用于滾動(dòng)軸承的載荷確定系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明開始于載荷確定系統(tǒng)，所述載荷確定系統(tǒng)在車輪的輪轂單元中包括具有傳感器功能的滾動(dòng)軸承。軸承包括作為內(nèi)圈的第一圈和作為外圈的第二圈，其中，第一和第二圈中的任何一個(gè)可以是內(nèi)圈，另外一個(gè)圈可以是外圈。所述系統(tǒng)包括連接到第一圈的至少一個(gè)磁傳感器(16)，用于與附著在第二圈的目標(biāo)輪進(jìn)行交互。此外，所述系統(tǒng)包括信號(hào)處理單元(26)，被配置為接收所述至少一個(gè)磁傳感器的磁傳感器輸出，其中信號(hào)處理單元被配置為基于磁傳感器輸出的振幅至少確定作用于軸承上的軸向力。提出目標(biāo)環(huán)(14)的齒距波長等于或小于4毫米。
【專利說明】
用于滾動(dòng)軸承的載荷確定系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用于滾動(dòng)軸承的載荷確定系統(tǒng)及用于確定滾動(dòng)軸承上的載荷的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]滾動(dòng)軸承是精密制造的部件，滾動(dòng)軸承的剛度在多個(gè)方向上是可預(yù)測的，如此，軸承的內(nèi)圈相對(duì)于外圈的移動(dòng)可被預(yù)測為載荷、溫度和光熱參數(shù)的函數(shù)。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中已知采用非接觸傳感器(諸如磁傳感器)的方法，例如，在JP2008215977A文件中所公開的方法。
[0004]在這項(xiàng)技術(shù)中，傳感器系統(tǒng)對(duì)采用傳感器信號(hào)的頻率來確定防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(Ant1-lock Braking System)的輪轉(zhuǎn)速(wheel speed)或防滑控制(slip control)的方式進(jìn)行優(yōu)化，這種傳感器系統(tǒng)被用于另外確定作用在軸承上的載荷。為這個(gè)目的，由磁傳感器獲得的信號(hào)的振幅被讀出。作用在磁傳感器和角目標(biāo)環(huán)之間的磁場的振幅取決于這些元件之間的軸向距離，并且所述振幅被用于確定環(huán)的相對(duì)軸向位置。
[0005]商業(yè)上具有傳感器軸承的可用輪轂單元對(duì)在大約8毫米或以上的目標(biāo)環(huán)上或目標(biāo)環(huán)內(nèi)的輪轉(zhuǎn)速檢測和磁活動(dòng)模式的周期進(jìn)行優(yōu)化。所述周期也將在下文中被稱為“波長(wavelength)”。對(duì)于270毫米或更大的通用直徑，這個(gè)齒距(pitch)導(dǎo)致足夠大的角分辨率，同時(shí)確保足夠高的信噪比和整齊的可探測脈沖。相對(duì)較大的波長確保在任意載荷的情況下，在軸承的彈性運(yùn)動(dòng)內(nèi)具有良好的信噪比，但無法準(zhǔn)確感測載荷，這是因?yàn)檩d荷隨磁環(huán)和磁傳感器之間的位移變化相對(duì)較小。波長越小，隨距離的改變?cè)矫黠@。
[0006]當(dāng)使用例如在JP2008-215977A中公開的用于載荷檢測的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)輪時(shí)，描述信號(hào)振幅與距離的依賴關(guān)系的特征函數(shù)具有很小的斜率(shallow slope)，如此，在距離檢測過程中，分辨率(resolut1n)較低。其理由顯而易的是，由于為了輪轉(zhuǎn)速檢測對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳感輪進(jìn)行了優(yōu)化，所以信號(hào)應(yīng)該會(huì)盡可能不受距離變化的影響。
