JP2004239746A

JP2004239746A - 軸受転動体の公転速度測定装置及び方法並びに軸受診断装置

Info

Publication number: JP2004239746A
Application number: JP2003029022A
Authority: JP
Inventors: Tatsunobu Momono; 達信桃野; Manda Noda; 万朶野田; Kenichi Sugiyama; 健一杉山
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】より高精度に転動体の公転速度を測定できる軸受転動体の公転速度測定装置及び方法並びに軸受診断装置を提供する。
【解決手段】レーザ光Ｌが転動体Ｒの中心を通過する方向に照射された場合、その方向は転動体Ｒの法線と一致することとなるので、レーザ光Ｌは垂直に反射し、その反射光束はビームスプリッタＢＳで反射されて、光検出器ＰＤにより受光されることとなる。ところが、レーザ光Ｌが転動体Ｒの中心からずれた方向に照射された場合、照射点は傾いているので、その傾きに応じた角度でレーザ光Ｌが反射するが、その反射光束は光検出器ＰＤにより受光されない位置に向かう。これを言い換えると、転動体Ｒが移動する場合、所定位置（レーザ光Ｌが転動体Ｒの中心を通過する位置）のときのみ、光検出器ＰＤで反射光束を測定できることとなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受の転動体の公転速度を検出する公転速度測定装置及び方法並びに軸受診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受が正常に作動しているかどうかの一つの目安として、公転すべり率による評価がある。公転すべり率「Ｓ」は、次式で定義される。
Ｓ＝（１−Ｎｅｘ／Ｎｔｈ）＊１００（％）
但し、Ｎｔｈ：理論公転速度
Ｎｅｘ：測定公転速度
【０００３】
公転すべり率Ｓが大きくなると、転がり軸受の転動体が転がらずにすべりが大きくなることを意味するが、すべりが大きくなれば、摩耗や、場合によっては焼きつきに至る恐れもある。すなわち、転がり軸受の公転速度は、転がり軸受が正常に作動しているかどうかを判定する１つの重要な判定基準となり得るので、これを正確にまた迅速に測定することが望まれている。
【０００４】
従来の公転速度の測定方法としては、特許文献１に示す技術がある。かかる特許文献１の技術は、ホール素子と磁石を用いたものであり、転がり軸受の鋼球がホール素子の近傍を通過する時の磁束変化を検出するものである。この他にも、渦電流式や静電容量式の非接触変位計で、転動体の通過を測定する方法も考えられる。いずれの方法においても、得られた信号をカウンタに取り込んで公転速度を算出することが行われるのが一般的である。例えば一秒間に１００回の転動体の通過が検出され、転動体数が１０であったとすれば、転動体の公転速度は、１０ｒｐｓすなわち、６００ｒｐｍとなる。
【特許文献１】
特開２００１−３３４６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、いずれの方法も、下記の理由から高精度の測定が期待できないという問題がある。得られた信号をカウンタに取り込んで回転速度を算出する方法では、一秒間に通過した転動体の数は必ずしも整数となるとは限らない。上述した例でも、カウント値が１００だとしても、実際はプラス１回に満たない量だけ転動体は公転しており、その分だけ誤差が生じることになる。
【０００６】
軸受転動体の公転速度を算出するのに、更に別な方法がある。転動体の通過ごとの時間を計測し、それにより公転速度を得る方法である、例えば、転動体数が１０個の軸受において、１０個の転動体が通過するまでの時間を測定し、それが０．１ｓｅｃであれば転動体の公転速度は、１０ｒｐｓすなわち、６００ｒｐｍとなる。時間の測定は、普通のオシロスコープやレコーダでも非常に精度が高い測定が可能である。しかし、この方法を用いても、高精度に公転速度を求めることはできない。
【０００７】
