专利名称：传感器化的轴承单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及设置有一个或多个传感器的轴承或轴承单元，该传感器用于测量轴承中的应变。本发明还涉及通过热连接工艺将一个或多个传感器连接到轴承的方法。
背景技术：
轴承是允许两个部件间强制相对运动的装置。它们可以用在很多不同类型的机器中，以保持和支撑旋转部件，例如，车辆的轮子、风车上的叶片或者洗衣机的滚筒。典型的轴承包括内环和外环以及多个滚动元件，并且还可以包括保持架来保持滚动元件。在使用中，轴承经受不同的负荷，静态和动态负荷二者。静态负荷主要是因为轴承所支撑的重力，并且还可以因为安装轴承的预加负荷。动态负荷取决于时间，并且是因为运行条件。在很多系统中，希望能够监测作用在轴承上的负荷。在现代的车辆中，例如，来自轮子轴承的负荷数据用于车辆稳定性系统的控制。诸如应变传感器的位移传感器通常应用于轴承来测量负荷和变形。在某些情况下，塑料箔传感器粘附地连接到例如轴承外环的外圆周上。然而，粘合剂连接具有很多缺点。轴承表面必须清洗且准备连接，该连接是手工工艺，粘合剂可能需要几个小时硬化，而且，粘合剂可能经受时间蠕变，这削弱了传感器信号的可靠性。也可以采用金属箔应变传感器。这样的应变传感器通过例如点焊连接到轴承表面，从而金属箔采用特定的点焊图案连接在其整个周边上。箔应变传感器连接到轴承表面基本上为手工工艺，使得这些传感器不适合于自动安装和在生产线环境下集成。此外，箔应变传感器具有很低的应变灵敏度，在与同时使用的电子系统中共同的低运行电压时迫切地需要信号调节装置。因此，存在按着实现轴承单元的改善空间，以使其能够传感很强且稳定的应变信号，从而传感器可以以直接的自动工艺连接到轴承。
发明内容
本发明限定一种轴承单元，其包括设置有一个或多个应变传感器的轴承，其中该轴承包括内环和外环，并且其中所述一个或多个应变传感器包括集成在支撑构件上的传感元件。根据本发明，支撑构件是由金属材料制作的平板，并且仅通过在支撑构件的第一侧端和第二侧端处设置的第一焊缝和第二焊缝连接到轴承的表面。应变传感器的传感元件集成在支撑构件的表面上，并且适合于测量该表面上的应变，该表面定义为传感表面。在本发明的一个实施例中，传感元件为厚膜电阻应变计，其丝网印刷在支撑构件的传感表面上。在另一个实施例中，传感元件为薄膜电阻应变计，其沉积在支撑构件的传感表面上。应变传感器的传感元件典型地包括一个或多个应变计，将机械位移转换成电信号。应变计例如可以由电阻材料或半导体材料形成。电阻材料的示例为金属、金属氧化物和陶瓷。具体示例包括氧化钌、氮化钽、氧化铅、钌酸铋、铱酸铋和镍铬。
优选地，一个或多个应变传感器的支撑构件的长度大于其宽度，从而传感元件定向在纵向方向上以对压应变或拉伸应变敏感，并且支撑构件沿其宽度连接在每个侧端。根据本发明的一个方面，支撑元件的尺寸形成为使得当第一焊缝和第二焊缝受到倾向于将彼此拉开或者将它们推在一起的力时，传感表面对应地伸长或缩短，而不经受明显的弯曲应变。因此，支撑构件具有预定厚度，从而使得作为轴承表面变形的结果，当支撑构件的传感表面上引起应变时，传感表面和通过支撑构件的零弯曲的中性面之间的距离足够小，从而导致弯曲应变小于传感表面上引起的总应变的10%。在某些应用中，预定厚度形成为使得支撑构件的传感表面上引起的弯曲应变小于引起的总应变的5%。支撑构件的最小厚度部分地由其尺寸控制。适当地，支撑构件相对于其长度足够厚，以防止支撑构件在与本申请所讨论问题中相关的剪切和压缩负荷下扭曲。再者，支撑构件必须足够厚以用作厚膜印刷工艺或者薄膜沉积工艺中的基板。典型地，支撑构件的厚度大于0. 2mm而小于1. 0mm。优选地，该厚度为0. 4mm和0. 7mm之间。