[0007]另一方面，申請(qǐng)PCT/EP2010/00345公開了一種利用附著在軸承的內(nèi)圈或外圈的形變片(strain gauges)來測量軸承的彈性變形的方法。局部變形是相對(duì)于基線的負(fù)載變化的度量標(biāo)準(zhǔn)。然而，基線取決于由摩擦熱引起的溫度和熱梯度，如此，通常不可能從絕對(duì)形變得到絕對(duì)載荷。
[0008]因此，兩種方法都令人不滿意。位移傳感器方法無法考慮到局部形變或熱膨脹效應(yīng)的影響，而使用形變片的傳統(tǒng)方法在確定載荷的絕對(duì)值方面有問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提出了上述問題的解決方案并從在車輪的輪轂單元中包括具有傳感器功能的滾動(dòng)軸承的載荷確定系統(tǒng)開始。所述軸承包括作為內(nèi)圈的第一圈和作為外圈的第二圈，其中，第一圈和第二圈中的任何一個(gè)圈可以是內(nèi)圈，另外一個(gè)圈可以是外圈。所述系統(tǒng)包括依附到第一圈的至少一個(gè)磁傳感器，用于與附著在第二圈的目標(biāo)輪進(jìn)行交互。此外，所述系統(tǒng)包括被配置為接收所述至少一個(gè)磁傳感器的磁傳感器輸出，其中，信號(hào)處理單元被配置為基于磁傳感器輸出的幅值來至少確定作用于軸承上的軸向力。
[0010]提出目標(biāo)環(huán)的齒距波長等于或小于4毫米。目標(biāo)環(huán)和傳感器的磁交互作用隨著距離的增加按照好的近似指數(shù)降低。衰減常數(shù)是關(guān)于目標(biāo)環(huán)的圓周結(jié)構(gòu)的特征長度尺度的函數(shù)，例如，特別是間距波長或圖案的周期。假設(shè)齒距波長是唯一的相關(guān)長度尺度，它緊跟著尺度變化，衰減因子，如對(duì)振幅減小l/e(e，Euler，歐拉常數(shù))的距離，與間距波長成正比。根據(jù)本發(fā)明的齒距波長的選擇增加系統(tǒng)的靈敏度，如此，衰減因子增加最大為2mm—1甚至高于此值，而當(dāng)前可用的ABS輪轂中的衰減常數(shù)是1mm—1或更少。前者的數(shù)值對(duì)應(yīng)于由車輛輪轂單元或卡車輪轂單元內(nèi)的轉(zhuǎn)向力導(dǎo)致的軸承形變的可靠性檢測所需的最小靈敏度。
[0011]在輪轂單元中選擇小間距波長不僅實(shí)現(xiàn)了載荷感應(yīng)而且實(shí)現(xiàn)了感測ABS控制的輪速，并非非顯而易見的，這是因?yàn)榫嚯x變化而增加的敏感度與避免ABS輪轂的敏感度的總目標(biāo)是相反的。在ABS輪轂中的目標(biāo)環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)直徑為200毫米至300毫米并且寬度為10毫米至20毫米，傳感器尺寸(在圓周方向的波長)在1.5毫米和3毫米之間或者至少小于齒距波長。
[0012]本發(fā)明適用于各類滾動(dòng)軸承，其用在車輛、卡車或火車的輪轂單元內(nèi)，包括雙排滾子軸承、圓錐滾子軸承，圓環(huán)滾子軸承、滾珠軸承等。
[0013]在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，提出載荷確定系統(tǒng)進(jìn)一步包括至少一個(gè)形變傳感器。形變傳感器適于附著在軸承的內(nèi)圈或外圈，并且信號(hào)處理單元被被配置為接收至少一個(gè)變形傳感器的形變傳感器輸出?；谠谥辽僖粋€(gè)位置處(優(yōu)選地，在圓周的多個(gè)位置均勻分布)結(jié)合到內(nèi)圈或外圈上的有圖案的金屬箔、半導(dǎo)體或壓電式形變計(jì)或光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)，形變傳感器可以形成為標(biāo)準(zhǔn)形變片。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，信號(hào)處理單元進(jìn)一步被配置為接收磁傳感器的磁傳感器輸出，并計(jì)算作為變形傳感器輸出和磁傳感器輸出的函數(shù)的軸承載荷。
