CN1717575A - 利用特殊转速测量来测量滚动轴承上的载荷 - Google Patents

Abstract

探测各排中滚动轴承的滚动元件(9a、9b)的转速，然后基于所述转速获得轴向载荷或径向载荷。在这些载荷的作用方向偏移的情况下，在各排中的滚动元件的接触角 (α_a、α_b)响应该偏移而不同，或者用来检测各载荷的影响系数的数值基于转速而变化。此外，轮毂(2)的转速被测量(15a、27)。与防抱死制动系统(ABS)、牵引力控制系统(TCS)、车辆稳定性控制系统(VSC)一同使用。

Description

利用特殊转速测量来测量滚动轴承上的载荷

技术领域

根据本发明的用于滚动轴承装置的载荷测量装置涉及在滚动轴承装置中的改进，该滚动轴承装置用于支撑诸如汽车、铁路车辆、各种运输车等的移动体上的轮子，所述改进例如用于通过测量施加到该滚动轴承装置上的载荷来确保移动体的运行稳定性。

背景技术

例如，车辆的轮子经由双排角接触滚珠轴承利用悬挂系统支承。而且，为了确保车辆的运行稳定性，采用了诸如防抱死制动系统(ABS)或牵引力控制系统(TCS)、车辆稳定性控制系统(VSC)等的稳定车辆运行的系统。为了控制这种稳定车辆运行的系统，需要诸如车轮转速、从各个方向施加到车体上的加速度等的各种信号。于是为了执行更高的控制，在一些情况下，优选地知道经由轮子施加到滚动轴承上的载荷(径向载荷和轴向载荷中的一个或者两者)的大小。

鉴于这种情况，在JP-A-2001-21577中阐述了配备有载荷测量装置的滚动轴承装置，该载荷测量装置能够测量径向载荷。在现有技术中的该第一示例中配备有载荷测量装置的滚动轴承装置测量径向载荷，并如图17所示构成。轮毂2是轮子安装并固定在其上的旋转环，并且该轮毂对应于内环等同部件，该轮毂被支承在是静止环的外环1的内径侧上，所述外环利用悬挂系统被支承，并且对应于外环等同部件。该轮毂2具有轮毂主体4和内环6。该轮毂主体4在沿轴向的外端部上具有旋转侧凸缘3，轮子安装在凸缘3上(其中“沿轴向的外侧”意味着在装配到车辆上的状态下沿着宽度方向的外侧。在本说明书和权利要求书中均如此解释。)。这种内环6被装配到该轮毂主体4的内端部上(其中“沿轴向的内侧”意味着在装配到车辆上的状态下沿着宽度方向的中心侧。在本说明书和权利要求书中均如此解释。)，然后用螺母5固定。然后，多个滚动元件9a、9b分别被设置在双排外环滚道7、7和双排内环滚道8、8之间，所述外环滚道分别作为静止侧滚道形成在外环1的内周表面上，所述内环滚道分别作为旋转侧滚道形成在轮毂2的外周表面上，从而轮毂2可在外环1的内径侧上旋转。

沿着轴向、在几乎垂直于该外环1的顶端部的方向上，沿径向穿过外环1的装配孔10在外环1的中间部分中形成。然后，将用作载荷测量传感器的圆形杆状(棒状)位移传感器11装配到装配孔10中。该位移传感器11是非接触型的，并且设置到顶端表面(下端表面)的探测表面紧密面向沿轴向被装配并固定到轮毂2的中间部分上的传感器环12的外周面。当探测表面与传感器环12的外周面之间的距离发生变化时，该位移传感器11响应该变化而输出信号。

在滚动轴承装置配置有如上所述现有技术的载荷测量装置时，施加到可基于位移传感器11的探测信号获得滚动轴承装置上的载荷。尤其是，利用车辆的悬挂系统支承的外环在车辆自重的作用下被向下推动，而支承并固定有车轮的轮毂2趋于仍旧保持在其原来的位置上。因此，在重量增大的任何时候，所述外环1的中心和轮毂2的中心之间的偏移由于外环1和轮毂2和滚动元件9a、9b之间的弹性变形而增大。于是随着重量的增加，设置到外环1的顶端部分上的位移传感器11的探测表面与传感器环12的外周面之间的距离变短。因此，如果位移传感器11的探测信号被传送给控制器，施加到包括该位移传感器11的滚动轴承装置上的径向载荷可从一关系式、图、或者先前从实验等获得的类似物进行计算。根据以这种方式获得的施加到相应滚动轴承装置上的载荷，不仅ABS能正确地受控，而且可以将承载状态的故障通知驾驶者。

在这种情况下，图17所示的现有技术的结构使得除了施加到滚动轴承装置上的载荷以外还可以探测到轮毂2的转速。为此，将传感器转子13装配并固定到内环6的内端部上，并且利用安装到外环1的内端开口部分上的盖子14支承转速传感器15。于是转速传感器15的探测端与转子13的探测部分经由一探测间隙相对。

在配备有如上所述转速传感器的该滚动轴承装置的操作中，在传感器转子13与其上固定有轮子的轮毂2一起旋转，然后传感器转子13经过转速传感器15的探测部分的紧密附近时，该转速传感器15的输出改变。转速传感器15的输出的频率以与轮子的转数成比例的方式变化。因此，能通过将转速传感器15的输出信号馈送到未示出的控制器来正确控制ABS或TCS。

