CN105452693A - 用于传动机构的滚动轴承 - Google Patents

Abstract

一种用于传动机构的滚动轴承，其中，滚动轴承包括轴承内圈(13)、轴承外圈(14)和至少一个滚动体(15)，其中，滚动轴承具有传感器(19)，其相对于传动机构部件或滚动轴承的部件固定地布置，并且滚动体在至少一个侧面(17)上包括深度偏差部(16)，其中，深度偏差部被构造成使得滚动体的侧面沿围绕滚动体旋转轴线的圆形轨道具有至少两个不同的深度，并且传感器被定位成用于对深度偏差部进行检测。

Description

用于传动机构的滚动轴承

技术领域

本发明涉及一种根据独立权利要求1前序部分的用于传动机构的滚动轴承和一种根据独立权利要求10前序部分的用于获知至少一个滚动体的速度、旋转速度和/或滑移的方法。

背景技术

滚动轴承尤其用于可转动地对轴进行支承并且通常具有内圈、外圈和滚动体。在此，内圈布置在外圈之内，而滚动体布置在内圈与外圈之间。滚动体在内圈和外圈上滚动。

因为轴承，如滚动轴承，是传动机构的重要组成部分，例如是风力机组的传动机构的重要组成部分，并且轴承损伤会导致传动机构整体失灵，所以必须能精确分析轴承损伤。分析轴承损伤的重要组成部分是滑移测量(Schlupfmessung)以确定轴承中的滑移现象。此外，滚动体相对于轴承内圈和/或外圈的滑动运动被称为滑移(Schlupf)。在此一般有三种滑移类型，即保持架滑移、滚动体滑移和轴向滑移。

图1示出三种滑移类型。在此，图1示出轴承1，其带有内圈2、外圈3和内圈2与外圈3之间的滚动体4。

在此，滚动体4沿内圈或外圈周向方向的滑动运动被称为滚动体滑移5。

滚动体4的这种滑动运动可以与沿其他方向的滑动运动或旋转运动组合。

轴向滑移6理解为滚动体4的运动，其中，滚动体4沿其旋转轴线运动。

保持架滑移7理解为内圈和/或外圈在滚动体上的滑动。

确定滚动体滑移的方法是已经公知的。

DE102008061280示出利用测量一个或多个磁化的滚动体的磁场来检测滚动体转动速度的方法。还应用光学方法，例如应用高速摄像机，大多与图像消旋棱镜组合地来检测滚动体转动速度。

然而上述方法对于在风力机组中的应用而言可能仅有限地适用或者完全不适用。在应用光学方法的情况下，存在的润滑转动部件所需的润滑油或油脂会影响滚动体的可视性。此外，实现在风力传动机构中使用摄像机经常仅由于空间需求就已经是不利的。

在使用磁化的滚动体的情况下存在如下危险：由于磁化的滚动体而吸引金属颗粒并且这导致提早损伤轴承。此外，通过磁化方法获得的结果往往不可靠，这是因为风力传动机构部分由影响磁场测量的磁化的材料制成。此外，测量往往受风力传动机构内存在的杂散电流干扰。

发明内容

本发明的任务是提供一种适用于确定滚动轴承的至少一个部件的滑移的装置和/或方法。

该任务通过根据权利要求1的滚动轴承和根据权利要求10的方法来解决。从属权利要求中是优选实施方式。

发明概要

该任务尤其可以通过用于传动机构的，尤其是用于风力机组的传动机构的滚动轴承解决。在此，滚动轴承可以包括轴承内圈、轴承外圈和至少一个滚动体。

滚动轴承具有传感器，其相对于传动机构部件或滚动轴承的部件固定地布置。滚动体至少在一个侧面上包括深度偏差部。深度偏差部被构造成使得滚动体的侧面沿围绕滚动体的旋转轴线的圆形轨道具有至少两个不同的深度。传感器被定位成可以对深度偏差部进行检测。

也就是说已经了解的是，可以利用在滚动体上的深度偏差部和检测深度偏差部的传感器进行速度、位置或滑移测量。在此，这种测量可以取消使用敏感的光学方法或磁场并且提供可靠测量。

