專利名稱：傳感器化的軸承單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)傳感器的軸承或軸承單元，該傳感器用于測(cè)量軸承中的應(yīng)變。本發(fā)明還涉及通過熱連接工藝將一個(gè)或多個(gè)傳感器連接到軸承的方法。
背景技術(shù)：
軸承是允許兩個(gè)部件間強(qiáng)制相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置。它們可以用在很多不同類型的機(jī)器中，以保持和支撐旋轉(zhuǎn)部件，例如，車輛的輪子、風(fēng)車上的葉片或者洗衣機(jī)的滾筒。典型的軸承包括內(nèi)環(huán)和外環(huán)以及多個(gè)滾動(dòng)元件，并且還可以包括保持架來保持滾動(dòng)元件。在使用中，軸承經(jīng)受不同的負(fù)荷，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)荷二者。靜態(tài)負(fù)荷主要是因?yàn)檩S承所支撐的重力，并且還可以因?yàn)榘惭b軸承的預(yù)加負(fù)荷。動(dòng)態(tài)負(fù)荷取決于時(shí)間，并且是因?yàn)檫\(yùn)行條件。在很多系統(tǒng)中，希望能夠監(jiān)測(cè)作用在軸承上的負(fù)荷。在現(xiàn)代的車輛中，例如，來自輪子軸承的負(fù)荷數(shù)據(jù)用于車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)的控制。諸如應(yīng)變傳感器的位移傳感器通常應(yīng)用于軸承來測(cè)量負(fù)荷和變形。在某些情況下，塑料箔傳感器粘附地連接到例如軸承外環(huán)的外圓周上。然而，粘合劑連接具有很多缺點(diǎn)。軸承表面必須清洗且準(zhǔn)備連接，該連接是手工工藝，粘合劑可能需要幾個(gè)小時(shí)硬化，而且，粘合劑可能經(jīng)受時(shí)間蠕變，這削弱了傳感器信號(hào)的可靠性。也可以采用金屬箔應(yīng)變傳感器。這樣的應(yīng)變傳感器通過例如點(diǎn)焊連接到軸承表面，從而金屬箔采用特定的點(diǎn)焊圖案連接在其整個(gè)周邊上。箔應(yīng)變傳感器連接到軸承表面基本上為手工工藝，使得這些傳感器不適合于自動(dòng)安裝和在生產(chǎn)線環(huán)境下集成。此外，箔應(yīng)變傳感器具有很低的應(yīng)變靈敏度，在與同時(shí)使用的電子系統(tǒng)中共同的低運(yùn)行電壓時(shí)迫切地需要信號(hào)調(diào)節(jié)裝置。因此，存在按著實(shí)現(xiàn)軸承單元的改善空間，以使其能夠傳感很強(qiáng)且穩(wěn)定的應(yīng)變信號(hào)，從而傳感器可以以直接的自動(dòng)工藝連接到軸承。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明限定一種軸承單元，其包括設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器的軸承，其中該軸承包括內(nèi)環(huán)和外環(huán)，并且其中所述一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器包括集成在支撐構(gòu)件上的傳感元件。根據(jù)本發(fā)明，支撐構(gòu)件是由金屬材料制作的平板，并且僅通過在支撐構(gòu)件的第一側(cè)端和第二側(cè)端處設(shè)置的第一焊縫和第二焊縫連接到軸承的表面。應(yīng)變傳感器的傳感元件集成在支撐構(gòu)件的表面上，并且適合于測(cè)量該表面上的應(yīng)變，該表面定義為傳感表面。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，傳感元件為厚膜電阻應(yīng)變計(jì)，其絲網(wǎng)印刷在支撐構(gòu)件的傳感表面上。在另一個(gè)實(shí)施例中，傳感元件為薄膜電阻應(yīng)變計(jì)，其沉積在支撐構(gòu)件的傳感表面上。應(yīng)變傳感器的傳感元件典型地包括一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變計(jì)，將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。應(yīng)變計(jì)例如可以由電阻材料或半導(dǎo)體材料形成。電阻材料的示例為金屬、金屬氧化物和陶瓷。具體示例包括氧化釕、氮化鉭、氧化鉛、釕酸鉍、銥酸鉍和鎳鉻。
優(yōu)選地，一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器的支撐構(gòu)件的長(zhǎng)度大于其寬度，從而傳感元件定向在縱向方向上以對(duì)壓應(yīng)變或拉伸應(yīng)變敏感，并且支撐構(gòu)件沿其寬度連接在每個(gè)側(cè)端。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，支撐元件的尺寸形成為使得當(dāng)?shù)谝缓缚p和第二焊縫受到傾向于將彼此拉開或者將它們推在一起的力時(shí)，傳感表面對(duì)應(yīng)地伸長(zhǎng)或縮短，而不經(jīng)受明顯的彎曲應(yīng)變。因此，支撐構(gòu)件具有預(yù)定厚度，從而使得作為軸承表面變形的結(jié)果，當(dāng)支撐構(gòu)件的傳感表面上引起應(yīng)變時(shí)，傳感表面和通過支撐構(gòu)件的零彎曲的中性面之間的距離足夠小，從而導(dǎo)致彎曲應(yīng)變小于傳感表面上引起的總應(yīng)變的10%。在某些應(yīng)用中，預(yù)定厚度形成為使得支撐構(gòu)件的傳感表面上引起的彎曲應(yīng)變小于引起的總應(yīng)變的5%。