CN101292090A - 载荷感测轴承 - Google Patents

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CN101292090A CNA2006800374215A CN200680037421A CN101292090A CN 101292090 A CN101292090 A CN 101292090A CN A2006800374215 A CNA2006800374215 A CN A2006800374215A CN 200680037421 A CN200680037421 A CN 200680037421A CN 101292090 A CN101292090 A CN 101292090A
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格拉哈姆·麦克迪尔蒙
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Timken Co
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Timken Co
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    • F16C19/383—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load with two or more rows of rollers with tapered rollers, i.e. rollers having essentially the shape of a truncated cone
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    • F16C19/386—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load with two or more rows of rollers with tapered rollers, i.e. rollers having essentially the shape of a truncated cone with two rows, i.e. double-row tapered roller bearings in O-arrangement

Abstract

一种载荷感测轴承组件100，包括：通过凸缘组件104而紧固到应用结构106上的轴承外圈或杯102，凸缘组件104结合有多个各向异性弹性区112，所述各向异性弹性区112能够响应于作用力或力矩而使轴承外圈或杯102能够相对于应用结构106进行有限范围内的位移和/或旋转。设置在轴承外圈或杯102和凸缘组件104之中的一组传感器模块116可获得测量值，根据所述测量值能够确定出施加在轴承外圈或杯102上的径向力、推力和翻转力矩。

Description

载荷感测轴承
相关申请的交叉引用
本申请要求2005年9月6日提交的美国专利申请第11/219,933号和2005年10月21日提交的美国专利申请第60/729,154号的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及轴承，尤其涉及配置有监测轴承载荷的传感器的轴承组件，所述传感器用以监测作用力和转矩从而提供供装置使用的响应信号。
背景技术
本发明的轴承组件可以用来测量轴承的径向力、推力、翻转力矩、旋转速度和温度以便在许多应用情形中使用，所述应用情形例如车辆动力控制系统(车辆稳定性控制系统)、车辆防侧翻系统、轮胎完整性监测系统、道路状况监测系统以及车辆悬架控制系统。
存在多种作用在处于运行状态下的轴承组件上的载荷和载荷类型能够提供关于轴承组件以及附连到轴承组件上的物体的重要信息的应用情形。例如在汽车工业中，以电信号形式存在的轴承载荷信息为车辆动力学控制(“VDC”)系统所使用，以监测车辆的行驶状况，从而使得该系统能够控制施加到车轮上的扭矩。在授予Fujita等人的美国专利第5,140,849号中公开的抗摩擦滚动轴承使用了两个应变仪来监测施加在轴承上的总载荷。但是，授予Fujita等人的美国专利第5,140,849号中的轴承组件不能提供高级VDC电子系统所需或者轧钢工业或机床工业中由处理机控制的系统所需的全方位数据。
授予Yoshikawa等人的美国专利第4,748,844号中公开了一种涉及汽车工业中的载荷检测装置，该装置由固定到车轮安装在其上的轮毂上的多分量测力盒结构构成。所述测力盒结构附连成与车轮的轮胎一起旋转。但是，授予Yoshikawa等人的美国专利第US4,748,844号中公开的该装置不能提供指示出使高级VDC电子装置或者其它这样的监测装置能够适当发挥作用所需的所有载荷和所有转矩的信号。特别地，该装置仅在与所述车轮绕其旋转的轴相垂直的平面上使用了应力仪。因此，来自于该装置上的应力仪的信号不能检测到趋于造成车辆侧向滑动或者使车辆侧翻的力。
在钢铁生产工业中，在钢铁轧制过程中钢铁轧机利用电子处理和控制方法来操纵与辊子相关联的速度和载荷。具体地，轧机需要支承反馈，所述反馈涉及辊子上皮带打滑的指示信号或者一组特定辊子正在承受更高的载荷和扭矩的指示信号。
类似地，在机床工业中，可编程控制器和处理器监测和控制与多种轧制、切割、钻削机器的心轴相关联的速度和载荷。计算机控制的机床监测支撑心轴的轴承所承受的力和扭矩的量，以得出切割和钻削工具是否已经变钝或者切割或钻削力、力矩和速度是否超出了为进行正常机加工操作所设定的极限。
附图说明
组成申请文件的一部分的附图包括：
图1A示出的是本发明载荷感测轴承组件的主视图；
