Việc tích hợp cảm biến vào vòng bi giúp giảm tổng số bộ phận. Ngược lại, điều này giúp đơn giản hóa việc lắp ráp và do đó giảm trọng lượng, yêu cầu về không gian và cuối cùng là chi phí. Ngoài ra, việc tích hợp còn đảm bảo độ tin cậy của hệ thống cao hơn. Thật vậy, bằng cách đo ở gần một bộ phận chính xác, ổ trục, có thể loại bỏ sự thay đổi khe hở không khí do độ lệch có thể xảy ra giữa cảm biến và vòng xung có thể xảy ra trong các bộ phận lắp ráp thông thường.

1. TÓM TẮT

Vòng bi có cảm biến tích hợp hiện đã trở thành hiện thực sau sự phát triển và tiếp thị vòng bi trục “thông minh” cho ngành công nghiệp ô tô tuân thủ các yêu cầu của hệ thống ABS.

Ngày nay, khái niệm tích hợp cảm biến đã được mở rộng để bao gồm các loại vòng bi khác như vòng bi rãnh sâu.

Kỹ thuật này giúp đáp ứng nhu cầu thu thập dữ liệu ngày càng tăng, đặc biệt là trong lĩnh vực cơ học nói chung, liên quan đến sự phát triển, chẳng hạn như tự động hóa và giám sát điện tử liên tục các bộ phận hoặc quy trình để bảo trì phòng ngừa.

Việc tích hợp cảm biến vào vòng bi giúp giảm tổng số bộ phận. Ngược lại, điều này giúp đơn giản hóa việc lắp ráp và do đó giảm trọng lượng, yêu cầu về không gian và cuối cùng là chi phí.Ngoài ra, việc tích hợp còn đảm bảo độ tin cậy của hệ thống cao hơn. Thật vậy, bằng cách đo ở gần một bộ phận chính xác, ổ trục, có thể loại bỏ sự thay đổi khe hở không khí do độ lệch có thể xảy ra giữa cảm biến và vòng xung có thể xảy ra trong các bộ phận lắp ráp thông thường.

Vòng bi rãnh sâu có cảm biến tích hợp (hình 1) thường được sử dụng để đo độ dịch chuyển góc tương đối của hai vòng ổ trục nhằm xác định các yếu tố như tốc độ và hướng quay, gia tốc, số vòng quay, chuyển động và độ dịch chuyển. Thông tin này cung cấp cho người dùng vô số khả năng điều khiển trong các ứng dụng đa dạng như động cơ điện, hộp số và bộ truyền động tuyến tính, đồng thời khiến các thiết bị phát hiện khác trở nên thừa thãi.

2. MÔ TẢ

Như minh họa trên hình 2, ổ bi rãnh sâu có cảm biến tích hợp bao gồm:

Một vòng bi có kích thước tiêu chuẩn
Một vòng xung từ
Một hoặc hai cảm biến tùy thuộc vào thông tin cần thiết
Cáp kết nối

Vòng bi hoạt động theo nguyên lý cơ bản sau: vòng xung từ bao gồm các cực bắc và cực nam nối tiếp nhau, hoạt động theo cách tương tự như vòng răng đặt trong từ trường.

Cảm biến được gắn vào vòng trong của ổ trục. Khi cái sau quay, vòng xung quay qua cảm biến được thiết kế để đáp ứng với sự thay đổi từ trường được tạo ra bởi mỗi thay đổi về cực. Cảm biến sau đó cung cấp một tín hiệu có tần số là một chức năng của số lượng thay đổi cực tính mỗi giây. Do đó, có thể đo chuyển động quay của một vòng so với vòng kia.

Thông qua cáp kết nối, tín hiệu được truyền đến một thiết bị điện tử để xử lý để cho phép đo và sử dụng thông tin cần thiết. Thiết bị này thường được phát triển bởi người dùng (hình 4).

Một ổ bi rãnh sâu tiêu chuẩn có kích thước ISO được sử dụng. Vòng bi không cần sửa đổi để cho phép cố định các thành phần cảm biến. Một ổ trục hiện có có thể được thay thế mà không cần phải sửa đổi đường kính trục hoặc lỗ khoan vỏ. Chỉ có chiều rộng thêm của ổ trục ở một bên phải được cung cấp và phải cung cấp một lối đi cho cáp kết nối.
Vòng xung là một vòng nhựa đúc trên một giá đỡ bằng kim loại để gắn vào vòng trong. Vật liệu nhựa là polyamit và chứa các hạt kim loại (ferit) nên cho phép luân phiên các cực bắc và nam sau khi bộ phận hoàn thiện đã được từ hóa.
Cảm biến hiệu ứng Hall được sử dụng bao gồm một chất bán dẫn rời rạc được cung cấp bởi dòng điện và mạch tích hợp cung cấp tín hiệu tương thích với thiết bị xử lý tín hiệu điện tử.

Nói chung, một chất bán dẫn gallium arsenide được sử dụng.

Khi một dòng điện I chạy giữa cực 1 và cực 2 của nó và chịu tác dụng của từ trường có cường độ B vuông góc với bề mặt của nó, nó sẽ tạo ra một điện áp Vh giữa cực 3 và 4 của nó (hình 6).

Việc đo điện áp này xác định các biến đổi từ thông gây ra bởi sự quay của vòng xung.

Giá trị của dòng điện I (20 mA) được điều chỉnh bằng điện trở tải, do người dùng đặt dưới dạng hàm của điện áp nguồn.