由于根据本发明的应变传感器的支撑构件是薄的平板，其紧紧地跟随要连接的轴承表面，连接位置上引起的应变基本上传递到支撑构件的传感表面。换言之，所连接的应变传感器具有至少约75%的高机械量规因数。优选地，支撑构件在每个侧端沿着每个侧端的全部宽度连接到轴承表面并且第一焊缝和第二焊缝实施在支撑构件的全部厚度上。第一焊缝和第二焊缝于是限定了支撑构件和轴承表面之间连接的截面面积，其等于各自的第一或第二焊缝的宽度乘以支撑构件的厚度。为了最大化在焊缝连接区域上的应力到支撑构件包括传感表面的部分的传递，如果第一和第二焊缝的连接截面面积至少等于支撑构件包括传感表面部分的截面面积，这将是有利的。在本发明的另一个方面中，第一焊缝和第二焊缝的每一个的连接截面面积都大于支撑构件通过传感表面的截面面积。这意味着支撑构件包括传感表面的部分经受的应力变得更加集中，这增加了传感表面上引起的应变，由此提高了应变传感器的信号强度。在一个实施例中，支撑构件包括位于支撑构件的第一侧端和第二侧端之间的狭窄部分，该部分的宽度小于第一侧端和第二侧端。支撑构件因此可以具有拉长的H形状，或者可以成型为蝴蝶结领结的形状。应变传感器的传感元件集成在该狭窄部分上，因此其包括传感表面。假设第一焊缝和第二焊缝实施在支撑构件的全部、最大宽度上，则狭窄部分的截面面积小于第一焊缝和第二焊缝。在本发明的该方面的另一个实施例中，支撑构件包括至少一个贯穿切口(through cut)。支撑构件于是可以基本上为矩形形状，从而所述贯穿切口开始于支撑构件的一个纵向边缘上的点，首先延伸在横向方向上，然后在纵向方向上。因此，贯穿切口包括横向部分和纵向部分，并且应变传感器的传感元件集成在支撑构件的传感表面上，位于贯穿切口的纵向部分和支撑构件的相反纵向边缘之间。因此，传感表面的宽度由贯穿切口的纵向部分限定在一个方向上，意味着传感表面的截面面积可以小于第一焊缝和第二焊缝的截面连接面积。优选地，支撑构件包括相反定向的第二贯穿切口，从而传感表面的宽度限定在两个方向上，以进一步提高传感表面上的可测量应变。根据本发明的轴承单元包括一个或多个应变传感器，该应变传感器包括支撑构件，通过第一焊缝和第二焊缝连接到轴承表面。焊缝理解为热连接工艺中产生的线连接，该热连接工艺例如为激光焊接、激光铜焊或者电阻焊接/铜焊。为了能使支撑构件热连接到由轴承钢制造的轴承，该轴承钢(高碳钢)例如为SAE 1055,SAE 1070或SAE 52100，金属支撑构件优选包括低碳钢，或者电镀且蚀刻的镍，包括其合金，或者钛，包括其合金。在某些应用中，支撑构件的传感表面包括高铬钢(不锈钢)，这形成了良好的基板，用于电阻应变计的厚膜印刷或薄膜沉积。对于厚膜电阻器，膜可以采用传统的丝网印刷工艺沉积在支撑构件上。为了便于该工艺，金属支撑构件可以首先经受适当的热处理。再者，金属氧化物和陶瓷材料例如可以混合有附加成分，例如，玻璃粉末和液体载体。所形成的导电陶瓷成分于是在典型为750至 950°C的温度下熔化。对于电阻陶瓷的数量(例如，氧化钌)，优选将它们沉积在一个或多个介电层上，这是因为正如在这里所描述的那样，已经发现了这将导致改善与低碳钢的连接。 为此，传感器的支撑可以包括涂层基板，其中涂层包括一个或多个介电层，例如，玻璃、包含玻璃的材料或者金属氧化物，如氧化铝。薄膜电阻器还可以通过在支撑构件上溅射(例如，真空沉积)电阻材料而制造。然后在类似于制造印刷电路板的工艺中蚀刻薄膜。如果需要，厚膜和薄膜电阻器可以通过研磨或激光修整而被修整到精确值。应变计图案可以选择为提供对拉紧、压缩和/或剪切的测量。有利地，支撑构件的侧端可以包括不锈钢，其镍含量高达10-Hwt. %。作为选择， 含镍的填充材料可以在激光焊接工艺中使用。镍用作奥氏体稳定剂，并且帮助使所采用的热连接工艺中产生的混合熔化区域变得坚韧。