内圈或外圈不必设计成特有的构件，具体而言也可以设计成公知的轴承内圈或轴承外圈，它们整合在其他构件中或是构件的组成部分。这样的内圈可以设计为要通过轴承旋转支承的轴的部件。轴承外圈也可以是壳体部件或齿轮、例如行星齿轮的部件。

传感器可以相对于传动机构部件固定地布置和/或关于轴承部件固定地布置。由此，尤其是当识别到传动机构部件或轴承部件相对于轴承内圈和/或轴承外圈的相对运动时，使得由传感器信号来计算滑移变得容易。此外，在传感器相对于传动机构和/或轴承部件固定地布置时，传动机构或轴承制造并安装成独立的构件。

传感器尤其可以被安置成使其依赖于滚动体旋转轴线位置地并且依赖于滚动体角度位置地检测深度偏差部。

因此，传感器可以被布置成仅当其处于特定的位置时，才能检测深度偏差部。因此，可以通过反复识别环绕滚动体上的深度偏差部来检测滚动体的滑移。该传感器或多个传感器也可以被布置成可以识别不同的位置处的深度偏差部。这可以实现至少局部追踪深度偏差部的运动轨道，并检测滚动体的速度、位置、加速度和/或滑移。

此外，深度偏差部可以理解为滚动体表面相对于垂直于滚动体旋转轴线的平面的偏差，其中，该平面包含滚动体表面上的至少一个点。因此，在滚动体具有深度偏差部时，这意味着滚动体整个侧面没有都位于垂直于滚动体旋转轴线的平面上。

滚动体的侧面尤其可以理解为没有在内圈和/或外圈上滚动的侧。滚动体的一个或多个侧面也可以理解为垂直于滚动体工作面的侧面。工作面可以理解为滚动体的滚动体在其上至少主要在内圈或外圈上滚动的面。通过在滚动体侧面上布置深度偏差部，阻止了深度偏差部与内圈和/或外圈的工作面接触并且因此改变了滚动体的滚动特性。通过在滚动体侧面上布置深度偏差部，可以仅侧向定位相应的传感器，从而可以避开穿过内圈和/或外圈检测深度偏差部。

优选地，滚动轴承的至少一个滚动体，尤其是多个滚动体，特别优选所有滚动体优选具有深度偏差部。这样例如可以分析多个滚动体的滑移，由此使得研究方法更准确和更全面。

至少一个滚动体优选具有多个深度偏差部。深度偏差部优选以彼此均匀间隔布置在围绕滚动体旋转轴线的圆形上。然而也可以实现如下滚动体，深度偏差部以不同间隔布置在该滚动体中。因此，滚动体的定向可以关于深度偏差部之间的间隔进行编码。

在一个优选实施方式中，在所有滚动体具有这种深度偏差部情况下，深度偏差部定位在同一位置。也就是说，具有深度偏差部的滚动体彼此间的区分不是通过深度偏差部的位置。因而，传感器检测的信号不依赖于滚动体。这使得传感器信号评估以及滑移分析变得容易。

然而也可行的是，不同的滚动体具有不同形式的深度偏差部。因此，深度偏差部的位置或者侧面与在一个滚动体的深度偏差部之间或者在不同的滚动体的深度偏差部之间的深度偏差部之间的高度差的位置可以发生变化，并且因此，一个滚动体或多个滚动体的位置关于深度偏差部进行编码。

深度偏差部的形状，例如深度偏差部的横截面也可以发生变化。

至少其中一个深度偏差部可以由凹部形成。这种凹部可以具有圆形横截面。然而凹部也可以具有其他形状，例如三角形、四角形、多角形、星形或不规则的横截面。滚动体上的深度偏差部中的多个，尤其是所有深度偏差部优选构造为凹部。尤其可以将滚动体的所有深度偏差部实施成凹部。

凹部可以简单地开设在滚动体的侧面，例如通过钻孔、铣削、蚀刻或类似方式。滚动体也可以以预定的形状来制造，例如铸造，而无需在后续加工中添加上凹部。滚动体也可以在具有凹部的侧面的一部分中通过内圈和/或外圈引导，而凹部不会划伤或破坏内圈和或外圈。

至少一个尤其多个或所有深度偏差部可以由材料过剩部形成。这种材料过剩部可以通过钎焊和/或熔焊添加至滚动体。材料过剩部也可以在生产滚动体时构造在滚动体侧面上。材料过剩部形式的深度偏差部的构造允许在滚动体的侧面上的深度偏差部，而不会由于材料去除而削弱滚动体。