支撐構(gòu)件的最小厚度部分地由其尺寸控制。適當(dāng)?shù)?，支撐?gòu)件相對(duì)于其長(zhǎng)度足夠厚，以防止支撐構(gòu)件在與本申請(qǐng)所討論問題中相關(guān)的剪切和壓縮負(fù)荷下扭曲。再者，支撐構(gòu)件必須足夠厚以用作厚膜印刷工藝或者薄膜沉積工藝中的基板。典型地，支撐構(gòu)件的厚度大于0. 2mm而小于1. 0mm。優(yōu)選地，該厚度為0. 4mm和0. 7mm之間。由于根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)變傳感器的支撐構(gòu)件是薄的平板，其緊緊地跟隨要連接的軸承表面，連接位置上引起的應(yīng)變基本上傳遞到支撐構(gòu)件的傳感表面。換言之，所連接的應(yīng)變傳感器具有至少約75%的高機(jī)械量規(guī)因數(shù)。優(yōu)選地，支撐構(gòu)件在每個(gè)側(cè)端沿著每個(gè)側(cè)端的全部寬度連接到軸承表面并且第一焊縫和第二焊縫實(shí)施在支撐構(gòu)件的全部厚度上。第一焊縫和第二焊縫于是限定了支撐構(gòu)件和軸承表面之間連接的截面面積，其等于各自的第一或第二焊縫的寬度乘以支撐構(gòu)件的厚度。為了最大化在焊縫連接區(qū)域上的應(yīng)力到支撐構(gòu)件包括傳感表面的部分的傳遞，如果第一和第二焊縫的連接截面面積至少等于支撐構(gòu)件包括傳感表面部分的截面面積，這將是有利的。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，第一焊縫和第二焊縫的每一個(gè)的連接截面面積都大于支撐構(gòu)件通過傳感表面的截面面積。這意味著支撐構(gòu)件包括傳感表面的部分經(jīng)受的應(yīng)力變得更加集中，這增加了傳感表面上引起的應(yīng)變，由此提高了應(yīng)變傳感器的信號(hào)強(qiáng)度。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐構(gòu)件包括位于支撐構(gòu)件的第一側(cè)端和第二側(cè)端之間的狹窄部分，該部分的寬度小于第一側(cè)端和第二側(cè)端。支撐構(gòu)件因此可以具有拉長(zhǎng)的H形狀，或者可以成型為蝴蝶結(jié)領(lǐng)結(jié)的形狀。應(yīng)變傳感器的傳感元件集成在該狹窄部分上，因此其包括傳感表面。假設(shè)第一焊縫和第二焊縫實(shí)施在支撐構(gòu)件的全部、最大寬度上，則狹窄部分的截面面積小于第一焊縫和第二焊縫。在本發(fā)明的該方面的另一個(gè)實(shí)施例中，支撐構(gòu)件包括至少一個(gè)貫穿切口(through cut)。支撐構(gòu)件于是可以基本上為矩形形狀，從而所述貫穿切口開始于支撐構(gòu)件的一個(gè)縱向邊緣上的點(diǎn)，首先延伸在橫向方向上，然后在縱向方向上。因此，貫穿切口包括橫向部分和縱向部分，并且應(yīng)變傳感器的傳感元件集成在支撐構(gòu)件的傳感表面上，位于貫穿切口的縱向部分和支撐構(gòu)件的相反縱向邊緣之間。因此，傳感表面的寬度由貫穿切口的縱向部分限定在一個(gè)方向上，意味著傳感表面的截面面積可以小于第一焊縫和第二焊縫的截面連接面積。優(yōu)選地，支撐構(gòu)件包括相反定向的第二貫穿切口，從而傳感表面的寬度限定在兩個(gè)方向上，以進(jìn)一步提高傳感表面上的可測(cè)量應(yīng)變。根據(jù)本發(fā)明的軸承單元包括一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器，該應(yīng)變傳感器包括支撐構(gòu)件，通過第一焊縫和第二焊縫連接到軸承表面。焊縫理解為熱連接工藝中產(chǎn)生的線連接，該熱連接工藝?yán)鐬榧す夂附印⒓す忏~焊或者電阻焊接/銅焊。為了能使支撐構(gòu)件熱連接到由軸承鋼制造的軸承，該軸承鋼(高碳鋼)例如為SAE 1055,SAE 1070或SAE 52100，金屬支撐構(gòu)件優(yōu)選包括低碳鋼，或者電鍍且蝕刻的鎳，包括其合金，或者鈦，包括其合金。在某些應(yīng)用中，支撐構(gòu)件的傳感表面包括高鉻鋼(不銹鋼)，這形成了良好的基板，用于電阻應(yīng)變計(jì)的厚膜印刷或薄膜沉積。對(duì)于厚膜電阻器，膜可以采用傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷工藝沉積在支撐構(gòu)件上。為了便于該工藝，金屬支撐構(gòu)件可以首先經(jīng)受適當(dāng)?shù)臒崽幚?。再者，金屬氧化物和陶瓷材料例如可以混合有附加成分，例如，玻璃粉末和液體載體。所形成的導(dǎo)電陶瓷成分于是在典型為750至 950°C的溫度下熔化。對(duì)于電阻陶瓷的數(shù)量(例如，氧化釕)，優(yōu)選將它們沉積在一個(gè)或多個(gè)介電層上，這是因?yàn)檎缭谶@里所描述的那樣，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這將導(dǎo)致改善與低碳鋼的連接。 為此，傳感器的支撐可以包括涂層基板，其中涂層包括一個(gè)或多個(gè)介電層，例如，玻璃、包含玻璃的材料或者金屬氧化物，如氧化鋁。薄膜電阻器還可以通過在支撐構(gòu)件上濺射(例如，真空沉積)電阻材料而制造。然后在類似于制造印刷電路板的工藝中蝕刻薄膜。如果需要，厚膜和薄膜電阻器可以通過研磨或激光修整而被修整到精確值。應(yīng)變計(jì)圖案可以選擇為提供對(duì)拉緊、壓縮和/或剪切的測(cè)量。有利地，支撐構(gòu)件的側(cè)端可以包括不銹鋼，其鎳含量高達(dá)10-Hwt. %。作為選擇， 含鎳的填充材料可以在激光焊接工藝中使用。鎳用作奧氏體穩(wěn)定劑，并且?guī)椭顾捎玫臒徇B接工藝中產(chǎn)生的混合熔化區(qū)域變得堅(jiān)韌。