JP2005331441A

JP2005331441A - トルク計が内蔵された軸受ユニット、及びその組立方法

Info

Publication number: JP2005331441A
Application number: JP2004151389A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Hatano; 量久羽田野
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】
高捩り剛性の起歪部を有するフランジ型トルク計を使用して、これに連結される各回転機器や軸等との軸心精度や重量バランスを保つことによって、特に高速回転時で低振動化し、トルク検出精度を向上させることである。
【解決手段】
軸受ユニットＢの内部において、駆動側及び従動側の各回転軸５，６は、フランジ型トルク計Ｔのフランジ状に形成された各取付部１１，１２に、これら２本の回転軸５，６を同一軸心上に配置しながら連結され、該フランジ型トルク計Ｔは、前記各回転軸５，６をそれぞれ軸支する駆動側の一対のアンギュラ軸受３３ａ，３３ｂと、従動側の一対のアンギュラ軸受３６ａ，３６ｂとの間に配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド電気自動車用の高速回転を要する電動機や発電機、又は変速機等を試験ベンチ上で模擬的に駆動し、それらの性能を評価する試験装置において使用されるトルク計が内蔵された軸受ユニットに関するものである。

例えば電気自動車には、その駆動装置を構成する電動機や、該電動機の回転駆動力を駆動輪に伝達する変速機、内燃機関に連結されて電動機の電力源となる発電機等の回転系の機器が搭載されている。そして、これらの各回転機器単体での性能を評価するためには、実際に車載した状態では外乱要因が大きくなって高精度の結果が得られないので、代わりにこれらを回転供試体として車載状態を模擬した試験装置に取付け、ベンチ上の定置試験が行われる。これに係る試験装置として、回転駆動力吸収又は供給用のダイナモ等と前記供試体とを、軸受ユニットやトルク計を介して連結するものが知られており、電動機では所定回転数での出力トルク特性や、発電機では同じく発電出力特性等を計測するための評価試験が行われる。そして、これらの電動機や発電機は、変速機と異なり高速回転状態で使用されるので、この仕様条件下で試験されることが多い。

従来の変速機用の試験装置（特許文献１）としては、試験装置に固定された変速機にエンジンに相当する動力を擬似駆動モータで入力しながら、この変速機の出力軸に連結された実車相当の所定の負荷を駆動し、この間の必要な所で回転数やトルク等の諸特性を実測するものがある。回転供試体である変速機への例えば入力トルクを測定するには、前記駆動モータの出力軸と変速機の入力軸との間にトルク計を連結し、該トルク計の回転軸の一部分に小径の起歪部を形成し、この外周面に歪ゲージを貼着して動力伝達時のこの部位の歪量を検出し、回転トランスのような構造により歪ゲージに対してトルク出力の授受等を行い、これを入力トルクに換算して評価試験を行う。このように、モータの回転トルクがトルク計の入力側の回転軸から出力側の回転軸に伝達される時に生じるトルクに比例した起歪部外周面の剪断歪量を電気的に測定しているので、精度よく歪量を測定するには、起歪部である自身の外径をなるべく小径に形成する必要があった。また、自動車の車輪等に生じるトルク相当量を測定する場合には、急発進や急停車等の急激なトルク変化に追随した高い応答性が必要となり、起歪部には大きな捩り剛性が要求され、捩り剛性の大きさは軸半径の４乗に比例するので、該起歪部は大径なほど有利であって、高感度高精度を実現させるための条件に反していた。更に、回転供試体が前述した電気自動車用の電動機や発電機の場合には、変速機よりも高速回転条件下でのトルク測定を余儀なくされ、起歪部が小径に形成されていることに起因して捩り振動や曲げ振動を発生し易く、トルクの検出精度が損われ易いという問題があった。
特開平10-246679号公報

そこで、電気自動車用の電動機や発電機用の同様の試験用途には、より大きな捩り剛性の起歪部を有する後述する構成の「フランジ型」トルク計を使用する例があり、その試験装置の構成例を図４に示す。フランジ型トルク計とは、フランジ状に形成された駆動側の回転軸取付部と従動側の回転軸取付部とが、起歪部を介して同心上に連結され、それぞれの前記各回転軸取付部に２本の回転軸を同一の軸心上に連結配置して、トルク伝達時のこれらの間の回転位相差に応じた起歪部の歪量を検出するものであって、歪ゲージの貼着部位がより大径となり得る起歪部を有するトルク計の総称として以下に説明する。図示されるとおり、電気自動車駆動用の回転供試体である駆動モータＭの出力軸には、軸受ユニットＢ’及びフランジ型トルク計Ｔを介して、回転力吸収用のダイナモＤの入力軸４が、ダイヤフラムカップリング２１，２２，２３を用いて同一の軸心上に接続され、所定回転数でのトルク出力等が測定可能になっている。軸受ユニットＢ’は、モータＭと前記トルク計Ｔの駆動側の回転軸との同一軸心精度を確保するためのものであって、該ユニットＢ’の入力側と出力側の両端部には、回転軸３の両端部を軸支する同一軸心上に保持された一対のベアリング８，９が内装されている。なお、１０は供試体支持台であって、モータＭが嵌合状態で取付けられている。

