CN1488072A - 用于测量径向力和/或轴向力的测量设备 - Google Patents

用于测量径向力和/或轴向力的测量设备 Download PDF

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Abstract

一种用于测量轴承(10)上的轴向负载和/或径向负载的测量设备(1)，所述轴承(10)包括内环(11)、外环(12)和所述内外环之间的多个滚动体(13)。所述测量设备(1)包括传感器环(3)，该传感器环(3)被设置得邻接轴承(10)的内环(11)或外环(12)并与它们密切接触，该传感器环(3)的圆周上具有至少一个削弱部分(2)，至少一个传感器(5)被设置在所述至少一个削弱部分(2)上。

Description

用于测量径向力和/或轴向力的测量设备
技术领域
本发明涉及一种用于测量轴承上的径向和/或轴向负载的测量设备，所述轴承包括内环、外环和多个位于内环与外环之间的滚动元件。
背景技术
美国专利文献US-A-4,203,319介绍了一种用于测量作用在滚柱轴承上的外力的设备，该设备配备有至少两个用于测量施加在轴承力上的力的应变仪。通过分别记录、放大和整流来自这两个应变仪的信号，并通过对这两个信号进行减法计算，获得一个与外力成比例的信号，该信号在内力作用下不产生失真。在该篇专利文献的另一个实施例中还介绍了测量作用在被一组两个锥形滚柱轴承所支承的轴上的径向力和轴向力。除了上述被设置在一个轴承上的两个应变仪之外，将另一个应变仪设置在第二个轴承上。使用设置在第一个滚柱轴承上的两个应变仪测量作用在轴上的径向力，使用设置在其它滚柱轴承上的两个应变仪测量作用在轴上的轴向力。
美国专利文献US-A-4,341,122介绍了一种力测量设备，它使用设置在轴承上的至少三个应变仪同时测量滚柱轴承上的径向力和轴向力。其中两个应变仪被设置的在第一列滚柱轴承上彼此相对，一个应变仪被设置在第二列滚柱轴承上。该设备还包括一个校正装置，用于消除由明显轴向力引起的信号失真。
公知的装置和设备具有缺点，因为它们使用电阻应变仪来测量滚柱轴承外环上的应力。然而这些装置和这种类型的测量传感器对温度非常敏感，所述装置需要很多电子设备以检测电阻的变化。
发明内容
本发明试图提供一种测量设备和测量系统，用于对轴承上的径向和轴向负载进行差动负载检测，同时没有上述缺陷。
根据本发明，提供一种符合前序部分的测量设备，该测量设备包括传感器环，该传感器环被设置得邻接轴承的内环或外环并与它们密切接触，在传感器环的周向具有至少一个削弱部分，至少一个传感器被设置在所述至少一个削弱部分上。该至少一个传感器为例如位移传感器或负载传感器。
施加在轴承上的径向负载被分布在轴承的多个滚动体上。根据轴承类型和负载量，径向负载被分布在多个滚动体的少数至几乎一半上。当轴承在操作中转动时，通过的滚动体导致轴承外环或内环的座圈局部压缩，从而产生位移。该位移被有效地传送到传感器环，具体地说被传送到传感器环的削弱部分上。由于传感器环被紧密地装配到轴承外环或内环上，所以传感器可以测量这种位移。测量设备可以与轴承本身分开制造，允许在需要测量轴承上径向负载和/或轴向负载的轴承上使用该测量设备。
在本发明的一个实施例中，所述至少一个削弱部分由传感器环上的槽形成。所述削弱部分也可以是传感器环上的凹入部分或压扁部分。所述槽是可取的，因为它允许直接测量轴承外环或内环的位移。
所述槽的周向尺寸基本上等于所述轴承上多个滚动体的两个之间的距离。较宽的槽将导致出现永久位移，这是由于在同一时间有更多的滚动体位于削弱区域，从而这可确保测量可能的最大的位移。如果削弱区域尺寸小则导致位移小，从而测量设备的响应弱。
在本发明的一个优选实施例中，测量设备还包括用于对来自至少一个传感器的信号进行过滤的过滤装置，该过滤装置被设置以通过预定频率间隔范围内的信号成分。该实施例允许区分由不同现象导致的传感器的信号。一种现象是在操作期间通过削弱部分的轴承内滚动体的频率。这种信号的频率取决于轴承尺寸和滚动体的数量，通常是轴承转速的5～10倍。另一种现象就是在轴承被轴向施加预负载时由轴承的内环或外环的不圆度引起的。这种现象导致检测到的信号的较低的频率，大约是轴承转速的2～3倍。通过应用对应于上述频率的过滤器的特性，将导致这样的输出信号，即在该信号中所述频率占主导地位，其它频率成分被遏止。
在本发明的另一个实施例中，所述传感器环围绕所述轴承的内环或外环预先张紧。改变传感器环与内环或外环之间的接触力将导致测量设备出现不同的响应，在某些情况下这是有利的。