在根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例的軸承單元中，一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器的支撐構(gòu)件連接到軸承外環(huán)的徑向外表面。為了測(cè)量徑向負(fù)荷，一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器可以以圓周方向連接。為了測(cè)量軸向負(fù)荷，一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器適合于以軸向感應(yīng)方向連接。在軸承經(jīng)受軸向和徑向負(fù)荷的應(yīng)用中，軸承可以有利地包括多個(gè)傳感器，從而至少一個(gè)傳感器具有軸向感應(yīng)方向，并且至少一個(gè)傳感器具有圓周感應(yīng)方向。一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器還可以連接到軸承內(nèi)環(huán)的徑向內(nèi)表面。優(yōu)選地，當(dāng)測(cè)量運(yùn)行負(fù)荷時(shí)，傳感器安裝在軸承運(yùn)行期間不旋轉(zhuǎn)的軸承環(huán)的表面上。作為選擇，或者附加地，一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器的支撐構(gòu)件可以連接到軸承內(nèi)環(huán)的端面。在軸承安裝在圓錐座上的應(yīng)用中，這是有利的。這樣的安裝構(gòu)造導(dǎo)致內(nèi)環(huán)直徑增加，進(jìn)而影響軸承的內(nèi)部間隙。通過感應(yīng)作為環(huán)直徑增加結(jié)果的內(nèi)環(huán)端面上引起的應(yīng)變可以因此實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的內(nèi)部間隙。在根據(jù)本發(fā)明的軸承單元的進(jìn)一步開發(fā)中，一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器連接到軸承環(huán)中的一個(gè)或多個(gè)凹口。一個(gè)或多個(gè)凹口可以提供在軸承外環(huán)的徑向外表面上和/或軸承內(nèi)環(huán)的徑向內(nèi)表面上和/或軸承內(nèi)環(huán)的端面上。有利地，每個(gè)凹口的深度大于每個(gè)應(yīng)變傳感器的支撐構(gòu)件的厚度，意味著軸承的(內(nèi)和外)安裝直徑和軸向安裝寬度在連接傳感器后保持不變。根據(jù)本發(fā)明，一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器的支撐構(gòu)件實(shí)施為薄平板。這對(duì)于第一焊縫和第二焊縫的連接是特別有利的，因?yàn)楹附?銅焊工藝可以采用約90度的焊接/銅焊角實(shí)現(xiàn)。換言之，焊接電極或者激光束可以直接定位在支撐構(gòu)件的側(cè)端上面。這提高了焊接/ 銅焊工藝的自動(dòng)操作。再者，第一焊縫和第二焊縫可以通過例如兩個(gè)并排的焊接電極或者兩個(gè)并排的激光束同時(shí)執(zhí)行。因此，在根據(jù)本發(fā)明的軸承單元中，一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器的支撐構(gòu)件可以以快速、自動(dòng)工藝連接，這是生產(chǎn)線環(huán)境上的重要特征，其中生產(chǎn)工藝中的每個(gè)步驟可以僅花費(fèi)幾秒鐘。而且，大約90度的焊接/銅焊角在軸承環(huán)的凹口中連接應(yīng)變傳感器時(shí)特別有利。 凹口的大小可以限定到容納應(yīng)變傳感器所需的最小尺寸。結(jié)果，凹口在軸承的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上具有可忽略的作用。本發(fā)明還限定將應(yīng)變傳感器連接到包括內(nèi)環(huán)和外環(huán)的軸承表面的方法，該應(yīng)變傳感器包括傳感元件，集成在以平板的形式實(shí)施的金屬支撐構(gòu)件的傳感表面上。該方法包括僅通過在支撐構(gòu)件的第一側(cè)端和第二側(cè)端上設(shè)置的第一焊縫和第二焊縫將應(yīng)變傳感器連接到軸承表面的步驟。在該方法的一個(gè)實(shí)施例中，第一焊縫和第二焊縫采用約90度得焊接或銅焊角形成在焊接或銅焊工藝中。在其它實(shí)施例中，特別是在應(yīng)用激光焊接時(shí)，可以采用小于90度(相對(duì)于軸承表面)的焊接角。例如，20度和30度之間的焊接角。在通過焊接或銅焊將金屬支撐構(gòu)件連接到軸承的表面時(shí)，在第一焊縫和第二焊縫周圍產(chǎn)生熱影響區(qū)域。換言之，軸承和支撐構(gòu)件的冶金學(xué)上的結(jié)構(gòu)發(fā)生局部改變，包括局部應(yīng)力。潛在地，傳感器元件上的應(yīng)變?cè)谶B接工藝后可能經(jīng)受基本上不能控制的偏移。此外， 連接工藝末端上的一次性偏移糾正過程(即校準(zhǔn))不能有效地保證長(zhǎng)時(shí)間上的穩(wěn)定應(yīng)變信號(hào)，這是因?yàn)檫B接位置上的殘留應(yīng)力在軸承的工作加載期間改變。這是軸承和支撐構(gòu)件的熱作用區(qū)域中應(yīng)力的功誘發(fā)釋放(work-induced relaxation)。因此，在根據(jù)本發(fā)明的方法的進(jìn)一步開發(fā)中，該方法包括應(yīng)力釋放步驟。在一個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)力釋放步驟涉及熱處理工藝，其中第一焊縫和第二焊縫在焊接或銅焊后被局部再加熱。