. If the signs compared in step S102 are the same, ie if no zero crossing has taken place, it is checked in step S302 whether the sign of the (k + 1) th calculation value x (k + 1) of step S101 is identical to 1, ie , the signal 40 is in the positive half wave.
  • step S304 it is checked in step S304 whether this (k + 1) th calculation value x (k + 1) is greater than the previously determined maximum max_value of the signal 40, and if so, this (k +1) th calculated value x (k + 1) is stored as the new maximum max_value of the signal 40, then k is increased by 1 and the method is continued with step S100. If this is not the case, the stroke (stroke) of the signal 40 is determined in step S308 by forming the difference max_wert-min_wert between its maximum max_wert and its minimum min_wert, the determination of the minimum min_wert being described later. Of course, in the method according to the invention, the stroke can only be calculated if both the maximum max_value and the minimum min / vert are present.
  • step S100 If it is found in step S302 that the sign of the (k + 1) th calculation value x (k + 1) is not identical 1, ie the signal 40 is in the negative half-wave, in an analogous manner in steps S314, S315 or S318 determines or stores the minimum min_value of signal 40 and calculates the stroke. Then k is increased again by 1 and the method continues with step S100. It should be mentioned that the signal swing can also be calculated and output by the inverse difference, i.e. minj / vert - max_wert, and thus also twice per signal period.
  • step S108 As soon as it has emerged in step S102 that a sign change or a zero crossing has taken place, an output flag is set in step S108 that the stroke can be output as a measure of the radial force acting on the bearing 20.
  • step S110 it is checked whether the stroke is greater than a previously determined maximum signal stroke hubjnax. If this is the case, the currently determined stroke is stored as the new maximum signal stroke hub_max. This serves to detect strong impacts. The value for the maximum signal lift hubjnax can be deleted by the user at any time.
  • step S203 a case distinction is made as to whether the signal is on a rising edge or on a falling edge.
  • the maximum max_value in the second case the minimum min_value of the signal 40 is reset to zero, k is increased by 1 and the method is continued with step S100.
  • the radial force is thus also determined as a further operating parameter of the roller bearing 20.
  • steps S100, S101 and S102 are the same as in
  • step S302 (FIG. 16c) whether the sign of the (k + 1) th calculation value x (k + 1) of step S101 is identical to 1, i. that is, signal 40 is in the positive half wave. If so, it is checked in step S304 whether this (k + 1) th calculation value x (k + 1) is greater than the previously determined maximum max_value of the signal 40, and if so, the time max_wert_t becomes in step S306 (corresponds to i in FIG.
  • step S100 If it appears in step S302 that the sign of the (k + 1) th calculation value x (k + 1) is not identical 1, i.
  • step S314 it is checked in an analogous manner in step S314 whether this (k + 1) th calculation value x (k + 1) is smaller than the previously determined minimum value of the signal 40, and if this is the case, the time min_value_t at which this (k + 1) th calculation value x (k + 1) (ie min_value) occurred is stored in step S315, then k is increased by 1 and the method is continued with step S100 ,
  • step S102 If the signs compared in step S102 are not the same, ie the signal 40 is one 16b in a further case distinction is compared in step S203 according to FIG. 16b, whether the (k + 1) th calculation value x (k + 1) from the current step S101 is greater than the corresponding kth calculation value x (k) which was already determined when step S101 was run through previously. In other words, it is determined again whether the signal 40 is on a rising edge or a falling edge.
  • step S204 If the signal 40 is on the rising edge, the direction of rotation is determined in step S204 in the following way: A minimum auxiliary variable min_t_ref, the meaning of which will be explained later, is subtracted from the time min_wert_t of the occurrence of the minimum of the signal 40 and the result is obtained 2 divided, and from this the result of subtracting the minimum auxiliary variable min_t_ref from the time max_wert_t of the occurrence of the maximum of the signal 40 is subtracted. The sign of this value is used as an indication of the direction of rotation sym of the rolling bearing 20, after which an output flag for the direction of rotation sym is set in step S208 and this is output.
  • step S206 the time min_wert_t of the occurrence of the minimum of the signal 40 is stored in step S206 as a new minimum auxiliary variable min_t_ref. This also clarifies the meaning of these minimum auxiliary variables min_t_ref. Then k is increased by 1 and the method continues with step S100.
  • step S224 the direction of rotation sym is determined in step S224 (similarly to step S204) in the following manner:
  • a maximum auxiliary variable max_t_ref is determined from the time max_wert_t of the occurrence of the Maximum of the signal 40 subtracted and the result divided by 2, and from this the result of subtracting the maximum auxiliary variable max_t_ref from the time min_wert_t of the occurrence of the minimum of the signal 40 is subtracted.
  • the sign sign of this value is used again as an indication of the direction of rotation sym of the roller bearing 20, after which an output flag for the direction of rotation sym is set in step S228 and this is output.
  • the direction of rotation of the roller bearing 20 is thus also determined.
  • the signal 40 is first sampled to determine its instantaneous value as the sampling start value x * (0).
  • the signal 40 is then sampled at the time k + 1 to determine its instantaneous value as a (k + 1) th sample value x * (k + 1), etc.
  • the samples x * (k), x * (k + 1), x * (k + 2), ..., abbreviated x * (k) in FIG. 16g preferably pass through an IIR high-pass filter 59 in step S702 at least 5th order, whose filter coefficients are freely programmable.
  • the low-frequency component of the sensor signal 40 is thereby filtered out.
  • the filter samples v (k), v (k + 1), ..., abbreviated here to v (k), are then present at the output of the filter 59, which is shown in FIG. 13.
  • the second ordinary statistical moment E ⁇ V 2 ⁇ (k + 1) is calculated based on equation (5) at the “new” filter sample value v (k + 1).
  • the output signal Output can be output as it is in step S710 as a quantitative error signal, in addition the output signal Output can be compared in step S718 with a threshold value and - if it exceeds this - can be output as a qualitative value, which in step S720 is referred to as "structure-borne sound output flag".
  • step S712 it can be compared whether the output signal Output exceeds a previously recorded (user-erasable) maximum output signal Output_max, and in step S714 this can then be stored as a new maximum output signal Output_max, after which it can be output in step S716, what is called "Output Flag Output_max".
  • step S706 the calculation of the second ordinary statistical moment known from step S704 is carried out, but based on the values u (k), in order to convert the second ordinary statistical moments E ⁇ U 2 ⁇ (k + 1) to u (k +) 1) to calculate.
  • an adaptation constant c2 is used, for which the following applies: 0 ⁇ c2 ⁇ 1.
  • c1 c2.
  • step S707 the expected value E ⁇ U ⁇ (k + 1) of u (k + 1) is calculated based on equation (3):
  • the expected value E ⁇ U ⁇ (k) of is calculated from u (k + 1) u (k) subtracted, this difference multiplied by an adaptation constant c3 (for which the following applies: 0 ⁇ c3 ⁇ 1), and the result of the multiplication is then added to the expected value E ⁇ U ⁇ (k).
  • c3 need not necessarily be different from d and / or c2.
  • step S708 the variance ⁇ 2 (k + 1) is calculated by squaring the result of step S707 from the result of step S706 is subtracted.
  • an output (optionally in steps S710 and / or S716 and / or S720) can be carried out with the abovementioned possibilities, with the steps S706 to S708 being more accurate in detecting and differentiating the sensor signal and noise than in one Output already after step S704.
  • the structure-borne noise occurring in the roller bearing 20 is thus also recorded.
  • the method according to the invention is carried out in an ASIC, that is to say is carried out in a hard-wired arrangement.
  • the method according to the invention can also be implemented in the form of software, i. H. a computer program that can be executed in a normal computer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Computerprogramm zur Ermittlung von Betriebsparametern, wie insbesondere der Drehzahl, der Drehrichtung, der Radialkraft, der Axialkraft oder von Körperschallereignissen, eines sich drehenden Wälzlagers (20), an dem eine Sensoranordnung (26) befestigt ist, die ein bei Drehung des Wälzlagers (20) von dessen Drehstellung abhängiges wellenförmiges Signal liefert, das an Abtastpunkten k, k+1, k+2, ... abgetastet wird, wodurch Abtastwerte x*(k), x*(k+1), x*(k+2), ... ermittelt werden, wobei für die Ermittlung A) der Drehzahl, der Drehrichtung, der Radialkraft und/oder der Axialkraft mittels Schätzung eine Hilfslinie (42), die das Signal (40) schneidet und im Wesentlichen parallel zu dessen Einhüllenden ist, konstruiert wird und die Betriebsparameter auf dieser Basis ermittelt werden, und/oder B) von Körperschallereignissen die Abtastwerte x*(k), x*(k+1), x*(k+2), ... in einem Hochpassfilter (59) zur Gewinnung von Filterabtastwerten v(k), v(k+1), v(k+2), ... gefiltert werden und auftretender Körperschall mittels Schätzung eines statistischen Moments mindestens zweiter Ordnung, E{V<2>}(k), E{V<2>}(k+1), E{V<2>}(k+2), ..., der Filterabtastwerte v(k), v(k+1), v(k+2), ... ermittelt wird, wobei k eine ganze Zahl als Laufvariable für die verstrichene Zeit ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Wälzlager (20), das mit einer Auswertevorrichtung (50) zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens oder des Computerprogramms versehen ist.

Description

VERFAHREN UND COMPUTERPROGRAMM ZUR ERMITTLUNG VON BETRIEBSPARAMETERN IN EINEM WÄLZLAGER SOWIE HIERMIT AUSWERTBARES WÄLZLAGER
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt (auch kurz Computerprogramm oder Software genannt) gemäß Anspruch 1 bzw. 19 zur Ermittlung von Betriebsparametern in einem Wälzlager sowie ein mit Hilfe des vorgenannten Verfahrens auswertbares Wälzlager gemäß Anspruch 20.
Wälzlager sind in jeder Maschine im industriellen Bereich in Gebrauch. Aufgrund der sich ständig erhöhenden Anforderungen an die Standzeiten und die Betriebssicherheit derartiger Maschinen besteht zunehmend Bedarf, einzelne Betriebsparameter wie beispielsweise die Drehzahl, die Drehrichtung, in axialer und radialer Richtung auf das Lager einwirkende Kräfte sowie Störungen im Lager, die allgemein als Körperschallereignisse bezeichnet werden, zu erfassen, um daraus unter anderem Hinweise auf möglicherweise kritische Situationen für das Lager und/oder die Maschine ableiten zu können.
Prinzipiell bieten sich einige Möglichkeiten an, den notwendigen verfahrenstechnischen Automatismus für die Ermittlung von zunächst Drehzahl und Kraft zu finden. So ließen sich beispielsweise die lokalen Extrema über eine Differentiation der Kurve und die Suche nach den Nullstellen der ersten Ableitung finden. Daraus lassen sich die Zeitpunkte für das Auftreten eines Extremums ablesen, woraus sich dann der Funktionswert der ursprünglichen Kurve zu dem entsprechenden Zeitpunkt wiederum ergibt. Allerdings muss damit gerechnet werden, dass das Sensorsignal mit Störern überlagert ist, so dass der Ansatz über eine Differentiation zu keinem brauchbaren Ergebnis führt. Außerdem müssten nach dieser Methode Werte des Signalverlaufes zwischeπgespeichert werden. Oftmals werden solche Problemstellungen auch dadurch gelöst, die lokalen Maxima und Minima der Kurve über die zeitliche Verschiebung eines Fensters mit einer an die Signalfrequenz angepassten Breite zu detektieren. Dieses Verfahren ist aber nur dann praktikabel, wenn die Frequenz konstant bleibt oder sich nur langsam ändert, um die Fensterbreite entsprechend nachjustieren zu können. Bei der Anwendung im Lager sind die Drehzahländerungen zu schnell, so dass ein solcher Ansatz von vorneherein ausgeschlossen werden muss.
Auch spektrale Auswerteverfahren zur Bestimmung der Signalfrequenz und der daraus zu folgernden Drehzahl sind für die Anwendung ungeeignet, da durch Fourier-Transformation oder Fast-Fourier- Transformation und die darin enthaltene temporale Mittelung der Echtzeitcharakter verloren geht, da Schwankungen in der Frequenz nicht mehr detektiert werden können. Außerdem muss hier eine erhebliche Anzahl von Funktionswerten der Kurve zwischengespeichert werden, um die notwendige spektrale Auflösung zu erreichen.
Es besteht somit die Schwierigkeit, dass die zur Verfügung stehenden Verfahren zur Berechnung dieser Betriebsparameter aufgrund der hohen Datenmengen, der für diese Datenmengen erforderlichen Speicherkapazität und der notwendigen Rechenleistung nur in externen Rechnern, also nicht vor Ort in einem Chip im Wälzlager selbst ausgeführt werden können. Dabei besteht zudem das Problem, dass die Vielzahl an Datenleitungen, die für einen Transport der erfassten Wälzlagerdaten nach außen zu dem externen Rechner notwendig sind, nur schwer in einem kleinen Wälzlager unterzubringen sind.
Das Problem der Datenleitungen lässt sich mit Integration von Sensorik und Auswerteelektronik in Gestalt mehrerer Sensoren mit zugeordneten Mikrorechnern in der Nähe des Wälzlagers, möglichst sogar im Wälzlager selbst- d.h. mit einem so genannten IQ-Bearing - lösen. Dabei wird der Anspruch an die Entwicklung insofern besonders hoch, da diese örtliche Integration von Sensorik und Auswerteelektronik ohne die Veränderungen der äußeren geometrischen Form des Lagers vollzogen werden soll. Dadurch steigen natürlich auch die Anforderungen an die mikroelektronischen Komponenten aufgrund der erhöhten Umgebungseinflüsse von Temperatur, von Schmier- und Kühlstoffen und der notwendigen kleinen Baugröße der erforderlichen Hardwarekomponenten. Insbesondere stellt durch die geringe Baugröße der Mikroprozessoren die funktioneile Integration durch das notwendige Verfahren eine besondere Herausforderung dar, da aufgrund der damit eingeschränkten Rechenkapazität für die Auswertung der vom Sensor gelieferten Daten nur ein begrenztes Werkzeug zur Verfügung steht und dennoch eine zuverlässige Ermittlung der Betriebsparameter des Lagers gefordert wird.