この構成の試験装置では、前記カップリング２２を介してフランジ型トルク計Ｔの駆動側に接続される軸受ユニットＢ’の回転軸３については、前記軸受ユニットＢ’の一対のベアリング８，９で両端支持されているので、モータＭの駆動に伴う回転振れが抑制されるものの、該トルク計Ｔの従動側に接続されるダイナモＤの入力軸４については、試験装置全体が大型化しすぎる等の理由でもう1台の軸受ユニットを使用せずに、カップリング２３のみを介して連結されている。この結果、前記トルク計Ｔの従動側には、従回転によって脈動負荷を生じて振動等を引起すダイナモＤの入力軸４が接続され、しかもフランジ型トルク計Ｔの駆動側及び従動側の各回転軸取付部１１，１２そのものがフライホイール状に形成されているので、これら自身の重量負荷を無視できず、極小の回転振れであっても起歪部１３において想定以上の大きな振動を引起す恐れが有った。例えば最初にモータＭの最大回転数よりも充分大きな回転数を保持して、この状態から徐々に回転数を減少させて所定の回転数範囲内での出力トルクを測定する際には、最初の回転数で駆動時のモータＭの振動がこれに接続される全ての回転軸に及び、起歪部１３がこれに耐えられず、試験を行うことが困難な場合があった。また、前記トルク計Ｔそのものは、回転バランスが保持されるように予め調整されているが、この駆動側及び従動側の各取付部１１，１２に取付けられる２本の回転軸（カップリング２２，２３）との嵌合は、試験装置組立の都合上、通常すきま嵌めで連結されている。こうして、フランジ型トルク計Ｔとその両側に配置される回転軸３と入力軸４との同心度は、各機器の組付精度に大きく依存することになり、回転軸全体の同心度が損われ易く、高速回転時の回転振れ、重量バランスの崩れにより振動が大きく発生して、トルク測定値に係る起歪部での歪量の検出精度が悪くなるという問題があった。

本発明は、高捩り剛性の起歪部を有するフランジ型トルク計を使用して、これに接続される各回転機器の軸等との軸心精度や重量バランスを保つことによって、特に高速回転時で低振動化し、トルク検出精度を向上させることを課題としている。

上記の課題を解決するために請求項１の発明は、電気自動車用の電動機や発電機等の回転供試体と擬似負荷や擬似駆動源とのそれぞれの回転軸を連結し、この間に伝達されるトルクを測定する試験装置に装着されるトルク計が内蔵された軸受ユニットであって、前記トルク計は、駆動側及び従動側の各回転軸の取付部がフランジ形状に形成され、これら２本の回転軸を同一軸心上に配置しながら連結するフランジ型トルク計であって、しかも該フランジ型トルク計は、前記各回転軸を軸支する駆動側の軸受単体と従動側の軸受単体との間に配設されていることを特徴としている。

トルク計として、フランジ型のものを使用することにより、歪量検出精度を維持しながら起歪部の外径を大きく確保し易くなり、起歪部の捩り剛性不足に起因する例えば捩り共振、曲げ共振等の各種不具合を解決できる。該フランジ型トルク計は、従来例（特許文献１）の回転軸の一部分に小径部を形成して、ここを起歪部とするものと比較すると、フライホイール形状部分の重量負荷が大きく、また、２本の回転軸を連結するので、各回転機器を全て連結した状態での軸心精度が損われ易く、高速回転試験時の振動が大きくなり易い等の欠点を有している。請求項１の発明によれば、フランジ型トルク計の駆動側及び従動側の各取付部に取付けられた２本の回転軸を、該トルク計と可能な限り短い距離をおいて駆動側及び従動側の両側に配置される各軸受単体で支持し、これらを軸受ユニットの内部に配設することによって、前記２本の回転軸や、これに連結される他の回転機器との同心精度の低下に起因する起歪部での回転振れを押え、低振動状態でトルク測定できるので、その検出精度を向上させられる。

