專利名稱：載荷感測軸承的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及軸承，尤其涉及配置有監測軸承載荷的傳感器的 軸承組件，所述傳感器用以監測作用力和轉矩從而提供供裝置使用的響 應信號。
背景技術：
本發明的軸承組件可以用來測量軸承的徑向力、推力、翻轉力矩、 旋轉速度和溫度以便在許多應用情形中使用，所述應用情形例如車輛動 力控制系統(車輛穩定性控制系統)、車輛防側翻系統、輪胎完整性監 測系統、道路狀況監測系統以及車輛懸架控制系統。
存在多種作用在處于運行狀態下的軸承組件上的載荷和栽荷類型 能夠提供關于軸承組件以及附連到軸承組件上的物體的重要信息的應 用情形。例如在汽車工業中，以電信號形式存在的軸承載荷信息為車輛 動力學控制("VDC")系統所使用，以監測車輛的行駛狀況，從而使得 該系統能夠控制施加到車輪上的扭矩。在授予Fujita等人的美國專利第 5,140,849號中公開的抗摩擦滾動軸承使用了兩個應變儀來監測施加在 軸承上的總載荷。但是，授予Fujita等人的美國專利第5,140,849號中 的軸承組件不能提供高級VDC電子系統所需或者軋鋼工業或機床工業 中由處理機控制的系統所需的全方位數據。
授予Yoshikawa等人的美國專利第4，748，844號中公開了一種涉及 汽車工業中的栽荷檢測裝置，該裝置由固定到車輪安裝在其上的輪轂上 的多分量測力盒結構構成。所述測力盒結構附連成與車輪的輪胎一起旋 轉。但是，授予Yoshikawa等人的美國專利第US4，748，844號中公開的 該裝置不能提供指示出使高級VDC電子裝置或者其它這樣的監測裝置能夠適當發揮作用所需的所有載荷和所有轉矩的信號。特別地，該裝置 僅在與所述車輪繞其旋轉的軸相垂直的平面上使用了應力儀。因此，來 自于該裝置上的應力儀的信號不能檢測到趨于造成車輛側向滑動或者 使車輛側翻的力。
在鋼鐵生產工業中，在鋼鐵軋制過程中鋼鐵軋機利用電子處理和控 制方法來操縱與輥子相關聯的速度和載荷。具體地，軋機需要支承反饋， 所述反饋涉及輥子上皮帶打滑的指示信號或者一組特定輥子正在承受 更高的栽荷和扭矩的指示信號。
類似地，在機床工業中，可編程控制器和處理器監測和控制與多種軋 制、切割、鉆削機器的心軸相關聯的速度和載荷。計算機控制的機床監測 支撐心軸的軸承所承受的力和扭矩的量，以得出切割和鉆削工具是否已經
變鈍或者切割或鉆削力、力矩和速JLA否超出了為進行正常機加工操作所 設定的極限。
組成申請文件的一部分的附圖包括
圖1A示出的是本發明栽荷感測軸承組件的主視圖1B示出的是圖1A中的載荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖2A示出的是本發明的可選栽荷感測軸承組件的構造的主視圖2B示出的是圖2A中的栽荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖3A示出的是本發明的可選載荷感測軸承組件的構造的主視圖3B示出的是圖3A中的栽荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖4A示出的是本發明的可選載荷感測軸承組件的構造的主視圖4B示出的是圖4A中的載荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖5A示出的是本發明的可選栽荷感測軸承組件的構造的主視圖5B示出的是圖5A中的載荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖；圖6A示出的是本發明的可選載荷感測軸承組件的構造的主視圖； 圖6B示出的是圖6A中的載荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖； 圖7A示出的是本發明的可選載荷感測軸承組件的構造的主視圖； 圖7B示出的是圖7A中的栽荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖； 圖8A示出的是本發明的可選栽荷感測軸承組件的構造的主視圖； 圖8B示出的是圖8A中的栽荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖； 圖9A示出的是本發明的可選載荷感測軸承組件的構造的主視圖； 圖9B示出的是圖9A中的栽荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖； 圖10A示出的是本發明的可選栽荷感測軸承組件的構造的主視圖； 圖IOB示出的是圖IOA中的載荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖； 圖11A示出的是本發明的可選栽荷感測軸承組件的構造的主視圖； 圖IIB示出的是圖11A中的栽荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖； 圖12A示出的是本發明的可選栽荷感測軸承組件的構造的主視圖； 圖12B示出的是圖12A中的載荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖； 圖13A示出的是本發明的可選栽荷感測軸承組件的構造的主視圖； 圖13B示出的是圖13A中的栽荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖； 圖14A示出的是本發明的可選栽荷感測軸承組件的構造的主視圖； 圖14B示出的是圖14A中的載荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖； 圖15A示出的是本發明的可選栽荷感測軸承組件的構造的主視圖； 圖15B示出的是圖15A中的載荷感測軸承組件沿A-A線的剖面圖； 圖15C示出的是圖15A中的栽荷感測軸承組件沿B-B線的剖面圖。在附圖的各幅圖示中，相應的附圖標記表示的是對應的部件。
