CN101981424B - 用于检测轴承负荷的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测具有至少一个轴承环(2、3)的轴承(1)、尤其是滚动轴承的负荷的装置，其中该装置包括：用于发射电磁辐射的发射器(6)以及用于接收从发射器(6)发射出的辐射的接收器(7)。本发明的目的是提出一种用于检测轴承的轴承环的负荷的节省空间且简单的装置，根据本发明，该目的通过如下方式实现：设置光导纤维体(8)，发射器(6)将电磁辐射接入该光导纤维体中，并且光导纤维体(8)设置在至少一个轴承环(2)的表面(15)上，以及至少一个轴承环(2)处在从所述光导纤维体(8)出发的瞬逝场的范围内。此外，本发明涉及一种轴承，尤其是滚动轴承，其具有至少一个轴承环(2、3)，该轴承环具有用于检测至少一个轴承环(2、3)的负荷的装置。

Description

用于检测轴承负荷的装置

技术领域

本发明涉及一种用于检测具有至少一个轴承环的轴承，尤其是滚动轴承的负荷的装置，以及一种轴承，特别是滚动轴承。

背景技术

从轴承，尤其是滚动轴的实际应用中已知，在轴承的运行中，轴承的至少一个轴承环承受可逆形变。如果轴承的形变利用例如光学方法来检测，那么需要判断轴承运行时在至少一个轴承环上产生的机械负荷。

DE 10 2004 043 754 B3描述了一种用于检测轴承的轴承环，尤其是滚动轴承的外环的负荷的装置。该装置包括设置在轴承外部的、用于发射可见光范围内的电磁辐射的发射器，并包括用于接收从该发射器发射出的辐射的接收器。在发射器与接收器之间构造有同样设置在轴环外部的光通道，该光通道被构造为缝隙、狭孔或穿孔的形式。如果在轴承环中出现机械形变，那么光通道的形状发生变化，特别是该光通道会缩窄，这样，接收器检测到光强度的减小并能够确定出轴承环的机械形变。缺点在于，该光通道在轴承环的外部需要很大的空间，这也是由于光通道明显垂直于滚动轴承的轴延伸的结果。另外的不利之处在于，光通道的几何形状还会通过其他的、在轴承环中出现的形变而发生改变，比如，塑料的光通道会随时间老化并逐渐变细。不利之处还在于，从发射器发射出的辐射中只有小部分到达接收器并被封锁在光通道上，这样，为了从噪声中获得能够清晰评估的信号，就需要高效的发射器以及非常灵敏的接收器。此外，光通道周围环境的诸如发射器与接收器之间的温度或空气湿度等因素也会影响测量结果。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于检测轴承的轴承环的负荷的、既节省空间又简单易用的装置。

本发明的目的是通过一种装置来实现的，其用于检测具有至少一个轴承环的轴承、尤其是滚动轴承的负荷，其中，所述装置包括用于发射电磁辐射的发射器以及用于接收从所述发射器发射出的辐射的接收器，设置光导纤维体，所述发射器将电磁辐射接入所述光导纤维体中，所述光导纤维体设置在至少一个轴承环的表面上，所述至少一个轴承环位于从所述光导纤维体出发的瞬逝场的范围内。

本发明的目的还通过一种轴承，特别是滚动轴承来实现，其具有至少一个轴承环，还具有前述用于检测所述轴承的至少一个轴承环的负荷的装置。

发射器与接收器之间的光导纤维体能够以尽可能不受周围环境影响的方式传输发射器接入光导纤维体中的辐射。通过在发射器与接收器之间设置光学元件也使得辐射强度不会损失。因此可以确保接收器检测到的光强度的减小是由光导纤维体，而不是其他因素造成的。

在光导纤维体中，全反射发生在其外表面上，从而使光损失在很大程度上得以避免。在全反射的情况下，位于光导纤维体中的辐射在外表面上进入到光学上更纤薄的介质上，并且辐射以与到光导纤维体外表面的距离呈指数关系衰减的方式穿入介质中。对于红外辐射，瞬逝场的有效距离处于辐射波长的数量级，也就是约为几个微米。如果光导纤维体在瞬逝场范围内的周围环境发生改变，那么由接收器检测到的光辐射强度同样发生改变，这样，在垂直于轴承的轴的方向上能够达到高的空间分辨率。

进一步证实有利的是，光导纤维体被十分纤薄地构造，因而在轴承上只需极小的空间，以及进一步地，光导纤维体在制造中费用不大，而在运行中稳定耐用。

为使轴承环处在从光导纤维体出发的瞬逝场的范围中，可以这样设计，即光导纤维体与轴承环的表面保持间距，该间距的处于瞬逝场的有效范围的数量级，也就是说基本上处在光导纤维体的光波长度的数量级中。对此，作为可选方案，可以这样设计：光导纤维体平放在轴承环的表面上，从而在光导纤维体与轴承环之间形成接触面，此时，如果轴承环负荷，则位于光导纤维体与轴承环之间的接触面的数值发生改变。