例えばレーザドップラ方式や渦電流方式などの方法により、通常の変位計または振動計の出力を利用して転動体の通通する時間を検出するとしても、いずれも転動体が通過するときの信号の変化が緩やかであるから、転動体の通過タイミングを精度良く求めることは困難である。なぜなら、前記いずれの方法でも、得られる信号は正弦波に近くなり、そのピークの位置を厳密に求めることができないからである。
【０００８】
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、より高精度に転動体の公転速度を測定できる軸受転動体の公転速度測定装置及び方法並びに軸受診断装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の本発明の軸受転動体の公転速度測定装置は、
公転する軸受の転動体に、光束を照射する光源と、
前記転動体の表面からの前記光束の反射光束を、所定位置で受光する光検出器と、
前記光検出器が前記反射光束を所定回数だけ受光した時間を求め、該時間に基づいて前記転動体の公転速度を求めることを特徴とする。
【００１１】
第２の本発明の軸受転動体の公転速度測定方法は、
公転する軸受の転動体に、光束を照射するステップと、
前記転動体の表面からの前記光束の反射光束を、所定位置で受光するステップと、
前記光検出器が前記反射光束を所定回数だけ受光した時間を求め、該時間に基づいて前記転動体の公転速度を求めるステップとを有することを特徴とする。
【００１２】
【作用】
第１の本発明の軸受転動体の公転速度測定装置は、公転する軸受の転動体に、光束を照射する光源と、前記転動体の表面からの前記光束の反射光束を、所定位置で受光する光検出器と、前記光検出器が前記反射光束を所定回数（例えば軸受の有する転動体数に等しい回数）だけ受光した時間を求め、該時間に基づいて前記転動体の公転速度を求めるので、高精度な測定が可能となる。
【００１３】
本発明の原理について、図１を参照して説明する。軸受の転動体の表面は、一般的に極めて粗さが小さくなるように研磨された光沢面となっている。又、転動体の表面は球面もしくは曲面となっている。本発明は、これを前提としている。図１（ａ）において、レーザ光源ＬＤから照射されたレーザ光Ｌは、ビームスプリッタＢＳを通過し、通過する転動体Ｒに照射されるようになっている。ここで、レーザ光Ｌがちょうど転動体Ｒの中心を通過する方向に照射された場合、その方向は転動体Ｒの法線と一致するので、レーザ光Ｌは垂直に反射し、その反射光束はビームスプリッタＢＳで反射されて、所定位置にある光検出器ＰＤにより受光されることとなる。ところが、レーザ光Ｌが転動体Ｒの中心からずれた方向に照射された場合、照射点は傾いているので、その傾きに応じた角度でレーザ光Ｌが反射するが、その反射光束は光検出器ＰＤにより受光されない位置に向かう（図１（ａ）に点線で示す）。これを言い換えると、転動体Ｒが移動する場合、所定位置にある光検出器ＰＤでのみ反射光束を受光測定できることとなる。
【００１４】
ここで、光検出器ＰＤの検出した光量を横軸にとり、転動体Ｒの位置を縦軸にとって示すと、図１（ｂ）に示すグラフが得られ、かかるグラフによれば、所定位置で明らかなピークが生じている。すなわち、光検出器ＰＤの出力信号を解析することで、転動体Ｒの通過を高精度に検出できることとなるのである。
【００１５】
従って、前記光源は、強度の高い平行光束を形成しやすいレーザ光源であると好ましい。
【００１６】
又、前記光検出器は、受光した光束の強度を求めると好ましい。
【００１７】
更に、前記転動体は冠型保持器に保持されており、前記光束は、前記冠型保持器のポケット部側から前記転動体に照射されると、前記光束が遮られることがなく好ましい。
【００１８】
第２の本発明の軸受転動体の公転速度測定方法は、公転する軸受の転動体に、光束を照射するステップと、前記転動体の表面からの前記光束の反射光束を、所定位置で受光するステップと、前記光検出器が前記反射光束を所定回数だけ受光した時間を求め、該時間に基づいて前記転動体の公転速度を求めるステップとを有するので、高精度な測定が可能となる。
【００１９】
更に、前記転動体は冠型保持器に保持されており、前記光束は、前記冠型保持器のポケット部側から前記転動体に照射されると好ましい。
【００２０】