具體實施例方式
以下的詳細說明部分出于示例而非限制目的對本發明進行了闡述。 該說明部分使本領域的技術人員能夠制造和使用本發明，并且描述了本 發明的幾個實施方式、改裝形式、變化形式、可選的替代形式以及應用， 包括目前被認為是實施本發明的最好方式。
參見附圖，圖1A和1B示出的是本發明的一般的載荷感測軸承組件 100。該載荷感測軸承100 —般構造成用來支撐內圏或者錐形體(未示 出)和滾動體(未示出，但是可以是任何類型的滾動體，例如但不限于 錐形、圓柱形、球形、針形或者球面滾動體)。所述栽荷感測軸承100 包括軸承外圍或杯102和凸緣組件104，所述軸承外圍或杯102能夠采 取繞Y軸的任何方位，所述凸緣組件104用于將軸承外團或杯102附連 到應用結構106，這種附連通過與凸緣組件104上的關聯螺栓孔110緊 固在一起的合適數量的附連螺栓108來實現。示例性軸承結構是由俄亥 俄州Canton的Timken公司制造和銷售的UNIPAC型和TS型軸承組 件。本領域的技術人員可以意識到，本發明可以應用于具有緊固到應用 結構上的例如軸承外圉或杯的外部結構的多種軸承類型和構造。
凸緣組件104由內環形凸緣104A和外環形凸緣104B構成，內環形 凸緣104A和外環形凸緣104B由一組環向間隔的各向異性彈性區112 耦聯在一起，這些各向異性彈性區112設置在環形凸緣104a和104b之 間從而環形凸緣104a和104b聯接在一起。本領域的技術人員可以意識 到，內環形凸緣104a可以與軸承外圍或杯102—體成型，相應地，外 環形凸緣104b可以與應用結構106—體成型。
如圖1A所示，圖中示出了四個等間隔設置在內環形凸緣104a與外 環形凸緣104b之間的各向異性彈性區112，但是在本發明的范圍內可以 使用更多或者更少的各向異性彈性區112。設置在各向異性彈性區112 之間的間隙114便于各向異性彈性區112發生變形，同時使軸承外圏或 杯102和內環形凸緣104a能夠相對于外環形凸緣104b和應用結構106 進行有限范圍內的位移和/或旋轉。實質上，軸承外閨或杯102和內環 形凸緣104a懸置在外環形凸緣104內，因此，施加到軸承組件100上的來自于支撐在軸承外圏或杯102內的旋轉元件的力和/或力矩將致使 軸承外圍或杯102相對于外環形凸緣104b和應用結構106發生位移和/ 或旋轉。
本領域的技術人員可以意識到，所述的各向異性彈性區可以由多種 不同的形狀和材料構成，并且可以采用例如下面在多個不同的可選的替 代性實施方式中示出的多種不同配置，并且，所述的各向異性彈性區可 以包括輻板(webs )和彈性材料。正如上面所描述的，每個各向異性彈 性區的功能是使得軸承外圍或杯102和內環形凸緣104a能夠相對于外 環形凸緣104b和支撐應用結構106進行有限范圍內的位移和/或旋轉。
為了測量和監測軸承外團或杯102和內環形凸緣104a相對于外環 形凸緣104b和應用結構106的位移和/或旋轉，設置與所述間隙114相 交叉從而將內環形凸緣104a聯接到外環形凸緣104b的一組傳感器模塊 116。每個傳感器模塊116包括至少一個能夠測量位移、旋轉或者應變 的傳感器單元，使得該組傳感器模塊116能夠總體上提供表征作用力 (Fx、 FY、 Fz)和作用力矩(Mx、 Mz)的測量值。由各向異性彈性 區112提供的變形量必須足以使所述傳感器模塊116能夠檢測和測量待 測量的特定作用力和/或力矩。
傳感器模塊116也可以包括對使用所述軸承組件100的終端應用一 例如狀態監測…來說將會相當重要的溫度傳感器或者其它類型的傳感 器(例如速度傳感器或者加速計)。當在傳感器模塊116中使用溫度傳 感器以便進行熱補償時，優選地，將所述溫度傳感器布置成緊靠關聯應 變傳感器。本領域的技術人員可以意識到，用在傳感器模塊116內的傳 感器單元可以采用任何合適的應變、位移、旋轉或者溫度傳感器技術， 例如但不限于金屬箔、壓阻、MEMS、振弦式、電容式、電感應式、光 學、超聲波等傳感器技術。類似地，也可以使用本領域中公知的四分之 一橋、半橋或全橋應變傳感器。
優選地，對積累自傳感器模塊組116的信號進行分析從而生成施加 在栽荷感測軸承100上的徑向力分量(Fy和Fz)、推力分量(FY)、翻 轉力矩分量(Mx和Mj和軸承溫度(如果傳感器組116中包括有至少 一個溫度傳感器)的測量值。更具體地，傳感器模塊組116優選地提供 五個自由度F^ FY， Fz, Mx和Mz中的至少一個的測量值。溫度的測量值可以用來補償對所述傳感器模塊116內的傳感器單元所造成的公知的熱 影響，以及可以直接用作終端應用中的測量^。
在圖1A和1B中的實施方式中，各向異性彈性區112能夠采取繞軸 承組件100的Y軸的多個方位。所述的各向異性彈性區116可以是多種 傳統設計中的任何一種，用以增強軸承外圍或杯102與外環形凸緣104b 之間的運動，從而增加或減小由所述傳感器模塊組116而獲得的值。替 代地，所述的各向異性彈性區112可以設計成僅用以增強軸承外團或杯 102與外環形凸緣104b之間的特定運動，以增加或減小獲得數據所需 的特定作用力，所述數據用以確定載荷感測軸承組件IOO將會承受的力 Fx， FY, Fz或者力矩Mx， Mz的值。
本領域的技術人員可以理解的是，存在可以用來分析來自于與本發 明的軸承組件IOO相關聯的傳感器模塊組116的信號、以確定作用在載 荷傳感器軸承組件100上的力和力矩的值的多種方法。例如，采用有限 元分析方法能夠對由傳感器模塊116提供的信號進行分析并將其轉換成 三個力的分量F^ FY, Fz和兩個力矩的分量Mx， Mz中的每一個的數 值。在本領域中，其它的分析工具眾所周知，并將處在本發明的范圍之內。