图1B示出的是图1A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图2A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图2B示出的是图2A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图3A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图3B示出的是图3A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图4A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图4B示出的是图4A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图5A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图5B示出的是图5A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图6A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图6B示出的是图6A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图7A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图7B示出的是图7A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图8A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图8B示出的是图8A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图9A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图9B示出的是图9A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图10A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图10B示出的是图10A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图11A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图11B示出的是图11A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图12A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图12B示出的是图12A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图13A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图13B示出的是图13A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图14A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图14B示出的是图14A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图15A示出的是本发明的可选载荷感测轴承组件的构造的主视图；
图15B示出的是图15A中的载荷感测轴承组件沿A-A线的剖面图；
图15C示出的是图15A中的载荷感测轴承组件沿B-B线的剖面图。
在附图的各幅图示中，相应的附图标记表示的是对应的部件。
具体实施方式
以下的详细说明部分出于示例而非限制目的对本发明进行了阐述。该说明部分使本领域的技术人员能够制造和使用本发明，并且描述了本发明的几个实施方式、改装形式、变化形式、可选的替代形式以及应用，包括目前被认为是实施本发明的最好方式。
参见附图，图1A和1B示出的是本发明的一般的载荷感测轴承组件100。该载荷感测轴承100一般构造成用来支撑内圈或者锥形体(未示出)和滚动体(未示出，但是可以是任何类型的滚动体，例如但不限于锥形、圆柱形、球形、针形或者球面滚动体)。所述载荷感测轴承100包括轴承外圈或杯102和凸缘组件104，所述轴承外圈或杯102能够采取绕Y轴的任何方位，所述凸缘组件104用于将轴承外圈或杯102附连到应用结构106，这种附连通过与凸缘组件104上的关联螺栓孔110紧固在一起的合适数量的附连螺栓108来实现。示例性轴承结构是由俄亥俄州Canton的Timken公司制造和销售的UNIPAC型和TS型轴承组件。本领域的技术人员可以意识到，本发明可以应用于具有紧固到应用结构上的例如轴承外圈或杯的外部结构的多种轴承类型和构造。
凸缘组件104由内环形凸缘104A和外环形凸缘104B构成，内环形凸缘104A和外环形凸缘104B由一组环向间隔的各向异性弹性区112耦联在一起，这些各向异性弹性区112设置在环形凸缘104a和104b之间从而环形凸缘104a和104b联接在一起。本领域的技术人员可以意识到，内环形凸缘104a可以与轴承外圈或杯102一体成型，相应地，外环形凸缘104b可以与应用结构106一体成型。
如图1A所示，图中示出了四个等间隔设置在内环形凸缘104a与外环形凸缘104b之间的各向异性弹性区112，但是在本发明的范围内可以使用更多或者更少的各向异性弹性区112。设置在各向异性弹性区112之间的间隙114便于各向异性弹性区112发生变形，同时使轴承外圈或杯102和内环形凸缘104a能够相对于外环形凸缘104b和应用结构106进行有限范围内的位移和/或旋转。实质上，轴承外圈或杯102和内环形凸缘104a悬置在外环形凸缘104内，因此，施加到轴承组件100上的来自于支撑在轴承外圈或杯102内的旋转元件的力和/或力矩将致使轴承外圈或杯102相对于外环形凸缘104b和应用结构106发生位移和/或旋转。
