CN1751240B - 用于确定滚动轴承部件运动方向的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及滚动轴承中的测量设置，用于确定可运动的轴承部件(2)相对于固定的轴承部件(1)的运动方向。根据本发明，通过平行于滚动体(3)或可运动轴承部件(2)的运动方向地、在一行中一个接一个地将电桥电路(8)的四个取决于压力的电阻(R1，R2，R3，R4)设置在一个轴承部件(1，2)的测量区域(5)中、距离(R1-R2)正好等于距离(R3-R4)并且距离(R2-R3)大于其他距离，可以实现测量设置的经济的构造。选择电阻和电桥电路的位置，使得产生具有非对称形式的单个输出信号。例如通过分析最大值与两个相邻最小值之间的中点位置之间的偏差来确定转动方向。

Description

用于确定滚动轴承部件运动方向的方法和装置

技术领域

本发明涉及根据权利要求1、6和9前序部分特征的测量设置、滚动轴承和用于确定滚动轴承部件运动方向的方法。

背景技术

由DE 27 46 937 C2已知一种所谓的测量轴承，其中借助于设置在其固定轴承套上或中的应变敏感(dehnungsempfindlich)传感器检测作用于滚动轴承的力。其中，这些应变敏感传感器被构造为应变电阻(Dehnungsmesswiderstand)，并且在惠斯通测量电桥中相互错接。

此外，DE 100 41 093 A1介绍了具有应变敏感传感器的滚动轴承，借助于应变敏感传感器等可检测可旋转滚动轴承套的转速。这些传感器涉及设置在固定的外轴承套上的两个相互对应的应变电阻或应变电阻测量电桥电路。其中，两个应变计可以相互设置，使得它们顺序连接地、并且在旋转方向上相互偏移轧制元件(Waelzelement)角度位移一半地设置在轴承套中。为了转速测量，对于这个测量设置，根据方法，规定，由这两个传感器在滚动接触其固定处时所获得的信号被提供给分析电路，在分析电路中对信号进行减法运算。但是，DE 10041 093没有给出任何提示，如何借助于这个测量轴承可确定滚动轴承滚珠的运行方向，并因此可确定旋转的轴承套的旋转方向。

最后，由DE 101 00 299 A1已知滚动轴承中的测量设置，借助于该测量设置，除了压在滚动轴承上的力以外，还可确定轴承中滚动体的转速和运动方向。通过在轴承套旁或轴承套上相互以近似为位于滚动轴承中的滚动体角度位移的1/4的角度位移设置多对应变敏感传感器元件，该测量设置在旋转方向识别方面特别出色。此外，轴承套上的传感器对相互偏移地设置，使得它们占据例如12点位置或9点位置。在轴承中滚动体为奇数的情况下，根据该文献确保了，12点位置的两个传感器元件和9点位置传感器元件的测量信号具有相互的相位偏移，借助于相位偏移可确定滚动体的运动方向，并因此也可确定运动轴承环的转动方向。

在可选实施方式中，相反如果在滚动轴承中具有偶数滚动体，则根据DE 101 00 299 A1，可以通过传感器对的测量信号确定滚动体的运动方向，在该测量信号中，在12点位置设置的传感器和在9点位置设置的传感器之间的传感器对相互角度偏移稍微偏离90°位置。

最后，该文献公开了，为了确定滚动体的运动方向，分析设备是必需的，其接收由每个传感器元件对的两个传感器元件所产生的信号，并根据信号调制的振幅确定每个滚动体相对于传感器元件的相对相位。于是，根据该相对相位，可以推断滚动轴承中引导的部件的运动方向。

这个用于确定例如滚动轴承中引导的部件的转动方向的测量设置的构造相对较昂贵。在制造这样的测量轴承时，设置每个传感器元件对的传感器元件以及传感器对的相互角度准确的定位尤其需要非常仔细、并因此成本非常高的方式。

发明内容

基于这样的背景，本发明的任务在于，提供一种用于滚动轴承，如枢轴承和直线轴承(Linearlager)，的运动方向测量装置，其具有特别经济、并更简单的构造。此外，提供配置有这样的测量装置的滚动轴承和用于由测量装置所产生的测量信号的分析方法。