为了确保轴承的径向和轴向负载的差动负载检测，所述传感器环包括两个削弱部分，所述传感器被设置在每个削弱部分内。最好是，两个削弱部分被设置的在传感器环上彼此相对。为了纯的径向力，则一个传感器测量径向力的增加，另一个传感器测量径向力的减小。然而根据轴承类型，轴向力可被转换成径向力，它被均布在所有方向上，因此随着位移的增加，在两个传感器上都可以被测量。当轴承仅承受径向力时，还可以使用该实施例获取力的方向。
在本发明的另一个实施例中，传感器环包括至少三个削弱部分，每个削弱部分具有一传感器，传感器被定位在垂直于轴承的转动轴线的表面内，即使轴承具有轴向负载和/或被预加负载时，也能够确定轴承上的力的方向。
在本发明的另一个实施例中，至少一个传感器是下述类型传感器中的一种，也就是压电传感器、压力传感器、电容传感器、电感传感器和光学传感器。这些类型的测量元件能够容易地组装成本发明的测量装置。
在本发明的一个具体实施例中，所述传感器环由u形环形元件形成，该u形环形元件包括用于形成u形环形元件腿部的外元件和内元件，上述外元件和内元件沿基本上平行于传感器环中心轴线的方向延伸，在所述外元件和内元件之间形成圆形间隙。该实施例提供一种用于测量轴承上的轴向和/或径向负载的测量设备，该测量设备间接测量负载，也就是通过测量传感器环上的间隙偏移来测量负载。
对本领域技术人员公知的是，传感器环与轴承的外环或内环形成整体。
本发明的另一方面涉及一种用于检测轴承上的轴向负载和径向负载的差动负载的测量系统，该测量系统包括处理单元、与该处理单元相连的存储单元以及与该处理单元相连的符合本发明的测量设备，该处理单元被设置的用于计算轴承上的轴向和径向负载，通过对至少两个传感器的测量信号进行计算，从其差值中求得径向负载，通过对至少两个传感器的测量信号进行计算，从测量信号的平均值变化中求得轴向负载。利用这种方式对来自传感器的信号进行处理，可以获得对轴向力和径向力的准确测量。
在本发明的一个最佳实施例中，测量系统的处理单元被设置的应用轴承模型获得轴承上的轴向负载，所述轴承模型描述了轴承上的轴向负载和由此导致的轴承径向负载之间的关系。该轴承模型最好被存储在测量系统的存储单元内，并精确地模拟轴承上的轴向力在垂直于传感器环轴线的所有方向上是如何被转换成径向力的。这主要取决于所使用轴承的类型(滚柱轴承、圆锥滚柱轴承、球轴承等)和轴承的尺寸。
附图说明
下文将结合附图利用最佳实施例对本发明进行详细介绍。
图1是一个俯视图，显示了符合本发明第一实施例的测量设备和轴承；
图2是一个沿图1中II-II线所做的侧视剖视图；
图3a和3b显示了图1所示测量设备和轴承的一部分，其中滚动体相对于传感器位于两个位置；
图4是一个俯视图，显示了符合本发明第二实施例的测量设备；
图5是一个沿图4中V-V线所做的测量设备的侧视剖视图；
图6是一个侧视剖视图，显示图4所示测量设备被连接到一滚柱轴承上；以及
图7示意性显示了符合本发明的使用图4所示测量设备的测量系统。
具体实施方式
在公知的用于测量轴承上轴向力和/或径向力的负载测量系统中，直接在轴承元件上测量负荷，也就是使用位于轴承外环上的槽内的应变仪。这种传感器的精度极大地取决于温度，并要求电子设备检测应变仪内的电阻变化，这些都是这种系统的公知的缺点。
本发明提供一种改进的系统，用于测量轴承的轴向和径向负荷，图1是一个俯视图，显示了测量设备1和轴承10，例如包括内环11、外环12和多个滚动体13的球轴承。图2是一个沿图1中II-II线所做的剖视图。该轴承包括多个位于外环12和内环11之间的滚动体13。测量设备1包括传感器环3，在该传感器环3中设置有削弱部分2。所述削弱部分最好是由传感器环3上的局部凹入部分或甚至是通孔构成的槽2。所述削弱部分2也可以是传感器环3上的凹入部分或传感器环3上的压扁部分。最好是槽，从而能够直接测量外环1 2和内环1 1的位移。在每个削弱部分2内，设置一个传感器5，用于测量向外的偏转，也可以用于确定轴承10上的实际负载。传感器5可以是位移传感器，实际测量偏移，或者例如是负荷传感器，直接测量负载。
当滚动体13经过削弱部分2时，传感器环3上的削弱部分2允许轴承的外环12向外偏移。图3显示了测量设备1和轴承11、12、13所组成装置的一部分，其中图3a显示滚动体13位于传感器5的正上方，图3b显示两个滚动体13距传感器5的距离相等。
本领域技术人员公知的是，具有削弱部分2的传感器环3可以被形成为轴承10的内环11或外环12的一个整体部分。