請求項２の発明は、請求項１のフランジ型トルク計が内蔵された軸受ユニットの組立方法であって、前記フランジ型トルク計の駆動側及び従動側の各回転軸取付部に２本の回転軸を取付けて１本状の組付軸体を組立て、この組付軸体の軸心出し加工及び重量バランスの調整を行い、駆動側の軸受単体と従動側の軸受単体とで該組付軸体のトルク計の両側を挟んで軸支して前記軸受ユニットを組立てることを特徴としている。

請求項２の発明によれば、すきま嵌め等の組付け理由によって、トルク計の駆動側及び従動側の前記各取付部に２本の回転軸を取付直後の前記組付軸体での軸心精度が良好でない場合でも、この状態で軸心出し用の切削や研磨等の後加工を回転軸に施すことによって、容易に前記組付軸体としての軸心精度を確保することができ、同様に重量バランスの調整も行えるので、高速回転時の振動を抑制しながらトルクの検出精度をより向上できる。

本発明によれば、フランジ型トルク計の駆動側及び従動側の各回転軸取付部から可能な限り短い距離において、前記各回転軸をそれぞれ駆動側及び従動側の両側の軸受単体で軸支する構成にしたので、高捩り剛性の起歪部を有するフランジ型トルク計の長所を生かしながら、これを回転軸に取付けた状態での軸心精度や重量バランスを確保して起歪部での振動を抑制し、特に高速回転時でのトルク検出精度を向上できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を使用して説明する。図１は、本実施形態の軸受ユニットＢの要部断面図である。該軸受ユニットＢは、前述した試験装置において、従来構成の軸受ユニットＢ’の代わりに装着されるユニットであって、その内部には、フランジ型トルク計Ｔが内蔵されている。即ち、軸受ユニットＢの駆動側の回転軸５が、従来例と同様にモータＭの出力軸とカップリング２１を介して連結され、その従動側の回転軸６が、カップリング２２のみを介して、直接にダイナモＤの入力軸４に連結されて、本実施形態の試験装置が構成される（図１及び図４参照、詳細は図示せず）。軸受ユニットＢは、起歪部１３を有するロータ部Ｔｒ、及び該ロータ部Ｔｒの外周面と所定の間隙を介して配置され、フレーム体７の内部に載置されるステータ部Ｔｓとからなるフランジ型トルク計Ｔと、該ロータ部Ｔｒの両側の駆動側及び従動側の各回転軸取付部１１，１２にそれぞれ取り付けられ、これと共に１本状の組付軸体Ｓを構成する駆動側及び従動側の各回転軸５，６と、これらの各回転軸５，６をそれぞれ軸支する駆動側及び従動側の各軸受保持部Ａｄ，Ａｆとを備えている。組付軸体Ｓの両端部は、フレーム体７の駆動側及び従動側の開口部から突出して配置され、この突出軸部には、駆動側の回転軸５を軸支する軸受保持部Ａｄと従動側の回転軸６を軸支する軸受保持部Ａｆとが組込まれている。そして軸受ユニットＢは、他の回転機器と組付軸体Ｓ等とが同一軸心上に配置されるように、ベース台の上面１に載設されている。

フランジ型トルク計Ｔのロータ部Ｔｒは、略円板形状の駆動側及び従動側の各回転軸取付部１１，１２が、略鼓状の外形に形成された起歪部１３を介して、軸方向に沿って同一の中心軸上に連結され、一体化された構成である。駆動側及び従動側の各回転軸５，６は、それぞれの長手方向の片端に一体に形成された取付けフランジ部５ａ，６ａの取付面中央部の凸凹を各回転軸取付部１１，１２の同様の凹凸に緩嵌状態で嵌め合わせ、それぞれにボルト締めされてロータ部Ｔｒに取付けられ、１本状の組付軸体Ｓが形成される。また、ロータ部Ｔｒには、その従動側の回転軸取付部１２から外側に開口する横断面がほぼ円形の有底の中空部１４が、起歪部１３においてその周壁がなるべく肉薄となるように同軸上に形成されており、最肉薄部分に相当する起歪部１３の内周面には、十字方向に配置された複数個の歪ゲージ１５が貼着されている（図２参照）。実施形態のフランジ型トルク計Ｔは、起歪部１３の内周面における剪断歪量をトルク測定値に換算するものであって（特許第３４５３６５４号公報参照）、その歪量検知精度は、起歪部１３の周壁の肉厚を薄くするほど向上するので、従来構成の回転軸の外周面の歪量を検知するものと異なり、前記検知精度を損わずに起歪部１３の外径を大きく形成して高い捩り剛性を付与することができる。なお、１６は、回路基板であって、歪ゲージ１５からの出力を適宜処理したり、ステータ部Ｔｓから送電される電力を該基板用に変換する電子回路等が実装されており、１７は、蓋体であって、中空部１４の内周面に貼着された歪ゲージ１５の剥離や、回路基板１６の配線断線等の不具合を防止するものである。

