专利名称：具有滚动轴承的轴装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械制造领域，更确切地说涉及通过轴传递机械运动的领域，该轴通
常支承在滚动轴承中。
背景技术：
相应的轴和轴承存在于多种多样的制模中，尤其在传动装置中，然而也存在于简 单的马达驱动装置和发电机中。 通常对于机械的操作来说重要的是，当前通过驱动轴传递哪个扭矩。这例如对于
控制功率、限制机械载荷、减小磨损以及降低损坏的危险来说是非常有意义的。 为此目的，已经由现有技术公开了扭转传感器，该扭转传感器以不同的技术为基础。 由DE 69834528P2公开了一种磁致伸縮扭矩传感器，其中将尤其由基于稀土、铁 或类似合金的复合材料制成的磁致伸縮环套装到轴上或者插入轴中。在无扭矩的状态下， 沿着方位环绕的磁场充满在该环内部，该磁场通过置入扭矩而受到干扰，从而出现所引起 的轴向的磁场作为扭矩的指示。 DE 102005006769A1示出了通常作为磁致伸縮的逆转的所谓的Villary效应，借 助于Villary效应通过变形，例如由于轴的逆转而产生轴的磁作用。作为示出Villary效 应的材料，提出了铁、铜、镍或这些金属的合金。 由DE 102205010338A1公开了一种力传感器装置，其具有磁致伸縮的电阻传感 器，其中设置了由磁性的层形成的不均匀的层效果，磁致伸縮作用施加到该层上。随后，在 整个装置中测量电阻作为变形的尺度。 由日本专利文件2001033322A公开了一种滚动轴承，在该滚动轴承的内环上设置 了磁致伸縮的元件，其中在轴承的外环的内侧上设置了磁传感器。扭矩作用到轴承内环中 的元件上，并且由此引起磁性关系的变化。 由EP 1046893Bl在原则上公开了一种用于扭矩测量的磁致伸縮效应的应用以及 将磁致伸縮的环元件固定在轴上用于传递扭矩并且利用该效应。然而在该文件中没有描述 结构与滚动轴承的构造的直接关系，扭转传感器集成到该滚动轴承中。为了测量磁场，描述 了一种专门的传感器，借助于该传感器非常频繁地测量探测器沿着不同的磁化方向的饱和 磁化量，由此根据磁致伸縮的元件可以精确地测量磁场。
发明内容
从该背景技术出发，本发明的目的是，为具有可旋转的轴的轴装置尽可能节省空
间地并且在结构上特别简单地实现扭转测量，其中该轴支承在具有滚动体和外环的滚动轴承中。 该目的根据本发明根据权利要求1所述特征通过一种扭转传感器得到实现，该扭
转传感器具有与轴牢固连接的永磁环以及至少一个固定在与外环固定地连接的传感器载体上的磁场传感器。 原则上公开了一种在利用磁致伸縮的效应的情况下位于轴上的扭转传感器的结 构。根据本发明，该效应以最佳的方式和节省空间的方法集成到旋转轴承中。由此，不需要 用于传感器的单独的支架，并且该传感器可以与旋转轴承的部分一起制造并且装配。在此， 可以控制该轴承的随后处于扭转传感器附近的其它部分并且在制造中已经进行检验，从而 不希望的磁性效应不会影响测量精度。 可以有利地通过以下方法设计本发明，即传感器载体环形地围绕轴，并且一个或 者多个磁场传感器承载在传感器载体的内侧上。 由此，传感器载体可以向外机械地屏蔽一个或者多个磁场传感器，并且防止从外 面受到不希望的影响。传感器就可以直接在传感器载体的内侧上对置于相应的永磁环。