配备有现有技术结构中的上述第一示例的载荷测量装置的滚动轴承装置用于测量施加到滚动轴承装置上的径向载荷。而且，用来测量施加到滚动轴承装置上的轴向载荷的结构在JP-A-3-209016等中公开，并且在现有技术中是公知的。图18示出了配备有上述在JP-A-3-209016中公开并且用于测量轴向载荷的滚动轴承装置。在现有技术结构的第二示例的情况下，用来支承轮子的旋转侧凸缘3a设置到作为旋转环和内环等同部件的轮毂2a的外端部的外周面上。而且，用来将外环1a支承/固定到构成悬挂系统的转向节16上的旋转侧凸缘17设置到作为静止环和外环等同部件的外环1a的外周面上。于是，多个滚动元件9a、9可旋转地设置在双排外环滚道7、7与双排内环滚道8、8之间，所述外环滚道在外环1a的内周面上形成，所述内环滚道分别在轮毂2a的外周面上形成，因此轮毂2a被可旋转地支承在外环1a的内径侧上。

另外，载荷传感器20被固定在静止侧凸缘17的内侧表面上的多个位置处，以便围绕螺纹孔19，螺栓18拧入该螺纹孔19中以分别连接静止侧凸缘17和转向节16。在外环1a被支承/固定到转向节16上的情况下，这些载荷传感器20位于转向节16的外侧面与静止侧凸缘17的内侧面之间。

在现有技术上述第二示例的用于滚动轴承装置的载荷测量装置的情况下，在轴向载荷施加在未示出的轮子和转向节16上的任何时候，转向节16的外侧面与静止侧凸缘17的内侧面沿着轴向从两个表面相互抵靠相应的载荷传感器20强力推动。因此，可以通过将从这些载荷传感器20获得的测量值相加来探测到施加在轮子和转向节16之间的轴向载荷。而且，在JP-B-62-3365中，虽然未示出，但公开了基于外环等同部件的振动频率获取滚动元件的转速并测量施加到滚动轴承上的轴向载荷的方法，所述外环上的一部分的刚性降低。

在上述图17所示的现有技术的第一示例的情况下，通过利用位移传感器11探测外环1和轮毂2在径向方向上的偏移来测量施加到滚动轴承装置上的载荷。在这种情况下，因为径向方向的偏移量非常小，因此必须使用高精度的传感器作为位移传感器11来以优良的精度测量该载荷。由于高精度非接触型传感器很昂贵，因此不可避免地配备有该载荷测量装置的滚动轴承装置的整体成本增加。

而且，在如上图18所示的现有技术的第二示例的情况下，载荷传感器20应用的数量必须与用来将外环1a支承/固定到转向节16上的螺栓18一样多。因此，由于存在该情况以及载荷传感器20本身很贵的上述情况，因此不可避免地配备有该载荷测量装置的整个滚动轴承装置的成本相当大地增加。而且，由于外环等同部件中的一部分的刚性必须降低以使用如上述JP-B-62-3365所述的方法，因此可能确保外环等同部件的耐用性变得困难。

发明内容

鉴于上述情况作出本发明，本发明的目的是提供一种用于滚动轴承装置的载荷测量装置，即使在施加到滚动轴承装置上的径向载荷或轴向载荷作用方向偏移的情况下，该装置也能够通过减小载荷偏移对载荷变化与各排中滚动元件的转速改变量之间的关系的影响，来以优良的精度测量载荷。

每个用于滚动轴承装置的载荷测量装置包括静止环、旋转环、滚动元件、至少一对转速传感器和计算器。

在它们中，静止环在使用中不转动。

而且，旋转环与静止环同心布置并且在使用中旋转。

而且多个所述滚动元件在静止侧滚道和旋转侧滚道之间可旋转地设置以至少在两排之间沿相反方向分别指向接触角，所述滚道以两排或者多排分别形成在静止环和旋转环的相对部分上。

而且，所述转速传感器用于探测滚动元件的转速，分别在两排中的滚动元件的接触角的方向相互不同。

而且所述计算器基于从转速传感器馈送的探测信号来计算施加在静止环与旋转环之间的载荷。

于是，在根据本发明第一方面的用于滚动轴承装置的载荷测量装置中，施加在静止环与旋转环之间的载荷的偏移对载荷变化与各排中滚动元件的转速改变量之间的关系的影响可通过使各排中滚动元件的接触角相互不同而减小。在这种情况下，在轴向载荷或偏移的径向载荷没有施加到滚动轴承装置上的条件下，即在该滚动轴承装置的装配状态下，接触角相互不同。

而且，在根据本发明第二方面的用于滚动轴承装置的载荷测量装置中，基于施加在静止环和旋转环之间的所述载荷的偏移来表达载荷变化与各排中滚动元件的转速改变量之间的关系的表达式被安装到所述计算器中。于是，施加在静止环和旋转环之间的载荷的偏移对载荷变化与各排中滚动元件的转速改变量之间的关系的影响可通过基于该表达式计算所述载荷而减小。

即使是径向载荷没有作用在滚动轴承装置的轴向上两排之间的中心位置及其附近的情况下，或者即使轴向载荷没有作用在该滚动轴承装置的中心部分(中心轴线)及其附近的情况下，根据如上构建的本发明的用于滚动轴承装置的载荷测量装置也可行地不会在计算得到的径向载荷或者轴向载荷的数值与实际作用的径向载荷或轴向载荷的数值之间产生大的差异。因此，诸如汽车等的移动体的运行稳定性可保证在一高水平。