[0015]通過使用兩種類型的傳感器輸出，本發(fā)明能夠結(jié)合根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的這兩種方法的優(yōu)勢并且避免它們各自的不足，這將在下文中進(jìn)行進(jìn)一步描述。
[0016]利用基于磁傳感器輸出的絕對(duì)距離測量，所述方法和系統(tǒng)是能夠消除由摩擦熱所引起的偏移，還提供一種測量軸承載荷的方法和具有若干補(bǔ)償彈性降低的軸承系統(tǒng)，所述系統(tǒng)不足以確定一個(gè)或多個(gè)載荷向量。這種情況特別發(fā)生在兩個(gè)滾球相互之間緊密相鄰的雙排、緊湊的車輪軸承單元。眾所周知，轉(zhuǎn)向載荷導(dǎo)致非常不同的機(jī)動(dòng)控制的軸承的表面上產(chǎn)生非常相似的形變模式，并且通常無法單獨(dú)使用形變片來確定。
[0017]目標(biāo)輪優(yōu)選用于測量軸承的角位置。在本發(fā)明的上下文中，目標(biāo)輪可以是任何種類的車輪或與磁傳感器交互的齒輪，以便產(chǎn)生隨傳感器與車輪之間距離而變化的傳感器信號(hào)。
[0018]優(yōu)選地，目標(biāo)輪被布置為在具有軸向間距的情況下面向傳感器的感測面。因此，距離和這樣的傳感器信號(hào)是內(nèi)圈與外圈之間的軸向位移的直接函數(shù)。然而，在其它實(shí)施例中，可使用傾斜感測面或沿徑向面向的感測面。
[0019]優(yōu)選地，所述磁性傳感器可以形成為差動(dòng)霍爾傳感器。如果與磁突出旋轉(zhuǎn)環(huán)(magnetically salient rotating ring) —起使用，優(yōu)選帶有背磁鐵的差動(dòng)霍爾傳感器，觀察到磁場由的特殊變化，這是由于有槽的磁滲透剛環(huán)、目標(biāo)環(huán)、圓盤或齒輪齒上的通道或者是可與在其表面上包含大量精確產(chǎn)生的南北兩極的目標(biāo)環(huán)組合(具有類似于Hallbach陣列的交替磁化區(qū)域的多極磁環(huán))。
[0020]進(jìn)一步地，優(yōu)選地，信號(hào)處理單元被配置為計(jì)算作為磁傳感器輸出的振幅的函數(shù)的軸承載荷。通過限制對(duì)信號(hào)處理振幅，相較于更復(fù)雜的解決方案(從信號(hào)中提取關(guān)于更多信息(如頻譜上的信息))，上述處理被極大地簡化。
[0021]進(jìn)一步地，提出了信號(hào)處理單元被配置為在計(jì)算平均數(shù)之前通過消除由摩擦熱造成的傳感器信號(hào)偏移來處理傳感器信號(hào)。特別是可基于變形傳感器信號(hào)來計(jì)算偏移。
[0022]本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種如上文所述的實(shí)現(xiàn)載荷檢測的方法。具體來說，所述方法包括接收至少一個(gè)磁傳感器的磁傳感器輸出和按照至少變形傳感器輸出的函數(shù)計(jì)算載荷的步驟。根據(jù)本發(fā)明，所述方法還包括計(jì)算作為磁傳感器輸出的函數(shù)的軸承載荷的步驟。
[0023]上述發(fā)明實(shí)施例及附加的權(quán)利要求及附圖顯示了在特別組合中本發(fā)明的多個(gè)特征。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易考慮進(jìn)一步這些特征的組合或子組合的這些功能，以適應(yīng)明確在權(quán)利要求內(nèi)的他/她的特定需求的發(fā)明。
【附圖說明】
[0024]圖1是集成在車輛輪轂單元中的軸承中使用的載荷確定系統(tǒng)的示意圖。
[0025]圖2是根據(jù)圖1的載荷確定系統(tǒng)的目標(biāo)環(huán)。
[0026]圖3是根據(jù)圖1和圖2的載荷確定系統(tǒng)中所采用的磁傳感器。
[0027]圖4是根據(jù)圖3的傳感器針對(duì)不同寬度的間距的傳感器輸出的示意圖。
