KR100445049B1 - 하중 탐지용 센서를 구비한 베어링 조립체 - Google Patents

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KR100445049B1 KR10-2002-7013605A KR20027013605A KR100445049B1 KR 100445049 B1 KR100445049 B1 KR 100445049B1 KR 20027013605 A KR20027013605 A KR 20027013605A KR 100445049 B1 KR100445049 B1 KR 100445049B1
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Abstract

자동차의 서스펜션 시스템 요소(C)에 로드휠(W)을 접속하는 베어링 조립체(A)는 로드휠(W)이 부착되는 허브(12)와, 상기 서스펜션 시스템 요소(C)에 부착되는 하우징(14)을 포함한다. 상기 하우징(14)은 2개의 테이퍼진 레이스웨이(58)를 구비하며, 이들 테이퍼진 레이스웨이(58)는 상기 허브(12)에 끼워맞춰지는 콘(40) 상의 레이스웨이(42)를 포위한다. 테이퍼진 롤러(54)는 하우징(14)의 레이스웨이(42, 58)과 콘(40) 사이에 2열로 구성되어, 로드휠(W)이 회전할 때 레이스웨이(42, 58)를 따라 구른다. 롤러(54)는 그것들이 외측 레이스웨이(58) 위로 지남에 따라 하우징(14)에 미세한 굴곡을 부여하며, 이들 굴곡은 하우징(14)상의 복수 개의 스트레인 센서(M)에 의하여 탐지된다. 변형율 - 그리고 센서(M)에 의하여 발생된 신호 - 은 로드휠(W)의 타이어와 그 타이어가 구르는 노면 사이의 접촉 영역의 상태를 반영한다. 베어링 조립체(A)가 가령 압연기 또는 공작 기계와 같은 산업 분야에서 사용되는 경우, 센서(M)에 의하여 발생된 전기 신호는 베어링 조립체(A)를 합체하는 시스템 내의 여러 가지 구성 요소에 걸리는 하중을 결정하기 위하여 이들 신호를 분석하는 전자 프로세서 및 컨트롤러가 사용할 수 있는 표시를 제공한다.

Description

하중 탐지용 센서를 구비한 베어링 조립체{BEARING ASSEMBLY WITH SENSORS FOR MONITORING LOADS}
작동중의 베어링에 걸리는 하중 및 하중의 형태가 베어링 및 그 베어링에 부착된 물체에 관한 충분한 정보를 제공할 수 있는 적용예는 많다. 그러한 적용예 중 하나가 자동차 산업인데, 이 자동차 산업에서는 전기 신호 형태의 그러한 하중 정보가 차량 동력학 제어(Vehicular Dynamic Control; "VDC") 시스템의 적절한 적용을 위하여 지극히 중요하다. 다른 적용예는 강제(鋼製) 압연기 산업에 있는데, 이 산업에서는 압연 공정 중에 롤러의 속도와 하중을 조절하는 데에 전자적인 처리 및 제어가 이용된다. 또 다른 한 가지 적용예는 공작 기계 산업인데, 이 산업에서는 프로그램 가능한 컨트롤러(controller) 및 프로세서(processor)가 밀링(milling), 커팅(cutting) 및 드릴링(drilling) 기계에서의 스핀들(spindle)의속도를 탐지하고 제어한다.
자동차 산업에 있어서는, 현재 제작중인 많은 차량에 잠금 방지 제동 시스템(antilock braking system)이 장착되고 있다. 이러한 형태의 시스템은 차량의 휠(wheel)의 회전을 탐지하며, 차량의 브레이크가 작용되는 경우에는, 잠겨서 미끌어지는 어떤 휠의 제동력을 완화시킨다. 이는 휠의 점착 마찰(traction)이 다른 경우에 차량이 주로(走路)에서 이탈하는 경향을 감소시키고 그러한 환경에서 차량을 더 쉽게 조향할 수 있게 한다. 점착 마찰 제어 시스템(traction control system)을 구비한 차량은 별로 없다. 이러한 타입의 시스템은 구동되는 휠의 회전을 탐지하여 이들 휠 사이의 점착 마찰 작력(作力)을 분산시키며, 이에 따라 휠 중 하나가 갑자기 느슨해져서 회전하는 일이 없다. 양 시스템 모두 차량의 운전자가 차량에 대한 보다 양호한 통제를 유지할 수 있게 하지만, 다른 인자들이 차량의 운전에 영향을 미치며, 잠금 방지 제동 시스템 및 점착 마찰 제어 시스템의 성공적인 작동에도 불구하고, 여전히 다른 인자들이 차량을 통제에서 벗어나게 할 수 있다.
이들 다른 인자 중 중요한 것은 차량이 곡선 주행할 때 차량이 조우하게 되는 구심력, 즉 차량의 측방으로 작용하는 힘이다. 차량의 타이어와 노면 사이, 즉 소위 "타이어 접촉 패치(tire contact patch)"에서의 마찰이 이러한 힘들을 발생시키지만, 때로는 마찰이 불충분하여 차량이 미끌어져, 특히 운전의 숙련도가 떨어지는 사람이 운전하는 경우, 차량이 통제에서 벗어날 수도 있다. 그 후에도, 타이어 접촉 패치에서의 마찰력이 미끄럼을 방지할 수는 있지만 곡선 주행 때문에 발생되는 구심력은 차량의 중력 중심을 중심으로 하여 차량을 쓰러 뜨리기에 충분할 수도있는 모멘트(moment)를 발생시킨다.