Aus den vorgenannten Überlegungen resultiert, dass auf Speicher in der geplanten Anwendung weitgehend verzichtet werden muss und dementsprechend auch die Entwicklung des Verfahrens an die geometrischen Gegebenheiten anzupassen ist, und zwar nicht nur in Bezug auf möglichst einfache Rechenoperationen, sondern insbesondere auch auf die Anzahl der für die Zwischenspeicherung von Abtastwerten notwendigen Gatter.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein möglichst effizientes, aber sicheres Verfahren zur Ermittlung von Betriebsparametern in einem Wälzlager zu schaffen, das die Möglichkeit bieten soll, in einer elektronischen Schaltung, die sich in der Nähe des Wälzlagers und vorzugsweise im Wälzlager selbst befindet, ausgeführt zu werden, wobei das Verfahren auch als Computerprogramm realisierbar sein soll. Des Weiteren soll ein Wälzlager geschaffen werden, das mit einer Auswertevorrichtung verbindbar oder verbunden ist, in der die Betriebsparameter effizient und sicher ermittelt werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. mit einem Computerprogramm gemäß Anspruch 19 sowie einem Wälzlager gemäß Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie das erfindungsgemäße Computerprogramm gemäß Anspruch 19 lässt sich auf kleinstem Raum in einer elektronischen Schaltung oder einem Chip sogar im Wälzlager selbst integrieren, reagiert "intelligent" auf dynamische Veränderungen im Wälzlager und ist in der Lage, die Betriebsparameter mit hoher Genauigkeit zu ermitteln.
Das erfindungsgemäße Wälzlager gemäß Anspruch 20 umfasst eine Auswertevorrichtung, mit der die Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 18 oder alternativ das auf einem Speichermedium (z.B. RAM, ROM, CD, DVD, Diskette, Festplatte, Flash-Speicher, etc.) speicherbare und/oder über ein Netzwerk abrufbare Computerprogramm gemäß Anspruch 19 ausgeführt werden können. Dabei ist berücksichtigt, dass die vorzugsweise in einem Chip als ASIC ausgebildete Auswertevorrichtung in ihrer Größe aufgrund der Platzierung in der Nut des Außenrings nur begrenzte Rechenkapazitäten besitzt. Dabei wird die Breite des Chips a priori von der Breite des Außenrings des Lagers bestimmt. Darüber hinaus ist der Chip in Umfangsrichtung des Außenrings nicht zu lang, da sonst aufgrund der Krümmung des Außenrings der in der Nut befindliche Chip unverhältnismäßig stark gebogen werden und damit ein Defekt drohen würde. Durch die begrenzte Chipfläche sind auch die durch den Baustein realisierbaren mathematischen bzw. signaltheoretischen Möglichkeiten zwar stark begrenzt, sind aber für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens völlig ausreichend. Insbesondere werden keine Auswerteverfahren eingesetzt, die auf die Zwischenspeicherung einer größeren Menge von Signalwerten angewiesen sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, jedoch nicht beschränkenden Ausführungsformen der Erfindung anhand der schematischen und nicht maßstabsgetreuen Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers,
Fig. 2 schematisch die Anordnung von Dehnungsmessstreifen in einer Wheatstone- Brückenschaltung in der Außennut eines erfindungsgemäßen Wälzlagers,
Fig. 3 ein typisches Beispiel für ein im erfindungsgemäßen Wälzlager erzeugtes Sensorsignal,
Fig. 4 ein Sensorsignal, bei dem ein Körperschallereignis auftritt,
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen ASICs, Fig. 6 ein Sensorsignal, bei dem Referenzpunkte zur Auswertung der Betriebsparameter angegeben sind,
Fig. 7 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung für eine Anordnung zur Erfassung der auf das Lager einwirkenden Axialkraft,
Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung des Messprinzips für die Erkennung der Drehrichtung,
Fig. 9 einen Graphen des zeitlichen Verlaufs der Schätzung des Mittelwertes,
Fig. 10 einen Graphen des Einschwingverhaltens des vom Mittelwert befreiten Sensorsignals,
Fig. 11 den Frequenzgang des IIR-Hochpassfilters im Körperschallzweig,
Fig. 12 ein Sensorsignal für ein Lager unter Radiallast und zwei aufgetretenen Körperschallereignissen,
Fig. 13 einen Graphen des Körperschallsignals am Ausgang des IIR-Hochpassfilters,
Fig. 14 einen Graphen des Ausgangssignals des IIR-Hochpassfilters, wobei das Signal links mit Körperschall behaftet ist, während es rechts frei von Körperschall ist,
Fig. 15 einen Graphen des gleichen Ausschnitts des Signals wie in Fig. 14, wobei jedoch das gewöhnliche statistische Moment zweiter Ordnung des Signals rekursiv berechnet wurde,
Fig. 16a bis 16h Flussdiagramme, die eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung sämtlicher Betriebsparameter in allen Einzelheiten darstellen.
Zunächst werden ein erfindungsgemäßes Wälzlager und die theoretischen Grundlagen für ein Verfahren zur Ermittlung der Betriebsparameter anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, und anschließend wird dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung dieser Betriebsparameter ausführlich unter Verwendung von Flussdiagrammen beschrieben.
Fig. 1 und 2 stellen die Hauptbestandteile des erfindungsgemäßen Wälzlagers 20, eines so genannten intelligenten Lagers, dar. Die Darstellung ist symbolisch und dient der Veranschaulichung, ist jedoch nicht als beschränkend anzusehen.
Das intelligente Lager soll dem Anwender Informationen über die auf das Wälzlager 20 (nachstehend auch mit "Lager" abgekürzt) wirkende Kraft, über die Drehzahl und die Drehrichtung des Lagers liefern. Weiterhin soll eine Möglichkeit für die Detektion von Wälzlagerfehlern und von auf das Wälzlager 20 übertragenen Stößen geschaffen werden, die sich als Körperschallsignal bemerkbar machen. Ein derartiges Wälzlager 20 umfasst einen Innenring 21 und einen Außenring 22, an dessen Außenseite eine umlaufende Längsnut 23 vorgesehen ist. Zwischen dem Innenring 21 und im Außenring 22 sind Wälzkörper 24 angeordnet, so dass der Innenring 21 drehbar gegenüber dem Außenring 22 ist. Für die Aufnahme der Daten dienen Sensoranordnungen 26 - auch kurz "Sensoren" 26 genannt -, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel jeweils vier zu einer Wheatstone-Brückenschaltung zusammengefasste Dehnungsmessstreifen 31 bis 34 sind, die in einer außen liegenden Längsnut 23 im Außenring 22 untergebracht sind und deren Widerstand sich durch die Überrollung durch die Wälzkörper 24 ändert. Des Weiteren ist schematisch eine in der Nut 23 angeordnete Leiterplatine 28 dargestellt, welche die Leiterverbindungen zwischen den einzelnen Dehnungsmessstreifen 31 bis 34 jedes Sensors 26 und die Leiterverbindungen zwischen den Sensoren 26 und den später beschriebenen Auswertevorrichtungen 50 herstellen. Die Bewegungsrichtung der Wälzkörper 24 ist in Fig. 2 mit einem Pfeil A bezeichnet.
Die Nut 23 und damit die Leiterplatine 28 befindet sich im gesamten Umfang des Außenrings 22 mit in äquidistanten Abständen angeordneten Sensoren 26 (Dehnungsmessstreifen 31 bis 34) und einer entsprechenden Auswertevorrichtung 50 für jeden Sensor, wie später noch ausführlicher erläutert wird. Das dadurch entstehende Sensorsignal 40 soll in geeigneter Weise durch die Auswertevorrichtung 50, vorzugsweise elektrische Schaltungen in Form von anwenderspezifischen Schaltkreisen, so genannten ASICs (Application Specific Integrated Circuits), ausgewertet werden. Dabei muss das in den ASICs ablaufende erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der gesuchten Betriebsparameter so dimensioniert werden, dass trotz des eingeschränkten Bauraums und damit der beschränkten Chipgröße eine konsistente Online-Auswertung der Daten möglich ist. Die komplette Einheit von Sensor und intelligenter Auswertehardware stellt somit einen sogenannten "smart sensor" dar, der es ermöglicht, dem potentiellen Kunden weitreichende Informationen über das Lager 20 und seine Betriebsparameter in Echtzeit zu liefern.
Für die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die geometrische Anordnung der Sensoren 26 im Außenring 22 zu berücksichtigen, da dadurch der Verlauf des vom Sensor 26 gelieferten Signals 40 bestimmt und damit auch die Vorgehensweise für die signaltheoretische Behandlung des Sensorsignals 40 vorgegeben wird. Die zu einer Wheatstone-Brücke verschalteten vier Dehnungsmessstreifen 31 bis 34 eines Sensors 26 sind dabei in Längsrichtung der Nut 23 so angeordnet, dass ihr Abstand untereinander dem halben Wälzkörperabstand entspricht (vgl. Fig. 2). Dadurch ist sichergestellt, dass immer zwei Dehnungsmessstreifen 31 und 33 bzw. 32 und 34 einer Brücke gleichzeitig von Wälzkörpern 24 überrollt werden. Der erste Dehnuπgsmessstreifen 31 der darauffolgenden Wheatstone-Brücke in der Nut 23 befindet sich ebenfalls wieder im halben Wälzkörperabstand zum letzten Dehnungsmessstreifen 34 der vorhergehenden Brücke. Durch diese Anordnung ergeben sich für z Wälzkörper z/2 Sensoren 26 im Lager. Damit ist sicher gestellt, dass Krafteinflüsse aus allen radialen Richtungen gemessen werden können. Alternativ können auch weniger oder sogar mehr als z/2 Sensoren vorhanden sein, beispielsweise z/2-1 , z/2+1 , z+1 , oder 2 z Sensoren. Es sind allgemein ausgedrückt die Dehnungsmessstreifen (nachfolgend auch mit DMS abgekürzt) bevorzugt so zu Brücken verschaltet, dass der Abstand des ersten DMS vom dritten DMS sowie der Abstand des zweiten DMS vom vierten DMS ein ganzzahliges Vielfaches des Wälzkörperabstands ist. Es ist außerdem möglich, nur zwei DMS (beispielsweise den ersten und den zweiten DMS) statt mit einem dritten bzw. vierten DMS mit je einem nicht dehnungsempfindlichen Widerstand zu je einer Wheatstone-Halbbrücke zusammenzuschalten. Statt der erwähnten DMS können auch andere Sensoren wie beispielsweise piezoelektrische oder magnetische Sensoren eingesetzt werden. In diesem Fall kann sich ein anderes Verhältnis von Sensoren zur Wälzkörpern ergeben.
Fig. 2 zeigt schematisch für einen Sensor die geometrische Verteilung von Dehnungsmessstreifen und Wälzkörpern 24 in der Nut 23 des Außenrings 22. Bei der Überrollung von DMS1 31 und DMS3 33 steigt bei konstanter Versorgungsspannung UB mit zunehmender durch die Wälzlagerpressung hervorgerufener Verformung der Dehnungsmessstreifen die Brückenausgangsspannung UA(t) an. Die in der Brückenschaltung über Kreuz geschalteten Dehnungsmessstreifen werden synchron überrollt bzw. verformt, wodurch sich der Anstieg der Ausgangsspannung noch verstärkt. Im weiteren Fortgang werden die Dehnungsmessstreifen DMS1 31 und DMS3 33 zunehmend entlastet, bis sie ihren ursprünglichen Widerstandswert wieder erreicht haben und die Brücke nahezu abgeglichen ist. Beim anschließenden Überrollen der Dehnungsmessstreifen DMS2 32 und DMS4 34 tritt der gleiche Verlauf der Ausgangsspannung auf, nur aufgrund der Dimensionierung der Brückenschaltung mit umgekehrtem Vorzeichen, so dass letztendlich der in etwa sinusförmige Verlauf von Fig. 3 entsteht. In gestrichelten Linien ist eine alternative Ausgestaltung eines Sensors 29 mit vier Dehnungsmessstreifen 36, 37, 38 und 39 angegeben, die jeweils eine in etwa dreieckige Gestalt aufweisen und dadurch die Erfassung einer auf das Lager 20 einwirkenden Axialkraft ermöglichen. Selbstverständlich gibt es weitere Möglichkeiten der Ausgestaltung der Dehnungsmessstreifen für eine Messung der Axialkraft.
Je größer die auf das Lager 20 bzw. die auf den entsprechenden Sensor 26 wirkende Kraft ist, desto größer ist die vom Wälzkörper 24 auf die Dehnungsmessstreifen ausgeübte Flächenpressung. Dies führt zu einer Veränderung der Widerstandswerte der Brückenschaltung und damit zu einem entsprechend hohen Ausschlag der Brückenausgangsspannung. Demnach herrscht zwischen der auf das Lager ausgeübten Kraft und der Ausgangsspannung UA(t) der Brückenschaltung ein deterministischer Zusammenhang, der zur Auswertung der Dehnung bzw. der von der Dehnung verursachten Kraft herangezogen werden kann. Gemäß Fig. 3 ergibt sich im Mittel ein Signalhub von ca. 0,03V.
Weiterhin entspricht die Frequenz f des Signals 40 der Überrollfrequenz der Wälzkörper 24 am feststehenden Außenring 22, die zur Drehzahl der Welle in folgendem mathematischen Zusammenhang steht:
Dabei gibt die Variable z die Anzahl der Wälzkörper 24 an, Dw ist der Durchmesser der Wälzkörper, Dpw der Teilkreisdurchmesser und α der Druckwinkel, der beim Zylinderrollenlager auf Null zu setzen ist. Mit n, wird die Drehzahl der Welle in υ/Mm bezeichnet, die auf die Einheit U/Hz umzurechnen ist, um die Frequenz in Hz zu erhalten.
Wie aus Fig. 3 weiter ersichtlich ist, ist das Sensorsignal 40 mit einem von Sensor zu Sensor differierenden Offset bzw. Versatz behaftet, der prozessbedingt beim Aufbringen der Dünnschichtstrukturen einer Brücke mit nicht exakt gleichen Widerstandswerten auf den Wälzlagerstahl entsteht. Aus der unsymmetrischen Verteilung der Widerstandswerte resultiert am Brückenausgang der Gleichanteil. Ein weiterer Offset kann sich im Betrieb des Wälzlagers durch Änderungen der Umgebungsbedingungen, beispielsweise durch Temperaturänderungen, ergeben.