[0028]圖5是說明在傳感器與目標(biāo)環(huán)之間的間距的寬度與傳感器信號(hào)的信號(hào)幅度之間關(guān)系的曲線圖。
[0029]圖6是說明在根據(jù)圖2的目標(biāo)環(huán)的齒距波長/周期與圖5中所示的關(guān)系中的指數(shù)衰減常數(shù)(exponential decay constant)之間的關(guān)系的曲線圖。
[°03°]圖7說明目標(biāo)環(huán)的傾斜與作用在軸承單元上的橫向力(lateral force)之間的關(guān)系O
[0031]圖8說明根據(jù)本發(fā)明的載荷確定系統(tǒng)預(yù)估的作用在軸承單元上的橫向力與實(shí)際施加的橫向力之間的比較。
【具體實(shí)施方式】
[0032]圖1說明車輛的輪轂單元包括形成為雙列滾動(dòng)軸承的軸承10。該軸承包括安裝在車軸上的內(nèi)圈12和外圈14。輪轂單元設(shè)有集成ABS(防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，Antilock BrakeSystem)并設(shè)有目標(biāo)環(huán)18，其中，目標(biāo)環(huán)I 8形成為有槽的磁滲透鋼環(huán)(s I o 11 e dmagnetically permeable steel ring)并附著在夕卜圈14。
[0033]目標(biāo)環(huán)18在圖2中被示出并且可形成為鋼環(huán)，該剛環(huán)具有槽以及與槽分隔開的沿徑向延伸的指狀隔墻(partit1n finger)。槽在徑向上的距離，即環(huán)的齒距(pitch)w大約3毫米至4毫米，因此該齒距w是小于在標(biāo)準(zhǔn)ABS傳感器中使用的目標(biāo)環(huán)的間距，在標(biāo)準(zhǔn)ABS傳感器的周期波長在6毫米至8毫米之間。此處及下文中，這個(gè)周期波長也可以被描述為波長W。例如，間距波長w可以沿圓圈的曲線部分被測量得出，其中，所述曲線部分連接徑向上的槽的內(nèi)邊緣的中心點(diǎn)。
[0034]圖3是傳感器16形成為具有背磁鐵(backmagnet)的差動(dòng)霍爾傳感器，所述差動(dòng)霍爾傳感器觀察到磁場由于有槽的磁滲透鋼的目標(biāo)環(huán)18上的通道引起的空間變化。當(dāng)然，本發(fā)明并不局限于有槽的磁透鋼環(huán)的目標(biāo)環(huán)，還可以用在其表面上包含大量精確產(chǎn)生的南北兩極的鋼盤，齒輪輪齒或磁化目標(biāo)環(huán)。在后者的情況下，不帶背磁鐵的差動(dòng)霍爾傳感器也是適用的。
[0035]如圖3所示，磁場傳感器16包括軛20，軛20沿目標(biāo)環(huán)18的圓周方向并且覆蓋目標(biāo)環(huán)的18個(gè)波長。背磁鐵22設(shè)置于軛20的中心部分并生成穿過一個(gè)或多個(gè)差動(dòng)磁場傳感器21的磁場線，其中，差動(dòng)磁場傳感器21設(shè)置在穿過軛20的一個(gè)支柱和穿過目標(biāo)環(huán)的兩個(gè)磁路中的至少一個(gè)中。如果面對(duì)目標(biāo)環(huán)18的軛20的端部被布置在目標(biāo)環(huán)的槽的上方，則磁場線中斷或至少被強(qiáng)烈減弱，然而如果是后者，即布置在目標(biāo)環(huán)18的指狀隔板的上方，則磁場線很容易地穿過目標(biāo)環(huán)18與軛20的端面之間的、在它們中間的差動(dòng)磁場傳感器21的間距G。
[0036]如果目標(biāo)環(huán)18在傳感器16下面旋轉(zhuǎn)，則因此由差動(dòng)磁場傳感器21測量的磁場在以與目標(biāo)環(huán)18的通槽(passing slot)的頻率相應(yīng)的頻率振蕩。
[0037]需要注意的是，這種振蕩的振幅取決于傳感器16與目標(biāo)環(huán)18之間的間距G的寬度，更具體地說，取決于軛20和差動(dòng)磁場傳感器端面與目標(biāo)環(huán)18的指狀隔板之間的間距G的寬度。本質(zhì)上，振幅是間距G的寬度的指數(shù)遞減函數(shù)。在此和下文中，此寬度也將被稱為“距兩 ο