在根据本发明某些实施例的轴承单元中，一个或多个应变传感器的支撑构件连接到轴承外环的径向外表面。为了测量径向负荷，一个或多个应变传感器可以以圆周方向连接。为了测量轴向负荷，一个或多个应变传感器适合于以轴向感应方向连接。在轴承经受轴向和径向负荷的应用中，轴承可以有利地包括多个传感器，从而至少一个传感器具有轴向感应方向，并且至少一个传感器具有圆周感应方向。一个或多个应变传感器还可以连接到轴承内环的径向内表面。优选地，当测量运行负荷时，传感器安装在轴承运行期间不旋转的轴承环的表面上。作为选择，或者附加地，一个或多个应变传感器的支撑构件可以连接到轴承内环的端面。在轴承安装在圆锥座上的应用中，这是有利的。这样的安装构造导致内环直径增加，进而影响轴承的内部间隙。通过感应作为环直径增加结果的内环端面上引起的应变可以因此实现优化的内部间隙。在根据本发明的轴承单元的进一步开发中，一个或多个应变传感器连接到轴承环中的一个或多个凹口。一个或多个凹口可以提供在轴承外环的径向外表面上和/或轴承内环的径向内表面上和/或轴承内环的端面上。有利地，每个凹口的深度大于每个应变传感器的支撑构件的厚度，意味着轴承的(内和外)安装直径和轴向安装宽度在连接传感器后保持不变。根据本发明，一个或多个应变传感器的支撑构件实施为薄平板。这对于第一焊缝和第二焊缝的连接是特别有利的，因为焊接/铜焊工艺可以采用约90度的焊接/铜焊角实现。换言之，焊接电极或者激光束可以直接定位在支撑构件的侧端上面。这提高了焊接/ 铜焊工艺的自动操作。再者，第一焊缝和第二焊缝可以通过例如两个并排的焊接电极或者两个并排的激光束同时执行。因此，在根据本发明的轴承单元中，一个或多个应变传感器的支撑构件可以以快速、自动工艺连接，这是生产线环境上的重要特征，其中生产工艺中的每个步骤可以仅花费几秒钟。而且，大约90度的焊接/铜焊角在轴承环的凹口中连接应变传感器时特别有利。 凹口的大小可以限定到容纳应变传感器所需的最小尺寸。结果，凹口在轴承的结构强度上具有可忽略的作用。本发明还限定将应变传感器连接到包括内环和外环的轴承表面的方法，该应变传感器包括传感元件，集成在以平板的形式实施的金属支撑构件的传感表面上。该方法包括仅通过在支撑构件的第一侧端和第二侧端上设置的第一焊缝和第二焊缝将应变传感器连接到轴承表面的步骤。在该方法的一个实施例中，第一焊缝和第二焊缝采用约90度得焊接或铜焊角形成在焊接或铜焊工艺中。在其它实施例中，特别是在应用激光焊接时，可以采用小于90度(相对于轴承表面)的焊接角。例如，20度和30度之间的焊接角。在通过焊接或铜焊将金属支撑构件连接到轴承的表面时，在第一焊缝和第二焊缝周围产生热影响区域。换言之，轴承和支撑构件的冶金学上的结构发生局部改变，包括局部应力。潜在地，传感器元件上的应变在连接工艺后可能经受基本上不能控制的偏移。此外， 连接工艺末端上的一次性偏移纠正过程(即校准)不能有效地保证长时间上的稳定应变信号，这是因为连接位置上的残留应力在轴承的工作加载期间改变。这是轴承和支撑构件的热作用区域中应力的功诱发释放(work-induced relaxation)。因此，在根据本发明的方法的进一步开发中，该方法包括应力释放步骤。在一个实施例中，应力释放步骤涉及热处理工艺，其中第一焊缝和第二焊缝在焊接或铜焊后被局部再加热。该局部再加热可以采用激光束或者热电极或者通过涡流电流加热执行。热处理工艺还可以包括在焊接或铜焊步骤之前在支撑构件和轴承表面上的连接位置局部预热。另外，或者作为选择，应力释放步骤可以包括使第一焊缝和第二焊缝经受高循环负荷。这可以通过超声波激励实现。引起的振动“释放”(shake out)和稳定第一焊缝和第二焊缝周围区域中的残留应力，达到轴承上的通常运行负荷不再产生功诱导释放的程度。因此，根据本发明的轴承单元能稳定且可预测地测量轴承表面的应变。本发明的单元还可以用适合于集成在自动生产线上的快速、简单的方式生产。本发明的其它优点通过详细的描述和附图将变得明显易懂。