該局部再加熱可以采用激光束或者熱電極或者通過渦流電流加熱執(zhí)行。熱處理工藝還可以包括在焊接或銅焊步驟之前在支撐構(gòu)件和軸承表面上的連接位置局部預(yù)熱。另外，或者作為選擇，應(yīng)力釋放步驟可以包括使第一焊縫和第二焊縫經(jīng)受高循環(huán)負(fù)荷。這可以通過超聲波激勵(lì)實(shí)現(xiàn)。引起的振動(dòng)“釋放”(shake out)和穩(wěn)定第一焊縫和第二焊縫周圍區(qū)域中的殘留應(yīng)力，達(dá)到軸承上的通常運(yùn)行負(fù)荷不再產(chǎn)生功誘導(dǎo)釋放的程度。因此，根據(jù)本發(fā)明的軸承單元能穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)地測(cè)量軸承表面的應(yīng)變。本發(fā)明的單元還可以用適合于集成在自動(dòng)生產(chǎn)線上的快速、簡(jiǎn)單的方式生產(chǎn)。本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)通過詳細(xì)的描述和附圖將變得明顯易懂。


現(xiàn)在，參考下面的附圖，為了說明而非限定的目的，更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的軸承單元表面的示意性透視圖，示出了適合于本發(fā)明使用的應(yīng)變傳感器的一個(gè)示例；圖2是根據(jù)本發(fā)明的軸承單元表面的俯視圖，示出了適合于本發(fā)明使用的應(yīng)變傳感器的進(jìn)一步示例；圖3a是根據(jù)本發(fā)明的軸承單元表面的俯視圖，示出了適合于本發(fā)明使用的應(yīng)變傳感器的又一個(gè)示例；圖3b是沿著圖3a的X-X'線剖取的截面圖4a是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的軸承單元的軸向圖；以及圖4b是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的軸承單元的軸向圖。
具體實(shí)施例方式在需要測(cè)量作用在旋轉(zhuǎn)支撐部件上的負(fù)荷時(shí)，其中一個(gè)實(shí)現(xiàn)方法是測(cè)量支撐該部件的軸承中軸承環(huán)的變形。該負(fù)荷導(dǎo)致軸承環(huán)變形，其變形通過將一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器連接到軸承環(huán)的表面而測(cè)量，例如連接到軸承外環(huán)的外圓周。應(yīng)變傳感器，例如塑料箔應(yīng)變計(jì)，可以粘合地連接到軸承表面，但是粘合劑連接是耗時(shí)工藝，通常手工實(shí)現(xiàn)。其進(jìn)一步的缺點(diǎn)是隨著時(shí)間粘合劑可以經(jīng)受蠕變，這削弱了應(yīng)變信號(hào)的可靠性。也可以應(yīng)用金屬箔應(yīng)變計(jì)，從而金屬箔應(yīng)變計(jì)的周邊采用特定的焊點(diǎn)圖案焊接到軸承表面。因此，點(diǎn)焊工藝相對(duì)耗時(shí)和復(fù)雜。此外，箔應(yīng)變計(jì)(金屬箔和塑料箔)對(duì)應(yīng)變具有很低的靈敏度，這就對(duì)當(dāng)在低供應(yīng)電壓下運(yùn)行時(shí)在當(dāng)前電子系統(tǒng)中常用的調(diào)節(jié)裝置提出了迫切需要。另外，箔應(yīng)變計(jì)具有很低的電阻，造成很大的耗散。因此，需要對(duì)應(yīng)變具有高靈敏度且具有高電阻的應(yīng)變傳感器，其可以在快速、自動(dòng)化工藝中連接到軸承表面，并且在軸承的壽命期間產(chǎn)生強(qiáng)而穩(wěn)定的信號(hào)。圖1示意性地示出實(shí)現(xiàn)了上述要求的連接到軸承表面的應(yīng)變傳感器的示例。應(yīng)變傳感器10包括金屬支撐構(gòu)件12，該金屬優(yōu)選包括低碳鋼，或者電鍍且蝕刻的鎳，包括其合金，或者鈦，包括其合金。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些材料與軸承鋼兼容，例如SAE1055、SAE1070、SAE 52100 (100Cr6)、DIN 100CrMn6、DIN 102CrMol7 以及 DIN 100CrMo7_3，用于焊接或者銅焊的目的。用于支撐12的低碳鋼的優(yōu)選示例包括不銹鋼和耐熱鋼。例如AISI 304、AISI 304L、AISI 316,AISI 316L和17-4PH以及AISI 430。用于支撐構(gòu)件12的低碳鋼的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)是其熱膨脹系數(shù)基本上等于軸承鋼。電阻應(yīng)變計(jì)直接印刷和燒結(jié)(厚膜)或者沉積(薄膜)在支撐12的表面13上。 應(yīng)變計(jì)傳感該表面上引起的應(yīng)變，故稱該表面為傳感表面13。在所示的實(shí)施例中，該應(yīng)變計(jì)包括第一元件和第二元件14、16，定位在相互垂直的方向上。在很多應(yīng)用中，第一元件14 是傳感應(yīng)變的有源元件，第二元件16是補(bǔ)償溫度效應(yīng)的無源元件。半橋構(gòu)造也是可能的。根據(jù)本發(fā)明，支撐構(gòu)件12制成薄的平板，其僅通過支撐構(gòu)件12的第一側(cè)端和第二側(cè)端上設(shè)置的第一焊縫21和第二焊縫22連接到軸承的表面5。第一焊縫和第二焊縫21、 22理解為熱連接工藝中產(chǎn)生的線連接，該熱連接工藝選自焊接工藝、銅焊工藝或錫焊工藝之一。