CN100565149C - 具有四个应变计的变形感应轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴承，包括用于测定静环(1)区域(7)在旋转期间引起的伪正弦变形幅度A的至少一个系统，其中所述系统包括：四个应变计(8)；用于根据每个应变计(8)发出的信号的时间变化量而测量四个信号V_i的装置，该装置还用于形成相同角度和幅度的两个信号SIN和COS；以及用于计算区域(7)的变形的时间相关幅度A的装置，该装置通过计算表达式SIN²+COS²来导出幅度A。

Description

具有四个应变计的变形感应轴承

技术领域

本发明涉及一种轴承，包括一个固定的或“静”环(”stationary”ring)，一动环(rotationary ring)，以及位于所述静环和动环之间形成的滚道中的至少一排滚体，从而使得静环和动环能彼此相对转动。

上述轴承通常应用于机动车轮轴承，静环可固装到所述车的底盘，而车轮则与动环连接。

背景技术

若需要测定施加在轮与轮旋转所在的表面之间的界面上的力，已知可在轮胎或底盘上测量该力。然而，若在轮胎上测量，则在轮胎的旋转参照系与固定的计算参照系之间转送信号存在很大的问题，旋转参照系还必须相对固定参照系连续定位，从而能够进行该计算。若在底盘进行测量，由于连接车轮与底盘的各种部件之间的力的分布，这变得很难。

因此，如文件FR-2839553和FR-2812356中所提出的，轮与底盘之间的第一连接部件，即静环，特别用作支持物以测定在车移动时施加在轮与表面之间的界面上的力。

具体地，通过测量由滚体经过而引起的静环变形，测定上述力。变形幅度对应于要测定的力。

这种测定力的方案的一个问题是变形信号依赖于旋转速度。具体地，低速下进行测量，质量达不到要求，并且只有在测量由滚体至少两次连续经过引起的变形后，才能确定上述力。

因此，若必须实时或以尽可能短的延迟进行力的测量，则上述问题变得尤为致命，而这对用于控制车的动态特性的系统，例如防抱死制动系统(ABS)或电控平稳行驶系统(ESP)，是必须的。

发明内容

本发明的一个具体目的是通过提出一种轴承来修正该问题，所述轴承带有用于测定静环内变形幅度的系统，所述系统设计为对变形信号进行空间插值，从而即时并与旋转速度无关地进行变形的测量，由此能测定上述力。

为此，本发明提供一种轴承，包括静环、动环以及至少一排滚体，该至少一排滚体位于所述静环和动环之间形成的滚道中从而使所述静环和动环能彼此相对转动，所述滚体以角间距λ均匀分布在滚道中，所述轴承设有至少一个测定系统用于测定转动期间引起的静环的区域的伪正弦变形幅度A，其特征在于，所述测定系统包括：

四个应变计，每个应变计输送为所述应变计所受的变形的函数的信号，所述应变计均匀分布在所述区域上；

测量装置，用于测量四个信号V_i，每个信号是转动期间相应的应变计发出的信号的时间变化函数，所述装置适用于通过组合四个信号V_i而形成相同角度和相同幅度的两个信号SIN和COS，所述幅度是A的函数；以及

计算装置，用于计算时间函数形式的区域的变形幅度A，所述装置计算表达式SIN²+COS²，由此推算出幅度A。

附图说明

本发明的这些和/或其它方面和优点可从以下联系附图的描述中变得显见，其中：

图1到3分别是三个轴承的实施例的透视图，示出用于测定伪正弦变形幅度的四个系统的应变计，所述应变计位于静环的相应区域上；

图4是本发明的测定系统的第一实施例的电路图；

图5和6是本发明的测定系统的第二实施例的电路图；

图7是在图1的轴承的静环上，应变计相对滚体的角间距定位的具体位置的概略视图；以及

图8是类似于图7的视图，示出应变计与滚道之间的距离。

具体实施方式

本发明涉及一种轴承，包括一固定或“静”环1，一动环，以及位于所述静环和动环之间形成的滚道3中的至少一排滚体2，从而使得所述静环和动环能彼此相对转动。

静环1被设计为与固定或“静”结构连接，而动环被设计为与旋转部件连接。在具体的应用中，轴承是机动车轮轴承，所述静结构为车的底盘，所述旋转部件是车轮。

参照图1和3，示出的车轮轴承包括两排球体2，绕一共同的轴放置在固定的外环1和旋转的内环之间设置的相应滚道3中。另外，静环1设置有用于紧固到底盘的紧固装置，该紧固装置由提供有四个径向突起5的法兰4形成，其中每个径向突起中设置一轴孔6以便能够实现通过螺栓被紧固。