传感器可以紧固在滚动轴承内圈、滚动轴承外圈、滚动轴承保持架、传动机构的壳体或传动机构的轴上。

通过将传感器紧固在内圈和/或外圈上，传感器可以简单方式相对于内圈和/或外圈固定地布置。如果多个滚动体具有一个或多个适当的深度偏差部，也可以针对多个滚动体检测滚动体的滑移，这是因为滚动体通常相对于内圈和/或外圈运动并且因此多个滚动体可以在时间上错开地由固定地相对于内圈和/或外圈紧固的传感器测量。

通过将传感器紧固在滚动保持架上尤其可以检测滚动体的滑移，这是因为滚动体的旋转轴线相对于保持架固定地布置。因此，可以检测唯一一个滚动体的滑移，而无需考虑旋转轴线相对于传感器的运动。这进一步使得对滚动体滑移的计算变得容易。

传感器也可以紧固在传动机构壳体或传动机构轴上。因为传动机构壳体固定地安设，所以尤其适用于紧固组件，这是因为对于紧固而言不必考虑壳体的动力学特性。传感器布置在轴上也可以是有利的，这是因为这种轴至少定位在轴承附近，并且进而定位在滚动体附近并且尤其在风力传动机构中具有比传感器质量更大的质量，从而传感器紧固在轴上不会影响或仅轻微影响轴的动力学特性。

传感器尤其可以是间距传感器，尤其是涡流传感器，电感式接近传感器、霍尔传感器或齿轮传感器。这些传感器适合检测布置在位于传感器检测范围内的滚动体表面上的深度偏差部。根据深度偏差部信号滚动体速度测量和定向测量允许取消敏感和/或易受干扰的测量。

一个滚动体或多个滚动体或所有滚动体优选是球形滚动体、锥形滚动体或是调心滚子体或环形滚动体。这些滚动体尤其适合用于风力机组的传动机构内。

滚动体优选具有至少一个工作面和至少一个侧面，该侧面具有至少一个深度偏差部，从而滚动体沿着围绕滚动体旋转轴线的圆周具有至少两个不同的深度。

该任务也可以通过一种用于获知滚动轴承的至少一个滚动体的速度、旋转速度和/或滑移的方法来解决，其中，至少一个滚动体在围绕旋转轴线的圆形轨道上具有不同的深度，并且传感器布置在滚动轴承部件上，使得能够检测深度偏差部，其中，根据传感器信号，尤其是依赖于深度偏差部在传感器旁经过的传感器信号的时间间隔，来计算速度、旋转速度和/或滑移。

附图说明

接下来结合实施例借助附图进一步阐述本发明。图中：

图1示出不同的滑移类型；

图2示出滚动轴承装置；

图3示出滚动轴承的部件，

图4示出不同的深度偏差部；

图5示出开设在轴承滚动体的侧面上的不同的深度偏差部；

图6示出传感器的位置；

图7至图10示出滚动轴承的部件和传感器的位置；

图11(a)示出针对不同的滑移率的紧固在滚动轴承外圈上的传感器的计算出的轨道；

图11(b)示出随时间产生的传感器信号；

图11(c)示出具有估计的抛物线的不同的脉冲之间的持续时间；

图12示出具有20个深度偏差部和不同的滑移率的滚动体的蒙特卡洛模拟；

图13示出具有20个深度偏差部的滚动体的蒙特卡洛模拟；

图14示出具有58mm的直径以及20个深度偏差部的滚动体的实验结果；

图15示出具有58mm的直径以及20个深度偏差部和不同的滑移类型的滚动体的实验结果。

具体实施方式

术语“包括/包括有”不应阐释为对本发明的任何方式的限制。在权利要求中所应用的术语“包括/包括有”不应当对后续说明的措施的类型的产生限制，其他元件、部件或步骤不应当被排除在外。

在权利要求和说明书中所使用的术语“连接/联接”也是如此，除非另有说明，否则这些术语不得被限制为直接连接。因此，说法“部件A与部件B连接”不被限制为部件A与部件B直接接触，而是也包括部件A和部件B之间的非直接的接触；换而言之，这也包括在部件A和部件B之间存在中间部件的情况。