激光焊接和激光銅焊是熱連接工藝的優(yōu)選示例，因?yàn)樗鼈兛梢詫?shí)現(xiàn)自動(dòng)化，更適合于生產(chǎn)線環(huán)境中的集成。優(yōu)選地，支撐構(gòu)件具有長(zhǎng)度1，長(zhǎng)度1大于其寬度w，并且適合于其長(zhǎng)度方向上的靈敏度。第一焊縫和第二焊縫21、22定位在支撐構(gòu)件12的寬度方向上。支撐構(gòu)件可以具有約二比一的長(zhǎng)寬比。通過第一焊縫和第二焊縫21、22連接應(yīng)變傳感器10的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變傳感器在一個(gè)測(cè)量方向上具有最大靈敏度，而對(duì)于其它方向上的應(yīng)變具有明顯較低的靈敏度。這在測(cè)量因徑向的且瞬間的力引起的軸承環(huán)變形時(shí)特別有利。例如，如果傳感器以圓周方向連接來測(cè)量軸承環(huán)中引起的圓周應(yīng)變，則與連接到軸承全部表面區(qū)域上的應(yīng)變傳感器相比，測(cè)量信號(hào)很少受到軸向和剪切應(yīng)變的影響。同樣，在以軸向方向連接時(shí)，傳感器主要對(duì)于軸向應(yīng)變敏感，并且僅受到剪切和圓周應(yīng)變的輕微影響。
在以第一焊縫和第二焊縫21、22之間的圓周間隙安裝在軸承表面上時(shí)，例如軸承外環(huán)的外圓周上，支撐構(gòu)件12的長(zhǎng)度可以根據(jù)外圓周選擇，從而支撐構(gòu)件在連接到彎曲的軸承表面時(shí)經(jīng)受最小的彎曲，進(jìn)而傳感表面13不經(jīng)受高的預(yù)應(yīng)力。例如，在軸承的外徑為 20cm時(shí)，支撐構(gòu)件12可以適當(dāng)?shù)鼐哂蠭Omm的長(zhǎng)度L，對(duì)應(yīng)的5mm的寬度w和0. 5mm的厚度 t。作為選擇，適當(dāng)?shù)陌疾刍蛘甙伎诳梢詸C(jī)械加工在軸承的徑向外表面中，以為支撐構(gòu)件12 提供基本平坦的表面。此外，支撐構(gòu)件12的尺寸選擇為支撐構(gòu)件在經(jīng)受壓應(yīng)力或剪切應(yīng)力時(shí)不變彎曲。 換言之，支撐構(gòu)件具有足夠低的長(zhǎng)細(xì)比率，其比率受支撐構(gòu)件的長(zhǎng)度及其厚度支配。適當(dāng)?shù)?，支撐?gòu)件的厚度t大于0. 2mm，這對(duì)于厚膜電阻應(yīng)變計(jì)或薄膜電阻應(yīng)變計(jì)來說足夠的基板厚度，并且根據(jù)典型的支撐構(gòu)件的表面尺寸也提供足夠的抗彎性。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，支撐構(gòu)件12的厚度t使得在支撐構(gòu)件的傳感表面13 上主要引起壓應(yīng)變或拉應(yīng)變。支撐構(gòu)件12通過兩個(gè)間隔開來的焊縫21、22連接到軸承表面5。當(dāng)力作用在焊縫上時(shí)，例如，用來相對(duì)于彼此拉開焊縫的力，支撐構(gòu)件將延長(zhǎng)，并且在傳感表面13上引起正的拉長(zhǎng)應(yīng)變。作為兩點(diǎn)連接的結(jié)果，該力也導(dǎo)致在傳感表面上引起的很小的彎曲力矩，其大小由傳感表面13和通過支撐構(gòu)件的零彎曲的中性面之間的距離控制。在平板的情況下，中性面基本上與通過支撐構(gòu)件12—半的中間面一致。由于彎曲力矩，負(fù)(壓)應(yīng)變產(chǎn)生在傳感表面13上，其與拉伸支撐構(gòu)件引起的正應(yīng)變干涉，從而降低了測(cè)量應(yīng)變信號(hào)的強(qiáng)度。類似地，如果力施加在第一焊縫和第二焊縫21、22上將焊縫推向一起靠近，則在傳感表面13 上引起負(fù)(壓)應(yīng)變，而彎曲力矩引起再一次降低測(cè)量應(yīng)變信號(hào)的正應(yīng)變。因此，在根據(jù)本發(fā)明的軸承單元中，支撐構(gòu)件12的厚度t優(yōu)選為，作為彎曲力矩的結(jié)果在傳感表面13上引起的應(yīng)變小于作用在傳感表面上的總應(yīng)變的10%。在某些實(shí)施例中，在傳感表面上因彎曲力矩引起的應(yīng)變小于作用在傳感表面上的總應(yīng)變的5%。實(shí)際上， 傳感表面13和通過支撐構(gòu)件的中間平面之間的距離優(yōu)選小于0. 5mm，意味著支撐構(gòu)件的厚度t優(yōu)選小于1. 0mm。支撐構(gòu)件12的優(yōu)選厚度范圍為0. 2mm < t < 1. 0mm。支撐構(gòu)件的更優(yōu)選厚度范圍為0. 4mm < t < 0. 7mm,以平衡支撐構(gòu)件12的抗彎性的需要與低彎曲力矩的需要。因?yàn)橹螛?gòu)件12是薄的平板，所以傳感表面13緊跟著軸承表面5，并且軸承表面的變形精確地轉(zhuǎn)換成傳感表面上的應(yīng)變。換言之，連接的應(yīng)變傳感器10具有足夠高的機(jī)械增益，至少約為75%，以消除對(duì)通過例如半導(dǎo)體技術(shù)的附加電子增益的需要。高機(jī)械增益還允許對(duì)第一焊縫和第二焊縫的公差有較少的迫切需求。為了保證應(yīng)變被很好地傳遞到傳感表面13，第一焊縫21和第二焊縫22每一個(gè)優(yōu)選地具有至少等于傳感表面13經(jīng)受應(yīng)力的截面面積的連接截面面積。在圖1的示例中，示出了矩形形狀的支撐構(gòu)件，傳感表面13經(jīng)受應(yīng)力的截面面積Ass由支撐構(gòu)件12的寬度w及其厚度t限定。換言之，Ass = wXt。因此，第一焊縫和第二焊縫21、22優(yōu)選為連續(xù)的焊縫， 實(shí)施在支撐構(gòu)件的全部寬度w和全部厚度t上。第一焊縫21的連接截面面積Altl和第二焊縫22的連接截面面積Aw2于是每一個(gè)都等于wXt。