现在，参考下面的附图，为了说明而非限定的目的，更加详细地描述本发明，附图中图1是根据本发明的轴承单元表面的示意性透视图，示出了适合于本发明使用的应变传感器的一个示例；图2是根据本发明的轴承单元表面的俯视图，示出了适合于本发明使用的应变传感器的进一步示例；图3a是根据本发明的轴承单元表面的俯视图，示出了适合于本发明使用的应变传感器的又一个示例；图3b是沿着图3a的X-X'线剖取的截面图4a是根据本发明实施例的轴承单元的轴向图；以及图4b是根据本发明另一个实施例的轴承单元的轴向图。
具体实施例方式在需要测量作用在旋转支撑部件上的负荷时，其中一个实现方法是测量支撑该部件的轴承中轴承环的变形。该负荷导致轴承环变形，其变形通过将一个或多个应变传感器连接到轴承环的表面而测量，例如连接到轴承外环的外圆周。应变传感器，例如塑料箔应变计，可以粘合地连接到轴承表面，但是粘合剂连接是耗时工艺，通常手工实现。其进一步的缺点是随着时间粘合剂可以经受蠕变，这削弱了应变信号的可靠性。也可以应用金属箔应变计，从而金属箔应变计的周边采用特定的焊点图案焊接到轴承表面。因此，点焊工艺相对耗时和复杂。此外，箔应变计(金属箔和塑料箔)对应变具有很低的灵敏度，这就对当在低供应电压下运行时在当前电子系统中常用的调节装置提出了迫切需要。另外，箔应变计具有很低的电阻，造成很大的耗散。因此，需要对应变具有高灵敏度且具有高电阻的应变传感器，其可以在快速、自动化工艺中连接到轴承表面，并且在轴承的寿命期间产生强而稳定的信号。图1示意性地示出实现了上述要求的连接到轴承表面的应变传感器的示例。应变传感器10包括金属支撑构件12，该金属优选包括低碳钢，或者电镀且蚀刻的镍，包括其合金，或者钛，包括其合金。已经发现这些材料与轴承钢兼容，例如SAE1055、SAE1070、SAE 52100 (100Cr6)、DIN 100CrMn6、DIN 102CrMol7 以及 DIN 100CrMo7_3，用于焊接或者铜焊的目的。用于支撑12的低碳钢的优选示例包括不锈钢和耐热钢。例如AISI 304、AISI 304L、AISI 316,AISI 316L和17-4PH以及AISI 430。用于支撑构件12的低碳钢的进一步优点是其热膨胀系数基本上等于轴承钢。电阻应变计直接印刷和烧结(厚膜)或者沉积(薄膜)在支撑12的表面13上。 应变计传感该表面上引起的应变，故称该表面为传感表面13。在所示的实施例中，该应变计包括第一元件和第二元件14、16，定位在相互垂直的方向上。在很多应用中，第一元件14 是传感应变的有源元件，第二元件16是补偿温度效应的无源元件。半桥构造也是可能的。根据本发明，支撑构件12制成薄的平板，其仅通过支撑构件12的第一侧端和第二侧端上设置的第一焊缝21和第二焊缝22连接到轴承的表面5。第一焊缝和第二焊缝21、 22理解为热连接工艺中产生的线连接，该热连接工艺选自焊接工艺、铜焊工艺或锡焊工艺之一。激光焊接和激光铜焊是热连接工艺的优选示例，因为它们可以实现自动化，更适合于生产线环境中的集成。优选地，支撑构件具有长度1，长度1大于其宽度w，并且适合于其长度方向上的灵敏度。第一焊缝和第二焊缝21、22定位在支撑构件12的宽度方向上。支撑构件可以具有约二比一的长宽比。通过第一焊缝和第二焊缝21、22连接应变传感器10的优点是应变传感器在一个测量方向上具有最大灵敏度，而对于其它方向上的应变具有明显较低的灵敏度。这在测量因径向的且瞬间的力引起的轴承环变形时特别有利。例如，如果传感器以圆周方向连接来测量轴承环中引起的圆周应变，则与连接到轴承全部表面区域上的应变传感器相比，测量信号很少受到轴向和剪切应变的影响。同样，在以轴向方向连接时，传感器主要对于轴向应变敏感，并且仅受到剪切和圆周应变的轻微影响。