Prinzipiell manifestiert sich in der Applikation ein Oberflächenfehler im Wälzlager oder ein durch die Überrollung von Schmutzpartikeln hervorgerufenes Körperschallereignis durch einen in Bezug auf die etwa sinusförmige Grundschwingung höherfrequenten Signalanteil im Sensorsignal. Fig. 4 zeigt ein Beispiel für einen solchen Wälzkörperfehler.
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild für eine erfindungsgemäße Auswertevorrichtung 50 zur Ermittlung der Betriebsparameter eines Wälzlagers 20, wobei diese Auswertevorrichtung vorzugsweise in Form eines ASICs ausgebildet ist, der in der Nut 23 des Außenrings 22 des Lagers 20 angeordnet werden kann. Demgemäß wird nach der Digitalisierung des Sensorsignals 40 in einem A/D-Wandler 56 mit anschließender Filterung hochfrequenter Störanteile durch ein Tiefpassfilter 57, vorzugsweise ein FIR (Finite Impulse Response)-Filter, die weitere Verarbeitung des Sensorsignals in zwei parallel angeordneten Modulen durchgeführt. Dieses FIR-Filter 57 ist vorzugsweise sechzehnter Ordnung bei einer Grenzfrequenz von 12 kHz. Es könnte beispielsweise auch eine höhere Ordnung aufweisen, braucht dann aber mehr Platz auf dem ASIC 50. Zu Beginn jedes einzelnen Moduls wird eine Bewertung des Frequenzbereiches vorgenommen, der für die Auswertung in dem Zweig die relevanten Informationen enthält. Im oberen Modul erfolgt eine Tiefpassfilterung, vorzugsweise in einem weiteren FIR-Filter 58 ebenfalls von der Ordnung sechzehn, mit einer Grenzfrequenz von fg=3 kHz, da die für die geplanten Anwendungen zu erwartenden Signalfrequenzen maximal bis zur Grenzfrequenz des Filters 58 reichen können. Bei der Bemessung der Filtergrenze wurde mehr Wert auf die Unterdrückung höherfrequenter Signalanteile gelegt als auf die amplitudengerechte Übertragung durch das Filtermodul. Eventuell entstehende Fehler durch die Amplitudendämpfung werden später wieder durch eine Anhebung der berechneten Signalhübe ausgeglichen. Danach erfolgt die Bestimmung der gesuchten Betriebsparameter des Lagers in Gestalt der Drehzahl, der Radialkraft (entsprechend dem Hub des Signals 40), der Axialkraft und der Drehrichtung, was durch entsprechende Funktionsblöcke 51 bis 54 schematisch dargestellt ist. Im unteren Modul wird durch ein Hochpassfilter 59, vorzugsweise durch ein MR (Infinite Impulse Response)-Hochpassfilter sechster Ordnung, nach Möglichkeit die mit der Drehzahl korrelierte Frequenz unterdrückt und im Funktionsblock 55 der im allgemeinen höherfrequente Anteil des Körperschallsignals gewichtet und anschließend durch eine Nachbearbeitung geeignet ausgewertet. Wie aus den Flussdiagrammen der Fig. 16a bis 16h ersichtlich ist, erfolgt die Ermittlung der einzelnen Betriebsparameter nicht notwendigerweise gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 2 gesondert in einzelnen Funktionsblöcken (auch Teilverfahren oder "Auswerteeinheiten" genannt) 51 bis 55, sondern vorzugsweise in einem einzigen Verfahren, bei dem die einzelnen Teilverfahren bzw. Auswerteeinheiten (Funktionsblöcke 51 bis 55) ineinander verzahnt sind und zu Ergebnissen in Echtzeit führen.
Die Filtergrenzen der FIR-Filter werden vorzugsweise so gewählt, dass beliebige Lagerbauformen mit dem gleichen ASIC ausgewertet werden können. Die Filtergrenzen stellen demnach einen Kompromiss dar zwischen erreichbarem Signal-Rausch-Verhältnis SNR im oberen Zweig der Signalauswertung und der Kostenverteilung für das intelligente Lager auf viele Lagertypen und Bauformen. Im unteren Zweig des ASICs war bei dieser Ausführungsform die Notwendigkeit gegeben, ein programmierbares IIR-Filter sechster Ordnung zu implementieren. Dadurch ist es aber auch für eine Lagertype möglich, bei variierender Drehzahl in groben Frequenzschritten das Filter nachzustellen und so eine möglichst optimale Auswertung von Körperschallereignissen vorzunehmen. Die in den Blöcken "Drehrichtung", "Hub", "Drehzahl", "Axialkraft" und "Körperschall" ermittelten Merkmale des Sensorsignals werden über einen in der Nut 23 des Außenrings 22 befindlichen, jedoch hier nicht dargestellten, SPI (Serial Peripherial Interface)-Bus zu einem außerhalb des Lagers befindlichen, ebenfalls nicht dargestellten DSP (Digital Signal Prozessor) weitergeleitet. Der DSP ist dafür zuständig, den Datenaustausch im Lager zu organisieren, die im Lager befindlichen ASICs zu programmieren bzw. die Daten aus dem Lager abzufragen. Außerdem kann vom DSP für die auf die einzelnen Sensoren 26 wirkende Kraft eine Summenkraft berechnet werden, die sich aus den jeweiligen Signalhüben und der geometrischen Verteilung der Messstellen ergibt. Im Wesentlichen bildet er aber die Schnittstelle zwischen dem intelligenten Lager und der Kundenanwendung, die mit der durch den DSP gelieferten standardisierten Schnittstelle Daten aus dem Lager abholt und gemäß der Vorgaben auf das System einwirkt bzw. ein Monitoring der Anlage durchführt.
Es besteht nun die Notwendigkeit, ein möglichst effizientes Verfahren für die Auswertung des Sensorsignals 40 und damit für die Ermittlung der Parameter Drehzahl, Drehrichtung, Axialkraft und Hub zu finden. Eine Möglichkeit für die Auswertung mit einfachen rechentechnischen Mitteln ergibt sich, wenn das Sensorsignal mit einer imaginären Hilfslinie gekreuzt wird, wie es Fig. 6 zeigt.
Die für eine Auswertung notwendigen und in Bezug zu der Hilfslinie stehenden Parameter der Kurve des Sensorsignals 40 sind in Fig. 6 alle eingetragen. Daraus ergibt sich beispielsweise aus den beiden Zeitpunkten taUfi und tauf2, die die Kreuzungspunkte zwischen einer Hilfslinie 42 und den aufeinanderfolgenden aufsteigenden Flanken des Kurvenverlaufs markieren, die Periode des Sensorsignals und damit gemäß Gleichung (1) die Wellendrehzahl. Somit lässt sich die Drehzahl online innerhalb kürzester Zeit bestimmen. Für die Berechnung der Drehzahl sind natürlich auch die Schnittpunkte der abfallenden Flanke des Sensorsignals 40 mit der Hilfslinie 42, ta 1 und tab2, brauchbar. Durch die gegebene Sensorgeometrie ist auch die Bestimmung der Drehzahl in einer Halbwelle möglich, was insbesondere bei geringen Drehzahlen sinnvoll erscheint. In der Kombination der Auswertung der aufsteigenden und abfallenden Flankenschnittpunkte wird die Zugriffszeit auf den Wert der Wellendrehzahl nochmals halbiert, da für jede Halbperiode ein neuer Wert zur Verfügung steht, so dass auch bei langsamen Drehzahlen die Information schnell zur Verfügung steht. Sind die Kreuzungspunkte zwischen Hilfslinie 42 und Sensorsignal 40 erkannt, lässt sich sehr einfach feststellen, ob man sich in der Auswertung gerade auf dem aufsteigenden oder dem abfallenden Kurvenzug befindet. Wird die Auswertung gerade für den aufsteigenden Kurvenzug vorgenommen, sucht das erfindungsgemäße Verfahren solange nach dem Maximalwert in den über die Zeit anstehenden Abtastwerten des Sensorsignals 40, bis der Kreuzungspunkt zwischen abfallender Flanke und Hilfslinie 42 erreicht ist. Daran anschließend wird der kleinste Wert in den anstehenden Abtastwerten gesucht, bis der nächste Kreuzungspunkt für die aufsteigende Flanke detektiert wird. Auf diese Weise ergibt sich für jede Signalperiode das Maximum ymax und das Minimum ymιn, die voneinander subtrahiert den Signalhub und damit das Pendant zur für diesen Sensor 26 aufgenommenen Radialkraft darstellt. Auch hier lässt sich die Zugriffszeit auf den Hubwert und damit auf die Radialkraft halbieren, indem man fortlaufend abwechselnd die Differenzen ymaxi-ymim und ymax2- ymιnι usw. bildet.
Durch eine in Fig. 7 gezeigte leichte Modifikation der DMS-Anordnung innerhalb der Messbrücke lässt sich mit dem Hilfslinienkonzept auch ein Kriterium für die Drehrichtung in den Signalverlauf installieren. Dazu wird in dem Sensor 27 ein DMS-Paar (im Bild DMS2 32' und DMS4 34') gegenüber den zur Verdeutlichung gestrichelt gezeichneten Dehnungsmessstreifen 32 und 34 gemäß der aus der Fig. 2 bekannten Anordnung nun in Laufrichtung A so verschoben angeordnet, dass sie zu einem früheren Zeitpunkt überrollt werden. Dadurch lässt sich im Verlauf des Sensorsignals 40 eine Asymmetrie erzeugen, die zur Detektion der Drehrichtung herangezogen werden kann. Fig. 8 zeigt das Messprinzip an einer positiven Halbwelle des Sensorsignals. Die Verhältnisse in der Darstellung sind im Vergleich zur realen Asymmetrie überzeichnet, um das Prinzip zu verdeutlichen. Aufgrund der Verschiebung der Dehnungsmessstreifen 32' und 34' verschieben sich die Extrema des Signals 40 relativ zueinander in Zeitrichtung, so dass beispielsweise das Maximum je nach Drehrichtung entweder links oder rechts von der zeitlichen Mitte (mit "0" auf der Abszisse in Fig. 8 bezeichnet) von tauf1 und ta 1 liegt, wobei sich taUfi und tab1 bei der Anordnung gemäß Fig. 8 gegenüber der Anordnung gemäß Fig. 2 nicht ändern. Die Drehrichtung ergibt sich damit beispielsweise aus dem Vorzeichen des Ausdrucks
~ 'max i - \ -> Wie sich leicht erkennen lässt, ist die Auswertung des Sensorsignals 40 auf diese Weise sehr einfach durchzuführen. Allerdings besteht auch hier wieder die Schwierigkeit, die Hilfslinie 42 geeignet zu konstruieren. Prinzipiell bietet sich der Mittelwert des offsetbehafteten Signals 40 als Hilfslinie 42 an. Allerdings würde dies nach der herkömmlichen Berechnung des Mittelwertes auch den entsprechenden Speicherplatz für die Zwischenspeicherung der Werte für zumindest eine Periode benötigen. Geht man beispielsweise von einer langsamen Drehzahl von 100 %in. aus, ergibt sich eine Signalfrequenz von ca. 11 Hz. Bei der eingesetzten Abtastfrequenz des Systems von 78 kHz müssen demnach für eine Periode ca. 7000 Werte mit jeweils 14 Bit Wortbreite zwischengespeichert werden, was - nach einer auf einer Strukturgröße von 0,35 μm basierenden Integrationsdichte - einer Chipfläche von ca. 90 mm2 entspricht. Aufgrund der geometrischen Vorgaben wäre bei einer herkömmlichen Bildung des Mittelwertes somit ein solches Verfahren nicht praktikabel; außerdem wäre keine Online-Auswertung möglich.
Allerdings lässt sich eine Lösung finden, indem als die vorgenannte, das Signal 40 schneidende Hilfslinie 42 der gesuchte Mittelwert des Signals 40 rekursiv/adaptiv geschätzt wird. Diese rekursiv/adaptive Schätzung des Mittelwertes stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar; allgemein genügt es, wenn eine Hilfslinie gewählt wird, die das Signal 40 schneidet und im Wesentlichen parallel zu dessen Einhüllenden ist bzw. diesem Signal im Wesentlichen folgt.
Für die oben formulierte Aufgabenstellung zur Schätzung des Mittelwertes des von den dehnungsempfindlichen Sensoren 26 gelieferten Kurvenverlaufs ergibt sich folgende skalare Gleichung (3): + 1) = E{γ}(k) + K(k) ■ (y(k + 1) - E{Y}(k)) (3)
Dabei steht die stochastische Variable E{Y}(k) für den linearen Erwartungswert des Sensorsignals y(k) zum Zeitpunkt k und K(k) stellt die Rückführverstärkung oder in anderen Worten die Adaptionskonstante dar. Damit ist eine wesentliche Hürde für die Auswertung der Betriebsparameter des Lagers 20 genommen und das oben kurz umrissene einfache Verfahren zur Ermittlung von Drehzahl, Drehrichtung, Radialkraft und Axialkraft kann durchgeführt werden. Der so berechnete Mittelwert hat signaladaptiven Charakter und folgt dem sich unter Umständen über die Zeit aufgrund von Temperatureinflüssen langsam veränderlichen Offset. Somit ist immer eine sachgerechte Auswertung des Sensorsignals 40 garantiert, auch wenn das Signal 40 hinsichtlich seines Mittelwertes einen instationären Charakter aufweist.
Es kann für den praktischen Einsatz durchaus von Vorteil sein, die Rückführverstärkung K(k) dynamisch in Abhängigkeit von Rauschprozessen zu berechnen. Die Auslegung der adaptiven Schätzung hinsichtlich Schnelligkeit und Konsistenz der Schätzung kann beispielsweise nach stochastischen Kriterien erfolgen. Das Ergebnis ist eine sich im Zeitverlauf verändernde Rückführverstärkung K(k). Zu Beginn der Adaption sind die Werte von K(k) sehr hoch, was zu einem schnellen Einschwingen auf den gesuchten Wert führt. Im weiteren zeitlichen Verlauf nimmt die _ _
Verstärkung exponentiell ab. Dadurch wird der Einfluss der Störungen auf die Schätzung deutlich verringert. Die dadurch zusätzlich entstehende Funktionalität steht allerdings bei möglichst maximaler Effizienz in keinem Verhältnis zum notwendigen Aufwand bei der Berechnung des exponentiellen Verlaufs. Aus diesem Grund werden die Rauscheinflüsse beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht weiter berücksichtigt. Vielmehr ist eine statische Verstärkung K (später auch cO genannt) von größerem praktischen Nutzen, weil dadurch insgesamt der Berechnungsaufwand für die Schätzung des Mittelwertes sehr gering bleibt. Insgesamt benötigt man dafür nach Gleichung (3) für den statischen Faktor K bzw. c und für den Mittelwert E{Y}(k) jeweils ein Register. Der Rechenaufwand für die Ermittlung der Schätzwerte für den Mittelwert stützt sich auf wenige fundamentale Rechenoperationen.