[0038]返回圖1，多個(gè)圖3所示類型的傳感器16設(shè)置在目標(biāo)環(huán)18的圓周上。在實(shí)際的實(shí)施例中，4個(gè)傳感器16被設(shè)置在角度0°、90°、180°、270°，但是為了簡單起見，只對(duì)它們其中之一進(jìn)行說明。如果軸承的內(nèi)圈12，因此目標(biāo)環(huán)18例如由于載荷作用在軸承上而相對(duì)于外圈14傾斜，則傳感器與目標(biāo)環(huán)18之間的距離將與該傾斜角度的正弦值成正比，因此將獲得不同的值，即使在內(nèi)圈12和外圈14完全對(duì)齊的配置中，這些距離相同的情況下。
[0039]另一方面，如果內(nèi)圈12相對(duì)外圈14軸向位移，則距離傳感器16觀察到的距離會(huì)以相同的方式改變。
[0040]因此，可使用傳感器16測量高精密度的、環(huán)的軸向位移和環(huán)的傾斜角。精密度尤其取決于距離與傳感器信號(hào)的振幅之間的指數(shù)關(guān)系的衰減常數(shù)。高衰減常數(shù)值對(duì)應(yīng)于高精密度，低衰減常數(shù)值對(duì)應(yīng)于低精密度。
[0041]上述類型的傳感器布置從對(duì)作用在軸承上的軸向力、軸向位移和傾斜角度不感興趣的ABS系統(tǒng)中得知，這是因?yàn)锳BS系統(tǒng)僅控制從傳感器信號(hào)的頻率并非其振幅得到的縱向加速度。因此，軸向位移或傾斜的推測通過使用大約為0.05毫米的小指數(shù)衰減常數(shù)的幾何圖形而被減弱。指數(shù)衰減常數(shù)值尤其取決于目標(biāo)環(huán)18中的槽的波長。波長長對(duì)應(yīng)于緩慢衰減，而波長短對(duì)應(yīng)于快速衰減。市面上的ABS傳感器通常采用約6毫米到8毫米的波長。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的ABS傳感器采用較小的齒距波長W，特別是小于4毫米的波長W，優(yōu)選是小于3毫米從而衰減常數(shù)值達(dá)到1.5絲米(mm—1)或更大。
[0043]除了磁傳感器16，外圈設(shè)有4個(gè)連接到外圈的徑向外表面14等距分布的形變傳感器24。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，形變傳感器24可以被塑料蓋保護(hù)和/或嵌入凹口或周向槽(circumferential groove)內(nèi)。
[0044]形變傳感器24感測外圈的外表面的局部變形，特別是感測拉伸變形。然而，軸承的溫度變化或熱梯度不可避免地導(dǎo)致由材料的熱膨脹而引起的局部變形，這些局部變形的貢獻(xiàn)并不直接依賴作用在軸承上的力。
[0045]此外，形變傳感器的信號(hào)24不區(qū)分外圈14的各種變形模式。例如，在第一軸向上的剪切變形(在向右轉(zhuǎn)彎中產(chǎn)生的力所造成的)將導(dǎo)致與向左轉(zhuǎn)彎中獲得的傳感器輸出圖案相同的傳感器輸出圖案，這是因?yàn)閮蓚€(gè)相應(yīng)的變形圖案是彼此相對(duì)于環(huán)的徑向中心平面的鏡像，這樣布置在這個(gè)平面中的傳感器24看不到這種差別。
[0046]因此，形變傳感器24在檢測力的絕對(duì)值方面能力有限并且無法檢測到關(guān)于力作用的方向的信息。
[0047]載荷確定系統(tǒng)被設(shè)有信號(hào)處理單元26，該信號(hào)處理單元26從形變傳感器24和磁傳感器16接收信號(hào)，并且該載荷確定系統(tǒng)26使用組合后的傳感器信號(hào)來確定作用在軸承上的載荷，其中，不同頻率成分按照已在W02011/154016A1中所詳細(xì)討論的被區(qū)別處理。涉及到對(duì)形變傳感器24的信號(hào)處理的在后申請(qǐng)的內(nèi)容通過引用合并于此。具體來說，傳感器信號(hào)通過在計(jì)算平均值之前去除由摩擦熱造成的傳感器信號(hào)的偏移被預(yù)處理。
