CN101918805A - 轴承部件和传感器的组合 - Google Patents
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Abstract
一种轴承包封件和传感器的组合，其中：(a)至少一部分轴承部件是由轴承钢形成；(b)传感器包括传感器元件及其支撑部；(c)至少一部分支撑部是由包括不超过0.2重量％的碳或者镍或其合金或者钛或其合金的低碳钢形成；以及(d)轴承部件和支撑部经由所述各个部分彼此熔焊或者钎焊。
Description
技术领域
本发明涉及轴承，并且特别涉及用于测量轴承的运行参数例如应力和应变的传感器。
背景技术
轴承是允许两个部分之间约束性地相对运动的装置。它们可以用于许多不同类型的机器以维持和支撑旋转部分例如车辆上的轮子、风车上的叶片或者洗衣机中的滚筒。典型的轴承包括内圈、外圈和多个滚动体，并可以进一步包括保持架以保持滚动体。
在使用过程中，轴承受到不同的载荷，既有静态的又有动态的。静载荷主要是由于由轴承支撑的重量所致，并还可以是由于轴承安装的预载荷所致。动载荷是依从于时间的并且是由于运转状态所致。
在许多系统中，期望能够监视作用在轴承上的载荷。在现代车辆中，例如来自轮子轴承的载荷数据用于车辆稳定系统的控制中。振动是对于轴承来说很重要的另一物理参数，因为它提供轴承“健康”的指示。剧烈振动会是轴承接近其寿命终点的信号，因此在重要机器中的轴承通常设置有传感器以监视振动。
位移传感器例如应变仪一般应用来测量载荷和变形，而薄膜压电式换能器可以用作振动传感器。预载荷压电传感器也可以用作位移传感器，其包括将传感器夹持到例如轴承圈上。
附着传感器到轴承部件的广为应用的方法是粘附接合。这种方法具有许多缺点。轴承部件的表面需要清洗和预处理，并且胶粘剂在其已经稳定之前会需要数个小时的熟化。
发明内容
本发明致力于解决与现有技术相关的一些问题并提供一种改进的轴承部件和传感器的组合。
因此，本发明提供一种轴承部件和传感器的组合，其中：
(a)至少一部分轴承部件是由轴承钢制成；
(b)传感器包括传感器元件及其支撑部；
(c)至少一部分支撑部是由低碳钢形成，该低碳钢包括不超过0.2重量％的碳，或者由镍或者其合金形成，或者由钛或者其合金形成；以及
(d)轴承部件和支撑部经由所述各个部分彼此熔焊或者钎焊。
现将进一步描述本发明。在下面的段落中，本发明的不同方面被更为详细地限定。如此限定的每个方面可以与任何其它方面组合，除非另有明确的相反说明。特别地，作为优选的或者有利的所示出的任何特征可以与作为优选的或者有利的所示出的其它任何特征组合。
在一个优选实施例中，轴承钢包括至少0.4重量％的碳，更优选地包括0.5-0.8重量％的碳。在该实施例的一个有利方面，轴承钢包括0.5-0.6重量％的碳。在另一有利方面，轴承钢包括0.65-0.75重量％的碳。
在另一优选实施例中，轴承钢包括至少0.8重量％的碳，更有选地，包括0.7-1.3重量％的碳，又更优选地，包括0.8-1.2重量％的碳。
轴承钢优选地包括高至2重量％的铬，更优选地，包括1.2-1.8重量％的铬，又更优选地，包括1.3-1.6重量％的铬。
用于本发明的轴承钢的优选的商业例子包括AISI 1055、AISI 1070、41Cr4、34CrNiMo6和SAE 51200(100Cr6)。其它的例子包括DIN100CrMo7-3、DIN 100CrMnMo7、DIN 100CrMo7-4和DIN 100CrMnMo8。对于更高载荷和高温的应用，可以使用M50工具钢。表面硬化或渗碳等级也可以使用，并且这些例子包括16MnCr5和21MnCr5。
用于传感器的支撑部是由(i)低碳钢，或者(ii)镍或其合金，或者钛或其合金形成。优选的材料是(i)或(ii)，其中(i)是最为优选的。
优选的低碳钢为不锈钢。
低碳钢优选地包括不超过0.1重量％的碳，更优选地，包括不超过0.08重量％的碳，又更优选地地，包括不超过0.05重量％的碳。