优选地提出，光导纤维体至少部分地基本上平行于轴承的轴延伸。如果要求轴承内部的滚动面在其与光导纤维体在轴承上的设置相一致的位置上，那么有可能使得轴承的负荷能够沿着轴承的圆周以在空间上得以分辨的形式被检测到，那么光导纤维体尤其能够检测到信号。

对此，作为可选方案，优选地提出，光导纤维体至少部分地以相对于轴承的轴大的、接近直角的角度延伸。因此，光导纤维体可以在局部上或者在多部分上环绕轴承环，从而能够检测到轴承环在其圆周上的平均负荷。还可以仅检测轴承环的微小负荷，或者将装置设置在宽尺寸的轴承环上，轴承环在负荷时，其外部尺寸仅发生微小的改变。

优选提出，光导纤维体被容纳在构造于轴承环的表面中的凹槽中。这样，光导纤维体不会在轴承环的外圆周上突出。

优选提出，设置光学中间元件，该中间件设置在轴承环的表面与光导纤维体之间，并且至少部分地与从光导纤维体发出的瞬逝场相重叠。如果光学中间元件靠近光导纤维体，那么接入光导纤维体中的辐射的强度的一部分通过所瞬逝场被析出到中间元件中，尤其是在中间元件具有与光导纤维体的外部区域相似的折射率时，光导纤维体的外部区域是全反射发生的区域。通过这种方式，当中间元件在负荷时参与轴承环的形变时，则通过光导纤维体传送的辐射会明显减弱，这种减弱清楚地证明了轴承环的形变。中间元件具有进一步的优点，即平衡轴承环的表面以及光导纤维体的外表面在几何设置上的差异。如果例如在光导纤维体上瞬逝场在平坦的或者被展平的部分逸出，而且轴承环的平面被歪曲，那么中间元件可以具有朝向轴承环且曲率互补的第一表面以及朝向光导纤维体且基本上平坦设置的第二表面。对此，作为可选方案，光导纤维体可以具有圆形的横截面，在该横截面上，瞬逝场发生在圆弧形的部分上，中间元件具有朝向光导纤维体的第二表面，该第二表面在横截面上同样被构造成圆形或者圆弧形，这样，在所述光导纤维体的外表面与中间元件的第二表面之间被调整成恒定的间距。中间元件的朝向轴承环的第一表面可以被设置成能够容易地将中间元件固定在轴承环上。显然，中间元件和光导纤维体可以被整合成一个结构单元，其中，该结构单元同样也可以包括发射器以及接收器。因此，结构单元同样包括位于光导纤维体和中间元件之间的间隙，而瞬逝场产生在该间隙中，在结构单元中，该瞬逝场得以保护以免受外部影响。

尤其有利的是设计有凹槽与中间元件，其中中间元件被容纳在凹槽中并且比如支撑在凹槽的侧壁上。

发射器优选是红外辐射发射器，其中，多种能够透过红外辐射的材料在红外(IR)区域中的折射率要高于它们在可见光区域中的，这样，在形成瞬逝场的情况下，在小入射角时就已在材料与光学上更为纤薄的介质的分界面上产生全反射。

优选提出，表面是至少一个轴承环的外表面，尤其是侧面或端面，其中，对于处在装配位置中的轴承，光导纤维体也能够简单地装入。凹槽与中间元件也可以后来附加到轴承的能够从外面进入的位置上。这里，作为可选方案，可以在轴承环体中设置穿孔，该穿孔具有作为表面的侧面，其中光导纤维体以与内部的侧面保持微小间距从而在空间上接近滚动面的方式设置在穿孔中，其中轴承的机械负荷发生在滚动面上。

在对一个实施例的描述中给出了本发明的其他优点及特征。

附图说明

下面将参照附图并借助于优选实施例对本发明进行具体描述和解释。

图1是根据本发明的装置的一个实施例的俯视图，该装置用于检测根据本发明的滚动轴承的轴承环的负荷；

图1a是图1中区域“D”的放大示图；

图2是发射器、接收器及光导纤维体组成的单元的立体图，该单元是图1所示装置的组成部件；

图3是图1所示实施例的立体侧视图；以及

图4是另一实施例的立体侧视图。

具体实施方式

图1示出了被构造为滚动轴承的轴承1，该轴承包括作为滚动环的外环2和内环3。轴承1进一步包括八个滚动体4，这些滚动体在外环2以及内环3的内面的滚动面上滚动，因此将机械负荷传递给各个轴承环2、3。八个滚动体4借助于滚动轴承保持架彼此保持间隔，从而使彼此相邻的滚动体所包围的角度为45°。在内环3中抗扭转地容纳有轴10，这样，轴承1在未示出的轴承环境中支承着轴10。外环2相对于该轴承环境固定地设置。