校準來自于傳感器模塊116的信號。
本發明的載荷感測軸承組件100以及多個可選的替代性實施方式的 總前提是，在軸承外圍或杯102與螺栓108或者其它附連到應用結構106 上的附連點之間，相對于應用結構106支撐軸承外圏或杯102的結構包 括至少一個各向異性彈性區112。由于具有使軸承外團或杯自應用結構 106上懸置的各向異性彈性區112，施加到軸承組件100上的力和/或力 矩將致使軸承外團或杯102相對于應用結構106發生位移和/或旋轉。 相對于軸承外圏或杯102、各向異性彈性區112或者支撐結構按策略布 置的一組位移、旋轉和/或應變傳感器116對相關的軸承外圏或杯的位 移、應變和/或旋轉進行測量。來自于傳感器模塊組116的信號用來生成 所施加的徑向力、推力和翻轉力矩的測量值。
下面與圖2A至15C相關聯的說明部分描述了本發明的栽荷感測軸 承組件100的多個可選的替代性實施方式，所述多個不同的可選的替代 性實施方式結合了上述的在軸承組件100中設置各向異性彈性區112的原理，所述的各向異性彈性區112由一組傳感器模塊116監測，這些傳 感器模塊116生成可以表征所施加的徑向力、推力、翻轉力矩和/或軸承 溫度的信號。
圖2A和2B示出的是栽荷感測軸承組件100的總體標示為100a的 一個可選的替代性實施方式。四個等間隔的各向異性彈性區112圍繞支 撐軸承外團或杯102的內環形凸緣104a的外圓周設置。每個各向異性 彈性區112的中心大體位于與X軸成45度角的位置。每個各向異性彈 性區112包括大體定位成與Y軸平行的軸向梁118，該軸向梁118的一 端與內橫梁120形成為一體，內橫梁120耦聯到支撐軸承外團或杯102 的內環形凸緣104a,軸向梁118的相對端則與外橫梁122形成一體，外 橫梁122耦聯到緊固于應用結構106上的外環形凸緣104b。在每個各 向異性彈性區112中，內環形凸緣104a、內橫梁120與軸向梁118限定 出內溝槽124，而外環形凸緣104b、外橫梁122與軸向梁118則限定出 外溝槽126。所述梁和溝槽的組合使得軸承外團或杯102能夠相對于應 用結構106進行有限范圍內的位移和/或旋轉。可以使用回彈性材料(未 示出)來填充溝槽124和126。優選地，回彈性材料選擇成能夠在內環 形凸緣104a和外環形凸緣104b之間具有所需的運動范圍，并且防止有 害的材料(例如道路碎片)進入到溝槽124和126。例如，可以使用聚 氨酯材料，如果其與應用的操作參數相適應的話。
在軸承組件100a中， 一組五個的傳感器模塊116a-116e形成陣列， 其中每個傳感器模塊116搭接在內環形凸緣104a與外形環凸緣104b之 間的間隙114上。正如前面所描述的，每個傳感器模塊116包括至少一 個能夠測量位移、旋轉或應變的傳感器單元，使得該組傳感器模塊116 能夠總體上提供表征作用力(Fx、 FY、 Fz)和作用力矩(Mx、 Mz) 的測量值。
在示例性配置中，傳感器模塊116a可以包括與Z軸對準的位移傳 感器，以測量沿Z方向的位移并且提供關于作用在軸承組件100a上的 力Fz的信息。傳感器模塊116c可以包括與X軸對準的位移傳感器，以 測量沿X方向的位移并且提供關于作用在軸承組件100a上的力Fx的信 息。均配置有位移傳感器以測量沿Y軸方向的位移的傳感器模塊116b、 116d和116e中的每一個被圖示成繞Y軸以約120度間距設置，其中傳感器模塊116d與Z軸對準。位移傳感器模塊116b、 116d和116e—起 提供能夠確定力Fy和力矩Mx、 Mz的值的信號。
在可選的示例性配置中，可以除去傳感器模塊116b、 116d和116e， 由此在傳感器模塊116a和116c內集成旋轉傳感器和至少一個Y軸位移傳 感器。如果傳感器模塊116a中包含有Y軸位移傳感器，則傳感器模塊116a 將會提供沿Y方向和Z方向的位移的測量值以及繞Z軸的旋轉的測量值。 測量所得的沿Z方向的位移拔:供關于力Fz的信息，測量所得的繞Z軸的 旋轉提供關于力矩Mz的信息。傳感器模塊U6c將會依次4C供沿X方向 的位移的測量值和繞X軸的旋轉的測量值。測量所得的沿X方向的位移提 供關于力Fx的信息，測量所得的繞X軸的旋轉提供關于力矩M,的信息。 由傳感器模塊U6a中的Y軸位移傳感器沿Y方向測量而得的位移能夠與 測量所得的繞X軸的旋轉組合在一起從而提供力Fy的測量值。
圖3A和3B示出的是載荷感測軸承組件100的總體標示為100b的 類似的可選實施方式。由總共三個圍繞支撐軸承外團或杯102的內環形 凸緣104a的外圓周等間隔設置的各向異性彈性區112來代替四個各向 異性彈性區112。每個各向異性彈性區112包括大體定位成與Y軸平行 的軸向梁118，該軸向梁118的一端與內橫梁120形成為一體，內橫梁 120耦聯到支撐軸承外團或杯102的內環形凸緣104a，而軸向梁118的 相對端則與外橫梁122形成為一體，外橫梁122耦聯到緊固于應用結構 106上的外環形凸緣104b。在每個各向異性彈性區112中，內環形凸緣 104a、內橫梁120與軸向梁118限定出內溝槽124,而外環形凸緣104b、 外橫梁122與軸向梁118則限定出外溝槽126。所述梁和溝槽的組合使 得軸承外團或杯102能夠相對于應用結構106進行有限范圍內的位移和 /或旋轉。可以使用回彈性材料(未示出)來填充溝槽124和126。優選 地，回彈性材料選擇成能夠在內環形凸緣104a和外環形凸緣104b之間 具有所需的運動范圍，并且防止有害的材料(例如道路碎片)進入到溝 槽124和126。例如，可以使用聚氨酯材料，如果其與應用的操作參數 相適應的話。