当传感器载体在轴的轴向方向中形成了外环的延续部分时，该结构就变得特别简 单。例如可以将外环简单地沿轴向延长，从而在第一区域中形成了用于滚动体的滚道，并且 在轴向对置于第一区域的第二区域中形成了传感器载体。 在此，磁场传感器可以在内部要么通过粘接固定在传感器载体上要么也可以置入 凹处中。重要的是，要如此选择传感器载体的材料，从而不会与磁场传感器形成磁性的相互 作用。为此目的，该传感器载体可以由屏蔽磁性的材料制成。
传感器载体也可以借助于圆柱形的套与外环连接。 在这种情况下，传感器载体例如可以借助于套进行套装、与外环钎焊或者熔焊。
这种传感器载体也可以由可插到外环上的套形成。 借助于提到的结构可以在任何时候有利地用外环承载传感器载体并且由此不需 要其它用于传感器载体的承载结构。 在构造永磁磁致伸縮的环时，重要的是该环参与轴的扭转。为此目的，可以有利地 将永磁环在传感器载体的区域中固定在轴的罩面上。 在这种情况下，可以将永磁环与轴形状配合地连接。这例如可以通过齿部、槽榫连 接或者环和轴的类似的几何上相互啮合的结构来确保。 为了牢固地连接轴和永磁环，也可以设置力配合的连接，例如通过环的热压配合。
也可以考虑通过钎焊或熔焊以及粘贴形成的材料配合的连接。 最后，也可以将永磁环集成到轴中，要么通过将环置入轴的凹处中，要么作为轴的 部分与该轴构成一体的。这例如可以通过以下做法得到保证，即该轴逐个地由不同的材料 制成，其中所述环由永磁材料制成，或者通过将轴部分地在环的区域中进行磁化并且在其 它地方不磁化。 为了在结构上简单地构造根据本发明的装置，也可以考虑将永磁环构造成轴承的 内环的轴向的延长部分，大体上设置这样的环并且滚动体的内部的滚动面本身不由轴的罩 面形成。在这种情况下，可以将具有磁场传感器和永磁环的整个传感器装置完全集成到旋 转轴承的部件中。 本发明的功能是，在所述轴的无扭矩的状态下将磁通通过永磁环沿着圆周方向不 中断地圆环形地延伸，使得磁作用不会向外走。 这通过相应的磁化在所述装置的构造或者布置中得到保证。 如果现在将扭转置于轴中，该轴以永磁环进行划分，那么通过尤其各向异性的磁致伸縮的效应会形成干扰的异常的磁通元件，其中磁通的方向尤其与圆周方向不同，并且 总地会出现磁通的沿着轴的轴向方向的轴向分量。因为沿着磁通的这个方向不会封闭在环 内部，所以这会导致磁场分量或者说磁通线向外走，磁场分量或者说磁通线可以在磁场传 感器中证实。相应的传感器例如可以构造成霍尔传感器或者简单的磁性的测量绕线的形 式，或者利用其它公开的磁性效应。因为在正常状态下不会测到场强，所以可以将磁场传感 器调节到较高的灵敏度上并且由此也证实没有扭矩。 原则上可以在准备或者说磁化永磁环时使用大量用于磁化的方法。在此，有利地 提出这种方法，即大电流强度的电流通过了穿过所述环的导体，该导体会产生相应的指向 所希望的圆周方向的大强度的磁场，以该磁场可以在合适的材料中确保永久磁化。
下面根据实施例在附图中示出本发明并且随后对本发明进行描述。其中 图1是根据本发明的第一轴装置； 图2是第二轴装置； 图3是根据本发明的第三轴装置； 图4是用于证实磁场的测量装置； 图5是用于磁化永磁环的配置。
具体实施例方式
图l以部分剖开的布置情况示出了例如由钢制成的轴1，该轴围绕轴线3可旋转地 支承在旋转轴承2中。该轴承2具有外环4，该外环具有用于滚动体5的滚动面，滚动体在 这种情况下是球。外环4的滚动面同样可以像球5的表面一样进行硬化处理或者在摩擦学 方面进行有利地涂层。 由可以具有滚动槽的轴1的表面给出了用于轴承球5的内滚动面。