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)為第一焊縫和第二焊縫的每一個(gè)的連接截面面積都大于通過支撐構(gòu)件的傳感表面的截面面積。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明該方面的連接應(yīng)變傳感器的實(shí)施例的俯視圖。如前所述，包括金屬支撐構(gòu)件12的應(yīng)變傳感器10'通過第一焊縫21和第二焊縫 22連接到軸承表面5。在該實(shí)施例中，應(yīng)變傳感器10'的支撐構(gòu)件12包括部分17，其寬度窄于支撐構(gòu)件的每個(gè)側(cè)端上的最大寬度w，并且窄于第一焊縫21的寬度Wwl和第二焊縫22 的寬度ww2。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，至少應(yīng)變計(jì)的有源傳感元件14集成在支撐構(gòu)件12 的狹窄部分17上，該部分包括傳感表面13。無源的補(bǔ)償元件16也可以集成在狹窄部分17 上，或者(如所示)可以集成在支撐構(gòu)件的較寬部分上。再者，第一焊縫21和第二焊縫22 優(yōu)選為連續(xù)的焊縫，實(shí)施在支撐構(gòu)件12的全部寬度和厚度上。因此，假設(shè)狹窄部分17的寬度Is小于Wwl且小于Ww2，則狹窄部分17的截面面積小于第一焊縫和第二焊縫的任何一個(gè)。 當(dāng)力作用在第一焊縫和第二焊縫21、22上時(shí)，連接區(qū)域與支撐構(gòu)件12的端側(cè)經(jīng)受應(yīng)力。該應(yīng)力基本上被傳遞到包括傳感表面13的狹窄部分17。因?yàn)楠M窄部分17的截面面積小于第一焊縫和第二焊縫21、22的連接面積，所以狹窄部分17用作應(yīng)力集中器。因此，與傳感表面的截面面積與焊縫相同的情況相比，在傳感表面13上可以傳感較大的應(yīng)變值。為了經(jīng)由傳感表面13保證應(yīng)力的均勻傳遞和分布，第一焊縫和第二焊縫優(yōu)選具有相同的連接截面面積。在圖2所示的實(shí)施例中，傳感應(yīng)變的傳感表面位于支撐構(gòu)件的窄于其第一和第二側(cè)端的部分上，從而將應(yīng)變集中在該部分上，并且提高測(cè)量的應(yīng)變信號(hào)。通過圖3a所示的貫穿切口可以實(shí)現(xiàn)相同的效果。圖3a示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例連接到軸承的應(yīng)變傳感器的俯視圖。如前所述，包括金屬支撐構(gòu)件12的應(yīng)變傳感器10 “通過第一焊縫21和第二焊縫22連接到軸承表面5。應(yīng)變傳感器包括至少具有有源元件14的應(yīng)變計(jì)，以傳感支撐構(gòu)件12的傳感表面13上引起的應(yīng)變。在該實(shí)施例中，支撐構(gòu)件包括第一貫穿切口 18和第二貫穿切口 19。 第一貫穿切口 18在橫向方向上延伸第一距離，從支撐構(gòu)件的一個(gè)縱向邊緣上的AP1開始， AP1靠近第一焊縫21而不是第二焊縫22。第一貫穿切口 18然后連續(xù)在縱向方向上朝著第二焊縫22連續(xù)而不到達(dá)第二焊縫22。因此，第一貫穿切口 18具有橫向部分18a和縱向部分18b。第二貫穿切口 19在橫向方向上延伸第二距離，從支撐構(gòu)件的相對(duì)縱向邊緣上的點(diǎn)P2開始，點(diǎn)P2靠近第二焊縫而不是第一焊縫。第二貫穿切口 19然后在縱向方向上朝著第一焊縫21連續(xù)而不到達(dá)第一焊縫21。因此，第二貫穿切口 19具有橫向部分19a和縱向部分1%。優(yōu)選地，一個(gè)貫穿切口的縱向部分18b、19b終止在與另一個(gè)貫穿切口的橫向部分 18a、19b相對(duì)的位置。根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，支撐構(gòu)件12的傳感表面13位于第一貫穿切口和第二貫穿切口 18、19的縱向部分18b、19b之間。因此，傳感表面13的寬度Wss小于第一焊縫21的寬度Wwl且小于第二焊縫22的寬度ww2。這在圖北中可以看得更加清楚，圖 3b是沿著圖3a的X-X'線剖取的所連接的應(yīng)變傳感器從箭頭所示方向觀察到的截面圖。傳感表面13的寬度Wss由第一貫穿切口的縱向部分18b和第二貫穿切口的縱向部分19b限定。如圖2所示的實(shí)施例所描述的那樣，應(yīng)變傳感元件14設(shè)置在支撐構(gòu)件12具有較小截面面積的部分上，這是第一焊縫和第二焊縫每一個(gè)的截面連接區(qū)域，因此提高了傳感表面上可測(cè)的應(yīng)變。圖3a和北所示實(shí)施例的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是，作為第一貫穿切口和第二貫穿切口 18、19的結(jié)果，支撐構(gòu)件12包括傳感表面13的部分以非剛性方式與支撐構(gòu)件焊接到軸承表面5的部分連接。非剛性連接便于穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)地傳遞應(yīng)變從第一焊縫和第二焊縫21、22到支撐構(gòu)件的傳感表面13，使得所連接的應(yīng)變傳感器10"較少受到焊縫的焊接質(zhì)量變化的影響。圖如示出了根據(jù)本發(fā)明的軸承單元的實(shí)施例。軸承40包括內(nèi)環(huán)42、外環(huán)44和分布其間的多個(gè)滾動(dòng)元件46。通常，軸承還包括保持架(未示出)以保持滾動(dòng)元件為均勻的間隔。根據(jù)本發(fā)明，軸承設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器，其包括平的金屬支撐構(gòu)件12，通過第一焊縫21和第二焊縫22焊接到軸承的表面。