CN106461479B - 具有带有至少一个传感器的测量元件的构件 - Google Patents
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Abstract
一种具有材料凹部(2，16，20)和测量元件(3，11，17，23，25，32，37，38，42，45，48，57，62)的构件(1，10，14，19)，所述测量元件具有至少一个传感器(4，13，18，22，27，28，29，33，34，36，40，43，46，47，49，50，51，52，53，63)，所述测量元件力配合地嵌入到材料凹部(2，16，20)中，其中传感器(4，13，18，22，27，28，29，33，34，36，40，43，46，47，49，50，51，52，53，63)设置在测量元件(3，11，17，23，25，32，37，38，42，45，48，57，62)处或上，使得传感器(4，13，18，22，27，28，29，33，34，36，40，43，46，47，49，50，51，52，53，63)的测量方向基本上与接触角的作用线相一致。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有材料凹部和测量元件的构件，所述测量元件具有至少一个传感器，所述测量元件力配合地嵌入到材料凹部中。
背景技术
为了确定构件在运行期间的应力，测量作用于构件的力和形变。作为用于检测构件负荷的传感器例如使用测力计或应变计(DMS)。应变计通常直接粘贴到要测量的构件上。当然，在批量生产中固定这种传感器是费事的，因为应变计必须单独地借助粘接剂固定在表面上并且接线。
在DE 10 2011 087 471 A1中已经提出一种构件，所述构件具有用于测量其负荷的传感器。所述构件具有材料凹部，在那里称作材料元件的测量元件力配合地嵌入到所述材料凹部中，所述测量元件具有传感器。通过制造材料凹部，将构件预装配，所述构件的负荷要被测量，并且所述构件例如可以为轴、支承环等。因此，在生产或安装构件的过程中，将具有传感器的预装配的测量元件插入到凹部中，使得尽可能地保持构件的初始状态。
当然，值得期望的是，进一步改进测量的信号质量。尤其，期望更大的灵敏度、更小的迟滞以及对不同负荷方向更好的可区分性。
发明内容
因此，本发明基于下述目的，提出一种构件，所述构件能够实现对不同的负荷方向更好的区分。
为了解决所述目的，在开始提到类型的构件中根据本发明提出，传感器设置在测量元件处或上，使得传感器的测量方向基本上与接触角的作用线相一致。
本发明基于下述知识，在传感器或其测量方向以特定的方式设置时，即：传感器的测量方向与接触角的作用线相一致，则使得对负荷方向的区分变得容易。在此，足够的是，传感器的测量方向近似与接触角的作用线相一致，尤其是因为在运行期间接触角根据外部负荷经受改变。
根据本发明的构件能够实现将至少一个传感器直接定位在具有最大负荷的力路径中。所述具有最大负荷的力路径对应于接触角的或工作接触角(Betriebsdruckwinkel)的作用线。所述工作接触角由于构件的外部负荷而在围绕构造上确定的额定接触角的一定范围中形成。因此，通过本发明能够实现在已知接触角或工作接触角的情况下推断出轴向负荷和径向负荷之间的关系。当已知负荷的数值时，借助于测量元件能够分开地确定径向负荷和轴向负荷，并且以绝对值输出。优选地，构件与材料凹部至少单侧地齐平。
根据本发明的构件可以是轴或轴承，在所述轴或轴承中必须监控损害精确确定的轴向或径向负荷。根据本发明的构件的传感器可以是下述组的应变或压力灵敏的元件：应变计(DMS)、薄层DMS、压电元件、压电薄膜、纤维布拉格晶格、聚合物光学纤维传感器、测力计。
本发明的一个改进方案提出，在构件的测量元件上或在构件的测量元件中，以相对于第一传感器转动90°的方式设置有另一个传感器。在所述设计方案中，两个传感器位于同一平面上，其中这两个传感器以相对于彼此转动90°的方式设置。这种设置能够实现传感器的、尤其应变计的温度补偿。类似地，在根据本发明的构件的测量元件上或在根据本发明的构件的测量元件中，可以设置有包括四个传感器的测量桥。也称作为全桥的这种测量桥能够实现根据电阻改变特别精确地检测应变。