[0048]軸向力組成部分主要基于如以下描述的從磁傳感器16接收到的信號(hào)而被確定。
[0049]圖4是根據(jù)圖3的傳感器針對(duì)不同寬度的齒距的傳感器輸出的示意圖。如所示，傳感器輸出大致是隨與目標(biāo)環(huán)的穿孔頻率相應(yīng)的頻率的正弦曲線。大振幅對(duì)應(yīng)于窄間距G和小振幅對(duì)應(yīng)到寬間距G?；旧?，由通過目標(biāo)環(huán)所產(chǎn)生的差動(dòng)霍爾傳感器的電壓變化，是根據(jù)間距G的距離或?qū)挾鹊暮瘮?shù)。距離越大，信號(hào)越小。圖4是采用例如IC-MZ芯片(商用2.000毫米差動(dòng)傳感器)和0.4T到IT的背磁鐵的霍爾傳感器按照具有48個(gè)槽的鋼目標(biāo)輪的角度(完整的正弦波的7.5度)的函數(shù)的電壓圖。相鄰軌跡描述了當(dāng)傳感器16以0.1毫米逐步遠(yuǎn)離目標(biāo)輪18時(shí)的信號(hào)。
[0050]圖5是說明在對(duì)數(shù)圖中傳感器與目標(biāo)環(huán)之間的間距G的寬度與傳感器信號(hào)的信號(hào)幅度之間關(guān)系的曲線圖。在對(duì)數(shù)圖中的直線表示指數(shù)關(guān)系，其中虛線表示最佳匹配，其與示例中的0.16466毫米的衰減因子相對(duì)應(yīng)。振幅的精確值取決于磁體和軛系統(tǒng)的幾何形狀以及磁導(dǎo)目標(biāo)環(huán)18的內(nèi)齒或槽或塊(bar)的幾何形狀。
[0051]圖6是說明在根據(jù)圖2的目標(biāo)環(huán)的齒距波長/周期與圖5中所示的關(guān)系中的指數(shù)衰減常數(shù)(exponential decay constant)之間的關(guān)系的曲線圖。
[0052]正如上面已經(jīng)討論的是，指數(shù)值對(duì)目標(biāo)環(huán)的周期長度w特別敏感，并且以鏡像方式對(duì)環(huán)的寬度和曲率半徑。一般來說，指數(shù)值的取值范圍在-0.7至-3.5，并且當(dāng)周期波長減少時(shí)，指數(shù)變得更負(fù)。大致來講，周期波長7毫米導(dǎo)致指數(shù)大約為-1，而周期波長2.5毫米導(dǎo)致指數(shù)大約為-2.6。
[0053]因此，周期波長和精確的幾何適應(yīng)性用于調(diào)整對(duì)滾動(dòng)軸承10的規(guī)格及應(yīng)用的距離測量。對(duì)于高分辨率，短周期波長是有利的，但不利的是，當(dāng)傳感器16安裝時(shí)，傳感器16必須有一個(gè)精確的位置和距離。
[0054]在諸如齒輪或有槽的圓盤的磁滲透部件的情況下，模型在幾何形狀和材料組成以及圓盤或輪18的跳動(dòng)(run-out)和平整度方面具有偏差。因此，比如通過霍爾傳感器測量到變量的正弦波是不準(zhǔn)確的并且隨地點(diǎn)改變。同樣，在磁環(huán)的情況下，編入該材料的磁鐵會(huì)隨地點(diǎn)改變。結(jié)果是觀察到的信號(hào)在相位和幅值上略微不同。
[0055]通過對(duì)在一周旋轉(zhuǎn)中的振幅取平均，使正弦波振幅變化的影響最小化。因此，信號(hào)處理單元26計(jì)算這一平均數(shù)。在對(duì)一周旋轉(zhuǎn)取平均時(shí)，產(chǎn)生非常穩(wěn)定的信號(hào)振幅，然后可校準(zhǔn)振幅作為距離至目標(biāo)環(huán)18、磁環(huán)或磁導(dǎo)電(滲透性)的鐵素體環(huán)、齒輪或盤狀部件的函數(shù)。校準(zhǔn)是通過將如圖4所示的擬合特征存儲(chǔ)于信號(hào)處理單元26的存儲(chǔ)單元內(nèi)來實(shí)現(xiàn)的。
[0056]空間微分磁場的形狀一般也不是正弦波。然而通過調(diào)整齒輪的齒的幾何形狀或者在鋼板盤內(nèi)的槽和塊的幾何形狀，可對(duì)信號(hào)形狀進(jìn)行優(yōu)化，并且可使總諧波失真(TotalHarmonic Di s tort 1n，THD)低于實(shí)際值，遠(yuǎn)低于2% THD，因此當(dāng)在稍小于360度或超過360度的平均值在實(shí)際自動(dòng)測量情況下被獲得時(shí)，并未嚴(yán)重影響對(duì)平均振幅的精密估計(jì)。