轴承1包括用于检测外环2的负荷的装置5，其中，装置5具有八个发射器6，这些发射器各自通过光导纤维体8与八个接收器7中的一个连接在一起。每个发射器6与接收器7及光导纤维体8整合成一个结构单元9(见图2)，其中，六个结构单元9中的每一个均被构建为相同形式，因此，下面只对一个发射器6、一个接收器7以及一个光导纤维体8进行详细描述，并因此仅详细描述一个结构单元9。每一结构单元9以相同的间距沿着外环2的外圆周设置，这样，两个结构单元9之间所包围的角度为45°。

在外环2的侧表面上设置八个沿轴承1的轴的方向延展的凹槽11，这些凹槽之间包围的角度同样为45°。

图1a在对装置5的局部剖视图中以放大示图的形式示出了图1中截面“D”。可以看出，在凹槽11的基底上设置有中间元件16，该中间元件与光导纤维体8之间具有间隙17。在间隙17的区域内，光导纤维体8从它的包覆物留空之处产生瞬逝场，该瞬逝场直达中间元件16。封闭件18以其半圆形凹陷与光导纤维体8相邻接并将其固定在中间元件16中。显然，封闭件18也可以将光导纤维体8直接固定在外环2的外表面15上。

如图3所示，光导纤维体8以平行于轴承1的轴的方式设置在外环2的外表面上的凹槽11中。这里，光导纤维体8以与外环2的外侧面15保持间隔的方式设置在凹槽11中，其与外侧面15的间隔为几个微米，因而在图1a中无法按比例示出。为此，光导纤维体8以及容纳该光导纤维体的结构单元9以未进一步示出的措施固定在外环2上。

图4示出了在外部环绕在外环2的外侧面上的凹槽12，该凹槽从外环2的第一端面13出发并止于外环2的第二端面14，其环绕外环2超过大约180°，因此环绕外环2大约一半以上的周长。这里，凹槽12容纳用于检测外环2的负荷的装置15，该装置同样包括未示出的位于发射器2与接收器7之间的光导纤维体8。在这种情况下，光导纤维体8相对于滚动轴承1的轴包围出大的角度。

在图2中示出的光导纤维体8在其朝向外环2的外侧面15的面上具有凹陷，包裹光导纤维体8的包覆物在该凹陷处被删去，从而使光导纤维体8在图1及图3示出的装配位置中以其外部的具有高折射率的外层分配在外环2的侧面15上。在这一区域内，从光导纤维体8中逸出瞬逝场，该瞬逝场填充在光导纤维体8的外层与外环2的外侧面15之间的间隙17中。

发射器6尤其发出红外辐射，该红外辐射被接收器7检测到。光导纤维体8由能够穿过红外辐射且具有高折射率的材料制成，例如由塑料，尤其是由聚合碳化物(polycarbid)或者聚甲基丙烯酸甲酯制成。

本发明以如下方式运行：

在光导纤维体8上其包覆物留空的部分，在光导纤维体8的躯干部与间隙17之间的分界面上形成全反射的情况下，从光导纤维体8中产生瞬逝场，该瞬逝场形成在光导纤维体8与外环2的外侧面15上的与该光导纤维体8相对置的部分之间，并形成在间隙17中，且至少部分地延伸进中间元件16的区域内。轴承1上发生机械负荷时，例如当滚动体4之一碾过一个其上设置有光导纤维体8的位置时，光导纤维体8与外环2的侧面之间的距离以及光导纤维体8与中间元件16之间的距离发生变化，因此间隙17的宽度在径向方向上发生变化。此时，数瞬逝场同样受到影响，例如，通过引起在外侧面15上漫反射或者导致所述瞬逝场产生在外侧面15上的部分的不完全反射，使光导纤维体8损失了辐射。中间元件16同样也接近光导纤维体8，这样，来自光导纤维体8的辐射也投向中间元件16，但是却不能再离开该中间元件16，辐射在该中间元件16中全反射。光导纤维体8接近中间元件16以及接近外侧面15时，导致了贯穿光导纤维体8的辐射强度的减小。接收器8检测到通过光导纤维体8传输的辐射份额的强度的改变，并以这种方式检测到外环2的机械负荷。