本领域的技术人员可以意识到，所述的各向异性弹性区可以由多种不同的形状和材料构成，并且可以采用例如下面在多个不同的可选的替代性实施方式中示出的多种不同配置，并且，所述的各向异性弹性区可以包括辐板(webs)和弹性材料。正如上面所描述的，每个各向异性弹性区的功能是使得轴承外圈或杯102和内环形凸缘104a能够相对于外环形凸缘104b和支撑应用结构106进行有限范围内的位移和/或旋转。
为了测量和监测轴承外圈或杯102和内环形凸缘104a相对于外环形凸缘104b和应用结构106的位移和/或旋转，设置与所述间隙114相交叉从而将内环形凸缘104a联接到外环形凸缘104b的一组传感器模块116。每个传感器模块116包括至少一个能够测量位移、旋转或者应变的传感器单元，使得该组传感器模块116能够总体上提供表征作用力(FX、FY、FZ)和作用力矩(MX、MZ)的测量值。由各向异性弹性区112提供的变形量必须足以使所述传感器模块116能够检测和测量待测量的特定作用力和/或力矩。
传感器模块116也可以包括对使用所述轴承组件100的终端应用---例如状态监测---来说将会相当重要的温度传感器或者其它类型的传感器(例如速度传感器或者加速计)。当在传感器模块116中使用温度传感器以便进行热补偿时，优选地，将所述温度传感器布置成紧靠关联应变传感器。本领域的技术人员可以意识到，用在传感器模块116内的传感器单元可以采用任何合适的应变、位移、旋转或者温度传感器技术，例如但不限于金属箔、压阻、MEMS、振弦式、电容式、电感应式、光学、超声波等传感器技术。类似地，也可以使用本领域中公知的四分之一桥、半桥或全桥应变传感器。
优选地，对积累自传感器模块组116的信号进行分析从而生成施加在载荷感测轴承100上的径向力分量(FX和FZ)、推力分量(FY)、翻转力矩分量(MX和MZ)和轴承温度(如果传感器组116中包括有至少一个温度传感器)的测量值。更具体地，传感器模块组116优选地提供五个自由度FX，FY，FZ，MX和MZ中的至少一个的测量值。温度的测量值可以用来补偿对所述传感器模块116内的传感器单元所造成的公知的热影响，以及可以直接用作终端应用中的测量参数。
在图1A和1B中的实施方式中，各向异性弹性区112能够采取绕轴承组件100的Y轴的多个方位。所述的各向异性弹性区116可以是多种传统设计中的任何一种，用以增强轴承外圈或杯102与外环形凸缘104b之间的运动，从而增加或减小由所述传感器模块组116而获得的值。替代地，所述的各向异性弹性区112可以设计成仅用以增强轴承外圈或杯102与外环形凸缘104b之间的特定运动，以增加或减小获得数据所需的特定作用力，所述数据用以确定载荷感测轴承组件100将会承受的力FX，FY，FZ或者力矩MX，MZ的值。
本领域的技术人员可以理解的是，存在可以用来分析来自于与本发明的轴承组件100相关联的传感器模块组116的信号、以确定作用在载荷传感器轴承组件100上的力和力矩的值的多种方法。例如，采用有限元分析方法能够对由传感器模块116提供的信号进行分析并将其转换成三个力的分量FX，FY，FZ和两个力矩的分量MX，MZ中的每一个的数值。在本领域中，其它的分析工具众所周知，并将处在本发明的范围之内。可以使用在本领域中同样众所周知的实验方法来根据作用力和作用力矩校准来自于传感器模块116的信号。
本发明的载荷感测轴承组件100以及多个可选的替代性实施方式的总前提是，在轴承外圈或杯102与螺栓108或者其它附连到应用结构106上的附连点之间，相对于应用结构106支撑轴承外圈或杯102的结构包括至少一个各向异性弹性区112。由于具有使轴承外圈或杯自应用结构106上悬置的各向异性弹性区112，施加到轴承组件100上的力和/或力矩将致使轴承外圈或杯102相对于应用结构106发生位移和/或旋转。相对于轴承外圈或杯102、各向异性弹性区112或者支撑结构按策略布置的一组位移、旋转和/或应变传感器116对相关的轴承外圈或杯的位移、应变和/或旋转进行测量。来自于传感器模块组116的信号用来生成所施加的径向力、推力和翻转力矩的测量值。
下面与图2A至15C相关联的说明部分描述了本发明的载荷感测轴承组件100的多个可选的替代性实施方式，所述多个不同的可选的替代性实施方式结合了上述的在轴承组件100中设置各向异性弹性区112的原理，所述的各向异性弹性区112由一组传感器模块116监测，这些传感器模块116生成可以表征所施加的径向力、推力、翻转力矩和/或轴承温度的信号。
图2A和2B示出的是载荷感测轴承组件100的总体标示为100a的一个可选的替代性实施方式。四个等间隔的各向异性弹性区112围绕支撑轴承外圈或杯102的内环形凸缘104a的外圆周设置。每个各向异性弹性区112的中心大体位于与X轴成45度角的位置。每个各向异性弹性区112包括大体定位成与Y轴平行的轴向梁118，该轴向梁118的一端与内横梁120形成为一体，内横梁120耦联到支撑轴承外圈或杯102的内环形凸缘104a，轴向梁118的相对端则与外横梁122形成一体，外横梁122耦联到紧固于应用结构106上的外环形凸缘104b。在每个各向异性弹性区112中，内环形凸缘104a、内横梁120与轴向梁118限定出内沟槽124，而外环形凸缘104b、外横梁122与轴向梁118则限定出外沟槽126。所述梁和沟槽的组合使得轴承外圈或杯102能够相对于应用结构106进行有限范围内的位移和/或旋转。可以使用回弹性材料(未示出)来填充沟槽124和126。优选地，回弹性材料选择成能够在内环形凸缘104a和外环形凸缘104b之间具有所需的运动范围，并且防止有害的材料(例如道路碎片)进入到沟槽124和126。例如，可以使用聚氨酯材料，如果其与应用的操作参数相适应的话。
在轴承组件100a中，一组五个的传感器模块116a-116e形成阵列，其中每个传感器模块116搭接在内环形凸缘104a与外形环凸缘104b之间的间隙114上。正如前面所描述的，每个传感器模块116包括至少一个能够测量位移、旋转或应变的传感器单元，使得该组传感器模块116能够总体上提供表征作用力(FX、FY、FZ)和作用力矩(MX、MZ)的测量值。
