CN102498371B

CN102498371B - 应变传感器

Info

Publication number: CN102498371B
Application number: CN200980161480.7A
Authority: CN
Inventors: H.A.莫尔; J.范德桑登; L.沃胡尔斯特
Original assignee: SKF BV
Current assignee: SKF BV
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: EP2454566A1; US20120118070A1; CN102498371A; WO2011006523A1; US8833173B2

Abstract

本发明确定一种用于测量在部件表面(34)上引起的应变的应变传感器。所述应变传感器包括应变计(31)和支承构件(32)，由此所述支承构件仅在第一和第二附接位置附接到所述部件表面。所述支承构件包括适合于响应于所述第一和第二附接位置的相对位移进行弯曲的梁部(39)，并且所述应变计集成在此梁部的表面(33)上。为了确保所述梁部的强的且稳定的弯曲响应，所述被附接的支承构件包括至少一个挠曲铰链(45)。

Description

应变传感器

技术领域

本发明涉及用于测量在部件表面特别是滚动元件轴承的表面上引起的应变的应变传感器。本发明还涉及借助于热联接处理将应变传感器附接到部件表面特别是轴承表面的方法。

背景技术

轴承是容许两个部件之间受约束的相对运动的一种装置。它们可用于多种不同的类型的机械中以固持和支承旋转部件，例如车辆的车轮、风车的叶片或洗涤机中的转鼓。典型的轴承包括内环和外环以及多个滚动元件，并且可还包括保持架以固持所述滚动元件。在使用期间，所述轴承经受动态的和静态的不同载荷。所述静载荷主要是由所述轴承所支承的重量引起的，以及也可能是由于所述轴承安装时所带的预载荷而引起的。所述动态载荷是与时间相关的并且是由工作状况引起的。

在多种系统中，期望是能够监测作用在轴承上的载荷。例如，在现代汽车中，来自车轮轴承的载荷数据被用于车轮稳定系统的控制中。位移传感器例如应变传感器普遍应用于轴承以测量载荷和变形。在一些情况下，塑性箔传感器粘接式地接合到例如轴承外环的外周。然而，粘接式接合有多种缺点。该轴承表面必须进行清洁且准备好用于接合，该附接是手动处理，该粘接可能花费几个小时进行固化，而且该粘接可能在长时间后发生蠕变，这会损害传感器信号的可靠性。

也可采用金属箔应变传感器。这种应变传感器借助于例如点焊接而附接到轴承表面，由此该金属箔利用特定模式的点焊接围绕它的全部周边进行附接。箔应变传感器附接到轴承表面也基本上是手动处理，从而使得这些传感器不适宜生产线环境下的自动化的安装和集成。此外，箔应变传感器具有低的应变灵敏度，因此，当用在现代电子系统中普遍的低工作电压下时，这对信号调理器提出严格的要求。

在JP 2007239848中，提出了一种设置有传感器单元的轴承，由此所述传感器单元包括至少一个传感器安装构件和安装在该传感器安装构件上的至少一个应变传感器。该传感器安装构件附接到轴承外环的径向外表面在沿周向方向相互隔开的两个固定部，并且该应变传感器配设在该两个固定部之间的传感器安装构件上。该传感器安装构件可借助于螺栓连接、粘接接合或焊接而附接到轴承外环。

然而，就下述方面而言有改进的空间，即实现一种在直捷的自动化处理中可附接到轴承表面或其它的部件表面的应变传感器，并且该应变传感器在附接之后能够感测强的且稳定的应变信号。

发明内容

本发明确定一种用于测量在部件表面上引起的应变的应变传感器。所述应变传感器包括支承构件和集成在该支承构件上的应变计。所述支承构件配置成利用仅第一和第二附接机构仅在第一和第二附接位置附接到所述部件表面。此外，所述支承构件包括适合于响应于所述第一和第二附接位置之间的相对位移进行弯曲的梁部，由此所述应变计集成在该梁部上。为了确保所述梁部的强的且稳定的弯曲响应，所述被附接的支承构件包括至少一个挠曲铰链。

根据本发明的应变传感器特别适用于与滚动元件轴承组合使用。该轴承可设置有用于测量施加在该轴承上的载荷的一个或多个本发明应变传感器。当例如所述支承构件附接到轴承外环的径向外表面而第一与第二附接位置之间有周向间隔时，该轴承上的载荷引起在该径向外表面上的拉伸应变。该拉伸应变引起所述支承构件的第一和第二附接位置之间的相对位移。结果，弯曲力矩施加在所述支承构件的梁部上。在经受弯曲时，所述梁的一个表面将处于拉伸中，相对取向的表面处于压缩中。所述应变计集成在经受这些拉伸力或压缩力的梁部的表面上，由此测量与作用在该轴承上的载荷成比例的应变信号。

