在横向变形基础上的负载传感

摘要

在操作使用轴承时，在滚动元件轴承上机械负载的传感是通过测量在轴承的表面（212）上的应变得以执行，该轴承的表面（212）面对大致垂直于机械负载的方向的方向。

说明书

技术领域

本发明涉及确定在滚动元件轴承上的机械负载的方法。本发明也涉及径 向轴承和轴向轴承，每个设置有一个或者多个变形传感器。

背景技术

负载传感技术是用于确定由特定结构或者机械，或者由其部件承载的负 载的技术。该结构，机械或者部件因此设置有一个或者多个负载传感器。例 如，机械是机动车以及在单个轮子上的单独负载由轮毂确定。关于负载的变 形用于电子控制，例如，单独应用至每个驱动轮的功率量，或者应用至每个 单独轮的刹车量，或者单独调整用于每个轮的悬挂系统，为了改进车辆的路 面操作。负载传感技术也用于，例如，在机械上的有效载荷重量测量，诸如 用于批量运输的卡车，仓库推车，家用清洗机械，传输带，电梯，起重机以 及提升装备等。

负载传感技术也用于机械的条件监测，诸如，例如，风轮机，工业装备， 船舶推进系统，航空推进系统等。

负载传感技术的特定分支涉及传感在滚动元件轴承上的负载。负载传感 涉及确定滚动元件轴承的运行条件，例如，用于计算服务寿命，监测过载条 件以及负载不足条件等。

在滚动元件轴承上的负载引起滚动以及轴承的弹性变形。在滚动元件轴 承上测量负载的本领域已知的通常的方法包括传感由滚动元件轴承上的负 载引起的滚动元件轴承的壳体的局部变形，或者传感滚动元件轴承的局部变 形。例如，考虑设计以支撑径向负载的典型的滚动元件支撑或者设计以支撑 主要为径向负载且此外为轴向负载的典型的滚动元件轴承。该滚动元件轴承 包括内圈，外圈和容置在内圈和外圈之间的多个滚动元件的同心布置。一个 或者多个应变传感器定位在外圈的圆柱外表面。在操作使用滚动元件轴承 时，变形测量器提供表示外圈局部变形的信号，从其可以确定负载。对于更 多的背景信息，也可以见例如，美国专利7，444，888，颁布给Hendrik Anne  Mol和Gerrit Cornelis van Nijen以及美国专利7，389，701，颁布给Hendrik  Anne Mol，这两件专利通过引用结合于此。

发明内容

发明人已经意识到确定在滚动元件轴承上的负载的已知的方法工作良 好，但是它们需要相当侵入性的技术。为了理解本发明，首先考虑滚动元件 轴承，诸如配置为支撑径向负载的滚动元件轴承（在此称作“径向轴承”） 或者配置为支撑主要轴向负载的滚动元件轴承，诸如止推轴承（在此称作“轴 向轴承”）。

该滚动元件轴承通常包括第一圈和第二圈，其配置为关于彼此围绕轴线 大致同轴旋转，以及容置在第一圈和第二圈之间的多个滚动元件。

径向轴承的例子是深沟球轴承，球面滚子轴承，角接触球轴承，圆柱滚 柱轴承，针滚柱轴承以及锥形滚柱轴承。例如，深沟球轴承设计用于支撑主 要的径向负载，而球面滚子轴承通常设计用于容置重的径向负载和重的轴向 负载。在径向轴承中，第一圈和第二圈不仅同轴而且同心。也就是第一圈和 第二圈其中一个（即，内圈）同心位于在第一圈和第二圈的另一个（即，外 圈）中，且第一圈和第二圈大致位于垂直于所述轴线的相同平面中。当径向 轴承在操作使用时，由多个滚动元件横贯的路径与第一圈和第二圈同心。内 圈和外圈形成了共平面配置且相对于彼此同轴旋转。

在轴向轴承中，第一圈和第二圈布置为使得共轴但是不同心。第一圈位 于大致垂直于所述轴线的第一平面中，且第二圈位于大致垂直于所述轴线且 从第一平面间隔开的第二平面中。当轴向轴承在操作使用时，由多个滚动元 件横贯的路径与第一圈和第二圈共轴，但是位于与第一平面和第二平面大致 平行的另一个平面中。

接下来考虑经由传感器确定径向轴承上的负载，传感器传感或者径向轴 承或者容置径向轴承的壳体，或者上述两者的变形。在上文称作第一圈的是 例如外圈，而在上文称作第二圈的是内圈。一个或者多个传感器定位在一个 或者多个接下来的传统位置：外圈的圆柱外表面；内圈的圆柱内表面；壳体 的圆柱内表面，其与滚动元件轴承的外圈的圆柱外表面接合；以及轴的圆柱 外表面，其与内圈的圆柱内表面接合。每个这些位置的特定的其中一个可以 设定形状以为了容置特定的其中一个传感器且在操作使用滚动元件轴承时， 保持传感器的物理完整性。例如，凹槽被切进外圈的圆柱外表面，其中一个 或者多个传感器然后被定位在其中。此外，一个或者多个传感器需要被连接 至外侧环境，例如，通过电导线，为了被供电且提供所传感到的变形的传感 器信号指示。这暗示了滚动轴承，壳体和轴的至少其中一个需要适应或者修 改以为了提供用于传感器且连接至外侧环境的空间。该改进是昂贵的。该针 对壳体，轴或者滚动元件轴承的修改可能分别与壳体，轴或者滚动元件轴承 的机械或者结构整体性干涉。对壳体和轴的修改可能也不是滚动元件轴承形 成其功能部分的机械供应商所期望的。