根据独立权利要求的特征完成这个任务，而可在从属权利要求中获得本发明的优选实施方式以及改进。

因此，本发明从用于确定可运动轴承部件相对于优选为固定的轴承部件的运动方向的、滚动轴承上或内的测量设置出发，其中测量设置包括电阻(例如，应变测量电阻：Dehnungsmesswiderstand)，这些电阻根据压力和/或拉力改变其电阻值，并且相互错接在电桥电路中。

对于这样的测量设置，规定，电桥电路的四个电阻平行于滚动体或可运动轴承部件的运动方向地、在一行中一个接一个地被设置在一个轴承部件上测量区域内，使得第一电阻与第二电阻的距离K正好等于第三电阻与第四电阻的距离L，并且两个中间电阻之间的距离J比第一电阻和第二电阻之间或第三电阻和第四电阻之间的距离K或L大。

通过这样的构造实现了，与现有技术的解决方案不同，只以测量轴承中一个传感器可产生测量信号，该信号提供关于运动轴承部件运动方向的情况，并因此提供关于由轴承设置的部件的运动方向。对于本发明的实际应用，特别重要的是，可以在测量轴承上任何位置设置转动方向传感器的电阻，尽管要注意，力F可通过滚动体作用于测量设置上。

此外，测量电桥的电阻的非常准确的设置不是必需的，因为电阻相互距离中的粗略不均匀(Asymmetrie)足以产生允许断言转动方向的、左倾斜(linksschief)或右倾斜(rechtsschief)的测量信号。因此，这样的测量滚动轴承可以被非常经济地制造，并且可以有利地用于设置旋转或直线运动的运动元件，例如泵、气动装置、活塞-汽缸结构或者密封系统(Dichtsystem)。

在本发明的特别优选实施方式中，为了产生测量电桥的特别明确的测量信号，规定，第一电阻和第三电阻之间的距离H以及第二电阻和第四电阻之间的距离G正好等于两个直接相邻设置的滚动体之间的距离。

为了增加例如运动轴承部件每次旋转可确定的测量值的数量，并因此为了提高测量值的统计说服力，也可以在测量轴承上设置多于一个的根据本发明的测量电桥，并且其与分析设备连接。测量电桥优选设置在不运动的轴承部件上。

本发明还涉及滚动轴承，在其轴承部件内或上，在任意区域设置根据本发明的测量装置的电阻。在本发明优选实施方式中，这个测量区域位于固定的轴承外环的环形槽中，或者固定的直线轴承部件(Linearlagerbauteil)的纵槽中，其中溅射敷设测量电桥的电阻以及附属于测量电桥的连接导线。在另一种变体中，这些电阻也可以作为应变计设置在柔韧的基片支架(Substrattraeger)上，并且与所述槽中的那些粘贴在一起。在DMS测试条形式中，可以使用商业上通用的矩形DMS测试条或者任意基本形式(Grundform)的DMS测试条。

此外，本发明还涉及用于以根据本发明的测量设置的测量信号来确定运动轴承部件的运动方向的方法。在这个分析方法中，针对运动轴承部件的左或右运动，分析具有所述电阻的测量电桥的测量信号，确定在不是出现两个连续负振幅最大值A_min1、A_min2之间时间中点t_sym的时间点上是否出现各自正振幅最大值A_max1。

而且，可以确定，在时间上不位于出现两个连续正振幅最大值A_max1、A_max2之间中点T_sym的时间点上是否出现测量信号M的各自负的振幅最大值A_min。

根据本发明，规定，通过使用公式

$\mathrm{sym}=+\mathrm{sign}\[\frac{t_{\min 2}-t_{\min 1}}{2}-(t_{\max 1}-t_{\min 1})\]---(\mathrm{GI}.1)$

的分析程序确定运动的轴承部件的运动方向，在公式中，公式解答的正号表示一个方向上的转动方向，而公式解答的负号表示相反运动方向。

而且，通过分析程序，使用公式

$\mathrm{sym}=-\mathrm{sign}\[\frac{t_{\max 2}-t_{\max 1}}{2}-(t_{\min 1}-t_{\max 1})\]---(\mathrm{GI}.2)$

确定运动的轴承部件的运动方向，在公式中，公式解答的正号表示一个方向上的运动方向，而公式解答的负号表示相反运动方向。

最后，根据本发明，可以规定，公式G1.1和公式G1.2的计算结果相互比较，并且符号一致时，将符号视为实际运动方向指示，以随后将其提供给进一步的信息使用。在由这两个计算(G1.1，G1.2)所确定的符号不一致时，至少部分地丢弃测量和计算结果，并进行重新测量和计算，以确定运动方向。