在实施本发明的情况下，根据本发明的第三方面，优选地，旋转环是轮毂，该轮毂将车辆的轮子固定到旋转侧凸缘上以与轮子一起旋转，所述旋转侧凸缘被沿着轴向固定于外端部的外周面上。

当以这一方式构建时，获得了VSC控制信号，并且汽车的运行稳定性有效地得到了保证。

在该情况下实施本发明时，在轴向上内排中的滚动元件的接触角设定成大于在轴向上外排中的滚动元件的接触角。

而且，根据本发明的第四方面，优选地静止环和旋转环中的一个滚道环是外环等同部件，另一滚道环是内环等同部件，每个滚动元件是滚珠，并且将背对背设置类型的接触角赋予多个滚珠，这些滚珠分别设置在形成于内环等同部件的外周面上的双排角接触内环滚道与形成于外环等同部件的内周面上的双排角接触外环滚动之间。

当以该方式构建时，响应载荷变化，可通过在没有显见故障的情况下改变各排中滚动元件(滚珠)的转速，来有效地实施基于转速的载荷测量。

而且，根据本发明的第五方面，优选地计算器基于从旋转速度传感器馈送的信号来计算旋转环的旋转速度。然后计算器基于在各排中的滚动元件的转速与所述旋转速度的比值来计算施加在静止环与旋转环之间的载荷。

当以该方式构建时，不管旋转环的旋转速度变化如何，可精确地获得载荷。

附图说明

图1是剖面图，示出了配备有载荷测量转速传感器的滚动轴承装置，该图示出了本发明的一实施例；

图2是图1中A部分的放大图；

图3是示意图，示出了当从图2上侧看时的保持架和滚动元件、编码器和转速传感器；

图4是一滚动轴承装置的示意图，用来解释为何基于转速可以测量载荷的原因；

图5示出了轴向载荷与相应排滚动元件的转速之间的关系；

图6示出了径向载荷与相应排滚动元件的转速之间的关系；

图7与图4类似，示出了在径向载荷的作用方向上存在偏移的状态；

图8示出了在图7所示状态下，轴向载荷与相应排滚动元件的转速之间的关系；

图9示出了在类似状态下径向载荷与相应排滚动元件的转速之间的关系；

图10与图4类似，示出了在轴向载荷和径向载荷的相应作用方向上存在偏移的状态下，相应排滚动元件的接触角相互不同的结构；

图11示出了在图10所示状态和结构中轴向载荷与在相应排中的滚动元件的转速之间的关系；

图12示出了在类似情况下，径向载荷与在相应排中的滚动元件的转速之间的关系；

图13示出了简单基于在轴向载荷和径向载荷的相应作用方向上存在偏移的状态下的不同而获得轴向载荷的情况；

图14示出了简单基于类似状态下的转速总和而获得径向载荷的情况；

图15示出了考虑到在轴向载荷和径向载荷的相应作用方向上存在偏移的状态下的影响系数，而基于转速之间的不同获得轴向载荷的情况；

图16示出了在类似状态下基于转速的总和获得径向载荷的情况；

图17是剖面图，示出了在现有技术中公知的配备有径向载荷测量传感器的滚动轴承装置；

图18是剖面图，示出了在现有技术中公知的配备有轴向载荷测量传感器的滚动轴承装置。

具体实施方式

图1至5示出了本发明的一实施例。该实施例示出了本发明应用于用于滚动轴承装置的载荷测量装置的情况，所述载荷测量装置用于测量施加到支承汽车的惰轮(FR车、RR车和MD车的前轮，FF车的后轮)的滚动轴承装置上的载荷(径向载荷和轴向载荷)。由于该滚动轴承装置自身的结构和操作类似于上述图17所示的现有技术中的结构和操作，因此省略重复性解释或者通过使用相同的附图标记指代相同的部分来加以简化。因此，下面主要说明本实施例的特征部分。

在多个滚动元件(滚珠)9a、9b分别被保持架21a、21b每排保持的情况下，所述多个滚动元件可旋转地在双排角接触内环滚道8、8与双排角接触外环滚道7、7之间以多排(双排)分别设置。该内环滚道8、8形成在轮毂2的外周面上，并且分别用作旋转侧滚道，所述轮毂2是旋转环和内环等同部件。该外环滚道7、7形成在外环1的内周面上，并分别用作静止侧滚道，所述外环1是静止环和外环等同部件。因此，轮毂2被可旋转地支承在外环1的内径侧上。在彼此相反方向上指向并且大小相同的接触角α_a、α_b(图2)赋予在该状态下相应排中的滚动元件9a、9b，从而构成背对背设置类型的双排角接触滚珠轴承。将足够的预载荷施加到各排中的滚动元件9a、9b上，其程度使得这些预载荷决不会被使用中施加的轴向载荷损失。在使用这种滚动轴承装置时，通过将外环1支承/固定到悬架系统上来将车辆的刹车盘和轮子支承/固定到轮毂2的旋转侧凸缘3上。

装配孔10a在沿着轴向的双外环滚道7、7之间构成上述滚动轴承装置的外环1的中部形成，该孔沿着径向穿过外环1。然后将传感器装置22从外环1的外侧沿着径向插入装配孔10a中，以从外环1的内周面伸出一个探测部分23，该探测部分23设置在传感器装置22的顶端部分上。一对转速传感器24a、24b和旋转速度传感器15a设置在该探测部分23上。