本発明の軸受診断装置は、上述の軸受転動体の公転速度測定装置又は上述の軸受転動体の公転速度測定方法を用いることで、軸受の適切な診断を行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図２は、本実施の形態の軸受転動体の公転速度測定装置の一例の断面図であり、図３は、本実施の形態の軸受転動体の公転速度測定装置を用いて、軸受転動体の公転速度を測定する状態を示す図である。
【００２２】
図２において、軸受転動体の公転速度測定装置（以下測定装置という）１０は、図で右端面に開口１ａを有する円筒状のハウジング１と、ハウジング１内の左端部奥に配置された光源である半導体レーザ２と、光検出器３とを有している。半導体レーザ２は、配線４により外部の電源（不図示）に接続され、光検出器３は、配線５により外部の公転速度算出装置４２（図７）に接続されている。図２に示す測定装置１０は、図１に示すタイプと異なり、ビームスプリッタを設けておらず、反射光束を直接受光する。
【００２３】
図３において、軸３０に嵌合された内輪２１と、外輪２２と、それらの間を転動自在な複数の転動体２３（玉）と、転動体を保持する冠型保持器２４とをそれぞれ有する２つの軸受２０、２０は、筐体３１内に収容されている。測定装置１０は、筐体３１に取り付けられ、開口１ａが形成された先端を、通過する転動体２３に対向させるようにして配置されている。尚、軸受２０が内部隙間を有すると、転動体２３の滑りを管理できなくなるので、転動体２３には、所定の態様で予圧が付加されているものとする（以下同じ）。
【００２４】
図４は、冠型保持器２４の斜視図である。図４に示すように、環状の冠型保持器２４は、転動体２３を保持するポケット部２４ａを、周方向に等間隔に形成してなる。従って、ポケット部２４ａに保持された転動体２３は、一方の側（図４で上方）が露出しており、従って測定装置１０をポケット部２４ａ側に配置すれば、そこから照射されるレーザ光が、冠型保持器２４に遮られることがない。
【００２５】
本実施の形態の動作について説明する。軸３０が回転すると、外輪２２に対して内輪２１が回転するので、それにつれて転動体２３が公転する。測定装置１０の半導体レーザ２には配線４を介して外部から電力が供給され、レーザ光が開口１ａを介して外部に向かって照射されているものとする。ここで、図２に示すように、転動体２３が図１（ａ）に示す位置に来ると、半導体レーザ２から照射されたレーザ光が、転動体２３の表面から反射して、開口１ａから入射し、光検出器３の受光面で受光される。その受光量に応じたハイレベルの信号は、配線５を介して外部のパソコン等に出力される。
【００２６】
一方、転動体２３が図１（ａ）に示す位置にない状態では、半導体レーザ２から照射されたレーザ光が、転動体２３の表面から反射しないので、従って光検出器３は受光しない。かかる場合、光検出器３は、ローレベルの信号を配線５を介して外部のパソコン等に出力する。
【００２７】
図５は、本発明者らの行った試験において、測定装置１０から実際に得られた結果を示すグラフである。図５のグラフにおいて、周期的に急峻なピークが生じているが、これが、半導体レーザ２から照射されたレーザ光が光検出器３に適切に受光されたときであり、すなわち転動体２３が所定位置にきたことを精度良く測定できることを示している。このようにして、転動体２３が通過するタイミングを急峻なピークで精度良く求めることができれば、ピーク間時間を精度良く求めることができ、もって転動体２３の公転速度を正確に求めることができる。
【００２８】
測定装置１０は、試験装置ばかりでなく、実際の製品に搭載することもできる。図６は、車両に取り付けられる車輪支持ユニット４０を、測定装置１０を組み込んだ状態で示す図である。図６において、外輪４１は、その外周面に設けられた取付フランジ４１ａによって、不図示の懸架装置に支持される。この外輪４１の内周面には、複列の外輪軌道４１ｂ、４１ｂを設けている。外輪４１の内方に一部を延在させるようにして、図で左端面に車輪（不図示）が取り付けられるハブ４２が配置されている。
【００２９】
ハブ４２の中間部外周面には内輪軌道４２ａが形成されている。更に、ハブ４２の外周面で、内輪軌道４２ａよりも内側寄り（図で右側）部分には、段差で隔てられた小径部４２ｂを形成している。そして、この小径部４２ｂに、内輪４３を外嵌している。この内輪４３の外周面には内輪軌道４３ａを形成している。