为了获得强的应变信号，如果该应变计(显见应变)所测量的应变尽可能地接近于所述支承构件所附接到的部件表面上的应变(实际应变)，则是有利的。此外，重要的是，使支承构件以可靠且可预知的方式弯曲，使得对于特定的实际应变所测得的显见应变在部件的使用期内基本上恒定。换句话说，重要的是，所述应变传感器产生稳定的应变读数。这根据本发明得以实现的原因在于，所述被附接的支承构件将绕所述至少一个挠曲铰链旋转，从而在所述支承元件中引起可靠且可预知的弯曲响应。

挠曲铰链应理解为需经受有限的相对旋转的两个刚性部件之间的弹性可挠曲的、细长区域。在一个示例中，所述部件表面是所述刚性部件的其中一个，而另一个刚性部件由所述支承构件形成。优选地，所述被附接的支承构件包括对应于所述第一和第二附接位置在所述支承构件的两侧的第一和第二挠曲铰链，以进一步增强所述支承构件的弯曲响应。

在本发明的第一方面中，所述至少一个挠曲铰链由将所述支承构件附接到部件表面的第一和第二附接机构的其中之一形成。在优选实施例中，所述支承构件借助于第一焊接连接部和第二焊接连接部而焊接到部件表面，由此所述第一和第二挠曲铰链分别由第一和第二焊接连接部形成。在一个示例中，所述支承构件由弯曲梁组成并且具有大于它的宽度的长度和对应的纵向及侧向边缘。适宜地，所述梁沿它的侧向边缘焊接到部件表面，并且设计成使得在所述梁中经受零弯曲的中性平面与应变计集成所在的梁的表面之间存在最小预定距离。换句话说，为了确保可获得可测量的应变读数，所述梁具有至少0.5mm的厚度。优选地，所述梁厚度为至少0.8-1.0mm。在另外的示例中，所述支承构件具有U形或H形截面，如以下关于本发明第二方面将详述的。

当所述部件表面是由轴承钢制成的轴承表面时，则焊接到该轴承表面的支承构件的至少部分由兼容于焊接到轴承钢的材料制成。适合的材料的示例是低碳钢、钛和镍。有利地，所述支承构件可利用包括镍的填充物材料而焊接到所述轴承表面。该基于镍的填充物不仅改善焊接质量，而且增加焊接连接部的延展性(ductility)，从而增强它们用作挠曲铰链的能力。

在第一方面的一个实施例中，在焊接之前，条状填充物材料设置在所述支承构件的底侧上，在侧向边缘处。该条状填充物材料由此用作附接脚，从而使得所述支承构件的主体相对于部件表面升高。该附接脚提供在支承构件的主体与部件表面之间的相对细长区域，这增进在所述第一和/或第二焊接连接部中挠曲铰链的产生。或者，在焊接之前，该条状填充物材料可设置在部件表面上。在另外的示例中，所述支承构件成型为具有相对细长的第一和第二附接脚，并且条状填充物材料可设置在附接脚的各侧向边缘处。

已发现，当所述第一和/或第二挠曲铰链由焊接连接部形成时，有利的是，所述支承构件在附接位置相对于部件表面的切线利用20度和25度之间的焊接角度附接到轴承表面。在特定的优选实施例中，实施的焊接角度是22.5度。所述第一和第二焊接连接部可以是第一和第二焊缝，或者可以是第一和第二排的点焊。术语“焊接连接部”也应理解为借助于热联接处理例如激光焊接、激光铜焊或电阻焊/铜焊而产生的结合连接部。

在本发明第二方面中，所述支承构件自身包括所述至少一个挠曲铰链。适宜地，所述支承构件具有U形或H形外型，并且包括在所述弯曲梁部的任一侧的两个直立部。在一个实施例中，所述弯曲梁和所述直立部是一体地形成为一件。在替代实施例中，所述直立部被独立地制得并且借由坚硬连接而联接到弯曲梁。所述坚硬连接可由机械式固定、焊接或任何其它适合的方法而实现。所述直立部的至少一个结合挠曲铰链。优选地，每个直立部结合挠曲铰链。所述挠曲铰链是在各直立部的刚性的第一和第二部分之间的弹性可挠曲的细长区域。各直立部的刚性的第一部分附接到部件表面。各直立部的刚性的第二部分联接所述弯曲梁部。所述挠曲铰链设置在至少一个直立部的第一和第二刚性的部分之间。

所述刚性的第一和第二部分可布置在每个直立部的相对两端，从而产生U形支承构件，或者所述刚性的第二部分可布置在每个直立部的相对两端之间，从而产生H形支承构件。同样地，所述支承构件可具有大于它的宽度的长度，由此所述第一和第二附接位置形成在所述支承构件的第一和第二侧向边缘处。在本发明第二方面中，优选是，在部件表面与所述支承构件之间有坚硬连接。由此，当部件表面受拉紧或压缩时，所述挠曲铰链用作直立部的刚性的第二部分所围绕旋转的铰链点。因为所述直立部坚硬地连接到所述弯曲梁部，所以使得所述梁部弯曲。