在示例性配置中，传感器模块116a可以包括与Z轴对准的位移传感器，以测量沿Z方向的位移并且提供关于作用在轴承组件100a上的力FZ的信息。传感器模块116c可以包括与X轴对准的位移传感器，以测量沿X方向的位移并且提供关于作用在轴承组件100a上的力FX的信息。均配置有位移传感器以测量沿Y轴方向的位移的传感器模块116b、116d和116e中的每一个被图示成绕Y轴以约120度间距设置，其中传感器模块116d与Z轴对准。位移传感器模块116b、116d和116e一起提供能够确定力FY和力矩MX、MZ的值的信号。
在可选的示例性配置中，可以除去传感器模块116b、116d和116e，由此在传感器模块116a和116c内集成旋转传感器和至少一个Y轴位移传感器。如果传感器模块116a中包含有Y轴位移传感器，则传感器模块116a将会提供沿Y方向和Z方向的位移的测量值以及绕Z轴的旋转的测量值。测量所得的沿Z方向的位移提供关于力FZ的信息，测量所得的绕Z轴的旋转提供关于力矩MZ的信息。传感器模块116c将会依次提供沿X方向的位移的测量值和绕X轴的旋转的测量值。测量所得的沿X方向的位移提供关于力FX的信息，测量所得的绕X轴的旋转提供关于力矩MX的信息。由传感器模块116a中的Y轴位移传感器沿Y方向测量而得的位移能够与测量所得的绕X轴的旋转组合在一起从而提供力FY的测量值。
图3A和3B示出的是载荷感测轴承组件100的总体标示为100b的类似的可选实施方式。由总共三个围绕支撑轴承外圈或杯102的内环形凸缘104a的外圆周等间隔设置的各向异性弹性区112来代替四个各向异性弹性区112。每个各向异性弹性区112包括大体定位成与Y轴平行的轴向梁118，该轴向梁118的一端与内横梁120形成为一体，内横梁120耦联到支撑轴承外圈或杯102的内环形凸缘104a，而轴向梁118的相对端则与外横梁122形成为一体，外横梁122耦联到紧固于应用结构106上的外环形凸缘104b。在每个各向异性弹性区112中，内环形凸缘104a、内横梁120与轴向梁118限定出内沟槽124，而外环形凸缘104b、外横梁122与轴向梁118则限定出外沟槽126。所述梁和沟槽的组合使得轴承外圈或杯102能够相对于应用结构106进行有限范围内的位移和/或旋转。可以使用回弹性材料(未示出)来填充沟槽124和126。优选地，回弹性材料选择成能够在内环形凸缘104a和外环形凸缘104b之间具有所需的运动范围，并且防止有害的材料(例如道路碎片)进入到沟槽124和126。例如，可以使用聚氨酯材料，如果其与应用的操作参数相适应的话。
在轴承组件100b中，一组五个的传感器模块116a-116e形成阵列，其中每个传感器模块116搭接在内环形凸缘104a与外环形凸缘104b之间的间隙114上。正如前面所描述的，每个传感器模块116包括至少一个能够测量位移、旋转或应变的传感器单元，使得该组传感器模块116能够总体上提供表征作用力(FX、FY、FZ)和作用力矩(MX、MZ)的测量值。
在示例形配置中，传感器模块116c可以包括与Z轴对准的位移传感器，以测量沿Z方向的位移，并且提供关于作用在轴承组件100b上的力FZ的信息。传感器模块116b可以包括与X轴对准的位移传感器，以测量沿X方向的位移，并且提供关于作用在轴承组件100b上的力FX的信息。均配置有位移传感器以测量沿Y轴方向的位移的传感器模块116a、116d和116e中的每一个被图示成绕Y轴以约120度间距设置。位移传感器模块116a、116d和116e一起提供能够确定力FY和力矩MX、MZ的值的信号。
在可选的示例性配置中，可以除去传感器模块116a、116d和116e，由此在传感器模块116b和116c内集成旋转传感器和至少一个Y轴位移传感器。如果传感器模块116c中包含有Y轴位移传感器，则传感器模块116c将会提供沿Y方向和Z方向的位移的测量值以及绕Z轴的旋转的测量值。测量所得的沿Z方向的位移提供关于力FZ的信息，测量所得的绕Z轴的旋转提供关于力矩MZ的信息。传感器模块116b将会依次提供沿X方向的位移的测量值和绕X轴的旋转的测量值。测量所得的沿X方向的位移提供关于力FX的信息，测量所得的绕X轴的旋转提供关于力矩MX的信息。由传感器模块116c中的Y轴位移传感器沿Y方向测量而得的位移能够与测量所得的绕X轴的旋转组合在一起而提供力FY的测量值。
图4A和4B示出的是本发明的载荷感测轴承组件100的总体标示为100c的可选实施方式，其中，外环形凸缘104b通过紧固在螺栓孔110内的螺栓108而紧固到应用结构106上。在该实施方式中，各向异性弹性区112与图2A和2B中示出的各向异性弹性区相同，但是传感器模块116的布置、类型和数量却不相同。更具体地，在第一变型中，传感器模块116的阵列包括两个与轴承外圈或杯102和环形凸缘104a、104b的Z轴对准的位移和旋转传感器116a、116b以及两个与轴承外圈或杯102和环形凸缘104a、104b的X轴对准的位移和旋转传感器116c、116d，其中每个传感器模块116搭接在内环形凸缘104a与外环形凸缘104b之间的间隙114上。
任选地，在第二变型中，以116a′、116b′、116c′和116d′标示的四个位移和旋转传感器模块116可以替代性地设置在四个各向异性区112的每一个的径向中心线上，以搭接在轴向梁118与外环形凸缘104b之间的外沟槽126上。来自于传感器模块116a′-116d′的信号用来计算作用在载荷感测轴承组件100c上的三个力FX、FY、FZ和两个力矩MX、MZ的值。
任选地，在第三变型中，以116a″、116b″、116c″和116d″标示的每一个均包括至少一个应变传感器的四个传感器模块116可以替代性地设置在四个各向异性弹性区112的每一个的径向中心线上，并设置成位于跨越由内环形凸缘104a和轴向梁118限定的内沟槽124的内横梁120上。来自于传感器模块116a″-116d″的信号用来计算作用在载荷感测轴承组件100c上的三个力FX、FY、FZ和两个力矩MX、MZ的值。本领域的技术人员可以容易地意识到，可以使用传感器模块116的其它组合来提供作用在载荷感测轴承组件100c上的三个力FX、FY、FZ和两个力矩MX、MZ的测量值。
