CN113719536A - 用于滚动轴承的压电应变传感器单元 - Google Patents

用于滚动轴承的压电应变传感器单元 Download PDF

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Abstract

用于滚动轴承的压电应变传感器单元包括压电应变传感器30和传感器保持件32，所述传感器保持件32设置有主体34和至少两个柔性臂36、38，所述主体34具有前面34a和后面34b，所述前面34a用于与所述滚动轴承的组成部件接触，所述至少两个柔性臂36、38安装在所述主体34上并支撑所述压电应变传感器30的相对端部，所述压电应变传感器30在轴向上位于所述主体的后面34b的一侧，同时保持与所述后面间隔开。所述传感器保持件32设置有中心销44，所述中心销44在轴向上相对于所述主体的前面34a突出并且能够相对于所述主体在轴向上移动，所述中心销44在轴向上抵靠到所述压电应变传感器30上。

Description

用于滚动轴承的压电应变传感器单元
技术领域
本发明涉及滚动轴承的状况监测，更特别的是，针对具有滚子(诸如圆柱形滚子)的滚动轴承。
背景技术
滚动轴承包括内圈、外圈和在径向上布置在这两个内圈与外圈之间的至少一列滚动元件。滚动元件可以是滚子或滚针。滚动轴承可以是球面滚子轴承(SRB)、圆锥滚子轴承(TRB)或圆环滚子轴承(CARB)。作为另一种选择，滚动元件可以是球。
在滚动元件轴承的领域中，已知附接一个或多个传感器以测量一个或多个物理参数并将这些物理参数转换成电信号。一个这样的示例是使用载荷或应变传感器(load orstrain sensor)，以确定滚动元件在加载区(loaded zone)中经受的载荷。可以这样做以确定机器所经受的载荷。确定轴承所经受的载荷也可以为了确定过去和当前的操作状况(/工作状况)(operation conditions)并预测未来的可靠性而进行。
传统上，这种应变传感器永久地结合到被测量的滚动轴承的表面，并且在使用中不能更换。
发明内容
本发明的一个目的在于克服该缺点。
本发明涉及一种用于滚动轴承的压电应变传感器单元，所述压电应变传感器单元包括压电应变传感器和传感器保持件，所述传感器保持件设置有主体和至少两个柔性臂(flexible arms)，所述主体具有前面(front face)和后面(rear face)，所述前面用于与所述滚动轴承的组成部件接触，所述至少两个柔性臂安装在所述主体上并支撑所述压电应变传感器的相对端部。所述压电应变传感器在轴向上位于所述主体的后面的一侧，同时保持与所述后面间隔开。
根据总体特征，所述传感器保持件还设置有中心销，所述中心销在轴向上相对于所述主体的前面突出并且能够相对于所述主体在轴向上移动(movable)。所述中心销在轴向上抵靠到所述压电应变传感器上。
由于本发明，测量变形的方法是三点弯曲测量法。压电应变传感器将响应于传感器保持件的中心销的轴向移动而弯曲，并给出指示动态变形值的信号。
所述压电应变传感器的两个端部由所述传感器保持件的柔性臂柔性地支撑。这减小了压电应变传感器中的寄生应力(parasitic stress)，这使得由温度引入的力不影响测量。这引起非常可重复的测量。所述柔性臂用作板簧。
优选的是，所述主体的前面(front face)设置有至少三个脚，以将所述传感器保持件定位成与所述滚动轴承的组成部件接触。这也有助于可重复的测量。
有利的是，所述传感器保持件的柔性臂的弯曲刚度小于所述压电应变传感器的弯曲刚度。这使得实现尽可能大的测量结果。
优选的是，所述中心销在轴向上抵靠所述压电应变传感器的中间。所述压电应变传感器可以位于与所述主体的前面平行的平面中。
在一个实施方式中，每个柔性臂设置有轴向部分和径向部分，所述轴向部分安装在所述主体上并且在径向方向上是柔性的，所述径向部分从所述轴向部分延伸并且在轴向方向上是柔性的。每个柔性臂的径向部分可以从轴向部分以90度的角度延伸。
在一个实施方式中，所述传感器保持件的主体、柔性臂和中心销被制成一个部件(made into one part)。这使得传感器保持件对温度变化不敏感。