在本发明第二方面的一个实施例中，各直立部的第一端，即附接端，借助于形状配合附接到轴承表面。各直立部的附接端于是具有配合到部件表面中的对应凹部中的预定形状，由此所述凹部表面与附接端表面之间的摩擦将所述支承构件牢固地固定到部件表面。在另外的实施例中，对部件表面的附接借助于在各直立部的附接端与部件表面中的对应凹部之间的干涉配合而进行。替换地，部件表面可设置有适用于接收第一和第二直立部的附接端的第一和第二槽。至少所述第一槽可具有突起的边缘，所述突起的边缘在附接端已置于所述槽中之后抵靠第一直立部的附接端发生变形以将它锁止在位。所述第二附接端也可以对应的方式通过使第二槽的突起边缘变形而得以固定。适宜地，所述变形可在锻造处理中执行。

在第二方面的另一实施例中，所述直立部焊接到部件表面。不像本发明第一方面，该焊接连接部不用作挠曲铰链且为坚硬连接。在此实施例的有利的进一步发展中，各直立部包括从第一端延伸出的脚。对应的第一脚和第二脚沿相反的方向延伸，使得每个脚的一部分突出到对应的直立部的侧向边缘之外。此发展的优点在于，所述支承构件可利用90度的焊接角度焊接到部件表面。换句话说，焊接电极或激光束可定位成正好在所述脚的突出部分的上方。这增进了焊接/铜焊处理的自动化能力。在优选示例中，第一和第二焊接连接部是通过使用例如两个并排的电阻焊电极或两个并排的激光束而同时地执行。由此，根据本发明第二方面的应变传感器的支承构件可在快速的自动化的处理中附接到部件表面。

为了增强焊接的质量，有利的是，各脚的底侧包括镍。在替代示例中，部件表面设置有并排的镍条，并且所述支承构件的脚则是焊接到这些镍条。

在本发明第二方面的又一实施例中，部件表面是中间载体元件的表面，由此所述中间载体适用于附接到机械部件例如滚动元件轴承。当所述机械部件是轴承外环的径向外表面时，所述中间载体可以是曲率半径等于该轴承外环的曲率半径的部分环或薄片金属环。或者，部分环的曲率半径可以稍小于它所附接到的表面的曲率半径，使得夹持效果得以实现。所述中间载体利用刚性连接而附接到该轴承表面。这可借助于热联接处理例如焊接或借助于机械固定而实现。粘接接合也是可以的。有利地，所述中间载体可包括多于一个的根据本发明第二方面的应变传感器。该一个或多个应变传感器的支承构件借由坚硬连接而附接到中间载体。这可借助于如前所述的干涉配合、焊接或形状配合而完成。

该一个或多个应变传感器的支承构件可在该载体已附接到该轴承表面之后附接到该中间载体。在优选示例中，该中间载体包括在附接到机械部件之前被附接到载体的多个应变传感器。此示例的优点是，该应变传感器可设置成传感器模块的形式，由此相对于机械部件仅要求单次附接处理。

本发明还提供一种将应变传感器附接到部件表面的方法。在一个实施例中，所述部件是包括内环和外环的轴承。该应变传感器包括集成在刚性的支承构件上的应变计，并且该应变传感器仅在第一和第二附接位置附接到该轴承表面。根据本发明方法，该应变传感器借助于对应于第一和第二附接位置的第一焊接连接部和第二焊接连接部而焊接到轴承表面，并且至少所述第一焊接连接部是在第一附接位置相对于轴承表面的切线利用20度和25度之间的焊接角度而产生。在优选实施例中，所述方法还包括在第二附接位置相对于轴承表面的切线利用20度和25度之间的焊接角度产生第二焊接连接部。在进一步的发展中，所述方法包括在所述支承构件的主体与轴承表面之间在所述第一和/或第二焊接连接部的位置设置附接脚的步骤。在一个实施例中，所述附接脚由条状填充物材料例如钛-镍填充物形成。所述附接脚的长度基本上等于所述第一和/或第二焊接连接部的长度。此外，所述附接脚具有相对于所述长度显著较小的高度和厚度。在焊接后，所述第一和第二焊接连接部用作挠曲铰链，从而使得所述应变计能够测量强的且稳定的应变信号。

由此，根据本发明的应变传感器确保在部件表面引起的应变可靠且可预知地传递到所述应变计，从而意味着可在长时段上准确地确定载荷。本发明应变传感器也可以适合于集成在自动化生产线中的快速且直捷的方式附接到部件表面。本发明的其它优点将由详细描述和附图而变得明显。

附图说明

为进行说明而非进行限制的目的，现在将参考附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1是附接到部件表面的根据本发明第一方面的应变传感器的示意透视图；