低碳钢优选地包括10-25重量％的铬，更优选地，包括12-20重量的铬，又更优选地，包括13-19重量％的铬。在结合传感器元件到支撑部方面，其优选地经由一个或多个介电夹层例如玻璃或者含玻璃层进行，12重量％或更大，优选的是15重量％或更大的铬含量已经被发现是有利的。
支撑部优选地由包括2-16重量％的镍的低碳钢形成。一个适当的范围是7-15重量％的镍，更典型地是8-14重量％的镍。在这些范围中，8-10.5重量％或者10-14重量％的镍含量是优选的。另一适当范围是2-6重量％的镍，更典型地是3-5重量％的镍。包括不超过0.75重量％的量的镍的钢也可以使用。
金属支撑部可以是简单的片的形式，或者可以具有特别的形状、构型或者轮廓以使得匹配它将通过熔焊/钎焊而附着到其上的轴承的表面，和/或考虑正进行的测量类型。支撑部是由足够厚的量规(guage)(典型地≥0.5毫米)形成以具有正进行的应用所要求的刚度。制造支撑部的优选的方法是通过粉末冶金。
用于支撑部的钢材料的优选的商业例子包括AISI 304、AISI 304L、AISI316、AISI 316L、AISI 430和17-4PH.。其它例子包括热处理钢例如DIN42Cr4、50CrMo4和34CrNiMo6。
或者，支撑部可以由电镀和蚀刻的镍或其合金形成。
典型地，传感器将为位移传感器，并可以包括一个或多个将机械位移转换为电信号的应变仪。这样，一个或多个传感器元件可以被提供以用作应变仪。这些可以由例如电阻材料或半导体材料形成。电阻材料的例子是金属、金属氧化物和陶瓷。特定的例子包括氧化钌、一氮化钽、氧化铅、钌酸铋、铱酸铋和镍-铬。半导体材料的适当例子是硅或其氧化物。
在优选的实施例中，应变敏感的电阻器通过利用传统的丝网印刷技术而直接印刷到金属支撑部上。
对于厚膜电阻，该膜可以通过利用传统的丝网印刷技术而沉积到支撑部上。为了促进该处理，上述金属氧化物和陶瓷材料可以例如与其它组分例如玻璃粉末或者液体载体混合。传导陶瓷组分然后在典型的750-950℃的温度下熔合。对于大量的电阻陶瓷(例如氧化钌)，优选将它们沉积在一个或多个介电层上，因为已经发现这导致与低碳钢的接合改善，正如在此所描述的那样。由于该原因，用于传感器的支撑部可以包括涂覆基材，其中涂层包括一个或多个介电层，例如玻璃、含玻璃材料或者金属氧化物，例如氧化铝。
薄膜电阻还可以通过溅射(例如真空淀积)电阻材料到支撑部上而制成。薄膜然后以类似于制造印刷电路板的工艺进行蚀刻。
如果期望，厚膜和薄膜电阻可以通过研磨或者激光修整而修整为精确的值。
半导体量规可以制造为硅晶片，该硅晶片可以薄到100微米。该量规非常小，一个15厘米的晶片可以承载多到15000个传感器。如果期望将半导体应变量规布置在制支撑上，那么玻璃或者含玻璃的夹层可有利地用于促进硅到支撑材料的附着。玻璃然后可以在500-600℃的典型温度下烧结。半导体应变量规是有利的，因为它们非常小并具有大的量规因子。但是，它们还具有强的温度敏感性，这需要通过专用电路和算法来补偿。
应变量规模式可以选取为提供拉力、压力和/或剪切的测量。
金属支撑部可以是简单的片的形式，或者可以具有特定形状、构型或者轮廓以匹配它将通过焊接/钎焊附着到其上的轴承的表面，和/或考虑正进行的测量的类型。支撑部由足够厚的规格(典型地≥0.5毫米)形成以具有用于正在进行的应用所需的刚度。
轴承部件可以是滚动体轴承的一部分，例如轴承内圈和外圈。轴承部件也可以是直线轴承的一部分，例如球和辊螺旋(roller screws)。
本发明还提供包括如在此所述的一种组合的轴承，。应当理解，所述轴承可以包括一个或多个传感器。特别地，在超过一个自由度测量载荷的轴承将需要超过一个应变量规。
本发明提供轴承和传感器的组合，例如包括一个或多个应变量规的位移传感器，其能够测量弹性变形、力和力矩，并且其产生精确、强且可靠的信号。传感器响应对于用于传感轴承的载荷是足够可预测的和敏感的。