进一步，考虑确定布置在机器的两个部分之间的轴向轴承上的负载。负 载经由传感器确定，传感器传感轴向轴承或者机械部分的一个或者两个的变 形，或者轴向轴承和至少一个机械部分的变形。第一圈，第二圈和多个滚动 元件形成轴向堆栈布置。一个可以定位一个或者多个传感器在第一圈的第一 侧面或者在第二圈的第二侧面，第一侧面和第二侧面轴向向外面对。第一侧 面和第二侧面形成表面，在该表面上，机械部分在轴向轴承上施加止推力， 产生了轴向轴承的变形，至少轴向取向的分量可以被传感到。然而，第一侧 面和/或第二侧面需要修改以容置传感器，以为了保护传感器的物理完整性， 因此，反过来影响相关侧面的物理完整性，并且增加成本。同样，传感器可 以容置在面对轴向轴承的一个的表面上或者两个机械部分的表面上。然而， 这些表面需要被修改以为了以保护传感器的物理完整性的方式容置传感器， 因此反过来影响了所述机械部分的物理完整性且增加了成本。

因此，发明人提出了在第一圈的表面和/或第二圈的另一表面的传感变 形，第二圈的另一表面面对大致不同于另一方向的方向，沿着该方向由于在 滚动元件轴承上的机械负载，第一圈和第二圈经由多个滚动元件朝向着彼此 按压。

更特别地，发明人提出一种确定在滚动元件轴承上的机械负载的方法。 滚动元件轴承包括第一圈和第二圈，其配置为围绕轴线关于彼此大致共轴旋 转。滚动元件轴承也包括容置在第一圈和第二圈之间的多个滚动元件。

该方法包括在滚动元件轴承操作使用时，传感第一圈和第二圈至少特定 的其中之一在至少特定圈的特定表面处的变形，该特定圈的特定表面面对大 致垂直于在滚动元件轴承上的机械负载的主矢量分量的进一步方向的方向， 其中滚动元件轴承设计为主要支撑主矢量分量。依赖于因此传感的变形，确 定了机械负载的属性。

在此使用的特征“主矢量分量”称作机械负载的主要的特征，滚动元件 轴承已经被设计为在操作使用中支撑它。例如，径向轴承已经被设计为仅用 于或者主要用于支撑径向负载。一些类型的径向轴承也可以接受一些轴向负 载，诸如角接触球轴承和锥形滚柱轴承。另一方面，止推轴承已经被设计用 于支撑纯粹的轴向负载。对于更多的背景信息，请参见例如“通用目录”， SKF，2005年11月，“轴承类型的选择”那章，“负载”那段。因此，在径 向轴承上机械负载的主要的矢量分量假设为径向取向的矢量分量，即，垂直 于径向轴承的旋转轴线，而在轴向轴承上机械负载的主要的矢量分量假设为 轴向取向的矢量分量，即，平行于轴向轴承的旋转轴线的方向。

机械负载的特征包括，例如机械负载的大小，机械负载的方向，关于滚 动元件轴承的特定方向机械负载的大小，大小或者方向等的瞬时特性。

当监测在外圈的圆柱外表面处的传统测量到的应变时，发明人已经发现 相当大的应变变化发生在径向轴承的外圈的侧壁处。通常地，在滚动元件轴 承，例如径向轴承上的机械负载通过考虑径向轴承的内圈或者外圈在承受源 自于径向轴承上的机械负载和径向轴承的反作用力的组合的表面应力或者 表面应变的表面处的变形确定。在滚动元件轴承操作使用时，滚动元件连续 通过内滚道处或者外滚道处的特定位置。在特定位置处产生的表面应变具有 由所谓的球通过频率确定的瞬时特征。本发明基于变形也发生在与机械负载 施加在滚动元件轴承上的力的方向不同的方向上的观察，例如在与由机械负 载产生的力的方向垂直的方向上的变形，且该变形可检测且承载关于机械负 载的信息。根据本发明的负载传感便于事后装配（retro-fitting）传感器到已 经在现有应用中使用的滚动元件轴承，传感器可以更容易地装配至滚动元件 轴承的那些表面，其沿着大致不同于，例如垂直于，在滚动元件轴承上的机 械负载的力的另一方向取向。

在该方法的一个实施例中，滚动元件轴承包括径向轴承。第一圈包括： 大致面对平行于所述轴线的轴向方向的第一左侧面；与第一左侧面相对且大 致面对平行于所述轴线的相对轴向方向的第一右侧面；在第一左侧面和第一 右侧面之间且面对垂直于所述轴线的径向方向的第一圆柱表面；以及位于第 一左侧面和第一右侧面之间且与第一圆柱表面相对且面对垂直于所述轴线 的相对径向方向的第一滚道。第二圈包括：大致面对平行于所述轴线的轴向 方向的第二左侧面；大致面对平行于所述轴线的相对轴向方向的第二右侧 面；在第二左侧面和第二右侧面之间且面对相对径向方向的第二圆柱表面； 以及位于第一左侧面和第一右侧面之间且与第二圆柱表面相对且面对径向 方向的第二滚道。机械负载的进一步方向大致垂直于所述轴线。特定表面是 第一左侧面，第一右侧面，第二左侧面和第二右侧面的至少其中之一。传感 的变形包括关于所述变形的径向贡献和关于所述变形的圆周贡献的至少其 中之一。

在本文中，术语“侧面”指面对轴向方向的第一圈和第二圈其中一个相 关圈的表面。

发明人已经发现在与其中行进在马路表面上的汽车轮子上的轮胎变形 方式类似的方式下，径向轴承在机械负载下变形。在轮胎与马路接触的情况 下，在那时候，轮胎显示出或多或少的凸变。在轮胎与马路表面接触的情况 下，该凸变由沿着轴向方向向外变形的轮胎的侧壁和由变平的轮胎面形成。

发明人已经发现取决于负载的数量和径向轴承的类型（圈的尺寸，滚动 元件的尺寸等），在侧面上有“最佳点(sweet spot)”，在此作为径向负载结果 的轴向变形倾向于比其它位置更显著。这证明了对于在计算机上仿真且在实 践中测试的径向轴承类型（其中是用于径向负载的球形滚子轴承），特定圈 的变形在径向更靠近特定圈的滚道的位置比特定圈的径向相对圆柱表面更 显著。该最佳点的位置取决于滚动元件的接触角度，取决于滚动元件轴承的 类型，以及因此取决于在圈和所考虑的滚动元件轴承的类型的滚动元件中的 机械负载的力的分布。