[0057]使用上面設(shè)置的示例數(shù)據(jù)，估計(jì)出如何可以較好地估算旋轉(zhuǎn)目標(biāo)環(huán)18的距離W。第一步是按照實(shí)際距離X的函數(shù)來測量響應(yīng)B。使盤旋轉(zhuǎn)時(shí)的B的標(biāo)準(zhǔn)差比B本身小45至55倍之間。首先，根據(jù)從擬合模型的逆得到的平均振幅B來計(jì)算距離:
[0058]距離X_estimate = _l/1.6466*1η(Β/0.5052) (I)
[0059]乂_681:丨311^6與13+/-3倍的標(biāo)準(zhǔn)差的差數(shù)是8.5毫米。
[0060]對(duì)于在大約IG離心力的強(qiáng)曲線轉(zhuǎn)彎的車輛來說，在車輛的橫方向的車胎-路面接觸載荷約5千牛(kN)。軸承經(jīng)歷5千牛的和相應(yīng)的1.6千牛米(kNm)的轉(zhuǎn)向軸承力矩的組合軸向載荷。如果我們可期望ABS目標(biāo)環(huán)的齒距半徑具有0.100毫米的傾斜移動(dòng)，則可以測量出0.200毫米的差動(dòng)運(yùn)動(dòng)。已推斷出，如上所述的ABS傳感器為此可具有8.5微米的分辨率，然后載荷分辨率大約為200牛(N)。
[0061]如已示出的實(shí)驗(yàn)，可能進(jìn)行大量的軸承的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。
[0062]圖7說明目標(biāo)環(huán)的傾斜與作用在軸承單元上的橫向力(lateralforce)之間的關(guān)系。圖7是相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)的圖片，相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)由電渦流傳感器測量來證明傾斜運(yùn)動(dòng)正確性，寶馬E60測試車輛內(nèi)使用的車輪轂單元的內(nèi)圈至外圈的相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)作為施加于車輪上的轉(zhuǎn)向力(橫向輪胎接觸力Fy)的函數(shù)。若干測試實(shí)現(xiàn)類似結(jié)果。
[0063]擬合模型應(yīng)用于傾斜測量，產(chǎn)生來自傾斜移動(dòng)的橫向力的估值。結(jié)果如實(shí)線所示，可作為特征存儲(chǔ)在信號(hào)處理單元中。
[0064]圖8說明根據(jù)本發(fā)明的載荷確定系統(tǒng)預(yù)估的作用在軸承單元上的橫向力與實(shí)際施加的橫向力之間的比較。比較表明，使用根據(jù)本發(fā)明的傳感器單元，軸向力的可靠檢測是可行。
[0065]除了檢測載荷，信號(hào)處理單元26可使用傳感器信息用于其它目的，例如監(jiān)視和生成維護(hù)信息。尤其是，信號(hào)處理單元26可被配置為確定滾動(dòng)軸承的軸向活動(dòng)齒距并基于軸向活動(dòng)齒距生成表示剩余軸承壽命的信號(hào)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種在輪轂單元中包含具有傳感器功能的滾動(dòng)軸承(10)的載荷確定系統(tǒng)，所述軸承(10)包括作為內(nèi)圈的第一圈(12)和作為外圈的第二圈(14)，所述系統(tǒng)包括: a.附著在第一圈(12)的至少一個(gè)磁傳感器(16)，用于與附著在第二圈(14)的目標(biāo)環(huán)(18)交互; b.信號(hào)處理單元(26)，被配置為接收所述至少一個(gè)磁傳感器(16)的磁傳感器輸出，該信號(hào)處理單元(26)被配置為基于磁傳感器輸出的振幅至少確定作用于軸承(10)上的軸向力； 其特征在于，目標(biāo)環(huán)(18)的齒距波長等于或小于4毫米。