在一个实施方式中，所述压电应变传感器单元还包括外壳，所述外壳固定到所述传感器保持件的主体并与所述主体一起界定封闭腔室，预应力元件(pre-stressingelement)位于所述封闭腔室内，所述预应力元件在所述压电应变传感器上施加轴向力，以确保所述应变传感器与所述中心销之间的轴向接触。所述压电应变传感器单元还可以包括连接到所述外壳的连接器套筒和在轴向上介于所述连接器套筒与所述外壳之间的柔性波纹管(flexible bellows)。
本发明还涉及一种滚动轴承，所述滚动轴承包括内圈、外圈和介于所述内圈的滚道与所述外圈的滚道之间的至少一列滚动元件，所述内圈和所述外圈中的一个圈包括至少一个如前限定的压电应变传感器单元。所述应变传感器单元的传感器保持件的主体接触抵靠所述一个圈的平坦表面。
在一个实施方式中，所述一个圈包括形成在所述一个圈的厚度中的至少一个盲孔。所述应变传感器单元的传感器保持件的主体接触抵靠所述盲孔的平坦底部。所述盲孔可以从所述一个圈的径向侧面或轴向表面延伸。
作为另一种选择，所述应变传感器单元的传感器保持件的主体可以接触抵靠所述一个圈的侧面中的一个。
附图说明
通过研究以非限制性示例的方式给出并由附图示出的具体实施方式的详细描述，将更好地理解本发明及其优点，在附图上：
-图1是根据本发明的第一示例的滚动轴承的截面，
-图2是图1的滚动轴承的压电应变传感器单元，以及
-图3是根据本发明的第二示例的滚动轴承的截面。
具体实施方式
如图1示出的滚动轴承包括内圈10、外圈12和安装在内圈与外圈之间的两列滚动元件14和16，滚动元件14和16在此以滚子的形式提供。
如稍后将描述的，在示出的示例中，滚动轴承还配备有压电应变传感器单元18(图2)，压电应变传感器单元18安装在内圈10上，以能够测量滚动元件16的载荷。
内圈10和外圈12是同心的并且在轴向上沿着在轴向方向上延伸(runs)的轴承旋转轴线X-X'延伸(extend)。圈10、12是实心型的。
内圈10形成为分离式圈(/分体式圈)，并且包括在轴向方向上相对于彼此堆叠的第一部分20和第二部分22。内圈10包括圆柱形孔10a和相对的外圆柱形表面10b，用于滚动元件14、16的环形滚道(未标记)从外圆柱形表面10b形成，所述滚道径向向外指向。
内圈10还包括在轴向上界定所述圈的孔10a和外表面10b的两个相对(/背对)的径向侧面10c、10d。侧面(/侧向面)10c、10d界定内圈10的轴向厚度。如前所述，内圈10在轴向方向上被分成两个单独的部分，第一部分20和第二部分22。第一部分20界定侧面10c，而第二部分22界定侧面10d。
内圈10设置有在轴向上从侧面10d延伸的盲孔24。盲孔24在轴向上向外取向。盲孔24在内圈10的厚度中在轴向上延伸。盲孔24设置有平坦底部24a。在示出的示例中，底部24a在径向上延伸。
如图2所示，压电应变传感器单元18包括压电应变传感器30和支撑应变传感器的传感器保持件32。压电应变传感器单元18沿着纵向轴线X-X'延伸。
压电应变传感器30可以是压电板或压电梁(piezoelectric beam)。
传感器保持件32包括主体34，主体34具有前面34a和相对的后面34b，前面34a安装为与内圈的盲孔的底部24a(图1)接触。主体34在相对于纵向轴线X-X'的轴向方向上由前面34a和后面34b界定。前面34a和后面34b在径向上延伸。在示出的示例中，前面34a设置有三个脚(未标记)以适应孔底部的缺陷(imperfection)。
传感器保持件32还包括安装在主体34上并支撑压电应变传感器30的相对端部的两个相对的柔性臂36、38。在该示例中，每个臂36、38从主体34延伸。压电应变传感器30通过臂36、38支撑在主体的后面34b上方。在压电应变传感器30与后面34b之间没有接触。因此，压电应变传感器30保持与后面34b间隔开。压电应变传感器30通过任何适当的方式(例如通过胶粘、夹持等)固定到臂36、38。压电应变传感器30位于平行于主体的前面34a的平面中。