在以第一焊缝和第二焊缝21、22之间的圆周间隙安装在轴承表面上时，例如轴承外环的外圆周上，支撑构件12的长度可以根据外圆周选择，从而支撑构件在连接到弯曲的轴承表面时经受最小的弯曲，进而传感表面13不经受高的预应力。例如，在轴承的外径为 20cm时，支撑构件12可以适当地具有IOmm的长度L，对应的5mm的宽度w和0. 5mm的厚度 t。作为选择，适当的凹槽或者凹口可以机械加工在轴承的径向外表面中，以为支撑构件12 提供基本平坦的表面。此外，支撑构件12的尺寸选择为支撑构件在经受压应力或剪切应力时不变弯曲。 换言之，支撑构件具有足够低的长细比率，其比率受支撑构件的长度及其厚度支配。适当地，支撑构件的厚度t大于0. 2mm，这对于厚膜电阻应变计或薄膜电阻应变计来说足够的基板厚度，并且根据典型的支撑构件的表面尺寸也提供足够的抗弯性。在本发明的另一个方面中，支撑构件12的厚度t使得在支撑构件的传感表面13 上主要引起压应变或拉应变。支撑构件12通过两个间隔开来的焊缝21、22连接到轴承表面5。当力作用在焊缝上时，例如，用来相对于彼此拉开焊缝的力，支撑构件将延长，并且在传感表面13上引起正的拉长应变。作为两点连接的结果，该力也导致在传感表面上引起的很小的弯曲力矩，其大小由传感表面13和通过支撑构件的零弯曲的中性面之间的距离控制。在平板的情况下，中性面基本上与通过支撑构件12—半的中间面一致。由于弯曲力矩，负(压)应变产生在传感表面13上，其与拉伸支撑构件引起的正应变干涉，从而降低了测量应变信号的强度。类似地，如果力施加在第一焊缝和第二焊缝21、22上将焊缝推向一起靠近，则在传感表面13 上引起负(压)应变，而弯曲力矩引起再一次降低测量应变信号的正应变。因此，在根据本发明的轴承单元中，支撑构件12的厚度t优选为，作为弯曲力矩的结果在传感表面13上引起的应变小于作用在传感表面上的总应变的10%。在某些实施例中，在传感表面上因弯曲力矩引起的应变小于作用在传感表面上的总应变的5%。实际上， 传感表面13和通过支撑构件的中间平面之间的距离优选小于0. 5mm，意味着支撑构件的厚度t优选小于1. 0mm。支撑构件12的优选厚度范围为0. 2mm < t < 1. 0mm。支撑构件的更优选厚度范围为0. 4mm < t < 0. 7mm,以平衡支撑构件12的抗弯性的需要与低弯曲力矩的需要。因为支撑构件12是薄的平板，所以传感表面13紧跟着轴承表面5，并且轴承表面的变形精确地转换成传感表面上的应变。换言之，连接的应变传感器10具有足够高的机械增益，至少约为75%，以消除对通过例如半导体技术的附加电子增益的需要。高机械增益还允许对第一焊缝和第二焊缝的公差有较少的迫切需求。为了保证应变被很好地传递到传感表面13，第一焊缝21和第二焊缝22每一个优选地具有至少等于传感表面13经受应力的截面面积的连接截面面积。在图1的示例中，示出了矩形形状的支撑构件，传感表面13经受应力的截面面积Ass由支撑构件12的宽度w及其厚度t限定。换言之，Ass = wXt。因此，第一焊缝和第二焊缝21、22优选为连续的焊缝， 实施在支撑构件的全部宽度w和全部厚度t上。第一焊缝21的连接截面面积Altl和第二焊缝22的连接截面面积Aw2于是每一个都等于wXt。在本发明的另一个方面中，应变传感器设计为第一焊缝和第二焊缝的每一个的连接截面面积都大于通过支撑构件的传感表面的截面面积。图2示出了根据本发明该方面的连接应变传感器的实施例的俯视图。如前所述，包括金属支撑构件12的应变传感器10'通过第一焊缝21和第二焊缝 22连接到轴承表面5。