取代使用应变传感器，其它技术可以用于传感径向轴承的相关侧面的变 形。例如，侧面的轴向变形发生作为沿着垂直于所述轴线的方向应用至径向 轴承的机械负载的结果。相对于在未加载状态下径向轴承的表面，轴向变形 在侧面的表面上的不同位置带来轴向位移。该位移可以使用例如，本领域已 知的一个或者多个电容位移传感器检测。电容位移传感器可以测量小至微米 等级的目标的位置。可替换地，原理上，可以使用一个或者多个感应式传感 器，电磁传感器或者其它类型的近似传感器，如果它们的精度足够高的话。 例如，可以使用电子光点图案干涉测量法，用于检测在侧面上产生的激光光 点图案中的改变，该改变是由于所述变形造成的。该改变是机械负载的表示。

如上说明的，应变传感器可以用于传感特定表面的变形。应变传感器具 有有限的尺寸并且因此提供传感器信号，该感器信号是由应变传感器所覆盖 的特定表面的区域中的平均变形。

负载的测量基于使用应变传感器的瞬时特征。负载的整体数值通过计算 应变信号的标准偏差获得。在滚动元件轴承的侧面的表面上的不同角度位置 处的若干这些整体数值可以提供关于越过滚动元件轴承的负载区的负载分 布的信息。应变传感器的尺寸优选地沿着角度方向尽可能窄，即沿着其中滚 动元件横贯它们路径的方向，以使得当由单个其中一个滚动元件穿过时，能 够适当地捕获应变的峰值。为了对于“凸变”的径向运动具有更少的敏感， 应变传感器优选地沿着径向方向覆盖相当大的距离。

上文使用的表示“负载区”指有效承载机械负载的滚动元件轴承的区域。 例如，考虑其外圈安装在壳体中，其内圈固定至水平轴的径向轴承。该轴因 此能够关于壳体旋转。首先假设轴不转动，且沿着向上竖直方向承受机械负 载。在轴上的机械负载引起径向轴承的内圈被向上推动抵靠在滚动元件之 间，滚动元件定位在径向轴承的上半部分中。在上半部分中的滚动元件被推 动，反过来抵靠径向轴承外圈的上半部分，因此外圈被竖直向上推动抵靠壳 体。该壳体是固定的且在外圈上竖直向下施加反作用力。在径向轴承下半部 分中的滚动元件不会承受任何负载，或者如果径向轴承是预加应力的，负载 减少。作为在轴上的机械负载的结果，在外圈中的负载区是承受实际应力的 外圈中的材料区，且因此其变形。如果在轴上机械负载的方向不改变，相对 于径向轴承的外圈的负载区的位置不会改变。如果当沿着向上竖直方向承受 机械负载时，轴旋转，负载区的位置不关于外圈改变，但是当每次其它滚动 元件穿过上半部分径向轴承时，随着滚动元件的球通过频率，变形的强度现 在会改变。

在应用至径向轴承的本发明的方法中的进一步的实施例中，传感的变形 包括径向贡献。变形的传感包括使用连接至特定圈的特定表面的第一应变传 感器以及连接至特定圈的特定表面的第二应变传感器。在特定表面上，在第 一应变传感器和第二应变传感器之间且围绕轴线沿着圆周方向测量的角度 距离大致等于沿着圆周方向测量的在两个相邻的滚动元件之间的另一个角 度距离的一半。第一应变传感器和第二应变传感器沿着例如半桥类型或者全 桥类型的测量桥电路连接。

进一步的实施例基于正极径向应变和负极径向应变发生在某一区域中 的特定圈中的观察，在该区域中其中一个单个的滚动元件当前使得与特定圈 的滚道赫兹接触。在正极应变的位置和负极应变的另一个位置之间的距离对 应于在邻接的滚动元件之间间隔的大约一半。如果第一应变传感器和第二应 变传感器适当地间隔，它们会提供相对极性的信号，其可以被构建地组合在 半桥测量电路中。类似地，可以使用全桥测量电路，通过放置四个应变传感 器具有如发生在沿着圆周方向彼此邻接的两个滚动元件之间的半个角度距 离的相等的间隔。

在应用至径向轴承的本发明的方法的进一步的实施例中，传感的变形包 括圆周贡献。变形的传感包括使用连接至特定圈的特定表面的应变传感器。 应变传感器具有传感区域，其宽度大致等于沿着圆周方向邻接的一对滚动元 件之间间隔的一半。

围绕与其中一个单个滚动元件的赫兹接触，可以观察到正极圆周应变和 负极圆周应变。对于应变传感器，这是仅一个方向。如所知的，应变传感器 仅测量膨胀和收缩，而不是其方向。正极圆周应变和负极圆周应变是膨胀的。 取决于应变传感器的测量栅格的尺寸，随着滚动元件的每一次单个穿过，可 以期望两个峰值。

如果应变传感器片的宽度大致等于该区域，其中在正极的圆周方向和负 极的圆周方向中的应变发生作为滚动元件单次穿过的结果，接着作为在应变 传感器的输出信号中两个应变相加的结果，应变输出加倍。

在本发明的方法的进一步的实施例中，该方法包括传感第一圈在第一左 侧面和第一右侧面二者上的变形。该方法进一步包括确定至少以下其中之 一：在第一左侧面上传感的第一圈的变形和在第一右侧面上传感的第一圈的 变形之间的差；以及在第一左侧面上传感的第一圈的变形和在第一右侧面上 传感的第一圈的变形的和。该方法进一步包括确定依赖于所述差的机械负载 的属性（attribute），如果机械负载的属性表示机械负载的轴向分量的话；以 及确定依赖于所述和的机械负载的属性，如果机械负载的属性表示机械负载 的径向分量的话。

本发明提出通过使用在每个侧面上的两个应变测量的不同的组合，确定 机械负载的轴向分量和确定机械负载的径向分量。在左侧面上传感的应变和 在右侧面上传感的应变之间的差表示机械负载的当前轴向分量。在第一侧面 上传感的应变和在第二侧面上传感的应变的和表示机械负载的当前径向分 量。

