JP2005037390A - 軸支されたシャフトを備えている軸受システムの固有周波数の判定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受システム全体の固有周波数、又は、個々のコンポーネント若しくはモジュールの固有周波数を高い測定精度及び高い再現性をもって求めることができる、軸支されたシャフトを備えている軸受システムの固有周波数の判定方法及び装置を提供する。
【解決手段】 軸支されたシャフトを備えている軸受システムの固有周波数の判定方法であって、シャフトを一方の端部を介して振動励起し、シャフトの他方の端部において振動センサによって測定信号を取り出す方法が提案される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、軸支されたシャフトを備えている軸受システムの固有周波数の判定方法及び装置に関する。

シャフトを備えているシステム全体の申し分のない機能を保証するために、軸受システム全体の固有周波数、又は、個々のコンポーネント若しくはモジュールの固有周波数を求めることがしばしば必要となる。

本発明の課題は、このような固有周波数を高い測定精度及び高い再現性をもって求めることができる、軸支されたシャフトを備えている軸受システムの固有周波数の判定方法及び装置を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、冒頭に述べた方法において、シャフトを一方の端部を介して振動励起し、シャフトの他方の端部で振動センサにより測定信号を取り出すことによって解決される。

本発明に係る方法により、振動励起信号の所定の入力と測定信号の所定の出力とが実現される。入力と励起とが異なることによる測定への影響が最低限に抑制されるので、高い再現性が達成される。それと同時に高い測定精度が実現される。本発明に係る方法は、非破壊式に実施することができる。

さらに、測定センサの結合によって軸受システムの共振特性が変化しないことが保証される。

軸受システムは、例えば電気モータ一式であってよく、又は、例えばシャフトを備えているロータ等、軸受システムの一部であってもよい。このように、軸受システムの適当なモジュールを検査したり、システム一式を検査することができる。

シャフトが（第１の）端面側の端部を介して励起され、測定信号が（第２の）端面側の端部の部位において取り出されると、非常に好ましい。それにより、所定の入力及び励起並びに出力を実現することができる。例えば、軸受外輪やモータハブの部位において測定信号を取り出すことも可能である。その場合、軸受外輪及びモータハブは、いずれもシャフトの端面側の端部と連結されており、信号は、軸受外輪又はモータハブを介して端面側の端部の部位において間接的に取り出されるが、但し、いずれの場合でもシャフトの端部から取り出される。

さらに、励起信号と、結果的に生じる測定信号とが相関付けられるときわめて好ましい。それにより、高い再現性と同時に高い測定精度を実現することができる。

励起信号及び測定信号に関して伝達関数を求めると好都合である。測定信号は、励起信号とシャフトの振動特性とによって規定される。伝達関数を算出することによって、励起信号が既知であれば、シャフトを軸支しているシステムの振動特性を求めることができる。

その場合、特に、伝達関数を算出するために調波解析が実施される。フーリエ解析、特に、高速フーリエ解析（ＦＦＴ）を実施するのが好ましい。フーリエ解析の畳込み特性により、伝達関数をその周波数依存性に関して算出することができる。

シャフトが圧電振動子を介して励起されると、非常に好ましい。それにより、所定の振動をするようにシャフトを励起することができる。圧電振動子自体は、発振器を介して電気的に励起される。発振器信号は、シャフトの励起信号を表す目安となる。さらに、評価をするために、例えば伝達関数を算出するために、発振器のこの励起信号を簡単な方法により処理することができる。

圧電振動子を介して、シャフトを定義通りに励起して振動させることができるので、それにより、測定信号の高い再現性を実現可能である。

これと同じ理由から、測定信号が圧電センサを介して取り出されると好都合である。圧電センサは、シャフトを介して励起されて振動し、生成された電気信号は、評価装置によって簡単な方法により評価可能な測定信号となる。又は、例えば加速度センサやレーザ振動計といった他の種類の振動センサも利用可能である。