本领域的技术人员将会容易地意识到，文中所描述的载荷感测轴承组件100的多个不同实施方式中的外环形凸缘104b可以和与载荷感测轴承组件100相关联的应用结构106一体成型，从而可以省去螺栓108和螺栓孔110。例如，如图5A和5B所示，除了应用结构106与外环形凸缘104b一体成型以及应用结构106限定外环形凸缘104b之外，图中示出的载荷感测轴承组件100d与图4A和4B中示出的载荷感测轴承组件100c基本相同。应用结构106的具体形状和构造将会变化，取决于使用所述载荷感测轴承组件100d的特定应用场合。
图6A和6B示出的是本发明的载荷感测轴承组件100的总体标示为100e的可选实施方式，其中使用了各向异性弹性区112的可选的替代性类型以及传感器模块116的可选的替代性阵列。在该实施方式中，各向异性弹性区112包括四个等距间隔开的连接构件128，所述连接构件128将轴承外圈或杯102和内环形凸缘104a耦联到载荷感测轴承100e的外环形凸缘104b上。连接构件128中的每一个均包括耦联到外环形凸缘104b上的外径向辐条130、两个耦联到内环形凸缘104a上的内径向辐条132以及联接外径向辐条130和内径向辐条132的连接元件134。由内环形凸缘104a与每个连接构件128的两个内径向辐条132和连接元件134限定出被包围的沟槽136。
用于载荷感测轴承100e的传感器模块116的阵列优选地包括两个布置在Z轴上且位于内环形凸缘104a与外环形凸缘104b之间的间隙114上方的位移传感器模块138a和138c以及包括两个布置在X轴上且位于内环形凸缘104a与外环形凸缘104b之间的间隙114上方的位移传感器模块138b和138d。正如前面所描述的，该组传感器模块116总体上提供表征作用力(FX、FY、FZ)和作用力矩(MX和MZ)的测量值。
图7A和7B示出的是如图6A和6B所示的载荷感测轴承组件100e的实施方式的变型，其中，突部142从外环形凸缘104a沿径向向内延伸且位于每个各向异性弹性区112之间。每个突部142设置有用于传感器模块阵列116中的位移传感器138的附连点，从而减小了每个位移传感器138跨越其而设置的间隙114的宽度。
在图6A-7B示出的实施方式的第一变型中，传感器模块116的阵列包括设置在连接构件128的径向中心线上的四个位移传感器模块138a′、138b′、138c′和138d′，这些传感器模块位于内环形凸缘104a与连接元件134之间且跨越被包围的沟槽136。正如前面所描述的，该组传感器模块116总体上提供表征作用力(FX、FY、FZ)和作用力矩(MX和MZ)的测量值。
在图6A-7B示出的实施方式的第二变型中，传感器模块116的阵列包括八个设置在连接构件128的连接元件134上且位于外径向辐条130相对侧的应变传感器模块140a至140h。正如前面所描述的，该组传感器模块116总体上提供表征作用力(FX、FY、FZ)和作用力矩(MX和MZ)的测量值。
图8A和8B中以100g示出的是如图7A和7B所示的载荷感测轴承组件100f的实施方式的变型，其中，省掉了所述突部142中的其一并且改变了传感器模块116的阵列。单个传感器模块116a沿径向与Z轴对准并位于内环形凸缘104a与突部142之间且跨越间隙114，，而第二传感器模块116b则沿径向与X轴对准并位于内环形凸缘104a与第二突部142之间且跨越间隙114。在载荷感测轴承组件100g的X轴上，速度传感器模块144耦联到内环形凸缘104a和轴承外圈或杯102上且与第二传感器模块116b相对。该可选的替代性布置方式以及与传感器模块116a、116b和144的布置方式相配的各向异性弹性区112的类型提供了一组传感器信号，这些传感器信号能够用来计算作用在轴承外圈或杯102上的三个力FX、FY、FZ和两个力矩MX、MZ以及轴承外圈或杯的旋转速度的值。
图9A和9B示出的是本发明的载荷感测轴承组件100的总体标示为100h的可选实施方式，其中，每个各向异性弹性区112包括单个径向辐条146，该径向辐条146将内环形凸缘104a和轴承外圈或杯102耦联到外环形凸缘104b和应用结构106上。每个辐条146绕载荷感测轴承组件100h的Y轴等距设置，如图中示出四个辐条146的图9A所示。所述辐条能够以与前面所述的相类似的各向异性弹性区结构大致相同的方式使内环形凸缘104a和轴承外圈或杯102能够相对于外环形凸缘104b和应用结构106进行有限范围内的位移和旋转。
传感器模块组116包括：沿径向与Z轴对准并位于内环形凸缘104a与突部142之间且跨越间隙114的第一传感器模块116a；沿径向与X轴对准并位于内环形凸缘104a与第二突部142之间且跨越间隙114的第二传感器模块116b；以及沿径向与Z轴对准并位于内环形凸缘104a与突部142之间且跨越间隙114的、与第一传感器模块116a相对的第三传感器模块116c。在载荷感测轴承组件100h的X轴上，速度传感器模块144耦联到内环形凸缘104a和轴承外圈或杯102上且与第二传感器模块116b相对。该可选的替代性布置方式以及与传感器模块116a、116b、116c和144的布置方式相配的各向异性弹性区112的类型提供了一组传感器信号，这些传感器信号能够用来计算作用在轴承外圈或杯102上的三个力FX、FY、FZ和两个力矩MX、MZ以及轴承外圈或杯的旋转速度的值。
图10A和10B示出的是如图9A和9B所示的实施方式的变型，其中，速度传感器模块144由沿径向与X轴对准并位于内环形凸缘104a与第二突部142之间且跨越间隙114的、与第二传感器模块116b相对的第四传感器模块116所代替。此外，在每个辐条146的结构中，形成有跨过辐条146的一面的宽度的第一沟槽148，并且形成有跨过辐条146的另一面的宽度的第二沟槽150，第二沟槽150沿径向自第一沟槽148向外移位。在辐条146的结构中，第一和第二沟槽148、150限定出一个S形的区域。该结构能够以与前面所述的相类似的各向异性弹性区结构大致相同的方式使内环形凸缘104a和轴承外圈或杯102能够相对于外环形凸缘104b和应用结构106进行有限范围内的位移和旋转。传感器模块116a、116b、116c和116d的这种可选的替代性结构和布置方式提供了一组传感器信号，这些传感器信号能够用来计算作用在轴承外圈或杯102上的三个力FX、FY、FZ和两个力矩MX、MZ的值。