附图说明

借助于附图所示的具体实施例来介绍根据本发明的测量设置、具有该测量设置的滚动轴承、和用于分析由该测量设置产生的测量信号的方法、以及其有利实施方式。其中

图1表示根据本发明的滚动轴承的示例性剖面图，

图2表示根据图1的轴承的圆周在测量电桥区域内的俯视图，

图3表示根据图2的电测量电桥电路的简化表示，

图4表示根据现有技术的测量电桥的电阻设置与根据本发明的电阻设置的比较，

图5表示由根据本发明的测量电桥所产生的测量信号的表示，其具有用于计算轴承部件运动方向的测量点，以及

图6表示如图5一样的、具有其他测量点的表示。

具体实施方式

因此，图1表示滚动轴承的示例性剖面图表示，其中固定的轴承外圈1借助于滚动体3可旋转地设置在轴承内圈2上。这个轴承内圈2用于容纳这里未示出的部件，其在轴承内圈2上施加力F。如可由这个表示知道的那样，这个力F通过轴承内圈2以及滚动体3作用于轴承外圈1上。

在轴承外圈1的圆周表面上，在测量区域5中固定测量电阻R1、R2、R3、R4，这些电阻根据应变(dehnungsabhaengig)改变其电阻值，并且因此借助于这些电阻可确定在滚动体3滚动接触每个测量电阻R1、R2、R3、R4时轴承外圈1的形变。

此外，图1表示，在可旋转的轴承外圈1上，也可以在测量区域6中设置具有电阻R11、R21、R31、R41的第二测量电桥，这个第二测量电桥如测量区域5中的第一测量电桥那样被设置并适于产生可比较的测量信号。但是，只有当为了增加测量值的数量或者为了验证第一测量电桥的测量值而希望其他测量值的时候才设置这个第二测量电桥。但是，在这种情况下，重要的是，不特别对准具有电阻R1、R2、R3、R4或R11、R21、R31、R41的这两个测量电桥相互之间的距离。必要时要注意，这两个测量区域5、6受到力F，以产生滚动体3上所述电阻的形变。

如图2所示，测量电阻R1、R2、R3、R4优选地设置在外圈1的环形槽4中或者设置在粘贴区域(Aufklebesbereich)或溅射区域(Besputteerungsbereich)7中，使得两个电阻R1、R2和R3、R4构成一对地、与内圈1或滚动体3运动方向轴线平行地定位。

电阻R1、R2、R3、R4相互错接为测量电桥8，测量电桥的简化电路图在图3中表示。这个测量电桥8被以公知的方式供给电压U，并且通过接触部位V-和V+提供测量信号M。

如图4上半部分所示，在已知电桥中，设置电阻，使得这些电阻相互之间具有相同的距离B、C、D，并且没有形成对。

相反，在图4的下半部分中，表示了测量电桥8的电阻R1、R2、R3、R4的根据本发明的设置，在这个例子中，借助于该设置可确定内圈2的转动方向。如图4所示，电阻R1、R2、R3、R4平行于滚动体3或可运动轴承内圈2的运动方向地、一个接一个地设置在一行中，使得与根据现有技术的设置相比，电阻R1和R3以及电阻R2和R4构成一对地相互移动。其中，第一电阻R1和第二电阻R2的距离K正好等于第三电阻R3到第四电阻R4的距离。而且，两个中间电阻R2和R3之间的距离J大于第一电阻R1和第二电阻R2或第三电阻R3和第四电阻R4之间的距离K和L。

此外，在本发明的这个优选实施方式中，规定，第一电阻R1和第三电阻R3之间的距离H以及第二电阻R2和第四电阻R4之间的距离G正好等于两个直接相邻的滚动体3之间的距离。

在滚动接触电阻R1、R2、R3、R4时，这样的测量电桥产生例如图5和图6所示的测量信号M。如这些图所示，测量的电压变化没有对称的曲线变化，而是具有非对称曲线变化。这个非对称性的原因在于，测量电桥8中两个电阻R1、R2或R3、R4之间的距离K或L小于两个直接相邻电阻R2、R3之间的距离J。于是，电阻R1、R2的电阻变化的重叠导致测量电桥8的测量信号M的非对称变形。