Fig. 9 zeigt den Verlauf der Schätzung des Mittelwerts 43 für das in Fig. 3 angegebene Sensorsignal 40 nach dem besprochenen Verfahren.
Für die Berechnung der Betriebsparameter wird der zu jedem Abtasttakt gewonnene Mittelwert vom aktuellen Sensorsignalwert subtrahiert.
Für die Darstellung wurde die Rückführverstärkung K=0,0001 gewählt. Das Einschwingverhalten des vom Mittelwert 43 befreiten Sensorsigπals 45 zeigt Fig. 10. Der Mittelwert wird nach etwa 0,5 Sekunden erreicht, so dass spätestens ab diesem Zeitpunkt die Parameter abgefragt werden können. Allerdings kreuzt sich ab t=0,05 s das Sensorsignal 45 bereits mit der Nulllinie, welche die Hilfslinie 42 darstellt. Schon ab diesem Zeitpunkt liefert das erfindungsgemäße Verfahren Ergebniswerte, wenngleich die Werte selbst noch geringfügig fehlerbehaftet sind, da sich die Kreuzungspunkte relativ zueinander bei gleichbleibender Drehzahl verändern.
Im nächsten Schritt werden die theoretischen Grundlagen für ein geeignetes Verfahren für die Auswertung der Körperschallereignisse, also die Detektion von Körperschallereignissen, beschrieben.
Der Frequenzgang des im Körperschallzweig von Fig. 5 befindlichen IIR-Filters 59 sechster Ordnung lässt sich durch den Download von Koeffizienten über den SPI-Bus in seiner Frequenzcharakteristik programmieren. Für die Detektion von Wälzlagerfehlern wird dem IIR-Filter eine Hochpasscharakteristik auferlegt, um die hochfrequenten Körperschallsignale von dem ungefähr sinusförmigen Grundsignal nach Fig. 3 zu trennen.
Fig. 11 zeigt einen typischen anwendungsbezogenen Frequenzgang des Filters 59. Die Grenzfrequenz für den Durchlassbereich liegt bei 1 kHz. Im Sperrbereich wird mit 60 dB gedämpft, im Durchlassbereich ist die Dämpfung mit 0,0002 dB vernachlässigbar klein. Mit Hilfe des Hochpassfilters 59 kann in einem ersten Schritt das Körperschallereignis, wie es im eingekreisten Ausschnitt von Fig. 4 gezeigt wird oder in Fig. 12 zweifach eingekreist zu sehen ist, extrahiert werden. Das Ergebnis der Filterung ist in Fig. 13 dargestellt. Prinzipiell liefert das Filter aufgrund seiner guten Eigenschaften im Durchlass- und Sperrbereich ein sehr gutes Ergebnis, indem es das Körperschallereignis in Echtzeit exakt von den niedrigen Frequenzen trennt, so dass in dem gefilterten Signal 44 von der Grundschwingung des Sensorsignals 40 nichts mehr zu sehen ist. Davon ausgehend könnte man einen automatisierten Nachweis über ein Körperschallereignis in der Art gestalten, dass eine Schwelle parallel zur Zeitachse gezogen wird. Sobald die Schwelle vom Ausgangssignal 44 des IIR-Filters 59 überschritten wird, liegt ein Körperschallereignis vor. Allerdings ist die Trennschärfe am Ausgang des Filters 59 zwischen Körperschallereignis und den Zeitabschnitten, in denen kein Körperschall eintritt, nicht sehr hoch. Wenn die Schwelle niedrig genug liegt ist es prinzipiell möglich, dass sie aufgrund der von dem Filtersignal 44 überlagerten Rauschgrößen ständig überschritten wird. Andererseits darf zur Vermeidung dieser Fehlalarme die Schwelle nicht zu hoch sein, da sonst nicht nur die Rauschgrößen die Schwelle nicht erreichen, sondern auch weniger stark ausgeprägte Körperschallereignisse nicht mehr detektiert werden können. Deswegen ist es sehr schwierig, die optimale Schwellwertfunktion zu suchen, insbesondere dann, wenn aufgrund der mangelnden Rechenkapazität kein Automatismus angewendet werden kann.
Eine Möglichkeit der Besserung besteht darin, das Verhältnis zwischen Körperschallsignal und Grundrauschen des Filterausgangs und damit des Signal-Rausch-Verhältnisses in diesem Zweig zu erhöhen. Dazu ist vorzugsweise die Berechnung des gewöhnlichen statistischen Momentes zweiter Ordnung am Ausgang des Filters 59 anzuwenden:
Aufgrund der quadratischen Bewertung der Ausgangswerte des IIR-Filters 59 werden
Körperschallereignisse wesentlich stärker aus den Rauschprozessen hervorgehoben, und es lässt sich deutlich einfacher eine Schwelle zur sicheren Detektion legen, wie es durch Tests an realen Daten gezeigt wurde. Allerdings ist auch hier wieder die Einschränkung gegeben, möglichst keine Verfahren mit einem hohen Speicherplatzbedarf anzuwenden, so dass die Ermittlung des gewöhnlichen zweiten statistischen Momentes in der herkömmlichen Form von Gleichung (4) über N Werte nicht durchgeführt werden kann. In Anlehnung an das zuvor beschriebene Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl lässt sich aber auch hier ein alternatives Verfahren für die Berechnung finden. In Analogie zu Gleichung (4) zur Schätzung des linearen Erwartungswertes erhält man den rekursiven signaladaptiven Ansatz für das gewöhnliche zweite statistische Moment: E{Y2 Yk + \) = E{Y2 k) + K(k) - (y2(k + \) - E{Y2 )(*)) (5)
Die Genauigkeit der Erfassung von Körperschall lässt sich noch weiter verbessern, indem die Ergebnisse der rekursiven Gleichungen entsprechend verknüpft werden und das resultierende Signal ausgewertet wird. Beispielsweise ergibt sich so die rekursive signaladaptive Version der Varianzberechnung: σy 2(k + \) = E{γ2 k + \) - [E{γ}(k + l)J (6)
Nachstehend wird nun kurz auf die Relevanz der berechneten Schätzwerte auf die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelbaren Betriebsparameter eingegangen. Bei der Ermittlung der Betriebsparameter "Drehzahl", "Drehrichtung", "Radialkraft" und "Axialkraft" tritt das Ergebnis der Mittelwertschätzung unmittelbar gar nicht mehr in Erscheinung, was aber die Bedeutung für die Qualität nicht schmälert. Vielmehr bildet dies die Grundlage für die "schlanke", d. h. effiziente Auswertung der Daten und für die Ermittlung der gesuchten Betriebsparameter.
Bei der Ermittlung der Drehrichtung ergab sich z.B. für die Abweichung des Maximums von der Mittelachse der positiven Halbwelle des Sensorsignals ein mittlerer Wert von ca. -0,13 ms, was bei der eingesetzten Abtastfrequenz von fa=78 kHz etwa zehn Abtastwerten entspricht. Das Vorzeichen während der gesamten Aufzeichnung war stets kleiner als Null, so dass sich daraus eindeutig eine Drehrichtung zuordnen lässt. Die andere Laufrichtung würde dementsprechend ein positives Vorzeichen in der Abweichung hervorrufen.
Im Gegensatz zur rekursiven Berechnung des linearen Erwartungswertes bei den vorgenannten Betriebsparametern geht bei der Ermittlung von Körperschallereignissen die Bestimmung des zweiten statistischen Momentes direkt in den Ergebniswert ein. Um die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens darzustellen, wird von dem in Fig. 14 gezeigten Ausgangssignal 46 des IIR-Filters 59 ausgegangen, wobei nur der vordere Bereich des Ausgangssignals 46 ein Körperschallsignal enthält. Der hintere Bereich ist von einem Wälzlager ohne Körperschallsignal aufgenommen, um den direkten Vergleich ziehen zu können.
Wendet man auf dieses Signal 46 die rekursive adaptive Schätzung des gewöhnlichen statistischen Momentes zweiter Ordnung gemäß Gleichung (5) an, ergibt sich bei dem resultierenden Signal 48 eine deutliche Hervorhebung des ersten Abschnitts, wie in Fig. 15 dargestellt ist. Damit lässt sich das Auftreten eines Körperschallereignisses wesentlich besser über einen Schwellwert detektieren, als das vorher bei dem Signal 46 gemäß Fig. 14 der Fall war.
Die Auswertbarkeit des gewonnenen Signals 48 lässt sich noch erhöhen, wenn die vorgenannte rekursive adaptive Schätzung des gewöhnlichen Momentes zweiter Ordnung gemäß Gleichung (5) auf das Signal 48 angewendet und anschließend unter analoger Verwendung der Gleichung (3) dessen Varianz gemäß Gleichung (6) berechnet wird.
Wird dagegen die Varianz bereits beim Signal 46 berechnet, bringt auch dies eine Verbesserung der Auswertbarkeit des Signals 46, jedoch nicht in dem Maße, wie es bei der Berechnung der Varianz des Signals 48 der Fall ist. Allerdings werden dadurch einige Berechnungen eingespart, wodurch eine schnelle Bearbeitung erzielt wird. Zusätzlich zu dem deutlicheren Signal-Rauschverhältnis im Körperschallzweig von Fig. 5 lässt sich die Zeitinformation beim Überschreiten des Ergebnisses über die Schwelle auswerten und aufgrund der daraus entstehenden Periode eine Zuordnung der Fehlerquelle durchführen. Die Rückführverstärkung wurde in diesem Beispiel auf K|=0,8 gesetzt.
Die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in zwei Richtungen relevant: Die Auflösung im Amplitudenbereich und die Auflösung im Zeitbereich. Die Präzision der von dem intelligenten Lager ermittelten Werte für den Signalhub und für den Körperschall hängen von der Quantisierung und Aussteuerung der Analog-Digital-Wandlung ab. Die Drehzahlgenauigkeit wird vorgegeben durch die vom Abtastraster des Systems bestimmten Zeitauflösung, ebenso wie die Drehrichtung, wobei letzteres Maß ein qualitatives - nicht quantitatives - Merkmal des Lagers darstellt.
Abhängig von der Spannungsversorgung des für die Tests realisierten ASICs, die laut Spezifikation minimal bei 3,0 V und maximal bei 3,6 V liegen darf, und der sogenannten Dynamic Signal Amplitude für den Analog-Digital-Wandler von -3 mV bis +3 mV pro Volt Versorgungsspannung, erhält man bei einer angenommenen mittleren Versorgungsspannung von 3,3 V den Spannungsbereich für das zu wandelnde Sensorsignal zwischen -9,9 mV und +9,9 mV. Das entspricht einem maximalen Signalhub von 19,8 mV. Die Wortlänge des implementierten Analog-Digital-Wandlers beträgt im störungsfreien Fall 14 Bit, so dass auf einem Digit ein Spannungswert von 1 ,2 μV abgebildet ist. Die Maximallast des hier betrachteten Zylinderrollerilagers sei mit 50 kN angenommen. Verteilt über den kompletten Wertebereich mit einer Maximalaussteuerung des Analog-Digital-Wandlers entsteht damit eine theoretische Genauigkeit von ca. 3 N pro Digit. Damit sind die Erfordernisse für das erfindungsgemäße Verfahren mehr als erfüllt, da durch das Übertragungssystem von Umgebungskonstruktion, Lager und Sensor eine wesentlich gröbere Quantisierung stattfindet. Messungen ergaben eine Auflösung im Bereich von 200 N. Die Quantisierung in Zeitrichtung wird vorgegeben durch die Abtastfrequenz des Systems, die bei dem für die Tests verwendeten System genau bei 78,125 kHz liegt. Daraus leitet sich der theoretisch maximal auftretende Fehler der Drehzahl - und der Drehrichtung - aus dem Kehrwert der Abtastfrequenz ab: .Ta=1/fa=12,8 μs. Bei einer maximal möglichen Überrollfrequenz aller in Frage kommender Lager von 3 kHz ergibt sich daraus ein maximaler Fehler von 3,8 %. Das stellt einen sehr guten Kompromiss dar zwischen dem relativen Fehler in der Messung und der anfallenden Datenrate des Systems.
Im Folgenden wird anhand der in den Fig. 16a bis 16h dargestellten Flussdiagramme als bevorzugte Ausführungsform ein Verfahren beschrieben, mit dem in Verfahrensteilen, die untereinander verzahnt sind, alle vorgenannten Betriebsparameter ermittelt werden können. Der besseren Übersichtlichkeit halber wird jedoch die Beschreibung in die Ermittlung jeweils eines einzigen Betriebsparameters untergliedert, wobei zur Vereinfachung der Parameter "T" für die verstrichene Zeit weggelassen wird; die verstrichene Zeit steckt somit implizit im Parameter "k". Die Verbindung der Flussdiagramme untereinander ist durch die Verbindungsstellen V1 bis V8 angegeben.
Wie schon ausgeführt, liefert jeder Sensor 26 bei Drehung des Wälzlagers 20 ein von dessen Drehstellung abhängiges wellenförmiges Signal 40, etwa wie in Fig. 3 dargestellt. Das Signal 40 wird an - vorzugsweise äquidistanten - Abtastpunkten k, k+1 , k+2, ... abgetastet, und die resultierenden Abtastwerte x*(k), x*(k+1), x*(k+2), ... werden gemäß den jeweiligen Teilen des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter verarbeitet.
Für k=0 wird zunächst das Signal 40 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als Abtaststartwert x*(0) abgetastet und ein Startwert für den Schätzwert E(x*(k=0)) als Erwartungswert des Signals 40 festgelegt. Anschließend wird die Laufvariable k um 1 erhöht. Anschließend wird das Signal 40 zum Zeitpunkt k+1 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als (k+1)-tem Abtastwert x*(k+1) abgetastet.