根据本发明的构件的一个特别优选的改进方案提出，至少一个传感器设置在测量元件的倾斜面处或上，所述倾斜面朝向接触角的作用线定向。在此，特别优选地，倾斜面平行于接触角的作用线定向，或者接触角的作用线沿着倾斜面伸展。以所述方式，可以特别准确地测量沿着作用线的应变。借助于测量元件的材料的已知的弹性模量，根据检测到的应变，可以确定作用力。典型地，测量元件由钢构成。
本发明的其他设计方案可以提出，测量元件轴向地或径向地或相对于轴向方向和/径向方向倾斜地设置在构件中。以所述方式，实现不同的可能性，所述可能性能够实现测量元件或传感器的设置匹配于不同的力方向。对于任何应用情况，以所述方式都能够确定测量元件的最优的位置。
也落入本发明的范围的是，传感器设置在测量元件处或上，使得传感器的测量方向基本上与额定接触角或工作接触角的作用线相一致。
在根据本发明的构件中，也可以考虑的是，测量元件具有多个在平行平面中设置的传感器。以所述方式，可以检测接触角的作用线的角度位置，使得不仅可以检测构件负荷的数值，而且也可以检测其方向。
就此而言，可以提出，平行平面具有多个相互转动或正交设置的传感器。传感器以特定角度的设置能够实现检测作用的外部负荷的方向。
本发明的一个变型形式提出，测量元件具有与轴向方向平行的平面，在所述平面上并排设置有多个传感器。传感器能够在该平面上并排地或轴向依次地设置，以便在不同的位置上检测测量值。平行平面在此可以要么在构件的整个长度上延伸，所述构件例如可以构成为轴，替选地，平行平面也可以仅在其长度的一部段上延伸。当然，设置在平行平面上的传感器可以通过其他的传感器补充，例如通过轴向端侧上的一个或多个传感器补充。
一个类似的变型形式提出，多个传感器设置在柱形构件的外面上，多个传感器可以要么并排地平行于环周定向，然而所述多个传感器也可以以一定角度、即相对于环周方向倾斜地设置。以所述方式，传感器可以在构件的、尤其轴承的接触角的作用线上进行检测。
最后，两个或更多个传感器也可以设置在相对于彼此转动90°的平面中。在此，在所述平面上可以设置有一个传感器、两个传感器或更多个、例如四个传感器，以便补偿干扰、如温度影响。
此外，可以将所有描述的设置彼此组合，以便能够实现不同的负荷方向的区分。在此，需要在测量信号的质量和制造成本之间进行权衡。
在本发明的范围中，也可以提出，将传感器、尤其应变传感器、如应变计正交地压紧或夹紧。在根据本发明的构件中，在此具有平行于轴向方向的平面的测量元件可以设有正交地压紧的传感器，其中测量元件两件式地构成，并且具有带有平行平面的第一部分和与此互补的第二部分，其中传感器设置在这两部分之间。在此，由不同的测量平面和传感器构成的不同的组合也是可能的，以便能够实现力分量的期望的分开。
具有第一部分和第二部分的测量元件可以在中部沿着对称平面划分，使得传感器居中地设置。另一方面，测量元件也可以偏心地划分，使得一部分大于另一部分。在所述设计方案中，传感器承受偏心正交负荷。
本发明的另一个设计方案提出，构件具有用于跟踪测量平面的机构，其中机构构成为，使得传感器运动到最大测量信号的位置中。所述自动得出的位置是在运行中得出的接触角的量值。传感器为此可以旋转地或平移地运动。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在下文中予以详细描述。附图示出：
图1示出根据本发明的构件的细节；
图2示出根据本发明的构件的另一个实施例的细节；
图3示出具有径向设置的测量元件的构件的细节；
图4示出具有倾斜设置的传感器的另一实施例的细节；
图5示出与图1相似的视图，其中绘出额定接触角和工作接触角的作用线；
图6-7示出柱形的测量元件的实施例；
图8-13示出柱形的测量元件的实施例，其中传感器设置在内部平面上；
图14-17示出柱形的测量元件的实施例，其中传感器正交地压紧到测量元件的两个部分之间；
图18示出具有可跟踪的测量元件的一个实施例，和
图19示出传感器数据的典型变化曲线，其中关于总力绘制应变。
具体实施方式
图1示出构件1的细节，所述构件构成为滚动轴承并且具有柱形的材料凹部2，具有传感器4的测量元件3位于所述材料凹部中。传感器4构成为应变计(DMS)并且具有线缆5，所述线缆连接于测量值检测设备。
构成为滚动轴承的构件1包括内环6、外环7和在其之间设置的滚动体8。在图1中可见，测量元件3柱形地或作为栓构成。