シャフトに注入される振動励起信号が、さらに別の振動センサによって検出されると好ましいことが判明している。この別の振動センサは、圧電センサ、加速度センサ、レーザ振動計センサ又は振動測定に適した何らかのセンサであってよい。このセンサは、シャフトを励起して振動させる振動励起信号を直接測定する。シャフトの他方の端部における振動センサの測定信号と相関付けるためにこの信号を利用することによって、正確な伝達関数が得られる。

さらに、冒頭に述べた課題は、本発明によれば、軸支されたシャフトを備えている軸受システムの固有周波数の判定装置において、シャフトの一方の端部を介してシャフトを振動励起するための振動励起装置と、シャフトの他方の端部の部位において振動測定信号を取り出すための振動センサとが設けられることによって解決される。

この装置は、本発明に係る方法との関連において既に説明した利点を備えている。

その他の有利な実施の形態も、同じく本発明に係る方法との関連において既に説明済みである。

特に、シャフトは、振動励起装置と振動センサとの間で位置決め可能であり、そのようにして、シャフトを振動励起するための所定の力の導入と、シャフトからの所定の力の導出とが得られる。シャフトがその軸により重力方向にアライメントされながら装置内で位置決めされると、軸受システムを簡単な方法により固定することができる。シャフトは、振動励起装置の上に立てて置かれ、伝達部材が間に介在していてよい（但し、間に介在させなくてもよい。）。その場合、緩衝部材を間に挟みながら振動センサに作用する重量部材によって、シャフトがその位置に保持される。

振動励起装置をシャフトの一方の端部に、特に端面側の端部に結合可能であり、振動センサをこれと対向するシャフトの端部に、特に端面側の端部に結合可能であると、非常に好都合である。それにより、シャフトへの所定の振動導入と、シャフトからの振動導出とを得ることができる。

さらに別の振動センサが振動励起装置とシャフトとの間に配置されていると、非常に好ましい。その場合、この振動センサは、シャフトに対する励起信号を直接測定することができる。この励起信号が評価装置に送信されて、伝達関数が算出される。このような直接測定された励起信号は、発振器励起信号を使用する場合に比較して、伝達関数を算出するためのより良い目安となる。振動システムは、このような発振器励起信号とは異なる挙動を示す可能性があるからである。

有利な実施の形態についての以下の説明は、図面との関連において本発明を詳細に説明するためのものである。

軸支されたシャフトを備えている軸受システムの固有周波数を判定する本発明に係る装置の実施の一形態が図１に模式的に示されており、この図では、全体として符号１０が付されている。この装置によって、軸支されたシャフト１２を備えている軸受システムの固有周波数を判定することができる。この軸受システムは、例えば電気モータ１５であってよく、又は、そのような電気モータの一部であってよい。その場合、シャフト１２はそれに応じたモータシャフトである。

シャフト１２は、図示した例では、例えば転がり軸受等の軸受１４に軸支されている。このような転がり軸受の球部材１６が図１に図示されている。

装置１０は基底部１８を有しており、この基底部を介して、装置１０が低振動で土台上に据え付けられている。

本発明に係る装置１０は、例えば圧電振動子２２を含む振動励起装置２０を有している。図示した実施の形態においては、振動励起は、円錐状の伝達部材２４を介してシャフト１２に伝達される。この伝達部材２４は、シャフト１２の端面側の端部２６に結合されており、先端は、シャフト端部２６の凹陥部に係合している。

特に、端部が平坦な場合には、シャフト１２がその端部２６において圧電振動子２２に直接結合され、シャフト１２が圧電振動子２２の上に立てて置くようにすることも可能である。

圧電振動子２２とシャフト１２との間に振動センサ２７が着座しており、この振動センサを介してシャフトの励起信号を直接的な方法により検出可能であることが意図されていてよい。

圧電振動子２２は、発振器２８を通じて励起される。即ち、相応の電気的な励起信号が圧電振動子２２に供給されて、時間的に定義された振動を生成し、さらに、この振動が端面側の端部２６を介してシャフト１２に伝達される。

発振器２８は、その（電気的な）励起信号を評価装置３０にも供給する。振動センサ２７がシャフト１２に前置されて設けられていれば、この振動センサが代替的又は追加的にその測定信号を評価装置３０へ供給する。

