本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1的前序部分所述的包括天線的軸承保持架。

背景技術(shù)：

已知提供諸如具有溫度傳感器的球軸承或滾子軸承的軸承。為了監(jiān)測(cè)軸承，通過(guò)與球/滾子與滾道的接觸面(interface)盡可能近地定位的溫度傳感器來(lái)檢測(cè)在該接觸面處產(chǎn)生的熱量。這使得軸承的保持架成為令人滿意的用于溫度測(cè)量的位置。然而，軸承保持架是轉(zhuǎn)動(dòng)的并且不能容易操作(accessed)且可用空間是狹窄的。特別是對(duì)于小型的軸承，難以將電池或發(fā)電機(jī)集成于軸承保持架。

文獻(xiàn)ep1849013b1公開(kāi)了一種軸承，該軸承具有配備有能量接收線圈的保持架。用于將表示感應(yīng)到的軸承狀況的信號(hào)發(fā)送到配置在外圈上的其它天線的發(fā)射器被集成在保持架內(nèi)。然而，該解決方案僅對(duì)于具有能夠支撐發(fā)射器電子電路(electronics)的保持架的大型軸承才是可行的。

軸承保持架用的無(wú)源無(wú)線溫度傳感器已在例如傳感器2008、7982-7995的由yawang、yijia、qiushuichen和yanyunwang所著的文章“用于惡劣環(huán)境應(yīng)用的無(wú)源無(wú)線溫度傳感器”中被提出。包括隨溫度變化的電容和電感器的無(wú)源振蕩器電路被配置在保持架上，使得電感器線圈與配置在軸承的非轉(zhuǎn)動(dòng)圈上的被驅(qū)動(dòng)振蕩器電路的發(fā)射器線圈相互作用。電容的溫度依賴性導(dǎo)致了保持架內(nèi)的諧振電路的能夠被測(cè)量的諧振頻率的溫度依賴性。類似的系統(tǒng)已被purdue大學(xué)的s.scott等人研究過(guò)，參見(jiàn)例如：http://docs.lib.purdue.edu/nanopub/1089。

保持架內(nèi)的諧振電路吸收來(lái)自在非轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)上具有線圈的初級(jí)電路的能量，使得能夠由頻率掃描中的吸收峰推導(dǎo)得出諧振頻率。此方法測(cè)量振蕩頻率時(shí)的能量損失。

還已知使高速列車的列車軸承單元或列車輪軸箱配備有聚酰胺保持架。有時(shí)使用與軌道并排配置的熱箱(hot-box)紅外掃描儀來(lái)監(jiān)測(cè)這些列車軸承單元。這些紅外掃描儀檢測(cè)軸承組成部件的溫度上升來(lái)檢測(cè)有缺陷的軸承。雖然聚酰胺保持架已被證明是比之前使用的鋼保持架更安全的，但是將無(wú)法使用熱箱紅外掃描儀來(lái)檢測(cè)聚酰胺保持架中的缺陷。保持架的故障檢測(cè)在航空航天軸承、高速軸承和其他可能應(yīng)用中也將是有用的。

本發(fā)明尋求提供能夠簡(jiǎn)便檢測(cè)保持架損壞的改善的軸承用聚合物保持架。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種軸承保持架，其包括由聚合物材料制成的軸承保持架主體，軸承保持架主體包括用于容納軸承的至少一列滾動(dòng)體的腔格。保持架設(shè)置有無(wú)源諧振電路，無(wú)源諧振電路包括安裝于軸承保持架主體的至少一個(gè)天線線圈。適當(dāng)?shù)?，至少一個(gè)天線線圈用作無(wú)源諧振電路的電感器線圈。

提議天線線圈形成為直接安裝于軸承保持架主體的聚合物材料的導(dǎo)電層，并且被設(shè)計(jì)成使得破壞點(diǎn)等于或小于聚合物材料的破壞點(diǎn)。保持架主體的聚合物材料可以包括聚酰胺、酚醛樹(shù)脂、聚醚醚酮樹(shù)脂(peek)、聚醚酮酮(pekk)或其他聚合物。