可替换地，通过传感在沿着例如外圈的单个侧面的圆周的多个位置处传 感应变，也可以单独确定机械负载的轴向分量和机械负载的径向分量。在滚 动元件上的负载分布的数学模型会需要将径向和轴向负载分离。

因此，本发明的方法也允许通过传感在圈的两个侧面上的应变确定在径 向轴承上的机械负载的轴向分量，借助于在沿着圈的圆周的多个位置处传感 在圈的侧面上的应变确定在圈的平面中的机械负载矢量，以及借助于在沿着 圈的圆周的多个位置处传感在圈的侧面上的应变确定在负载区的机械负载 的分布。

在本发明的方法的进一步的实施例中，滚动元件轴承包括轴向轴承。第 一圈包括：大致面对平行于所述轴线的轴向方向的第一左侧面；与第一左侧 面相对且大致面对平行于所述轴线的相对轴向方向，且包括面对多个滚动元 件的第一滚道的第一右侧面；在第一左侧面和第一右侧面之间且向外面对垂 直于所述轴线的径向方向的第一外圆柱表面以及位于第一左侧面和第一右 侧面之间且向内面对垂直于所述轴线的径向方向的第一内圆柱表面的至少 其中一个。第二圈包括：大致面对平行于所述轴线的轴向方向且包括面对多 个滚动元件的第二滚道的的第二左侧面；大致面对平行于所述轴线的相对轴 向方向的第二右侧面；在第二左侧面和第二右侧面之间且向外面对垂直于所 述轴线的径向方向的第二外圆柱表面以及位于第二左侧面和第二右侧面之 间且向内面对垂直于所述轴线的径向方向的第二内圆柱表面的至少其中一 个。机械负载的进一步的方向大致平行于轴。特定表面是第一外圆柱表面， 第一内圆柱表面，第二外圆柱表面和第二内圆柱表面的其中之一。传感的变 形包括变形的轴向贡献和变形的圆周贡献的至少其中之一。

因此，可以采取与参照径向轴承所讨论的类似方法。也就是轴向轴承的 变形在第一圈和第二圈其中特定之一的特定表面被传感，该特定表面面对与 机械负载的进一步方向大致垂直的方向。

本发明也涉及径向轴承，包括：第一圈和第二圈，其配置为围绕轴线关 于彼此大致共轴旋转，以及容置在第一圈和第二圈之间的多个滚动元件。第 一圈形成径向轴承的外圈，第二圈形成径向轴承的内圈。第一圈包括：大致 面对平行于所述轴线的轴向方向的第一左侧面；与第一左侧面相对且大致面 对平行于所述轴线的相对轴向方向的第一右侧面；在第一左侧面和第一右侧 面之间且面对垂直于所述轴线的径向方向的第一圆柱表面；以及相对第一圆 柱表面且位于第一左侧面和第一右侧面之间且面对垂直于所述轴线的相对 径向方向的第一滚道。第二圈包括：大致面对平行于所述轴线的轴向方向的 第二左侧面；大致面对平行于所述轴线的相对轴向方向的第二右侧面；在第 二左侧面和第二右侧面之间且面对相对径向方向的第二圆柱表面；以及相对 第二圆柱表面且位于第一左侧面和第一右侧面之间且面对径向方向的第二 滚道。径向轴承也包括一个或者多个变形传感器，在操作使用径向轴承的情 况下，用于传感：在第一左侧面和第一右侧面，第二左侧面和第二右侧面至 少其中之一的特定表面处的对于第一圈的变形的径向贡献，以及对于第一圈 的变形的圆周贡献的至少其中之一。

在径向轴承的进一步的实施例中，传感的变形包括径向贡献。变形传感 器包括连接至特定圈的特定表面的第一应变传感器以及连接至特定圈的特 定表面的第二应变传感器。在特定表面上，在第一应变传感器和第二应变传 感器之间且围绕轴线沿着圆周方向测量的角度距离大致等于沿着圆周方向 测量的在两个相邻的滚动元件之间的另一个角度距离的一半。第一应变传感 器和第二应变传感器配置为用桥测量电路连接。

在径向轴承的进一步实施例中，传感的变形包括圆周贡献。变形传感器 包括连接至特定圈的特定表面的应变传感器。应变传感器具有传感区域，其 宽度大致等于沿着圆周方向邻接的一对滚动元件之间间隔的一半。应变传感 器具有使得仅覆盖在特定表面上的第一区域和在特定表面上的第二区域的 取向，在第一区域中圆周贡献具有正极分量，在第二区域中圆周贡献具有负 极分量，正极分量和负极分量出现作为在径向轴承的操作使用中通过应变传 感器的单个滚动元件的结果。

本发明也涉及轴向轴承包括：第一圈和第二圈，其配置为围绕轴线关于 彼此大致共轴旋转，以及容置在第一圈和第二圈之间的多个滚动元件。第一 圈包括：大致面对平行于所述轴线的轴向方向的第一左侧面；与第一左侧面 相对且大致面对平行于所述轴线的相对轴向方向且包括面对多个滚动元件 的第一滚道的第一右侧面；在第一左侧面和第一右侧面之间且向外面对垂直 于所述轴线的径向方向的第一圆柱表面。第二圈包括：大致面对平行于所述 轴线的轴向方向且包括面对多个滚动元件的第二滚道的第二左侧面；大致面 对平行于所述轴线的相对轴向方向的第二右侧面；在第二左侧面和第二右侧 面之间且向外面对垂直于所述轴线的径向方向的第二圆柱表面。轴向轴承包 括变形传感器，在操作使用轴向轴承的情况下，用于传感：在第一圆柱表面 和第二圆柱表面至少其中之一的特定表面处的，第一圈和第二圈的至少特定 其中之一的变形的轴向贡献，和至少所述特定圈的变形的圆周贡献的至少其 中之一。