在軸承組件100b中， 一組五個的傳感器模塊116a-116e形成陣列， 其中每個傳感器模塊116搭接在內環形凸緣104a與外環形凸緣104b之 間的間隙114上。正如前面所描述的，每個傳感器模塊116包括至少一個能夠測量位移、旋轉或應變的傳感器單元，使得該組傳感器模塊116 能夠總體上提供表征作用力(Fx、 FY、 Fz)和作用力矩(Mx、 Mz) 的測量值。
在示例形配置中，傳感器模塊116c可以包括與Z軸對準的位移傳 感器，以測量沿Z方向的位移，并且提供關于作用在軸承組件100b上 的力Fz的信息。傳感器模塊116b可以包括與X軸對準的位移傳感器， 以測量沿X方向的位移，并且提供關于作用在軸承組件100b上的力Fx 的信息。均配置有位移傳感器以測量沿Y軸方向的位移的傳感器模塊 116a、 116d和116e中的每一個被圖示成繞Y軸以約120度間距i殳置。 位移傳感器模塊116a、 116d和116e —起提供能夠確定力Fy和力矩Mx 、 Mz的值的信號。
在可選的示例性配置中，可以除去傳感器模塊116a、 116d和116e，由 此在傳感器模塊116b和116c內集成旋轉傳感器和至少一個Y軸位移傳感 器.如果傳感器模塊116c中包含有Y軸位移傳感器，則傳感器模塊116c 將會提供沿Y方向和Z方向的位移的測量值以及繞Z軸的旋轉的測量值。 測量所得的沿Z方向的位移提供關于力Fz的信息，測量所得的繞Z軸的 旋轉提供關于力矩Mz的信息。傳感器模塊116b將會依次提供沿X方向 的位移的測量值和繞X軸的旋轉的測量值。測量所得的沿X方向的位移提 供關于力F,的信息，測量所得的繞X軸的旋轉提供關于力矩Mx的信息。 由傳感器模塊116c中的Y軸位移傳感器沿Y方向測量而得的位移能夠與 測量所得的繞X軸的旋轉組合在一起而提供力Fy的測量伍。
圖4A和4B示出的是本發明的栽荷感測軸承組件100的總體標示為 100c的可選實施方式，其中，外環形凸緣104b通過緊固在螺栓孔110 內的螺栓108而緊固到應用結構106上。在該實施方式中，各向異性彈 性區112與圖2A和2B中示出的各向異性彈性區相同，但是傳感器模 塊116的布置、類型和數量卻不相同。更具體地，在第一變型中，傳感 器模塊116的陣列包括兩個與軸承外團或杯102和環形凸緣104a、104b 的Z軸對準的位移和旋轉傳感器116a、 116b以及兩個與軸承外團或杯 102和環形凸緣104a、 104b的X軸對準的位移和旋轉傳感器116c、 116d, 其中每個傳感器模塊116搭接在內環形凸緣104a與外環形凸緣104b之 間的間隙114上。任選地，在第二變型中，以116a'、 116b'、 116c，和116d，標示的四個 位移和旋轉傳感器模塊116可以替代性地設置在四個各向異性區112的 每一個的徑向中心線上，以搭接在軸向梁118與外環形凸緣104b之間 的外溝槽126上。來自于傳感器模塊116a'-116d，的信號用來計算作用在 載荷感測軸承組件100c上的三個力Fx、 FY、 Fz和兩個力矩Mx、 Mz的 值。任選地，在第三變型中，以116a"、 116b"、 116c，，和116d"標示的 每一個均包括至少一個應變傳感器的四個傳感器模塊116可以替代性地 設置在四個各向異性彈性區112的每一個的徑向中心線上，并設置成位 于跨越由內環形凸緣104a和軸向梁118限定的內溝槽124的內橫梁120 上。來自于傳感器模塊116a"-116d，，的信號用來計算作用在栽荷感測軸 承組件100c上的三個力Fx、 FY、 Fz和兩個力矩Mx、 Mz的值。本領域 的技術人員可以容易地意識到，可以使用傳感器模塊116的其它組合來提 供作用在載荷感測軸承組件100c上的三個力Fx、 FY、 Fz和兩個力矩 Mx、 Mz的測量值。本領域的技術人員將會容易地意識到，文中所描述的載荷感測軸承 組件100的多個不同實施方式中的外環形凸緣104b可以和與栽荷感測 軸承組件IOO相關聯的應用結構106—體成型，從而可以省去螺栓108 和螺栓孔IIO。例如，如圖5A和5B所示，除了應用結構106與外環形 凸緣104b—體成型以及應用結構106限定外環形凸緣104b之外，圖中 示出的栽荷感測軸承組件100d與圖4A和4B中示出的載荷感測軸承組 件100c基本相同。應用結構106的具體形狀和構造將會變化，取決于 使用所述栽荷感測軸承組件100d的特定應用場合。圖6A和6B示出的是本發明的栽荷感測軸承組件100的總體標示為 100e的可選實施方式，其中使用了各向異性彈性區112的可選的替代性 類型以及傳感器模塊116的可選的替代性陣列。在該實施方式中，各向 異性彈性區112包括四個等距間隔開的連接構件128，所述連接構件128 將軸承外團或杯102和內環形凸緣104a耦聯到栽荷感測軸承100e的外 環形凸緣104b上。連接構件128中的每一個均包括耦聯到外環形凸緣 104b上的外徑向輻條130、兩個耦聯到內環形凸緣104a上的內徑向輻 條132以及聯接外徑向輻條130和內徑向輻條132的連接元件134。由內環形凸緣104a與每個連接構件128的兩個內徑向輻條132和連接元 件134限定出被包圍的溝槽136。用于載荷感測軸承100e的傳感器模塊116的陣列優選地包括兩個布 置在Z軸上且位于內環形凸緣104a與外環形凸緣104b之間的間隙114 上方的位移傳感器模塊138a和138c以及包括兩個布置在X軸上且位于 內環形凸緣104a與外環形凸緣104b之間的間隙114上方的位移傳感器 模塊138b和138d。正如前面所描述的，該組傳感器模塊116總體上提 供表征作用力(Fx、 FY、 Fz)和作用力矩(Mx和Mz)的測量值。