在滚动轴承工作期间，所述滚动轴承通过外部力加载。在图1中，额定接触角的作用线9虚线地示出。传感器4设置在测量元件3上，使得传感器的测量方向基本上与接触角的作用线9相一致。与此相应地，传感器4直接地位于力流(力流)中或位于下述位置上，在所述位置上力流是最大的。
可能的是，将另一个传感器4以相对于传感器4转动90°的方式安置在测量元件3的同一平面上，以便能够实现温度补偿。同样地，四个这种传感器可以设置在测量元件3的相应的面上，所述四个这种传感器连接成测量桥(全桥)。
图2示出一个类似的实施例并且示出构件10，所述构件与第一实施例相一致地构成为滚动轴承。相一致的组成部分用与在第一实施例中相同的附图标记表示。外环7具有材料凹部2，测量元件11插入到所述材料凹部中。与第一实施例相反地，测量元件11具有倾斜面12，在所述倾斜面上设置有传感器13。构成为应变计的传感器13因此相对于构件10的径向平面倾斜地设置。传感器13设置在测量元件11上，使得接触角的作用线9与传感器13的位置相一致。借助在图2中示出的测量装置，与在图1中示出的测量装置相比，能够得到更准确的测量结果。
图3是另一个实施例，并且示出构件14，所述构件构成为滚动轴承，并且所述构件具有设有材料凹部16的外环15。测量元件17所插入的材料凹部16在此定位成，使得额定接触角的作用线9与测量元件17的传感器18相交。在构成为球面滚子轴承的构件14中，因此，测量元件17径向地引入到外环15的材料凹部16中。测量元件17在一侧上具有径向槽61，所述径向槽用作为用于线缆5的引导装置。
图4示出构成为滚动轴承的构件19的另一个实施例，其中材料凹部20倾斜地引入到外环21中，使得接触角的作用线9与测量元件23的传感器22相交。
图5示出与图1类似的实施例，因此针对相一致的组成部分使用与在图1中相同的附图标记。额定接触角的作用线用附图标记9表示并且虚线地示出，工作接触角的作用线24作为实线示出。传感器4因此可以在工作接触角的作用线24上根据轴向负荷和径向负荷的已知的关系或者根据工作接触角定位，所述工作接触角对于评估而言是特别令人感兴趣的。在图5中可见，额定接触角的作用线9和工作接触角的作用线24能够彼此区分。
测量元件或测量栓原则上可以沿任意方向引入到材料凹部中，如例如在根据图1至5的实施例中示出的那样。
在此，轴向的定位是优选的，所述轴向的定位例如在图1、2和5中示出，因为随后信号输出线路可以经由线缆引导装置或安装的遥测单元或经由电磁的或电感的联接器特别简单地实现。
测量应变的传感器可以直接引入到在构件之间的、尤其在轴承的滚动体和侧面之间的力流中，而在力流路径中不会出现干扰性的空腔。
图4示出这种实例，在那里可见，力流线9直接伸展穿过测量元件23的区域，所述测量元件设有传感器22。而在传感器22和材料凹部之间形成的空腔不位于力流中。
类似地，图3示出一个具有径向引入的测量元件17的实施例，其中力流线9伸展穿过空腔，所述空腔在材料凹部16的内部端部和传感器18之间形成。测量元件17位于力流中，虽然在传感器18和材料凹部16之间存在小的间隙或中间空间。
图6示出测量元件25的一个实施例，所述测量元件构成为柱形的栓并且基本上与上述实施例的测量元件3相一致。在测量元件25的轴向端面26上安置有构成为应变计的传感器27。附加地，测量元件25具有两个其他的传感器28、29，所述传感器在测量元件25的内部中设置在与端面26平行的平面30、31上。全部传感器27、28、29借助线缆或线路连接，所述线缆或线路在图6中出于更好的可视性的原因没有示出。在多个彼此平行的平面26、30、31中设置的测量应变的传感器27、28、29适合于，检测接触角的作用线的角度位置。因此，不仅检测作用于轴承的负荷的数值，而且也检测其方向并且加以区分。可选地，在图6中被遮挡的后部的端面也可以具有一个传感器或多个传感器。
图7是测量元件32的另一个实施例，所述测量元件与图6的实施例类似地具有多个平面26、30、31，其中传感器安置在端面26和内部的平行平面30、31上，所述平行平面平行于端面26。在平面26、30、31上分别设置有两个构成为DMS的传感器33、34，其中位于相同平面上的两个传感器33、34以相对于彼此转动90°的方式设置。
图8是测量元件37的另一个实施例，所述测量元件具有平面35，在所述平面上沿轴向方向并排设置有多个传感器36。在图8中示出的设置适合于，检测接触角的作用线的角度位置，由此不仅可以检测构件的、例如滚动轴承的负荷的数值，而且也可以检测其方向，并且加以区分。在其他的构成方案中，平面也可以仅在测量元件的长度的一部分上延伸。