转速传感器24a、24b设置用于测量双排布置的滚动元件9a、9b的转速，并且相应的探测表面沿轮毂2的轴向(图1至2中横向方向)设置在探测部分23的两个侧表面上。在该示例中，各转速传感器24a、24b探测双排布置的滚动元件9a、9b的转速，作为各保持架21a、21b的转速。因此，在本示例中，构成这些保持架21a、21b的边缘部分25、25设置在相对侧上。然后，分别形成为圆环状的转速编码器26a、26b被围绕整个圆周固定/支承在这些边缘部分25、25的相对面上。以一等间距沿着圆周方向交替变化的这些转速编码器26a、26b的被探测表面的特性使各转速传感器24a、24b能够探测保持架21a、21b的转速。

为此，各转速传感器24a、24b的探测表面在作为转速编码器26a、26b的被探测表面的相对表面的附近相对。在这种情况下，优选地，各转速编码器26a、26b的被探测表面和各转速传感器24a、24b的探测表面之间的距离应设定成大于作为保持架21a、21b的承窝的内表面与滚动元件9a、9b的滚动表面之间的间隙的承窝间隙，但小于2mm。如果探测间隙被设定为承窝间隙或者更小，则当保持架21a、21b通过该承窝间隙移位时，被探测表面和探测表面可能相互刮擦，这种情况是不希望出现的。相反，如果探测间隙超过2mm，将难以利用各转速传感器24a、24b精确测量各转速编码器26a、26b的旋转。

同时，设置旋转速度传感器15a用来测量作为旋转环的轮毂2的旋转速度，并且其探测表面设置在探测部分23的顶端表面上，即沿着径向方向在外环1的内端表面上。而且，将圆柱旋转速度编码器27装配/固定到在双排内环滚道8、8之间的轮毂2的中间部分上。旋转速度传感器15a的探测表面面对作为旋转速度编码器27的被探测表面的外周面。以一等间距沿着圆周方向交替变化的旋转速度编码器27的被探测表面的特性使旋转速度传感器15a能够探测轮毂2的旋转速度。旋转速度编码器27的外周面与旋转速度传感器15a的探测表面之间的探测间隙也限制小于2mm。

在这种情况下，在现有技术中为了获得用于ABS或TCS的控制信号，应用具有不同结构的用于探测轮子的转速编码器可作为编码器26a、26b和27。例如，由多极磁铁制成的编码器可优选地作为编码器26a、26b和27，其中N极和S极以一等间距交替布置在被探测表面(侧面或者外周面)上。在这种情况下，可以使用由简单磁性材料制成的编码器或者光学特性沿着圆周方向以一等间距交替变化的编码器(如果这种编码器与光学转速传感器结合)。

在本示例中，作为转速编码器26a、26b，可以使用圆环永磁铁，其中N极和S极沿着轴向方向以一等间距交替布置在侧面上，作为被探测表面。这种转速编码器26a、26b被连接/固定到利用粘合剂分开准备的保持架21a、21b的边缘部分25、25的侧面上，否则在保持架21a、21b的注射模制之前将这种转速编码器26a、26b放置在凹部中，然后通过镶嵌成型将其连接/固定到上述侧面上。可根据成本、所需的连接强度等等选择应用任何方法。

而且，作为均是用于探测旋转速度的传感器的转速传感器24a、24b和旋转速度传感器15a，可理想地应用磁性旋转速度传感器。而且，作为该磁性旋转速度传感器，可以理想地应用包括诸如霍尔元件、霍尔IC、磁阻元件(MR元件、GMR元件)、MI元件等磁性探测元件在内的有源类型的旋转速度传感器。为了构建这种其中包括磁性探测元件的有源类型的旋转速度传感器，例如，将该磁性探测元件的一个侧面沿着磁化方向直接或者经由磁性材料制成的定子放置在永磁铁的一端面上(在使用磁性材料制成的编码器的情况下)并且然后使该磁性探测元件的另一侧面分别直接或者经由磁性材料制成的定子与编码器26a、26b、27的被探测表面相对。在本示例中，由于使用了永磁铁制成的编码器，因此位于传感器侧的永磁铁是不需要的。

在本实施例的用于滚动轴承装置的载荷测量装置中，传感器24a、24b、15a的探测信号被输入未示出的计算器。然后，计算器基于来自这些传感器24a、24b、15a的探测信号计算在外环1和轮毂2之间施加的径向载荷和轴向载荷中的一个或者两者。例如，当要计算径向载荷时，计算器计算各排中的滚动元件9a、9b的转速的总和(或乘积)，所述滚动元件9a、9b的转速由转速传感器24a、24b探测，并且该计算器然后基于该总和(或乘积)与轮毂2的旋转速度(或旋转速度的平方)的比值来计算径向载荷，该轮毂2的旋转速度由旋转速度传感器15a探测。而且，当要计算轴向载荷时，计算器计算在各排中的滚动元件9a、9b的转速之间的差值，其中所述滚动元件9a、9b的转速由转速传感器24a、24b探测，并且该计算器然后基于该差值与轮毂2的旋转速度的比值来计算轴向载荷，该轮毂2的旋转速度由旋转速度传感器15a探测。