關(guān)于這點(diǎn)，破壞點(diǎn)特別是指材料的斷裂伸長(zhǎng)率，并且聚合物基體和天線線圈的材料應(yīng)被選擇成使得當(dāng)軸承保持架主體的保持架材料破裂時(shí)天線線圈破裂。這可以通過(guò)特別是使用薄導(dǎo)電層作為天線線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，天線線圈對(duì)軸承保持架主體的表面的附著力應(yīng)當(dāng)足夠強(qiáng)，以確保當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)天線線圈層破裂而不是剝離。

聚合物基體的破裂強(qiáng)度與導(dǎo)電層之間的這種特定關(guān)系可以以特別是如下實(shí)施方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：天線線圈被印刷在保持架材料上或者天線線圈在保持架材料上形成為電鍍層。

在一個(gè)實(shí)施方式中，天線線圈被實(shí)施為繞著保持架主體的全周延伸的單個(gè)環(huán)。在一些示例中，單個(gè)環(huán)設(shè)置在保持架的在軸向上定向的側(cè)面上。在其他示例中，單個(gè)環(huán)設(shè)置在保持架的在徑向上定向的表面上。于是單個(gè)環(huán)可以包括在保持架的相鄰腔格之間沿軸向延伸的部分，并且還包括在保持架腔格的軸向側(cè)與保持架的橫向緣部之間沿保持架的周向延伸的部分。這種實(shí)施增大了保持架主體的被電感器線圈覆蓋的表面積，從而增大了即使保持架上有小的局部斷裂也將會(huì)引起天線線圈破裂的可能性。

單個(gè)環(huán)的優(yōu)點(diǎn)在于，天線線圈在任何位置破裂都能夠?qū)е聼o(wú)源諧振電路失去諧振能力。這能夠被容易地且可靠地檢測(cè)以便確定保持架已發(fā)生故障。

在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，天線線圈包含彼此平行地連接的多個(gè)環(huán)。如果一個(gè)環(huán)破裂，則諧振電路的電感將會(huì)改變，導(dǎo)致通過(guò)天線線圈傳輸?shù)男盘?hào)的振幅改變。

在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，天線線圈設(shè)置有以下設(shè)計(jì)：軸承保持架主體的任何相關(guān)部分的斷裂至少通過(guò)增加電阻來(lái)影響天線線圈的電導(dǎo)率，優(yōu)選地，通過(guò)使斷裂點(diǎn)處的導(dǎo)電連接完全中斷使得天線環(huán)開(kāi)路來(lái)影響天線線圈的電導(dǎo)率。

在一個(gè)示例中，軸承保持架具有梯子狀結(jié)構(gòu)并且包括兩個(gè)橫向緣部，該兩個(gè)橫向緣部通過(guò)被構(gòu)造成隔開(kāi)滾動(dòng)體的橫桿連接。優(yōu)選地，天線線圈遍及軸承保持架主體的所有相關(guān)部分(即，遍及橫向緣部的全周和遍及各橫桿的全長(zhǎng))地延伸。

優(yōu)選地，通過(guò)包模成型非常薄且脆的金屬片或者通過(guò)在軸承保持架主體的第一部分的表面上印刷或涂覆形成天線線圈的導(dǎo)電層(然后將在第二成型步驟中包模成型)，來(lái)將天線線圈嵌入于保持架材料。構(gòu)成天線線圈還可以包括蝕刻。

有利地，天線線圈可以被嵌入于表示無(wú)法接受的保持架磨損的量的淺的深度。線圈適當(dāng)?shù)厍度胗诒３旨艿脑诓僮魇褂脮r(shí)與包括該保持架的軸承的其它表面移動(dòng)接觸的磨損面。因而能夠檢測(cè)歸因于磨損而導(dǎo)致的保持架故障。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，設(shè)置于保持架主體的無(wú)源諧振電路包括電容器和用作電感器的天線線圈，如此形成了簡(jiǎn)單的lc震蕩電路(lctankcircuit)。在另一實(shí)施方式中，無(wú)源諧振電路形成包括天線線圈和連接到天線線圈的rfid電路的rfid收發(fā)器的一部分。本發(fā)明的一個(gè)重要方面是，當(dāng)天線線圈中存在破裂時(shí)諧振電路返回不同的信號(hào)。信號(hào)的不同可能體現(xiàn)在：頻率變化、振幅降低或完全沒(méi)有返回信號(hào)。rfid電路還可以包括傳感器或與傳感器通信，傳感器諸如為根據(jù)要求安裝在軸承保持架上或rfid芯片上的溫度傳感器。