Drehzahl
In Schritt S100 wird gemäß Fig. 16a ein (k+1)-ter Schätzwert E(x*(k+1)) als Summe des vorhergehenden, k-ten Schätzwerts E(x*(k)) und des Produkts einer Adaptionskonstante cO mit dem Ergebnis einer Subtraktion dieses k-ten Schätzwerts E(x*(k)) von dem (k+1)-ten Abtastwert x*(k+1) berechnet. In Schritt S101 wird dann der in Schritt S100 berechnete (k+1)-te Schätzwert E(x*(k+1)) von dem k+1-ten Abtastwert x*(k+1) subtrahiert, und die Differenz wird als ein (k+1)-ter Rechenwert x(k+1) für das weitere Verfahren verwendet. Für cO gilt: 0 < cO < 1. Der in geschweiften Klammern stehende, letzte Term in der Berechnung von Schritt S101 ist für die Berechnung der Drehzahl nicht relevant und kann daher unberücksichtigt bleiben. In Schritt S102 wird das Vorzeichen dieses berechneten (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1) mit dem Vorzeichen des entsprechenden k-ten Rechenwerts x(k) vom vorherigen Durchlaufen dieses Verfahrensteils verglichen. Danach verzweigt sich das Verfahren in zwei Äste:
Falls die in Schritt S102 verglichenen Vorzeichen gleich sind, d. h. das Signal 40 keinen Vorzeichenwechsel und damit in anderen Worten keinen Nulldurchgang erfahren hat, wird k um 1 erhöht, und die Verfahrensschritte S100 bis S102 werden wiederholt. In anderen Worten ist keiner der Verfahrensschritte S302 bis S316 gemäß Fig. 16c für die Ermittlung der Drehzahl erforderlich. Falls die in Schritt S102 verglichenen Vorzeichen ungleich sind, d. h. das Signal 40 einen Nulldurchgang ausgeführt hat, wird in Schritt S203 gemäß Fig. 16b in einer weiteren Fallunterscheidung verglichen, ob der (k+1)-te Rechenwert x(k+1) vom aktuellen Schritt S101 größer als der entsprechende k-te Rechenwert x(k) ist, der bereits beim vorherigen Durchlaufen des Schritts S101 ermittelt wurde. In anderen Worten wird ermittelt, ob sich das Signal 40 auf einer aufsteigenden Flanke oder einer abfallenden Flanke befindet. Auch die Verfahrensschritte S108, S110 und S112 gemäß Fig. 16a sind für die Ermittlung der Drehzahl nicht erforderlich. Das Ermitteln der Nulldurchgänge bietet übrigens den zusätzlichen Vorteil, dass in dem Verfahren dadurch stets bekannt ist, in welcher Phase der Abtastung des Signals 40 man sich gerade befindet. Die Nulldurchgänge stellen gleichsam ein "Navigationssystem" dar und erleichtern die Zuordnung der erfassten Messwerte. Hierzu ist zu erwähnen, dass die Nulldurchgänge beispielsweise bei einer Änderung der Gestalt der Sensoren 26, 27 oder 29 gleichsam auf der x-Achse "festgezurrt" sind, während sich die Form des Signals ändert, wie es beispielsweise durch die Asymmetrie in Fig. 8 dargestellt ist.
Falls sich in Schritt S203 mit x(k+1) > x(k) ergibt, dass sich das Signal auf einer aufsteigenden Flanke befindet, wird in Schritt S210 überprüft, ob der aktuelle Rechenwert x(k+1) genau Null ist. Falls dies der Fall ist, wird der Zeitpunkt, zu dem dieser Rechenwert aufgetreten ist, in Schritt S214 als Zeitpunkt (vgl. Fig. 6) des Nulldurchgangs auf der aufsteigenden Flanke fest gehalten. Falls dies jedoch nicht der Fall ist, wird in Schritt S212 der Zeitpunkt tauf2 des Nulldurchgangs auf der aufsteigenden Flanke durch lineare Interpolation zwischen den beiden Rechenwerten x(k+1) und x(k) ermittelt. Diese lineare Interpolation stellt eine bevorzugte Vorgehensweise des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Alternativ könnten als brauchbare Näherung - um die Berechnung für die lineare Interpolation einzusparen - auch der Zeitpunkt unmittelbar vor dem Auftreten des Nulldurchgangs oder der Zeitpunkt unmittelbar nach dessen Auftreten herangezogen werden, wobei im weiteren Verfahren dann immer der gleiche Zeitpunkt vor bzw. nach dem Auftreten des Nulldurchgangs zu berücksichtigen wäre. In Schritt S404 gemäß Fig. 16d wird dann die "aufsteigende" Periodenlänge ΔTauf durch Bildung der Differenz zwischen zwei Nulldurchgängen auf der aufsteigenden Flanke, nämlich dem soeben ermittelten "neuen" Zeitpunkt und dem im vorigen Durchlauf ermittelten entsprechenden "alten" Zeitpunkt taufi, berechnet. Anschließend wird in Schritt S406 der "neue" Zeitpunkt tauf2 als "alter" Zeitpunkt tauti abgespeichert, damit er bei einer erneuten Berechnung einer "aufsteigenden" Periodenlänge ΔTauf benutzt werden kann. Schritt S408 ist für die Ermittlung der Drehzahl nicht erforderlich, und bei Schritt S410 wird ein Ausgabeflag für die Ausgabe der "aufsteigenden" Periodenlänge ΔTauf gesetzt - d. h., einen Befehl an den Prozessor zu deren Berechnung gegeben - und diese als Maß für die Drehzahl ausgegeben. Es ist klar, dass beim allerersten Durchlaufen des Verfahrens, d. h. bei der ersten Ermittlung des "neuen" Zeitpunkts taUf2 noch kein "alter" Zeitpunkt taιlfι zur Verfügung steht. Daher erfolgt eine Ausgabe einer "aufsteigenden" Periodenlänge ΔTaUf erstmals dann, wenn zum zweiten Mal ein "neuer" Zeitpunkt tauf2 berechnet wurde. Danach wird k um 1 erhöht und das Verfahren mit Schritt S 100 fortgesetzt.
Falls sich dagegen in Schritt S203 nicht x(k+1) > x(k) ergibt, bedeutet dies, dass sich das Signal auf einer abfallenden Flanke befindet. In diesem Falle werden die Schritte S230, S232 oder S234 analog zu den zuvor beschriebenen Schritten S210, S212 bzw. S214 ausgeführt, wobei statt taUf2 der Zeitpunkt ta 2 des Nulldurchgangs auf der abfallenden Flanke ermittelt wird. Analog zu den Schritten S404 und S406 wird dann in den Schritten S504 und S506 gemäß Fig. 16e die "abfallende" Periodenlänge ΔTab durch Bildung der Differenz zwischen dem "neuen" Zeitpunkt ta 2 und dem entsprechenden "alten" Zeitpunkt ta 1 berechnet und in Schritt S510 als Maß für die Drehzahl ausgegeben. Danach wird ebenfalls k um 1 erhöht und das Verfahren mit Schritt S100 fortgesetzt. Damit ist die Drehzahl ermittelt - und zwar zweimal pro Periode: in Form der "aufsteigenden" Periodenlänge ΔTauf und der "abfallenden" Periodenlänge ΔTab.
Prinzipiell wäre es auch möglich, die Periodenlänge durch den Abstand zwischen zwei Minima oder zwei Maxima zu ermitteln, da diese Minima oder Maxima jedoch eine relativ breite "Kuppe" bilden und daher nicht so scharf zu erfassen sind wie die Nulldurchgänge, ist deren Verwendung insbesondere bei Rauschen ungenauer und daher nicht bevorzugt.
Bei der Ermittlung weiterer Betriebsparameter werden Schritte, die schon zuvor beschrieben wurden, zur Vermeidung von Wiederholungen nicht erneut ausführlich dargestellt, zumal sie ohnehin nicht erneut ausgeführt zu werden brauchen.
Axialkraft
Bei der Ermittlung der Axialkraft sind die Schritte S100 und S102 gleich wie bei der Ermittlung der Drehzahl, und der einzige Unterschied in Schritt S101 zu dem bei der Ermittlung der Drehzahl verwendeten Schritt S101 besteht darin, dass bei der Bestimmung des Rechenwerts x(k+1 ) eine Hilfsgröße hub hlf hinzuaddiert wird, d. h., der in geschweiften Klammern stehende letzte Term in der Berechnung von Schritt S101 wird diesmal berücksichtigt. Das heißt nichts anderes, als dass die Hilfslinie 42 nicht mit der Nulllinie identisch sein soll, sondern dass sie unterhalb liegt. Die Hilfsgröße hub-hlf kann frei gewählt werden, es ist aber bevorzugt, dass sie sich aus einem Produkt einer Zahl (hlf) zwischen 0 und 0,5 mit dem Signalhub (hub) zusammensetzt.
Der Schritte S203 und die Schritte S210, S212 und S214 für die aufsteigende Flanke sowie die Schritte S230, S232 und S234 für die abfallende Flanke werden genauso ausgeführt wie bei der Ermittlung der Drehzahl.
Für die aufsteigende Flanke wird dann in Schritt S402 das Zeitintervall (Δt_nhw) ermittelt, wie lange die negative Halbwelle dauert, und zwar dadurch, dass der "neue" Zeitpunkt tab2 der abfallenden Flanke von dem "neuen" Zeitpunkt tauf2 der aufsteigenden Flanke subtrahiert wird. Die Darstellung in Fig. 6 weicht hiervon ab, da sie nicht berücksichtigt, dass die entsprechenden Werte taun. taU 2. tabi, bei verschiedenen Verfahrensdurchläufen "weiter wandern", d.h., dass sich deren Bezeichnung im Fortgang des Verfahrens sukzessive ändert. Danach wird der Schritt S406 ausgeführt, der eine solche sukzessive Änderung darstellt.
Parallel zur Ausführung der Schritte von S101 bis S406 wird ein weiterer Verfahrenszweig ausgeführt, der in Fig. 16a und Fig. 16f mit "Parallelzweig" bezeichnet ist und mit Schritt S601 in Fig. 16f beginnt. Schritt S601 unterscheidet sich von Schritt S101 nur dadurch, dass die Hilfsgröße hub hlf nicht addiert, sondern subtrahiert wird. Das heißt nichts anderes, als dass der Schnitt des Signals 40 mit einer entsprechenden, weiter oberhalb liegenden Hilfslinie erfolgen soll. Zur besseren Unterscheidbarkeit zum Rechenwert x(k+1 ) von Schritt S101 wird der in Schritt S601 resultierende Rechenwert mit y(k+1) bezeichnet, wobei diese Unterscheidung in den Schritten S602, S603, S610, S612, S614, S630, S632 und S634 beibehalten wird, die ansonsten identisch ablaufen wie die Schritte S102, S203, S210, S212, S214, S230, S232 bzw. S234 im "Hauptzweig". Um zu verdeutlichen, dass sich die im "Hauptzweig" ermittelten Nulldurchgänge von den im Parallelzweig ermittelten unterscheiden, sind letztere mit einem "*" gekennzeichnet. Für die abfallende Flanke wird dann in Schritt S638 das Zeitintervall (Δt_phw) ermittelt, wie lange die positive Halbwelle dauert, und zwar dadurch, dass der "neue" Zeitpunkt t*auf2 der aufsteigenden Flanke von dem "neuen" Zeitpunkt t* ab2 der abfallenden Flanke subtrahiert wird. Anschließend wird der zu Schritt S406 analoge Schritt S506 ausgeführt.
In Schritt S408 und/oder Schritt S508 kann dann das in Schritt S638 ermittelte Zeitintervall Δt_phw von dem in Schritt S402 ermittelten Zeitintervall Δt_nhw subtrahiert werden, wobei das Vorzeichen dieser Differenz Δt_phw - Δt_nhw die Richtung ax_dir der auf das Lager 20 einwirkenden Axialkraft angibt und in Schritt S410 und/oder S510 ausgegeben werden kann. Zusätzlich kann in Schritt S409 und/oder S509 der Betrag ax_for der Differenz Δt_phw - Δt_nhw als Maß für die Größe der Axialkraft bestimmt und in Schritt S410 und/oder S510 mit ausgegeben werden.
Damit ist auch die auf das Lager 20 einwirkende Axialkraft bestimmt.
Radialkraft
Bei der Ermittlung der Radialkraft sind die Schritte S100, S101 und S102 gleich wie bei der Ermittlung der Drehzahl. Falls die in Schritt S102 verglichenen Vorzeichen gleich sind, d. h., falls kein Nulldurchgang stattgefunden hat, wird in Schritt S302 geprüft, ob das Vorzeichen des (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1) von Schritt S101 identisch 1 ist, d. h., das Signal 40 in der positiven Halbwelle ist. Falls ja, wird in Schritt S304 geprüft, ob dieser (k+1)-te Rechenwert x(k+1) größer als das bisher ermittelte Maximum max_wert des Signals 40 ist, und falls dies so ist, wird in Schritt S305 dieser (k+1)-te Rechenwert x(k+1) als neues Maximum max_wert des Signals 40 gespeichert, danach k um 1 erhöht und das Verfahren mit Schritt S100 fortgesetzt. Falls dies nicht so ist, wird in Schritt S308 der Hub (hub) des Signals 40 durch Bildung der Differenz max_wert - min_wert zwischen dessen Maximum max_wert und dessen Minimum min_wert ermittelt, wobei die Ermittlung des Minimums min_wert später beschrieben wird. Selbstverständlich kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Hub erst dann berechnet werden, wenn sowohl das Maximum max_wert als auch das Minimum min /vert vorliegen. Dann wird k um 1 erhöht und das Verfahren mit Schritt S100 fortgesetzt. Wenn sich in Schritt S302 ergibt, dass das Vorzeichen des (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1) nicht identisch 1 ist, d. h., das Signal 40 in der negativen Halbwelle ist, wird in analoger Weise in den Schritten S314, S315 bzw. S318 das Minimum min_wert des Signals 40 ermittelt bzw. gespeichert und der Hub berechnet. Dann wird wieder k um 1 erhöht und das Verfahren mit Schritt S100 fortgesetzt. Es ist zu erwähnen, dass der Signalhub auch durch die umgekehrte Differenz, also minj/vert - max_wert, und damit ebenfalls zweimal pro Signalperiode berechnet und ausgegeben werden kann. Sobald sich in Schritt S102 ergeben hat, dass ein Vorzeichenwechsel bzw. ein Nulldurchgang stattgefunden hat, wird in Schritt S108 ein Ausgabeflag gesetzt, dass der Hub als Maß für die auf das Lager 20 einwirkende Radialkraft ausgegeben werden kann. In Schritt S110 wird geprüft, ob der Hub größer als ein bisher ermittelter maximaler Signalhub hubjnax ist. Falls dies so ist, wird der aktuelle ermittelte Hub als neuer maximaler Signalhub hub_max gespeichert. Dies dient dazu, starke Stöße zu erkennen. Der Wert für den maximalen Signalhub hubjnax ist vom Benutzer jederzeit löschbar.