尤其是，在本实施例中，施加在外环1与轮毂2之间的径向载荷F_z或者轴向载荷F_y偏移(displacement)对这些载荷F_z、F_y的变化与各排中滚动元件9a、9b的转速ε的变化量之间的关系的影响可通过应用下述手段(a)、(b)中的一种或者两种来减小。

(a)使各排中的滚动元件9a、9b的接触角α_a、α_b彼此不同。

(b)引入关系式(将包括该关系式的软件安装到微型计算机中)，该关系式代表基于施加在外环1与轮毂2之间的径向载荷F_z或者轴向载荷F_y偏移，所述载荷F_z、F_y的变化与各排中滚动元件9a、9b的转速ε的变化量之间的关系，然后基于该关系式计算各载荷F_z、F_y。

下文将参照附图4至12来讨论应用上述手段中的一个或者二者来减小施加在外环1与轮毂2之间的径向载荷F_z或者轴向载荷F_y偏移对这些载荷F_z、F_y的变化与各排中滚动元件9a、9b的转速ε的变化量之间的关系的影响的原因。首先将解释各排中的滚动元件9a、9b的接触角α_a、α_b彼此相同，并且将径向载荷F_z施加到轴向上各排中的滚动元件9a、9b之间的中心位置上，将轴向载荷F_y施加到轮毂2的中心轴线(中心部分)的情况，如图4所示，即这些载荷F_z、F_y没有偏移的情况。

图4示意性示出了各载荷作用在如图1所示用于支承轮子的滚动轴承装置上的状态。预载荷F_o、F_o施加到双排内环滚道8、8和双排外环滚道7、7之间以双排布置的滚动元件9a、9b上。而且，在使用中，径向载荷F_z在车体等的重量的作用下而施加到滚动轴承装置上。另外，轴向载荷F_y在转向等的过程中通过所施加的离心力而作用。所有的预载荷F_o、F_o，径向载荷F_z，轴向载荷F_y对滚动元件9a、9b的接触角α(α_a、α_b)都有影响。于是，只要接触角α_a、α_b变化，这些滚动元件9a、9b的转速ε变化。各转速ε由下式给出：

ε＝{1-(d·cosα/D)·(n_i/2)}+{1+(d·cosα/d)·(n₀/2)}...(1)

其中，D为滚动元件9a、9b的节圆直径；

d为滚动元件9a、9b的直径；

n_i为轮毂2的旋转速度，内环滚道8、8设置在轮毂2上；

n₀为外环1的旋转速度，外环滚道7、7设置在外环1上；

从该方程(1)可以看出，滚动元件9a、9b的转速ε(ε_a，ε_b)随着接触角α(α_a、α_b)的变化而变化。此时，如上所述，接触角α_a、α_b随着径向载荷F_z和轴向载荷F_y变化。因此转速ε随着径向载荷F_z和轴向载荷F_y变化。例如，当假定径向载荷F_z恒定，将轴向载荷F_y被施加到轮毂2的中心轴线上时，随着轴向载荷F_y增大，支持轴向载荷F_y的排中的转速ε_b增大，如图5中的虚线b所示。相反，随着轴向载荷F_y增大，未支持轴向载荷F_y的排中的转速ε_a减小，如图5中的实线a所示。而且，随着径向载荷F_z增大，在各排中的特速ε_a、ε_b类似地减小，如图6所示。因此可以通过只进行简单的加减和基于转速ε_a、ε_b获得轮毂2的旋转速度n_i的简单计算来以优良的精度获得所述径向载荷F_z和轴向载荷F_y。

但是，与转速ε_a、ε_b的变化相关的接触角α不仅基于径向载荷F_z和轴向载荷F_y之间的相互关系变化，而且基于预载荷F_o、F_o变化。而且，转速ε与轮毂2的旋转速度n_i成正比变化。因此，除非在彼此相关的情况下考虑所有的径向载荷F_z，轴向载荷F_y，预载荷F_o、F_o，轮毂2的旋转速度n_i，不能精确得到转速ε。由于其中预载荷F_o、F_o不会依赖于驱动条件而变化，因此容易通过初始化等来排除。相反，径向载荷F_z，轴向载荷F_y，轮毂2的旋转速度n_i根据驱动条件而变化，不可能利用初始化等来排除影响。

因此，在获取径向载荷F_z的情况下，可以通过计算由转速传感器24a、24b探测的各排中滚动元件9a、9b的转速的总和(ε_a+ε_b)(或者乘积)，来将轴向载荷F_y的影响抑制得很小。而且，在获取轴向载荷F_y的情况下，可以通过计算各排中滚动元件9a、9b的转速之间的差值(ε_b-ε_a)来将径向载荷F_z的影响抑制得很小。另外，在任何情况下，可通过基于所述总和或差值与轮毂2的旋转速度n_i的比值计算径向载荷F_z或轴向载荷F_y，来排除轮毂2的旋转速度n_i的影响，所述旋转速度n_i由旋转速度传感器15a探测到。

这里，除了上面所述之外，还存在各种基于来自传感器24a、24b的信号输出而计算径向载荷F_z和轴向载荷F_y中的一个或两者的方法。由于这些方法与本发明的主旨无关，因此在此省略了对其的详细解释。

