一种基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承及其制作方法与流程

本发明属于汽车轮毂轴承的技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承及其制作方法。

背景技术：

轮毂轴承是汽车的关键零部件之一，其性能直接关系到汽车的行驶安全性和舒适性，保证汽车轮毂轴承的健康运行至关重要，因此需要对汽车轮毂轴承的运行状态进行有效的监测。

针对汽车轮毂轴承状态监测，国内一些人提出了一些采用如温度(汽车轮毂轴承温度监测装置、监测终端和检测系统，201921627808.7)、振动(汽车第3代轮毂轴承单元的振动测试与分析)方法，但传统的温度监测或振动监测多数是单独进行，即使同时测试也需要采用不同的传感器，多数也是单点测试，如热电偶、振动加速度传感器等，对采集仪器也提出了多通道多样的采集需求。另外也有一些专家利用光纤光栅传感的多点测量的优势，提出了一些利用光纤光栅传感轴承测试方法，如针对关节轴承(一种传感一体化的关节轴承及其使用方法，201910966657.6)或通过对轴承座改造实现轴承试验器上轴承测试(一种测量轴承套圈温度和应变的光纤光栅分布式装置及方法，201610487542.5)，然而关节轴承的结构与滚动轴承存在着极大的差别，而在试验器上对轴承座进行改造，又不能实现轴承传感器一体化，仅能在试验台上开展，不能真实在滚动轴承应用场合使用和在实际工况下测试。此外，目前的三代汽车轮毂轴承单元为双列一体化结构，传统单个轴承的测试方法或者传感器布置安装已经不能满足实际的需求，因此有必要振动三代汽车轮毂轴承传感一体化开展研究。

而且汽车轮毂轴承在行驶过程承受的载荷较为复杂既承受径向载荷又承受弯矩作用，如何通过轴承自身的传感技术有效的获得全周期内的轴承载荷条件也是轴承设计、性能分析的关键。因此迫切需要提出一种新的传感器一体化汽车轮毂轴承。

技术实现要素：

本发明旨在解决现有技术中上述不足，提出一种基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承及其制作方法，能够有效实现汽车轮毂轴承双列轴承的温度、应变的多点同步测试，同时依据提出的载荷辨识方法，实现轮毂轴承载荷测量。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于光纤光栅传感一体化的汽车轮毂轴承包括汽车轮毂轴承1、光纤光栅传感系统2和光纤光栅解调仪3。汽车轮毂轴承1为具有双列结构的第三代汽车轮毂轴承，光纤光栅传感系统2安装固定于轮毂轴承1上，以监测汽车轮毂轴承外圈11的温度和应变状态，光纤光栅解调仪3连接光纤光栅传感系统2，用于显示测试数据。

所述的汽车轮毂轴承1的汽车轮毂轴承外圈11外表面设有环形凹槽和出线槽113，所述的环形凹槽设置为两列，与轴承的列数相一致，分别为第一环形凹槽111和第二环形凹槽112。所述的环形凹槽呈圆环状分别布置于汽车轮毂轴承外圈11外表面，用于固定限制和布置光纤光栅传感器21，第一环形凹槽111、第二环形凹槽112分别位于两列滚动体的正上方中间位置；所述的出线槽113也位于汽车轮毂轴承外圈11的外表面，用于连通第一环形凹槽111和第二环形凹槽112，并与第二环形凹槽112垂直，并且贯通至汽车轮毂轴承外圈11的端面。

所述光纤光栅传感系统2包括光纤光栅传感器21，光纤光栅传感器21包括光纤光栅传感器连接线211、温度测点212、应变测点213和胶214。所述的光纤光栅传感器连接线211将多个温度测点212和应变测点213连接。

所述的温度测点212设置于套管中，并将套管置于第一环形凹槽111和第二环形凹槽112内，用于感知轮毂轴承外圈11的温度；所述的应变测点213则直接粘贴固定于第一环形凹槽111和第二环形凹槽112内，此外，为了避免温度对应变测点213的影响，利用光纤光栅传感器21的温度测点212对应变测点213进行修正补偿，进行温度补偿与解耦，则压力计算公式为：

其中，λ1为对应光纤光栅传感器21的应变测点213的波长；δλ1为对应光纤光栅传感器21的应变测点213的波长变化量；kp为光纤光栅压力转换系数；k2t为光纤光栅温度转换系数；λ2为对应光纤光栅传感器21的温度测点213的波长；δλ2为对应光纤光栅传感器21的温度测点212的波长变化量；p为光纤光栅传感器21的应变测点213值。

