具有定位装置的滚动轴承的制作方法

具有定位装置的滚动轴承
现有技术
1.本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的具有定位装置的滚动轴承。
2.在滚动轴承的各种应用中，希望能够通过定位装置监测由滚动轴承设定的角度位置，以便例如能够控制位置调整。一个示例应用是确定可相对于底盘旋转的挖掘机结构的位置。其他示例应用可以包括起重机系统或风力涡轮机的叶片轴承。
3.位置确定的常见形式是增量编码器的位置确定，增量编码器或者直接通过法兰连接到驱动电机以调整滚动轴承，或者通过支撑架小齿轮从外部驱动。编码器的内侧有刻度盘作为测量标准，该刻度盘通常被光学扫描。例如，通常的分辨率是每转200-400刻度。基于具有感应接近开关的脉冲标记的数字扫描的脉冲计数器也是已知的。
4.除了这些设置在滚动轴承外侧的驱动侧上的定位装置之外，例如ep 1 526 362b1还公开了一种滚动轴承，该滚动轴承包含内置的绝对编码器。在扫描正弦变化的磁特性的绝对编码器的情况中，例如，在可获得的测量精度和可检测的测量范围的大小之间存在权衡。为了解决这种冲突，在ep 1 526 362b1中，在一个滚动轴承环上的比正弦曲线更陡峭的磁特性被设置在另一个滚动轴承环上并且在周向方向上偏移的至少两个磁传感器扫描。这种定位装置的缺点在于，为位置确定而扫描的测量数据在外部磁域的影响下或者还由于与老化相关的特性去磁而失真，并且因而传递不准确和不可靠的位置值。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的在于指定一种具有定位装置的滚动轴承，其中，即使在严苛的环境条件下也能够可靠且准确地确定滚动轴承的旋转的绝对角度。
6.该目的通过具有权利要求1的特征的滚动轴承来实现。
7.这构造一种滚动轴承，器具有相对于彼此可旋转地设置的至少两个轴承环；至少一排滚动元件，其设置为能够在轴承环之间滚动；以及定位装置，其用于确定轴承环的绝对角度位置。定位装置包括：域图案，其设置在轴承环的第一轴承环的表面上并围绕第一轴承环的圆周分布，域图案的域包括具有离散值的域高。定位装置还包括：至少一个涡流传感器，其设置在轴承环的第二轴承环上以扫描域图案；以及评估装置。评估装置配置为将描述轴承环相对于彼此的绝对角度位置的关联角度位置信号分配到每个域图案的扫描。
8.根据本发明的定位装置集成在滚动轴承中。因此，定位装置受到滚动轴承环的材料的机械保护，是在严苛的环境条件下尤其如此。例如，滚动轴承环由滚动轴承钢制成。通过使用涡流传感器扫描域图案，定位装置还基于对(例如可用于滚动轴承内部的)油脂或油润滑的不敏感的测量原理。通过使用具有离散值域高的域图案，根据被扫描的特定域高生成离散的不同的测量信号，这允许相关的角度位置信号的单独分配。因此，根据本发明的定位系统对外部干扰和老化效应不敏感。
9.由于对每个域图案进行相关的角度位置信号的单独分配，因此滚动轴承环相对于彼此的绝对角度位置在仅扫描一个域图案之后就被得知。所使用的测量原理还允许快速可靠地扫描域图案，因此即使在超过10rpm的旋转速度期间，无论旋转方向均可以连续确定
当前的角度位置。
10.在一定意义上，本发明的域图案是预定数量域的固定排列。每个域图案中域的相同排列意味着域的相对于彼此的位置在域图案中是固定的。
11.域图案为每个个体域指定的域高不同。每个域位置处的域高可以采用预定义数量的离散的不同值。用于域高的离散值集可以包括正值和/或负值。零域高也明确落入本发明的范围内。在域高为正值的情况下，域形成为凸起，而在负值的情况下，域形成为表面中的凹陷。在域高为零时，域处于表面水平。
12.优选地，域的域高包括表面中的凹陷和/或凸起。特别优选地，所有域图案的所有域在表面中或是形成为凹陷或是形成为凸起，特别优选地，在每种情况下包括零域高。然而，也可以设想表面中的凸起和凹陷在域图案中组合出现的实施例。
13.优选地，每个域图案包含在域图案的指定位置处的索引域，索引域的域高不同于周围的表面。至少在某些区域中，根据索引域的域高与周围表面的最小偏差，甚至是具有零域高的附加域的这种域图案，均可以被可靠地检测到。
14.特别优选地，索引域设置在与域图案的其他域轴向和/或径向分隔的索引圆上，以及涡流传感器中的一个涡流传感器专用于索引域，使得该涡流传感器仅在滚动轴承环旋转时越过索引域。在这种情况下，专用于索引域的涡流传感器的测量信号的评估足以检测到存在可以扫描域图案的角度位置。因此，评估装置配置为基于对专用于索引域的涡流传感器的测量信号的评估来指定用于至少一个另外的涡流传感器的测量信号的评估时刻。通过这种方式，因为仅必须连续评估仅仅一个测量信号，所以有利地减少了评估单元的计算工作量。
15.优选地，域图案的域高选自包括至少三个离散值的一组值。与具有类似功能的二进制系统相比，这具有以下优点：对于每个域图案的给定数量的域，可以对大量不同的角度位置值进行编码。因此，可以在滚动轴承中以较小的空间需求来实现给定的位置确定精度。离散的域高值的数量上限受到所用涡流传感器的分辨率能力的限制。因此，在特别优选的实施例中，域图案的域高选自包含3至8个不同离散值的一组值。