注意到在根据本发明的确定在径向轴承上的负载和确定在轴向轴承上 的负载的两个方案中，在现有的应用中，传感器可以被事后装配至轴承。

为了完善，现在引用公开为WO2010/072232，颁给SKF的国际申请。 WO2010/072232涉及轴承单元，其使得强和稳定的信号得以传感，凭此传感 器可以以简单的自动处理的方式连接至轴承。轴承设置有一个或者多个应变 传感器。轴承包括内圈和外圈，其中传感器包括一体化在支撑构件上的传感 元件。支撑构件是由金属材料制成的平板且仅借助于位于支撑构件的第一和 第二侧向端部的第一焊缝和第二焊缝连接至轴承的表面。WO2010/072232 记载了一个实施例，其中一个或者多个传感器被连接至径向轴承内圈的端部 面，以测量作为安装径向轴承在锥形座上的结果的内圈的膨胀。该安装配置 引起内圈直径增加，其反过来影响轴承的内间隙。通过传感在安装阶段中作 为增加圈直径结果的在内圈的端部面上引起的应变，最佳的内间隙可以因此 获得。与其相比较，本发明涉及通过确定例如外圈的端部面的变形，确定在 例如径向轴承上的机械负载，且在轴承的操作使用阶段这样做。 WO2010/072232没有提供教导或者暗示，或者动机给技术人员使用传感器用 于传感径向轴承的内圈和外圈的至少其中之一的端部面的变形，以确定在操 作使用中的径向轴承上的机械负载。

附图说明

图1是深沟球轴承的示意图；

图2是球面滚子轴承的示意图；

图3是轴向轴承的示意图；

图4是在机械负载下，球面滚子轴承的第一圈的模型的示意图；

图5是设置有应变传感器的球面滚子轴承的侧面的示意图；以及

图6，7，8和9是示出了在该组滚柱的特定位置处在应变传感器的圆周 位置上依赖于应变信号的示意图。

贯穿整个附图，相同的附图标记指示类似或对应的零件。

具体实施方式

图1是径向轴承的第一示例，即，深沟球轴承的示意图。深沟球轴承100 包括第一圈102，第二圈104和容置在第一圈102和第二圈104之间的多个 球。为了不使附图模糊，仅第一球106和第二球108使用附图标记。通常， 多个球保持在保持架140中以保证沿着角度方向上球的平均间隔。第一圈 102和第二圈104配置为围绕轴线110关于彼此大致共轴。第一圈102具有 在垂直于轴线110的平面中（未示出）的第一圈状横截面（未示出），以及 第二圈104具有在垂直于轴线110的相同平面中的第二圈状横截面（未示 出）。第一圈状横截面和第二圈状横截面在相同平面中同心。深沟球轴承100 是径向轴承，设计用于支撑主要为径向负载，即，施加力的负载，其矢量大 致位于垂直于轴线110的平面中。

第一圈102包括第一左侧面112，其大致面对平行于轴线110的轴向方 向，第一右侧面114，其大致面对平行于轴线110的相对轴向方向，在第一 左侧面112和第一右侧面114之间且径向向外面对的第一圆柱表面116。第 一圈102的第一径向向内面对表面142包括第一滚道。同样，第二圈104包 括第二侧面118，其大致面对平行于轴线110的轴向方向，第二右侧面120， 其大致面对平行于轴线110的相对轴向方向，在第二左侧面和第二右侧面之 间且径向向内面对的第二圆柱表面122。第二圈104的第二径向向外面对表 面144包括第二滚道。

如从图1的示意图清楚可见，深沟球轴承100的第一圈102是外圈，第 二圈104是深沟球轴承100的内圈。考虑一配置，其中第一圈102安装在壳 体中（未示出）且第二圈104安装在轴上（未示出）。第一圈102关于外界 固定，而第二圈104可以随着轴关于第一圈102且因此关于外界自由旋转。 假设负载在垂直于轴线110的平面中沿着竖直向下的方向施加至壳体且轴施 加竖直向上的反作用力，从而使得保持关于外界固定的深沟球轴承100的位 置和取向。因此，壳体施加压力在第一圈102的外表面上，其随着在外表面 上的位置而变化，球施加压力在第一圈102的内表面上，其随着内表面上的 位置而变化。第一圈102和定位在深沟球轴承100的上半部分中的特定的其 中一个球彼此按压抵靠。因为第一圈102和球是弹性的，因为施加的压力， 第一圈102和球变形，且当缺乏负载时，它们的接触面积关于它们的接触面 积增加。变形产生了在第一圈102的材料和特定球的材料中的应力。这些应 力被称作赫兹接触应力。赫兹接触应力形成在滚动元件轴承，齿轮等中构建 负载支承能力的基础。

如上文已经讨论的，在深沟球轴承100上的机械负载传统地通过传感第 一圈102在第一圆柱表面116处的变形和/或传感第二圈104在第二圆柱表面 122处的进一步的变形确定。例如，在该深沟球轴承被定位用于在一件机械 中操作使用之前，沟槽（未示出）被切进第一圆柱表面116以及一个或者多 个应变传感器（未示出）然后被容置在该沟槽中。传统方法的缺点已经说明 如上。

相比较的是，根据本发明在深沟球轴承100上确定机械负载的方法基于 在第一左侧面112和第一右侧面114至少其中一个处传感第一圈102的变形， 和/或在第二左侧面118和第二右侧面120至少其中一个处传感第二圈104 的进一步变形。也就是，在本发明中，第一圈102和/或第二圈104的变形在 表面处被传感，该表面面对大致与由于在深沟球轴承100上的机械负载，经 由多个滚动元件，第一圈102和第二圈104向着彼此挤压的方向不同的方向。 在此，负载的力沿着大致垂直于轴线110的平面取向，而其变形被传感的表 面面对平行于轴线110的方向。

为了完善，在此需要指出的是，除了上述的配置，配置是灵活的，例如， 第一圈102可以关于外界自由旋转且第二圈104关于外界保持固定，或者其 中第一圈102和第二圈104围绕轴线110关于彼此共轴旋转，且都相对于外 界旋转。在这两个配置中，在第一左侧面112上和/或在第一右侧面114上， 第一圈102的变形可以同样被传感，和/或在第二左侧面118和/或第二右侧 面120处的第二圈104的进一步变形可以被传感。