シャフト１２の端面側の端部２６に対向する端面側の端部３２は、シャフトのこの端部３２において測定信号として振動信号を取り出す振動センサ３４と結合されている。この測定信号は、励起信号及びシャフト１２の振動特性に関数的に依存する。

振動センサ３４は、例えば加速度センサ若しくは圧電センサであり、又は、レーザ振動計のような無接触式センサを用いることもできる。無接触式ではない測定を行うセンサのために、シャフト１２の端面側の端部３２に結合されたテーパ状の伝達部材３６が設けられていてよい。この伝達部材３６は、シャフト１２の振動を受けて、これを振動センサ３４へと伝達する。振動センサは、測定信号として電気信号を生成し、又は、電気信号に変換可能な測定信号を生成して、これが評価装置３０へ転送される。

評価装置３０では、調波分析、特にフーリエ変換を通じて伝達関数が算出される。この伝達関数は、発振器２８から評価装置３０へ送信される励起信号、及び／又は、振動センサ２７の測定信号と、振動センサ３４から評価装置３０へ供給される測定信号とを相関付けるものである。特に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により算出される伝達関数は、軸受システム１５の固有周波数スペクトルに関する情報を含んでいる。

図１に示す実施の形態では、圧電振動子２２は、基底部１８の上で位置決めされている。振動センサ３４は、重力を基準として、試験対象物としての電気モータ１５と共に伝達部材２４と伝達部材３６との間で位置決めされるシャフト１２の上に着座している。

クランプ装置４０は、軸受システム１５を挟み込むために設けられている。このクランプ装置４０は、振動センサ３４に作用してこれをシャフト１２に対して定義通り保持する部材４２を含んでいる。このとき、振動センサ３４と部材４２との間には、クランプ装置４０を振動に関してシャフト１２から遮断する緩衝部材４４が設けられるのが好ましい。この緩衝装置４４は、例えばゴムにより製作される。

クランプ装置４０は、重力によって部材４２に作用する一つ又は複数の重量部材４６を含んでいるのが好ましく、それにより、シャフト１２への振動導入及びシャフト１２からの振動導出に大きな影響を及ぼすことなく、軸受システム１５が圧電振動子２２と振動センサ３４との間に挟み込まれる。

重量部材がそれ自体として質量に関して可変であるか、又は、所定の挟み込みを設定可能な１セットの重量部材が設けられることが意図されていてよい。

本発明では、測定対象物としての軸受システム１５のシャフト１２の振動励起が、第１の端部及び特に端面側の端部２６を介して導入され、他方の端部３２の部位において振動測定信号が取り出される。それにより、入力や出力によって測定対象物の共振特性が大きく変化しないことが保証される。注入と励起とが相違している結果として生じる可能性がある潜在的な影響量が、それによって大幅に減少する。本発明に係る装置及び本発明に係る方法により、軸受システム１５の固有周波数を高い測定精度及び高い再現性で判定することができる。

軸受システム１５は、一つの周波数帯域の異なる周波数において励起される。例えば、正弦波掃引が行われる。この場合、正弦波振動周波数が変調される。例えば、振幅が一定で基本周波数が１００Ｈｚである場合、８ｋＨｚまでの周波数を通過してから、飛躍して基本周波数に戻る。

帯域幅の内部において励起が多数の周波数で行われる周期ランダムノイズ方式を採用することも可能である。それにより高い精度を実現することができる。

図２乃至図４には、本発明に係る方法によって算出された伝達関数が周波数に依存して示されている。

図２は、内部の初期荷重が１２Ｎである転がり軸受・電気モータについて算出された伝達関数４８を示している。この場合、電気モータが全体として軸受システムになる。システムの固有振動に帰せられる周波数ピーク５０を認定することができる。

図３は、初期荷重が５Ｎである同じ軸受システムについての伝達関数５２を示している。図２のピーク５０に比較して低い周波数の方へ移動したピーク５４を認定することができる。さらに、ピークの高さがピーク５０よりも著しく低くなっている。