在这种情况下，即使应该利用任意方法计算载荷，需要以下条件以精确计算轴向载荷F_y，即在支持轴向载荷F_y的排中的转速ε_b基于轴向载荷F_y的变化而改变的程度△ε_b变得相等于在不支持轴向载荷F_y的排中转速ε_a的改变程度 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_a\left(\right|\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_b|\≅|\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_a\left|\right).$ 而且，需要以下条件以精确计算径向载荷F_z，即各排中的转速ε_b、ε_a根据径向载荷F_z的变化而类似变化。

如图4所示，当这些载荷F_z、F_y没有偏移时，上述条件得到满足，然而如果当这些载荷F_z、F_y中的一个或者两者的作用方向偏移时照现在这样进行计算，则这些载荷F_z、F_y的计算值的误差增大。

例如，如图7所示，对在滚动轴承装置中将径向载荷F_z施加到偏离两排滚动元件9a、9b之间的中心位置及其附近的位置上，而将轴向载荷F_y，施加到偏离轮毂2的中心部分的位置上的情况加以考虑。例如，为了便于设计悬挂系统，在用于支承轮子的滚动轴承装置中，有时不能将径向载荷F_z的作用方向定位在两排滚动元件9a、9b的中心部分及其附近。而且在车辆转向过程中施加到用于支承轮子的滚动轴承装置上的轴向载荷F_y从轮胎的接触表面(轮胎和路面之间的接触部分)输入。因此即使滚动轴承装置被理想地装配到悬挂系统中，通常也会导致如图7所示的状态。在这种状态下，一力矩基于相应的载荷F_z、F_y施加到滚动轴承装置的轮毂2上。

在这种情况下，如图8和9所示，各排中的滚动元件9a、9b的转速ε_a、ε_b根据相应载荷F_z、F_y的变化而变化。首先，在轴向载荷F_y变化而同时保持径向载荷F_z恒定的情况下，当轴向载荷F_y增大时，支持轴向载荷F_y的排中的转速ε_b增大，而不支持轴向载荷F_y的排中的转速ε_a减小，如图8中的虚线b和实线a所示。这一趋势类似于在各载荷F_z、F_y中无偏移的情况，但各排中的滚动元件9a、9b的转速ε_a、ε_b改变的程度在各排中的滚动元件9a、9b之间不同(图8中的虚线b和实线a的斜率的绝对值不同)。在这种情况下，如果尝试利用简单的计算来从各排中的滚动元件9a、9b的转速计算轴向载荷F_y，则误差扩大。

而且，如图9中的虚线b和实线a所示，各排中的转速ε_a、ε_b随着径向载荷F_z的增大而减小，但减小的程度不同。在这种情况下，如果尝试利用简单的计算来从各排中的滚动元件9a、9b的转速计算径向载荷F_z，则误差扩大。

相反，即使当载荷F_z，F_y中的一个或者两者的作用方向偏移时，如果各排中的滚动元件9a、9b的接触角α_a、α_b相互不同，如上述手段(a)所示，则由于载荷F_z、F_y改变而导致的各排中转速ε_a、ε_b的变化的水平之间可能不会产生大的差异。例如，如图10所示，下面将讨论将径向载荷F_z施加到双排滚动元件9a、9b之间的中心位置及其附近，将轴向载荷F_y施加到偏离滚动轴承装置的中心部分的位置上的情况。在这种情况下，如果双排滚动元件9a、9b的接触角α_a、α_b彼此相等设置，则载荷F_z、F_y和各排中滚动元件9a、9b的转速之间的关系显示出类似于图8、9中所示的趋势。因此，不可能通过简单计算来准确获得载荷F_z、F_y。

相反，图11和12示出了在将支持轴向载荷F_y的排中的滚动元件9a、9b的接触角α_b设置为50度，将不支持轴向载荷F_y的排中的滚动元件9a、9b的接触角α_a设置为60度的情况下，载荷F_z、F_y和各排中滚动元件9a、9b转速ε_a、ε_b之间的关系的结果，这可通过计算机模拟获得。

首先，在轴向载荷F_y变化而保持径向载荷F_z恒定的情况下，当轴向载荷F_y增大时，支持轴向载荷F_y的排中的转速ε_b增大，而不支持轴向载荷F_y的排中的转速ε_a减小，如图11中的虚线b和实线a所示。于是，因为轴向载荷F_y没有极大地增大(没有超过6860N(700ksf))，各排中的滚动元件9a、9b的转速ε_a、ε_b改变的程度在各排中的滚动元件9a、9b之间没有大的不同(图11中的虚线b和实线a的斜率的绝对值几乎相等)。

而且，在径向载荷F_z变化而同时不施加轴向载荷F_y的情况下，当径向载荷F_z增大时，各排中的滚动元件9a、9b的转速ε_a、ε_b减小，如图12中的虚线b和实线a所示。由于各排中的滚动元件9a、9b的接触角α_a、α_b相互不同，因此各排中的滚动元件9a、9b的转速ε_a、ε_b相互不同，但变化的趋势和程度彼此相同。

以这种方式，即使轴向载荷F_y的作用方向存在偏移，通过使各排中的滚动元件9a、9b的接触角α_a、α_b相互不同，各排中的滚动元件9a、9b的转速ε_a、ε_b也可类似变化。于是，可基于各排中滚动元件9a、9b的转速ε_a、ε_b，通过简单的计算来以所需精度计算载荷F_y、F_z。