자동차 제작자들은 곡선 주행시에 자동차가 통제로부터 벗어나는 것을 방지하기 위하여 VDC 시스템으로 관심을 돌렸다. 전형적인 VDC 시스템은 요우(yaw)(수직 방향 축을 중심으로 한 차량의 회전)에 있어서의 변화율을 측정하는 요우 센서(yaw sensor) 및 실제에 있어서 곡선 주행의 결과로서 차량에 부과되는 구심력을 측정하는 측방 가속 센서에 의존한다. VDC 시스템은 또한 로드휠(road wheel)의 각속도, 조향휠(steering wheel)의 위치 및 엔진에 의하여 공급되는 동력을 고려한다. 전형적인 VDC 시스템은 정보를 분석하여 브레이크뿐만 아니라 엔진의 작동을 조절하여 곡선 주행시에 차량의 통제를 보다 양호하게 유지한다.
보다 정교한 VDC 시스템은 또한 개별적인 휠에서의 실시간 분석 평가 하중을 계산에 넣으며, 따라서 타이어 접촉 패치에서의 조건을 평가하려고 시도한다. 그러나, 각 타이어 접촉 패치는 곡선 주행시에 단순한 분석 과정과는 일치하지 않는 힘 및 토크를 경험하게 된다. 따라서, 예를 들어 완충기 피스톤(shock absorber piston)의 변위를 측정하는 것으로는 그 완충기 아래의 타이어 접촉 패치에 존재하는 상태를 그다지 신뢰성 있게 나타내지 못한다. 그렇게 하면, 타이어 접촉 패치에서의 합력이 작용하는 지점에서보다 훨씬 더 작은 타이어 접촉 패치에서의 토크를 나타내지 못할 것이 확실하다.
여러 가지 베어링 하중과 관련된 특정 정보를 제공하기 위하여 스트레인 게이지(strain gage)를 사용하는 것을 구현하는 베어링 조립체가 존재한다. 예를 들면, 1992년 8월 25일자로 발행된 미국 특허 제5,140,849호에 개시된 항마찰 구름베어링(antifriction rolling bearing)은 베어링에 인가된 전체적인 하중을 탐지하기 위하여 2개의 스트레인 게이지를 사용한다. 그러나, 이 베어링은 압연기 산업이나 공작 기계 산업의 높은 수준의 VDC 전자 시스템이나 프로세서 제어 시스템이 필요로 하는 다면적인 데이터를 제공할 수 없다. 미국 특허 제4,748,844호는 자동차 산업에 더 관련이 있는 하중 검출 장치를 개시하고 있다. 이 장치는 로드휠이 장착되는 허브(hub)에 고정되는 다요소 로드 셀 구조체(multi-component load cell structure)로 구성되는데, 이 로드 셀 구조체는 로드휠의 타이어와 함께 회전하도록 부착되어 있다. 그 장치가 몇 가지 신호적인 이점을 제공하기는 하지만, 이 장치는 높은 수준의 VDC 전자 장치가 적절히 기능할 수 있도록 하는 데에 요구되는 모든 하중 및 토크를 나타내는 신호를 제공할 수 없다. 특히, 그 장치는 그것의 모든 스트레인 게이지를 로드휠의 회전 축에 수직인 단일 평면 내에 탑재하고 있다. 그 결과, 그 장치의 스트레인 게이지(strain gauge)로부터의 신호는 차량을 측방으로 미끌어지게 하거나 차량을 한바퀴 빙돌게 하려는 경향이 있는 힘을 검출할 수 없다.
그러므로, 자동차 산업은 운전자가 브레이크 작용과 연속된 서스펜션 조정의 여러 가지 조합을 통해서 차량의 통제 상태를 유지시킬 수 있도록 지원하는 전자 장치의 개발을 지속하고 있지만, 이들 시스템이 정교해질수록 타이어 접촉 패치에서 가해지는 하중을 표시하는 충분한 하중 범위를 나타내는 신뢰성 있는 입력 신호를 필요로 한다.
유사하게, 압연기 및 공작 기계 산업은 베어링에 걸리는 하중의 탐지를 필요로 하는 여러 가지 형태의 공정 제어를 사용한다. 구체적으로, 압연기는 롤러상에서의 벨트 슬립핑(belt slipping)의 표시 또는 특정 세트의 롤러가 더 높은 하중을 경험하고 있다는 것의 표시에 관한 베어링 피드백을 필요로 한다. 컴퓨터 제어식 공작 기계는 커팅 및 드릴링 공구가 무뎌졌는지, 또는 커팅 또는 드릴링 속도가 적절한 기계 가공 작업을 위하여 설정된 한계를 초과하는지를 평가하기 위하여, 스핀들을 지지하는 베어링에 의해 경험되고 있는 하중을 탐지할 필요가 있다.