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的載荷確定系統(tǒng)，其特征在于， 所述載荷確定系統(tǒng)還包括至少一個(gè)形變傳感器，附著在所述軸承的內(nèi)圈或所述軸承的外圈； 其中，所述信號(hào)處理單元(26)被進(jìn)一步配置為接收形變傳感器(24)的形變傳感器輸出，并且被設(shè)置為能夠計(jì)算出作為形變傳感器輸出和磁傳感器輸出二者函數(shù)的軸承載荷。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的載荷確定系統(tǒng)，其特征在于， 所述目標(biāo)環(huán)(18)被布置為以軸向間距(G)面向磁傳感器(16)的感測面。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的載荷確定系統(tǒng)，其特征在于， 所述磁傳感器(16)形成為差動(dòng)霍爾傳感器。5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的載荷確定系統(tǒng)，其特征在于， 所述目標(biāo)環(huán)(18)形成為有槽的磁滲透鋼環(huán)。6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的載荷確定系統(tǒng)，其特征在于， 所述目標(biāo)環(huán)(18)形成為具有交替磁化區(qū)域的目標(biāo)環(huán)。7.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的載荷確定系統(tǒng)，其特征在于 所述信號(hào)處理單元(26)被配置為能夠計(jì)算出作為磁傳感器輸出振幅的函數(shù)的軸承載荷。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的載荷確定系統(tǒng)，其特征在于， 所述信號(hào)處理單元(26)被配置為能夠計(jì)算軸承(10)在至少旋轉(zhuǎn)一周范圍內(nèi)磁傳感器輸出的平均振幅，并且利用所述平均振幅來確定軸承載荷。9.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的載荷確定系統(tǒng)，其特征在于， 所述信號(hào)處理單元(26)被配置為在計(jì)算所述平均振幅之前，通過消除由摩擦熱造成的傳感器信號(hào)的偏移來處理傳感器信號(hào)。10.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的載荷確定系統(tǒng)，其特征在于， 所述信號(hào)處理單元(26)被配置為確定滾動(dòng)軸承的軸向活動(dòng)間隙并基于軸向活動(dòng)間隙來生成表示剩余軸承壽命的信號(hào)。11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的載荷確定系統(tǒng)的用途是作為車輛內(nèi)的ABS系統(tǒng)。12.—種用于在車輪的輪轂單元中確定作用于具有傳感器功能的滾動(dòng)軸承上的載荷的方法，其中，所述滾動(dòng)軸承包括作為內(nèi)圈的第一圈和作為外圈的第二圈，所述方法包括: a.接收附著在第一圈的至少一個(gè)磁傳感器(16)的磁傳感器輸出，其中，所述至少一個(gè)傳感器用于與附著在第二圈的目標(biāo)輪進(jìn)行交互， b.基于磁傳感器輸出的振幅來至少計(jì)算作用于軸承的軸向力；其特征在于，目標(biāo)環(huán)(18)的齒距波長等于或小于4毫米。
【文檔編號(hào)】G01L5/00GK105849520SQ201380081793
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2013年12月20日
【發(fā)明人】亨德里克·安妮·莫爾, 約瑟夫·馬利亞·斯托克, 西蒙·范巴列古艾
【申請(qǐng)人】斯凱孚公司