优选的是，臂36、38被设计为使得臂36、38的弯曲刚度小于压电应变传感器30的弯曲刚度。臂36、38关于包含纵向轴线X-X'的中间平面对称。在所公开的示例中，每个臂36、38设置有轴向部分36a、38a和径向部分36b、38b，轴向部分36a、38a安装在主体34上并且在径向方向上是柔性的，径向部分36b、38b从轴向部分36a、38a延伸并且在轴向方向上是柔性的。
每个臂的轴向部分36a、38a从主体34延伸。在所公开的示例中，主体34设置有从后面34b在轴向上延伸的两个盲孔40、42。轴向部分36a、38a分别从盲孔40、42的底部延伸。每个臂的轴向部分36a、38a保持与相关联的盲孔40、42的外周壁间隔开。每个轴向部分36a、38a在轴向上相对于主体的后面34b突出。
每个臂的径向部分36b、38b从轴向部分36a、38a的上端延伸。每个径向部分36b、38b在轴向上位于主体的后面34b上方。每个径向部分36b、38b保持在轴向上与后面34b间隔开。
传感器保持件32还设置有中心销44，中心销44在自由状态下在轴向上相对于主体的前面34a突出。例如，中心销44在轴向上比前面34的脚少突出0.1mm。中心销44的下端与内圈的盲孔的底部24a(图1)接触。
销44还在轴向上相对于主体的后面34b突出。销44在轴向上抵靠到压电应变传感器30上。销44的上端抵靠在压电应变传感器30的中间。销44在形成于主体34的厚度中的通孔46内在轴向上延伸。
在示出的示例中，销44和主体34被制成一个部件。两个相对的柔性径向臂48、50在此设置在销44与主体34的孔之间。销44能够在轴向上相对于主体34移动。
在所公开的示例中，传感器保持件的主体34、臂36、38和销44被制成一个部件。作为另一种选择，传感器保持件可以由多个部件构成。
压电应变传感器单元18还包括外壳52，外壳52固定到传感器保持件的主体34并与所述主体一起界定封闭腔室54，臂36、38和压电应变传感器30位于封闭腔室54内。外壳52覆盖主体34。外壳52通过任何适当的方式固定到主体34。
压电应变传感器单元18还包括弹性压缩弹簧56，弹性压缩弹簧56在压电应变传感器30上施加轴向预应力永久力，使得确保传感器与销44之间的轴向接触，并允许内圈的盲孔的底部24a(图1)的中心处的任何下降(dip)。弹簧56安装在限定在外壳52与主体34之间的腔室54内。
在所公开的示例中，压电应变传感器单元18包括中心螺柱58，以使弹簧56在压电应变传感器30上居中。螺柱58固定到压电应变传感器30。弹簧56围绕螺柱58安装。弹簧56的第一端在轴向上抵靠外壳52，并且第二端在轴向上抵靠螺柱58。弹簧56形成预应力元件。作为另一种选择，可以提供其他预应力元件(例如，弹性垫圈(诸如贝氏垫圈))以在压电应变传感器30上施加永久轴向力。
应变传感器单元18还包括用于固定到内圈10(图1)的连接器套筒68，以及在轴向上介于套筒与外壳52之间的柔性波纹管60。波纹管60固定在套筒68上并固定到外壳52。通过波纹管60，传感器保持件32总是与内圈的盲孔的底部24a(图1)正确对准。
在使用中，当内圈的孔的底部24a(图1)响应于由在下方通过的滚动元件16引起的增加的载荷而变形时，传感器保持件的中心销44相对于轴线X-X'被向上推动。变形被传递到压电应变传感器30，压电应变传感器30进而弯曲并提供与动态变形成比例的信号。
在示出的示例中，内圈的盲孔24相对于滚动轴承的轴线X-X'在轴向上取向，压电应变传感器单元18安装在盲孔24内部。
作为另一种选择，如图3所示，其中相同的部件被赋予相同的附图标记，内圈的盲孔24可以相对于滚动轴承的轴线X-X'在径向上取向。盲孔24从内圈的孔在径向上延伸。
在所示的示例中，仅一个应变传感器单元安装在内圈10上，以能够测量滚动元件16的载荷。还可以为每列滚动元件14、16提供一个应变传感器单元。
作为替代方案，也可以提供(多个)应变传感器单元安装在外圈上的相反配置。
在所描述的示例中，滚动轴承设置有两列滚动元件。作为另一种选择，滚动轴承可以仅包括一列滚动元件或三列或更多列滚动元件。在示出的示例中，滚动元件是滚子。滚动轴承可以包括其他类型的滚动元件，例如滚针或球。