虽然图5和图6中过分地表现了非对称程度，但是它非常好的表示了，例如在图5中，测量信号M的正最大振幅A_max1出现在时间点t_max1，时间点t_max1位于比时间点t_sym提前时间区间t₁处，在对称测量信号变化的情况下，本来必然在时间点t_sym处出现振幅最大值。这个时间点t_sym由平分时间区间t_A而得到，时间区间t_A位于在时间点t_min1和t_min2处出现两个负的振幅最大值A_min1和A_min2之间。

借助于公式

$\mathrm{sym}=+\mathrm{sign}\[\frac{t_{\min 2}-t_{\min 1}}{2}(t_{\max 1}-t_{\min 1})\]---(\mathrm{GI}.1)$

可以由出现两个连续的负振幅最大值A_min1和A_min2的时间点的测量值t_min1和t_min2与正振幅最大值A_max1的时间点t_max1来计算测量曲线M的对称性。

在这个计算的结果中，确定运动方向取决于确定的方向所对应的符号。因此，左旋转测量轴承产生正的还是负的计算值取决于根据本发明的测量轴承的安装位置。但是，如果一个符号第一次对应于一个确定的运动方向，并且如果根据定义使用(verbauen)轴承，则运动方向计算提供对于轴承实际转动方向可靠的值。

因为人们优选地希望不为测量信号M的每个单个半周期获得转动方向的值，所以每次执行测量曲线M的以下对称性计算：

$\mathrm{sym}=-\mathrm{sign}\[\frac{t_{\max 2}-t_{\max 1}}{2}-(t_{\min 1}-t_{\max 1})\]---(\mathrm{GI}.2)$

其中测量值t_max1和t_max2表示出现两个连续正振幅最大值的时间点，t_min1表示负振幅最大值A_min1的时间点。

图6表示时间间隔中的测量曲线M，在这个时间间隔中进行用于使用第二公式G1.2的计算的测量。重要的是，两个正最大振幅A_max1和A_max2出现在时间点t_max1及t_max2，而负振幅最大值A_min1比在对称信号变化中期望的时间点晚时间区间t2才出现。即这个对称时间点t_sym位于时间间隔t_A的中点处，时间间隔t_A位于在时间点t_max1及t_max2处出现两个正振幅最大值A_max1和A_max2之间。

通过这第二计算，得到对于测量信号对称性的第二结果值，使得通过随后比较公式G1.1和G1.2的计算结果的符号可以提高运动方向确定的可靠性。其中，只有在两个计算结果得到相同的符号值的情况下，才将确定的符号或运动方向值进一步提供给其他信息处理(例如显示装置，控制计算机)。如果计算得到不同的符号，则对所得到的值求平均(优选地对奇数个单个结果求平均)，并且进行新的测量和计算方法，以确定运动方向。

附图标记列表

1    外圈

2    内圈

3    滚动体

4    槽

5    测量区域

6    测量区域

7    粘贴区域或溅射区域

8    测量电桥

A_max 正振幅最大值

A_max 负振幅最大值

B    距离

C    距离

D    距离

F    力

G    距离

H    距离

J    距离

K    距离

L    距离

M    非对称测量信号

R1   测量电阻

R2   测量电阻

R3   测量电阻

R4   测量电阻

R11  测量电阻

R21  测量电阻

R31  测量电阻

R41  测量电阻

U      电源电压

V      测量电压

t      时间

t_A    出现两个连续振幅最大值之间的时间间隔

t_sym   t_A中点处的时间点

t_max1  正振幅最大值的时间点

t_max2  正振幅最大值的时间点

t_min1  负振幅最大值的时间点

t_min2  负振幅最大值的时间点

At₁   对称移动的时间区间

Δt₂  对称移动的时间区间

Claims (11)