【００３０】
各外輪軌道４１ｂ、４１ｂと各内輪軌道４２ａ、４３ｂとの間には、転動体である玉４４、４４が、それぞれ複数個ずつ設けられている。玉４４、４４は予圧を付与され、１対のアンギュラ型玉軸受を所謂背面組み合わせした、複列玉軸受を構成する。尚、各玉４４、４４は、合成樹脂製の冠型保持器４５、４５により、互いに接触しない様に転動自在に保持されている。尚、外輪４１と、ハブ４２及び内輪４３との間には、シール４６，４６が配置されている。
【００３１】
本実施の形態においては、外輪４１に測定装置１０が取り付けられている。従って、図６に示す車輪支持ユニット４０を実際の車両に取り付ければ、玉４４が許容範囲内で公転しているか否かを、走行中に判断することができ、それにより経時劣化を求めてメンテナンス時期を知らせることなど可能となる。また、車両走行中の急加減速に伴う速度変動や荷重変動、温度変化に伴う軸受すき間の変化、走行中の路面等の変動による衝撃の影響を玉の公転速度を測定することにより判断し、車両の制御回路にフィードバックすることにより、車両の走行性能及び安全性・信頼性を向上させることができる。また、転がり軸受内に水が侵入したり、潤滑剤が劣化した場合等も、潤滑条件の変化により玉の公転速度が変化するので、その劣化状態を検知することができる。尚、測定装置１０は車輪支持ユニットに限らず、工作機械用スピンドルや各種モータ等、軸受を備えた様々な回転機械に組み込むことができる。この場合も車両用軸受と同様に、速度変動、荷重変動や衝撃荷重の負荷、温度変化に伴う軸受すき間の変化、潤滑条件の変化等を玉やころ等の転動体の公転速度を測定することにより検知でき、その検知データに基づいて転がり軸受の異常の有無を判断し、それらの回転機械の性能・信頼性を向上させることができる。圧延機用転がり軸受等のようにスラスト荷重とラジアル荷重の両方の荷重が作用する転がり軸受においては、スラスト荷重とラジアル荷重の負荷率の変化が転動体の公転速度の変化となって現れるので、公転速度の変化からその荷重比が適正範囲であるかの判断をすることもできる。工作機械やハードディスクスピンドル等を備えた情報記録装置のように高度な回転精度が要求される機械に用いられる転がり軸受は、軌道面や転動面の粗さの変化に伴う玉の公転速度の変化を捕らえて、軸受の軌道面や転動画の粗さの劣化を判断することができる。このことにより、これらの回転機械のメンテナンスをより適切に判断できる。
【００３２】
図７は、本実施の形態にかかる測定装置１０を用いた軸受の診断装置の概略構成図である。尚、軸受２０及び測定装置１０は、図３に示す構成と同一であるので、説明を省略する。測定装置１０から出力された信号は、アンプ５１で増幅され、公転速度算出装置５２に入力され、ここで転動体の公転速度が算出される。転動体の公転速度は、例えば図４に示すグラフが得られた場合、１つの転動体が通過する毎に１つのピークが得られるとして、全転動体数に対応するピーク間の時間を求めることで、１公転あたりの時間がわかるから、それに基づき求めることができる。
【００３３】
一方、軸３０を周方向に磁化し、それに磁気センサ５３を近接させれば、軸３０の回転に応じて変化する磁界を検出できる。従って、磁気センサ５３から出力された信号を、アンプ５１で増幅し、公転速度算出装置５２に入力すれば、軸受の回転速度が算出できる。尚、回転速度は、軸３０を駆動するモータ等のインバータ周波数から求めることもできるが、図７に示すように軸３０の回転速度を直接検出した方が、より高精度な値を得られるので好ましい。
【００３４】
更に、公転速度算出装置５２で算出された公転速度と、回転速度算出装置５５で算出された回転速度とを、判定装置５６に入力すれば、予め記憶されている条件（条件式でも良いし試験で求めた結果でも良い）に基づいて、軸受の回転速度に対し、転動体の公転速度が許容範囲内にあるかどうかを判定できることとなる。尚、公転速度算出装置５２と、回転速度算出装置５５と、判定装置５６の処理は、単一のパソコン内で行うこともできる。