所述的光纤光栅传感器21采用胶214将光纤光栅传感器连接线211固定在第一环形凹槽111与第二环形凹槽112中，将第一环形凹槽111、第二环形凹槽112和出线槽113填充，以固定光纤光栅传感器21的温度测点212和应变测点213的位置。

所述的汽车轮毂轴承1优先选用第三代汽车轮毂轴承，所述的光纤光栅传感系统2安装固定于汽车轮毂轴承1上监测汽车轮毂轴承外圈的温度和应变状态。所述的温度测点212为一点或多点，所述的应变测点213优先选用多点。

所述光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承制作方法包括：

步骤一：汽车轮毂轴承1的受力分析：

采用有限元或者轴承静力学方法分析汽车轮毂轴承1的受力。

(1)汽车轮毂轴承1的承载区域分析：在汽车重力作用下，分析内部滚动体的载荷分布，并进行光纤光栅传感器21的布置，在第一环形凹槽111和第二环形凹槽112相对应位置分别都设置温度测点212和应变测点213。

(2)弯矩载荷和径向载荷条件下轮毂轴承套圈的应变特性分析：分析弯矩载荷和径向载荷条件下轮毂轴承套圈两侧轴承以及单侧轴承的上部与下部呈现不同应变变化特性。径向载荷作用下，两列轴承下部均匀承载，两侧轴承的应变测点213一致，且均为下部测点应变大，上部变化极小。而在弯矩载荷作用下，两列轴承测点在弯矩作用下，呈现相反的特性，其中一列上部应变变化大，另一列一个下部应变测点大，呈梯度变化。

步骤二：光纤光栅传感器21布置：通过步骤一中汽车轮毂轴承1的受力分析确定光纤光栅传感器21的安装位置，以轴承的中心轴线的轴向平面为基准，在轴向平面上为上半部，轴向平面以下为下半部，分别在两侧轴承布置光纤光栅传感器21，温度测点212和应变测点213分别在两侧轴承上半部与下半部位置分别设置，且分别在汽车轮毂轴承1的两侧第一环形凹槽111和第二环形凹槽112内布置光纤光栅传感器21后，通过光纤光栅传感器连接线211连接并引出。

步骤三：传感一体化轴承封装：采用胶214将光纤光栅传感器连接线211粘贴在第一环形凹槽111与第二环形凹槽112内，固定光纤光栅传感器21的位置，采用胶214将第一环形凹槽111、第二环形凹槽112和出线槽113填充，填充后与汽车轮毂轴承外圈11的外表面重合。

步骤四：光纤光栅传感器21的标定，光纤光栅传感器21的标定分为温度标定和力参数标定：

(1)温度标定：将步骤三中制作封装后的汽车轮毂轴承1放到可变温度环境中，给汽车轮毂轴承1施加给定温度，测试波长变化，并绘制温度与波长曲线，其斜率为转换系数；

(2)力参数静态标定：在汽车轮毂轴承1不同位置的静态载荷，获得汽车轮毂轴承测试装置应变的实验数据，将得到的多组数据采用最小二乘法数据拟合方法，标定应变或波长与径向载荷或弯矩载荷的关系，在每侧的应变测点213设置一个应变计，并且上半部与下半部各设置一个应变测点213，则弯矩载荷作用下两侧的多个应变测点213的应变计应变的系数为：

同理的，径向载荷作用下两侧多个应变测点213的应变计应变的系数分别为：

(3)力参数动态辨识，分别给汽车轮毂轴承1施加径向载荷或弯矩载荷，分别测试获得两侧传感器上下两处的应变测点213波长变化。

实际在弯矩、径向联合载荷作用应变计测试得到的应变分别为ε2131、ε2132、ε2133、ε2134，则

ε2131＝εm2131+εr2131(1)

ε2132＝εm2132+εr2132(2)

ε2133＝εm2133+εr2133(3)

ε2134＝εm2134+εr2134(4)

fm＝km2131εm2131＝km2132εm2132＝km2133εm2133＝km2134εm2134(5)

fr＝kr2131εr2131＝kr2132εr2132＝kr2133εr2133＝kr2134εr2134(6)

式中，εm2131、εm2132、εm2133、εm2134为应变计在弯矩载荷作用下的应变值，εr2131、εr2132、εr2133、εr2134为应变计在径向载荷作用下的应变值，通过求解方程组，分别求解得出εm2131、εm2132、εm2133、εm2134、εr2131、εr2132、εr2133、εr2134，然后代入方程(5)、(6)即可辨识出弯矩、径向载荷fm、fr。