在如图1所示的光导纤维体8的设置中，光导纤维体8沿着外环侧面的圆周的位置与滚动体保持架中的滚动体4的位置相一致，在该光导纤维体8的布置中，八个光导纤维体8中每一个均在其中一个滚动体4通过该光导纤维体8的那一刻检测到最大荷载。接着，对八个光导纤维体8的测量结果进行相互比较的比较电路可以确定，是否每一滚动体4均将向外环2传递了数值与方向上等同的机械负荷。进一步能够确定，滚动体4是否的确同时经过光导纤维体8，或者，是否单个滚动体4表现出时间上延迟，这种时间上的延迟可能意味着滚动体保持架中的相关滚动体4的支承有损坏。

在前述实施例中，光导纤维体8平放在外环2的外侧面15上，作为该实施例的可选方案，可以提出不将光导纤维体8设置在凹槽11或12中，而是直接紧贴在外侧面12上，或者与该外侧面12形成间隙。进一步地，可以在内环3的内侧面上构造凹槽，对此，作为可选或补充方案，外环的侧面15上的凹槽12可以容纳多个光导纤维体，或者可以设置多个凹槽12，其中每一凹槽容纳一个光导纤维体。同样不要求至少一个光导纤维体必须设置在外侧面15上，该至少一个光导纤维体8可以紧贴或平放在轴承环的端面或者内侧面上，或者被容纳在引入于表面上的凹槽中。

另外不言而喻的是，光导纤维体也可以设置在所述轴承1的内部空间中并大致与由滚动体4所经过的滚动面间隔开。

在前述实施例中，瞬逝场在外环2的躯干上的外侧面15上的光导纤维体8与中间元件16之间形成。显而易见，在光导纤维体8与轴承环的表面之间的光学中间元件16可以省却，从而使瞬逝场基本上形成在内环或外环的外侧面或内侧面与所述光导纤维体8之间。

在前述实施例中，光导纤维体8中的每一个均沿着轴承1的整个纵向长度并沿着轴承1的轴承轴的方向展开。不言而喻，光导纤维体8仅部分地在其本身与轴承环的表面之间形成瞬逝场。如果设计比如具有两组滚动体的双列式轴承，第一光导纤维体可以检测轴承环通过第一组滚动体传递的机械荷载，而同一第一光导纤维体或者第二光导纤维体检测轴承环通过第二组滚动体传递的机械荷载。

在上述实施例中，光导纤维体8具有能够在图1中看到的圆形横截面。显然，本发明也可提出采用具有其他横截面几何形状的光导纤维体，例如采用这样的光导纤维体，即其分布在外侧面12以及中间元件16上的面具有直线型延伸的光导纤维体，尤其是在外侧面12以及中间元件16的指向光导纤维体8的面同样平坦构造的时候；这样，间隙17将由两个直的、平行的面所限定。

本发明同样不限于滚动轴承，而涉及其他轴承类型，尤其涉及滑动轴承，特别是关节轴承或者线性滑动轴承。

附图标记列表

1  轴承

2  外环

3  内环

4  滚动体

5  用于检测轴承环负荷的装置

6  发射器

7  接收器

8  光导纤维体

9  结构单元

10 轴

11 外环2上的凹槽(图1至3)

12 外环2上的凹槽(图4)

13 外环2的第一端面

14 外环2的第二端面

15 外环2的外侧面

16 中间元件

17 间隙

18 封闭件

Claims (12)

1.一种装置，用于检测具有至少一个轴承环(2、3)的轴承(1)的负荷，其中，所述装置包括用于发射电磁辐射的发射器(6)以及用于接收从所述发射器(6)发射出的辐射的接收器(7)，其特征在于，设置光导纤维体(8)，所述发射器(6)将电磁辐射接入所述光导纤维体中，所述光导纤维体设置在至少一个轴承环(2)的表面(15)上，所述至少一个轴承环(2)位于从所述光导纤维体(8)出发的瞬逝场的范围内。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述轴承(1)构成为滚动轴承。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光导纤维体(8)至少局部地基本上平行于所述轴承(1)的轴延伸。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光导纤维体(8)至少局部地以相对于所述轴承(1)的轴的大角度延伸。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述光导纤维体被容纳在形成于所述轴承环(2、3)的表面中的凹槽(11、12)中。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设置光学中间元件(16)，所述中间元件设置在所述轴承环(2)的表面(15)与所述光导纤维体(8)之间，并且至少部分地与从所述光导纤维体(8)发出的瞬逝场相重叠。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光导纤维体被容纳在形成于所述轴承环(2、3)的表面中的凹槽(11、12)中，所述中间元件(16)被容纳在所述凹槽(11、12)中。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述发射器(6)是红外辐射发射器。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述光导纤维体(8)由塑料制成。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述表面(15)是所述至少一个轴承环(2)的外表面。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述外表面是侧面或端面。

12.一种轴承，具有至少一个轴承环(2、3)，其特征在于，具有根据权利要求1至11中任一项所述的、用于检测所述轴承(1)的至少一个轴承环(2、3)的负荷的装置(5)。

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