발명의 요약
본 발명은 로드휠을 자동차 차체상의 서스펜션 시스템 요소에 연결하는 베어링 조립체에 관한 것이다. 이 베어링 조립체는 로드휠이 부착되는 허브 및 서스펜션 시스템 요소에 부착되는 하우징(housing)을 포함한다. 허브는 이 허브상의 대향측 레이스웨이(raceways)와 하우징 사이에 1열씩 2열로 배치되는, 하우징 내의 롤링 엘리먼트(rolling elements)상에서 회전한다. 롤링 엘리먼트들은 하우징에 미세한 굴곡을 부여하며, 그 굴곡은 하우징에 부착된 스트레인 센서에 의하여 검출된다. 한 가지 실시예에 있어서, 센서는 하우징의 각 레이스웨이 둘레에 90°간격으로 배치된다. 다른 실시예에서, 이들 롤링 엘리먼트는 상기 하우징이 서스펜션 시스템 요소에 부착되는 플랜지상에 배치된다. 또 다른 실시예에서는, 이들 롤링 엘리먼트가 하우징의 2개의 레이스웨이 사이에 있는 개재면(介在面)을 따라 배치된다. 본 발명은 또한 로드휠과 서스펜션 시스템 요소를 제외한 몇 가지 실시예의 베어링 조립체에 관한 것이다. 추가로, 본 발명은 베어링이 합체되는 기계적인 시스템 내의 하중을 계산하기 위하여 전기 신호를 필요로 하는 여러 가지 형태의 전자 처리 및 제어 장치가 사용할 수 있는 형태 및 모드의 전기 신호를 발생시키는 데에 사용되는 스트레인 센서가 장착되는 베어링 조립체에 관한 것이다.
본 발명은 또한 여러 가지 하중 조건 하에서 차량의 동력학적 제어를 제공하는 기능을 하는 다른 자동차 장치 또는 압연기 산업이나 공작 기계 산업의 다른 전자 장치가 사용할 수 있는 형태 및 모드의 전기 신호를 사용하기 위하여 스트레인 센서를 사용하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 일반적으로 말하면, 베어링에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 계산된 타이어 패치(tire patch) 하중을 기초로 차량 동력학(vehicular dynamics)을 탐지 및 제어하는 장치가 사용할 전기 신호를 제공하거나, 또는 베어링에 걸리는 일반적인 응력, 변형율 및 하중을 측정하기 위하여, 스스로를 통해서 전달되는 힘 및 토크를 탐지하는 베어링 조립체에 관한 것이다.
도 1은 로드휠에 작용하는 몇 가지 힘과 토크를 보여주는 로드휠의 사시도이고,
도 2는 본 발명에 따라 구성되고 본 발명을 구체화하는 베어링 조립체의 단면도(斷面圖)이며,
도 3은 베어링 조립체용 센서 모듈(module) 중 하나의 평면도이고,
도 4는 도 3의 센서 모듈의 센서의 평면도이며,
도 5는 베어링 조립체용 하우징의 사시도이고,
도 6은 변형된 베어링 조립체용 하우징의 단면도(端面圖)이며,
도 7은 변형된 베어링 조립체의 센서 모듈을 단일 평면에 펼쳐서 보여주는 전개도이고,
도 8은 또 다른 변형된 베어링 조립체용 하우징의 단면도(端面圖)이다.
이제 도면을 참고로 하면, 노면상에서 차량을 지지하는 로드휠(W)(도 1)은노면을 따라 구를 때 몇 가지 힘 및 토크를 경험한다. 우선, 일반적으로 차량의 무게와 노면의 요철(irregularity) 및 제동에 의하여 발생되는 어떤 관성력을 나타내는 수직 방향 힘(Fv)이 있다. 로드휠(W)은 또한 일반적으로 로드휠이 진행되는 방향으로 작용하는 수평 방향 힘(Fh)을 경험한다. 또한, 회전 축(X) 방향인 축 방향으로 지향되는 힘인 드러스트 하중(Ft)이 있다. 그리고, 수직 방향 토크(Tv), 즉 로드휠(W)을 수직으로 관통하는, 때로는 조향 토크(steering torque)라 불리는 토크가 있다. 마지막으로, 때로는 오버터닝 모멘트(overturning moment)라 불리는 수평 토크(Th)가 있는데, 이 토크는 로드휠(W)의 진행 방향으로 로드휠(W)을 수평으로 관통하는 축을 중심으로 하여 작용한다. 로드휠(W)은 림(rim,2)과 이 림(2)에 장착되는 타이어(4)를 구비한다. 타이어(4)는 타이어 접촉 패치(6)를 따라 노면과 접촉하며, 이 타이어 접촉 패치(6)에서 타이어(4)는 힘(F)과 토크(T)를 경험한다. 힘과 토크의 크기는 타이어 접촉 패치(6)에서의 조건을 나타내며, 실시간으로 다른 조건과 함께 평가되는 경우, 차량을 통제하에 유지시키거나, 다른 한편으로 통제로부터 벗어나는 차량의 능력에 대한 훌륭한 표시를 제공한다.
로드휠(W)은 베어링 조립체(A)에서 차량용 서스펜션 시스템 요소(C)(도 2)에 연결되는데, 상기 베어링 조립체는 로드휠(W)과 서스펜션 시스템 요소(C) 사이에서 하중을 전달하면서 로드휠(W)이 축(X)을 중심으로 회전할 수 있게 한다. 전형적으로, 서스펜션 시스템 요소(C)는 조향 너클(steering knuckle)이다. 베어링 조립체(A)는 로드휠(W)이 부착되는 허브(12)와, 서스펜션 시스템 요소(C)에 고착되는 하우징(14)과, 상기 허브(12)와 하우징(14) 사이에 배치되어 허브(12)가하우징(14) 상에서 최소의 마찰로서 회전할 수 있게 하는 베어링(16)을 구비한다. 하우징(14)을 수용하기 위하여, 서스펜션 시스템 요소(C)에는 관통 보어(through bore)(18)와 기계 가공된 단부면(20)이 마련되어 있다. 대부분의 경우, 하우징(14)은 부분적으로 관통 보어(18)에 끼워맞춰지고, 단부면 (20)에 맞닿아 있다. 베어링(16)은 하우징(14) 내에 수용된다. 허브(12)는 베어링(16) 내로 연장하여 축 방향 및 반경 방향에서 억류된다.