Danach wird wieder in Schritt S203 eine Fallunterscheidung ausgeführt, ob sich das Signal in einer aufsteigenden Flanke oder in einer abfallenden Flanke befindet. Im ersteren Fall wird das Maximum max_wert, im zweiten Fall wird das Minimum min_wert des Signals 40 auf Null zurückgesetzt, k um 1 erhöht und das Verfahren mit Schritt S100 fortgesetzt.
Damit ist auch die Radialkraft als weiterer Betriebsparameter des Wälzlagers 20 ermittelt.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass ein Minimum oder in Maximum als solches nur akzeptiert wird, wenn ein Nulldurchgang zwischen diesen beiden Extrema erfasst worden ist. Dadurch ist sichergestellt, dass bei einer "Delle" im Signal kein eventuell damit verknüpftes Subextremum als (falsches) Minimum oder Maximum erfasst wird.
Drehrichtunq
Bei der Ermittlung der Drehrichtung sind die Schritte S100, S101 und S102 gleich wie bei der
Ermittlung der Drehzahl.
Falls die in Schritt S102 verglichenen Vorzeichen gleich sind, d. h., falls kein Nulldurchgang stattgefunden hat, wird in Schritt S302 (Fig. 16c) geprüft, ob das Vorzeichen des (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1) von Schritt S101 identisch 1 ist, d. h., das Signal 40 in der positiven Halbwelle ist. Falls ja, wird in Schritt S304 geprüft, ob dieser (k+1)-te Rechenwert x(k+1) größer als das bisher ermittelte Maximum max_wert des Signals 40 ist, und falls dies so ist, wird in Schritt S306 der Zeitpunkt max_wert_t (entspricht i in Fig. 8 und dem Ausdruck (2)) gespeichert, zu dem dieser (k+1)-te Rechenwert x(k+1) (d. h. max_wert) aufgetreten ist, danach k um 1 erhöht und das Verfahren mit Schritt S100 fortgesetzt. Wenn sich in Schritt S302 ergibt, dass das Vorzeichen des (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1) nicht identisch 1 ist, d. h., das Signal 40 in der negativen Halbwelle ist, wird in analoger Weise in Schritt S314 geprüft, ob dieser (k+1)-te Rechenwert x(k+1) kleiner als das bisher ermittelte Minimum min_wert des Signals 40 ist, und falls dies so ist, wird in Schritt S315 der Zeitpunkt min_wert_t gespeichert, zu dem dieser (k+1)-te Rechenwert x(k+1) (d. h. min_wert) aufgetreten ist, danach k um 1 erhöht und das Verfahren mit Schritt S100 fortgesetzt.
Falls die in Schritt S102 verglichenen Vorzeichen ungleich sind, d. h. das Signal 40 einen Nulldurchgang ausgeführt hat, wird in Schritt S203 gemäß Fig. 16b in einer weiteren Fallunterscheidung verglichen, ob der (k+1)-te Rechenwert x(k+1) vom aktuellen Schritt S101 größer als der entsprechende k-te Rechenwert x(k) ist, der bereits beim vorherigen Durchlaufen des Schritts S101 ermittelt wurde. In anderen Worten wird wieder ermittelt, ob sich das Signal 40 auf einer aufsteigenden Flanke oder einer abfallenden Flanke befindet. Falls sich das Signal 40 auf der aufsteigenden Flanke befindet, wird in Schritt S204 die Drehrichtung in folgender Weise ermittelt: Eine Minimumhilfsvariable min_t_ref, deren Bedeutung später noch erläutert wird, wird von dem Zeitpunkt min_wert_t des Auftretens des Minimums des Signals 40 subtrahiert und das Ergebnis durch 2 dividiert, und hiervon wird das Ergebnis der Subtraktion der Minimumhilfsvariablen min_t_ref von dem Zeitpunkt max_wert_t des Auftretens des Maximums des Signals 40 subtrahiert. Das Vorzeichen sign dieses Werts wird als Angabe für die Drehrichtung sym des Wälzlagers 20 verwendet, wonach in Schritt S208 ein Ausgabeflag für die Drehrichtung sym gesetzt und diese ausgegeben wird. Vor der Ausgabe wird jedoch in Schritt S206 noch der Zeitpunkt min_wert_t des Auftretens des Minimums des Signals 40 als neue Minimumhilfsvariable min_t_ref gespeichert. Damit ist auch die Bedeutung dieser Minimumhilfsvariablen min_t_ref geklärt. Anschließend wird k um 1 erhöht und das Verfahren mit Schritt S100 fortgesetzt. Falls sich das Signal 40 jedoch auf der abfallenden Flanke befindet, wird in Schritt S224 (ähnlich wie bei Schritt S204) die Drehrichtung sym in folgender Weise ermittelt: Eine Maximumhilfsvariable max_t_ref, deren Bedeutung ebenfalls später erläutert wird, wird von dem Zeitpunkt max_wert_t des Auftretens des Maximums des Signals 40 subtrahiert und das Ergebnis durch 2 dividiert, und hiervon wird das Ergebnis der Subtraktion der Maximumhilfsvariablen max_t_ref von dem Zeitpunkt min_wert_t des Auftretens des Minimums des Signals 40 subtrahiert. Das Vorzeichen sign dieses Werts wird wieder als Angabe für die Drehrichtung sym des Wälzlagers 20 verwendet, wonach in Schritt S228 ein Ausgabeflag für die Drehrichtung sym gesetzt und diese ausgegeben wird. Vor der Ausgabe wird jedoch in Schritt S216 noch der Zeitpunkt max_wert_t des Auftretens des Maximums des Signals 40 als neue Maximumhilfsvariable max_t_ref gespeichert. Somit ist auch die Bedeutung dieser Minimumhilfsvariablen max_t_ref geklärt.
Damit ist auch die Drehrichtung des Wälzlagers 20 ermittelt.
Vorstehend wurde durch die Verwendung einer einheitlichen Adaptionskonstante cO in den jeweiligen Verfahrensteilen zur Ermittlung der Drehzahl, der Drehrichtung, der Axialkraft und der Radialkraft implizit davon ausgegangen, dass diese Adaptionskonstante bei der Berechnung des Erwartungswerts des Signals 40 überall gleich ist. Es ist jedoch klar, dass bei Bedarf in den unterschiedlichen Verfahrensteilen auch unterschiedliche Adaptionskonstanten eingesetzt werden können, wenn dies für die Berechnung der verschiedenen Betriebsparameter Vorteile bringt.
Nun folgt die Beschreibung der Ermittlung von Körperschallereignissen.
Kάrperschall Hierzu wird für k=0 zunächst das Signal 40 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als Abtaststartwert x*(0) abgetastet. Es wird kein Schätzwert E(x*(k=0)) als Erwartungswert des Signals 40 benötigt, sondern das zweite gewöhnliche statistische Moment E{V }(k=0) des Filterabtastwerts v(k=0), wie später noch erläutert wird. Anschließend wird die Laufvariable k um 1 erhöht. Anschließend wird das Signal 40 zum Zeitpunkt k+1 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als (k+1)-tem Abtastwert x*(k+1) abgetastet, etc.
Die Abtastwerte x*(k), x*(k+1), x*(k+2), ..., in Fig. 16g mit x*(k) abgekürzt, durchlaufen in Schritt S702 vorzugsweise ein IIR-Hochpassfilter 59 mindestens 5. Ordnung, dessen Filterkoeffizienten frei programmierbar sind. Dadurch wird der niederfrequente Anteil des Sensorsignals 40 ausgefiltert. Am Ausgang des Filters 59 liegen dann die Filterabtastwerte v(k), v(k+1), ..., hier mit v(k) abgekürzt, an, was in Fig. 13 dargestellt ist. In Schritt S704 wird in Anlehnung an Gleichung (5) das zweite gewöhnliche statistische Moment E{V2}(k+1) zum "neuen" Filterabtastwert v(k+1 ) berechnet. Hierzu wird vom Quadrat v2(k+1) des "neuen" Filterabtastwerts v(k+1) das zweite gewöhnliche statistische Moment E{V2}(k) zum "alten" Filterabtastwert v(k) abgezogen, diese Differenz mit einer Adaptionskonstante d multipliziert, und das Ergebnis der Multiplikation dann zum zweiten gewöhnlichen statistischen Moment E{V2}(k) zum "alten" Filterabtastwert v(k) hinzuaddiert. Für d gilt: 0 < d < 1. Dieses gewöhnliche statistische Moment zweiter Ordnung ist in Fig. 15 links dargestellt. Danach kann das Ausgangssignal Output so, wie es ist, in Schritt S710 als quantitatives Fehlersignal ausgegeben werden, außerdem kann das Ausgangssignal Output in Schritt S718 mit einem Schwellwert verglichen werden und - falls es diesen überschreitet - als qualitativer Wert ausgegeben werden, was in Schritt S720 mit "Ausgabeflag Körperschall" bezeichnet ist. Zusätzlich kann in Schritt S712 verglichen werden, ob das Ausgangssignal Output ein bisher erfasstes (vom Benutzer beliebige löschbares) maximales Ausgangssignal Output_max übersteigt, und in Schritt S714 kann dieses dann als neues maximales Ausgangssignal Output_max gespeichert werden, wonach es in Schritt S716 ausgegeben werden kann, was mit "Ausgabeflag Output_max" bezeichnet ist.
Für die weitere Verarbeitung werden aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit die Ausgangswerte E{V2}(k+1) aus der Berechnung von Schritt S704 abgekürzt mit u(k) bezeichnet. In Schritt S706 wird dann die aus Schritt S704 bekannte Berechnung des zweiten gewöhnlichen statistischen Momentes ausgeführt, jedoch auf der Grundlage der Werte u(k), um die zweiten gewöhnlichen statistischen Momente E{U2}(k+1) zu u(k+1) zu berechnen. Statt der in Schritt S704 verwendeten Adaptionskonstante d wird eine Adaptionskonstante c2 verwendet, für die gilt: 0 < c2 < 1. Es kann jedoch auch gelten: c1=c2. In Schritt S707 wird in Anlehnung an Gleichung (3) der Erwartungswert E{U}(k+1) von u(k+1) berechnet: Hierzu wird von u(k+1) der Erwartungswert E{U}(k) von u(k) subtrahiert, diese Differenz mit einer Adaptionskonstanten c3 (für die gilt: 0 < c3 < 1) multipliziert, und das Ergebnis der Multiplikation dann zum Erwartungswert E{U}(k) hinzuaddiert. c3 muss nicht notwendigerweise von d und/oder c2 verschieden sein. In Schritt S708 wird dann die Varianz σ2(k+1) berechnet, indem das Quadrat des Ergebnisses von Schritt S707 vom Ergebnis von Schritt S706 subtrahiert wird. Danach kann wieder eine Ausgabe (wahlweise in den Schritten S710 und/oder S716 und/oder S720) mit den vorgenannten Möglichkeiten erfolgen, wobei nach den Schritten S706 bis S708 die Genauigkeit der Erfassung und der Unterscheidbarkeit von Sensorsignal sowie von Rauschen besser ist als nach einer Ausgabe bereits nach Schritt S704.
Damit ist auch der im Wälzlager 20 auftretende Körperschall erfasst.
In vielen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren sehr zuverlässig die gesuchten Betriebsparameter ermittelt und für die gestellte Aufgabe optimal arbeitet. Durch den Einsatz der Gleichungen für den linearen Erwartungswert und das gewöhnliche statistische Moment zweiter Ordnung ist es möglich, die Betriebsparameter durch Auswertung der anfallenden Daten im ASIC auf kleinstem Raum sicher und schnell zu ermitteln. Das Verfahren ist u. a. auch deshalb es sehr effizient, weil es überwiegend Vergleiche und Additionen und keine aufwändigen Multiplikationen bzw. Divisionen verwendet sowie auf einer einfachen Speicherung mit minimalem Speicherplatzbedarf aufbaut.
Bei der vorstehenden Beschreibung wurde davon ausgegangen, dass das erfindungsgemäße Verfahren in einem ASIC ausgeführt wird, also in einer fest verdrahteten Anordnung ausgeführt wird. Es ist jedoch klar, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch in Form von Software, d. h. einem Computerprogramm, in einem normalen Rechner ausgeführt werden kann.