1.滚动轴承上或内用于确定可运动轴承部件(2)相对于固定轴承部件(1)的运动方向的测量装置，其中在所述两个轴承部件(1，2)之间设置滚动体(3)，并且所述测量装置包括电阻(R1，R2，R3，R4)，所述电阻根据压力和/或拉力而改变它们的电阻值，并且所述电阻在电桥电路(8)中相互连接，其特征在于，所述电桥电路(8)的四个电阻(R1，R2，R3，R4)平行于所述滚动体(3)或所述可运动轴承部件(2)的运动方向地、在一行中一个接一个地被设置在一个所述轴承部件(1，2)上的测量区域(5)中，使得第一电阻(R1)到第二电阻(R2)的距离(K)正好等于第三电阻(R3)到第四电阻(R4)的距离(L)，并且两个中间电阻(R2和R3)之间的距离(J)大于第一电阻(R1)和第二电阻(R2)或第三电阻(R3)和第四电阻(R4)之间的距离(K，L)；第一电阻(R1)和第三电阻(R3)之间的距离(H)以及第二电阻(R2)和第四电阻(R4)之间的距离(G)正好等于两个直接相邻的滚动体(3)之间的距离。

2.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述电阻(R1，R2，R3，R4)被设置在固定的轴承部件(1，2)上。

3.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，在所述轴承中，在相邻测量区域中设置多于一个的测量电桥(8)，所述相邻测量区域与共同的分析设备连接。

4.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述电阻(R1，R2，R3，R4)被构造为应变计。

5.具有根据前述权利要求中任一项的测量装置的滚动轴承，其特征在于，一个测量电桥(8)的电阻(R1，R2，R3，R4)被粘贴或溅射敷设在一个轴承部件(1，2)内或上的粘贴区域或溅射区域(7)中，其中所述粘贴区域或溅射区域(7)被设置在固定的轴承部件处。

6.根据权利要求5的滚动轴承，其特征在于，所述固定的轴承部件被构造为枢轴承的轴承外圈(1)。

7.根据权利要求5的滚动轴承，其特征在于，所述滚动轴承被构造为直线轴承。

8.用于以根据权利要求1至4中任一项的测量装置的测量信号(M)确定运动的滚动轴承部件的运动方向的方法，其特征在于，针对所述运动的轴承部件(2)的左或右运动，分析所述测量信号(M)，确定是否在时间上不位于出现两个连续的负振幅最大值(A_min1，A_min2)之间的中点(t_sym)上的时间点处出现正的振幅最大值(A_max1)，或者在时间上不位于出现两个连续的正振幅最大值(A_max1，A_max2)之间的中点(t_sym)上的时间点上是否出现测量信号(M)的负振幅最大值(A_min1)。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于，通过使用公式

$\text{sym=+sign[}\frac{t\min 2-t\min 1}{2}-(t\max 1-t\min 1)]---(\mathrm{Gl}.1)$

的分析程序来确定所述运动的轴承部件(2)的运动方向，其中t_min1和t_min2表示出现两个连续的负振幅最大值(A_min1、A_min2)的时间点，时间点t_max1为出现正振幅最大值(A_max1)的时间点，并且公式解答的正符号表示一个方向中的运动方向，而公式解答的负符号表示相反的方向。

10.根据权利要求8的方法，其特征在于，由使用公式

$\mathrm{sym}=-\mathrm{sign}[\frac{t\max 2-t\max 1}{2}-(t\min 1-t\max 1)]---(\mathrm{Gl}.2)$

的分析程序来确定所述运动的轴承部件(2)的运动方向，其中t_max1和t_max2表示出现两个连续正振幅最大值的时间点，t_min1表示出现负振幅最大值(A_min1)的时间点，并且公式解答的正符号表示一个方向中的运动方向，而公式解答中的负符号表示相反方向。

11.根据权利要求8的方法，其特征在于，公式 $\mathrm{sym}=+\mathrm{sign}[\frac{t\min 2-t\min 1}{2}-(t\max 1-t\min 1)]---(\mathrm{Gl}.1)$ 和公式 $\mathrm{sym}=-\mathrm{sign}[\frac{t\max 2-t\max 1}{2}-(t\min 1-t\max 1)]---(\mathrm{Gl}.2)$ 的计算结果相互比较，其中公式(Gl.1)中，t_min1和t_min2表示出现两个连续的负振幅最大值(A_min1、A_min2)的时间点，时间点t_max1为出现正振幅最大值(A_max1)的时间点；公式(Gl.2)中，t_max1和t_max2表示出现两个连续正振幅最大值的时间点，t_min1表示出现负振幅最大值(A_min1)的时间点，并且在符号一致时被评价为实际的运动方向指示，并被提供给进一步的信息使用，而在由这两个计算(Gl.1，Gl.2)所确定的符号相互不一致时在奇数个单个结果上对测量和计算结果求平均。

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