圖7A和7B示出的是如圖6A和6B所示的載荷感測軸承組件100e 的實施方式的變型，其中，突部142從外環形凸緣104a沿徑向向內延 伸且位于每個各向異性彈性區112之間。每個突部142設置有用于傳感 器模塊陣列116中的位移傳感器138的附連點，從而減小了每個位移傳 感器138跨越其而設置的間隙114的寬度。在圖6A-7B示出的實施方式的第一變型中，傳感器模塊116的陣列 包括設置在連接構件128的徑向中心線上的四個位移傳感器模塊138a'、 138b，、 138c，和138d，，這些傳感器模塊位于內環形凸緣104a與連接元 件134之間且跨越被包圍的溝槽136。正如前面所描述的，該組傳感器 模塊116總體上提供表征作用力(Fx、 FY、 Fz)和作用力矩(Mx和 Mz)的測量值。在圖6A-7B示出的實施方式的第二變型中，傳感器模塊116的陣列 包括八個設置在連接構件128的連接元件134上且位于外徑向輻條130 相對側的應變傳感器模塊140a至140h。正如前面所描述的，該組傳感 器模塊116總體上提供表征作用力(Fx、 FY、 Fz)和作用力矩(Mx和 Mz)的測量值。圖8A和8B中以100g示出的是如圖7A和7B所示的載荷感測軸承 組件100f的實施方式的變型，其中，省掉了所述突部142中的其一并 且改變了傳感器模塊116的陣列。單個傳感器模塊116a沿徑向與Z軸 對準并位于內環形凸緣104a與突部142之間且跨越間隙114，，而第二 傳感器模塊116b則沿徑向與X軸對準并位于內環形凸緣104a與第二突 部142之間且跨越間隙114。在載荷感測軸承組件100g的X軸上，速度傳感器模塊144耦聯到內環形凸緣104a和軸承外團或杯102上且與 第二傳感器模塊U6b相對。該可選的替代性布置方式以及與傳感器模 塊116a、 116b和144的布置方式相配的各向異性彈性區112的類型提 供了一組傳感器信號，這些傳感器信號能夠用來計算作用在軸承外團或 杯102上的三個力Fx、 FY、 Fz和兩個力矩Mx、 Mz以及軸承外團或杯 的旋轉速度的值。圖9A和9B示出的是本發明的載荷感測軸承組件100的總體標示為 IO他的可選實施方式，其中，每個各向異性彈性區112包括單個徑向輻條 146，該徑向輻條146將內環形凸緣104a和軸承外團或杯102耦聯到外環 形凸緣104b和應用結構106上。每個輻條146繞載荷感測軸承組件IO他 的Y軸等距設置，如圖中示出四個輻條146的圖9A所示。所述輻條能夠凸緣104a和軸承外團或杯102能夠相對于外環形凸緣104b和應用結構106 進行有限范圍內的位移和旋轉。傳感器模塊組116包括沿徑向與Z軸對準并位于內環形凸緣104a 與突部142之間JLi^越間隙114的第一傳感器模塊116a;沿徑向與X軸對 準并位于內環形凸緣104a與第二突部142之間且跨越間隙114的第二 傳感器模塊116b;以及沿徑向與Z軸對準并位于內環形凸緣104a與突部 142之間JJ^越間隙114的、與第一傳感器模塊116a相對的第三傳感器模 塊116c。在載荷感測軸承組件100h的X軸上，速度傳感器模塊144耦 聯到內環形凸緣104a和軸承外圍或杯102上且與第二傳感器模塊116b 相對。該可選的替代性布置方式以及與傳感器模塊116a、 116b、 116c 和144的布置方式相配的各向異性彈性區112的類型提供了一組傳感器 信號，這些傳感器信號能夠用來計算作用在軸承外團或杯102上的三個 力Fx、 FY、 Fz和兩個力矩lV^、 Mz以及軸承外團或杯的旋轉速度的值。圖IOA和IOB示出的是如圖9A和9B所示的實施方式的變型，其中， 速度傳感器模塊144由沿徑向與X軸對準并位于內環形凸緣104a與第二 突部142之間且跨越間隙114的、與第二傳感器模塊116b相對的第四 傳感器模塊116所代替。此外，在每個輻條146的結構中，形成有跨過 輻條146的一面的寬度的第一溝槽148，并且形成有跨過輻條146的另 一面的寬度的第二溝槽150，第二溝槽150沿徑向自第一溝槽148向外移位。在輻條146的結構中，第一和第二溝槽148、 150限定出一個S 形的區域。該結構能夠以與前面所述的相類似的各向異性彈性區結構大致 相同的方式使內環形凸緣104a和軸承外團或杯102能夠相對于外環形凸緣 104b和應用結構106進行有限范圍內的位移和旋轉。傳感器模塊U6a、 116b、 116c和116d的這種可選的替代性結構和布置方式提供了一組傳感 器信號，這些傳感器信號能夠用來計算作用在軸承外團或杯102上的三 個力Fx、 FY、 Fz和兩個力矩Mx、 Mz的值。圖11A和11B示出的是本發明的栽荷感測軸承組件100的總體標示為 100j的可選實施方式，其中，在具有內環形凸緣104a的軸承外團或杯102 與附連到應用結構106上的外環形凸緣104b之間設置有環形各向異性彈 性區152。該環形各向異性彈性區152包括一組四個的沿軸向排列的等距 設置的狹槽154a-154d,這些狹槽154a-154b以與Y軸平行的方式穿過凸 緣組件104。狹槽154a和154c與載荷感測軸承100j的Z軸垂直，而狹槽 154b和154d則與載荷感測軸承100j的X軸垂直。i個狹槽154a-154d填 充有柔軟的或者彈性填充物156。量值，繞環形各向異性彈性區152設置一組傳感器模塊116，其中在每個 狹槽154a-154d中居中設置有至少一個傳感器模塊116。每個所述傳感器 模塊116可以各自包括至少一個位移和/或旋轉傳感器，或者可以包括應變 傳感器,從而足以提供用來計算作用在軸承外團或杯102上的三個力Fx、 FY、 Fz和兩個力矩M^ Mz的值的信號。圖12A和12B示出的是本發明的栽荷感測軸承組件100的總體標示為 100k的可選實施方式，其中，凸緣組件104不是環形的，而是替代性地包 括四個等距間隔開的邊緣凸出部系列158,這些成系列的邊緣凸出部158 自軸承外圍或杯102沿徑向向外延伸并且限定了各向異性彈性區112。