轴承部件和用于传感器元件的支撑部彼此熔焊或者钎焊。激光焊接、电子束焊接或者激光钎焊是优选的，特别优选的是激光焊接。基于压力的焊接是另一种可能性，并且电阻、摩擦焊接或者电磁焊接也可以根据情况使用。熔焊或者钎焊连接已经被发现能够导致测量以及可靠性的提高。
填充材料被有利地使用以改善焊接工艺和焊接质量。对于用于本发明中以及在此描述的轴承钢和低碳钢，如果使用镍或者包含镍的填充物的话，在焊接性能和完整性方面获得特别良好的结果。
镍或镍合金可以用以增大熔化区和热影响区的延性，并且还可减少正焊接的材料的膨胀系数的差异。适当的填充物的例子包括AWS A5.15、E308L-16和E316L-16。或者，可以使用ERNiCrMo-3、ERNiCr3NiCu-7或ERNil。镍-钛合金是优选的，优选包含1-10重量％的钛，更优选的包括1-5重量％的钛。
填充材料可以以许多方式施加到焊接位置。例如，填充物可以作为相对薄的小板或者外层接合到待焊接的一个部件。还可以在焊接过程中供应填充物，例如作为金属丝。在另一实施例中，填充物可以作为脚部预安装在传感器载体的腿上。
在焊接情形下，铜和银，包括其合金，是适当的填充材料的例子。
预热处理或后热处理部件通常是有益的。通常，整个轴承的最大温度不应超过100℃。后焊接应力释放或者回火对于某些传感器支撑材料例如17-4PH是有利的。
局部预热处理和后热处理可以通过例如激光束、电阻或者感应加热，或者利用热接触件例如烙铁实现。
在本发明中，用于支撑部的组分被精心选取以在合金化学性、可焊接性/可钎焊性和物理属性方面与轴承钢(例如，100Cr6(＝SAE 51200)、AISI1055和AISI 1070)相兼容。特别地，在特定轴承应用的运行温度范围内(例如40-60℃)，支撑部和轴承钢的热膨胀系数被有利地选取为尽可能接近。组分还必须与形成传感器元件(例如厚膜和薄膜电阻和半导体材料)的材料以及相关成形处理相兼容。本发明人发现在此描述的低碳钢，例如包括10-25重量％的铬的那些低碳钢，在这些方面特别优良并在接合到轴承部件和传感器材料的强度与机械和热属性之间的提供精良平衡。如果镍或者含镍的组分(例如镍-钛合金)用于在轴承部件的各个部分和支撑部之间的焊接形成的话，这是特别有利的。例如，镍和含镍的组分可以在焊接操作过程中作为填充材料提供。
单独地或者相结合地，镍或含镍组分在焊接操作之前可以被预沉积在所述轴承部件和/或所述支撑件的相应部分的其中之一上或者两者的相应部分上。这可以通过将镍或者含镍组分电沉积在所述轴承部件和所述支撑件的其中之一或者两者的表面上。镍或含镍组分的使用已经被发现导致在测量以及传感器可靠性方面的改善。如果一个或多个介电层介于支撑部和传感器元件之间也是特别有利的。这可以通过沉积包括介电颗粒的液体或者浆状物在支撑部表面上而实现。沉积可以例如通过传统的丝网印刷技术进行。液体或浆状物然后被进行传统的热处理，包括烘烤和/或烧结以形成介电层。在沉积传感器元件在介电层之前，可以以这种方法建立起其它介电层。如果期望的话，最终的介电层然后可以沉积在传感器元件上以形成保护密封。介电层优选地包括玻璃或者含玻璃组分。一个或多个介电夹层已经被发现导致测量和传感器可靠性方面的改善。
附图说明
无
具体实施方式
现将参照下面的非限定性例子进一步描述。
用于形成传感器的支撑部的优选的低碳钢包括300系列不锈钢，例如AISI 304、AISI 304L、AISI 316、AISI 316L。这些等级(在重量％方面)的化学组分提供如下。
AISI 304 AISI 304L
C＜0.08 C＜0.03
Mn＜2.0 Mn＜2.0
Si＜1.0 Si＜1.0
P＜0.045 P＜0.045
S＜0.03 S＜0.03
Ni 8-10.5 Ni 8-10.5
Cr 18-20 Cr 18-20
AISI 316 AISI 316L
C＜0.08 C＜0.03
Mn＜2.0 Mn＜2.0
Si＜1.0 Si＜1.0
P＜0.045 P＜0.045
S＜0.03 S＜0.03
Ni 10-14 Ni 10-14
Cr 16-18 Cr 16-18
