CN101166912A - 载荷感测轴承 - Google Patents

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CN101166912A CNA2006800142913A CN200680014291A CN101166912A CN 101166912 A CN101166912 A CN 101166912A CN A2006800142913 A CNA2006800142913 A CN A2006800142913A CN 200680014291 A CN200680014291 A CN 200680014291A CN 101166912 A CN101166912 A CN 101166912A
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Abstract

一种例如在支撑车轮组件时使用的滚子轴承组件(100)，所述滚子轴承组件包括设置在外支撑圈(102)和内支撑圈(106)之间的一组滚子(104)。所述一组滚子(104)由环状肋环(108)保持在所述内和外支撑圈(106、102)之间，所述肋环构造成将从滚子(104)接收的载荷和力传递至设置在所述环状肋环(108)和围封所述滚子轴承组件(100)的外壳(114)之间的一个或多个传感器(110A)。来自传感器(110A)的响应输出信号表示由滚子(104)施加的力和载荷，并且传送至外部系统，以提供滚子轴承组件(100)工作状况的表征。

Description

载荷感测轴承
相关申请的交叉引用
本申请与2005年4月29日提交的美国临时专利申请第60/676，414号相关并要求该临时专利申请的优先权，在此通过引用将该临时专利申请纳入本申请。
技术领域
本发明总体涉及用于测量轴承载荷力的传感器，特别涉及适用于车轮轴承应用的轴承载荷传感器构造。
背景技术
测量实时车轮力和载荷的能力提高了管理车辆制动和驱动系统的能力，特别是提高了在各种驾驶条件下消除不利车辆响应的能力。例如，与车辆相关的偏航传感器可以用来比较车辆实际转向量与驾驶员的转向输入。如果测得的转向量不对应于驾驶员的转向输入，可以启用车辆稳定或控制系统，以选择性地将扭矩重新引导至不同的车轮，或者选择性地将制动力施加至单个车轮，以获得所需的车辆转向。
对于各车轮的力和载荷-例如瞬态摩擦系数和滑动速度-进行测量，可以向车辆控制系统提供使用有用的信息。然而能够对车辆各车轮处的瞬态摩擦系数和滑动速度进行测量的系统对于大多数车辆应用来说价格都贵得让人望而却步。
因此，向诸如轴承之类在车轮组件中的集成部件提供能够测量车轮组件上的力和载荷-例如测量瞬态摩擦系数和滑动速度-的适合传感器是有利的。如果配置有传感器的所述集成部件适于低成本地批量生产而使得集成部件能够容易地结合到各种车辆应用中，这会更有利。
发明内容
简要地说，本发明提供一种滚子轴承组件，例如在支撑车轮组件时使用的滚子轴承组件，所述滚子轴承组件包括设置在内支撑圈和外支撑圈之间的一组滚子。所述一组滚子由环状肋环保持在所述内支撑圈和外支撑圈之间，所述肋环构造成将从滚子接收的载荷和力传递至设置在所述环状肋环和围封所述滚子轴承组件的外壳之间的一个或多个传感器。来自传感器的响应输出信号表示由滚子施加的力和载荷，并且可以传送至外部系统以提供滚子轴承组件工作状况的表征。
在本发明的另一实施方式中，所述传感器是压缩载荷传感器，并且成环状结构地等间距设置。每个压缩载荷传感器设置成与肋环上的相关凸起接触，从而由所述一组滚子施加在肋环上的载荷和力直接传递至所述压缩载荷传感器。
在本发明的另一实施方式中，所述传感器是应变仪，并且绕着限位在所述肋环和外壳之间的挠性支撑元件以成环状结构地等间距设置。所述挠性元件在所述外壳上的多个凸起部位处被支撑以防发生轴向运动，所述凸起部位与肋环上的第二多个凸起部位偏置开，第二多个凸起部位接触挠性元件的反面。从所述一组滚动元件传递至肋环的载荷和力又通过所述多个凸起接触部位传递至挠性元件，并最终传递至外壳。由所述凸起部位施加在挠性元件上的载荷和力在挠性元件中产生响应性的应变力，所述应变力由所述应变仪记录。来自所述应变仪的响应性输出信号表示由所述滚子施加的力和载荷，并且可以传送至外部系统，以提供所述滚子轴承组件工作状态的表征。