在该实施例中，应变传感器10'的支撑构件12包括部分17，其宽度窄于支撑构件的每个侧端上的最大宽度w，并且窄于第一焊缝21的宽度Wwl和第二焊缝22 的宽度ww2。根据本发明的另一个方面，至少应变计的有源传感元件14集成在支撑构件12 的狭窄部分17上，该部分包括传感表面13。无源的补偿元件16也可以集成在狭窄部分17 上，或者(如所示)可以集成在支撑构件的较宽部分上。再者，第一焊缝21和第二焊缝22 优选为连续的焊缝，实施在支撑构件12的全部宽度和厚度上。因此，假设狭窄部分17的宽度Is小于Wwl且小于Ww2，则狭窄部分17的截面面积小于第一焊缝和第二焊缝的任何一个。 当力作用在第一焊缝和第二焊缝21、22上时，连接区域与支撑构件12的端侧经受应力。该应力基本上被传递到包括传感表面13的狭窄部分17。因为狭窄部分17的截面面积小于第一焊缝和第二焊缝21、22的连接面积，所以狭窄部分17用作应力集中器。因此，与传感表面的截面面积与焊缝相同的情况相比，在传感表面13上可以传感较大的应变值。为了经由传感表面13保证应力的均勻传递和分布，第一焊缝和第二焊缝优选具有相同的连接截面面积。在图2所示的实施例中，传感应变的传感表面位于支撑构件的窄于其第一和第二侧端的部分上，从而将应变集中在该部分上，并且提高测量的应变信号。通过图3a所示的贯穿切口可以实现相同的效果。图3a示出了根据本发明的另一个实施例连接到轴承的应变传感器的俯视图。如前所述，包括金属支撑构件12的应变传感器10 “通过第一焊缝21和第二焊缝22连接到轴承表面5。应变传感器包括至少具有有源元件14的应变计，以传感支撑构件12的传感表面13上引起的应变。在该实施例中，支撑构件包括第一贯穿切口 18和第二贯穿切口 19。 第一贯穿切口 18在横向方向上延伸第一距离，从支撑构件的一个纵向边缘上的AP1开始， AP1靠近第一焊缝21而不是第二焊缝22。第一贯穿切口 18然后连续在纵向方向上朝着第二焊缝22连续而不到达第二焊缝22。因此，第一贯穿切口 18具有横向部分18a和纵向部分18b。第二贯穿切口 19在横向方向上延伸第二距离，从支撑构件的相对纵向边缘上的点P2开始，点P2靠近第二焊缝而不是第一焊缝。第二贯穿切口 19然后在纵向方向上朝着第一焊缝21连续而不到达第一焊缝21。因此，第二贯穿切口 19具有横向部分19a和纵向部分1%。优选地，一个贯穿切口的纵向部分18b、19b终止在与另一个贯穿切口的横向部分 18a、19b相对的位置。根据本发明的该实施例，支撑构件12的传感表面13位于第一贯穿切口和第二贯穿切口 18、19的纵向部分18b、19b之间。因此，传感表面13的宽度Wss小于第一焊缝21的宽度Wwl且小于第二焊缝22的宽度ww2。这在图北中可以看得更加清楚，图 3b是沿着图3a的X-X'线剖取的所连接的应变传感器从箭头所示方向观察到的截面图。传感表面13的宽度Wss由第一贯穿切口的纵向部分18b和第二贯穿切口的纵向部分19b限定。如图2所示的实施例所描述的那样，应变传感元件14设置在支撑构件12具有较小截面面积的部分上，这是第一焊缝和第二焊缝每一个的截面连接区域，因此提高了传感表面上可测的应变。图3a和北所示实施例的进一步的优点是，作为第一贯穿切口和第二贯穿切口 18、19的结果，支撑构件12包括传感表面13的部分以非刚性方式与支撑构件焊接到轴承表面5的部分连接。非刚性连接便于稳定且可预测地传递应变从第一焊缝和第二焊缝21、22到支撑构件的传感表面13，使得所连接的应变传感器10"较少受到焊缝的焊接质量变化的影响。图如示出了根据本发明的轴承单元的实施例。轴承40包括内环42、外环44和分布其间的多个滚动元件46。