【００３５】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、軸受の保持器は冠型保持器に限られない。例えば、冠型保持器以外の保持器の場合には、その一部に孔をあけ、かかる孔を介してレーザ光を照射すればよい。レーザ光は光束を絞ることができるので、孔は小さくて良い。又、レーザ光を照射するポイントは、単一に限らず複数でも良い。この場合、少なくとも光源は２つ必要になる。
【００３６】
更に、軸受は玉軸受に限らず、ころ軸受、或いはボールねじやリニアガイド等でも良い。円筒ころ軸受の場合は、円筒ころの円筒面を反射面として利用すると、反射光束の方向が定まりやすく、光検出器の位置設定が容易である。又、ころの端面が曲面となっている場合、ここにレーザ光を照射しても良い。ころの端面が平面となっている場合、角の面取り部を反射面として利用しても良い、また、軸受の使用条件によっては、外輪の外周面に小孔を貫通させ、かかる小孔を介してレーザ光を転動体に向かって照射しても良い。
【００３７】
【発明の効果】
第１の本発明の軸受転動体の公転速度測定装置は、公転する軸受の転動体に、光束を照射する光源と、前記転動体の表面からの前記光束の反射光束を、所定位置で受光する光検出器と、前記光検出器が前記反射光束を所定回数だけ受光した時間を求め、該時間に基づいて前記転動体の公転速度を求めるので、高精度な測定が可能となる。
【００３８】
第２の本発明の軸受転動体の公転速度測定方法は、公転する軸受の転動体に、光束を照射するステップと、前記転動体の表面からの前記光束の反射光束を、所定位置で受光するステップと、前記光検出器が前記反射光束を所定回数だけ受光した時間を求め、該時間に基づいて前記転動体の公転速度を求めるステップとを有するので、高精度な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための図である。
【図２】本実施の形態の軸受転動体の公転速度測定装置の断面図である。
【図３】本実施の形態の軸受転動体の公転速度測定装置を用いて、軸受転動体の公転速度を測定する状態を示す図である。
【図４】冠型保持器２４の斜視図である。
【図５】本発明者らの行った試験において、測定装置１０から実際に得られた結果を示すグラフである。
【図６】車両に取り付けられる車輪支持ユニットを、測定装置１０を組み込んだ状態で示す図である。
【図７】本実施の形態にかかる測定装置１０を用いた軸受の診断装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１ハウジング
２レーザ光源
３光検出器
１０測定装置
２０軸受
２３転動体
２４冠型軸受
４０車輪支持ユニット
５１，５４アンプ
５２公転速度算出装置い
５５回転速度算出装置
５６判定装置

Claims

公転する軸受の転動体に、光束を照射する光源と、
前記転動体の表面からの前記光束の反射光束を、所定位置で受光する光検出器と、
前記光検出器が前記反射光束を所定回数だけ受光した時間を求め、該時間に基づいて前記転動体の公転速度を求めることを特徴とする軸受転動体の公転速度測定装置。
前記光源は、レーザ光源であることを特徴とする請求項１に記載の軸受転動体の公転速度測定装置。
前記光検出器は、受光した光束の強度を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の軸受転動体の公転速度測定装置。
前記転動体は冠型保持器に保持されており、前記光束は、前記冠型保持器のポケット部側から前記転動体に照射されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の軸受転動体の公転速度測定装置。
公転する軸受の転動体に、光束を照射するステップと、
前記転動体の表面からの前記光束の反射光束を、所定位置で受光するステップと、
前記光検出器が前記反射光束を所定回数だけ受光した時間を求め、該時間に基づいて前記転動体の公転速度を求めるステップとを有することを特徴とする軸受転動体の公転速度測定方法。
前記転動体は冠型保持器に保持されており、前記光束は、前記冠型保持器のポケット部側から前記転動体に照射されることを特徴とする請求項５に記載の軸受転動体の公転速度測定方法。
請求項１乃至４のいずれかに記載の軸受転動体の公転速度測定装置又は請求項５もしくは６に記載の軸受転動体の公転速度測定方法を用いたことを特徴とする軸受診断装置。