并不是本发明的所有实施方式都包括本发明的所有特征。在以下说明书和权利要求中，每种要求保护的实施方式都可以按任意的组合来应用。

图2示意性示出轴-轴承装置10。轴-轴承装置10包括轴11，其通过至少一个轴承12支承。轴11例如可以是行星齿轮轴、传动轴、小齿轮轴或空心轴。轴11尤其可以是风力传动机构中的轴。在图3中详细示出的轴承12包括内圈13、外圈14以及内圈13与外圈14之间的滚动体15。轴承12的外圈14尤其可以整合在传动机构的部件中，例如整合在传动机构行星齿轮中。轴承12可以是具有柱形滚动体15、锥形滚动体15、调心滚子体15或环形滚动体15的滚子轴承。轴承12可以是向心轴承或推力轴承。

在一个实施方式中，轴承12的至少其中一个滚动体15具有至少一个深度偏差部16。在该实施例中，其中一个滚动体15包括多个深度偏差部16，它们彼此保持间隔地环绕布置在滚动体15上。滚动体15具有两个侧面17和一个滚动面18，其中，深度偏差部16至少布置在滚动体15的其中一个侧面17上。这些深度偏差部16可以是在滚动体15的一个侧面17上，在滚动体15的两个侧面17上和/或滚动体15的滚动面18上。

尤其是多个滚动体15可以包括深度偏差部16，尤其是两个深度偏差部。按照其他实施方式，多个滚动体15可以设置有深度偏差部16，并且在大量滚动体15上存在的深度偏差部16的个数可以在各个滚动体15中是相等的，或者在至少一个滚动体15中是不同的。根据本发明实施方式可以在滚动体15的至少一个侧面17上开设任意数量的深度偏差部16。此外深度偏差部可以具有适当形状。图4示出一些了示例。这些示例仅用于说明而并非对本发明的限制。这些深度偏差部16例如可以具有特别是椭圆形、圆形或大致梯形的形状。

根据图4，例如可以存在两个、四个或十八个深度偏差部16。其他不同的奇数个深度偏差部16也是可行的。即使在所述示例中深度偏差部16在滚动体15上间距相等地环绕，但是在相邻深度偏差部16之间的间距也可以是不同大小的。

可以用给滚动体15局部添加材料(参见图5(a))的方式形成深度偏差部16，或者换而言之，用在至少一个滚动体15上局部开设凸起的方式形成深度偏差部。这些深度偏差部16也可以通过如下方式形成，即，局部去除滚子体15的材料(参见图5(b))，或者换而言之，在至少一个滚子体15内局部形成沟槽。深度偏差部16的规格可以依赖于所应用的传感器类型。轴-轴承装置10还包括至一个传感器19，用于深度偏差部16在传感器旁经过时生成信号。传感器19与传动机构(轴-轴承装置10是其组成部分)的部件固定连接，或与滚动轴承12的部件固定连接。传感器19具有由锥体限定出的额定方向或扫描方向，其上半角为40°，锥体的中心线CL垂直于如下平面，该平面以与包围深度偏差部16的侧面17的+40°或-40°的公差形成(参见图6)。换而言之，传感器19具有额定方向或扫描方向，其以+40°或-40°的公差垂直于由包围深度偏差部16的侧面17形成的平面。锥体的中心线CL大致垂直于由包括深度偏差部16的侧面17形成的平面。

根据本发明一个实施方式，传感器19可以利用连接部件20固定地与滚动轴承12的部件连接。传感器19例如可以借助连接部件20固定地与滚动轴承12的外圈14连接。这在图7中说明。传感器19也可以按类似方式与滚动轴承12的内圈13或滚动轴承12的保持架(图中未示出)固定连接。

根据其他实施方式，传感器19可以与传动机构的部件固定连接。例如，传感器19可以利用连接部件20与传动机构壳体21(参见图8)固定连接，或以类似方式与传动机构的轴11(图中未示出)固定连接。传动机构部件和传感器19之间的连接部件20可以通过独立的连接部件20形成(如图8所示)，或由与传动机构部件(其与传感器19连接)一件式形成的连接部件20形成(图中未示出)。