本发明的效果和益处是：本发明基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承及其制作方法具有以下有益效果(1)充分利用光纤光栅传感器一线多点的优点制成光纤光栅传感器一体化汽车轮毂轴承可以实现温度、应变的多点同步测试；(2)所述的光纤光栅传感器一体化汽车轮毂轴承同时实现两列轴承的温度、应变测试，可以有效获得两列轴承状态，有利于对比和区分两列轴承的状态；(3)所提出的封装方法以及光纤光栅传感器体积小对汽车轮毂轴承的改动量和影响小，利于形成一体化轴承；(4)采用力标定和辨识方法有效辨识并获取汽车轮毂轴承的径向载荷、弯矩，可以实时获取汽车行驶过程中的载荷，为轴承的设计提供准确的载荷边界。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承的结构图；

图2是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承的外圈结构图；

图3(a)是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承的光栅光纤传感器布置图的主视图；

图3(b)是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承的光栅光纤传感器布置图的剖视图；

图4(a)是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承的主视图；

图4(b)是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承的剖视图；

图4(c)是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承的局部放大图；

图5是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承制作方法流程图；

图6(a)是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承的汽车轮毂轴承的受力图；

图6(b)是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承的汽车轮毂轴承滚动体承载分布图；

图7(a)是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承径向载荷套圈应变图；

图7(b)是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承径向载荷作用下的标定结果图；

图8(a)是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承弯矩载荷套圈应变图；

图8(b)是本发明实施例中提供的基于光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承弯矩载荷作用下的标定结果图。

图中：1汽车轮毂轴承；2光纤光栅传感系统；3光纤光栅调节仪；11汽车轮毂轴承外圈；21光纤光栅传感器；111第一环形凹槽；112第二环形凹槽；113出线槽；211光纤光栅传感器连接线；212温度测点；213应变测点；214胶。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在所附多个附图中，同样的或等同的部件(元素)以相同的附图标记标引。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例：

如图1所示，本实施例中的一种传感一体化的汽车轮毂轴承包括汽车轮毂轴承1、光纤光栅传感系统2和光纤光栅解调仪3。汽车轮毂轴承1为具有双列结构的第三代汽车轮毂轴承，光纤光栅传感系统2安装固定于轮毂轴承1上，以监测汽车轮毂轴承外圈的11的温度和应变状态，光纤光栅解调仪3连接光纤光栅传感系统21，用于显示测试数据。

如图2所示，所述汽车轮毂轴承1包括汽车轮毂轴承外圈11、内圈、保持架和滚子，所述轮毂轴承为双列结构，其汽车轮毂轴承外圈11为法兰盘结构，在外表面设有环形凹槽和出线槽，环形凹槽为两列与轴承的列数相一致，分别为第一环形凹槽111和第二环形凹槽112。环形凹槽呈圆环状分别布置于汽车轮毂轴承外圈11外表面，用于固定限制和布置光纤光栅传感器系统2，两侧第一环形凹槽111、第二环形凹槽112分别位于两列滚动体的正上方，能够有效测试轴承的状态以及外界载荷的变化；出线槽113也位于汽车轮毂轴承外圈11的外表面，用于连通第一环形凹槽111和第二环形凹槽112，并与第二环形凹槽112垂直，并且贯通至汽车轮毂轴承外圈11的端面，将光纤光栅传感器连接线211固定并引出。

如图3(a)、图3(b)和图4(a)至图4(c)所示，光纤光栅传感系统2包括光纤光栅传感器21，光纤光栅传感器21包括光纤光栅传感器连接线211、温度测点212、应变测点213和胶214。光纤光栅传感器连接线211将多个将光纤光栅传感测点(温度测点212和应变测点213)连接。所述的温度测点212设置在套管中，将套管与第一环形凹槽111和第二环形凹槽112结合，仅感知轮毂轴承外圈温度，而应变测点213则直接粘贴固定第一环形凹槽111和第二环形凹槽112，此外，为了避免温度对应变测点的影响，利用光纤光栅传感器21的温度测点212对应变测点213进行修正补偿，进行温度补偿与解耦，则压力计算公式为：

其中，λ1为对应光纤光栅传感器21的应变测点213的波长；δλ1为对应光纤光栅传感器21的应变测点213的波长变化量；kp为光纤光栅压力转换系数；k2t为光纤光栅温度转换系数；λ2为对应光纤光栅传感器21的温度测点213的波长；δλ2为对应光纤光栅传感器21的温度测点212的波长变化量；p为光纤光栅传感器21的应变测点213值。