보다 구체적으로 말하자면, 허브(12)는 플랜지(26)와, 플랜지(26)의 배면에 배치된 숄더(shoulder)(30)에서 플랜지(26)로부터 돌출하는 중공 스핀들(28)을 포함한다. 플랜지(26)에는 숄더(30)의 외측으로부터 러그 볼트(lug bolt)(32)가 체결되고, 이들 러그 볼트는 그 다른면으로부터 축 방향으로 돌출하여 로드휠(W)의 림(2)을 통과한다. 로드휠(W)을 벗어난 러그 볼트(32) 위에는 러그 너트(34)가 나사 결합되어 로드휠(W)을 허브(12)에 고정시킨다.
스핀들(28)은 플랜지(26)로부터 원위단이 업셋(upset), 즉 외측으로 변형되어 성형 단부(36)를 제공하는데, 이 성형 단부는 축(X)에 직각이고 숄더(30)를 향하여 제공되는 지지면(38)을 갖는다. 베어링(16)은 플랜지(26)상의 숄더(30)와 성형 단부(36)의 지지면(38) 사이에 끼이게 된다.
베어링(16)은 스핀들(28) 둘레에 끼워지는 2개의 콘(cone)(40) 형태의 내측 레이스(race)를 포함하며, 각 콘(40)과 스핀들(28) 사이에는 억지끼워맞춤이 이루어진다. 각 콘(40)은 축(X)으로부터 외측 방향으로 제공되는 테이퍼진 레이스웨이(tapered raceway, 42), 이 레이스웨이(42)의 큰 단부에 있는 드러스트리브(44) 및 이 드러스트 리브(44)의 단부상에서 축(X)에 관하여 직각으로 형성된 배면(46)을 구비한다. 내측 콘(40)은 레이스웨이(raceway)(42)의 작은 단부를 지나 돌출하는 원통형 콘 연장부(48) 때문에 외측 콘(40) 보다 다소 더 길다. 콘 연장부(48)는 하우징(14) 내의 속도 센서에 의하여 탐지되는 타겟 휠(target wheel)용 시트(seat)로서 작용할 수 있다. 내측 콘(40)은 그것의 콘 연장부(48)에서 스핀들(28)을 따라 외측 콘(40)의 작은 단부와 맞닿는데, 다시 말해서 2개의 콘(40)은 그들의 전면(前面)에서 접촉한다. 외측 콘(40)의 배면(背面)(46)은 플랜지(26)를 따라 있는 숄더(30)와 접촉하는 반면, 내측 콘(40)의 배면(46)은 성형 단부(36)상의 단부면(38)과 접촉한다.
상기 2개의 콘(40)에 추가하여, 베어링(16)은 2열로 배열된 테이퍼진 롤러(tapered roller, 54)를 포함하는데, 각 콘(40)의 둘레에 분리된 열이 있다. 실제로, 롤러(54)는 콘(40)의 레이스웨이(42) 둘레로 연장하며, 롤러(54)의 테이퍼진 측면과 레이스웨이(42) 사이에는 주로 선접촉이 이루어진다. 롤러(54)의 큰 단부면은 드러스트 리브(46)에 지탱된다. 각 열의 롤러(54)는 거의 정상에 있는데, 이는 이들 롤러의 테이퍼진 측면이 배치되는 엔빌로프(envelope)가 축(X)을 따라 공통점에 배치되는 정점들을 갖는다는 것을 의미한다. 각 열의 롤러(54)는 그 열 내에서 롤러(54) 사이의 적절한 간격을 유지하기 위하여 케이지(cage, 56)를 구비한다.
하우징(14)은 스핀들(28)뿐만 아니라 2개의 콘(40) 및 2열의 롤러(54)을 포위한다. 그 하우징은 축(X)을 향하여 내측 방향으로 제공되는 테이퍼진 레이스웨이(58)를 구비한다는 점에서 베어링(16)의 일부를 형성한다. 그런 의미에서, 하우징(14)은 베어링(16)의 외측 레이스를 구성한다. 하우징(14)상의 레이스웨이(58)는 이것들을 분리시키는 원통형 개재면(59)을 향하여 하방으로 테이퍼진다. 이들 롤러(54)도 마찬가지로 하우징(14)의 레이스웨이(58)를 따라 놓이며, 레이스웨이(58)와 롤러(54)의 테이퍼진 측면 사이에는 주로 선접촉이 이루어진다. 레이스웨이(58)는 그것들의 큰 단부에서 짧은 단부 보어(end bore)(60) 내로 개방되며, 이들 단부 보어(60)에는 2개의 콘(40)의 드러스트 리브(44)가 배치된다. 그러므로, 베어링(16)의 각 단부는 환형 공간을 구비하는데, 그 공간은 베어링 단부의 드러스트 리브(44)와 단부 보어(60)의 주면(周面) 사이에 존재한다.