图2是图1的前视图，其中，该应变传感器示出为处于部分附接的状况中；

图3是附接到部件表面的根据本发明第二方面的应变传感器的前视图；

图4a是附接到轴承外环的表面的根据第二方面的应变传感器的透视图；

图4b示出在三个阶段中图4a所示的应变传感器的一部分如何附接到轴承；以及

图5是轴承外环的透视图，该轴承外环设置有包括根据本发明第二方面的一个或多个应变传感器的传感器模块。

具体实施方式

当需要测量作用在旋转支承的部件上的载荷时，实现此操作的一种途径是测量用以支承该部件的轴承中的轴承环的变形。该载荷引起轴承环变形，所述变形可通过将一个或多个应变传感器附接到轴承环的表面例如轴承外环的外周而测得。应变传感器例如塑性箔应变计，可粘接地接合到轴承表面，但粘接接合是通常由手工执行的耗时的处理。另外的缺点是，在长时间后该粘接可能蠕变，这损害应变信号的长期可靠性。也可应用金属-箔应变计，由此金属箔计的周边利用特定模式的点焊而焊接到轴承表面。由此，该点焊接处理是相对耗时的且复杂的。而且，箔应变计(金属箔和塑性箔)对于应变具有低的灵敏度，因此当工作在现代电子系统中普遍采用的低供电电压下时，这对信号调理器提出严苛的要求。另外，箔应变计具有低的电阻，从而造成相当大的损耗。

由此，需要一种应变传感器，该应变传感器具有对于应变的高的灵敏度和高的电阻，该应变传感器可以以快速、自动化的处理而附接到轴承表面，并且该应变传感器在轴承的使用期内产生强的且稳定的应变信号。

实现上述要求的应变传感器的示例在图1中示出，图1示出附接到部件表面的应变传感器的透视图。该传感器的前视图在图2中示出处于部分附接的状况中。在此示例中，部件表面是轴承外环的径向外表面。应变传感器10包括电阻式应变计11，该电阻式应变计11是在支承构件12的表面上直接地印制和烧结的(厚膜)或沉积的(薄膜)。该应变计测量在支承构件的此表面上引起的应变，所述表面将称为测量表面13。适宜地，应变计11包括沿互相正交的方向定向的第一和第二元件，由此第一元件是用以感测应变的主动元件，并且第二元件是用以对温度效应进行补偿的被动元件。半桥式(Half-bridge)和其它的构造也是可以的。应变计11可以是由例如电阻材料或半导体形成。电阻材料的示例是金属、金属氧化物和陶瓷。具体的示例包括钌氧化物、钽氧化物、铅氧化物、钌酸铋(bismuth ruthenate)、铱酸铋(bismuth iridate)和镍-铬。半导体材料的适当的示例是硅或其氧化物。

在图1的示例中，支承构件12借助于第一焊接连接部15和第二焊接连接部16而焊接到轴承表面14。适宜地，支承构件12包括低碳钢、或电极沉积与蚀刻的镍及其合金、或钛及其合金。已发现，这些材料用于焊接或铜焊的目的是与轴承钢相兼容的，例如SAE1055、SAE1070、SAE 52100(100Cr6)、DIN 100CrMn6、DIN 102CrMo17和DIN 100CrMo7-3，。用于支承构件12的优选的低碳钢的示例包括不锈钢和耐热钢(heat resistance steel)例如AISI304、AISI 304L、AISI 316、AISI 316L和17-4PH和AISI 430。用于支承构件12的低碳钢具有的另外的优点是，它的热膨胀系数基本上等于轴承钢的热膨胀系数。优选地，支承构件12的测量表面13包括高铬钢(不锈钢)，该高铬钢(不锈钢)形成用于应变计11的厚膜印制或薄膜沉积的优良基底。

支承构件12可具有基本上U形外型，如图1和图2所示，并且包括由弯曲梁19联接的第一直立部17和第二直立部18。弯曲梁19包括测量表面13，并且各直立部17，18具有第一端和第二端，由此第一端适用于附接到轴承表面14。由此，支承构件的第一直立部17借助于第一焊接连接部15附接到轴承表面14；而第二直立部18是借助于第二焊接连接部16。带直立部的支承构件的优点是，第一端可适宜地成型成使得应变传感器能够附接到曲型表面而不弯曲应变计11和引起高的预应力。在图1的示例中，第一直立部和第二直立部描绘为带有对应的第一附接脚21和第二附接脚22。这些附接脚是相对于直立部17，18的毗邻部分的细长部分，所述附接脚将支承构件12的主体从轴承表面14稍微升高。在实践中，第一和第二附接脚21，22将在焊接处理期间熔融并且分别变成第一和第二焊接连接部15，16的一部分。

支承构件12具有与弯曲梁19的长度相对应的长度L，和与各直立部17，18的宽度和高度相对应的宽度W和高度H。优选地，该支承构件具有大于它的宽度的长度，由此支承构件12沿它的宽度在各侧向端进行附接，并且应变计11沿纵向方向定向以灵敏地感应压缩或拉伸应变。梁部19设计成具有对于弯曲的低阻抗，并且具有比它的长度和宽度小几倍的厚度t_B(见图2)。第一和第二焊接连接部15，16可以是在直立部的整个宽度W上实施的焊缝，如图1所示。或者，所述焊接连接部可由第一和第二排的点焊形成。在通篇描述中，焊接连接部应进一步理解为，在选自焊接(welding)处理、铜焊(brazing)处理或钎焊(soldering)处理中的一种的热联接处理中所产生的附接。激光焊接、电阻焊、激光铜焊是优选的热联接处理的示例，因为它们可实现自动化并且高度适合于集成在生产线环境中。