外环4保持在支撑体6中，该支撑体由包含轴3的机器的结构给出。
外环沿着轴线3的轴向在球所处的区域上延伸出去，并且在那里将磁场传感器7 承载在其内罩面上，在这些磁场传感器中例如两个磁场传感器可以分布在外环4的圆周 上。这些磁场传感器7例如作为霍尔传感器或者简单地作为巻绕的电绕线，必要时填充铁 磁的材料。如此定向磁场传感器，使得其可以证实磁场的关于轴的轴线轴向的分量。
此外，从图1中可以获知永磁环8，该环形成了轴1的一部分并且位于轴的圆周侧 的罩面上。 在永磁环8中充满磁通，该磁通沿着方位环绕在轴的圆周侧上并且封闭在环内 部，从而实际上没有磁场分量向外走。 在这种状态下，磁场传感器7证实没有从环8中出来的磁场的轴向的分量。
如果扭转所述轴l，那么作为永磁环8的扭转的结果，在那里尤其在以各向异性的 磁致伸縮的特性为先决条件时干扰具有形成轴向磁场分量的磁通。对于这种效应，下面将 进一步进行详细的深入研究。无论如何，在这种情况下，位于永磁环8外部的磁场传感器探 测出作为散逸场轴向的磁场分量，由此可以推导出轴的扭转并且在磁场强度方面也能推导 出扭转的程度。
图2示出了根据本发明的具有轴1的轴装置的另一种实现方式，在圆周上单独的 体8'进入该轴中，使得该体与轴1的外罩面平齐。例如将永磁环8'粘接在该轴l的槽中。 该环可以在其圆周的位置上断开，由此可以将其弹性地咬合。 旋转轴承与图1中示出的旋转轴承的区别在于，还设置了固定在轴l上的内环9 并且提供了用于球5的滚动面。 此外，外环沿轴向分布，并且外环的延长部分10具有凹处11，在该凹处中安置了 磁场传感器。为了不干扰磁场测量，延长部分10应该由在磁方面惰性的材料制成。该延长 部分例如可以由屏蔽磁性的材料制成。 在图3中示出了根据本发明的另一种略微变化的版本，其中所述永磁环8〃构造 成轴承的内环9的轴向延长部分。该永磁环8〃熔焊、钎焊或者粘贴或者形状配合地或力配 合地安置到轴1上。 原本的轴承由内环9、外环4以及球5构成，其中借助于套12将传感器载体10夹 在外环4上。由此可以在构造旋转轴承之后在置入传感器载体。 在此，传感器载体10承载着磁场传感器，磁场传感器对置于永磁环8〃用于测量 轴向的磁场分量。 在图3的下面部分中同样如图2 —样，为了清晰起见省去了轴承装置。
图4示出了测量装置的基本功能。 示意性地示出了永磁环8的剖面图连同磁通线，该磁通线在下侧从图纸平面伸出 来并且在上侧进入图纸平面中。 如果现在进行扭转，那么会出现磁场的轴向的分量，该分量引起散逸场，该散逸场 由虚线13示出。该散射流通过空隙封闭并且在此也进入磁场传感器7，在这些磁场传感器 中示意性地通过具有接口的线圈示出了其中一个磁场传感器。 线圈的接口与电流测量器14连接，该电流测量器提供了与磁场强度成比例的测 量信号。这还可以以不同的效应进行校正，从而例如排除地磁场的影响并且随后可以在计 算单元和显示单元15中计算出并且显示出扭转程度的结果。 在永磁环8的剖面图旁边的附图右边部分中示出了该环的侧视图，其具有指向该 环的圆周方向的磁通分量16以及指向轴向的分量17，该轴向的分量在施加扭转力矩的情 况下出现。 因为这种轴向的磁通分量不能封闭在材料的内部，所以会出现上面示出的散射流。 在图5中示出了用于在永磁环8中产生永久磁化的典型的装置，其中仅仅示意性 地说明了导体18，大电流强度的高电流沿着箭头19的方向流过该导体，例如由脉冲电流并 且由于安培定律产生磁通，该磁通环形地包围所述导体并且在环形8中引起相应的剩磁。