16.优选地，域图案包括预定数量的域，每个域都被准确地分配一个涡流传感器用于扫描。优选地，每个域图案包括在2到5个域的范围内的固定数量的域。涡流传感器与域图案中的域按照1:1分配确保可以同时扫描整个域图案。因此，在输出角度位置信号之前，无需等待涡流传感器经过多个域。这实现了一种对旋转方向变化不敏感的快速测量方法。
17.优选地，域图案的域具有比至少一个涡流传感器的有源传感器表面更大的域区域。当有源传感器表面经过域时，当有源传感器表面完全位于域区域内，就会达到测量值稳定。评估单元可以基于达到的测量值稳定单独地识别域。因此，可以独立于可得到的测量的绝对值来检测域。然而，实施例还可以被设想为，其中域区域小于或等于涡流传感器的有源传感器表面。在这种情况下，可以通过极值检测的方式来确定域位置。
18.在有利的实施例中，还可以设置为，评估装置配置为使用至少一个涡流传感器的在域图案外侧记录的测量值来确定角度位置信号，以补偿轴承环的负载相关变形。评估单元可以基于与距涡流传感器的最小距离对应的测量值稳定来检测在域图案外侧记录的测量值。根据轴承环的负载变形，该最小距与检测到的域高的波动程度相同。因此，评估装置可以将在域图案外侧记录的测量值用作偏移量，以将负载相关的校正应用于在扫描域图案
期间记录的测量值。
19.如果域形成为凹陷，域可以(例如作为具有不同域高度的钻孔的盲孔)直接引入轴承环中。然而，也可以设置为域图案由固定至第一轴承环上的至少一个穿孔片材形成。通过将多个穿孔板相互堆叠，也可以通过穿孔片材的方式实现具有两个以上不同深度的域图案。例如，可以通过采用固定厚度的片材(优选地配合插入)来形成凸起。
20.在以下描述和从属权利要求中还可以找到有利的实施例。
21.下面使用附图中所示的示例性实施例更详细地解释本发明。
附图说明
22.图1示出了根据本发明的滚动轴承的第一实施例的立体示意图；
23.图2示出了根据本发明的第二实施例的轴承环的示意图；以及
24.图3示出了由涡流传感器扫描域的示意图。
具体实施方式
25.在各种附图中，相同的部件总是用相同的附图标记表示并且因此通常在每种情况下仅命名或提及一次。
26.图1示出了根据本发明的滚动轴承1的立体示意图，其中，仅出于阐明本发明的目的，其中一个轴承环的一部分已被切掉以使轴承内部可见。
27.滚动轴承1具有至少两个轴承环2，3，其相对于彼此可旋转地设置；至少一排滚动元件4，其设置为能够在轴承环2，3之间滚动；以及定位装置5，其用于确定轴承环2，3相对于彼此的绝对角度位置。
28.以示出的所谓的三排滚子旋转连接为例，其具有三排滚动元件4：一排支撑滚子、一排径向滚子和一排保持滚子。滚动元件4可以通过窗口部分15或滚子间隔件16彼此分隔开。可替代地，也可以为此目的使用保持架。所示的滚动轴承1还包括位于两个轴承环2、3上的安装孔18，以将轴承1固定到要安装的部件的连接结构上。除了定位装置5之外，轴承还可以包含附加的传感器17，例如用于测量磨损或负载。
29.定位装置5包括：域图案6，其设置在轴承环2，3的第一轴承环2的表面19上并围绕第一轴承环的圆周分布；域包括具有离散值的域高t0，t1，t2，t3，t4(参见图3)；至少一个涡流传感器7，8，其设置在第二轴承环3上以扫描域图案6；以及评估装置9。评估装置9配置为将描述轴承环2，3相对于彼此的绝对角度位置的关联角度位置信号ps分配到每个域图案6的扫描。
30.角度位置信号ps可由图1所示的评估装置9输出。然而，也可以实施这样的实施例，其中，评估装置9临时存储角度位置信号并且例如通过形成差异来确定并且输出描述相对于轴承的相对于轴承先前位置的相对旋转的相对位置信号。
31.在所示的示例性实施例中，域图案6包括指定数量的域，例如三个，每个域都精确地分配有一个涡流传感器7、8用于扫描。域图案6的域10、11形成为表面19中的包括零域高的凹陷。例如，凹陷可以由钻孔形成。也可以设想其他形状，例如凹槽、狭槽或椭圆孔。这同样适用于可能的凸起的形状。
32.每个域图案6包含在域图案6的指定位置处的所谓的索引域10，索引域的域高总是
非零。索引域10设置在索引圆12上，该索引圆12与域图案6的其他域11轴向分隔开。因此，专用于索引域10的涡流传感器7仅在滚动轴承环2和3旋转时经过索引域10。
33.在可选的滚动轴承设计中，也可以想到，位置测量装置在两个滚动轴承环的轴向相对的表面中实施。在这种情况下，索引圆可以设置成与域图案的其他域径向分隔开。
34.基于专用于索引域10的涡流传感器7的测量信号ms的评估，评估装置9配置为指定用于至少一个另外的涡流传感器8的测量信号ms’的评估时刻。为此目的，可以例如以200mhz的测量频率连续扫描涡流传感器7的测量信号ms。然而，也可以设想，对于将要连续地操作的所有涡流传感器7、8，优选地以相同的测量频率操作。
35.在滚动轴承环2、3相对于彼此旋转期间，涡流传感器7扫描索引域10。测量信号ms在索引域10外侧的稳定测量值和在传感器7的有源表面14完全位于相应的索引域10的域区域13中时记录的各种其他稳定测量值之间波动。对于不同的域高t0到t4，其他稳定测量值不同。
36.评估装置9配置为使用至少一个涡流传感器7，8的在域图案6外侧记录的测量值来确定角度位置信号ps，以补偿轴承环2，3的负载相关变形。