また、ロータ部Ｔｒの従動側の回転軸取付部１２の周囲には、その外周面と所定の間隙を介して、略円環状のアンテナ部１８が周設されており、該アンテナ部１８は、その下方において固定台１９に固定され、両者によりステータ部Ｔｓが構成されている。ステータ部Ｔｓでは、アンテナ部１８を介したロータ部Ｔｒへの電力供給や、歪ゲージ１５の歪量に相当するロータ部Ｔｒからの出力信号の受信等が行われ、これにより伝達トルクが測定される。該ステータ部Ｔｓは、前記ロータ部Ｔｒに対して軸方向及び垂直方向に沿って所定位置に配置され、その固定台１９の部分を前記フレーム体７の底面に固定されている。

次に、駆動側軸受保持部Ａｄについて説明する。該軸受保持部Ａｄは、回転軸５の貫通孔が形成された底部を有する略筒状の保持部本体３１の内部に、間隔リング３２を介して底側及び開口側にそれぞれ配置して収容される一対のアンギュラ軸受３３ａ,３３ｂで駆動側の回転軸５を軸支すべく、組付軸体Ｓとの同心精度を確保しながらフレーム体７の側方に取付けられている。フランジ型トルク計Ｔが取付けられたフレーム体７に駆動側軸受保持部Ａｄを組込むには、フレーム体７の嵌合凹部に保持部本体３１の凸部を嵌合わせ、その取付鍔部３１ａをフレーム体７にボルト締めして、この状態で前記保持部本体３１の底部から順に、前記アンギュラ軸受３３ａ、間隔リング３２、アンギュラ軸受３３ｂを回転軸５に組込み、軸受ストッパー３４でこれらを回転軸５に固定しながら、ブラケット３５により保持部本体３１の開口部を覆蓋する。従動側の軸受保持部Ａｆは、駆動側のそれとほぼ同一の構成であって、フレーム体７を介して駆動側の軸受保持部Ａｄと対峙する同一の軸心上に配置され、同様に組み付けられて軸受ユニットＢが構成される。なお、各軸受保持部Ａｄ，Ａｆには、図示しないアンギュラ軸受への給油部や排油部等が設けられている。また、図１では、駆動側軸受保持部Ａｄに対応する従動側軸受保持部Ａｆの各部分には、一対のアンギュラ軸受３６ａ，３６ｂを除いて同一の符号を付して図示した。

上記した構成の軸受ユニットＢを組立てるには例えば以下の点に留意して組立てる。まず、ロータ部Ｔｒの駆動側及び従動側の各回転軸取付部１１,１２にそれぞれの回転軸５，６を緩嵌及びボルト締めして取付け、組付軸体Ｓを組立てる。そして、この組付軸体Ｓの状態で各回転軸５，６の外周面を切削等して、組立体としての軸心精度が確保されるように追加工を施す。前記各回転軸５，６をそれぞれ緩嵌状態で前記各回転軸取付部１１，１２にボルト締めして組付けるだけでは、組立体としての同心度を損ねて起歪部１３での検知歪量の精度が低下する恐れが有るが、この追加工により、嵌合精度のみに依存せずに、回転振れが極めて少ないほぼ１本軸状の組付体が形成される。続いて、偏重量に起因する回転時の振動を抑制すべく、この組付軸体Ｓ状態での重量バランスの調整をも行う。そして、フレーム体７の底面に載設された前記ステータ部Ｔｓに対して、上記した組付軸体Ｓを所定位置に配置して、更に該組付軸体Ｓの前記各回転軸５，６の部分に各軸受保持部Ａｄ，Ａｆを組込んで軸受ユニットＢを組立てる。