如图7和8所示，球体2以角间距λ(也被称为“空间周期”)均匀地分布在滚道3中。在已知结构中，各球体2之间的间距是通过将球体2保持在保持架中而得以保持的。

本发明的目的在于能测定静环1的至少一个区域7的变形幅度，使得可由此推算出施加在轮与所述轮旋转所在表面之间的界面上的力。

沿滚道3滚动的球体2引起静环1被挤压和释放。因此，旋转期间，静环1进行近似于正弦波的周期性形变。在以下描述中，术语“伪正弦变形”用于指代静环1在旋转期间的变形。

伪正弦变形的特征在于幅度取决于轴承所受的负载，也就是施加在界面上的力，而频率正比于动环的旋转速度和球体2的数量。

尽管参照包括两排球体2并且对每排球体独立测定变形幅度的轮轴承给出描述，所述描述可由本领域的技术人员直接转用到要求测定静环1的至少一个区域7的伪正弦变形幅度的其它类型轴承和/或其它应用上。

根据本发明，轴承设置有至少一个系统用于测定静环1的区域7在旋转期间引起的伪正弦变形幅度A，所述系统包括四个应变计8。

每个应变计8用于产生对应所受形变的函数的信号。如图1到3所示，应变计8沿在大致旋转方向上延伸的线均匀分布在所述区域7上。

测定系统进一步包括用于测量四个信号V_i的测量装置9，每个信号V_i是旋转期间相应的应变计8发出的信号的时间变化函数，所述装置适于通过组合四个信号V_i来形成相同角度和相同幅度的两个信号SIN和COS，所述幅度是A的函数。

可利用例如由一处理器形成的计算装置10，根据所述两个信号SIN和COS，通过计算表达式SIN²+COS²来推算幅度A。

如此，由于计算幅度与旋转速度无关，可克服特别是延迟或变形瞬时测定所固有的质量问题。

参照图4到6，以下描述本发明的测定系统的第一和第二实施例，其中应变计8基于电阻元件，特别是压电电阻或磁致伸缩元件，使得每个应变计8的电阻R_i随着所述应变计8的变形的函数而改变。特别地，每个应变计8可包括单个电阻或多个电阻的模块，所述多个电阻组合而实现代表所述模块所在位置的电阻的相当于单个电阻的平均电阻。

在所示两个实施例中，测量装置9包括四个应变计8之间的电流回路。该回路进一步包括具有可调增益G_i的四个差分放大器11。另外，测量装置9可进一步包括信号过滤器级(未示出)。

测量装置9因此在放大器11的输出端输送以下信号：

V₁＝G₁×(R₀₁+ΔR₁sin(ωt))i

其中R_0i是各电阻器Ri的未变化部分电阻，ΔR_i是应变计8的电阻的变化，ω＝2π/T(T是时间周期)，是应变计8之间的空间相移，i是回路中的电流。

采样函数的正弦性(相对时间)用于简化以下计算，但这不是限制。这样的假定假设轴承以恒定速度旋转(ω为常数)。

在图4所示实施例中，测量装置9进一步包括差分放大器11级，其被布置以获得以下差分：

通过调整输出增益G_i使得G₁＝G₂＝G₃＝G₄＝G，通过设置各电阻器未变化部分的电阻使得R₀₁＝R₀₂＝R₀₃＝R₀₄，并且通过假设ΔR₁＝ΔR₂＝ΔR₃＝ΔR₄＝ΔR，差分(1)和(2)变为：

具体地，当各应变计8与滚道等距时可得到相等的ΔR_i值。

在

时，即，各应变计8以等于λ/4的距离间隔开时，差分(3)和(4)可写成：

因此，在这种特殊情况下，图4所示测量装置9可直接获得信号COS＝V₁-V₂和SIN＝V₃-V₄。

于是，通过计算表达式SIN²+COS²，可获得：

${\left[\sqrt{2}\mathrm{G\ΔR}\right]}^2\×i^2$

从而可在计算装置10的输出端获得幅度A的时间函数，幅度A为ΔR的函数。

参照图5和6，描述测量装置9，该测量装置9可获得SIN和COS信号而无论应变计8之间的空间相移

值如何。

为此，测量装置9进一步包括两级差分放大器11，第一级类似于图4实施例的放大器级，而因此该装置不仅用上述关系(3)和(4)输送信号V₁-V₂和V₃-V₄，还以模拟方式输送V₁-V₃和V₄-V₂(图6)。

第二级包括两个差分放大器11，为清楚起见分别在图5和图6中示出，从而输送以下信号：

U＝[(V₁-V₂)-(V₃-V₄)]；以及V＝[(V₁-V₃)-(V₄-V₂)]