하우징(14)은 대체로 원통형인 외표면(62)과 그 외표면의 단부면들 사이의 중간에서 외표면(62)으로부터 돌출하는 삼각형 또는 직사각형 플랜지(64)를 구비한다. 플랜지(64) 뒤의 영역의 외표면(62)의 직경은 서스펜션 시스템 요소(C)의 관통 보어(18)의 직경보다 약간 작다. 하우징(14)의 이 부분은 약간의 간극을 두고 관통 보어(18)에 끼워맞춰지는 한편, 플랜지(64)의 배면은 서스펜션 시스템 요소(C)의 단부면(24)에 지탱된다. 하우징(14)은 서스펜션 시스템 요소(C)를 관통하여 하우징(14)상의 플랜지(64)에 나사 결합되는 볼트(66)에 의하여 견고하게 고정된다.
베어링(16) 단부에서의 환형 공간은 하우징(14)의 단부 보어(60) 내에, 그리고 콘(40)의 드러스트 리브(44)의 둘레에 끼워맞춰지는 시일(seal, 68)로 밀폐된다. 미국 특허 제5,022,659호는 양 지점에 적절한 시일을 개시하고 있다.
성형 단부(36)는 조립체(A)를 사용한다. 그러나, 허브(12)가 항상 성형 단부(36)를 갖는 것은 아니다. 초기에, 허브(12)의 스핀들(28)은 숄더(30)로부터 언제나 자유단까지 원통형 표면으로서 연장한다. 2개의 콘(40)은 롤러(54)의 보충물로서, 그리고 2열의 롤러(15) 사이에 끼인 하우징(14)으로서, 스핀들(54)의 원통형 표면 위에 설치되어 외측 콘(40)의 배면(46)이 스핀들(28)의 다른 단부의 숄더(30)와 부딪힐 때까지 진행한다. 콘(40)이 그렇게 위치하는 경우, 스핀들(28)의 일부는 내측 콘(40)의 배면을 지나 돌출한다. 이 부분이 성형 단부(36)로서 변형된다. PCT 출원 GB 98/01823호(국제 공개 WO98/58762호)는 스핀들(28)의 초기에 연장된 단부를 업셋하여 그 단부를 실제 전체 조립체(A)에 사용되는 일체적인 성형 단부(36)로 전환시키는 회전 성형 공정을 개시하고 있다.
다른 수단도 역시 스핀들(28)상에 2개의 콘(40)을 고정시킬 수 있다. 예를 들면, 스핀들(28)의 단부는 나선과, 이 나선에 체결되어 내측 콘(40)의 배면(46)에 맞닿게 회전되는 너트를 구비할 수 있다.
조립체(A)가 그렇게 이용되는 경우, 베어링(16)은 약가의 예하중(豫荷重)이 가해진 상태로 존재한다. 실제로, 콘(40)의 내측 레이스웨이(42) 사이의 간격은 베어링(16)의 세팅을 결정하며, 성형 단부(46)을 발생시키는 회전 성형 공정이 내측 콘상의 콘 연장부(48)가 외측 콘의 작은 단부에 맞닿게 할 정도의 충분한 힘으로 내측 콘(40)을 외측 콘(40) 방향으로 이동시키는 한, 상기 간격은 내측 콘(40)의 콘 연장부(48)의 길이에 좌우된다. 스핀들(28) 위에 나사 결합되어 내측 콘(40)의 배면(46)에 꽉 접촉되게 회전되는 너트는 동일한 효과를 갖게 된다.
로드휠(W)에 작용하는 힘(Fv, Fh, Ft)과 토크(Tv, Th)는 타이어 접촉 패치(6)에서의 상태를 반영한다. 예를 들면, 외부 드러스트 하중(Ft)이 0이라면, 이는 직선 주행을 반영한 것이며, 베어링(16)내의 예하중보다 어느 정도 더 크다는 것을 나타낸다. 반면에, 한 방향이 다른 방향보다 더 큰 비평형의 더 큰 드러스트 하중(Ft)은 곡선 주행 또는 아마도 차량의 한쪽으로의 상당한 경사를 반영하는 것일 것이다. 수직 방향 힘(Fv)의 증가는 그 로드휠(W)이 차량의 전륜(front wheel)이라면 곡선 주행 또는 브레이크의 작용을 반영하게 된다.
로드휠(W)이 경험하는 힘(Fv, Fh, Ft) 및 토크(Tv, Th)는 베어링 조립체(A)를 통해서 서스펜션 시스템 요소(C)로 전달되며, 따라서 베어링 조립체(A) 역시 힘(F)과 토크(T)를 경험하게 된다. 이들 힘(F)과 토크(F)는 하우징의 미세한 팽창 및 수측으로 자체적으로 입증되며, 이러한 미세한 팽창 및 수축은 양 레이스웨이(58)로부터 약간 외측에서 하우징(14)의 외표면(62)에 부착되는 센서 모듈(M)(도 5)에서 검출된다. 실제로, 테이퍼진 롤러(54)는 힘(F)과 토크(T)를 콘(40)으로부터 하우징(14)으로 전달하며, 레이스웨이(58)를 따라 구름에 따라 베어링(18)에 팽창 및 수축 작용을 부여한다. 이러한 팽창 및 수축은 외표면(62)으로, 그리고 그 외표면(62)을 따라 센서 모듈(M)로 전달된다.