在本发明的变型中，传感器是压力传感器，并且在所述肋环和外壳之间的环形区域内以环状结构等间距地设置，所述环形区域被填充相对不可压缩的材料。从所述一组滚动元件传递至肋环的载荷和力又通过所述相对不可压缩的材料传递，并最终传递至外壳。施加在所述相对不可压缩的材料上的载荷和力由所述压力传感器记录。来自所述压力传感器的响应性输出信号表示由所述滚子施加的力和载荷，并且可以传送至外部系统，以提供所述滚子轴承组件工作状态的表征。
通过结合附图阅读下面的说明，本发明的前述特征和优点以及其当前的优选实施方式将更加清楚。
附图说明
在形成本说明一部分的附图中：
图1是配置有压缩传感器的本发明滚子轴承组件的局部截面图；
图2是本发明环状电路板的立体图，该电路板具有等距离间隔开的间隙，在间隙上面固定有载荷传感器；
图3是配置有应变传感器的本发明另一滚子轴承组件的局部截面图；
图4是在图3中示出的实施方式中的外壳、挠性元件和肋环的简化分解立体图，示出在三者之间传递的载荷和力；
图5是图3中挠性元件的立体图，示出所述应变传感器和柔性电路的布置；以及
图6是配置有压力传感器的本发明另一滚子轴承组件的局部截面图。
相应的附图标记在所述附图中从头到尾都表示相应的部件。可以理解所述附图用于图示本发明的概念，因而未按照比例制作。
具体实施方式
下面的详细描述以示例而非限制的方式说明本发明。所述描述使得本领域的普通技术人员能够制造和利用本发明，并且描述了本发明的多个实施方式、修改方案、变型、另一方案和使用，其中包括当前认为的实施本发明的最佳实施方式。
参见图1，用于支撑车轮组件10的滚子轴承组件100包括至少一个不转动的外圈102，带有至少一组滚子104，所述滚子作用在随轮组件10一起转动的相应内圈106上。在外圈102的各端设置肋环108，以抵抗滚子104从其处于外圈102和内圈106之间的正常位置轴向向外运动的趋势。肋环108由至少三个等距离间隔开的压载荷传感器110沿轴向限位，所述压缩载荷传感器110安装至与外壳114抵靠的环形电路板112上，而外壳114又固定至外圈102。外壳114还支撑唇型密封件116以防止润滑油损失以及污物侵入支撑面。优选地，外壳114翻折在外圈102的凹槽115之上，以利于降低生产和组装成本。
三个压缩载荷传感器110中的每一个都优选地是表面安装式集成电路(IC)，并且所述表面安装式集成电路(IC)如图1和图2所示伸过环形电路板112中的孔或者间隙G。肋环108对每个载荷传感器110的突起部分110A施加压缩力，由于孔或间隙G的存在，该压缩力不是由电路板112在轴向支撑，从而导致在载荷传感器110内产生局部应力以及载荷传感器110阻抗的相应变化。电路板112本身并不因施加的载荷而产生应力，所述载荷仅施加至载荷传感器110以及相关的集成电路(IC)。载荷传感器110的输出与作用在荷载传感器110上的压力成比例，从而提供测量结果来表示从肋环108施加的载荷。每个载荷传感器110的输出信号都经由连接线缆120传送至车辆控制系统(未示出)，在车辆控制系统处所述信号被处理并用于确定作用在由轴承组件100所支撑的车轮组件10上的力或载荷。本领域中的普通技术人员可以认识到，载荷传感器110可以固定在轴承组件100内，以接收拉载荷和压缩载荷，并提供相应的输出信号。
参见图3至图5，本发明滚子轴承组件的又一实施方式总体以标号200示出，用于支撑车轮组件10。滚子轴承组件200包括不转动的外圈202，带有至少一组滚子204，例如锥形滚子，所述滚子作用在随轮组件10一起转动的相应内圈206上。在外圈202的各端设置肋环208，以抵抗滚子204从其处于外圈202和内圈206之间的正常位置轴向向外运动的趋势。肋环208由例如簧碟之类的环形挠性元件210沿轴向限位，挠性元件210在肋环208上设置的三个等距离间隔开的凸起208A处接收来自肋环208的载荷或力。在挠性元件210处接收的载荷或力又在三个等距离间隔开的凸起214A处传递至轴承组件200的诸如外壳214之类的另一元件，凸起214A与肋环208上的三个等距离间隔开的凸起208A沿周向偏置开。外壳214固定至外圈202并支撑唇型密封件216，以防止润滑油损失以及污物侵入支撑面。外壳214翻折在外圈202的凹槽215之上，以利于降低生产和组装成本。