一種軸承，其包括如上所述的軸承保持架，優(yōu)選地，該軸承包括直接地或經(jīng)由軸承密封件或帽來(lái)安裝于軸承的非轉(zhuǎn)動(dòng)圈的發(fā)射器的初級(jí)天線。發(fā)射器包括被驅(qū)動(dòng)的振蕩器電路，初級(jí)天線被構(gòu)造成從保持架上的天線線圈接收信號(hào)和向保持架上的天線線圈發(fā)送信號(hào)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種軸承單元，其包括如上所述的軸承，軸承單元設(shè)置有信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元被構(gòu)造成監(jiān)視被初級(jí)天線接收的天線線圈的響應(yīng)信號(hào)并在檢測(cè)到響應(yīng)信號(hào)的振幅和/或頻率變化時(shí)或在檢測(cè)到無(wú)響應(yīng)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生報(bào)警。報(bào)警信息可以包括報(bào)警燈或給機(jī)器操作員(例如，給列車操作員)的報(bào)警信號(hào)。信號(hào)處理單元可以僅在維修期間連接或永久地連接。

在一個(gè)實(shí)施方式中，軸承單元包括被適配成響應(yīng)于由初級(jí)天線發(fā)射的詢問(wèn)信號(hào)而諧振的第二無(wú)源諧振電路。優(yōu)選地，第二無(wú)源諧振電路設(shè)置在軸承的相同的固定部分上的不受磨損或損壞的位置作為發(fā)射器。第二無(wú)源諧振電路用作驗(yàn)證發(fā)射器的正確運(yùn)行的基準(zhǔn)。于是處理單元被適當(dāng)?shù)貥?gòu)造成如果沒(méi)有檢測(cè)到來(lái)自第一無(wú)源諧振電路和第二無(wú)源諧振電路兩者的響應(yīng)信號(hào)則產(chǎn)生發(fā)射器有缺陷的報(bào)警。

如上所述的軸承保持架適用于實(shí)施軸承保持架的故障的檢測(cè)方法，該方法包括以下步驟：

-產(chǎn)生包括天線線圈的電路的諧振頻率的詢問(wèn)信號(hào)；

-接收來(lái)自天線線圈的響應(yīng)信號(hào)；并且

-基于檢測(cè)到?jīng)]有響應(yīng)信號(hào)或者當(dāng)測(cè)量到響應(yīng)信號(hào)的頻率和/或振幅變化時(shí)，來(lái)監(jiān)測(cè)響應(yīng)信號(hào)以檢測(cè)天線線圈的破裂。

本發(fā)明的以上實(shí)施方式與所附權(quán)利要求和附圖示出了本發(fā)明的多個(gè)特點(diǎn)特征的特定組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠容易地想到這些特征的其它組合或子組合以便使如權(quán)利要求中限定的本發(fā)明與本領(lǐng)域技術(shù)人員的特定需求相適配。

附圖說(shuō)明

-圖1是配備有根據(jù)本發(fā)明的保持架和用于檢測(cè)保持架故障的傳感器組件的軸承的示例的截面圖；

-圖2是圖1的軸承所使用的軸承保持架的一部分和與傳感器組件相關(guān)聯(lián)的電路組成部件的示意圖；

-圖3a是配備有根據(jù)本發(fā)明的保持架的軸承和用于檢測(cè)保持架故障的傳感器組件的另一示例的切面立體圖；

-圖3b是圖3a的軸承保持架的側(cè)視圖；

-圖3c是在圖3a的軸承中使用的密封件的截面圖；

-圖4是根據(jù)另一實(shí)施方式的用于檢測(cè)保持架故障的傳感器組件的電路圖；

-圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的軸承保持架的一部分的示意圖。

具體實(shí)施方式

圖1闡述了一個(gè)列車軸承單元，其包括雙列圓錐滾子軸承10，該雙列圓錐滾子軸承10包括被構(gòu)造成容納所述軸承的形成為圓錐滾子的兩列滾動(dòng)體10b的兩個(gè)環(huán)形的軸承保持架11、剖分式的內(nèi)圈10c和外圈10d。