下面利用数学表达式来解释上述内容。

在如图4、7、10所示将轴向载荷F_y和径向载荷F_z施加到滚动轴承装置上的情况下，如果使用影响系数，则各排中滚动元件9a、9b的转速ε_a、ε_b可以用下面的方程(2)、(3)来表示。

ε_a＝k_ya·F_y+k_za·F_z   ...(2)

ε_b＝k_yb·F_y+k_zb·F_z   ...(3)

如上图5、6、8、9、11、12所示的虚线b和实线a产生相应的影响系数k_ya、k_yb、k_za、k_zb。

在如图4所示，载荷F_y、F_z的作用方向没有偏移，并且如图5、6所示，虚线b和实线a的斜率的绝对值相等，即k_ya＝-k_yb，k_za＝k_zb的情况下，将这些关系式带入方程(2)得到：

ε_a＝-k_yb·F_y+k_zb·F_z  ...(4)

ε_b＝k_yb·F_y+k_zb·F_z   ...(3)

另外，由这些方程给出的各排中的滚动元件9a、9b的转速ε_a、ε_b得到：

ε_b-ε_a＝2k_yb·F_yF_y＝(ε_b-ε_a)/2k_yb  ...(5)

ε_b+ε_a＝2k_zb·F_zF_z＝(ε_b+ε_a)/2k_zb  ...(6)

从这些方程(5)(6)可见，载荷F_y、F_z可通过前述现有技术发明(专利申请No.2003-171715和172483)精确得到，除非载荷F_y、F_z的作用方向没有偏移。

相反，如果载荷F_y、F_z的作用方向偏移，如图7、10所示，则不满足关系式k_ya＝-k_yb，k_za＝k_zb，由此不满足方程(5)(6)。作为对比，如在上图10中所作说明，即使载荷F_y、F_z的作用方向偏移，通过适合地使各排中的滚动元件9a、9b的接触角α_a、α_b相互不同，也能满足关系式k_ya＝-k_yb，k_za＝k_zb。例如，在如上所述将支持轴向载荷F_y的排中的滚动元件9a、9b的接触角α_b设置为50度，将不支持轴向载荷F_y的排中的滚动元件9a、9b的接触角α_a设置为60度的情况下，由于初始的接触角α_a、α_b相互不同，各排中的滚动元件9a、9b的转速ε_a、ε_b在轴向载荷F_y为零时相互不同，然而在施加轴向载荷F_y时，转速ε_a、ε_b的变化特性(增益特性)在各排中变得几乎相互相等。因此，在通过简单的加/减来获得F_y、F_z时所需的影响系数之间的关系式，即关系式k_ya＝-k_yb，k_za＝k_zb可以得到满足。

在这种情况下，如果虚线b和实线a在轴向载荷F_y的测量范围内彼此相交，如图11所示，则不能计算轴向载荷F_y。因此，在应用的接触角α_a、α_b处发生如图11所示的交叉的情况下，进行平移任意线的过程。例如，在图11所示的情况下，进行获得不支持轴向载荷F_y的排中的滚动元件9a、9b的转速ε_a的操作，然后从该转速ε_a减去或者加上一个预定数值(将图11中的实线a向下平移或者向上平移到该实线a不与虚线b交叉的位置)。

在上述说明中，主要解释了轴向载荷F_y的作用方向存在偏移的情况。因为对于用来支承车辆轮子的滚动轴承装置来说，轴向载荷F_y的作用方向存在偏移是不可避免的，因此针对该偏移的应对措施尤其重要。

相反，径向载荷F_z的作用方向的偏移可以利用悬架系统的设计而加以消除。即使在径向载荷F_z的作用方向存在偏移的情况下，也可通过适合地使各排中的滚动元件9a、9b的接触角α_a、α_b相互不同来减小该影响，从而精确地获得载荷F_y、F_z，与轴向载荷F_y的作用方向存在偏移的情况类似。

而且，借助于安装到计算器(微型计算机)部分中、如上述手段(b)所示用于计算这些载荷F_y、F_z的软件，可以处理载荷F_y、F_z的精确计算过程，而不管这些载荷F_y、F_z作用方向的偏移。在这种情况下，代表载荷F_y、F_Z的变化与各排中的滚动元件9a、9b的转速ε的改变量之间基于施加到外环1和轮毂2之间的径向载荷F_z和轴向载荷F_y的偏移的关系的表达式被安装到该软件中。于是基于该表达式计算各载荷F_y、F_z。因此下面将说明该表达式的推导。

除非载荷F_y、F_z的作用方向偏移，则可利用上述方程(5)(6)精确得到各载荷F_y、F_z的事实，以及如果载荷F_y、F_z的作用方向偏移则不能满足k_ya＝-k_yb与k_za＝k_zb之间的关系，进而不能满足方程(5)(6)的事实如上所述。同时，在表示为两个方程的如下作为方程(2)(3)示出的影响系数方程中出现未知的F_y、F_z，由此可分析求解这些未知的F_y、F_z。

ε_a＝k_ya·F_y+k_za·F_z  ...(2)

ε_b＝k_yb·F_y+k_zb·F_z  ...(3)

重点在于在利用轴向载荷F_y和径向载荷F_z的多项式表示影响系数方程的情况下，或者在包含交互作用(F_y×F_z)的情况下可以基本上分析解出这些未知的F_y、F_z。作为一个示例，可通过利用这些载荷F_y、F_z的线性方程来表达影响系数方程来求解上述方程(2)(3)