即，根据关系(3)和(4)：

于是有U＝SIN和V＝COS，使得如上所述，可通过在计算装置10中计算表达式SIN²+COS²获得作为ΔR的函数的幅度A。

注意，如果

与π/2不同，信号U和V的幅度不同。为了使所述幅度相等，可预备至少一个第二级的差分放大器11以具有可调整的增益。具体地，形成信号U的差分放大器11的增益可调整为：

在图5和6所示实施例的变量中，测量装置9的第二级包括如图5所示的放大器11和用于输送信号V＝2(V₂-V₃)的第二放大器11。因此，由测量装置9输送的信号如下：

U＝[(V₁-V₂)-(V₃-V₄)]；以及V＝2(V₂-V₃)

上述变量特别适用于信号V_i的幅度不一样的情况，即应变计没有检测到具有相同幅度A的正弦波的情况。假设四个应变计8之间是线性负载分布，信号V_i可写成：

V₁＝(G₁R₀₁+(A+3a)sin(ωt))i

其中a是待测量的幅度A的线性变量。

尽管该变式的解适用于任何

值，为了简化计算，假设

则可得到：

$U=\left[2\sqrt{2}(-A\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{3\mathrm{\π}}{4})+a\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{4}))\right]i$

$V=[-2\sqrt{2}(A\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{3\mathrm{\π}}{4})+a\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{4}))]i$

于是有U＝SIN和V＝COS，而SIN²+COS²的平方根等于

因此，第一级有限展开(a＜＜A)给出

以及在应变计8分布的区域的中心引起的幅度A。

图7和8示出以等于λ/4的距离间隔开的应变计8，所述应变计位于大致平面的变形区域。如图8所示，应变计8的中心在所述区域上，从而分别以距离d₁、d₂、d₃、d₄与滚道隔开，其中d₁＝d₄，d₂＝d₃。

在应变计8的这种具体结构下，可写出如下关系式：

由于R₁比R₂离滚道更远，因此来自R₁变形的信号会比来自R₂的信号更小，所以ΔR₂＝kΔR₁，其中，k＞1。

另外，由于应变计8在变形区域7内结构上对称，还有：

ΔR₃＝kΔR₄＝ΔR₂＝kΔR₁

另外，调整增益使得G₁ΔR₁＝G₂ΔR₂＝G₃ΔR₃＝G₄ΔR₄

因此，由前述关系可得：

G₁＝kG₂＝G₄＝kG₃

在这种特殊结构中，各电阻器的未变化部分的电阻必然为：

R₀₂＝kR₀₁；R₀₃＝kR₀₄；以及R₀₂＝R₀₃。

因此，在图7和8的应变计8的结构中，可通过限定增益值和未变化部分电阻器的电阻值，获得幅度A。

在通常情况中，当应变计8位于外环1的圆柱外周时，应变计到滚道的距离都相等，使得k＝1。因此，在所有情况中，增益相等，而电阻器的未变化部分电阻也必然相等。

参照图1和2，描述所示轴承的布置，其中应变计8位于紧固到静环1的变形区域7的基板12上。该基板12刚性紧固到静环1，例如，通过粘接或焊接型组合，使得基板也起到传递静环1与应变计8之间变形的作用。

尽管上述应变计8基于电阻元件，输送对应为变形的函数的信号的其它应变计8，例如从表面声波传感器和磁场传感器中选择的传感器也可用在本发明中。具体地，磁场传感器可基于以下类型的传感器元件：磁电阻、巨磁电阻、霍尔效应、隧道效应磁电阻以及磁致伸缩层。

在所示实施例中，应变计8被丝网印刷在例如陶瓷制成的基板12上成一厚层。具体地，混合型技术可在基板12上集成测量装置9和计算装置10(见图2的实施例)。另外，丝网印刷使得可良好调整电阻器电阻并良好感应变形，同时保证电阻器在基板12上的精测定位。

变形区域7是机加工的，使其大致是平面并使其在两排球体2上方延伸。在本实施例中，应变计8与滚道3不等距，使得所测变形幅度是对应的应变计8的函数(见图7和8)。

在图3所示实施例中，可设置而使应变计8直接紧固到静环1的曲面，例如，应变计8可为箔式应变计型，并可构造使所有应变计8与滚道3之间的距离相等。

在图1和2所示实施例中，两个测定系统的应变计集成在相同的基板12上，使得在每个滚道3附近，为测定区域7的变形幅度提供至少一个测定系统。

具体地，应变计8位于静环1的外周上，大致面对每个滚道3，从而增加待测量信号的强度。于是，带有应变计8的基板12可测定分别由基本一排球体2在相同轴面引起的变形幅度。

轴承可提供有至少三个(在图1所示实施例中为八个：四个可见，四个对称位于轴承的另一边)系统，用于测定静环的相应区域7内的变形幅度，所述系统连接到或被设计为连接到用于计算在旋转期间施加在静环1上和/或固装到或集成于动环的元件上的力的计算机，所述力为所测定幅度的函数。具体的，这种计算机如FR-2839553的申请文件所述。