如从图4清楚看出的，从凸起208A传递至挠性元件210的载荷或力Fin由在偏置凸起214A处的反载荷或反力Fout支撑，从而挠性元件210响应于施加的载荷或力而在多个点处沿轴向变形。优选地，挠性元件210安装为留有有限间隙以用于运动，以便挠性元件210不会被过载的力损坏。如图5所示，为了测量所述轴向变形，挠性元件210装有一组圆周定位的应变仪220，以测量挠性元件210中的弯曲应变。柔性电路222设置在应变仪220上，并且以可操作方式耦连至应变仪220，例如通过焊接方法耦连至应变仪220的触点。柔性电路222包括适合的集成电路以向各应变仪220提供电能，以调节应变仪温度输出信号，并将所述应变仪输出信号转化为抗噪音的模拟电流或数字信号，所述模拟电流或数字信号接着经由互连线路222传送至车辆控制系统(未示出)。本领域中的普通技术人员可以认识到，挠性元件210可以固定在轴承组件200内，以接收拉载荷和压缩载荷，并提供相应的输出信号。
在使用之前，必须校准传感器110和220。可以通过直接将已知轴向载荷或力离散地设置在各传感器110和220处而校准传感器110和220。各传感器将响应于所施加的载荷或力而产生响应信号。例如，对于第一传感器110、220——称为传感器A——处的已知施加载荷，将直接灵敏度系数定义为已知载荷除以传感器A响应，而第二和第三传感器(称为传感器B和传感器C)的交叉灵敏度系数是已知载荷除以相应传感器响应。在校准过程中，在各传感器处观察响应。各传感器处的实际载荷定义为：相应传感器响应乘以直接灵敏度系数，减去其它各传感器处的传感器响应乘以相应的相关交叉灵敏度系数。然后三个传感器的实际载荷累加并按照大小排序。计算最大传感器载荷与传感器载荷累加值的比值(MXRATIO)，以及第二高传感器载荷与最低传感器载荷的比值(SIDERATIO)。参数MXRATIO和SIDERATIO确定：(1)传感器力累加值与径向载荷的比值；(2)传感器力累加值与轴向载荷的比值；以及(3)从具有最大载荷的传感器至径向载荷矢量的转动角。这些关系能够通过施加轴向和径向载荷的组合并将得到的比值存储在查询表中而按照经验方法确定，或者能够通过使用已知的关系而经过分析确定。
可以使用不同于压缩载荷传感器110和应变仪220的传感器来获得车轮组件10处的力和载荷的测量值。例如，在图6中，本发明滚子轴承组件的第三另一实施方案总体以标号300示出，用于支撑车轮组件10。滚子轴承组件300包括不转动的外圈302，带有至少一组滚子304，例如锥形滚子，所述滚子作用在随轮组件10一起转动的相应内圈306上。在外圈302的各端设置肋环308，以抵抗滚子304从其处于外圈302和内圈306之间的正常位置轴向向外运动的趋势。肋环308包括盘状部分308A和圆筒状部分308B。所述肋环在盘状部分308A的外周处形成对外壳310的第一密封，在圆筒状部分308B的外圆周处形成对外壳310的第二密封，同时提供间隙用于肋环308的少量轴向运动。
由轮组件10施加在滚子轴承组件300上的载荷或力的测量值，通过固定至环状电路板314的至少三个压力传感器312获得，所述环状电路板314设置在肋环308和外壳310之间的环形腔316内。腔316填充有抵制圆向流动的基本上不可压缩材料316A，例如室温硬化(RTV)型材料。来自滚动元件304的载荷或力传递至肋环308，并且通过材料316A传递至压力传感器312，压力传感器312提供表示肋环308上载荷分布的比例输出信号。而最少三个压力传感器312可以与滚子轴承组件300一起使用，在腔316内的载荷区的弓形范围小于大约270度时，则需要把压力传感器312设置为靠近最大载荷的位置，以避免因为肋环308响应于非均匀载荷而倾斜的趋势在某些其余压力传感器处产生负的载荷。
设置在环形电路板314上的集成电路(未示出)向各压力传感器312提供电能，并将所述压力传感器输出信号转化为抗噪音的模拟电流或数字信号，所述模拟电流或数字信号接着经由互连线路320传送至车辆控制系统(未示出)。
因为在不偏离本发明范围的情况下能够对上述构造进行各种改变，因此上述说明中包含的或附图所示出的所有内容应该理解为是示例性的而非限制性的。

Claims (21)

1.一种滚子轴承组件，包括：
环形外圈，其环绕环形内圈；
一组滚子，其容纳在所述内圈和外圈之间的径向间隙内；