图11A和11B示出的是本发明的载荷感测轴承组件100的总体标示为100j的可选实施方式，其中，在具有内环形凸缘104a的轴承外圈或杯102与附连到应用结构106上的外环形凸缘104b之间设置有环形各向异性弹性区152。该环形各向异性弹性区152包括一组四个的沿轴向排列的等距设置的狭槽154a-154d，这些狭槽154a-154b以与Y轴平行的方式穿过凸缘组件104。狭槽154a和154c与载荷感测轴承100j的Z轴垂直，而狭槽154b和154d则与载荷感测轴承100j的X轴垂直。每个狭槽154a-154d填充有柔软的或者弹性填充物156。
为了获得轴承外圈或杯102相对于应用结构106的位移和/或旋转的测量值，绕环形各向异性弹性区152设置一组传感器模块116，其中在每个狭槽154a-154d中居中设置有至少一个传感器模块116。每个所述传感器模块116可以各自包括至少一个位移和/或旋转传感器，或者可以包括应变传感器，从而足以提供用来计算作用在轴承外圈或杯102上的三个力FX、FY、FZ和两个力矩MX、MZ的值的信号。
图12A和12B示出的是本发明的载荷感测轴承组件100的总体标示为100k的可选实施方式，其中，凸缘组件104不是环形的，而是替代性地包括四个等距间隔开的边缘凸出部系列158，这些成系列的边缘凸出部158自轴承外圈或杯102沿径向向外延伸并且限定了各向异性弹性区112。载荷感测轴承组件100k通过使每个边缘凸出部158容置在应用结构中的容纳凹口160内而紧固到应用结构106上。螺栓108穿过位于搭置的固定夹板162上的螺栓孔110并且与应用结构106耦联。
为了测量作用在载荷感测轴承组件100k上的力和力矩，每个边缘凸出部158设置有狭槽164，在狭槽164内设置有传感器模块116。每个传感器模块116可以各自包括至少一个位移和/或旋转传感器，或者可以包括应变传感器，从而足以提供用来计算作用在轴承外圈或杯102上的三个力FX、FY、FZ和两个力矩MX、MZ的值的信号。
图13A和13B示出的是本发明的载荷感测轴承组件100的总体标示为100l的可选实施方式，其中，轴承外圈或杯102一般与凸缘组件104一体成型。所述凸缘组件104的形状基本呈矩形，具有截平的角部166和向内偏移的侧部168。邻近凸缘组件104的截平角部166的螺栓孔110容纳螺栓108，以便将载荷感测轴承组件100l附连到应用结构106。
从图13B中可以最清楚地看出，载荷感测轴承组件100l容纳在应用结构106内的超尺寸开口170中。载荷感测轴承组件100l与应用结构106之间的空隙可以用柔软的弹性材料172来填充以达到密封目的。螺栓孔110与载荷感测轴承组件100l的轴承外圈或杯102之间的区域限定出各向异性弹性区112。为了测量作用在载荷感测轴承组件100l上的力和力矩，在凸缘组件104的每个偏移侧部168与应用结构106之间设置有一组传感器模块116。每个传感器模块116可以各自包括至少一个位移和/或旋转传感器，或者可以包括应变传感器，从而足以提供用来计算作用在轴承外圈或杯102上的三个力FX、FX、FZ和两个力矩MX、MZ的值的信号。
图14A和14B示出的是本发明的载荷感测轴承组件100的总体标示为100m的可选实施方式，其中，各向异性弹性区112基本上由四个等距间隔开的径向安装柱174形成，这些安装柱174自轴承外圈或杯102凸出。四个安装柱174具有大体呈矩形的截面，从而限定出四个侧表面176，这些安装柱174包括穿过轴向突出表面178的螺栓孔110，所述螺栓孔110用于容纳螺栓108以将轴承组件100m紧固到应用结构106。为了测量作用在载荷感测轴承组件100m上的力和力矩，在位于轴承外圈或杯102与应用结构106之间的安装柱174中的至少一个的侧表面176上设置有一组传感器模块116。该组传感器模块116包括足够数量的位移和/或应变传感器，所述位移和/或应变传感器设置成提供用来计算作用在轴承外圈或杯102上的三个力FX、FY、FZ和两个力矩MX、MZ的值的信号。
图15A至15C示出的是本发明的载荷感测轴承组件100的总体标示为100n的可选实施方式，其中，凸缘组件104采用环形构件180的形式，所述环形构件180与轴承外圈或杯102一体成型并且经由穿过螺栓孔110的螺栓108而耦联到应用结构106上。载荷感测轴承组件100n可以包括装配到位于轴承外圈或杯102与应用结构106之间的环形空间内的弹性材料环172以达到密封目的。各向异性弹性区112使得轴承外圈或杯102能够相对于应用结构106进行有限范围内的位移和旋转。载荷感测轴承组件100n中的每个各向异性弹性区112各自由一组等距间隔开的穿过环形构件180的狭槽182限定，这些狭槽182以距离载荷感测轴承组件100n的Y轴相同的直径沿径向设置在轴承外圈或杯102与螺栓孔110之间。
为了测量作用在轴承组件100n上的力和力矩，在各向异性弹性区112中设置有一组传感器模块116，该组传感器模块116包括多个位移传感器模块138和/或多个应变传感器模块140。每个位移传感器模块138设置成跨过每个狭槽182的径向中心线且位于环形构件180的前端面上。参照图15A且从图15C中可以最清楚地看出，在环形构件180的后端面上，应变传感器模块140设置在每个螺栓孔110的每一侧，并且设置成大致与相邻的狭槽182的每一端对准且与螺栓孔110位于相同的圆周上。该可选的替代性布置方式以及各向异性弹性区112的类型，再加上与传感器模块组116，提供了一组传感器信号，这些传感器信号能够用来计算作用在轴承外圈或杯102上的三个力FX、FY、FZ和两个力矩MX、MZ的值。
可以理解的是，虽然在图1A至图15C中示出的载荷感测轴承组件100的多个不同实施方式是在绕Y轴的圆周方向上的每隔90度的循环对称，但是其它的循环对称也是可行的，例如但不限于120度(即绕着圆周的三循环对称)、60度(即绕着圆周的六循环对称)和45度(即绕着圆周的八循环对称)。此外，还可以理解的是，虽然在文中示出的多个不同的示例性实施方式中的轴承外圈或杯102和凸缘组件104一般是与载荷感测轴承组件100安装在其上的应用结构106分开的部件，但是在本发明的范围内，轴承外圈或杯102、各向异性弹性区112、152以及凸缘组件104也可以与应用结构106一体成型。