根据一个实施方式，轴11可以是行星齿轮轴11，而轴承12可以用于行星齿轮22在行星齿轮轴11上的支承，或者换而言之，轴承12是行星齿轮轴承12。根据这个特殊的示例，轴承12的外圈14可以装入行星齿轮22中，并且传感器19通过连接部件20与轴承12的内圈13固定连接。这在图9和图10中说明。两个附图之间的区别是传感器19的位置。原则上，传感器19可以任意位置相对于滚子体15定位，然而传感器19与滚子体15的(点划线示出的)中心线距离越远，传感器信号就越好。

传感器19可以是本领域技术人员公知的任意的传感器，其适用于识别深度偏差部16。根据本发明的实施方式，传感器19可以是间距传感器、例如涡流传感器，或者可以是脉冲探测器，例如电感式接近开关传感器、霍尔传感器或齿轮传感器。这些传感器的优点是，它们可以在没有主体接触的情况下检测附近含铁物体的存在。

根据本发明一个实施方式，传感器19可以不依赖于轴承圈13、14的转动地检测滚动体15的速度。

通过适宜的定位和传感器19的有针对性的选择，可以在一个步骤或利用同一传感器信号测量三种类型的滑移，即，滚子体滑移、保持架滑移和轴向滑移。如果例如传感器19紧固在轴承12的内圈13或外圈14上，则可以在传感器经过滚动体15旁边时获知转速。这种传感器定位的优点是，也可以获知轴承12的保持架的转速；由此，也可以由传感器信号计算出保持架滑移。如果例如应用能测量滚子体15的轴向移动的涡流传感器19，那么可以根据仅一个传感器信号来确定三种滑移类型，即，滚子体滑移、保持架滑移和轴向滑移。

本发明也规定了上述轴承的根据不同实施方式的应用，以便确定轴承12中的至少一个滚动体15的速度或者获知轴承12内的滑移。

接下来阐述如何可以根据本发明的实施方式来获知至少其中一个滚动体15的速度或滑移。

图11示例性示出具有旋转的内圈13和固定的外圈14的滚动轴承12的MATLAB模拟，其中，传感器19紧固在外圈14上。本发明也适用于内圈13是固定的而外圈14转动的轴承12。用于进行模拟测量的滚动体15具有20个深度偏差部16，它们彼此保持间隔地环绕布置在滚动体15上。图11(a)在滚子体15的坐标系中针对不同滑移率示出传感器19的计算出的轨道。图中的粗黑线表示传感器19经过的路程。从左至右绘出了针对0％、33％、67％和100％的滑移的模拟。在此，0％的滑移可以理解为，滚动体相对于内圈行走过的路程没有借助滑动运动走过的份额。在10％的滑移的情况下，通过滑动运动走过的路程相对于滚动体相对于内圈的总路程的份额为0.1。这也相应适用于其他百分比数。由附图可知，根据滑移率的不同，有不同数量的深度偏差部16在传感器19旁经过。这也能从在图11(b)中示出的传感器的时间信号清楚看出。这意味着，总是可以通过在滚子体15以深度偏差部16在传感器19旁经过时以对脉冲数进行计数的方式来确定滑移率。通过不仅对传感器信号中的脉冲数进行计数，而且也考虑脉冲之间的持续时间的方式，可以提高测量分别率。矢量时间长度的形式是抛物线(参见图11(c))。这种抛物线的估计的特性参数用于估算滑移率。

图12示出根据如上图11所示的滚动体15的模拟的结果，其中包含滚子体15在传感器19旁经过那一刻的滚动体15的随机的初始角度。左侧图表示出每次传感器19在滚动体15旁经过时计数的脉冲数。右侧图表示出具有公式y＝a+bx²的抛物线的参数a，该抛物线由相对于时间绘制的脉冲之间时间间隔的曲线计算出。随后，由这些模拟将脉冲数和参数a的函数确定为滑移函数。该函数在图12中用粗实线示出。在左侧图表中，这是直线，而在右侧图表中则使用二阶近似。根据该函数估计出针对模拟的滑移率。图13示出结果。左侧图表示出由信号中检测的脉冲数估计出的滑移率。由此图表看出，估计值的95％在真实滑移率的15％的偏差之内，即，在此图表中的交叉点的95％处，相对于真实滑移率(直线)的差小于15％。如果使用估计的抛物线的针对参数a的函数，得到仅2％的错误(参见右侧图表)。