Es ist festzuhalten, dass die unter Bezug auf einzelne Ausführungsformen beschriebenen Merkmale der Erfindung, wie beispielsweise einzelne Schritte aus den Flussdiagrammen oder der Beschreibung der theoretischen Grundlagen des Verfahrens, auch bei anderen Ausführungsformen vorhanden sein können, außer wenn es anders angegeben ist oder sich aus technischen Gründen von selbst verbietet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Ermittlung von Betriebsparametern, wie insbesondere der Drehzahl, der Drehrichtung, der Radialkraft, der Axialkraft oder von Körperschallereignissen, eines sich drehenden Wälzlagers (20), an dem eine Sensoranordnung (26; 27; 29) befestigt ist, die ein bei Drehung des Wälzlagers (20) von dessen Drehstellung abhängiges wellenförmiges Signal (40) liefert, das an Abtastpunkten k, k+1 , k+2, ... abgetastet wird, wodurch Abtastwerte x*(k), x*(k+1), x*(k+2), ... ermittelt werden, wobei für die Ermittlung A) der Drehzahl, der Drehrichtung, der Radialkraft und/oder der Axialkraft mittels Schätzung eine Hilfslinie (42), die das Signal (40) schneidet und im Wesentlichen parallel zu dessen Einhüllenden ist, konstruiert wird und die Betriebsparameter auf dieser Basis ermittelt werden, und/oder B) von Körperschallereignissen die Abtastwerte x*(k), x*(k+1), x*(k+2), ... in einem Hochpassfilter (59) zur Gewinnung von Filterabtastwerten v(k), v(k+1), v(k+2), ... gefiltert werden und auftretender Körperschall mittels Schätzung eines statistischen Moments mindestens zweiter Ordnung, E{V2}(k), E{V2}(k+1), E{V2}(k+2) der Filterabtastwerte v(k), v(k+1), v(k+2), ... ermittelt wird, wobei k eine ganze Zahl als Laufvariable für die verstrichene Zeit ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei als Betriebsparameter die Drehzahl ermittelt wird, umfassend folgende Schritte: a) Festlegung eines Startwertes für den Schätzwert E(x*(k=0)) als Erwartungswert des Signals (40) für einen Startzeitpunkt k=0 und Abtasten des Signals (40) zum Zeitpunkt k=0 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als Abtaststartwert x*(0) sowie anschließendes Erhöhen der Laufvariablen k um 1 , b) Abtasten des Signals (40) zum Zeitpunkt k+1 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als (k+l)-tem Abtastwert x*(k+1), c) Berechnen (S100) eines (k+1)-ten Schätzwerts E(x*(k+1)) als Summe des k-ten Schätzwerts E(x*(k)) und des Produkts einer Adaptionsgröße cO mit dem Ergebnis einer Subtraktion des k-ten Schätzwerts E(x*(k)) von dem (k+1 )-ten Abtastwert x*(k+1), d) Subtraktion (S101) des in Schritt c) berechneten (k+1)-ten Schätzwerts E(x*(k+1)) von dem in Schritt b) ermittelten k+1-ten Abtastwert x*(k+1) und Verwendung der Differenz als (k+1)-ten Rechenwert x(k+1), e) Vergleich (S102) des Vorzeichens des in Schritt d) berechneten (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1) mit dem Vorzeichen des entsprechenden k-ten Rechenwerts x(k) vom vorherigen Durchlaufen des Schritts d), f) falls die in Schritt e) verglichenen Vorzeichen gleich sind: Erhöhung von k um 1 und Wiederholung der Schritte b) bis f); anderenfalls Vergleich (S203), ob der (k+1 )-te Rechenwert x(k+1) vom aktuellen Schritt d) größer als der entsprechende k-te Rechenwert x(k) vom vorherigen Durchlaufen des Schritts d) ist, g) falls sich in Schritt f) ergibt x(k+1) > x(k): Festlegung (S210, S212, S214) des Zeitpunkts (taufi. tauf2), zu dem sich das Vorzeichen zwischen den beiden in Schritt e) ermittelten Rechenwerten mit ungleichen Vorzeichen in dieser aufsteigenden Richtung geändert hat, und Erhöhung von k um 1 sowie Wiederholung der Schritte b) bis g) so lange, bis sich in Schritt f) wiederum x(k+1) > x(k) ergeben hat; anderenfalls Festlegung (S230, S232, S234) des Zeitpunkts (tab1, tab2), zu dem sich das Vorzeichen zwischen den beiden in Schritt e) ermittelten Rechenwerten mit ungleichen Vorzeichen in dieser abfallenden Richtung geändert hat, und Erhöhung von k um 1 sowie Wiederholung der Schritte b) bis g) so lange, bis sich in Schritt f) wiederum ergeben hat, dass x(k+1) > x(k) nicht gilt, und h) Bildung (S404; S504) der Differenz (ΔTaUf; ΔTa ) zwischen den in den unterschiedlichen Durchläufen in Schritt g) ermittelten Zeitpunkten (taut,, tauf2; tab1, tab2) und Ausgabe (S510; S410) dieser Differenz (ΔTauf; ΔTa ) als Wert, der der Drehzahl des Wälzlagers (20) entspricht, sowie vorzugsweise Fortsetzung des Verfahrens ab Schritt b), wobei für cO gilt: 0 < cO < 1.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in den unterschiedlichen Durchläufen in Schritt g) festgelegten Zeitpunkte (tauf1, ; tabι, ta 2) durch Interpolation (S212; S232) zwischen den beiden Rechenwerten mit ungleichem Vorzeichen aus Schritt f) ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Betriebsparameter die Axialkraft ermittelt wird und wobei die Sensoranordnung (29, 36, 37, 38, 39) so ausgestaltet ist, dass sich das wellenförmige Signal (40) bei Anliegen einer Axialkraft am Wälzlager (20) ändert, umfassend folgende Schritte: a) Festlegung eines Startwertes für den Schätzwert E(x*(k=0)) als Erwartungswert des Signals (40) für einen Startzeitpunkt k=0 und Abtasten des Signals (40) zum Zeitpunkt k=0 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als Abtaststartwert x*(0) sowie anschließendes Erhöhen der Laufvariablen k um 1 , b) Abtasten des Signals (40) zum Zeitpunkt k+1 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als (k+1)-tem Abtastwert x*(k+1), c) Berechnen (S100) eines (k+1)-ten Schätzwerts E(x*(k+1)) als Summe des k-ten Schätzwerts E(x*(k)) und des Produkts einer Adaptionsgröße cO mit dem Ergebnis einer Subtraktion des k-ten Schätzwerts E(x*(k)) von dem (k+1)-ten Abtastwert x*(k+1), d1) Subtraktion (S101) des in Schritt c) berechneten (k+1)-ten Schätzwerts E(x*(k+1)) von dem in Schritt b) ermittelten k+1-ten Abtastwert x*(k+1) sowie Addition einer Hilfsgröße (hub hlf) und Verwendung des Ergebnisses als (k+1)-ten Rechenwert x(k+1), e1 ) Vergleich (S102) des Vorzeichens des in Schritt d1 ) berechneten (k+1 )-ten Rechenwerts x(k+1) mit dem Vorzeichen des entsprechenden k-ten Rechenwerts x(k) vom vorherigen Durchlaufen des Schritts d1), f1) falls die in Schritt e1) verglichenen Vorzeichen gleich sind: Erhöhung von k um 1 und Wiederholung der Schritte b) bis f1); anderenfalls Vergleich (S203), ob der (k+1)-te Rechenwert x(k+1) vom aktuellen Schritt d1) größer als der entsprechende k-te Rechenwert x(k) vom vorherigen Durchlaufen des Schritts d1) ist, g1) falls sich in Schritt f1) ergibt x(k+1) > x(k): Festlegung (S210, S212, S214) des Zeitpunkts (tauft, tauf2), zu dem sich das Vorzeichen zwischen den beiden in Schritt e1) ermittelten Rechenwerten mit ungleichen Vorzeichen in dieser aufsteigenden Richtung geändert hat, und Erhöhung von k um 1 sowie Wiederholung der Schritte b) bis g1) so lange, bis sich in Schritt f1) wiederum x(k+1) > x(k) ergeben hat; anderenfalls Festlegung (S230, S232, S234) des Zeitpunkts (tab1, tab2), zu dem sich das Vorzeichen zwischen den beiden in Schritt e1) ermittelten Rechenwerten mit ungleichen Vorzeichen in dieser abfallenden Richtung geändert hat, und Erhöhung von k um 1 sowie Wiederholung der Schritte b) bis g1) so lange, bis sich in Schritt f1) wiederum ergeben hat, dass x(k+1) > x(k) nicht gilt. i1) Subtraktion (S402) des in Schritt g1) in der zweiten Alternative festgelegten Zeitpunkts (tab2) von dem in Schritt g1) in der ersten Alternative festgelegten Zeitpunkt (t^) und Verwendung der Differenz als Zeitintervall (Δt_nhw) der negativen Halbwelle, d2) Subtraktion (S601) des in Schritt c) berechneten (k+1 )-ten Schätzwerts E(x*(k+1 )) sowie der Hilfsgröße (hub hlf) von dem in Schritt b) ermittelten k+1-ten Abtastwert x*(k+1) und Verwendung des Ergebnisses als (k+1)-ten Rechenwert y(k+1 ), e2) Vergleich (S602) des Vorzeichens des in Schritt d2) berechneten (k+1)-ten Rechenwerts y(k+1) mit dem Vorzeichen des entsprechenden k-ten Rechenwerts y(k) vom vorherigen Durchlaufen des Schritts d2), f2) falls die in Schritt e2) verglichenen Vorzeichen gleich sind: Erhöhung von k um 1 und Wiederholung der Schritte b) bis f2); anderenfalls Vergleich (S603), ob der (k+1)-te Rechenwert y(k+1) vom aktuellen Schritt d2) größer als der entsprechende k-te Rechenwert y(k) vom vorherigen Durchlaufen des Schritts d2) ist, g2) falls sich in Schritt f2) ergibt y(k+1) > y(k): Festlegung (S610, S612, S614) des Zeitpunkts (t* autι, t*auf2), zu dem sich das Vorzeichen zwischen den beiden in Schritt e2) ermittelten Rechenwerten mit ungleichen Vorzeichen in dieser aufsteigenden Richtung geändert hat, und Erhöhung von k um 1 sowie Wiederholung der Schritte b) bis g2) so lange, bis sich in Schritt f2) wiederum y(k+1) > y(k) ergeben hat; anderenfalls Festlegung (S630, S632, S634) des Zeitpunkts (t* ab1 l t* a 2), zu dem sich das Vorzeichen zwischen den beiden in Schritt e2) ermittelten Rechenwerten mit ungleichen Vorzeichen in dieser abfallenden Richtung geändert hat, und Erhöhung von k um 1 sowie Wiederholung der Schritte b) bis g2) so lange, bis sich in Schritt f2) wiederum ergeben hat, dass y(k+1) > y(k) nicht gilt, i2) Subtraktion (S638) des in Schritt g2) in der ersten Alternative festgelegten Zeitpunkts (t*aUf2) von dem in Schritt g2) in der zweiten Alternative festgelegten Zeitpunkts (t* ab2) und Verwendung der Differenz als Zeitintervall (Δt_phw) der positiven Halbwelle, wobei die Schritte d2) bis i2) vorzugsweise so weit wie möglich parallel zu den Schritten d1) bis i1 ) ablaufen, und j) Bildung (S408; S508) der Differenz (Δt_phw - Δt_nhw) zwischen den in Schritten i1 ) und i2) ermittelten Zeitintervallen (Δt_nhw, Δt_phw) und Ausgabe (S510; S410) des Vorzeichens (ax_dir) dieser Differenz (Δt_phw - Δt_nhw) als Wert, der der Richtung der auf das Wälzlager (20) einwirkenden Axialkraft entspricht, sowie vorzugsweise Fortsetzung des Verfahrens ab Schritt b), wobei für cO gilt: 0 < cO < 1.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Schritten g1) und g2) festgelegten Zeitpunkte (tauf1, ∑; tab2; t* auf1l t*auf2; t*ab1, t b2) durch Interpolation (S212; S232, S612; S632) zwischen den jeweiligen beiden Rechenwerten mit ungleichem Vorzeichen aus den Schritten f1) beziehungsweise f2) ermittelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Berechnung (S409, S509) des Betrags (ax_for) der in Schritt j) gebildeten Differenz (Δt_phw - Δt_nhw) als Maß für die Größe der Axialkraft ausgeführt und ausgegeben wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Betriebsparameter die Radialkraft ermittelt wird, umfassend folgende Schritte: a) Festlegung eines Startwertes für den Schätzwert E(x*(k=0)) als Erwartungswert des Signals (40) für einen Startzeitpunkt k=0 und Abtasten des Signals (40) zum Zeitpunkt k=0 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als Abtaststartwert x*(0) sowie anschließendes Erhöhen der Laufvariablen k um 1 , b) Abtasten des Signals (40) zum Zeitpunkt k+1 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als (k+1)-tem Abtastwert x*(k+1), c) Berechnen (S100) eines (k+1)-ten Schätzwerts E(x*(k+1)) als Summe des k-ten Schätzwerts E(x*(k)) und des Produkts einer Adaptionsgröße cO mit dem Ergebnis einer Subtraktion des k-ten Schätzwerts E(x*(k)) von dem (k+1)-ten Abtastwert x*(k+1), d) Subtraktion (S101) des in Schritt c) berechneten (k+1)-ten Schätzwerts E(x*(k+1)) von dem in Schritt b) ermittelten k+1-ten Abtastwert x*(k+1) und Verwendung der Differenz als (k+1 )-ten Rechenwert x(k+1), e) Vergleich (S102) des Vorzeichens des in Schritt d) berechneten (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1) mit dem Vorzeichen des entsprechenden k-ten Rechenwerts x(k) vom vorherigen Durchlaufen des Schritts d), k) falls die in Schritt e) verglichenen Vorzeichen gleich sind: Prüfung (S302), ob das Vorzeichen des (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1) von Schritt d) positiv ist, und falls sich ein positives Vorzeichen ergibt: Wiederholung der Schritte b) bis k), bis in Schritt e) ein ungleiches Vorzeichen erfasst wird, und Speicherung (S305) des Maximums (max_wert) der bisher in Schritt d) berechneten (k+1)-ten Rechenwerte x(k+1 ), anderenfalls Wiederholung der Schritte b) bis k), bis in Schritt e) ein ungleiches Vorzeichen erfasst wird, und Speicherung (S315) des Minimums (min_wert) der bisher in Schritt d) berechneten (k+1 )-ten Rechenwerte x(k+1 ) sowie Berechnung der Differenz (hub) zwischen dem Maximum (max_wert) und dem Minimum (min_wert) dieser in Schritt d) berechneten (k+1)-ten Rechenwerte x(k+1) und Ausgabe (S108) dieser Differenz (hub) als Wert, der der auf das Wälzlager (20) einwirkenden Radialkraft entspricht, sowie vorzugsweise Erhöhung von k um 1 und Fortsetzung des Verfahrens ab Schritt b); falls die in Schritt e) verglichenen Vorzeichen ungleich sind: Zurücksetzen des Maximums (max_wert) beziehungsweise des Minimums (min_wert) der in Schritt d) berechneten (k+1)-ten Rechenwerte x(k+1) auf 0 sowie Erhöhung von k um 1 und Fortsetzung des Verfahrens mit Schritt b), wobei für cO gilt: 0 < cO < 1.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt k) für ein positives Vorzeichen eine Prüfung (S304) ausgeführt wird, ob der (k+1 )-te Rechenwert x(k+1 ) von Schritt d) größer als das bisher ermittelte Maximum (max_wert) ist, und falls dies so ist: Speicherung (S305) dieses (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1) als neues Maximum (max_wert) für die Berechnung (S308) der Differenz (hub), und für ein negatives Vorzeichen eine Prüfung (S314) ausgeführt wird, ob der (k+1)-te Rechenwert x(k+1) von Schritt d) kleiner als das bisher ermittelte Minimum (min_wert) ist, und falls dies so ist: Speicherung (S315) dieses (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1) als neues Minimum (min_wert) für die Berechnung (S308) der Differenz (hub).