如果深沟球轴承的负载区关于变形被传感的第一圈102和第二圈104的 有关的其中一个保持固定，那么仅在第一左侧面112，第一右侧面114，第 二左侧面118和第二右侧面120有关的其中一个上在负载区中使用变形传感 器将会是足够的。如果负载区不关于第一圈102和第二圈104的有关的其中 一个保持固定，负载区相对于第一圈102和第二圈104的有关的其中一个改 变位置。例如，负载区的位置横贯对中在轴线110上的圆。可以接着定位变 形传感器，以使得所有围绕其中一个侧面在特定位置处传感变形。如果负载 区的位置在第一圈102和第二圈104的有关的其中一个中在两个极限位置之 间振荡且沿着弧前后运动，可以定位变形传感器以使得传感在有关的侧面处 在该弧上的特定位置处的变形。可替换地，如果负载区关于第一圈102和第 二圈104的有关的其中一个不固定，而是改变位置，可以依赖变形传感器负 载区，其中一个过去的变形传感器。

图2是径向轴承的第二示例，即，球面滚子轴承200的示意图。典型的 球面滚子轴承具有两排滚柱，在外圈中具有普通的球面滚道，在内圈中的两 个滚道，其关于轴承的轴线倾斜一个角度。球面滚子轴承是自我对齐的，且 设计为适应重的径向负载和重的轴向负载。球面滚子轴承200包括第一圈 202，第二圈204和多个滚动元件，在此，容置在第一圈202和第二圈204 之间的多个滚柱。为了使附图不模糊，仅第一滚柱206和第二滚柱208使用 附图标记标引。通常，滚柱保持在保持架240中以保证在角度方向多个滚柱 的平均间隔。第一圈202和第二圈204配置为围绕轴线210相对于彼此大致 共轴旋转。第一圈202具有在垂直于轴线210的平面中（未示出）的第一圆 形，圈状横截面（未示出），以及第二圈具有在垂直于轴线210的相同平面 中的第二圆形，圈状横截面（未示出）。第一圈状横截面和第二圈状横截面 在相同平面中同心。球面滚子轴承200设计用于支撑径向负载，即，施加力 的负载，其矢量大致位于垂直于轴线210的平面中，以及轴向负载，即施加 力的负载，其矢量平行于轴线210。

第一圈202包括：大致面对平行于轴线210的轴向方向的第一左侧面 212，大致面对平行于轴线210的相对轴向方向的第一右侧面214；在第一左 侧面212和第一右侧面214之间的第一圆柱表面216。第一圆柱表面216径 向向外面对。第一圈202的第一径向向内面对表面（没有使用附图标记标引） 包括第一滚道，其对两排滚柱是共用的。第二圈204包括：大致面对平行于 轴线210的轴向方向的第二左侧面218，大致面对平行于轴线210的相对轴 向方向的第二右侧面220；在第二左侧面218和第二右侧面220之间的第二 圆柱表面216。第二圆柱表面216径向向内面对。第二圈204的第二径向向 外面对表面（没有使用附图标记标引）包括一对第二滚道。所述成对滚道的 其中一个特定表面具有特定的标准矢量，其指向偏离垂直于轴线210的方向。

如从图2的示意图清楚可见，球面滚子轴承200的第一圈202是外圈， 第二圈204是球面滚子轴承200的内圈。考虑一配置，其中球面滚子轴承200 使用第一圈202被安装在壳体（未示出）中，且第二圈204安装在轴（未示 出）上。第一圈202是关于外界固定的，而第二圈204可以随着轴关于第一 圈202且因此关于外界自由旋转。假设负载在垂直于轴线210的平面中沿着 竖直向下的方向施加至壳体，轴施加的反作用力竖直向上以使得保持球面滚 子轴承200的位置和取向关于外界固定。因此，壳体施加压力在第一圈202 的外表面上，其随着在外表面上的位置而变化，球面滚柱施加压力在第一圈 202的内表面上，其随着内表面上的位置而变化。第一圈202和定位在球面 滚子轴承200的上半部分中的特定的其中一个滚柱彼此按压抵靠。因为第一 圈202和滚柱是弹性的，因为施加的压力，第一圈202和滚柱变形，且当缺 乏负载时，它们的接触面积关于它们的接触面积增加。变形产生了在第一圈 202的材料和特定滚柱的材料中的应力。

如上述所讨论的，在球面滚子轴承200上的机械负载传统地通过传感第 一圈202在第一圆柱表面216处的变形和/或传感第二圈204在第二圆柱表面 222处的进一步变形确定。传统方法的缺点已经说明如上。

相比较，根据本发明在球面滚子轴承200上确定机械负载的方法基于在 第一左侧面212和第一右侧面214至少其中一个处传感第一圈202的变形， 和/或在第二左侧面218和第二右侧面220至少其中一个处传感第二圈204 的进一步变形。也就是，在本发明中，第一圈202和/或第二圈204的变形在 表面处被传感，该表面面对大致与由于在球面滚子轴承200上的径向直接机 械负载，经由多个圆柱滚柱，第一圈202和第二圈204向着彼此挤压的方向 不同的方向。在此，负载沿着位于大致垂直于轴线210的平面中的方向取向， 而其变形被传感的表面面对平行于轴线210的方向。

图3是滚动元件轴承的第三示例，即，轴向轴承300的示意图。轴向轴 承300包括第一圈302，第二圈304，以及在第一圈302和第二圈304之间 的多个滚动元件。止推轴承的滚动元件可以设定形状为球或者滚柱。对于更 多的背景信息，请参见例如，“通用目录”，SKF，2005年11月，“轴承类型 的选择”那章，“负载”那段。通过示例，轴向轴承300的滚动元件在此设 定形状为球。为了不使附图模糊，仅第一球306和第二球308使用附图标记。 通常，多个球保持在保持架340中以保证沿着角度方向上球的平均间隔。第 一圈302和第二圈304配置为围绕轴线310关于彼此大致共轴旋转。第一圈 302和第二圈共轴定位，但是沿着轴向方向间隔开一定距离。轴向轴承300 设计为支撑轴向负载，即施加力的负载，其矢量与轴线310大致对齐。