应变传感器10的支承构件12仅在两个连接位置处附接到轴承表面14。由此，当作用在轴承上的载荷引起轴承表面14例如拉伸时，力就施加到用以将连接15，16拉离于彼此的第一和第二焊接连接部上。如以下将说明，这引起支承构件12的弯曲梁上的弯曲力矩，由此所述测量表面将受压缩应变，并且弯曲梁19的下侧将受拉伸应变。在测量表面13上引起的应变的幅度部分地依赖于在测量表面13与穿过梁截面的质心的具有零弯曲的中性平面之间的距离。由此，为了确保在测量表面13上产生可测量的应变读数，弯曲梁19适宜地设计成使得在梁截面的质心与所述测量表面之间存在预定的最小距离。已发现，0.25mm为足够的最小距离。由此，当弯曲梁19具有矩形截面时，此梁的厚度t_B优选至少0.5mm。更优选地，该梁部的厚度为至少0.8mm。

该支承构件可设计来进一步优化在测量表面13上可测量的应变的量。适宜地，各直立部17，18设计成比梁部19更坚硬，使得第一和第二焊接连接部15，16的位移在梁部上施加足够的弯曲力。由此，各直立部优选具有的高度H不大于梁部的厚度t_B的5倍。同样地，各直立部17，18优选具有大于梁19的厚度的厚度t_U。在用于根据本发明应变传感器的支承构件的一个示例中，弯曲梁19具有1cm的长度L、0.5cm的宽度W和0.15cm的厚度t_B，而各直立部17，18具有0.5cm的高度H、0.5cm的宽度W和0.3mm的厚度t_U。

还重要的是，在轴承表面14上引起的应变(实际应变)被可靠且可预知地传递到支承构件12的测量表面13，以确保在长期使用过程中在该测量表面上测得的应变(显见应变)准确地表示在轴承表面14上的实际应变。根据本发明，这得以实现的原因在于，所述被附接的支承构件包括第一挠曲铰链。优选地，所述被附接的支承构件还包括第二挠曲铰链。

在本发明的第一方面中，如图1所示，第一挠曲铰链由第一焊接连接部15形成，并且第二挠曲铰链由第二焊接连接部16形成。由此，当作用在轴承上的载荷引起轴承表面14拉伸或压缩、以及引起第一和第二焊接连接部对应地位移时，第一和第二直立部17，18用作相对坚硬的元件。这是因为第一和第二焊接连接部15，16用作直立部需旋转所绕的铰链点。支承构件12的弯曲梁19坚硬地连接到直立部17，18，因此引起弯曲梁19弯曲。因此，所述挠曲铰链进一步增强在测量表面13上的可测量的应变并且也确保该应变读数保持稳定。如果，例如在直立部与轴承表面之间的附接的坚硬度经过长时间后发生稍微的变化，则测量表面上的应变读数将因高度的机械顺应性(compliance)而仅受到少量地影响。由此，设置有根据本发明的一个或多个应变传感器以及用于确定作用在轴承上的载荷的适宜的处理装置的滚动元件轴承，将在长期使用过程中持续提供准确的确定性。

挠曲铰链应理解为在两个毗邻的刚性部分之间的弹性可挠曲的细长部分。在图1的示例中，所述毗邻的刚性部分由部件表面14和各直立部17，18形成，由此该挠曲铰链具有的厚度小于各直立部的厚度t_U。已发现，当该挠曲铰链实施为焊接时，焊接角度是很重要的。焊接角度是指在附接位置在部件表面与电极杆或激光束之间的角度。由此，当部件表面是弯曲的轴承环时，焊接角度是在附接位置相对于轴承表面的切线而测得。优选地，采用20度和25度之间的焊接角度。

下面将参考图2说明根据本发明的附接方法，由此第一直立部在被焊接到轴承表面之前示出；第二直立部在焊接之后示出。

在图2中，第一直立部17在第一附接脚21的位置已设置有条状填充物材料20。或者，该填充物材料可以用作它自身上的附接脚。填充物材料20于是可设置在各直立部的外周边缘并且突出超过直立部的底侧，使得支承构件12相对于轴承表面14稍升高。此外，条状填充物材料20可设置在各直立部的底侧上，或者在各直立部的底侧和外周边缘上。在优选实施例中，当部件表面是轴承表面时，填充物材料是镍-钛填充物，已发现该填充物可增强焊接质量。利用在附接位置相对于轴承表面14角度成22.5度的方向的激光束28，从而将第一直立部17焊接到该表面。适宜地，在焊接处理过程中，保持机构将支承构件12压靠于轴承表面14。在焊接后，在直立部与轴承表面之间产生弹性可挠曲的细长部分即挠曲铰链25，如对于第二直立部18的焊接连接部所描述的。采用20度和25度之间的焊接角度，除了有助于挠曲铰链的实现以外，还具有另外的优点。已发现，采用在此范围内的焊接角度使得在焊接处理期间在应变计上引起的预应力的量最小。