图9示出与图8类似的视图并且示出测量元件38，其中设置有传感器36的平面39仅沿轴向方向在一个部段上延伸。
类似地，图10示出图9的测量元件38，所述测量元件除了平面39上的传感器36之外在其轴向的端面41上具有传感器40。
图11示出测量元件42的一个类似的实施例，其中传感器43在测量元件42的内部中设置在平面44上。关于中间的传感器，左边的传感器以沿顺时针转动的方式设置，右边的传感器以沿逆时针转动的方式设置在平面44上。以所述方式，传感器42的定向和定位能够匹配于接触角或接触角范围。传感器或传感器43的假设的对称线在图11的实施例中沿着不同的工作接触角匹配，使得不同的工作接触角的作用线分别与传感器43相交。
图12示出测量元件45的一个实施例，其中两个传感器46、47设置在两个相互间转动90°的平面41、44上。
图13是测量元件48的一个实施例，其中在端面41上设置有两个相互错开90°的传感器49、50。附加地，在内部平面44上以两排和两列设置有总共四个传感器51，其中相邻的传感器相互错开90°。
根据互连，借助所述传感器51可以补偿干扰、如温度影响或者区分负荷方向。
在该处，要明确指出的是，在上文中描述的实施例的所有适当的组合视作为对本发明重要的。
图14是测量栓的另一个实施例，所述测量栓具有正交地压紧的传感器53，所述传感器设置在测量元件52的内部中的平面54上。传感器53在此分配有用于测量值检测的线路55。
图15是类似的视图并且示出测量元件52，所述测量元件附加地具有第二部分56，所述第二部分与在图14中示出的第一部分互补地构成，使得这两个部分共同地形成柱形的测量元件52。传感器53设置在分隔面54上，使得所述传感器在测量元件52的两个部分之间压紧或夹紧。在测量元件52中可以设有不同的测量平面和测量部位，以便能够实现分开地检测应变和力分量。
图16是与图14相似的视图并且示出测量元件57，其中分隔面58伸展穿过假设的中点。测量元件57的第二部分因此与第一部分相同地构成。
图17类似于图15示出在测量元件57的两部分之间夹紧的传感器53。
在具有所述测量元件之一的构件中，能够跟踪测量平面，以便得到关于工作接触角的角度位置的信息，所述测量平面即至少一个传感器、尤其应变计所处的平面。对此，检测应变的传感器运动到下述位置中，在所述位置中检测最大的测量信号。测量元件的因此出现的位置是用于工作接触角的量值。测量元件对此与执行器联接，所述执行器构成为用于，将测量元件围绕其纵轴线转动，或者沿着其纵轴线移动。
图18示出具有传感器63的测量元件62，所述传感器安置在平面64上。构成为驱动器的、构成为电动机的执行器65经由轴66与螺杆67连接。主轴67与测量元件62的匹配于此的内螺纹68啮合。借助于相应的(没有示出的)控制装置，测量元件62分别借助于驱动器65移动到下述位置中，在所述位置中，由传感器63提供的测量信号是最大的。测量元件62关于输出状态的位置因此是用于接触角的量值。测量元件62可以沿纵向方向移动。也可以考虑其他的实施方案，其中测量元件可以围绕其纵轴线转动。
借助于传感器、尤其借助于应变传感器检测的测量数据与轴承负荷和滚动体的位置相关。因此，对测量值进行取平均值，所述取平均值也能够移动地进行，由此消除测量值与滚动体位置的相关性。取平均值的窗口宽度选择成，使得所述窗口宽度至少对应于经过该传感器的滚动体的信号周期的长度。已经证实的是，受到取平均值的传感器数据示出与轴承环的整体的形变的一定的相关性。轴承环的所述整体的形变与其他的边界条件相关，例如与轴承如何构造和之前曾通过何种外部力使轴承承受负荷相关。因此，传感器信号示出一定的迟滞，在去负荷之后，应变信号并未完全返回到初始值。为了使所述干扰性影响最小化，选择信号处理，在所述信号处理中，放弃取平均值。在此，信号水平的评估是优选的，因为由此消除原始信号的平均值。因此，多个信号周期的信号水平能够再次在必要时经受移动地取平均值，以便拉平不圆的滚动体运行轨道或不等的滚动体直径的影响。在轴承快速地相对于负荷变化转动的应用中，有利的是，信号水平的取平均值的窗口宽度选择成滚动体的数量的整数多倍。对信号水平进行评估与对通过取平均值处理过的传感器数据进行评估相比提供更高的灵敏度，如在图19中示出的那样。在水平轴上绘制总力，在竖直轴上绘制应变。附图标记59表示通过取平均值得到的传感器数据，附图标记60表示通过对信号水平进行评估得到的传感器数据。对信号水平进行评估在迟滞减小的情况下提供更大的灵敏度。平均值评估不完全返回至初始值。