한 가지 실시예에 있어서, 각 센서 모듈(M)은 기본적으로 캐리어 매트릭스(carrier matrix)(72)와 2개의 포일 저항 엘리먼트(foil resistance element)(74, 76)로 구성되는 스트레인 게이지(70)를 포함한다(도 3, 도 4). 본 실시예의 설명은 저항값을 변화시킴으로써 작동하는 본드형 저항 스트레인 게이지센서(bonded resistance strain gauge sensor)의 사용을 설명하고 있지만, 기계적 센서, 광전 센서, 광학 센서, 용량 센서, 유도 센서 및 반도체 센서와 같은 다른 형태의 스트레인 센서도 동일하게 적합하다고 하는 것을 유의해야 한다. 그러나, 이 실시예에서는, 캐리어 매트릭스(72)가 자체적으로 하우징(14)과 함께 팽창 및 수축할 수 있는 폴리이미드(polyimide)와 같은 적절한 중합체로 형성된다. 그 캐리어 매트릭스는 적합한 접착제에 의하여 하우징(14)의 외표면에 접착된다. 각 포일 저항 엘리먼트(74, 76)는 콘스탄탄 포일(constantan foil)과 같은 적절한 금속 포일로 형성되며, 이 포일은 캐리어 매트릭스(72)와 동일한 팽창 및 수축을 겪도록 캐리어 매트릭스(72)에 접착된다. 각 포일 저항 엘리먼트(74, 76)는 몇 개의 평행한 레그(78)와 인접한 레그(leg, 78)의 단부들을 연결하는 단부 루프(end loop)(80)를 구비한다. 포일 저항 엘리먼트(74, 76)는 양자 모두 캐리어 매트릭스(72) 상에 있지만 서로 전기적으로 절연되어 있다. 더욱이, 포일 저항 엘리먼트(74)의 레그(78)는 포일 저항 엘리먼트(76)의 레그(78)에 대하여 90°로 배향되어 있다. 각 레그(78)의 저항은 캐리어 매트릭스(72)가 겪는 팽창 및 수축을 겪는 경우에 변동하며, 각 포일 저항 엘리먼트(74, 76)의 저항은 다수의 레그(78)가 직렬로 접속되어 있는 한 심지어 더 큰 저항의 변화를 겪게 된다. 이 캐리어 매트릭스(72)는 포일 저항 엘리먼트(74, 76)를 금속 하우징(14)으로부터 전기적으로 절연시키지만 하우징(14)의 미세한 팽창 및 수축을 포일 저항 엘리먼트(74, 76)의 레그(78)로 전달한다.
각 센서 모듈(M)은 그것의 센서(70)에 추가하여, 온도 보상기(84)와 단자 블록(terminal block, 86)을 포함한다. 온도 보상기(84)는 센서(70)와 동일한 온도에서 작동해야 하며, 이 때문에 하우징(14)상에서 센서(70)에 인접하게, 심지어는 센서(70)의 캐리어 매트릭스(72)상에 배치되어야 한다. 이와 관련하여, 포일 저항 엘리먼트(74, 76)의 저항은 캐리어 매트릭스(72)의 팽창 및 수축에 따라 변동할 뿐만 아니라, 온도에 따라서도 변동한다. 온도 보상기(84)는 브릿지 회로를 통해서, 또는 프로세서를 통해서 포일 저항 엘리먼트(74, 76)에 연결되어, 온도 변화에 기인하는 포일 저항 엘리먼트(74, 76)의 저항의 변화를 보상 또는 오프셋(offset)시킨다. 그러므로, 포일 저항 엘리먼트(74, 76)로부터 획득된 신호는 단지 변형율에 있어서의 변화만을 반영한다. 단자 블록(86)은 단자(88)를 수용하고 있으며, 이 단자에는, 리드(lead)를 통해서, 포일 저항 엘리먼트(74, 76) 상의 탭(tab, 82)이 연결되고, 마찬가지로 온도 보상기(84)가 연결된다. 단자(88)는 다시 포일 저항 엘리먼트(74, 76) 및 온도 보상기(84)에 의하여 발생된 신호를 평가 및 처리하는 프로세서에 연결된다.
하우징(14)의 외표면(62)에는 외측 레이스웨이(58)로부터 반경 방향 외측 방향으로 4개의 센서 모듈(M)이 부착되고, 이 4개의 센서 모듈은 90°의 간격으로 배치되는데(도 5), 하나는 외표면(62)의 상면에 센서(70)를 구비하고 있고, 다른 하나는 외표면(62)의 저면에 센서(70)를 구비하고 있으며, 다른 두 개는 외표면(62)의 측면에 센서(70)를 구비하고 있다. 또한, 나머지 4개의 센서 모듈(M)도 외표면(62)에 부착되지만, 이것들은 내측 레이스웨이(58)의 반경 방향 외측 방향에 배치된다. 이것들도 또한 90°의 간격으로 배치되는데, 이들의 센서(70)는외표면(62)의 상면, 저면 및 측면에 있다. 다시 말해서, 이들 센서(70)는 2열로 배열되고, 각 열의 센서는 0°, 90°, 180° 및 270°로 배치되고, 0°가 상면 중심이다. 8개의 모듈(M)의 각 센서(70)에 있어서, 그 센서(70)용 포일 저항 엘리먼트(74)의 레그(78)는 둘레 방향으로 연장하는 반면, 포일 저항 엘리먼트(76)의 레그(78)는 축 방향으로 연장한다.