当支承构件焊接到轴承表面时，在第一和第二焊接连接部周围产生受到热影响的区域。换句话说，轴承的金相结构和支承构件的金相结构局部地变化，从而引起局部的应力。有可能，在附接处理后，传感器计量器上的应变可能受到实质上未经控制的偏差。此外，因为在附接位置的残留应力将在轴承的工作承载期间发生变化，所以在附接处理结束时的一次性(one-time)偏差校正程序(即校准)可能不足以保证长时间的稳定的应变信号。这是由工作引起的(work-induced)在支承构件的和轴承的受到热影响的区域中的应力释放(relaxation)。因此，在焊接后，有利的是，第一和第二焊接连接部进行应力释放处理。这可包括在焊接处理和/或焊接的超声激励和/或焊接处理之后焊接的局部重加热。超声激励引起振动，该振动“震出(shake out)”以及平缓(settle)在第一和第二焊接连接部周围区域中的残余应力，达到使得轴承上的正常工作载荷不再产生由工作引起松弛的程度。

在本发明第二方面中，如图3所示，所述至少一个挠曲铰链形成在支承构件自身中。图3示出根据第二方面的被附接的应变传感器的示例的前视图。应变传感器30具有基本上U形外型的支承构件32，该支承构件32包括弯曲梁39且该弯曲梁39带有在该梁的各侧一体地形成的第一和第二直立部37，38。支承构件32还包括第一和第二附接脚41，42，所述第一和第二附接脚41，42仅在第一和第二附接位置焊接到部件表面34。在此示例中，第一直立部37和第一附接脚41，以及第二直立部38和第二附接脚42由挠曲铰链45联接，所述挠曲铰链45是关于毗邻的第一和第二刚性部分的弹性可挠曲的细长部分。由此，在本发明第二方面中，第一刚性部分由直立部37，38形成，并且第二刚性部分由对应的附接脚41，42形成。

如果部件表面是由于轴承上的载荷而拉伸的轴承表面，则第一和第二附接脚之间的相对位移将使第一和第二直立部37，38围绕挠曲铰链45旋转并且使弯曲梁39弯曲。在此示例中，应变计31设置在弯曲梁39的下侧，并且测量在该表面即测量表面33上所引起的应变。当所述附接脚被拉伸离开时，在测量表面33上引起的是拉伸应变。如前所述，部件表面上的实际应变被可靠且可预知地传递到测量表面的原因在于，至少一个挠曲铰链设置在部件表面与被附接的应变传感器的测量表面之间。优选地，该应变传感器包括第一和第二挠曲铰链，如图3所示。

当所述至少一个挠曲铰链45结合在支承构件32中时，支承构件可刚性地连接到部件表面34。这关于一些附接方法例如借助于电阻焊进行附接是有利的。适合于在附接处理中采用的电极46的示例在图3中大体示出。该电极包括第一和第二电极杆47，48，所述第一和第二电极杆47，48彼此隔开。该间隔足够大以使得所述杆能够经过第一和第二直立部37，38的外周边缘并且分别与第一和第二附接脚41，42接触。适宜地，第一附接脚41和第二附接脚42分别从第一和第二直立部向外延伸出至少等于电极杆的直径的量。然后，通过使适当的电流流经电极杆47，48，应变传感器30的支承构件32就可在单次操作中在第一和第二附接位置焊接到轴承表面。此外，可采用90度的焊接角度，这增强附接处理的速度和自动化性能。为了改善焊接质量，条状填充物材料40还设置在轴承表面34与支承构件32之间。填充物材料40可设置在附接脚41，42的下侧，或者可在焊接处理之前设置在部件表面34上。

在本发明第二方面中支承构件结合挠曲铰链，本发明第二方面容许应变传感器以除焊接以外的其它方式附接到部件表面。例如借助于形状配合(form fit)。

图4a中示出借由形状配合的一个示例而附接到部件表面的应变传感器的局部透视图。在此示例中，部件表面54是轴承外环的外周，该轴承外环设置有第一和第二周向槽71，72。所述槽可在冷车削操作(cold turningoperation)或其它适合的加工处理中提供。应变传感器50包括具有对应的第一和第二附接脚61，62的第一和第二直立部67，68，所述第一和第二附接脚61，62分别适用于配合在第一和第二周向槽71，72中。为了确保附接脚61，62的相对位移引起弯曲梁69的强的且稳定的弯曲响应，该支承构件包括在第一直立部67与第一附接脚61之间以及在第二直立部68与第二附接脚62之间的挠曲铰链75。