例如也在集成了相应的环8的轴中提供这种做法，其中就将轴用作导体。在此，该 环8也可以作为具有铁磁材料的轴区域中的涂层实现。这种涂层例如也可以用电镀或者汽 相喷镀来施加。 总之，确定了用本发明通过将扭转传感器集成到轴承中给出结构上简单的并且成
本低廉的用于扭转传感器的解决方案。 参考标号
6
1 轴 2 滚动轴 3 轴线 4 外环 5 滚动体 6 支撑体 7 磁场传感器 8， 8' ，8〃 永磁环 9 内环 10 传感器载体，延长部分 11 凹处 12 套 13 磁场线 14 电流测量器 15 显示单元 16 指向圆周的磁通分量 17 轴向分量 18 导体 19 箭头
权利要求
轴装置，具有可旋转的轴(1)，所述轴支承在具有滚动体(5)和外环(4)的滚动轴承(2)中，其特征在于一扭转传感器(7，8)，所述扭转传感器具有与所述轴固定连接的永磁的磁致伸缩环(8，8′，8″)以及至少一个固定在与外环固定地连接的传感器载体(10)上的磁场传感器(7)。
2. 根据权利要求l所述的轴装置，其特征在于，所述传感器载体(10)环形地围绕所述 轴(1)并且所述一个或者多个磁场传感器(7)承载在传感器载体的内侧上。
3. 根据权利要求2所述的轴装置，其特征在于，所述传感器载体(10)在所述轴的轴向 方向中形成了所述外环(4)的延续部分。
4. 根据权利要求3所述的轴装置，其特征在于，所述传感器载体(10)借助于圆柱形的 套(12)与所述外环(4)连接。
5 根据权利要求2或3所述的轴装置，其特征在于，所述外环(4)承载着传感器载体 (10)。
6. 根据权利要求l或随后的权利要求之一所述的轴装置，其特征在于，所述永磁环(8， 8' ，8〃 )在所述传感器载体(10)的区域中固定在所述轴的罩面上。
7. 根据权利要求6所述的轴装置，其特征在于，所述永磁环(8，8' ，8〃 )与所述轴承 (2)的内环(9)的轴向的延长部连接或者集成到所述内环中。
8. 根据权利要求1到5中任一项所述的轴装置，其特征在于，所述永磁环(8，8' ，8〃 ) 作为所述轴(1)的一部分与所述轴一体构成。
9. 根据权利要求6或7所述的轴装置，其特征在于，所述永磁环(8，8' ，8〃 )与所述 轴(1)力配合地连接。
10. 根据权利要求6或7所述的轴装置，其特征在于，所述永磁环(8，8' ，8〃 )与所述 轴(1)形状配合地连接。
11. 一种用于制造根据权利要求1到10中任一项所述的轴装置的方法，其特征在于，通 过不连续地产生穿过所述环的电流来实现对永磁环(8，8' ，8〃 )的磁化。
全文摘要
在具有可旋转的轴(1)的轴装置中设置有扭转传感器(7，8)，其中，轴支承在具有滚动体(5)和外环(4)的滚动轴承(2)中，该扭转传感器具有永磁环(8，8′，8″)以及至少一个固定在与外环(4)固定连接的传感器载体(10)上的磁场传感器(7)。由此可以将扭转传感器在结构上简单地集成到旋转轴承中。
文档编号G01L3/10GK101720424SQ200880019743
公开日2010年6月2日 申请日期2008年4月9日 优先权日2007年4月14日
发明者哈拉尔德·格拉巴, 迈克尔·保施 申请人:谢夫勒两合公司