로드휠(W)이 노면 위를 구르고 그것과 함께 서스펜션 시스템 요소(C) - 그리고 그 요소(C)를 부품으로 하는 전체 차체 - 를 지탱하는 경우, 허브(12)의 스핀들(28)은 하우징(14) 내에서 회전한다. 베어링(16)의 콘(40)은 억지끼워맞춤으로 스핀들(28)에 끼워져 있으므로 마찬가지로 회전한다. 외측 열의 테이퍼진 롤러(54)는 외측 콘(40)의 레이스웨이(42) 및 하우징(14)의 외측 레이스웨이(58)를 따라 구른다. 내측 열의 테이퍼진 롤러(54)는 내측 콘(40)의 레이스웨이(42) 및 하우징(16)의 내측 레이스웨이(58)를 따라 구른다. 이 롤러(54)가 개별적인 레이스웨이(42, 58)사이에서 구름에 따라, 이들 롤러는 콘(40)과 하우징(14) 사이에서 반경 방향 하중을 전달한다. 어떤 롤러(54)에 의하여 그것이 구르는 외측 레이스웨이(58)에 대하여 가해지는 반경 방향 하중은 하우징(14)이 미세하게 굴곡되게 하며, 이러한 굴곡은 레이스웨이(58)에 존재하지만 하우징(14)을 통해서 외표면(62)으로 전달되고, 그 자체가 외표면(62)의 롤러(54)와 레이스웨이(58) 사이의 접촉선으로부터 반경 방향 외측으로의, 약간은 둘레 방향의 다소 더 작은 축 방향 연신을 입증한다. 그러므로, 하중이 걸린 롤러(58)가 센서(70)와 축(X) 사이를 통과할 때마다, 레이스웨이(58)를 따라 발생하는 굴곡은 센서(70)에서 외표면(62)으로 전달되어 센서(70)의 포일 저항 엘리먼트(74)의 평행한 레그(78)를 연신(延伸)시켜 포일 저항 엘리먼트(76)의 저항을 증가시킨다. 저항의 변화의 크기는 하중에 의하여 좌우되는데, 그 이유는 큰 힘으로 레이스웨이(58)에 지탱되는 롤러는 더 적은 힘으로 지탱되는 것보다 더 큰 굴곡을 부여하기 때문이다. 센서(70)로부터의 신호로 반영되는 굴곡 - 따라서 롤러의 하중 - 을 비교함으로써, 타이어 패치(6)에서의 상태를 실시간으로 확인할 수 있다.
변형된 베어링 조립체(B)(도 6)는 센서 모듈(M)의 위치를 제외하고는 모든 관점에서 베어링 조립체(A)와 같다. 베어링 조립체(B)에 있어서는, 8개의 센서 모듈(M)이 외표면(62)에 인접하여 하우징(16)의 플랜지(64)에 부착되며, 플랜지(64)의 외측면에 대향하여 단일의 열로서 배열되어 있다. 4개의 센서 모듈(M)은 플랜지(64) 둘레에 90°의 간격으로 배열된 센서(70)를 구비하는데, 이들 센서(70) 중 하나는 플랜지(64)의 상면에, 다른 하나는 플랜지(64)의 저면에, 나머지 2개는 플랜지(64)의 측면에 구비하고 있는데, 다시 말해서 이들 센서(70)는 0°, 90°, 180° 및 270°로 배열되어 있다(도 7). 이들 센서(70)는 둘레 방향으로 연장하는 포일 저항 엘리먼트(74)의 레그(78)를 구비하며, 이들 레그(78)는 센서(70)의 주축에 평행하다.
스핀들(28)에서 구동되는 허브(12)상의 로드휠(W)에 대하여, 나머지 4개의 센서 모듈(M)에는 둘레 방향에 대하여 45°로 배향되는 센서(70)용 포일 저항 엘리먼트(74, 76)의 레그(78)가 장착된다. 이들 추가적인 센서 모듈(M) 중 하나는 플랜지(64)의 상면에 있는 센서(70) 후방으로 65°에, 즉 상면 중심 후방으로 65 °에 배치되는 센서(70)를 구비한다(도 7). 4개의 나머지 센서 모듈(70) 중 다른 하나는 상면 중심 전방으로 25°에 배치되는 센서(70)를 구비하는 한편, 또 다른 하나는 상면 중심 전방으로 65°에 배치되는 센서(70)를 구비한다. 역시 다른 하나의 센서 모듈은 상면 중심 전방으로 155°에 센서(70)를 구비한다. 상기 4개의 나머지 센서, 즉 둘레 방향에 대하여 45°에 포일 저항 엘리먼트들의 레그(78)를 구비하는 센서들은 하우징(14) 내의 전단(剪斷) 변형율을 측정한다.