Claims (21)

1.一种轴承，包括静环(1)、动环以及至少一排滚体(2)，该至少一排滚体位于形成在所述静环(1)和动环之间的滚道(3)内从而使所述静环(1)和动环能彼此相对转动，所述滚体(2)以角间距λ均匀分布在滚道(3)中，所述轴承设有至少一个测定系统，用于测定在转动期间引起的静环(1)的区域(7)的伪正弦变形幅度A，所述轴承其特征在于，所述测定系统包括：

四个应变计(8)，每个应变计(8)输送为所述应变计所受的变形的函数的信号，所述应变计均匀分布在所述区域上；

测量装置(9)，用于测量四个信号V_i，每个信号是转动期间相应应变计(8)发出的信号的时间变化函数，所述装置适用于通过组合四个信号V_i来形成相同角度和相同幅度的两个信号SIN和COS，所述幅度是A的函数；以及

计算装置(10)，用于计算时间函数形式的区域(7)的变形幅度A，所述装置计算表达式SIN²+COS²，由此推算出幅度A。

2.根据权利要求1所述的轴承，其中，应变计(8)基于电阻元件，使得每个应变计(8)表示电阻R_i，该电阻R_i作为所述应变计所受的变形的函数而变化。

3.根据权利要求2所述的轴承，其特征在于，所述测量装置(9)包括四个应变计(8)之间的电流回路，所述回路包括具有可调增益G_i的四个差分放大器(11)。

4.根据权利要求3所述的轴承，其特征在于，所述应变计(8)以λ/4的间距隔开。

5.根据权利要求4所述的轴承，其特征在于，所述测量装置(9)进一步包括一级差分放大器(11)，其设计为获得差分V₁-V₂＝COS和V₃-V₄＝SIN。

6.根据权利要求3或4所述的轴承，其特征在于，所述测量装置(9)进一步包括两级差分放大器(11)，第一级差分放大器被设计为获得差分V₁-V₂、V₃-V₄、V₁-V₃和V₄-V₂，第二级差分放大器被设计为获得差分[(V₁-V₂)-(V₃-V₄)]＝SIN和[(V₁-V₃)-(V₄-V₂)]＝COS。

7.根据权利要求3或4所述的轴承，其特征在于，所述测量装置(9)进一步包括两级差分放大器(11)，第一级差分放大器被设计为获得差分V₁-V₂、V₃-V₄，第二级差分放大器被设计为获得差分[(V₁-V₂)-(V₃-V₄)]＝SIN和2(V₂-V₃)＝COS。

8.根据权利要求6所述的轴承，其特征在于，所述第二级的至少一个差分放大器(11)具有可调的增益。

9.根据权利要求7所述的轴承，其特征在于，所述第二级的至少一个差分放大器(11)具有可调的增益。

10.根据权利要求2所述的轴承，其特征在于，所述应变计(8)具有相等的未变化部分电阻R_0i。

11.根据权利要求2所述的轴承，其特征在于，所述区域(7)被机加工为大致平面，所述应变计定心于所述区域上，使得各应变计成对地与滚道(3)等距，所述应变计(8)具有的未变化部分电阻R_0i为R₀₂＝kR₀₁、R₀₃＝kR₀₄以及R₀₃＝R₀₂。

12.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述应变计(8)是从表面声波传感器中及从磁传感器中选择的传感器。

13.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述应变计位于基板(12)上，所述基板(12)紧固到静环(1)的区域(7)。

14.根据权利要求13所述的轴承，其特征在于，所述应变计(8)被丝网印刷在基板(12)上形成一厚层。

15.根据权利要求13所述的轴承，其特征在于，所述测量装置(9)和所述计算装置(10)集成在所述基板(12)上。

16.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，提供至少三个测定系统，以测定静环(1)的相应区域(7)的变形幅度。

17.根据权利要求16所述的轴承，其特征在于，所述测定系统连接到一计算机，该计算机适用于计算在转动期间施加在静环(1)上和/或固装到动环或与其集成的元件上的力，该力作为所测定的幅度的函数。

18.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述应变计(8)沿在大致旋转方向上延伸的线设置于所述区域(7)上。

19.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述应变计(8)位于滚道(3)附近。

20.根据权利要求19所述的轴承，其特征在于，所述应变计(8)位于静环(1)的外周上，大致面对所述滚道(3)。

21.根据权利要求19所述的轴承，其特征在于，所述轴承具有位于各自相应的滚道(3)中的两排滚体(2)，该轴承中，在每个滚道(3)的附近，提供至少一个测定系统用于测定区域(7)的变形幅度。

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