Giá trị của điện áp, Vh, được cho theo công thức: Vh = I B Rh/d trong đó:

Rh = hằng số Hall của chất bán dẫn
d = độ dày của chất bán dẫn
B = cường độ của từ trường vuông góc

Vì Vh có thứ tự 100 microvolt, tín hiệu phải được khuếch đại để cho phép sử dụng nó. Do đó, một mạch tích hợp được liên kết với chất bán dẫn rời rạc. Mạch tích hợp này bao gồm một bộ khuếch đại và một bộ kích hoạt Schmitt biến đổi tín hiệu hình sin do chất bán dẫn cung cấp thành tín hiệu vuông như minh họa trong hình 7.

Cảm biến trong trường hợp hiện tại có kích thước 4, 5 x4, 5 × 1, 5 mm. Nó được cung cấp ba vấu nhỏ để cố định cáp.

Sự thu nhỏ thành phần và khả năng đo tốc độ xuống 0 đã dẫn đến loại cảm biến này được ưa thích hơn các lựa chọn thay thế như cảm biến cảm ứng hoặc điện trở từ.

Cáp liên kết ổ trục với thiết bị xử lý tín hiệu điện tử. Nó có chiều dài tiêu chuẩn là 50 cm và chứa ba hoặc bốn dây, tùy thuộc vào việc một hoặc hai cảm biến được tích hợp trong ổ trục. Nhiệt độ và khả năng chống chịu môi trường đáp ứng yêu cầu của ngành công nghiệp ô tô.

Như thể hiện trong hình 2, cảm biến hiệu ứng Hall và kết nối hàn của nó với cáp được đúc trong một miếng tròn bằng nhựa gắn trong giá đỡ kim loại tạo thành một mảnh với vòng ngoài của ổ trục. Loại kết nối này đảm bảo gắn cảm biến hiệu quả vào ổ trục. Ngoài ra, giá đỡ kim loại tập trung từ thông do vòng xung tạo ra và do đó cho phép cảm biến phát hiện các biến thể thông lượng hiệu quả hơn.

3. ĐẶC ĐIỂM

Tần số, f, của tín hiệu do cảm biến cung cấp được đưa ra theo công thức sau: f = N Z/60 (Hz) trong đó:

N = tốc độ ổ trục (r / phút)
Z = số xung trên mỗi vòng quay
f min = 0
f max = tần số tương ứng với tốc độ ổ trục tối đa
(giới hạn tần số do chính cảm biến là 10,⁶Hz)

Độ chính xác đo là một hàm của số cực của vòng xung. Ngày nay, con số này bị giới hạn vật lý bởi khoảng cách tối thiểu là một milimet giữa hai cực.

Trừ khi có quy định khác, vòng bi rãnh sâu với cảm biến tích hợp được trang bị một vòng chứa 32 cặp cực bắc và nam, tạo ra 32 xung trên mỗi vòng quay.

Độ chính xác đo có thể được tăng lên bằng cách sử dụng ổ trục có hai cảm biến tích hợp. Sau đó, có thể tăng gấp đôi số xung trên mỗi vòng quay bằng cách xử lý tín hiệu được cung cấp bởi mỗi cảm biến. Vòng bi cảm biến tích hợp có thể được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ từ -40 đến +120 °C. Nhiệt độ cao hơn, lên đến 150 ° C, có thể chịu được nếu sử dụng các thành phần phù hợp.

Hơn nữa, vòng bi có thể được bôi trơn suốt đời và niêm phong, một tấm chắn hoặc con dấu tiêu chuẩn được sử dụng ở phía đối diện với cảm biến. Phía cảm biến được bảo vệ bởi một mê cung.

4. ỨNG DỤNG

Xử lý tín hiệu phù hợp của dữ liệu cảm biến trong quá trình quay của ổ trục cho phép đo các trạng thái hoặc yếu tố sau:

dừng hoặc chuyển động
Gia tốc góc
Số vòng quay
quãng đường đã đi

Bằng cách tích hợp cảm biến thứ hai, cũng có thể xác định hướng quay. Cảm biến thứ hai này được dịch chuyển góc so với cảm biến thứ nhất để các tín hiệu được cung cấp bởi cả hai cảm biến được dịch pha trong mối quan hệ với nhau như thể hiện trong hình 8.

Sự dịch pha này là + hoặc – 90 độ theo hướng quay của ổ trục. Do đó, việc xử lý tín hiệu cho phép xác định hướng quay này.

Do đó, vòng bi rãnh sâu với cảm biến tích hợp phù hợp với nhiều ứng dụng bao gồm:

Hệ thống điều khiển để tự động hóa vận hành thiết bị;
Bảo trì phòng ngừa, nơi chúng cho phép giám sát liên tục các cài đặt quan trọng.

Các lĩnh vực ứng dụng chính có thể sử dụng vòng bi rãnh sâu với cảm biến tích hợp bao gồm:

Động cơ điện: các yếu tố thường được đo là tốc độ, gia tốc, số vòng quay hoặc hướng quay;
Hộp số, động cơ giảm tốc hoặc bánh răng vi sai: đại lượng thường được đo là tốc độ và hướng chuyển động để đồng bộ hóa;
Thiết bị truyền động tuyến tính mà độ dịch chuyển góc được đo để điều khiển vị trí;
Trục hoặc trục chính mà tốc độ góc, hướng quay hoặc số vòng quay cần được đo.

5. KẾT LUẬN

Sự phát triển của vòng bi được trang bị cảm biến phù hợp với mục tiêu tích hợp các chức năng khác vào ổ trục, do đó đơn giản hóa quy trình lắp ráp và tạo ra các thiết kế nhỏ gọn hơn.

Sự tích hợp này tạo ra một yếu tố duy nhất kết hợp cả chức năng chịu lực và thu thập dữ liệu. Nó đã được thực hiện bằng cách thu nhỏ các linh kiện điện tử và cải thiện khả năng chịu được nhiệt độ cao.