肋环，其接触所述滚子的外端以容纳所述滚子，所述肋环使来自所述滚子的力传送通过至少一个感测设备，所述感测设备的输出用来确定所述滚子轴承组件的载荷状况。
2.如权利要求1所述的滚子轴承组件，包括至少三个环状分布的感测设备，所述三个设备的所述输出分别相对于所述三个环状分布位置中的每个处的已知载荷校准；并且
其中，计算最大传感器载荷与所述传感器的载荷累加值的比值、以及中间传感器载荷与最小传感器载荷的比值，以确定所述轴承的载荷状况。
3.如权利要求1所述的滚子轴承组件，其中所述感测设备包括至少三个应变传感器。
4.如权利要求1所述的滚子轴承组件，其中所述感测设备包括大致轴对称的挠性构件。
5.如权利要求1所述的滚子轴承组件，其中所述感测设备容纳在环形外壳内，所述外壳以可操作方式耦连至所述外圈。
6.如权利要求1所述的滚子轴承组件，其中所述感测设备包括至少三个压力传感器，所述压力传感器能够感测限制在所述肋环和所述压力传感器之间的环形腔内的材料中的压力，所述感测到的压力表示滚子作用在所述肋环上的力。
7.如权利要求1所述的滚子轴承组件，其中所述感测设备包括至少三个压缩载荷传感器，所述压缩载荷传感器能够感测从所述肋环施加的载荷，所述感测到的载荷表示滚子作用在所述肋环上的力。
8.如权利要求1所述的滚子轴承组件，其中所述的一组滚子包括锥形滚子。
9.如权利要求1所述的滚子轴承组件，其中所述力是压力。
10.如权利要求1所述的滚子轴承组件，其中所述力是拉力。
11.一种改进的滚子轴承组件，其具有：环绕环形内圈的环形外圈；一组滚子，其容纳在所述外圈和内圈之间的径向间隙内；肋环，其接触所述滚子的外端以将所述滚子容纳在所述径向间隙内；以及耦连至所述外圈的环形外壳，所述改进包括：
一组在所述外壳内以可操作方式环状设置并靠近所述肋环的传感器，所述一组传感器构造成产生表示由所述一组滚子施加在所述肋环上的力的至少一个输出信号。
12.如权利要求11所述的改进的滚子轴承组件，其中所述一组滚子包括锥形滚子。
13.如权利要求11所述的改进的滚子轴承组件，其中所述一组传感器包括以等距离环状构造方式设置的多个压缩载荷传感器；
其中所述肋环包括多个轴向凸起，所述轴向凸起中的每个与一个所述压缩载荷传感器对准并接触；并且
其中由所述一组滚子施加在所述肋环上的力通过所述轴向凸起传递至所述压缩载荷传感器。
14.如权利要求13所述的改进的滚子轴承组件，其中所述多个压缩载荷传感器各自设置在与所述外壳相抵靠的环形支撑构件中的间隙上方；并且
其中所述多个轴向凸起与所述环状支撑构件中的间隙对准。
15.如权利要求11所述的改进的滚子轴承组件，进一步包括在所述肋环上的第一组等距离间隔开的轴向凸起，以及在所述外壳的内表面上的第二组等距离间隔开的轴向凸起，所述第一和第二组轴向凸起彼此沿环向偏置；
设置在所述第一和第二组轴向凸起之间的挠性元件；
其中所述一组传感器包括设置在所述挠性元件上的环形构造中的多个应变传感器，每个所述应变传感器构造成产生表示所述挠性元件响应于所述肋环上的来自所述一组滚子的载荷而发生的局部应变的输出信号。
16.如权利要求11所述的改进的滚子轴承组件，其中所述肋环包括盘状部分和圆筒状部分，所述盘状部分的外周向端抵靠所述外壳的一部分，并且所述圆筒状部分的表面与所述外壳组的一部分相邻，由此所述外壳和所述肋环限定环形腔；
设置在所述环形腔内的基本上不可压缩的材料；以及
在所述环形腔内设置在环形支撑构件上的至少三个压力传感器，其中由所述一组滚子施加在所述肋环上的力通过所述不可压缩的材料传递至所述压力传感器。
17.如权利要求16所述的改进的滚子轴承组件，其中所述基本上不可压缩的材料是室温硬化材料。
18.如权利要求16所述的改进的滚子轴承组件，其中所述基本上不可压缩的材料抵制周向流动。
19.如权利要求16所述的改进的滚子轴承组件，其中所述压力传感器中的至少一个设置为在靠近所述肋环的环向最大载荷部位。
20.如权利要求11所述的改进的滚子轴承组件，其中所述力是压力。
21.如权利要求11所述的滚子轴承组件，其中所述力是拉力。
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PB01 Publication
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