軸承單元配備有傳感器組件，傳感器組件包括發(fā)射器12，發(fā)射器12安裝于軸承密封件20并且被構(gòu)造成在發(fā)射器的初級(jí)線圈(primarycoil)12c中產(chǎn)生振蕩電流信號(hào)。

此外，傳感器組件包括無(wú)源諧振電路14(參考圖2)，無(wú)源諧振電路14包括無(wú)線射頻識(shí)別(rfid)芯片14b和安裝于軸承保持架11的天線線圈14a。rfid芯片14b可以包括各種傳感器，如溫度傳感器。

在繪出的示例中，初級(jí)線圈12c被嵌入在密封件20的彈性體材料20a中。初級(jí)線圈還可以安裝于軸承外圈10d并且可以形成為在軸承的全周上延伸的環(huán)或者否則被構(gòu)造成產(chǎn)生用于與rfid芯片14b通信的信號(hào)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，用作無(wú)源諧振電路14的電感線圈的天線線圈14a也形成為在軸承保持架11的全周上延伸的圓環(huán)。優(yōu)選地，初級(jí)線圈12c和天線線圈14a同軸地配置且彼此靠近，即，使得線圈的線之間的距離小于圓形的線圈環(huán)的半徑的20％，優(yōu)選小于10％。

兩個(gè)軸承保持架11具有相同的構(gòu)造。圖2示意性地展示出軸承保持架11中的一個(gè)軸承保持架的一部分，軸承保持架包括由作為堅(jiān)固的(robust)保持架材料的示例的聚酰胺制成的軸承保持架主體11a。軸承保持架主體11a具有用于容納軸承10的一列滾動(dòng)體10b的腔格(pocket)15，并且天線線圈14a安裝于保持架主體11a。

天線線圈14a形成為直接安裝于軸承保持架主體11a的保持架材料的導(dǎo)電層，并且被設(shè)計(jì)成具有比保持架材料的破壞點(diǎn)(breakingpoint)低的破壞點(diǎn)。即，天線線圈足夠脆弱但天線線圈14a的附著力足夠強(qiáng)大，以確保當(dāng)軸承保持架主體11a表面的一部分的斷裂將導(dǎo)致天線線圈14a的斷裂，即，將使得天線線圈14a不導(dǎo)電。

在描繪的示例中，天線線圈14a被設(shè)計(jì)成使得其覆蓋軸承保持架主體11a有發(fā)生斷裂風(fēng)險(xiǎn)的各必要部分。因此，一旦軸承保持架主體11a中發(fā)生斷裂時(shí)，天線線圈14a的導(dǎo)電性被可靠地中斷，這可以根據(jù)斷裂的性質(zhì)而被檢測(cè)為天線線圈14a的諧振頻率的頻率和/或振幅的差或被檢測(cè)為完全沒(méi)有諧振。

在圖1-2的實(shí)施方式中，天線線圈14a被印刷到保持架材料上?？蛇x擇地，天線線圈14a可以形成為保持架材料上的電鍍層、或者形成為非常薄的金屬片然后通過(guò)聚酰胺材料將該非常薄的金屬片包模成型使得天線線圈14a至少部分地嵌入所述保持架材料中。天線線圈14a還可以通過(guò)膠合安裝于軸承保持架主體11a和/或被保護(hù)層保護(hù)。