37.图2示出了根据本发明的第二实施例的轴承环2的示意图。与第一示例性实施例相比，域图案设置在环的外圆周上。在图片的右半部分，各个域图案6通过假想的虚线彼此分开以便更好地说明。
38.如在第一示例性实施例中，每个域图案包括3个域。这些域被排列成l形，其中索引域10位于下部域排中，另外两个域11位于上部域排中。因此，索引域10被设置成与索引圆12上的其他域11轴向分隔开。其他域11也排列在圆上，该圆可以被称为编码圆。每个索引域10具有非零的域高，而其他域11也可以具有零域高。
39.图2中所示的示例基于索引域10的四个离散的不同的域高t0、t1、t2、t3和附加的域11的五个离散的不同的域高t0、t1、t2、t3、t4(参见图3)。这导致100＝52x 4种不同的编码可能性，使得位置测量装置获得3.6
°
的分辨率。通过对域进行编码，可以直接分配角度位置信号，该信号描述轴承环2、3相对于彼此的绝对角度位置。例如，这可以以方位值系统的方式进行：
40.角度＝增量x(25x l1+5x l2+l3)，
41.其中，l1、l2、l3分别代表域图案的三个域的域高t0到t4的标准化值，该标准化值可以取0(最大深度t0)到4(消失域高t4)的整数值，该标准化值分别分配到物理域高t0到t4。例如，物理(非标准化化)域高t0到t4可以以0.2mm到1mm的等间距增量彼此差异。
42.通过循环重复上排的第二域11的标准化域高l3＝0、1、2、3、4、0、1...的选择，5个一组显示结果，这是因为每五个域图案出现一个具有消失域高t4(l3＝4)的域图案。
43.图3示意性地示出了在扫描域图案的域10、11期间的涡流传感器7、8。如图所示，优选地，域图案的域10、11具有比至少一个涡流传感器7、8的有源传感器表面14更大的域区域13，使得有源传感器表面14在旋转期间至少临时定位在域10、11的区域中。例如，对于直径约为10mm的涡流传感器7、8可以具有直径为约8mm的有源表面14。
44.根据未示出的示例性实施例，域图案6可以由固定到第一轴承环2的至少一个金属片材形成。对于其余部分，与前述示例性实施例有关的注释也比照适用。
45.附图标号列表
[0046]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
滚动轴承
[0047]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一轴承环
[0048]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二轴承环
[0049]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
滚动元件
[0050]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
定位装置
[0051]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
域图案
[0052]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
用于索引域的涡流传感器
[0053]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
涡流传感器
[0054]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
评估装置
[0055]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
索引域
[0056]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
域
[0057]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
索引圆
[0058]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
域区域
[0059]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
有源传感器表面
[0060]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
窗口部分
[0061]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
滚子间隔件
[0062]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器
[0063]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
安装孔
[0064]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
表面
[0065]
t0到t4
ꢀꢀꢀꢀ
域高
[0066]
ms，ms
’ꢀꢀ
测量信号
[0067]
ps
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
角度位置信号