通过实验来检验模拟。为了对模拟进行验证构建了试验装置。带有58mm的直径的滚子体15设置有20个深度偏差部16，它们保持间距地环绕地开设在滚子体15上，并且由电机驱动，以便实现滚子体速度。在试验中使用齿轮传感器，其紧固在悬摆上。悬摆的转动速度利用增量探测器来测量并且代表轴承的保持架速度。

在传感器每次在旋转的滚子体旁经过时，记录脉冲数和各个脉冲之间的时间间隔。以类似方式，如上针对模拟所描述的那样，根据传感器信号来估计滚子滑移。将此估计与准确确定的滑移值进行比较，其由测得的悬摆速度(＝保持架速度)和电机速度的值来计算(滚子体速度)。

图14和图15绘出了结果。在由在信号中检测的脉冲数估计出的滑移率中，估计值的95％在真实滑移率的17％的偏差之内；这可与模拟结果进行比较。如果使用估计的抛物线的针对参数a的函数，得到9％的错误。

Claims (12)

1.一种用于传动机构的滚动轴承(10)，其中，所述滚动轴承(10)包括轴承内圈(13)、轴承外圈(14)和至少一个滚动体(15)，

其特征在于，所述滚动轴承(10)具有传感器(19)，所述传感器相对于传动机构部件或所述滚动轴承(10)的部件固定地布置，并且所述滚动体(15)在至少一个侧面(17)上包括深度偏差部(16)，其中，所述深度偏差部被构造成使得所述滚动体(15)的侧面沿围绕所述滚动体(15)的旋转轴线的圆形轨道具有至少两个不同的深度，并且所述传感器被定位成用于对所述深度偏差部进行检测。

2.根据前述权利要求所述的用于传动机构的滚动轴承(10)，其特征在于，所述滚动轴承(10)的多个滚动体(15)具有深度偏差部(16)。

3.根据前述权利要求中任意一项所述的滚动轴承(10)，其特征在于，所述至少一个滚动体(15)具有多个深度偏差部(16)。

4.根据前述权利要求中任意一项所述的滚动轴承(10)，其特征在于，至少其中一个所述深度偏差部(16)由凹部形成。

5.根据前述权利要求中任意一项所述的滚动轴承(10)，其特征在于，至少其中一个所述深度偏差部(16)由材料过剩部形成。

6.根据前述权利要求中任意一项所述的滚动轴承(10)，其特征在于，所述传感器(19)紧固在所述滚动轴承(12)的内圈(13)、所述滚动轴承(12)的外圈(14)、所述滚动轴承(12)的保持架、所述传动机构的壳体或者所述传动机构的轴(11)上。

7.根据前述权利要求中任意一项所述的滚动轴承(10)，其特征在于，所述传感器(19)是间距传感器、尤其是涡流传感器，电感式接近传感器，霍尔传感器或齿轮传感器。

8.根据前述权利要求中任意一项所述的滚动轴承(10)，其特征在于，所述滚动轴承(10)具有柱形滚动体、锥形滚动体、调心滚子体或环形滚动体。

9.一种用于尤其是风力机组的传动机构的、根据前述权利要求中任意一项所述滚动轴承(10)的滚动体(15)，其特征在于，所述滚动体(15)具有工作面和至少一个侧面，其特征在于，所述侧面具有深度偏差部，从而使得所述滚动体(15)沿围绕所述滚动体(15)的旋转轴线的圆形线具有至少两个不同的深度。

10.一种用于获知滚动轴承(10)的至少一个滚动体(15)的速度、旋转速度和/或滑移的方法，其特征在于，至少一个滚动体(15)在围绕旋转轴线的圆形轨道上具有不同的深度，并且传感器(19)布置在所述滚动轴承(10)的部件上，使得能检测深度偏差部，其中，由传感器信号，尤其是由依赖于所述深度偏差部在传感器旁运动经过的传感器信号的时间间隔，来计算速度、旋转速度和/或滑移。

11.一种包括根据权利要求1至8中任意一项所述的滚动轴承的传动机构。

12.根据权利要求9所述的滚动体和/或滚动轴承在传动机构、尤其是在风力传动机构中的用途。