作为用于定位测量元件或测量栓的辅助机构，可以使用机器元件，所述机器元件具有用于相对于轴承环的轴向的支承面定位的止挡。测量元件的或测量栓的回弹路径可以通过适当地设计止挡来维持。当然，在此，在测量应变的传感器相对于构件的、尤其轴承的接触角的位置方面留有生产造成的公差影响。
剩余公差的减小可以通过下述方式实现：测量元件并非设置在轴向的支承面(端面)上，而是将辅助机构插入到轴承环的运行轨道中，其轴向位置由轴承环的加工接触角确定。因此，测量元件或测量栓能够定位到所述辅助机构上。
由此，保持不考虑滚动体的影响，因为所述滚动体由辅助机构替代。为了将剩余公差影响消除或进一步最小化，测量在压入过程期间的应变。在此，轴承或轴承环经由滚动体或经由替代滚动体承受负荷。轴承也可以承受负荷，使得出现工作接触角，所述工作接触角侧向错开地穿过所规划的传感器位置。也有利的是，将测量栓或测量元件压入到直至之前选择的测量部位的测量到的应变已经超过最大值。
附图标记表
1 构件
2 材料凹部
3 测量元件
4 传感器
5 线缆
6 内环
7 外环
8 滚动体
9 作用线
10 构件
11 测量元件
12 面
13 传感器
14 构件
15 外环
16 材料凹部
17 测量元件
18 传感器
19 构件
20 材料凹部
21 外环
22 传感器
23 测量元件
24 作用线
25 测量元件
26 端面
27 传感器
28 传感器
29 传感器
30 平面
31 平面
32 测量元件
33 传感器
34 传感器
35 平面
36 传感器
37 测量元件
38 测量元件
39 平面
40 传感器
41 端面
42 测量元件
43 传感器
44 平面
45 测量元件
46 传感器
47 传感器
48 测量元件
49 传感器
50 传感器
51 传感器
52 传感器
53 传感器
54 分隔平面
55 线路
56 部分
57 测量元件
58 分隔平面
59 附图标记
60 附图标记
61 槽
62 测量元件
63 传感器
64 平面
65 驱动器
66 轴
67 主轴
68 内螺纹
Claims (9)
1.一种具有材料凹部和测量元件的构件，构件构成为滚动轴承，所述测量元件具有至少一个传感器，所述测量元件力配合地嵌入到所述材料凹部中，
其特征在于，
所述传感器设置在所述测量元件处或上，使得所述传感器的测量方向基本上与滚动轴承接触角的作用线相一致，所述测量元件具有与轴向方向平行的平面，该平面设有所述传感器，所述构件具有用于跟踪所述传感器的测量平面的机构，其中所述机构构成为用于，使所述传感器运动到最大的测量信号的位置中，测量元件的因此出现的位置是用于滚动轴承工作接触角的量值。
2.根据权利要求1所述的构件，
其特征在于，
在所述测量元件上或在所述测量元件中，设置有形成测量桥的总共四个传感器。
3.根据权利要求1或2所述的构件，
其特征在于，
至少一个所述传感器设置在所述测量元件的倾斜面处或上，所述倾斜面朝向所述接触角的所述作用线定向。
4.根据权利要求1或2所述的构件，
其特征在于，
所述测量元件轴向地或径向地或相对于轴向方向和径向方向倾斜地设置在所述构件中。
5.根据权利要求1或2所述的构件，
其特征在于，
所述传感器设置在所述测量元件处或上，使得所述传感器的测量方向基本上与额定接触角的或工作接触角的作用线相一致。
6.根据权利要求1或2所述的构件，
其特征在于，
所述测量元件具有多个在平行平面中设置的传感器。
7.根据权利要求6所述的构件，
其特征在于，
平行平面具有多个相互转动或正交设置的传感器。
8.根据权利要求1或2所述的构件，
其特征在于，
在所述平面上并排地设置有多个传感器。
9.根据权利要求1或2所述的构件，
其特征在于，
所述测量元件两件式地构成，并且所述测量元件具有第一部分和与此互补的第二部分，所述第一部分具有所述平行平面，其中所述传感器在与测量元件的轴向方向平行的平面中正交压紧地设置在这两部分之间。
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