前記各取付けフランジ部５ａ，６ａを介してフランジ型トルク計Ｔの駆動側及び従動側の両側に取付けられた前記各回転軸５，６は、軸受ユニットＢの内部において、それらの所定長の部分が各保持部本体３１，３１の内部にそれぞれ突出した状態で、駆動側及び従動側の各一対のアンギュラ軸受３３ａ，３３ｂ，３６ａ，３６ｂで軸支され、組付軸体Ｓと他の回転機器やカップリング等とが連結された状態での同心度が確保される。駆動側の回転軸５の取付けフランジ部５ａと、該取付けフランジ部５ａに近い側のアンギュラ軸受３３ａ，３３ｂとの距離は、回転の安定性からして可能な限り短いことが望ましく、従動側の回転軸６についても同様である。このように、トルク検出器としてフランジ型トルク計Ｔを使用して、この両回転軸取付部１１，１２に近い部分をアンギュラ軸受３３ａ，３３ｂ及びアンギュラ軸受３６ａ，３６ｂで軸支する構成の軸受ユニットＢを用いて前記試験装置を組立てることによって、起歪部１３の歪ゲージ１５の貼着部位において検知される剪断歪量を、小径起歪部の捩り剛性不足による捩り振動や曲げ振動、又は同心度や重量バランスが損われることによる回転振れや振動等に起因するものではなく、トルク伝達時のみの量として正確に検知することができ、高速回転や高応答性に対応したトルクの検出精度が向上する。

また、実施形態とは異なる構成のフランジ型トルク計としては、特開平6-3207号公開特許公報に掲載されたものがあって、その一例のロータ部分を示した斜視図を図３に示す。同じ直径の円環形状の駆動側回転軸取付部４１と従動側回転軸取付部４２とが、それぞれの外周部分から軸方向に突設された４箇所の起歪部４３を介して、等間隔をおいて同軸上に連結されてたロータ部Ｔｒ’であって、歪ゲージ１５は、各起歪部４３に貼着されており、ロータ部Ｔｒ’の駆動側回転軸取付部４１と従動側回転軸取付部４２とが捩られることにより発生する起歪部４３上の歪量を該歪ゲージ１５で検知し、図示しないステータ部を介して、実施形態のフランジ型トルク計と同様にトルク測定される。この構成のものでも、歪量の検出精度を損わずに大きな捩り剛性を確保すべく歪ゲージの貼着部位の半径を大きくでき、前述のフランジ型トルク計と同様に軸受ユニットの内部に組込み、同等の作用効果を奏することができる。

なお、上記した本実施形態では、アンギュラ軸受でトルク計の両側の回転軸を軸支する構成について説明したが、軸受単体はこれに限定されず、回転供試体の回転数や負荷によって、ベアリングの型式、予圧方法、潤滑方法を適宜選択可能である。また、回転供試体は、モータや発電機、又は変速機等に限られず、他の回転機器でも同様に使用できる。

本実施形態の軸受ユニットＢの要部断面図である。歪ゲージ１５の貼着位置を模式的に示すフランジ型トルク計Ｔの中空部１４のＸ方向矢視図である。実施形態とは異なる構成のフランジ型トルク計のロータ部Ｔｒ’を示した斜視図である。フランジ型トルク計Ｔを使用した従来構成の試験装置の正面概略図である。

符号の説明

Ｂ：（トルク計が内蔵された）軸受ユニット
Ｄ：ダイナモ（擬似負荷）
Ｍ：モータ（擬似駆動源）
Ｓ：組付軸体
Ｔ：フランジ型トルク計
５：駆動側の回転軸
６：従動側の回転軸
１１：駆動側の回転軸取付部
１２：従動側の回転軸取付部
３３ａ，３３ｂ：アンギュラ軸受（駆動側の軸受単体）
３６ａ，３６ｂ：アンギュラ軸受（従動側の軸受単体）

Claims

電気自動車用の電動機や発電機、又は変速機等の回転供試体と擬似負荷や擬似駆動源とのそれぞれの回転軸を連結して、この間に伝達されるトルクを測定する試験装置に装着されるトルク計が内蔵された軸受ユニットであって、
前記トルク計は、駆動側及び従動側の各回転軸の取付部がフランジ形状に形成され、これら２本の回転軸を同一軸心上に配置しながら連結するフランジ型トルク計であって、しかも該フランジ型トルク計は、前記各回転軸を軸支する駆動側の軸受単体と従動側の軸受単体との間に配設されていることを特徴とするトルク計が内蔵された軸受ユニット。
請求項１に記載のトルク計が内蔵された軸受ユニットの組立方法であって、
前記フランジ型トルク計の駆動側及び従動側の各回転軸取付部に２本の回転軸を取付けて１本状の組付軸体を組立て、この組付軸体の軸心出し加工及び重量バランスの調整を行い、駆動側の軸受単体と従動側の軸受単体とで該組付軸体のトルク計の両側を挟んで軸支して前記軸受ユニットを組立ることを特徴とするトルク計が内蔵された軸受ユニットの組立方法。