施加在轴承10上的径向负载被分布在轴承10的多个滚动体13的许多滚动体上。根据轴承类型和负载大小，径向负载被分布在多个滚动体13的几个至几乎一半的滚动体13上。当轴承10在操作中转动时，通过的滚动体13导致内环11或外环12的座圈局部压缩，从而产生位移。该位移被有效地传送到传感器环3上，特别是传感器环3的削弱部分2的区域。由于传感器环3被紧密地装配在内环11或外环12上，所述位移可以被传感器5测量到。测量设备1可以与轴承10分别制造，允许在需要测量轴承10上的径向力和/或轴向力的轴承10上使用测量设备1。
槽2在圆周方向的尺寸基本上等于轴承10的多个滚动体13的两个之间的距离。较宽的槽将导致出现永久位移，这是由于在同一时间有更多的滚动体13位于削弱区域，从而这可确保测量可能的最大的位移。如果削弱区域尺寸小，则导致较小的位移，从而测量设备1的响应弱。
也能够改变传感器环3和内环11或外环12之间的接触力。这将导致测量设备1出现不同的响应，这在某些情况下可能是有利的。
图4是一个显示了符合本发明另一个实施例的测量设备1的俯视图。图5是一个沿图4中V-V线所做的测量设备1的断面图。测量设备1包括u形环形元件3，该环形元件3具有外元件6和内元件7。内元件7和外元件6形成u形环形元件3的两条腿，并基本上沿平行于传感器环1的中心轴线方向延伸。外元件6和内元件7之间形成一个环形间隙2。在符合本发明的一个实施例中，传感器环可以配备有内环4，其从u形环形元件向内突出，以容置轴承的外环(参考以下对图6的描述)。
为了测量目的，多个传感器5被设置在间隙2内。传感器5用于测量间隙2的偏移，它可以是以下传感器组中的一种，即压电元件、压力传感器、电容传感器、电感传感器和光学传感器。每种不同类型的传感器具有其适用于不同应用的优点。
图6显示了符合本发明的测量元件和滚柱轴承10的装置。滚柱轴承10包括内环11、多个滚动体13和外环12。如图所示，符合本发明的传感器环1可以被装配在外轴承环12的外侧。传感器环1的内元件7被安装得与轴承外环12平齐，使得作用在轴承10上的负载被传送到传感器环1上。由于u形环形元件3的弹性作用，作用在传感器环1上的负载导致间隙2的变形。另一种方案是，传感器环1可以采用下述方式被安装在轴承内环11的内部，也就是传感器环1的外表面与轴承内环11平齐，以便有效地传送作用在轴承上的负载。
为了能够测量作用在轴承10上的径向和轴向负载，至少两个传感器5应该被设置在传感器环1的间隙2内。利用两个传感器5可以确定间隙2的变形是否由径向负载或轴向负载或两种负载的组合造成的。对于纯径向力，间隙2变形的增加将在一个检测点被测量，同时在另一个(相对)检测点检测变形的减少。轴承10上的轴向力将被转换成在所有径向均匀分布的径向力，并因此将导致围绕其整个周边的间隙2的变形增加，从而来自所有传感器5的信号均等地增加。这些传感器5的信号之间的差值允许获得径向负载，同时这些传感器5信号平均值的变化允许获得轴向负载。
利用两个传感器5，轴承10上的径向负载可以在单独一个方向上被测量，该方向就是两个传感器5之间的连接线。通过利用三个传感器，轴承10上的径向负载可以在沿这三个传感器5所形成的表面的所有方向上被确定，也就是在所述实施例中垂直于中轴线。
图7示意性显示了符合本发明的测量系统20。该测量系统20包括处理器21和与该处理器21相连的存储装置22。处理器21可以是微型处理器或专用信号处理器。传感器5将它们的测量信号提供给处理器21。根据所使用传感器5的类型，传感器信号可能需要额外的电子设备，用于信号调节或预处理。
在最佳实施例中，处理器21被设置的用于根据从传感器5接收到的信号计算轴承上的轴向和径向负载。通过测量信号之间的差值获得轴承10上的径向负载，通过测量信号平均值的变化获得轴向负载。当使用三个传感器5时，处理器21也被设置的用于获取作用在轴承10上的径向负载的方向。
作为示例，处理器21被设置以应用轴承模型获得轴承10上的轴向负载，轴承模型可以被存储在存储装置22内。所述轴承模型描述了轴承上的轴向负载和由此导致的特定类型轴承上的径向负载之间的关系。根据轴承类型，例如滚柱轴承、圆锥滚柱轴承和球轴承等，采用特定方式将轴承10上的轴向负载转换成径向负载。
同样，处理器21可以配备有一过滤器，用于对从传感器5接收到的信号进行过滤。该过滤器被设置以通过预定频率间隔内的信号成分。该实施例允许区分由不同现象导致的传感器5的信号。一种现象是在操作期间通过削弱部分2的轴承10内滚动体13的频率。该信号的频率依赖轴承尺寸和滚动体13的数目，并且通常是轴承10的转速(rpm)的5～10倍。另一种现象就是在轴承被轴向施加预负载时由轴承的内环11或外环12的不圆度引起的。这种现象导致检测到的信号内的相对低的频率，大约是轴承10的转速的2～3倍。通过应用对应于上述频率范围的过滤器的特性，将导致这样的输出信号，也就是在该信号中上述频率占主导地位，而其它信号频率成分被遏制。