如圖2所示，軸承保持架主體11a包括由被構(gòu)造成隔開(kāi)滾動(dòng)體的橫桿連接的兩個(gè)橫向環(huán)結(jié)構(gòu)，其中天線線圈14a在每個(gè)橫向環(huán)結(jié)構(gòu)的全周上延伸并在每個(gè)橫桿的全長(zhǎng)上延伸。軸承保持架主體11a包括多個(gè)被構(gòu)造成用于容納滾動(dòng)體中的一者的腔格，其中天線結(jié)構(gòu)包括多個(gè)環(huán)并且每個(gè)腔格15被至少一個(gè)環(huán)圍繞。天線線圈14a具有梯子狀結(jié)構(gòu)，其中梯級(jí)沿著軸承保持架主體11a的被構(gòu)造成隔開(kāi)滾動(dòng)體的橫桿延伸。

包括根據(jù)本發(fā)明的軸承的軸承單元還包括信號(hào)處理單元16，其中信號(hào)處理單元16被構(gòu)造成分析通過(guò)發(fā)射器的初級(jí)線圈12c接收到的天線線圈14a的信號(hào)并在檢測(cè)到天線線圈14a被破壞時(shí)(基于檢測(cè)到無(wú)響應(yīng)信號(hào)或響應(yīng)信號(hào)的頻率和/或振幅改變)產(chǎn)生報(bào)警。信號(hào)處理單元16可以集成到發(fā)射器12中或被遠(yuǎn)程定位于例如使用軸承的列車的控制單元中。

參照?qǐng)D2，以下將說(shuō)明發(fā)射器12和無(wú)源諧振電路的功能。由函數(shù)發(fā)生器(functiongenerator)12b產(chǎn)生的振蕩電流信號(hào)送入初級(jí)線圈12c以產(chǎn)生在天線線圈14a中感應(yīng)電流的詢問(wèn)信號(hào)。只要天線線圈14a是完好的，則感應(yīng)的電流將足以激勵(lì)rfid芯片14b，隨后rfid芯片14b返回可能攜帶或可能不攜帶額外信息(例如，軸承的id號(hào)或溫度信息)的信號(hào)。

如果由rfid芯片14b返回的信號(hào)的振幅、頻率或任何其它特征與信號(hào)處理單元16期望的信號(hào)不一致，則信號(hào)處理單元16發(fā)出指示保持架11被破壞的報(bào)警信號(hào)。

因此，信號(hào)處理單元16實(shí)現(xiàn)了軸承保持架11的故障的檢測(cè)方法，其包括以下步驟：產(chǎn)生包括天線線圈14a的電路的諧振頻率的詢問(wèn)信號(hào)、接收來(lái)自所述天線線圈14a的響應(yīng)信號(hào)、基于檢測(cè)到無(wú)響應(yīng)信號(hào)或響應(yīng)信號(hào)的頻率和/或振幅改變來(lái)分析響應(yīng)信號(hào)以檢測(cè)天線線圈14a的破裂、并且如果天線線圈14a破裂則檢測(cè)出軸承保持架11的故障。

圖3a繪出了根據(jù)本發(fā)明的軸承的第二實(shí)施方式。在本實(shí)施方式中，軸承30是密封的深槽球軸承，其包括內(nèi)圈30c、外圈30d、單列球30b和用于封閉軸承圈之間的環(huán)狀間隙的位于軸承的軸向兩側(cè)的密封件20。球被球保持架31保持，圖3b示出了球保持架31的側(cè)視圖。保持架的主體31a由聚合物材料制成，并設(shè)置有包括電容器34b和天線線圈34a的無(wú)源諧振電路，電容器34b和天線線圈34a被配置在保持架主體的在軸向上定向的側(cè)面上。用作無(wú)源諧振電路的電感器(inductor)的天線線圈34a被實(shí)施為繞著保持架側(cè)面的全周延伸的單個(gè)環(huán)。根據(jù)本發(fā)明，天線線圈34a的導(dǎo)電材料的破壞點(diǎn)小于或等于保持架主體31a的聚合物材料的破壞點(diǎn)。

因此，如果天線線圈因保持架主體31a的斷裂而破裂，則當(dāng)被詢問(wèn)信號(hào)激勵(lì)時(shí)無(wú)源諧振電路將停止諧振。為了檢測(cè)到該諧振的丟失，軸承還配備有發(fā)射器，發(fā)射器的一部分被集成在面向保持架上的電容器34b和天線線圈34a的密封件20中。圖3c示出了密封件的側(cè)視圖。