所述應(yīng)變傳感器例如可以為圖3a所示的類型。在該實(shí)施例中，軸承40提供有多個(gè)應(yīng)變傳感器10"，與外環(huán)44的徑向外表面45 在圓周方向上連接。這樣的構(gòu)造適合于決定軸承的徑向負(fù)荷。在軸承經(jīng)受軸向負(fù)荷和徑向負(fù)荷的應(yīng)用中，軸承可有利地包括多個(gè)傳感器，從而至少一個(gè)傳感器具有軸向靈敏方向，并且至少一個(gè)傳感器具有圓周靈敏方向。一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器還可以連接到軸承內(nèi)環(huán)的徑向內(nèi)表面。優(yōu)選地，傳感器安裝在軸承運(yùn)行其間不旋轉(zhuǎn)的軸承環(huán)的表面上。再者，為了避免在連接到軸承40的彎曲表面45時(shí)彎曲平的支撐構(gòu)件12，支撐構(gòu)件的尺寸優(yōu)選地相對(duì)于軸承表面的曲率半徑是非常小的。作為選擇，第一焊縫和第二焊縫21、22可以實(shí)施為焊縫額外地用作支撐構(gòu)件12的支腳。在另一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器可以連接到軸承環(huán)中的一個(gè)或多個(gè)凹口的表面。圖4b示出了這樣實(shí)施例的示例，其中軸承外環(huán)44設(shè)置有多個(gè)凹口 48和對(duì)應(yīng)的多個(gè)應(yīng)變傳感器10〃，多個(gè)應(yīng)變傳感器10〃通過第一焊縫和第二焊縫連接到凹口的表面。 有利地，每個(gè)凹口的深度大于每個(gè)應(yīng)變傳感器的支撐構(gòu)件的厚度。這意味著軸承的安裝直徑在連接傳感器后保持不變，例如，能使軸承緊密地配合在外殼內(nèi)。再者，凹口 48可以加工為基本平坦的表面，這解決了如何將平板連接到彎曲物體的問題。凹口在一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器連接在軸承內(nèi)環(huán)42的徑向內(nèi)表面時(shí)特別有利。在又一個(gè)實(shí)施例中，為了測(cè)量作為將軸承安裝在圓錐座上的結(jié)果的內(nèi)環(huán)的膨脹， 一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器可以連接到軸承內(nèi)環(huán)的端面，。已經(jīng)描述了本發(fā)明的很多方面/實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解的是，每個(gè)方面/實(shí)施例都可以與任何其它的方面/實(shí)施例結(jié)合，除非有相反的表示。而且，本發(fā)明不限于所述的實(shí)施例， 而是可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行變化。參考標(biāo)號(hào)
10,10'、10" 應(yīng)變傳感器
12支撐構(gòu)件
13支撐構(gòu)件的傳感表面
14應(yīng)變傳感器的有源傳感元件
16應(yīng)變傳感器的無源熱補(bǔ)償元件
17支撐構(gòu)件的狹窄部分
18支撐構(gòu)件中的第一貫穿切口
18a第一貫穿切口的側(cè)部
18b第一貫穿切口的縱向部分
19支撐構(gòu)件中的第二貫穿切口
19a第二貫穿切口的側(cè)部
19b第二貫穿切口的縱向部分
21第一焊縫
22第二焊縫
40滾動(dòng)元件軸承
42軸承內(nèi)環(huán)
44軸承外環(huán)
45軸承外環(huán)的外表面
46滾動(dòng)元件
48軸承外環(huán)中的凹口
1支撐構(gòu)件的長(zhǎng)度
W支撐構(gòu)件的寬度
t支撐構(gòu)件的厚度
Wss支撐構(gòu)件的傳感表面的寬度
Wwl第一焊縫的寬度
Ww2第二焊縫的寬度
權(quán)利要求
1.一種軸承單元，包括軸承(40)，該軸承的表面(5、妨)上設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器(10、10'、10")，從而該一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器包括集成在金屬支撐構(gòu)件(1 的傳感表面(13)上的傳感元件(14)，其特征在于該支撐構(gòu)件實(shí)施為平板，其僅通過該支撐構(gòu)件的第一側(cè)端和第二側(cè)端上設(shè)置的第一焊縫(21)和第二焊縫(22)連接到該軸承表面(5、45)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸承單元，其特征在于該支撐構(gòu)件(12)具有預(yù)定的厚度 (t)，從而，作為該軸承表面(5、45)變形的結(jié)果，當(dāng)該支撐構(gòu)件(12)的傳感表面(13)上引起應(yīng)變時(shí)，該傳感表面(1 和通過該支撐構(gòu)件(1 的零彎曲中性面之間的距離足夠小，從而導(dǎo)致彎曲應(yīng)變小于該傳感表面(13)上引起的總應(yīng)變的10%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的軸承單元，其特征在于該預(yù)定厚度(t)使得該支撐構(gòu)件(12) 的該傳感表面(13)上引起的該彎曲應(yīng)變小于所引起的總應(yīng)變的5%。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的軸承單元，其特征在于該第一焊縫具有預(yù)定的連接截面面積，并且該第二焊縫0 具有預(yù)定的連接截面面積，從而每個(gè)預(yù)定的截面面積等于或大于該支撐構(gòu)件(1 通過感應(yīng)應(yīng)變的該傳感表面(1 的截面面積。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的軸承單元，其特征在于該傳感表面(1 的寬度(Wss)小于該第一焊縫的寬度(Wwl)且小于該第二焊縫02)的寬度(Ww2)