Claims (12)

1、一种用于测量轴承(10)上的轴向和/或径向负载的测量设备(1)，所述轴承包括内环(11)、外环(12)和所述内外环之间的多个滚动体(13)，
其特征在于：所述测量设备(1)包括传感器环(3)，该传感器环(3)邻接轴承(10)的内环(11)或外环(12)并与它们密切接触，
在所述传感器环(3)的周向具有至少一个削弱部分(2)，至少一个传感器(5)被设置在所述至少一个削弱部分(2)上。
2、根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于：所述至少一个削弱部分(2)由所述传感器环(3)上的槽形成。
3、根据权利要求2所述的测量设备，其特征在于：所述槽(2)的周向尺寸基本上等于所述轴承(10)上多个滚动体(13)的两个之间的距离。
4、根据权利要求1、2或3所述的测量设备，其特征在于：还包括用于对来自至少一个传感器(5)的信号进行过滤的过滤装置(21)，所述过滤装置(21)被设置以通过预定频率间隔范围内的信号成分。
5、根据上述任一个权利要求所述的测量设备，其特征在于：所述传感器环(3)围绕所述轴承(10)的内环(11)或外环(12)预先张紧。
6、根据上述任一个权利要求所述的测量设备，其特征在于：所述传感器环(3)包括两个削弱部分(2)，所述传感器(5)被设置在每个削弱部分(2)内。
7、根据权利要求1～5之一所述的测量设备，其特征在于：所述传感器环(3)包括至少三个削弱部分(2)，每个削弱部分(2)具有一传感器(5)，所述传感器(5)被定位在垂直于轴承(10)的转动轴线的表面内。
8、根据上述任一个权利要求所述的测量设备，其特征在于：所述至少一个传感器(5)是下述类型传感器中的一种，即压电传感器、压力传感器、电容传感器、电感传感器和光学传感器。
9、根据上述任一个权利要求所述的测量设备，其特征在于：所述传感器环(3)由u形环形元件形成，该u形环形元件包括用于形成u形环形元件(4)腿部的外元件(6)和内元件(7)，所述外元件和内元件(6，7)沿基本上平行于传感器环(3)中心轴线的方向延伸，在所述外元件和内元件(6，7)之间形成一圆形间隙(2)。
10、一种轴承(10)和符合权利要求1～9之一的测量设备(1)的组件，其特征在于：所述传感器环(3)与所述轴承(10)的内环(11)或外环(12)形成一个整体。
11、一种用于对轴承(10)上的轴向负载和径向负载进行差动负载检测的测量系统，
所述测量系统(20)包括处理单元(21)、与该处理单元(21)相连的存储单元(22)以及与该处理单元(21)相连的符合权利要求1～9之一的测量设备(1)；
所述处理单元(21)被设置的用于计算轴承(10)上的轴向和径向负载，通过对至少两个传感器(5)的测量信号进行计算，从其差值中求得径向负载，通过对至少两个传感器(5)的测量信号进行计算，从测量信号的平均值变化中求得轴向负载。
12、根据权利要求11所述的测量系统，其特征在于：所述处理单元(21)被设置的应用一个轴承模型获得轴承(10)上的轴向负载，所述轴承模型描述了轴承(10)上的轴向负载和由此导致的轴承(10)上径向负载之间的关系。
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