發(fā)射器包括產(chǎn)生振蕩電流信號(hào)的函數(shù)發(fā)生器和初級(jí)天線32c，初級(jí)天線32c在繪出的實(shí)施方式中形成為密封件20的加強(qiáng)環(huán)。加強(qiáng)環(huán)是嵌入在密封件20中的片狀金屬環(huán)，加強(qiáng)環(huán)設(shè)置有填充有隔離彈性材料20a的間隙。初級(jí)天線32c的臨近所述間隙的相對(duì)兩側(cè)的端部部分分別設(shè)置有信號(hào)線38b、38b’用的連接點(diǎn)32c1、32c2，在圖示的實(shí)施方式中連接點(diǎn)32c1、32c2由軟焊點(diǎn)(solderpoint)形成。信號(hào)線連接到處理器(未示出)，處理器被構(gòu)造成如果來(lái)自無(wú)源諧振電路的響應(yīng)信號(hào)無(wú)法響應(yīng)于來(lái)自發(fā)射器的詢問(wèn)信號(hào)而被初級(jí)天線32c接收則發(fā)送警報(bào)。

在進(jìn)一步的發(fā)展中，軸承配置的固定部分設(shè)置有第二無(wú)源諧振電路，第二無(wú)源諧振電路也可以集成在密封件上或否則接近發(fā)射器定位。將使用圖4所示的電路圖來(lái)解釋工作原理。在正常條件下，連接到發(fā)射器42的處理器(未示出)將接收來(lái)自保持架上的第一無(wú)源諧振電路44’的第一響應(yīng)信號(hào)和來(lái)自第二無(wú)源諧振電路44”的第二響應(yīng)信號(hào)。如果僅無(wú)法接收到第一響應(yīng)信號(hào)，則如前所述地發(fā)送指示保持架故障的報(bào)警。如果第一響應(yīng)信號(hào)和第二響應(yīng)信號(hào)都無(wú)法接收到，則指示發(fā)射器電路中有故障，處理器被構(gòu)造成發(fā)送合適的警示。

單環(huán)形式的保持架天線線圈還可以設(shè)置在保持架的徑向定向的表面上。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方式的保持架51的一部分的示例。無(wú)源諧振電路還包括電容器54b和天線線圈54a，天線線圈54a例如印刷在在繪出的示例中由酚醛樹(shù)脂制成的保持架的主體51上。天線線圈被適配成響應(yīng)于保持架主體中的斷裂而被破壞。為了提高保持架中的小斷裂使天線線圈破裂的可能性，線圈具有沿保持架的周向延伸的第一部分(sections)54a1和在相鄰的保持架腔格55之間沿軸向延伸的第二部分54a2。如將理解的，線圈可以包括在相鄰的腔格55之間來(lái)回往返的多個(gè)第二部分，和/或在保持架的緣部與保持架腔格的相應(yīng)軸向側(cè)之間來(lái)回往返的多個(gè)第一部分54a1。

在本示例中，保持架是外圈引導(dǎo)式保持架(outer-ring-guidedcage)，并且在保持架的軸向兩側(cè)均具有磨損面，在軸承運(yùn)行期間磨損面與軸承外圈的肩部接觸。天線線圈被嵌入于保持架主體51a的徑向外側(cè)面的構(gòu)成無(wú)法接受的磨損量的淺的深度。因此，保持架51能夠用于檢測(cè)歸因于使天線線圈破裂的主體51a斷裂和歸因于保持架的無(wú)法接受的磨損(其同樣磨損掉天線線圈的材料，導(dǎo)致引起無(wú)源諧振電路失去諧振能力的中斷)而導(dǎo)致的保持架故障。

在其他實(shí)施方式中，保持架的軸向側(cè)面為磨損面并且可以設(shè)置有用于檢測(cè)磨損的嵌入的天線線圈。因此，在權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以進(jìn)行多種變化。