專利名稱：兼有軸承載荷檢測和狀態(tài)監(jiān)測功能的傳感器組件和傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種兼有軸承載荷檢測和軸承狀態(tài)監(jiān)測功能的傳感器組件和傳感器系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及一種傳感器組件，其用于測量具有至少一個軸承環(huán)的軸承上的載荷，所述至少一個軸承環(huán)具有用于安置傳感器組件的腔，該傳感器組件包括位于所述腔的兩相對邊之間的順序安裝件，所述順序件安裝包括壓電片和彈簧剛度為k的彈簧。
背景技術(shù)：
美國專利US-A-5,677,488描述了一種用于軸承狀態(tài)監(jiān)測的傳感器，其利用壓電膜轉(zhuǎn)換器以響應軸承的連續(xù)壓力波的形式實現(xiàn)該功能。該傳感器系統(tǒng)還可以用于確定軸承的轉(zhuǎn)速。通過將來自壓電轉(zhuǎn)換器的信號與一組閾值比較，或?qū)碜远鄠€壓電轉(zhuǎn)換器的信號進行比較以消除共態(tài)噪聲，可以確定軸承的緊急失效。
而且，眾所周知，前述傳感器組件用于間接測量軸承上的載荷，即通過例如測量軸承環(huán)的結(jié)構(gòu)變形來測量。
然而，現(xiàn)有技術(shù)中沒有能夠同時確定軸承上的載荷和軸承的狀態(tài)的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種傳感器，其既能夠提供軸承上載荷的信息，還可以提供軸承的狀態(tài)信息。
因此，本發(fā)明的第一方面是提供一種前述的傳感器組件，其中，該傳感器還包括安裝在壓電片和彈簧之間的質(zhì)量為m的質(zhì)量塊。
本發(fā)明優(yōu)于現(xiàn)有傳感器的地方在于，在軸承工作期間，可以測量兩個不同的軸承參數(shù)，即軸承上的載荷以及與軸承狀態(tài)相關(guān)的有規(guī)律的激勵振動。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在壓電片與質(zhì)量塊之間布置電絕緣片。然后，可以在壓電片的相對表面之間測量壓電片上的電荷。
優(yōu)選地，傳感器組件的方位基本垂直于軸承軸線。這使得能夠?qū)?載荷引起的)第一表面的位移和(軸承缺陷)引起的軸承環(huán)的加速度或振動進行有效測量。
在一優(yōu)選實施例中，至少一個軸承環(huán)中具有腔。該軸承環(huán)可以是軸承外圈，也可以是軸承內(nèi)圈?？商鎿Q地，腔被設(shè)置在軸承的至少一個滾子體內(nèi)。位于滾柱軸承的內(nèi)、外滾道之間的滾子體也受到施加給軸承的力作用，因而用于傳感器組件的腔可以被設(shè)置在一可替換位置。
本發(fā)明的又一方面是提供一種具有至少一個根據(jù)本發(fā)明的傳感器組件的傳感器系統(tǒng)，所述傳感器系統(tǒng)包括連接到所述壓電片上的處理裝置，用于接收代表所述壓電片上電荷的電荷信號，該處理裝置還用于提供由低于截止頻率的電荷信號得到的代表軸承上載荷的測量信號，以及由高于截止頻率的電荷信號得到的代表軸承的加速度的測量信號。所述傳感器裝置的截止頻率f0為1/2π(k/m)，其中k是所述彈簧的彈簧剛度，m是所述質(zhì)量塊的質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)只利用單個傳感器組件就能在軸承工作期間有效測量兩個不同的軸承參數(shù)。
優(yōu)選地，該處理裝置還用于由代表軸承加速度的測量信號來確定軸承狀態(tài)。利用來自壓電傳感器的電荷信號中的高頻成份所測得的軸承振動和加速度可以提供有關(guān)軸承狀態(tài)的信息。
下面結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的示例性的實施例。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的傳感器組件的剖視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明又一實施例的傳感器組件的剖視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明傳感器系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