載 荷感測軸承組件100k通過使每個邊緣凸出部158容置在應用結構中的容 納凹口 160內而緊固到應用結構106上。螺栓108穿過位于搭置的固定夾 板162上的螺栓孔110并且與應用結構106耦聯。為了測量作用在栽荷感測軸承組件100k上的力和力矩，每個邊緣凸出 部158設置有狹槽164，在狹槽164內設置有傳感器模塊116。每個傳感器 模塊116可以各自包括至少一個位移和/或旋轉傳感器，或者可以包括應變傳感器，從而足以提供用來計算作用在軸承外圏或杯102上的三個力Fx、 FY、 Fz和兩個力矩M^ Mz的值的信號。圖13A和13B示出的是本發明的載荷感測軸承組件100的總體標示為 IOOI的可選實施方式，其中，軸承外團或杯102—般與凸緣組件104—體 成型。所述凸緣組件104的形狀基本呈矩形，具有截平的角部166和向內 偏移的側部168。鄰近凸緣組件104的截平角部166的螺栓孔110容納螺 栓108,以〗更將載荷感測軸承組件1001附連到應用結構106。從圖13B中可以最清楚地看出，載荷感測軸承組件1001容納在應用結 構106內的電K寸開口 170中。載荷感測軸承組件1001與應用結構106之 間的空隙可以用柔軟的彈性材料172來填充以達到密封目的。螺栓孔110彈性區112.為了測量作用在栽荷感測軸承組件1001上的力和力矩，在凸 緣組件104的每個偏移側部168與應用結構106之間設置有一組傳感器模 塊116。每個傳感器模塊116可以各自包括至少一個位移和/或旋轉傳感器， 或者可以包括應變傳感器，從而足以提供用來計算作用在軸承外團或杯 102上的三個力F^ FY、 Fz和兩個力矩Mx、 Mz的值的信號。圖14A和14B示出的是本發明的載荷感測軸承組件100的總體標示為 100m的可選實施方式，其中，各向異性彈性區112基本上由四個等距間 隔開的徑向安裝柱174形成，這些安裝柱174自軸承外圍或杯102凸出。 四個安裝柱174具有大體呈矩形的截面，從而限定出四個側表面176，這 些安裝柱174包括穿過軸向突出表面178的螺栓孔110，所述螺栓孔110 用于容納螺栓108以將軸承組件100m緊固到應用結構106。為了測量作 用在載荷感測軸承組件100m上的力和力矩，在位于軸承外團或杯102與 應用結構106之間的安裝柱174中的至少一個的側表面176上設置有一組 傳感器模塊U6。該組傳感器模塊116包括足夠數量的位移和/或應變傳感 器，所述位移和/或應變傳感器設置成提供用來計算作用在軸承外圍或杯 102上的三個力Fx、 FY、 Fz和兩個力矩Mx、 Mz的值的信號。圖15A至15C示出的是本發明的載荷感測軸承組件100的總體標示為 100n的可選實施方式，其中，凸緣組件104采用環形構件180的形式，所 述環形構件180與軸承外圏或杯102 —體成型并且經由穿過螺栓孔110的 螺栓108而耦聯到應用結構106上。載荷感測軸承組件100n可以包括裝配到位于軸承外團或杯102與應用結構106之間的環形空間內的彈性材料 環172以達到密封目的。各向異性彈性區112使得軸承外團或杯102能夠 相對于應用結構106進行有限范圍內的位移和旋轉。栽荷感測軸承組件 lOOn中的每個各向異性彈性區112各自由一組等距間隔開的穿過環形構件 180的狹槽182限定，這些狹槽182以距離載荷感測軸承組件100n的Y 軸相同的直徑沿徑向設置在軸承外團或杯102與螺栓孔110之間。為了測量作用在軸承組件100n上的力和力矩，在各向異性彈性區112 中設置有一組傳感器模塊116，該組傳感器模塊116包括多個位移傳感器 模塊138和/或多個應變傳感器模塊140。每個位移傳感器模塊138設置成 跨過每個狹槽182的徑向中心線且位于環形構件180的前端面上。參照圖 15A且從圖15C中可以最清楚地看出，在環形構件180的后端面上，應變 傳感器模塊140設置在每個螺栓孔110的每一側，并且設置成大致與相鄰 的狹槽182的每一端對準且與螺栓孔110位于相同的圓周上。該可選的替 代性布置方式以及各向異性彈性區112的類型，再加上與傳感器模塊組 116,提供了一組傳感器信號，這些傳感器信號能夠用來計算作用在軸 承外團或杯102上的三個力Fx、 FY、 Fz和兩個力矩M^ Mz的值。可以理解的是，雖然在圖1A至圖15C中示出的載荷感測軸承組件100 的多個不同實施方式是在繞Y軸的圓周方向上的每隔90度的循環對稱， 但是其它的循環對稱也是可行的，例如但不限于120度(即繞著圓周的三 循環對稱)、60度(即繞著圓周的六循環對稱)和45度(即繞著圓周的八 循環對稱)。此外，還可以理解的是，雖然在文中示出的多個不同的示例 性實施方式中的軸承外團或杯102和凸緣組件104 —般是與載荷感測軸承 組件100安裝在其上的應用結構106分開的部件，但是在本發明的范圍內， 軸承外圏或杯102、各向異性彈性區112、 152以及凸緣組件104也可以與 應用結構106 —體成型。本領域的技術人員可以明白，多個不同的例示實施方式的傳感器模塊 組中的每個單獨的傳感器模塊116可以包含用以檢測多種類型的信息的單 個傳感器單元或者多個傳感器單元，包括但不限于提供用以確定作用在載 荷感測軸承組件100上的力Fx、 FY、 Fz和力矩M^ Mz中的至少一個的 足夠信息所需的應變、位移、旋轉或者溫度傳感器單元。在所有的實施方 式中，包括在傳感器模塊組中的傳感器單元可以任選地用來監測用于進行狀態監測的振動和溫度。任選地，在傳感器模塊組116中可以包括一個或 多個溫度傳感器單元，優選地緊靠著應變、位移或者其它傳感器單元，以 提供用以對應變、位移或者其它傳感器單元上的熱影響進行補償的溫度信 息。