本领域的技术人员可以明白，多个不同的例示实施方式的传感器模块组中的每个单独的传感器模块116可以包含用以检测多种类型的信息的单个传感器单元或者多个传感器单元，包括但不限于提供用以确定作用在载荷感测轴承组件100上的力FX、FY、FZ和力矩MX、MZ中的至少一个的足够信息所需的应变、位移、旋转或者温度传感器单元。在所有的实施方式中，包括在传感器模块组中的传感器单元可以任选地用来监测用于进行状态监测的振动和温度。任选地，在传感器模块组116中可以包括一个或多个温度传感器单元，优选地紧靠着应变、位移或者其它传感器单元，以提供用以对应变、位移或者其它传感器单元上的热影响进行补偿的温度信息。
本领域的技术人员可以意识到，在本发明的范围内，可以采用任何应变、位移、旋转或者温度传感器技术，以获得所需测量值。举例说明，在本发明的范围内，合适的且可以使用的应变传感器例如但不限于：电阻式传感器、光学传感器、电容式传感器、电感应式传感器、压阻传感器、磁致伸缩传感器、MEMS传感器、振弦式传感器、压电传感器和声敏传感器。类似地，可以使用本领域中众所周知的四分之一桥、半桥或全桥应变传感器。
在本发明的多个不同实施方式中例示的传感器模块的特定位置可作一定程度的调整。由于用来将传感器信号转化成三个力、两个力矩、任选的温度信号和/或任选的速度信号的信号处理软件的可调整特性，传感器模块的放置位置的微小的调整或未对准情形可以通过调整分析软件中的参数来进行补偿。
在上述的每个实施方式中，X轴、Y轴和Z轴已经相对于载荷感测轴承组件100的纵轴加以标识。这些轴用于描述载荷感测轴承组件的实施方式，并不是对本发明的任何特定方位作出规定和要求。也就是说，例如，载荷感测轴承组件100的轴向中心线可以沿任何方向，只要各向异性弹性区、传感器模块、凸缘组件和轴承外圈或杯之间的大体关系维持在上述的每个实施方式中所描述的关系。
通过上面的描述，可以看到本发明的多个目的已经达到，并且也获得了其它的有利结果。由于在不脱离本发明的范围的情况下能够对上述构造进行各种改变，因此包含在上述描述部分中或者示出在附图中的所有内容均应当理解为出于解释目的而非出于限制目的。

Claims (36)

1.一种用于附连到应用结构上的载荷感测轴承组件，包括：
轴承外圈；
支撑结构，所述支撑结构构造成将所述轴承外圈紧固到所述应用结构上，所述支撑结构包括至少一个各向异性弹性区，所述各向异性弹性区构造成使得所述轴承外圈与所述应用结构之间能够进行有限范围内的运动；
一组设置在所述支撑结构上的传感器模块，所述传感器模块组构造成响应于施加到所述轴承外圈上的力和力矩生成一组信号。
2.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组构造成响应于施加到所述轴承外圈上的径向力生成一组信号。
3.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组构造成响应于施加到所述轴承外圈上的推力生成一组信号。
4.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组构造成响应于施加到所述轴承外圈上的翻转力矩生成一组信号。
5.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组包括至少一个选自包括有位移传感器、应变传感器和旋转传感器的传感器组中的传感器模块。
6.根据权利要求5所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组进一步包括至少一个选自包括有温度传感器、速度传感器、加速计和振动传感器的传感器组中的传感器模块。
7.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组包括至少一个传感器模块，该传感器模块选自包括有机械传感器、光学传感器、电光传感器、光纤传感器、电容式传感器、电感应式传感器、电阻式传感器、压阻传感器、微电子机械系统(MEMS)传感器、振弦式传感器、超声波传感器、磁性传感器、磁致伸缩传感器、共振传感器、隧道传感器、原子力传感器或者半导体传感器的传感器组。
8.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组包括至少一个选自包括有四分之一桥传感器、半桥传感器或者全桥传感器的传感器组的传感器模块。
9.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组中的至少一个传感器模块设置在所述支撑结构内。
10.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组中的至少一个传感器模块设置在所述支撑结构的外表面上。
11.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组中的至少一个传感器模块设置成与所述支撑结构中的间隙相交叉。
12.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述支撑结构与所述应用结构一体成型。
13.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述轴承外圈与所述支撑结构一体成型。
14.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述支撑结构进一步包括多个绕着所述轴承外圈的纵轴等距间隔开的各向异性弹性区。
15.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述至少一个各向异性弹性区构造成使得所述轴承外圈与所述应用结构之间能够进行有限范围内的径向位移。
16.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述至少一个各向异性弹性区构造成使得所述轴承外圈与所述应用结构之间能够进行有限范围内的轴向位移。
17.根据权利要求1所述的载荷感测轴承组件，其中，所述至少一个各向异性弹性区构造成使得所述轴承外圈与所述应用结构之间能够进行有限范围内的旋转。