Mo 2-3 Mo 2-3
在这些合金中，等级316L和304L最为优选。这些是具有最大碳含量0.03％、铬含量16-18％(在304L中18-20％)和镍含量10-14％(在304L中8-10.5％)的奥氏体类型的钢。这些等级已经被发现是相对耐碳化物析出的，当焊接到轴承钢例如100Cr6时，所述碳化物析出可能发生在焊点周围。当碳化物生长得太大时碳化物会导致焊接脆性，轴承钢的脱碳会产生裂缝。在这些合金中的镍用作奥氏体稳定剂并帮助韧化混合的熔化区。在焊接情形中，在焊接操作过程中填充材料例如镍或者镍合金优选使用，因为已经发现这对于所述钢的焊接性能和完整性有所改进。
17-4PH
用于支撑部的另一优选不锈钢材料是17-4PH(＝AISI 630)，其具有下面的组分(重量％)：
C 0.03-0.07
Mn＜1.0
Si＜1.0
P＜0.04
S＜0.03
Ni 3-5
Cr 15-17.5
Cu 3-5
Nb+Ta 0.15-0.45％
该钢在退火状态下是铁素体的，但是当加热时转换为奥氏体。已经发现，该钢能够容易地焊接到轴承钢例如100Cr6，而且，具有类似于轴承钢的热膨胀。在焊接的情形下，在焊接操作过程中，填充材料例如镍或者镍合金优选使用。
AISI 430
用于支撑部的另一优选的不锈钢是AISI 430，其具有以下组分(重量％)：
C＜0.12
Mn 1.0
Si 1.0
P＜0.04
S＜0.03
Ni＜0.75
Cr 16-18
该钢是铁素体的、不可硬化的普通铬不锈钢。它具有非常类似于轴承钢例如100Cr6的热膨胀。在焊接的情形下，在焊接操作过程中填充材料例如镍和含镍合金优选使用。
同样发现，所有这些合金与各种传感器材料以及会在传感器的形成中需要的处理(例如沉积和烧结)是相容的。
对于某些电阻陶瓷(例如氧化钌)，在金属支撑部上设置介电层例如氧化铝外层或者玻璃层会是优选的。这改进钢和电阻陶瓷之间的接合。如果期望例如在金属支撑部上布置半导体应变量规，那么玻璃或者含玻璃的夹层可以用于促进硅到支撑部的附着。
支撑部可以通过粉冶工艺进行。这样的工艺是有利的，因为它使得能够以简单和方便的方式产生各种形状。粉冶工艺具有能够使得通过各种化学组分，产生支撑部，也就是，支撑部的特定部分可以由不同材料制成。
以下的例子描述传感器支撑部和传感器元件的制造。
1.钢晶片制备
在这个例子中，钢型号是Werkstoffnr 1.4016(＝AISI 430)，并且片厚度是1.00毫米。该片通过激光切割为期望的尺寸、形状和构型。
2.印刷介电夹层
两层的玻璃绝缘体然后形成在钢晶片上。玻璃通过利用丝网印刷技术沉积为摇溶的浆状物(来自Heraeus的SD1000)。所述层通过传统的热处理(例如在高温例如150℃下干燥，然后烘烤，例如在850℃下)形成。在烘烤/烧结后，层厚度典型地为大约70微米。
3.印刷导体层
一层Ag-Pt然后形成在介电夹层上。Ag-Pt合金通过利用丝网印刷技术沉积为浆状物(来自Heraeus的C 1076SD)，并且所述层通过传统的热处理形成。在烧结后，层厚度典型地为12.5-15.5微米。
4.印刷应变量规电阻层
接着，电阻材料(10k欧方形；来自Heraeus的R8941DN)通过利用丝网印刷技术沉积在介电夹层上。所述层通过普通热处理形成。在烧结后层厚度典型地为22-28微米。
5.传感器支撑部到轴承部件的焊接
如上所述，焊接有利地通过利用镍或者镍合金填充物完成。激光焊接是形成堆叠点焊的优选焊接技术。平均激光功率为700W，焊点间重叠为～50％，焊点时间为20毫秒，频率为2.72毫米/秒的横向速度下的3赫兹。如果激光与水平面成15-45度的角度聚焦，这是有利的，因为这减小在轴承钢中的熔池和HAZ。
镍
作为利用上述钢材料的替代，可以使用镍支撑。例如，镍板可以通过电镀技术产生，并典型地将包含至少99.9％的镍。已经发现，根据关心的可焊性来说，镍与轴承钢特别相容。而且，杨氏模量和热膨胀系数与典型的轴承钢(例如100Cr6)类似。