Claims (10)

1.一种用于滚动轴承的压电应变传感器单元，包括：
-压电应变传感器(30)，以及
-传感器保持件(32)，设置有主体(34)和至少两个柔性臂(36、38)，所述主体(34)具有前面(34a)和后面(34b)，所述前面(34a)用于与所述滚动轴承的组成部件接触，所述至少两个柔性臂(36、38)安装在所述主体(34)上并支撑所述压电应变传感器(30)的相对端部，所述压电应变传感器(30)在轴向上位于所述主体的后面(34b)的一侧，同时保持与所述后面间隔开，
-所述传感器保持件(32)还设置有中心销(44)，所述中心销(44)在轴向上相对于所述主体的前面(34a)突出并且能够相对于所述主体在轴向上移动，所述中心销(44)在轴向上抵靠到所述压电应变传感器(30)上。
2.根据权利要求1所述的压电应变传感器单元，其特征在于，所述传感器保持件的柔性臂(36、38)的弯曲刚度小于所述压电应变传感器(30)的弯曲刚度。
3.根据权利要求1或2所述的压电应变传感器单元，其特征在于，所述中心销(44)在轴向上抵靠所述压电应变传感器(30)的中间。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的压电应变传感器单元，其特征在于，所述主体的前面(34a)设置有至少三个脚，以将所述传感器保持件(32)定位成与所述滚动轴承的组成部件接触。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的压电应变传感器单元，其特征在于，每个柔性臂(36、38)设置有轴向部分(36a、38a)和径向部分(36b、38b)，所述轴向部分(36a、38a)安装在所述主体(34)上并且在径向方向上是柔性的，所述径向部分(36b、38b)从所述轴向部分(36a、38a)延伸并且在轴向方向上是柔性的。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的压电应变传感器单元，其特征在于，所述传感器保持件的主体(34)、柔性臂(36、38)和中心销(44)被制成一个部件。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的压电应变传感器单元，其特征在于，所述压电应变传感器单元还包括外壳(52)，所述外壳(52)固定到所述传感器保持件的主体(34)并且与所述主体一起界定封闭腔室(54)，预应力元件(56)位于所述封闭腔室内，所述预应力元件(56)在所述压电应变传感器(30)上施加轴向力，使得确保所述应变传感器与所述中心销(44)之间的轴向接触。
8.根据权利要求7所述的压电应变传感器单元，其特征在于，所述压电应变传感器单元还包括连接到所述外壳(52)的连接器套筒(68)和在轴向上介于所述连接器套筒(68)与所述外壳(52)之间的柔性波纹管(60)。
9.一种滚动轴承，包括内圈(10)、外圈(12)和介于所述内圈的滚道与所述外圈的滚道之间的至少一列滚动元件(14、16)，所述内圈和所述外圈中的一个圈包括至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的压电应变传感器单元(18)，所述应变传感器单元的传感器保持件的主体(34)接触抵靠所述一个圈的平坦表面。
10.根据权利要求9所述的滚动轴承，其特征在于，所述一个圈包括形成在所述一个圈的厚度中的至少一个盲孔(24)，所述应变传感器单元的传感器保持件的主体(34)接触抵靠所述盲孔(24)的平坦底部。
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