F_y＝(k_zb·ε_a-k_za·ε_b)/(k_ya·k_zb-k_za·k_yb)  ...(7)

F_z＝-(k_yb·ε_a-k_ya·ε_b)/(k_ya·k_zb-k_za·k_yb)  ...(8)

从方程(7)(8)可见，如果先前在利用计算机模拟等进行的设计或者试验中得到各个影响系数k_ya、k_yb、k_za、k_zb的话，可通过探测各排中的滚动元件9a、9b的转速ε_a、ε_b来单独地(分开地)计算轴向载荷F_y和径向载荷F_z。

如上所述，如果包括事先得到的各个影响系数k_ya、k_yb、k_za、k_zb的方程(7)(8)被装入用来计算轴向载荷F_y和径向载荷F_z的计算器，则载荷F_y、F_z之间的相互影响可以被完全排除，并且由此可独立地精确计算这些载荷F_y、F_z。

图13至16示出了计算机模拟的结果，实施该计算机模拟是为了检验上述手段(b)的正确性。在如上图7所示，径向载荷施加到偏离两排滚动元件9a、9b之间的中心位置及其附近的位置，而轴向载荷施加到偏离该滚动轴承装置的中心部分的情况下，通过将两排滚动元件9a、9b的接触角α_a、α_b都设定为40度来进行该模拟。首先，图13示出了在径向载荷F_z以-3000N、0N，+3000N三种方式变化的情况下，基于两排中滚动元件9a、9b的转速ε_a、ε_b的差值获得计算后的轴向载荷F_y的结果。而图14示出了在轴向载荷F_y以-1000N、0N，+1000N三种方式变化的情况下，基于两排中滚动元件9a、9b的转速ε_a、ε_b的总和获得计算后的径向载荷F_z的结果。在两种情况下，如果不是探测目标的载荷为0，则可计算得到精确值，然而如果存在不是探测目标的载荷，则在计算值中造成主要误差。

相反，在应用上述手段(b)的相同情况下获得了如图15和16所示的结果。因此，检验了在不受串扰影响的情况下可以精确计算载荷。

工业实用性

本发明不局限于如实施例中所述用于测量施加到支承车轮的轴承装置上的载荷的载荷测量装置，而可用于计算作用到各种旋转机械，诸如机床、工业设备等上的载荷(径向载荷和轴向载荷)。

Claims (6)

1、一种用于滚动轴承装置的载荷测量装置，包括：

静止环；

与所述静止环同心布置的旋转环；

多个滚动元件，它们可旋转地设置在静止侧滚道和旋转侧滚道之间以至少在两排之间分别指向相互地沿相反方向的接触角，所述滚道以两排或者多排分别形成在静止环和旋转环的相对部分上；

至少一对转速传感器，用于分别探测在两排中的滚动元件的转速，其中该滚动元件的接触角的方向相互不同；以及

计算器，用于基于从转速传感器馈送的探测信号来计算施加在静止环与旋转环之间的载荷；

其中滚动元件的接触角在各排中相互不同。

2、如权利要求1所述的用于滚动轴承装置的载荷测量装置，其中旋转环是轮毂，该轮毂将车辆的轮子固定到旋转侧凸缘上以与轮子一起旋转，所述旋转侧凸缘被沿着轴向固定于外端部的外周面上，在轴向上内排中的滚动元件的接触角设定成大于在轴向上外排中的滚动元件的接触角。

3、一种用于滚动轴承装置的载荷测量装置，包括：

静止环；

与所述静止环同心布置的旋转环；

多个滚动元件，它们可旋转地设置在静止侧滚道和旋转侧滚道之间以至少在两排之间分别指向相互地沿相反方向的接触角，所述滚道以两排或者多排分别形成在静止环和旋转环的相对部分上；

至少一对转速传感器，用于分别探测在两排中的滚动元件的转速，其中该滚动元件的接触角的方向相互不同；以及

计算器，用于基于从转速传感器馈送的探测信号来计算施加在静止环与旋转环之间的载荷；

其中基于施加在静止环和旋转环之间的所述载荷的偏移来表达载荷变化与各排中滚动元件的转速改变量之间的关系的表达式被安装到所述计算器中，所述计算器基于该表达式计算所述载荷。

4、如权利要求3所述的用于滚动轴承装置的载荷测量装置，其中旋转环是轮毂，该轮毂将车辆的轮子固定到旋转侧凸缘上以与轮子一起旋转，所述旋转侧凸缘被沿着轴向固定于外端部的外周面上。

5、如权利要求1至4中任一项所述的用于滚动轴承装置的载荷测量装置，其中静止环和旋转环中的一个滚道环是外环等同部件，另一滚道环是内环等同部件，每个滚动元件是滚珠，并且将背对背设置类型的接触角赋予多个滚珠，所述滚珠分别设置在形成于内环等同部件的外周面上的双排角接触内环滚道与形成于外环等同部件的内周面上的双排角接触外环滚道之间。

6、如权利要求1至5中任一项所述的用于滚动轴承装置的载荷测量装置，还包括：

旋转速度传感器，用于探测旋转环的旋转速度，

其中所述计算器基于从旋转速度传感器馈送的信号来计算旋转环的旋转速度，并且基于在各排中的滚动元件的转速与所述旋转速度的比值来计算施加在静止环与旋转环之间的载荷。

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