已经描述了本发明的许多方面/实施例。应当理解，每个方面/实施例可以与其它任何方面/实施例组合，除非另有相反说明。而且，本发明并不现有所描述的实施例，而是可以在所附专利权利要求的范围内变化。
Claims (33)
1.一种轴承部件和传感器的组合，其中：
(a)至少一部分所述轴承部件是由轴承钢形成；
(b)所述传感器包括传感器元件及其支撑部；
(c)至少一部分所述支撑部是由包括不超过0.2重量％的碳、或者镍或其合金、或者钛或其合金的低碳钢形成；以及
(d)所述轴承部件和所述支撑部经由所述各个部分彼此熔焊或者钎焊。
2.如权利要求1所述的组合，其中，所述轴承钢包括至少0.4重量％的碳。
3.如权利要求2所述的组合，其中，所述轴承钢包括0.5-0.8重量％的碳。
4.如权利要求3所述的组合，其中，所述轴承钢包括0.5-0.6重量％的碳。
5.如权利要求3所述的组合，其中，所述轴承钢包括0.65-0.75重量的碳。
6.如权利要求2所述的组合，其中，所述轴承钢包括至少0.8重量％的碳。
7.如权利要求6所述的组合，其中，所述轴承钢包括0.7-1.3重量％的碳。
8.如权利要求7所述的组合，其中，所述轴承钢包括0.8-1.2重量％的碳。
9.如前述任一权利要求所述的组合，其中，所述轴承钢包括高至2重量％的铬。
10.如权利要求9所述的组合，其中，所述轴承钢包括1.2-1.8重量％的铬。
11.如权利要求10所述的组合，其中，所述轴承钢包括1.3-1.6重量％的铬。
12.如前述任一权利要求所述的组合，其中，所述支撑部是由不锈钢形成。
13.如前述任一权利要求所述的组合，其中，所述支撑部是由包括不超过0.1重量％的碳的低碳钢形成。
14.如权利要求13所述的组合，其中，所述低碳钢包括不超过0.08重量％的碳。
15.如权利要求14所述的组合，其中，所述低碳钢包括不超过0.05重量％的碳。
16.如权利要求12-15的任何一项所述的组合，其中，所述低碳钢包括10-25重量％的铬。
17.如权利要求16所述的组合，其中，所述低碳钢包括12-20重量％的铬。
18.如权利要求17所述的中，其中，所述低碳钢包括13-19重量％的铬。
19.如前述任一权利要求所述的组合，其中，所述支撑部是由包括2-16重量％的镍的低碳钢形成。
20.如权利要求19所述的组合，其中，所述低碳钢包括7-15重量％的镍。
21.如权利要求19所述的组合，其中，所述低碳钢包括3-5重量％的镍。
22.如前述任一权利要求所述的组合，其中，镍或者含镍的组分用于在所述轴承部件和所述支撑部的各个部分之间的焊接的形成。
23.如权利要求22所述的组合，其中，所述镍或者含镍的组分在焊接操作过程中作为填充材料提供。
24.如权利要求22所述的组合，其中，所述镍或者含镍的组分在进行焊接操作之间预沉积在所述轴承部分和所述支撑部的各个部分之一或者二者之上。
25.如权利要求1-11的任何一项所述的组合，其中，所述支撑部是由电沉积和蚀刻的镍形成。
26.如前述任一权利要求所述的组合，其中，一个或多个介电层介于所述传感器元件和所述支撑部之间。
27.如权利要求26所述的组合，其中，所述一个或多个介电层的至少一个是玻璃或者含玻璃的组分。
28.如前述任一权利要求所述的组合，其中，所述传感器是包括一个或多个应变量规的位移传感器。
29.如权利要求28所述的组合，其中，所述一个或多个应变量规是由电阻材料或者半导体材料形成。
30.如权利要求29所述的组合，其中，所述电阻材料包括氧化钌、一氮化钽、氧化铅、钌酸铋、铱酸铋中的一个或多个，并沉积为在所述支撑部上的厚膜或者薄膜。
31.如权利要求29所述的组合，其中，所述应变仪形成在硅基底中，并且其中所述硅基底通过利用玻璃或者含玻璃的组分烧结接合到所述支撑部。
32.如前述任一权利要求所述的组合，其中，所述轴承部件是内滚道或者外滚道。
33.一种包括如前述任一权利要求所述的组合的轴承。
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