通常，轴承还包括保持架(未示出)以保持滚动元件为均勻的间隔。根据本发明，轴承设置有一个或多个应变传感器，其包括平的金属支撑构件12，通过第一焊缝21和第二焊缝22焊接到轴承的表面。所述应变传感器例如可以为图3a所示的类型。在该实施例中，轴承40提供有多个应变传感器10"，与外环44的径向外表面45 在圆周方向上连接。这样的构造适合于决定轴承的径向负荷。在轴承经受轴向负荷和径向负荷的应用中，轴承可有利地包括多个传感器，从而至少一个传感器具有轴向灵敏方向，并且至少一个传感器具有圆周灵敏方向。一个或多个应变传感器还可以连接到轴承内环的径向内表面。优选地，传感器安装在轴承运行其间不旋转的轴承环的表面上。再者，为了避免在连接到轴承40的弯曲表面45时弯曲平的支撑构件12，支撑构件的尺寸优选地相对于轴承表面的曲率半径是非常小的。作为选择，第一焊缝和第二焊缝21、22可以实施为焊缝额外地用作支撑构件12的支脚。在另一个实施例中，一个或多个应变传感器可以连接到轴承环中的一个或多个凹口的表面。图4b示出了这样实施例的示例，其中轴承外环44设置有多个凹口 48和对应的多个应变传感器10〃，多个应变传感器10〃通过第一焊缝和第二焊缝连接到凹口的表面。 有利地，每个凹口的深度大于每个应变传感器的支撑构件的厚度。这意味着轴承的安装直径在连接传感器后保持不变，例如，能使轴承紧密地配合在外壳内。再者，凹口 48可以加工为基本平坦的表面，这解决了如何将平板连接到弯曲物体的问题。凹口在一个或多个应变传感器连接在轴承内环42的径向内表面时特别有利。在又一个实施例中，为了测量作为将轴承安装在圆锥座上的结果的内环的膨胀， 一个或多个应变传感器可以连接到轴承内环的端面，。已经描述了本发明的很多方面/实施例。应当理解的是，每个方面/实施例都可以与任何其它的方面/实施例结合，除非有相反的表示。而且，本发明不限于所述的实施例， 而是可以在所附权利要求的范围内进行变化。参考标号
10,10'、10" 应变传感器
12支撑构件
13支撑构件的传感表面
14应变传感器的有源传感元件
16应变传感器的无源热补偿元件
17支撑构件的狭窄部分
18支撑构件中的第一贯穿切口
18a第一贯穿切口的侧部
18b第一贯穿切口的纵向部分
19支撑构件中的第二贯穿切口
19a第二贯穿切口的侧部
19b第二贯穿切口的纵向部分
21第一焊缝
22第二焊缝
40滚动元件轴承
42轴承内环
44轴承外环
45轴承外环的外表面
46滚动元件
48轴承外环中的凹口
1支撑构件的长度
W支撑构件的宽度
t支撑构件的厚度
Wss支撑构件的传感表面的宽度
Wwl第一焊缝的宽度
Ww2第二焊缝的宽度
权利要求
1.一种轴承单元，包括轴承(40)，该轴承的表面(5、妨)上设置有一个或多个应变传感器(10、10'、10")，从而该一个或多个应变传感器包括集成在金属支撑构件(1 的传感表面(13)上的传感元件(14)，其特征在于该支撑构件实施为平板，其仅通过该支撑构件的第一侧端和第二侧端上设置的第一焊缝(21)和第二焊缝(22)连接到该轴承表面(5、45)。
2.根据权利要求1所述的轴承单元，其特征在于该支撑构件(12)具有预定的厚度 (t)，从而，作为该轴承表面(5、45)变形的结果，当该支撑构件(12)的传感表面(13)上引起应变时，该传感表面(1 和通过该支撑构件(1 的零弯曲中性面之间的距离足够小，从而导致弯曲应变小于该传感表面(13)上引起的总应变的10%。
3.根据权利要求2所述的轴承单元，其特征在于该预定厚度(t)使得该支撑构件(12) 的该传感表面(13)上引起的该弯曲应变小于所引起的总应变的5%。
4.根据前述权利要求的任何一项所述的轴承单元，其特征在于该第一焊缝具有预定的连接截面面积，并且该第二焊缝0 具有预定的连接截面面积，从而每个预定的截面面积等于或大于该支撑构件(1 通过感应应变的该传感表面(1 的截面面积。