温度测点212为一点或多点，应变测点213优先选用多点。光纤光栅传感器采用胶214将光纤光栅传感器连接线211固定在第一环形凹槽111与第二环形凹槽112上，将第一环形凹槽111、第二环形凹槽112和出线槽113填充，固定传感器的位置。

如图5所示，光纤光栅传感一体化汽车轮毂轴承制作方法的步骤包括：

步骤一：汽车轮毂轴承1的受力分析：

采用有限元或者轴承静力学方法分析汽车轮毂轴承1的受力。

(1)汽车轮毂轴承1的承载区域分析：汽车轮毂轴承1在图6(a)所示汽车重力作用下的内部滚动体的载荷分布图中，当汽车轮毂轴承1受到重力垂直向下，内圈受到的作用力是从下往上传递，承载区域应该在正上方的一部分区域，根据计算大约30°左右，因此传感器布置时对称分别设置温度测点212和应变测点213，如图6(b)。

(2)弯矩载荷和径向载荷条件下轮毂轴承套圈的应变特性分析：弯矩载荷和径向载荷条件下轮毂轴承套圈两侧轴承应变以及单侧轴承的上部与下部呈现不同的变化特性。如图7(a)径向载荷作用下，两列轴承下部均匀承载，两侧轴承的应变测点213一致，且均为下部测点应变大，上部变化极小。

而在弯矩载荷作用下如图8(a)所示，两列轴承测点在弯矩作用下，呈现相反的特性，其中一列上部应变变化大，另一列一个下部应变测点大。

步骤二：光纤光栅传感器21布置：通过步骤一中汽车轮毂轴承1的力学分析确定光纤光栅传感器21的安装位置，以轴承的中心轴线的轴向平面为基准，在轴向平面上为上半部，轴向平面以下为下半部，分别在两侧轴承布置光纤光栅传感器21，温度测点212和应变测点213分别在两侧轴承上半部与下半部位置分别设置，且分别在汽车轮毂轴承1的两侧第一环形凹槽111和第二环形凹槽112内布置光纤光栅传感器21后，并且通过光纤光栅传感器连接线211连接并引出，如图3(a)和图3(b)所示。

步骤三：传感一体化轴承封装：采用胶214将光纤光栅传感器连接线211粘贴在第一环形凹槽111与第二环形凹槽112内，以固定光纤光栅传感器21的位置，采用胶214将第一环形凹槽111、第二环形凹槽112和出线槽113填充，填充后与汽车轮毂轴承外圈11的外表面重合，如图4(a)至图4(c)所示。

步骤四：光纤光栅传感器21的标定，光纤光栅传感器21的标定分为温度标定和力参数标定：

(1)温度标定：将步骤三中制作封装后的汽车轮毂轴承1放到可变温度环境中，给汽车轮毂轴承1施加给定温度，测试波长变化，并绘制温度与波长曲线，其斜率为转换系数；

(2)力参数静态标定：在汽车轮毂轴承1不同位置的静态载荷，获得汽车轮毂轴承测试装置应变的实验数据，将得到的多组数据采用最小二乘法数据拟合方法，标定应变或波长与径向载荷或弯矩载荷的关系如图7(b)和图8(b)，在每侧的应变测点213设置一个应变计，并且上半部与下半部各设置一个应变测点213，则弯矩载荷作用下两侧的多个应变测点213的应变计应变的系数为：

同理的，径向载荷作用下两侧多个应变测点213应变计应变的系数分别为：

(3)力参数动态辨识，分别给汽车轮毂轴承1施加径向载荷或弯矩载荷，分别测试获得两侧传感器上下两处的应变测点213波长变化，

实际在弯矩、径向联合载荷作用应变计测试得到的应变分别为ε2131、ε2132、ε2133、ε2134，则

ε2131＝εm2131+εr2131(1)

ε2132＝εm2132+εr2132(2)

ε2133＝εm2133+εr2133(3)

ε2134＝εm2134+εr2134(4)

fm＝k2131εm2131＝k2132εm2132＝k2133εm2133＝k2134εm2134(5)

fr＝k2131εr2131＝k2132εr2132＝k2133εr2133＝k2134εr2134(6)

式中，εm2131、εm2132、εm2133、εm2134为应变计在弯矩载荷作用下的应变值，εr2131、εr2132、εr2133、εr2134为应变计在径向载荷作用下的应变值，通过求解方程组，分别求解得出εm2131、εm2132、εm2133、εm2134、εr2131、εr2132、εr2133、εr2134，然后代入方程(5)、(6)即可辨识出弯矩、径向载荷fm、fr。

以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。