圖1中示出了一種軸承環(huán)11，其具有根據(jù)本發(fā)明典型實施例的傳感器組件。圖中所示的軸承環(huán)11是一軸承外圈，但其也可以是軸承內(nèi)圈。在軸承環(huán)11中有腔12，腔12具有與軸承環(huán)11的內(nèi)表面或滾道基本平行的第一表面17，以及與第一表面17基本平行的第二表面18。當從軸承軸線方向觀察時，腔12可以是方形，但優(yōu)選為圓形，這樣可以由公知的銑削方法在軸承環(huán)11上加工出腔12。在腔12中，在第一表面17和第二表面18之間依次安裝彈簧剛度為k的彈簧13、絕緣片15和壓電片16。這樣，傳感器組件的靈敏度方向朝向軸承軸線，從而能夠有效測量軸承上的(徑向)載荷。壓電片16是可以買到的壓電材料，面積是5mm×5mm，厚度為0.4mm。為了增大機械剛度，壓電片16可以夾在保護片(未示出)之間。
彈簧13可以是簡單的螺旋彈簧，但也可以是片簧。腔12可以適用于彈簧13的形狀，以探測彈簧13在垂直于壓電片16的方向?qū)ζ涫┘恿肆ψ饔谩?br> 當載荷施加在軸承環(huán)11上(從而施加在軸承上)時，由于軸承環(huán)11所用材料的彈性性質(zhì)，腔12的第一、二表面17和18會相互靠近。通?？梢哉f，在X方向(見圖1)上的位移與軸承載荷引起的結(jié)構(gòu)變形成正比。在靜態(tài)時，彈簧13會在壓電片16上施加力的作用，該力與位移和彈簧剛度k的乘積成正比。這樣，壓電片16就產(chǎn)生電荷Q，電荷Q與施加在它上面的力成正比，也因此與施加在軸承環(huán)11上的載荷成正比。壓電片16上的電荷Q可以在其上、下表面之間檢測。
圖2示出本發(fā)明的又一實施例，其能夠同時測量振動或加速度。這些振動是由于軸承滾道或其它滾子軸承元件失效引起的，可用于軸承的狀態(tài)監(jiān)測。因此，由彈簧13和壓電片16構(gòu)成的順序安裝件中可進一步包括安裝質(zhì)量為m的質(zhì)量塊14。
由于軸承環(huán)11的材料通常是金屬，所以為了檢測電荷Q，必須在壓電片16的至少一側(cè)安裝絕緣片15。在這種情況下，可以使用與壓電片16的絕緣表面相連接和與軸承環(huán)11相連接的導線檢測壓電片16上的電荷?？蛇x擇地，質(zhì)量為m的質(zhì)量塊1 4由電絕緣材料制成。在這種情況下，由于壓電片16上的電荷Q可以在其上、下表面之間直接測量，所以也可以省掉絕緣片15。
當使用了質(zhì)量為m的質(zhì)量塊14時，上述情況只對電荷信號的低頻成份有效。彈簧組件13、質(zhì)量塊14和壓電片16形成一個截止頻率f0為1/2π(k/m)的機械濾波器。在低于截止頻率f0時，電荷Q與位移成正比，因而與軸承環(huán)11上的載荷成正比。在高于截止頻率f0時，電荷Q與軸承環(huán)11上的加速度成正比。由于慣性，在高于截止頻率時，質(zhì)量塊在空間上基本靜止，因此壓電片16將被抽出或收縮，這種抽出或收縮基本與由第一表面17的加速度引起的位移成正比。軸承環(huán)11的加速度可以提供有關(guān)軸承狀態(tài)的有規(guī)律的激勵振動信息。截止頻率f0可以設(shè)計為與傳感器組件所需要的特性相匹配。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的傳感器系統(tǒng)的簡圖。該傳感器系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明的傳感器組件，在圖3中只示出了其中的壓電片16。利用兩個電接頭19，20來檢測壓電片16上的電荷Q，電接頭19，20分別連接到兩個信號導線21，22上，信號導線21，22都連接到處理裝置23。第一電接頭19可以設(shè)置在與壓電片16處于電接觸狀態(tài)的(金屬)軸承環(huán)11上，第二電接頭20可以設(shè)置在壓電片16和絕緣片15之間。