本領域的技術人員可以意識到，在本發明的范圍內，可以采用任何應 變、位移、旋轉或者溫度傳感器技術，以獲得所需測量值。舉例說明，在 本發明的范圍內，合適的且可以使用的應變傳感器例如但不限于電阻式 傳感器、光學傳感器、電容式傳感器、電感應式傳感器、壓P且傳感器、磁 致伸縮傳感器、MEMS傳感器、振弦式傳感器、壓電傳感器和聲敏傳感 器。類似地，可以使用本領域中眾所周知的四分之一橋、半橋或全橋應 變傳感器。在本發明的多個不同實施方式中例示的傳感器模塊的特定位置可 作一定程度的調整。由于用來將傳感器信號轉化成三個力、兩個力矩、 任選的溫度信號和/或任選的速度信號的信號處理軟件的可調整特性， 傳感器模塊的放置位置的微小的調整或未對準情形可以通過調整分析 軟件中的參數來進行補償。在上述的每個實施方式中，X軸、Y軸和Z軸已經相對于載荷感測 軸承組件100的縱軸加以標識。這些軸用于描述栽荷感測軸承組件的實 施方式，并不是對本發明的任何特定方位作出規定和要求。也就是說， 例如，栽荷感測軸承組件100的軸向中心線可以沿任何方向，只要各向 異性彈性區、傳感器模塊、凸緣組件和軸承外團或杯之間的大體關系維 持在上述的每個實施方式中所描述的關系。通過上面的描述，可以看到本發明的多個目的已經達到，并且也獲得 了其它的有利結果。由于在不脫離本發明的范圍的情況下能夠對上述構造 進行各種改變，因此包含在上述描述部分中或者示出在附圖中的所有內容 均應當理解為出于解釋目的而非出于限制目的。
權利要求
1.一種用于附連到應用結構上的載荷感測軸承組件，包括軸承外圈；支撐結構，所述支撐結構構造成將所述軸承外圈緊固到所述應用結構上，所述支撐結構包括至少一個各向異性彈性區，所述各向異性彈性區構造成使得所述軸承外圈與所述應用結構之間能夠進行有限范圍內的運動；一組設置在所述支撐結構上的傳感器模塊，所述傳感器模塊組構造成響應于施加到所述軸承外圈上的力和力矩生成一組信號。
2. 根據權利要求l所述的栽荷感測軸承組件，其中，所述傳感器 模塊組構造成響應于施加到所述軸承外閨上的徑向力生成一組信號。
3. 根據權利要求l所述的載荷感測軸承組件，其中，所述傳感器 模塊組構造成響應于施加到所述軸承外圉上的推力生成一組信號。
4. 根據權利要求l所述的載荷感測軸承組件，其中，所述傳感器 模塊組構造成響應于施加到所述軸承外圏上的翻轉力矩生成一組信號。
5. 根據權利要求l所述的栽荷感測軸承組件，其中，所述傳感器 模塊組包括至少一個選自包括有位移傳感器、應變傳感器和旋轉傳感器 的傳感器組中的傳感器模塊。
6. 根據權利要求5所述的載荷感測軸承組件，其中，所述傳感器 模塊組進一步包括至少一個選自包括有溫度傳感器、速度傳感器、加速 計和振動傳感器的傳感器組中的傳感器模塊。
7. 根據權利要求l所述的載荷感測軸承組件，其中，所述傳感器 模塊組包括至少一個傳感器模塊，該傳感器模塊選自包括有機械傳感 器、光學傳感器、電光傳感器、光纖傳感器、電容式傳感器、電感應式 傳感器、電阻式傳感器、壓阻傳感器、微電子機械系統(MEMS)傳感 器、振弦式傳感器、超聲波傳感器、磁性傳感器、磁致伸縮傳感器、共 振傳感器、隨道傳感器、原子力傳感器或者半導體傳感器的傳感器組。
8. 根據權利要求l所述的載荷感測軸承組件，其中，所述傳感器 模塊組包括至少一個選自包括有四分之一橋傳感器、半橋傳感器或者全 橋傳感器的傳感器組的傳感器模塊。
9. 根據權利要求l所述的載荷感測軸承組件，其中，所述傳感器 模塊組中的至少一個傳感器模塊設置在所述支撐結構內。
10. 根據權利要求l所述的栽荷感測軸承組件，其中，所述傳感器 模塊組中的至少一個傳感器模塊設置在所述支撐結構的外表面上。
11. 根據權利要求1所述的栽荷感測軸承組件，其中，所述傳感器 模塊組中的至少一個傳感器模塊設置成與所述支撐結構中的間隙相交 叉。
12. 根據權利要求l所述的載荷感測軸承組件，其中，所述支撐結 構與所述應用結構 一體成型。
13. 根據權利要求l所述的栽荷感測軸承組件，其中，所述軸承外 圏與所述支撐結構一體成型。
14. 根據權利要求l所述的載荷感測軸承組件，其中，所述支撐結 構進一步包括多個繞著所述軸承外圏的縱軸等距間隔開的各向異性彈 性區。
15. 根據權利要求l所述的栽荷感測軸承組件，其中，所述至少一 個各向異性彈性區構造成使得所述軸承外圍與所述應用結構之間能夠 進行有限范圍內的徑向位移。
16. 根據權利要求l所述的載荷感測軸承組件，其中，所述至少一 個各向異性彈性區構造成使得所述軸承外圉與所述應用結構之間能夠 進行有限范圍內的軸向位移。
17. 根據權利要求l所述的載荷感測軸承組件，其中，所述至少一 個各向異性彈性區構造成使得所述軸承外團與所述應用結構之間能夠進行有限范圍內的旋轉。
18. —種用于附連到應用結構上的載荷感測軸承組件，包括 軸承外團；凸緣組件，所述凸緣組件構造成將所述軸承外團緊固到所述應用結 構上，所述凸緣組件包括內環形凸緣和外環形凸緣，所述內環形凸緣與 所述外環形凸緣以間隙分開；至少一個各向異性彈性區，其將所述內環形凸緣耦聯到所述外環形凸緣且與所述間隙相交叉，所述至少一個各向異性彈性區構造成使得所 述軸承外圏與所述應用結構之間能夠進行有限范圍內的運動；一組設置在所述凸緣組件上的傳感器模塊，所述傳感器模塊組構造 成響應于施加到所述軸承外團上的力和力矩生成一組信號。
19. 根據權利要求18所述的栽荷感測軸承組件，其中，至少一個 傳感器模塊設置成與所述間隙相交叉。
20. 根據權利要求18所述的載荷感測軸承組件，其中，所述至少 一個各向異性彈性區包括軸向梁；將所述內環形凸緣耦聯到所述軸向梁的第一縱向端部上的內橫梁； 將所述外環形凸緣耦聯到所述軸向梁的與所述笫 一縱向端部相對 的第二縱向端部上的外橫梁；其中，所述軸向梁、內橫梁和內環形凸緣限定出內溝槽； 其中，所述軸向梁、外橫梁和外環形凸緣限定出外溝槽。