第一圈302包括第一左侧面312，其大致面对平行于轴线310的轴向方 向，且远离多个球。第一圈302也具有第一右侧面314，其大致面对相对轴 向方向且面对多个球。第一右侧面314包括第一滚道（在此没有用附图标记 标引）。第一圈302进一步具有第一外圆柱表面316，其在第一左侧面312 和第一右侧面314之间且径向向外面对。第一圈302也具有第一内圆柱表面 317，其在第一左侧面312和第一右侧面314之间且径向向内面对。同样， 第二圈304包括第二左侧面318，其大致面对平行于轴线310的轴向方向且 面对多个球，第二右侧面320，其大致面对相对轴向方向且远离多个球，在 第二左侧面318和第二右侧面320之间且径向向外面对的第二外圆柱表面 322，在第二左侧面318和第二右侧面320之间且径向向内面对的第二内圆 柱表面323。第二右侧面318包括第二滚道（在此没有用附图标记标引）。图 3的示意图示出了轴向轴承的例子，其中第一圈302具有第一圆柱内表面317 和其中第二圈304具有第二圆柱内表面323。取代具有径向向内面对的圆柱 表面，第一圈302和第二圈304的一个或者两个可以被形成为实心盘，仅具 有在有关的左侧面和右侧面之间的且径向向外面对的单个圆柱表面。

在轴向轴承300的操作使用中，当轴向负载施加至轴向轴承300时，第 一圈302和第二圈304以及在它们之间的多个球沿着轴向方向挤压在一起。 因此，第一圈302，第二圈304和多个球依赖于轴向负载的大小弹性变形。 第一圈302的第一左侧面312和第二圈304的第二右侧面320通常设计为在 它们的整个表面上散布轴向负载，以使得避免局部峰值负载和以使得最小化 压力。也就是，第一圈302的第一左侧面312和第二圈304的第二右侧面320 在轴向轴承300的操作使用中为了传感它们的变形并不易于接近。在本发明 中，在轴向轴承300的操作使用中，轴向轴承300的变形在第一圆柱表面316 和/或第二圆柱表面318处被传感。也就是，在第一圈302的表面处和/或第 二圈304的表面处变形被传感，该表面面对大致垂直于轴向负载方向的方向。

图4是通过在操作使用中承受机械负载的球面滚子轴承200的计算机仿 真获得的球面滚子轴承200的第一圈202的模型的示意图。机械负载沿着箭 头402的方向在球面滚子轴承200上施加力。

在图4的模型中，因为机械负载和反作用力，在球面滚子轴承200的上 部分中的七个滚柱被挤压抵靠在第一圈202的上半部分中的第一圈202的径 向向内面对表面的滚道。注意，因为施加的机械负载，挤压滚道的滚动元件， 在此为滚柱的数目取决于滚动元件轴承的类型（例如，滚动元件和滚道的尺 寸，滚动元件之间的间隔，是否滚动元件轴承具有单排或者多排滚动元件 等），取决于轴承的间隙，取决于轴承位于其中的壳体，以及取决于机械负 载的大小和方向。在圆柱球面滚子轴承200的上部分中，通过7个滚柱施加 在滚道上的压力产生了第一圈202的局部变形。在缺乏负载的情况下，局部 变形由第一圈202的形状的偏差限定，且为了清楚的目的，作为了某些夸张 地示出。粗略来说，在角度方向上在交替顺序运行中，在第一圈202的上半 部分中的第一圆柱表面216呈现具有顶峰和沟槽的波浪形状。为了不使附图 模糊，单个其中之一的顶峰使用附图标记404表示且单个其中一个沟槽使用 附图标记406表示。然而，第一左侧面212和第一右侧面214（在此为标记） 也变形。响应于推动抵靠第一圈202的滚道的滚柱在材料中产生的应力，第 一左侧面212和第一右侧面214的变形在原子等级上由第一圈202材料的微 观结构的重新布置产生。

通常，材料是具有通过在离子栅格和电子云之间的静电作用保持在一起 的固相微观结构的金属合金。如果栅格是局部承受外来物体，诸如通过第一 圈202的滚道上特定位置的滚柱的冲击，扰动从冲击位置传播整个栅格。扰 动是弹性波，特征是通过离子在栅格中从它们的当前平衡位置飘移。如果波 传播比在材料的表面处冲击改变它的位置和/或它的密度快很多的话，栅格在 冲击的时间比例尺上在每个时刻呈现新的平衡。新的平衡由当前施加在第一 圈202的表面处的冲击的力确定，在第一圈202上的反作用力当前由滚柱和 材料的弹性引起。由于材料的高刚性，新的平衡是在第一圈202中的整个效 果，而不是局部效果。因此，局部施加至第一圈202的力产生第一圈202的 整个变形，包括第一左侧面212和第一右侧面214的变形。第一左侧面212 和第一右侧面214的变形以本发明的方法被传感以为了确定施加在垂直于轴 线210的方向上的机械负载的属性。注意的是，如果滚动元件轴承是旋转的 且机械负载的大小和方向保持恒定，在球通过频率的频率处，变形呈现暂时 重复特征。

第一左侧面212的变形现在会以更多细节参照附图考虑。相似的考虑会 应用至第一右侧面214的变形且不会进一步讨论。

图5是第一左侧面212的示意图。在球面滚子轴承200的上半部分中， 在第一左侧面212上，在多个位置测量变形。在这些位置的特定其中一个位 置处的变形具有径向分量，圆周分量和轴向分量。在测试中，七个应变传感 器，第一应变传感器502，第二应变传感器504，第三应变传感器506，第四 应变传感器508，第五应变传感器510，第六应变传感器512和第七应变传 感器514定位在球面滚子轴承200的上半部分中，在第一左侧面212上。该 七个应变传感器定位为距离轴线210为大致相同的径向距离r，且在七个应 变传感器中相邻的两个之间具有大致相等的圆周距离“D”。