应变传感器50借由图4b所更加清楚地示出的方法稳固地且刚性地附接到轴承表面54，图4b示出在所述方法的三个阶段中的第一附接脚61和第一周向槽71。在阶段1，将所述附接脚插入所述槽中。在阶段2，所述附接脚静置在所述槽中。在阶段3，所述附接脚已被稳固地夹持在所述槽内。

各周向槽71，72的外周边缘包括唇部79，所述唇部79突出在各附接脚61，62的低洼部的上方。为了将第一和第二附接脚分别锁止在第一和第二周向槽之内，各唇部79的毗邻部分80抵靠各附接脚61，62的低洼部而变形。该变形可在冷锻造处理或其它的材料变形处理中实施。在一些示例中，第一附接和第二附接脚仅其中之一借助于例如冷锻造槽唇部79的一部分80而受夹持。

也可应用其它类型的形状配合。例如，各直立部的附接脚可具有预定形状，该预定形状适合于配合在轴承环中具有相同的预定形状的对应凹部中，以使得摩擦形状配合得以产生。或者，所述对应凹部可具有比附接脚的对应尺寸较小的尺寸，以便产生干涉配合。

在图4a中，应变传感器50以轴向取向进行附接，即应变传感器的纵方向平移地平行于轴承的轴向中心线。也可以相似于参考图4a和图4b所描述的方式利用周向取向附接一个或多个应变传感器。轴承外环于是可包括宽度等于应变传感器的宽度的一个周向槽，由此所述槽的每个边缘具有唇部。适宜地，该应变传感器具有从第一和第二直立部沿相对的周向方向延伸出的第一和第二附接脚。于是该应变传感器通过使各唇槽的相对部分在周向延伸的附接脚上方发生变形，从而固接到轴承表面。

为了清楚地示出细节，该图由此示出部件表面的仅一部分和仅一个附接的应变传感器。如将理解的，部件例如滚动元件轴承可有利地设置有多于一个的根据本发明的应变传感器，该应变传感器仅在第一和第二附接位置进行附接。仅两个附接位置的优点是，应变传感器具有沿一个测量方向的最大灵敏度，并且沿其它方向对应变有显著较低的灵敏度。这在测量轴承环因径向力和力矩力引起的变形时是特别有利的。例如，如果该传感器利用周向取向进行附接以测量在轴承环中引起的周向应变，则所测得的信号相比于那些在它们的整个表面区域上附接到轴承的应变传感器较少受到轴向和剪切应变的影响。同样地，当利用轴向定向附接时，该传感器主要灵敏地感应轴向应变，且仅少量地受到剪切和周向应变的影响。

对轴承设置多个应变传感器的优点是，可更准确地确定(一个自由度中)被关注的特定载荷。轴承可因此设置有根据本发明的多个应变传感器，该应变传感器沿相同方向定向以测量作用在该轴承上的被关注的载荷例如径向载荷。或者，如果该轴承在使用中承受多于一种被关注的载荷例如轴向载荷和径向载荷，则该轴承可包括取向成灵敏地感应轴向载荷的至少一个应变传感器和灵敏地感应径向载荷的至少一个应变传感器。当该轴承设置有多于一个应变传感器时，如果该应变传感器可作为传感器模块附接到该轴承，则是有利的。附接到轴承外环的传感器模块的示例在图5中以透视图示出。

在此示例中，多于一个应变传感器借助于中间载体95设置在轴承环92上。应变传感器90是如关于本发明第二方面所描述的应变传感器并且包括直立部，该直立部在第一和第二附接位置附接到中间载体95，由此该应变传感器的支承构件包括至少一个挠曲铰链。如所示，该中间载体上的应变传感器90可具有不同的取向。中间载体95可以是呈具有与轴承环92的径向外表面相同的曲率半径的部分环形式的扁平条状薄片金属。该部分环也可以比该径向外表面稍更弯曲，使得夹持效果得以实现。中间载体95借助于例如焊接刚性地连接到该轴承表面，并且应变传感器90经由如前所述的形状配合或焊接而刚性连接到该中间载体。由此，当作用在轴承上的载荷引起轴承表面例如拉伸时，应变传感器的附接位置因所述挠曲铰链仍将发生相对位移，该相对位移将引起应变传感器的测量表面上的强的且稳定的弯曲响应。

以上描述了本发明的诸多方面/实施例。应理解，除非另作说明，各方面/实施例可与任何其它的方面/实施例相组合。而且，本发明不限于所述实施例，而是可在随附权利要求的范围内变化。