18.一种用于附连到应用结构上的载荷感测轴承组件，包括：
轴承外圈；
凸缘组件，所述凸缘组件构造成将所述轴承外圈紧固到所述应用结构上，所述凸缘组件包括内环形凸缘和外环形凸缘，所述内环形凸缘与所述外环形凸缘以间隙分开；
至少一个各向异性弹性区，其将所述内环形凸缘耦联到所述外环形凸缘且与所述间隙相交叉，所述至少一个各向异性弹性区构造成使得所述轴承外圈与所述应用结构之间能够进行有限范围内的运动；
一组设置在所述凸缘组件上的传感器模块，所述传感器模块组构造成响应于施加到所述轴承外圈上的力和力矩生成一组信号。
19.根据权利要求18所述的载荷感测轴承组件，其中，至少一个传感器模块设置成与所述间隙相交叉。
20.根据权利要求18所述的载荷感测轴承组件，其中，所述至少一个各向异性弹性区包括：
轴向梁；
将所述内环形凸缘耦联到所述轴向梁的第一纵向端部上的内横梁；
将所述外环形凸缘耦联到所述轴向梁的与所述第一纵向端部相对的第二纵向端部上的外横梁；
其中，所述轴向梁、内横梁和内环形凸缘限定出内沟槽；
其中，所述轴向梁、外横梁和外环形凸缘限定出外沟槽。
21.根据权利要求20所述的载荷感测轴承组件，其中，至少一个传感器模块设置在所述内横梁的表面上且大致与所述内横梁的径向中心线对准。
22.根据权利要求20所述的载荷感测轴承组件，其中，至少一个传感器模块设置成与所述外沟槽相交叉且大致与所述外沟槽的径向中心线对准。
23.根据权利要求18所述的载荷感测轴承组件，其中，所述至少一个各向异性弹性区包括：
连接元件；
一对将所述连接元件的相对端耦联到所述内环形凸缘上的内径向辐条；
将所述连接元件耦联到所述外环形凸缘上的外径向辐条，所述外径向辐条与所述连接元件的径向中心线对准；
其中，所述一对内径向辐条、所述连接元件和所述内环形凸缘限定出被包围的沟槽。
24.根据权利要求23所述的载荷感测轴承组件，其中，所述至少一个传感器模块是设置成与所述被包围的沟槽相交叉且位于径向中心线上、同时位于所述连接元件与所述内环形凸缘之间的位移传感器。
25.根据权利要求23所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组包括至少一对应变传感器模块，所述一对应变传感器模块设置在位于每个所述内径向辐条与所述外径向辐条之间的连接元件的表面上。
26.根据权利要求23所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组包括至少一个以可操作方式耦联到所述轴承外圈的速度传感器模块。
27.根据权利要求18所述的载荷感测轴承组件，其中，所述至少一个各向异性弹性区包括将所述内环形凸缘耦联到所述外环形凸缘上的径向辐条，所述径向辐条包括跨过所述径向辐条的第一端面的宽度的第一沟槽和跨过所述径向辐条的与所述第一端面相反的第二端面的宽度的第二沟槽，所述第一沟槽邻近所述内环形凸缘，而所述第二沟槽则自所述第一沟槽沿径向向外设置。
28.根据权利要求23所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组包括至少一个以可操作方式耦联到所述轴承外圈的速度传感器模块。
29.一种用于附连到应用结构上的载荷感测轴承组件，包括：
轴承外圈；
支撑结构，所述支撑结构构造成将所述轴承外圈紧固到所述应用结构上，所述支撑结构包括环形的各向异性弹性区，所述环形的各向异性弹性区包括多个与所述轴承外圈的纵轴平行的狭槽，所述狭槽构造成使得所述轴承外圈与所述应用结构之间能够进行有限范围内的运动；以及
一组设置在所述狭槽内的传感器模块，所述传感器模块组构造成响应于施加到所述轴承外圈上的力和力矩生成一组信号。
30.根据权利要求29所述的载荷感测轴承组件，进一步包括位于所述狭槽内的弹性填充材料。
31.一种用于附连到应用结构上的载荷感测轴承组件，包括：
轴承外圈；
多个边缘凸出部，所述多个边缘凸出部绕所述轴承外圈的圆周等距间隔开并且构造成将所述轴承外圈紧固到所述应用结构上，每个所述边缘凸出部分别包括与所述边缘凸出部的径向中心线对准的狭槽，以使得所述轴承外圈与所述应用结构之间能够进行有限范围内的运动；以及
一组设置在所述狭槽内的传感器模块，所述传感器模块组构造成响应于施加到所述轴承外圈上的力和力矩生成一组信号。
32.一种用于附连到应用结构上的载荷感测轴承组件，包括：
轴承外圈；
矩形支撑结构，所述矩形支撑结构构造成将所述轴承外圈紧固在所述应用结构上的超尺寸开口内，所述矩形支撑结构包括偏移的侧部；以及
一组耦联在每个所述偏移侧部与所述应用结构之间的传感器模块，所述传感器模块组构造成响应于施加到所述轴承外圈上的力和力矩生成一组信号。
33.根据权利要求32所述的载荷感测轴承组件，其中，弹性材料设置在所述超尺寸开口内且位于所述应用结构与所述轴承外圈之间。
34.一种用于附连到应用结构上的载荷感测轴承组件，包括：
轴承外圈；
多个安装柱，所述多个安装柱绕所述轴承外圈的圆周等距间隔开并且构造成将所述轴承外圈紧固到所述应用结构上，每个所述安装柱分别包括用于与所述应用结构接触的轴向突出表面，从而使得所述轴承外圈与所述应用结构之间能够进行有限范围内的运动；以及
一组设置在所述多个安装柱的至少一个的侧表面上的传感器模块，所述传感器模块组构造成响应于施加到所述轴承外圈上的力和力矩生成一组信号。
35.一种用于附连到应用结构上的载荷感测轴承组件，包括：
轴承外圈；
环形支撑结构，所述环形支撑结构构造成将所述轴承外圈紧固到所述应用结构上，所述支撑结构包括多个限定出至少一个各向异性弹性区的狭槽，所述各向异性弹性区构造成使得所述轴承外圈与所述应用结构之间能够进行有限范围内的运动；
一组设置在所述环形支撑结构上的传感器模块，所述传感器模块组构造成响应于施加到所述轴承外圈上的力和力矩生成一组信号。
36.根据权利要求35所述的载荷感测轴承组件，其中，所述传感器模块组包括一组位移传感器模块和一组应变传感器模块；
每个所述位移传感器模块设置成与所述多个狭槽中的一个狭槽的径向中心线相交叉；以及
每个所述应变传感器模块设置成邻近位于所述环形支撑结构与所述应用结构之间的附连点。
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