5.根据前述权利要求的任何一项所述的轴承单元，其特征在于该传感表面(1 的宽度(Wss)小于该第一焊缝的宽度(Wwl)且小于该第二焊缝02)的宽度(Ww2)
6.根据权利要求5所述的轴承单元，其特征在于该支撑构件(12)包括第一贯穿切口(18)，其纵向部分(18b)在一个方向上限定了该传感表面(13)的宽度(Wss)
7.根据权利要求6所述的轴承单元，其特征在于该支撑构件(12)还包括第二贯穿切口(19)，其纵向部分(19b)在相反的方向上限定了该传感表面(13)的宽度(Wss)。
8.根据前述权利要求的任何一项所述的轴承单元，其特征在于该轴承GO)是滚动元件轴承，包括内环(42)、外环04)和设置在其间的多个滚动元件06)。
9.根据权利要求8所述的轴承单元，其特征在于该一个或多个应变传感器(10、10'、 10")的至少一个设置在该轴承外环G4)的径向外表面0 上或该轴承内环0 的径向内表面上。
10.根据权利要求8所述的轴承单元，其特征在于该一个或多个应变传感器(10、10'、 10")的至少一个设置在该轴承内环0 的侧面上。
11.根据权利要求8至10任何一项所述的轴承单元，其特征在于该一个或多个应变传感器(10、10'、10")的至少一个设置在该轴承外环G4)的凹口 08)中或该轴承内环 (42)的凹口中，该凹口的深度大于该支撑构件(12)的厚度(t)。
12.根据前述权利要求的任何一项所述的轴承单元，其特征在于该应变传感器(10、 10'、10")包括印刷在该支撑构件(12)的该传感表面(13)上的厚膜电阻应变计。
13.根据权利要求1至11任何一项所述的轴承单元，其特征在于该应变传感器(10、 10'、10")包括沉积在该支撑构件(1 的该传感表面(1 上的薄膜电阻应变计。
14.一种连接应变传感器(10、10'、10")到轴承表面(5、妨)的方法，其中该应变传感器包括集成在平金属板(1 的传感表面(1 上的应变传感元件(14)，其特征在于该方法包括仅通过在该平金属板(1 的第一侧端和第二侧端上设置的第一焊缝和第二焊缝0 将该平金属板(1 连接到该轴承表面(5、4幻的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于该第一焊缝和第二焊缝(21、2幻采用大约90度的焊接角或铜焊角在焊接或铜焊工艺中产生。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于该方法包括在连接前预热该平金属板(1 的该侧端和该轴承表面(5、4幻的步骤。
17.根据权利要求14至16任何一项所述的方法，其特征在于该方法包括使该第一焊缝和第二焊缝(21、2幻经受热处理的步骤。
18.根据权利要求14至17任何一项所述的方法，其特征在于该方法包括使该第一焊缝和第二焊缝(21、2幻经受振动激励的步骤。
全文摘要
本发明限定一种轴承单元，其包括设置有一个或多个应变传感器的轴承，其中该轴承包括内环和外环，并且其中一个或多个应变传感器(10)包括在支撑构件(12)上集成的传感元件(14)。根据本发明，支撑构件是由金属材料制造的薄平板，并且仅通过支撑构件的第一侧端和第二侧端上设置的第一焊缝(21)和第二焊缝(22)连接到轴承的表面(5)。本发明还限定将应变传感器(10)连接到轴承表面(5)的方法。
文档编号F16C19/52GK102265046SQ200880132467
公开日2011年11月30日 申请日期2008年12月22日 优先权日2008年12月22日
发明者亨德里克.A.莫尔, 约翰尼斯.F.范德桑登 申请人:Skf公司