附图标记

图1和图2

10应变传感器

11应变计

12应变传感器的支承构件

13支承构件的测量表面

14轴承的表面

15第一焊接连接部

16第二焊接连接部

17支承构件的第一直立部

18支承构件的第二直立部

19支承构件的弯曲梁

20填充物材料

21支承构件的第一附接脚

22支承构件的第二附接脚

25挠曲铰链

28激光束

L支承构件(和弯曲梁)的长度

W支承构件(和各直立部)的宽度

H支承构件(和各直立部)的高度

t_B梁部的厚度

t_U直立部的厚度

图3

30应变传感器

31应变计

32应变传感器的支承构件

33支承构件的测量表面

34轴承的表面

37支承构件的第一直立部

38支承构件的第二直立部

39支承构件的弯曲梁

40填充物材料

41支承构件的第一附接脚

42支承构件的第二附接脚

45挠曲铰链

46电阻焊电极

47第一电极杆

48第二电极杆

图4a和图4b

50应变传感器

54轴承表面

61应变传感器的第一附接脚

62应变传感器的第二附接脚

67支承构件的第一直立部

68支承构件的第二直立部

69支承构件的弯曲梁

71第一周向槽

72第二周向槽

75挠曲铰链

79槽唇部

80槽唇部的变形部分

图5

90应变传感器

92轴承外环

95中间载体

Claims

1.一种用于测量在部件表面(14，34，54)上引起的应变的应变传感器(10，30，50，90)，所述应变传感器包括应变计(11，31)和利用仅第一和第二附接机构仅在第一和第二附接位置附接到所述部件表面的支承构件(12，32)，

支承构件包括适合于响应于所述第一和第二附接位置的相对位移进行弯曲的梁部(19，39，69)，由此所述应变计(11，31)集成在所述梁部(19，39，69)的表面(13，33)上，

其特征在于，该支承构件具有U形或H形外型并且还包括在所述梁部上对应的第一和第二侧向端部处刚性地联接所述梁部(19，39，69)的第一直立部(17，37，67)和第二直立部(18，38，68)，且

所述被附接的支承构件(12，32)包括第一和第二挠曲铰链(25，45，75)，由此：

所述第一挠曲铰链位于所述第一直立部分和所述部件表面之间；且

所述第二挠曲铰链位于所述第二直立部分和所述部件表面之间。

2.如权利要求1所述的应变传感器，其中，所述第一和第二附接机构的每一个包括挠曲铰链(25，45，75)。

3.如权利要求1所述的应变传感器，其中，所述第一和第二附接机构分别由第一焊接连接部(15)和第二焊接连接部(16)形成。

4.如权利要求3所述的应变传感器，其中，所述焊接连接部(15，16)是所述附接位置处相对于所述部件表面利用20度和25度之间的焊接角度而产生。

5.如权利要求3或4所述的应变传感器，其中，所述支承构件(12)具有第一附接脚(21)和第二附接脚(22)，所述第一附接脚和第二附接脚在焊接处理期间熔融以分别变成所述第一和第二焊接连接部(15，16)的一部分。

6.如权利要求1所述的应变传感器，其中，所述支承构件还包括刚性的第一和第二附接脚，并且其中挠曲铰链(45，75)设置在所述第一附接脚(41，61)与所述第一直立部(37，67)之间以及在所述第二附接脚(42，62)与所述第二直立部(38，68)之间。

7.如权利要求6所述的应变传感器，其中，所述第一和第二附接脚(41，42)分别从所述第一和第二直立部(37，38)垂直延伸，由此所述第一和第二附接脚利用90度的焊接角度焊接到所述部件表面(34)。

8.如权利要求6所述的应变传感器，其中，所述第一和第二附接脚(67，68)的至少一个具有配合到所述部件表面中的对应槽(71，72)中的预定形状。

9.如权利要求8所述的应变传感器，其中，所述形状配合是干涉形状配合。

10.如权利要求8所述的应变传感器，其中，所述部件表面(54)设置有具有槽唇部(79)的至少一个槽(71，72)，由此所述槽唇部的一部分(80)在所述支承构件的毗邻部分(61，62)上方变形以将所述支承构件夹持在位。

11.如权利要求1所述的应变传感器，其中，所述部件表面是滚动元件轴承的表面。

12.如权利要求1所述的应变传感器，其中，所述部件表面是载体元件(95)的表面，所述载体元件能被安装到滚动元件轴承或其它的机械部件。

13.一种将应变传感器(10)附接到轴承的表面(14)的方法，其中，所述应变传感器包括集成在支承构件(12)的表面(13)上的应变计(11)，所述方法包括借助于仅第一焊接连接部(15)和第二焊接连接部(16)将所述支承构件(12)焊接到所述轴承表面的步骤，其特征在于，

支承构件包括适合于响应于所述第一和第二焊接连接部的相对位移进行弯曲的梁部，由此所述应变计集成在所述梁部的表面上，且

焊接步骤是在所述焊接连接部(15，16)的位置相对于所述轴承表面利用20度和25度之间的焊接角度而执行；

其中，所述方法还包括在所述第一和第二焊接连接部的位置在所述支承构件与所述轴承表面(14)之间设置附接脚(21，22)，所述附接脚相对于所述轴承表面与所述支承构件的毗邻部分是细长的，且由此所述梁部位于所述细长的附接脚之间。