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的軸承單元，其特征在于該支撐構(gòu)件(12)包括第一貫穿切口(18)，其縱向部分(18b)在一個(gè)方向上限定了該傳感表面(13)的寬度(Wss)
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的軸承單元，其特征在于該支撐構(gòu)件(12)還包括第二貫穿切口(19)，其縱向部分(19b)在相反的方向上限定了該傳感表面(13)的寬度(Wss)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的軸承單元，其特征在于該軸承GO)是滾動(dòng)元件軸承，包括內(nèi)環(huán)(42)、外環(huán)04)和設(shè)置在其間的多個(gè)滾動(dòng)元件06)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的軸承單元，其特征在于該一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器(10、10'、 10")的至少一個(gè)設(shè)置在該軸承外環(huán)G4)的徑向外表面0 上或該軸承內(nèi)環(huán)0 的徑向內(nèi)表面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的軸承單元，其特征在于該一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器(10、10'、 10")的至少一個(gè)設(shè)置在該軸承內(nèi)環(huán)0 的側(cè)面上。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10任何一項(xiàng)所述的軸承單元，其特征在于該一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器(10、10'、10")的至少一個(gè)設(shè)置在該軸承外環(huán)G4)的凹口 08)中或該軸承內(nèi)環(huán) (42)的凹口中，該凹口的深度大于該支撐構(gòu)件(12)的厚度(t)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的軸承單元，其特征在于該應(yīng)變傳感器(10、 10'、10")包括印刷在該支撐構(gòu)件(12)的該傳感表面(13)上的厚膜電阻應(yīng)變計(jì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11任何一項(xiàng)所述的軸承單元，其特征在于該應(yīng)變傳感器(10、 10'、10")包括沉積在該支撐構(gòu)件(1 的該傳感表面(1 上的薄膜電阻應(yīng)變計(jì)。
14.一種連接應(yīng)變傳感器(10、10'、10")到軸承表面(5、妨)的方法，其中該應(yīng)變傳感器包括集成在平金屬板(1 的傳感表面(1 上的應(yīng)變傳感元件(14)，其特征在于該方法包括僅通過在該平金屬板(1 的第一側(cè)端和第二側(cè)端上設(shè)置的第一焊縫和第二焊縫0 將該平金屬板(1 連接到該軸承表面(5、4幻的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于該第一焊縫和第二焊縫(21、2幻采用大約90度的焊接角或銅焊角在焊接或銅焊工藝中產(chǎn)生。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于該方法包括在連接前預(yù)熱該平金屬板(1 的該側(cè)端和該軸承表面(5、4幻的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于該方法包括使該第一焊縫和第二焊縫(21、2幻經(jīng)受熱處理的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求14至17任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于該方法包括使該第一焊縫和第二焊縫(21、2幻經(jīng)受振動(dòng)激勵(lì)的步驟。
全文摘要
本發(fā)明限定一種軸承單元，其包括設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器的軸承，其中該軸承包括內(nèi)環(huán)和外環(huán)，并且其中一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變傳感器(10)包括在支撐構(gòu)件(12)上集成的傳感元件(14)。根據(jù)本發(fā)明，支撐構(gòu)件是由金屬材料制造的薄平板，并且僅通過支撐構(gòu)件的第一側(cè)端和第二側(cè)端上設(shè)置的第一焊縫(21)和第二焊縫(22)連接到軸承的表面(5)。本發(fā)明還限定將應(yīng)變傳感器(10)連接到軸承表面(5)的方法。
文檔編號(hào)F16C19/52GK102265046SQ200880132467
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2008年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者亨德里克.A.莫爾, 約翰尼斯.F.范德桑登 申請(qǐng)人:Skf公司