最後に、図４は、内部の初期荷重が２Ｎよりも小さい同じ軸受システム（転がり軸受を備えている電気モータ）について算出された伝達関数５６を示している。図示されている周波数範囲内にはピークが存在せず、即ち、この場合には、固有周波数が存在しないことが認定される。

図２乃至図４を比較してみると明らかなように、シャフト１２の取付時に生成される（定義通り生成可能でもある）内部の初期荷重が、電気モータの固有周波数スペクトルに対して強く影響する。

しかし、逆に、それによって、測定された伝達関数を通じて軸受システムの初期荷重を間接的に算出することが可能である。図２乃至図４に示すように、伝達関数は、初期荷重に依存するからである。本発明に係る方法により、転がり軸受システムの内部に閉じ込められている初期荷重を非破壊によって再現可能に求めることに初めて成功した。

本発明に係る装置の実施の一形態を示す模式図である。 内部の初期荷重が異なる転がり軸受システムにおいて算出された伝達関数の例である。 内部の初期荷重が異なる転がり軸受システムにおいて算出された伝達関数の例である。 内部の初期荷重が異なる転がり軸受システムにおいて算出された伝達関数の例である。

符号の説明

１０ 装置
１２ シャフト
１４ 軸受
１５ 電気モータ／軸受システム
１６ 球部材
１８ 基底部
２０ 振動励起装置
２２ 圧電振動子
２４ 伝達部材
２６ 端面側の端部
２７ 振動センサ
２８ 発振器
３０ 評価装置
３２ 端面側の端部
３４ 振動センサ
３６ 伝達部材
３８ 軸方向
４０ クランプ装置
４２ 部材
４４ 緩衝部材
４６ 重量部材
４８ 伝達関数
５０ 周波数ピーク
５２ 伝達関数
５４ ピーク
５６ 伝達関数

Claims (18)

1. 軸支されたシャフトを備えている軸受システムの固有周波数の判定方法であって、前記シャフトを一方の端部を介して振動励起し、前記シャフトの他方の端部において振動センサによって測定信号を取り出すことを特徴とする、軸受システムの固有周波数の判定方法。
2. 前記シャフトは、一方の端面側の端部を介して励起されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記測定信号は、前記シャフトの一方の端面側の端部の部位において取り出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 励起信号と、結果的に生じる前記測定信号とが相関付けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記励起信号及び前記測定信号に関して伝達関数が算出されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 調波分析が行われることを特徴とする請求項４又は５に記載の方法。
7. 前記シャフトは、圧電振動子を介して励起されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記測定信号は、圧電センサを介して取り出されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記シャフトに注入される振動励起信号がさらに別の振動センサを介して検出されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 軸支されたシャフト（１２）を備えている軸受システム（１５）の固有周波数の判定装置であって、前記シャフト（１２）の一方の端部（２６）を介して前記シャフト（１２）を振動励起するための振動励起装置（２０）と、前記シャフト（１２）の他方の端部（３２）の部位において振動測定信号を取り出すための振動センサ（３４）と、を備えていることを特徴とする、軸受システムの固有周波数の判定装置。
11. 前記シャフト（１２）は、前記振動励起装置（２０）と前記振動センサ（３４）との間で位置決め可能であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記振動励起装置（２０）は、前記シャフトの一方の端部（２６）に結合可能であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の装置。
13. 前記振動センサ（３４）は、前記シャフト（１２）の対向する端部（３２）に結合可能であることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記振動センサ（３４）は、圧電センサであることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記振動励起装置（２０）は、圧電振動子（２２）を備えていることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 評価装置（３０）が設けられており、前記評価装置により、前記振動励起装置（２０）の励起信号と前記振動センサ（３４）の測定信号とを相関付けることが可能であることを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 前記評価装置により、前記励起信号及び前記測定信号に関して伝達関数を算出可能であることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. さらに別の振動センサ（２７）が、前記振動励起装置（２０）と前記シャフト（１２）との間に配置されていることを特徴とする請求項１０乃至１７のいずれか一項に記載の装置。

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