21. 根據權利要求20所述的載荷感測軸承組件，其中，至少一個 傳感器模塊設置在所述內橫梁的表面上且大致與所述內橫梁的徑向中 心線對準。
22. 根據權利要求20所述的栽荷感測軸承組件，其中，至少一個 傳感器模塊設置成與所述外溝槽相交叉且大致與所述外溝槽的徑向中 心線對準。
23. 根據權利要求18所述的載荷感測軸承組件，其中，所述至少一個各向異性彈性區包括 連接元件；一對將所述連接元件的相對端耦聯到所述內環形凸緣上的內徑向 輻條；將所述連接元件耦聯到所述外環形凸緣上的外徑向輻條，所述外徑 向輻條與所述連接元件的徑向中心線對準；其中，所述一對內徑向輻條、所述連接元件和所述內環形凸緣限定 出被包圍的溝槽。
24. 根據權利要求23所述的栽荷感測軸承組件，其中，所述至少 一個傳感器模塊是設置成與所述被包圍的溝槽相交叉且位于徑向中心 線上、同時位于所述連接元件與所述內環形凸緣之間的位移傳感器。
25. 根據權利要求23所述的載荷感測軸承組件，其中，所述傳感 器模塊組包括至少 一對應變傳感器模塊，所述一對應變傳感器模塊設置 在位于每個所述內徑向輻條與所述外徑向輻條之間的連接元件的表面 上。
26. 根據權利要求23所述的載荷感測軸承組件，其中，所述傳感 器模塊組包括至少 一個以可操作方式耦聯到所述軸承外圏的速度傳感 器模塊。
27. 根據權利要求18所述的栽荷感測軸承組件，其中，所述至少 一個各向異性彈性區包括將所述內環形凸緣耦聯到所述外環形凸緣上的徑向輻條，所述徑向輻條包括跨過所述徑向輻條的第一端面的寬度的 第一溝槽和跨過所述徑向輻條的與所述第一端面相反的第二端面的寬度的笫二溝槽，所述第一溝槽鄰近所述內環形凸緣，而所述第二溝槽則 自所述第一溝槽沿徑向向外設置。
28. 根據權利要求23所述的栽荷感測軸承組件，其中，所述傳感器 模塊組包括至少 一個以可操作方式耦聯到所述軸承外圏的速度傳感器 模塊。
29. —種用于附連到應用結構上的載荷感測軸承組件，包括:軸承外圏；支撐結構，所述支撐結構構造成將所述軸承外團緊固到所述應用結 構上，所述支撐結構包括環形的各向異性彈性區，所述環形的各向異性 彈性區包括多個與所述軸承外圏的縱軸平行的狹槽，所述狹槽構造成使 得所述軸承外圏與所述應用結構之間能夠進行有限范圍內的運動；以及一組設置在所述狹槽內的傳感器模塊，所述傳感器模塊組構造成響 應于施加到所述軸承外團上的力和力矩生成一組信號。
30. 根據權利要求29所述的栽荷感測軸承組件，進一步包括位于所 述狹槽內的彈性填充材料。
31. —種用于附連到應用結構上的載荷感測軸承組件，包括 軸承外團；多個邊緣凸出部，所述多個邊緣凸出部繞所述軸承外團的圓周等距 間隔開并且構造成將所述軸承外圉緊固到所述應用結構上，每個所述邊 緣凸出部分別包括與所述邊緣凸出部的徑向中心線對準的狹槽，以使得 所述軸承外圉與所述應用結構之間能夠進行有限范圍內的運動；以及一組設置在所述狹槽內的傳感器模塊，所述傳感器模塊組構造成響 應于施加到所述軸承外團上的力和力矩生成一組信號。
32. —種用于附連到應用結構上的栽荷感測軸承組件，包括 軸承外圏；矩形支撐結構，所述矩形支撐結構構造成將所述軸承外團緊固在所 述應用結構上的超尺寸開口內，所述矩形支撐結構包括偏移的側部；以 及一組耦聯在每個所述偏移側部與所述應用結構之間的傳感器模塊， 所述傳感器模塊組構造成響應于施加到所述軸承外團上的力和力矩生 成一組信號。
33. 根據權利要求32所述的載荷感測軸承組件，其中，彈性材料設 置在所il^C寸開口內且位于所述應用結構與所述軸承外團之間。
34. —種用于附連到應用結構上的載荷感測軸承組件，包括 軸承外圍；多個安裝柱，所述多個安裝柱繞所述軸承外圏的圓周等距間隔開并 且構造成將所述軸承外圍緊固到所述應用結構上，每個所述安裝柱分別 包括用于與所述應用結構接觸的軸向突出表面，從而使得所述軸承外閨與所述應用結構之間能夠進行有限范圍內的運動；以及一組設置在所述多個安裝柱的至少一個的側表面上的傳感器模塊， 所述傳感器模塊組構造成響應于施加到所述軸承外團上的力和力矩生 成一組信號。
35. —種用于附連到應用結構上的載荷感測軸承組件，包括 軸承外團；環形支撐結構，所述環形支撐結構構造成將所述軸承外圍緊固到所 述應用結構上，所述支撐結構包括多個限定出至少一個各向異性彈性區 的狹槽，所述各向異性彈性區構造成使得所述軸承外圍與所述應用結構 之間能夠進行有限范圍內的運動；一組設置在所述環形支撐結構上的傳感器模塊，所述傳感器模塊組 構造成響應于施加到所述軸承外團上的力和力矩生成一組信號。
36. 根據權利要求35所述的栽荷感測軸承組件，其中，所述傳感器 模塊組包括一組位移傳感器模塊和一組應變傳感器模塊；每個所述位移傳感器模塊設置成與所述多個狹槽中的一個狹槽的徑 向中心線相交叉；以及每個所述應變傳感器模塊i殳置成鄰近位于所述環形支撐結構與所述 應用結構之間的附連點。
全文摘要
一種載荷感測軸承組件100，包括通過凸緣組件104而緊固到應用結構106上的軸承外圈或杯102，凸緣組件104結合有多個各向異性彈性區112，所述各向異性彈性區112能夠響應于作用力或力矩而使軸承外圈或杯102能夠相對于應用結構106進行有限范圍內的位移和/或旋轉。設置在軸承外圈或杯102和凸緣組件104之中的一組傳感器模塊116可獲得測量值，根據所述測量值能夠確定出施加在軸承外圈或杯102上的徑向力、推力和翻轉力矩。
文檔編號F16C19/52GK101292090SQ200680037421
公開日2008年10月22日 申請日期2006年9月6日 優先權日2005年9月6日
發明者格拉哈姆·麥克迪爾蒙 申請人:蒂姆肯公司