處理裝置23由來自壓電片16的電荷信號測量關(guān)于軸承的兩個不同參數(shù)。高于機械截止頻率f0的電荷信號成份用于軸承加速度的測量，由此可以推導出關(guān)于軸承狀態(tài)的更多軸承特性。低于機械截止頻率f0的電荷信號成份用于腔12中第一表面17的位移的測量，根據(jù)該測量值，結(jié)合已知的軸承環(huán)11的材料特性以及軸承環(huán)11和腔12的尺寸，可以推導出軸承環(huán)11上的載荷。
處理裝置23可以利用模擬信號處理元件、比如濾波器、放大器等來實現(xiàn)，或者，可替換地，可以包括數(shù)字處理元件，比如數(shù)字信號處理器，或它們的組合裝置。
可替換地，腔12被設(shè)置在滾子軸承的一個滾子體內(nèi)，處于外圈11和內(nèi)圈之間。這些滾子體也都受到施加給軸承的力的作用，可以為傳感器組件提供可替換位置。然后，設(shè)置一些裝置，將傳感器組件測得的測量信號通過例如射頻傳輸路徑傳送到外界(見歐洲專利申請EP-A-0 637 734)。
權(quán)利要求
1.傳感器組件，其用于測量具有至少一個軸承環(huán)(11)的軸承上的載荷，所述至少一個軸承環(huán)具有用于安置傳感器組件的腔(12)，所述傳感器組件包括位于所述腔(12)的兩相對邊之間的順序安裝件，所述順序安裝件包括壓電片(16)和彈簧剛度為k的彈簧(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器組件，其特征在于，所述傳感器組件還包括安裝在所述壓電片(16)和所述彈簧(13)之間的質(zhì)量為m的質(zhì)量塊(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器組件，其特征在于，在所述壓電片(16)的一側(cè)布置電絕緣片(15)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的傳感器組件，其特征在于，所述傳感器組件被布置在基本垂直于軸承軸線的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的傳感器組件，其特征在于，所述腔(12)被設(shè)置在至少一個軸承環(huán)(11)內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的傳感器組件，其特征在于，所述腔(12)被設(shè)置在軸承的至少一個滾子體內(nèi)。
7.具有根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一所述的傳感器組件的傳感器系統(tǒng)，其包括連接到所述壓電片(16)上的處理裝置(23)，用于接收代表所述壓電片(16)上的電荷的電荷信號，所述處理裝置(23)還用于由低于截止頻率的電荷信號提供代表軸承上載荷的測量信號，以及由高于截止頻率的電荷信號提供代表軸承加速度的測量信號，所述傳感器裝置的截止頻率f0為1/2π(k/m)，其中k是所述彈簧(13)的彈簧剛度，m是所述質(zhì)量塊(14)的質(zhì)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述處理裝置(23)還用于由代表軸承加速度的測量信號來確定軸承的狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種傳感器組件，其用于測量具有至少一個軸承環(huán)(11)的軸承上的載荷，該至少一個軸承環(huán)具有用于安置傳感器組件的腔(12)。傳感器組件包括位于腔(12)的兩相對邊之間的順序安裝件，順序安裝件包括壓電片(16)和彈簧剛度為k的彈簧(13)。可替換地，傳感器組件還包括安裝在壓電片(16)和彈簧(13)之間的質(zhì)量為m的質(zhì)量塊(14)，以同時進行軸承載荷檢測和狀態(tài)監(jiān)測。
文檔編號F16C33/58GK1518661SQ02812564
公開日2004年8月4日 申請日期2002年5月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月1日
發(fā)明者亨德里克·安妮·莫爾, 西蒙·范巴列古艾, 亨德里克 安妮 莫爾, 范巴列古艾 申請人:Skf公司