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Durchlaufen von Schritt k) die Differenz (hub) zusätzlich als Maximaldifferenz (hub_max) abgespeichert wird und bei jedem Durchlaufen des Schritts k) ein Vergleich (S110) ausgeführt wird, ob der Wert der aktuell berechneten Differenz (hub) größer als die Maximaldifferenz (hub_max) ist, und falls dies der Fall ist: Speicherung dieser aktuell berechneten Differenz (hub) als neue Maximaldifferenz (hub_max), die vorzugsweise von einem Benutzer löschbar ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Betriebsparameter die Drehrichtung ermittelt wird und die Sensoranordnung (27, 31 , 32', 33, 34') so ausgestaltet ist, dass das wellenförmige Signal (40) bei unterschiedlichen Umlaufrichtungen unterschiedlich ist, umfassend folgende Schritte: a) Festlegung eines Startwertes für den Schätzwert E(x*(k=0)) als Erwartungswert des Signals (40) für einen Startzeitpunkt k=0 und Abtasten des Signals (40) zum Zeitpunkt k=0 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als Abtaststartwert x*(0) sowie anschließendes Erhöhen der Laufvariablen k um 1 , b) Abtasten des Signals (40) zum Zeitpunkt k+1 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als (k+1)-tem Abtastwert x*(k+1), c) Berechnen (S100) eines (k+1)-ten Schätzwerts E(x*(k+1)) als Summe des k-ten Schätzwerts E(x*(k)) und des Produkts einer Adaptionsgröße cO mit dem Ergebnis einer Subtraktion des k-ten Schätzwerts E(x*(k)) von dem (k+1)-ten Abtastwert x*(k+1), d) Subtraktion (S101) des in Schritt c) berechneten (k+1 )-ten Schätzwerts E(x*(k+1)) von dem in Schritt b) ermittelten k+1-ten Abtastwert x*(k+1) und Verwendung der Differenz als (k+1)-ten Rechenwert x(k+1), e) Vergleich (S102) des Vorzeichens des in Schritt d) berechneten (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1) mit dem Vorzeichen des entsprechenden k-ten Rechenwerts x(k) vom vorherigen Durchlaufen des Schritts d), I) falls die in Schritt e) verglichenen Vorzeichen gleich sind: Prüfung (S302), ob das Vorzeichen des (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1) von Schritt d) positiv ist, und falls sich ein positives Vorzeichen ergibt: Wiederholung der Schritte b) bis I), bis in Schritt e) ein ungleiches Vorzeichen erfasst wird, und Speicherung (S306) des Zeitpunkts (max_wert_t) des Auftretens des Maximums der bisher in Schritt d) berechneten (k+1)-ten Rechenwerte x(k+1), anderenfalls Wiederholung der Schritte b) bis I), bis in Schritt e) ein ungleiches Vorzeichen erfasst wird, und Speicherung (S316) des Zeitpunkts (min_wert_t) des Auftretens des Minimums der bisher in Schritt d) berechneten (k+1)-ten Rechenwerte x(k+1), sowie Erhöhung von k um 1 und Fortsetzung des Verfahrens ab Schritt b); falls die in Schritt e) verglichenen Vorzeichen ungleich sind: m) Auswertung (S203; S204, S206; S224, S226) des zeitlichen Bezugs des Zeitpunkts (max_wert_t) des Auftretens des Maximums der bisher in Schritt d) berechneten (k+1)-ten Rechenwerte x(k+1) und des Zeitpunkts (min_wert_t) des Auftretens des Minimums der bisher in Schritt d) berechneten (k+1)-ten Rechenwerte x(k+1) relativ zueinander zur Ermittlung der Drehrichtung (sym) des Wälzlagers (20) und deren Ausgabe (S208; S228), sowie Erhöhung von k um 1 und Fortsetzung des Verfahrens mit Schritt b), wobei für cO gilt: 0 < cO < 1.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt m) einen Vergleich (S203) enthält, ob der (k+1)-te Rechenwert x(k+1) vom aktuellen Schritt d) größer als der entsprechende k-te Rechenwert x(k) vom vorherigen Durchlaufen des Schritts d) ist, und folgenden Schritt umfasst: n) falls der Vergleich in Schritt m) positiv ist: Subtraktion (S204) einer Minimumhilfsvariablen (min_t_ref) von dem Zeitpunkt (min_wert_t) des Auftretens des Minimums der bisher in Schritt d) berechneten (k+1 )-ten Rechenwerte x(k+1), Division des Ergebnisses durch 2, Addition der Minimumhilfsvariablen (min_t_ref) hierzu und Subtraktion des Zeitpunkts (max_wert_t) des Auftretens des Maximums der bisher in Schritt d) berechneten (k+1)-ten Rechenwerte x(k+1) hiervon sowie anschließende Bestimmung des Vorzeichens (sym) des Ergebnisses, anschließend Übernahme (S206) des Zeitpunkts (min_wert_t) des Auftretens des Minimums der bisher in Schritt d) berechneten (k+1)-ten Rechenwerte x(k+1) als neue Minimumhilfsvariable (min_t_ref) und Ausgabe (S208) dieses Vorzeichens (sym) als Wert, der der Drehrichtung des Wälzlagers (20) entspricht, sowie Erhöhung von k um 1 und Fortsetzung des Verfahrens mit Schritt b); anderenfalls: Subtraktion (S224) einer Maximumhilfsvariablen (max_t_ref) von dem Zeitpunkt (max_wert_t) des Auftretens des Maximums der bisher in Schritt d) berechneten (k+1 )-ten Rechenwerte x(k+1), Division des Ergebnisses durch 2, Addition der Maximumhilfsvariablen (max_t_ref) hierzu und Subtraktion des Zeitpunkts (min_wert_t) des Auftretens des Minimums der bisher in Schritt d) berechneten (k+1)-ten Rechenwerte x(k+1) hiervon sowie anschließende Bestimmung des Vorzeichens (sym) des Ergebnisses, anschließend Übernahme (S226) des Zeitpunkts (max_wert_t) des Auftretens des Maximums der bisher in Schritt d) berechneten (k+1 )-ten Rechenwerte x(k+1 ) als neue Maximumhilfsvariable (max_t_ref) und Ausgabe (S228) dieses Vorzeichens (sym) als Wert, der der Drehrichtung des Wälzlagers (20) entspricht, sowie Erhöhung von k um 1 und Fortsetzung des Verfahrens ab Schritt b),
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt I) für ein positives Vorzeichen eine Prüfung (S304) ausgeführt wird, ob der (k+1)-te Rechenwert x(k+1) von Schritt d) größer als das bisher ermittelte Maximum (max_wert) ist, und falls dies so ist: Speicherung (S306) des Zeitpunkts (max_wert_t) des Auftretens dieses (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1), und für ein negatives Vorzeichen eine Prüfung (S314) ausgeführt wird, ob der (k+1)-te Rechenwert x(k+1) von Schritt d) kleiner als das bisher ermittelte Minimum (min_wert) ist, und falls dies so ist: Speicherung (S316) des Zeitpunkts (min_wert_t) des Auftretens des Minimums dieses (k+1)-ten Rechenwerts x(k+1).
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Betriebsparameter Körperschallereignisse ermittelt werden, die auf das sich drehende Wälzlager (20) einwirken, umfassend folgende Schritte: o) Abtasten des Signals (40) zum Zeitpunkt k=0 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als Abtaststartwert x*(0), p) Filtern (S702) des in Schritt o) gewonnenen Abtaststartwerts x*(0) in einem Hochpassfilter zur Gewinnung eines Filterabtastwerts v(k=0), q) Festlegung des zweiten gewöhnlichen statistischen Momentes E{V2}(k=0) des Filterabtastwerts v(k=0) als Momentstartwert sowie anschließendes Erhöhen der Laufvariablen k um 1 , b) Abtasten des Signals (40) zum Zeitpunkt k+1 zur Ermittlung von dessen Momentanwert als (k+1)-tem Abtastwert x*(k+1), r) Filtern (S702) des in Schritt b) gewonnenen Abtastwerts x*(k+1) in einem Hochpassfilter zur Gewinnung eines Filterabtastwerts v(k+1), s) Berechnung (S704) des zweiten gewöhnlichen statistischen Momentes u(k)=E{V2}(k+1) zum Filterabtastwert v(k+1) als Summe des zweiten gewöhnlichen statistischen Momentes E{V2}(k) zum Filterabtastwert v(k) und des mit einer Adaptionsgröße d multiplizierten Werts des Ergebnisses ddeerr SSuubbttrraakkttiioonn ddiieesseess zzwweeiiten gewöhnlichen statistischen Momentes E{V2}(k) vom Quadrat v2(k+1) des Filterabtastwerts v(k+1), t) Ausgabe (S720) eines entsprechenden qualitativen Fehlersignals oder Ausgabe (S710; S716) eines entsprechenden quantitativen Fehlerwerts (output; Output_max) sowie vorzugsweise Erhöhung von k um 1 und Fortsetzung des Verfahrens ab Schritt b), wobei für d gilt: 0 < d < 1.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten s) und t) folgende Schritte ausgeführt werden: u) Berechnung (S706) des zweiten gewöhnlichen statistischen Momentes E{U2}(k+1) zu u(k+1) als Summe des Erwartungswertes zweiter Ordnung E{U2}(k) von u(k) und des mit einer Adaptionsgröße c2 multiplizierten Werts des Ergebnisses der Subtraktion des zweiten gewöhnlichen statistischen Momentes E{U2}(k) vom Quadrat u2(k+1) des zweiten gewöhnlichen statistischen Momentes u(k+1), v) Berechnung (S707) des Erwartungswertes E{U}(k+1) von u(k+1 ) als Summe des Erwartungswertes E{U}(k) von u(k) und des mit einer Adaptionsgröße c3 multiplizierten Werts des Ergebnisses der Subtraktion des Erwartungswertes E{U}(k) vom zweiten gewöhnlichen statistischen Moment u(k+1), w) Berechnung (S708) der Varianz σ2(k+1) als Wert des Ergebnisses der Subtraktion des Quadrates des Ergebnisses von Schritt v) vom Ergebnis des Schritts u), wobei für c2 und c3 gilt: 0 < c2 < 1 , 0 < c3 < 1.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt s) übersprungen und der Filterabtastwert v(k) anstatt des zweiten gewöhnlichen statistischen Momentes u(k) verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speicherung (S714) des Maximums der quantitativen Fehlerwerte (output) von Schritt t) als maximaler Fehlerwert (Output_max) erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder gegebenenfalls mehrere der Adaptionsgrößen cO, d , c2 oder c3 zur Minimierung des Berechnungsaufwands als Konstante gewählt oder zur Maximierung der Berechnungsgenauigkeit, der -geschwindigkeit und/oder der Berechnungsstabilität als dynamische Variable gewählt werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung von mehreren Betriebsparametern solche Schritte, die mit jeweils gleichen Buchstaben bezeichnet sind, nicht wiederholt ausgeführt zu werden brauchen.
19. Computerprogrammprodukt für die Ermittlung der Drehzahl eines Wälzlagers (20), das eine am Wälzlager (20) befestigte Sensoranordnung (26; 27; 29) umfasst, die ein bei Drehung des Wälzlagers (20) von dessen Drehstellung abhängiges wellenförmiges Signal (40) liefert, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel zur Ausführung der Schritte gemäß mindestens einem der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 18 enthält.
20. Wälzlager mit z Wälzkörpern (24), wobei z eine ganze, vorzugsweise eine gerade, Zahl ist, und mit einer Vorrichtung zur Ermittlung von Betriebsparametern des Wälzlagers (20), umfassend mindestens eine, gegebenenfalls mehr als z und vorzugsweise bis zu z/2 in Umfangsrichtung des Wälzlagers (20) verteilt angeordnete, am Wälzlager (20) befestigte Sensoranordnungen (26; 27; 29), wobei jede Sensoranordnung (26; 27; 29) ein bei Drehung des Wälzlagers (20) von dessen Drehstellung abhängiges wellenförmiges Signal (40) liefert, und mindestens eine, gegebenenfalls mehr als z und vorzugsweise bis zu z/2, Auswertevorrichtungen (50), wobei jede Auswertevorrichtung (50) mit je einer Sensoranordnung (26; 27; 29) verbunden ist, wobei jede Auswertevorrichtung (50) eine Auswerteeinheit (51-55) zur Ausführung der Schritte gemäß mindestens einem der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 18 enthält.
21. Wälzlager nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sensoranordnung (26; 27; 29) aus vier zu einer Wheatstone-Brücke verschalteten Dehnungsmessstreifen (31-34; 31, 32', 33, 34'; 36-39) gebildet ist, die in Umfangsrichtung des Wälzlagers (20) hintereinander angeordnet sind, wobei der erste Dehnungsmessstreifen (31 ; 36) und der dritte Dehnungsmessstreifen (33; 38) jeder Sensoranordnung (26; 27; 29) sowie der zweite Dehnungsmessstreifen (32; 32'; 37) und der vierte Dehnungsmessstreifen (34; 34'; 39) jeder Sensoranordnung (26; 27; 29) in Umfangsrichtung das n- fache des Abstands zweier benachbarter Wälzkörper (24) voneinander aufweisen, oder zwei zu je einer Wheatstone-Halbbrücke verschalteten Dehnungsmessstreifen gebildet ist, die in Umfangsrichtung des Wälzlagers (20) hintereinander angeordnet sind, wobei die Erzeugung des Signals (40) durch Überrollen der Dehnungsmessstreifen (31-34; 31, 32', 33, 34') durch die Wälzkörper (24) erfolgt und n eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist.
22. Wälzlager nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (31-34; 31 , 32', 33, 34'; 36-39) und die mindestens eine, vorzugsweise bis zu z 2, Auswertevorrichtungen (50) in einer umlaufenden Außennut (23) des Außenrings (22) des Wälzlagers (20) angeordnet sind.
23. Wälzlager nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass jede Auswerteeinheit (51-55) und bevorzugt jede Auswertevorrichtung (50) als elektrische Schaltung, vorzugsweise als ASIC, ausgebildet ist.
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