如果球面滚子轴承200上的机械负载恒定且第一圈202和第二圈204关 于彼此旋转，来自于七个应变传感器中各自的相应的信号会阶段性在相应的 最大值和相应的最小值之间变化，每个下一阶段是指示多个滚柱中的下一个 的通过。

图6，7和8是示出第一左侧面的变形（应变）的径向分量的图，其依 赖于沿着在第一左侧面212的表面上的路径的位置，其横穿七个应变传感器 的位置。七个应变传感器的信号是第一圈202的变形的表示。应变的径向分 量，即，径向应变是第一圈202沿着径向方向的变形。

图6，7和8的图表从计算机仿真获得，且图表中的其中一个相应的图 表说明了对于在第一圈202（即，外圈）的第一左侧面212上圆周路径的各 自的半径“r”（距离球面滚子轴承200的轴线210各自的距离）确定的径 向方向的应变。在图6，7和8的图表中的曲线是沿着圆周的路径从-150° 至+150°确定的径向方向中仿真应变的表示，0°对应于路径的最高点的位 置。由于应变传感器502-512的固定位置，事实是滚柱以球通过频率通过， 应变信号本身表示了在相邻的这些滚柱之间的一半空间的间隔段，且具有或 多或少的连续改变振幅。

图6的图表表示了沿着在径向距离r=R₀处的路径在不同位置处的应变。 在示出的例子中，测量的最大顶-顶径向应变是在中心位置处测量的顶-顶径 向应变（大约0°），且大约是60με（μm/m）。

图7的图表表示了沿着在径向距离r=R₀+δ处的路径在不同位置处的应 变，其中δ比0大，但是相比R₀非常小（0<δ<<R₀）。在径向距离R₀+δ处测 量的最大顶-顶径向应变现在是大约40με，从在图6中的60με下降约30%。

图8的图表表示了沿着在径向距离r=R₀-δ处的路径在不同位置处的应 变。在径向距离R₀-δ处测量的最大顶-顶径向应变现在是大约70με，从在图 6中的60με上升约25%。

结果在图6，7和8中给出的仿真支持了该发现，即顶-顶径向应变测量 对于在径向距离“r”处的小的变化高度灵敏，以及其对于设计用于支撑径向负 载的球面滚子轴承，应变优选地在比第一圆柱表面216至轴线210的径向距 离更接近第一圈202的滚道至轴线210的径向距离的径向距离处测量

图9是在半桥测量电路中连接的两个应变传感器的组合的仿真测量输出 的图表。应变传感器定位在具有半径r=R₀的路径上且在该路径的位置处，其 由在球面滚子轴承200中的两个相邻的滚柱之间的半圆周距离圆周地间隔 开。

四分之一桥应变传感器电路，半桥应变传感器电路，以及全桥应变传感 器电路是本领域熟知的。该两个应变传感器的特别的一个会接着暴露至两个 应变传感器中的另一个会暴露于的力的相对的力。因此，半桥应变传感器电 路产生了具有最大顶-顶数值的组合径向应变信号，其是单个应变传感器的 径向应变信号中的顶-顶数值的两倍。此外，在温度上，半桥应变传感器电 路补偿了组合的径向应变信号，其依赖应变传感器信号。在图9示出的例子 中，组合的径向应变信号是对称的，且具有大约60με的最大振幅，且因此 具有大约120με的最大顶-顶数值。

本发明的方法使用特定类型的球面滚子轴承200测试。在该测试中，径 向应变通过使用在球面滚子轴承200的负载区的顶部处且由两个相邻滚柱之 间的一半距离间隔开的一对应变传感器传感第一圈202在第一左侧面212上 的变形而被确定。该对应变传感器用半桥应变传感器电路连接，其结果在图 9的图表中给出。经由本发明的方法获得的该结果与经由传统地确定在第一 圆柱表面216中制造的凹槽中的第一圈202的径向变形获得的其它应变信号 相比较。对于考虑的球面滚子轴承200的特定类型，证明了在本发明中获得 径向应变信号的大小是其它应变信号的大小的大约10%，其它应变信号经由 传感在第一圆柱表面216中制成的凹槽中的径向应变的传统方法获得。

在测试中，也证明在操作使用特定类型的球面滚子轴承200时，在第一 左侧面212上测量的径向应变的大小非线性地依赖于施加至球面滚子轴承 200的径向机械负载的大小。随着径向机械负载的大小降低，径向应变的大 小减少。

因此，根据本发明所获得的径向应变信号的大小很好的在有用的范围 内，从而在操作使用时获得关于在球面滚子轴承上的机械负载的信息。

取代地，或者除了传感径向应变以外，可以在球面滚子轴承200的第一 圈202的第一左侧面212上传感圆周应变。圆周应变或者角度应变是在角度 方向测量的应变的分量，即在圆的节段处，其中心位于轴线210上且其取向 垂直于轴线210。

在测试中发现，在圆周方向上应变幅度比上文中讨论的在径向方向的 低。例如，在特定负载下，在特定类型的球面滚子轴承200的第一左侧面212 处测量圆周应变产生例如40με的振幅的两侧波，而在相同负载下，在相同 的球面滚子轴承200的第一左侧面212处测量径向应变产生具有例如80με 的顶-顶值的半正弦类型波。此外，当在用于测量圆周应变的半桥测量电路 中连接两个应变传感器时，放置应变传感器比在测量径向应变的情况更严 格，且对于圆周应变，半桥测量电路的输出信号比用于测量径向应变的输出 信号从正弦波偏移更多。在第一左侧面212的表面上的区域中，其中应变由 多个滚柱中的特定一个引起，正圆周应变和负圆周应变被观察到紧接着彼此 出现。圆周应变的正分量和圆周应变的负分量围绕单个滚动元件与第一圈 202的滚道的赫兹接触的区域发生。对于应变传感器，这是仅一个方向。取 决于应变传感器的测量栅格的尺寸，两个峰值出现在由应变传感器在每个滚 柱通过处产生的传感器信号中。如果应变传感器的测量栅格在圆周方向足够 长，那么传感器信号的大小是双倍的。在测试中还发现，第一圈202的圆周 应变是最显著地靠近第一圈202的滚道。