다른 하나의 변형된 베어링 조립체(C)(도 8)도 또한 8개의 센서 모듈(M)용의 센서(70)의 위치를 제외한 모든 관점에서 베어링 조립체(A)와 유사하다. 베어링 조립체(C)는 하우징(14)의 2개의 레이스웨이(58) 사이에 있는 개재면(59)을 따라 배치되어 그 개재면에 부착되는 센서 모듈(M)을 구비한다. 4개의 센서 모듈(M)은 개재면(59) 둘레에서 0°, 90°, 180° 및 270°에 배치된 센서(70)를 구비하는데, 개재면(59)의 최상면이 0°이다. 이들 센서(70)는 둘레 방향으로 연장된 그것들의 포일 저항 엘리먼트(74)의 레그(78) 및 축 방향으로 연장된 포일 저항 엘리먼트(76)의 레그(78)를 구비한다. 나머지 4개의 센서 모듈(M)은 전방 둘레로 측정하였을 때 상면 중심으로부터 25°, 65°, 155° 및 295°에 배치된 그것들의 센서(70)를 구비한다. 나머지 센서(70)의 포일 저항 엘리먼트(74, 76)의 레그(78)는 둘레 방향에 대하여 45°, 그리고 축 방향에 관하여 마찬가지로 45°로 배향(配向)되어 있다. 간략히 말해서, 개재면(59)을 따라 배치되는 센서(70)의 위치는 베어링 조립체(B)의 플랜지(64)를 따라 배치되는 센서(70)의 위치에 대응하며, 기본적으로는, 센서(70)의 포일 저항 엘리먼트(74, 76)의 배향에 관해서도 마찬가지이다.
다른 하나의 실시예는 로드휠(W), 림(2) 또는 허브(12)가 없다는 것을 제외하고는 모든 관점에서 베어링 조립체(A)와 유사하다. 대신에, 베어링 조립체(A)는 어떤 회전 축 설비에 장착되고, 그 후에 베어링 상의 둘레 방향, 둘레 - 축 방향 , 축 방향 토크 및 전단 변형을 전반적으로 나타내는 전기 신호를 제공하도록 베어링 센서가 사용된다. 그러한 정보를 필요로 하는 적용예는 압연기의 공정 제어 및 공작 기계의 공정 제어이다. 베어링 설계 및 베어링 사용 분야의 숙련자에게는 베어링이 지탱하는 하중에 대하여 이들 베어링 하중을 탐지하여 전기 신호를 제공할 수 있는 베어링의 사용을 필요로 하는 다른 많은 분야가 존재한다는 것이 명백하다.

Claims (30)

  1. 축으로부터 외측 방향으로 존재하고, 상기 축에 관하여 대향하는 방향으로 경사져 있는 제1 및 제2 내측 레이스웨이를 구비하는 내측 레이스;
    상기 내측 레이스를 포위하며, 원주 방향 및 대체로 축 방향으로 지향된 표면을 구비하고, 각각 내측으로 상기 제1 및 제2 내측 레이스웨이를 향하여 마련되어 상기 제1 및 제2 내측 레이스웨이를 포위하는 제1 및 제2 외측 레이스웨이를 구비하며, 상기 외측 레이스웨이들도 역시 상기 축에 관하여 대향하는 방향으로 경사져 있는 하우징;
    상기 내측 레이스가 상기 외측 레이스 내에서 최소의 마찰로 회전하고, 개별적인 롤링 엘리먼트들이 상기 레이스웨이를 따라 굴러 상기 하우징에 변형을 부여하도록, 상기 제1 레이스웨이들 사이에 일렬로 배열되어 상기 제1 레이스웨이들과 접촉하는 제1 롤링 엘리먼트 및 상기 제2 레이스웨이들 사이에 일렬로 배열되어 상기 제2 레이스웨이들과 접촉하는 제2 롤링 엘리먼트;
    상기 하우징의 둘레 방향 및 대체로 축 방향으로 지향된 표면에 평행하게, 둘레 방향 기준에 대하여 각각 0°, 90°, 180° 및 270°에 부착되어 있고, 둘레 방향의 변형율을 검출하도록 배향되어 있는 제1, 제2, 제3 및 제4 스트레인 센서들; 및
    상기 제1 및 제2 센서들 사이에서 상기 하우징의 둘레 방향 및 대체로 축 방향으로 지향된 상기 표면에 부착되고, 상기 둘레 방향에 대하여 비스듬한 방향의 변형율을 검출하도록 배향되어 있는 제5 스트레인 센서;를 구비하는 것을 특징으로 하는 반경 방향으로 지향된 힘을 전달하면서 축을 중심으로 한 회전을 촉진하는 베어링 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 및 제3 센서들 사이에서 상기 하우징의 둘레 방향 및 대체로 축 방향으로 지향된 상기 표면에 부착되고, 상기 둘레 방향에 대하여 비스듬한 방향의 변형율을 검출하도록 배향되어 있는 제6 스트레인 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반경 방향으로 지향된 힘을 전달하면서 축을 중심으로 한 회전을 촉진하는 베어링 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제4 및 제1 센서 사이에서 상기 하우징의 둘레 방향 및 대체로 축 방향으로 지향된 상기 표면에 부착되고, 상기 둘레 방향에 대하여 비스듬한 방향의 변형율을 검출하도록 배향되어 있는 제7 스트레인 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반경 방향으로 지향된 힘을 전달하면서 축을 중심으로 한 회전을 촉진하는 베어링 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 센서들 사이에서 상기 하우징의 둘레 방향 및 대체로 축 방향으로 지향된 상기 표면에 부착되고, 상기 둘레 방향에 대하여 비스듬한 방향의 변형율을 검출하도록 배향되어 있는 제8 스트레인 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반경 방향으로 지향된 힘을 전달하면서 축을 중심으로 한 회전을 촉진하는 베어링 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제5, 제6, 제7 및 제8 센서들은 각각 상기 둘레 방향 기준으로부터 25°, 65°, 155° 및 295°에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반경 방향으로 지향된 힘을 전달하면서 축을 중심으로 한 회전을 촉진하는 베어링 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 센서들은 축방향의 변형율을 또한 검출하는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
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