JP2006009825A - センサ付軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサを軸受に接近させて、軸受の振動や温度などの軸受の回転状況を正確に測定できるセンサ付軸受を提供する。
【解決手段】 車軸１とともに回転する軸受内輪２２と、固定側の軸受外輪２３との間に転動体２４を回転自在に保持し、軸受外輪２３の外径部に取付けられた固定部材４にセンサ部３を取付け、車軸１の軸端に設けられているフランジ部２７の外周面のセンサターゲット５に対向するセンサ部３の回転センサによって回転数や回転方向を検知するとともに振動センサで振動を検知し、温度センサで温度を検知する。
【選択図】 図１

Description

この発明はセンサ付軸受に関し、例えば、鉄道車両の車軸に組み込まれるセンサ付軸受に関する。センサは車軸の回転数，回転方向，軸受振動，軸受温度などの検出を行う。

鉄道車両の車軸に組み込まれる軸受には、高い信頼性が求められる。なぜなら、金属疲労に起因する亀裂や剥離などの機械的劣化が車軸の動作性能に悪影響を及ぼすだけでなく、車両の安全性を低下させ、重大事故にも結びつく可能性があるからである。特に、近年は保守周期の長期間化および車両の高速化に伴い、軸受としてより高い信頼性が求められている。

特表２００２−５４２９７３号公報（特許文献１）には、車両の複数の車軸のうち、どの車軸が欠陥であるのかを識別できる鉄道車軸ハブユニットが記載されている。この鉄道車軸ハブユニットは、軸受ハウジングに固定された封止環状インサート上に垂直方向および水平方向の振動を検出するセンサを含んだセンサ本体を搭載している。センサによって検出された種々の信号は、車両上に搭載された電子ユニットに送信される。そして、過度に高い温度や不規則な振動周波数のような欠陥のある動作の状態が認識されると、警報信号などが発生される。
特表２００２−５４２９７３号公報（段落番号００１７〜００２３、図１，図３）

しかしながら、特許文献１に記載されている鉄道車軸ハブユニットは、軸受の外輪を圧入固定している軸受ハウジングに封止環状インサートを固定し、この封止環状インサート上にセンサ本体を搭載している。そのため、センサは軸受から離れた位置で回転部分を検出することになる。センサを支持する封止環状インサートの剛性は、あまり高くないので、センサにより正確に軸受の振動を測定できないという問題がある。軸受の不規則な振動周波数を正確に検出するためには、可能な限りセンサを軸受自体に接近させて配置する必要がある。

そこで、この発明の目的は、センサを軸受に接近させ、車軸の回転数や回転方向や軸受の振動や温度などの軸受の軸受状況を正確に測定できるセンサ付軸受を提供することである。

この発明は、内輪と、外輪と、内輪と外輪との間に配置された複数の転動体と、軸受の回転状況を検知するために、外輪の外径部に取付けられたセンサ手段とを備えるセンサ付軸受において、センサ手段は、外輪の外径部に圧入するための面と、軸方向に向く端面とを含む固定部材と、端面に取付けられるセンサとを含む。

したがって、この発明によれば、中間部材を介することなくセンサ手段を外輪の外径部に取付け、回転軸の軸受状況を検知するようにしたので、センサを軸受に接近させて、軸受の振動や温度などの軸受の軸受状況を正確に測定できる。しかも、固定部材の端面にセンサを取付けることで、軸受自体の大きさを大きくする必要がなく、コストを掛ける必要がなくなる。

好ましくは、センサは固定部材の端面に軸方向に着脱自在に取付けられる。これによりセンサの着脱が容易になる。

好ましくは、固定部材には端面の一部に回転止めが形成されていて、外輪が収納されて固定部材の回転止めを係止するための溝が形成されたハウジングを含む。回転止めを形成することで固定部材が回転してセンサのケーブルが不用意に断線するのを防止できる。

好ましくは、軸受の回転数，回転方向，振動数および温度のいずれかを検出する。これにより軸受の回転状況を検出できる。

好ましくは、温度を検出するセンサは、固定部材に最も近い位置に配置される。これにより軸受の温度の検出精度を高めることができる。

好ましくは、回転数や回転方向を検出するセンサは、回転軸のラジアル方向に向けて取付けられて回転数や回転方向を検出する。これにより回転数や回転方向の検出精度を高くできる。

好ましくは、内輪の軸端に取付けられるフランジ部と、フランジ部の外周面に取付けられるセンサターゲットとを含み、回転数や回転方向を検出するセンサは、センサターゲットに対向して固定部材に取付けられる。

好ましくは、センサターゲットは、環状磁性体表面に異なる磁極が交互に形成された磁気エンコーダであり、回転数や回転方向を検出するセンサは、磁気エンコーダの異なる磁極からの磁界を検出して回転数に応じた信号を出力する。

好ましくは、センサターゲットは、環状磁性体の表面に一定間隔でスリットが形成されたパルサリングであって、回転数や回転方向を検出するセンサは、パルサリングのスリットを検出して回転数に応じた信号を出力する。

図１はこの発明の一実施形態におけるセンサ付軸受の断面図であり、図２は図１に示した矢印Ａ方向から見たセンサ付軸受を示す図である。

図１において、車軸１は軸受２によって軸受されている。軸受２は複列の円錐ころ軸受で構成されている。この軸受２は軸受ハウジング２１を含み、軸受ハウジング２１によって軸受内輪２２と、軸受外輪２３とが保持されており、軸受内輪２２と軸受外輪２３との間に複数の円錐ころからなる転動体２４が設けられている。複数の転動体２４は保持器２５によって回転可能に保持されている。軸受内輪２２は車軸１に嵌め込まれており、軸受外輪２３は軸受ハウジング２１に固定されている。転動体２４は保持器２５によって保持されつつ軸受内輪２２と軸受外輪２３とに接触しながら回転する。

車軸１の軸端にはリング部材２６が嵌め込まれており、さらに軸端側にはフランジ部２７が設けられて、車軸１にねじ止めされている。したがって、車軸１の回転とともに軸受内輪２２とリング部材２６とフランジ部２７とが同時に回転する。

軸受ハウジング２１の内面には、軸受外輪２３の軸端側に対向して凹部２８が形成されており、この凹部２８には、センサ部３を固定するための固定部材４が収納されかつ固定部材４は軸受外輪２３の外径部に圧入されて固定されている。軸受外輪２３の内径部は転動体２４が回転するために精度よく形成されており、固定部材４を取付けるのが不適切であるので、固定部材４は外径部に取付けられる。固定部材４は軸受外輪２３の外径部に平行な側面と、車軸１の端面に平行な円周面とを有する軸方向断面がＬ字状に形成された環状形状に形成されており、鍛造，プレス成形あるいは鋳造などにより製作される。

固定部材４の円周面の一部には、図２に示すように軸方向断面がＴ字状の回り止め部４１が形成されている。軸受ハウジング２１には、この回り止め部４１を受け入れる溝２９が形成されており、この溝２９により回り止め部４１が嵌合することで、固定部材４が軸受ハウジングに１に対して回り止め機能が持たされている。

固定部材４の回り止め部４１の近傍の円周面には、センサ部３が固定ボルト４２により、軸方向にねじ止めされている。センサ部３が万一故障した場合は、この固定ボルト４２によりセンサ部３の着脱を容易に行うことができる。また、センサ部３を軸方向からねじ止めできるので、形状を大きくすることなく、軸受２を標準の寸法で形成できる。これにより、軸受２の製造に余分なコストが掛からない。

フランジ部２７の外周面のセンサ部３に対向する位置には、環状のセンサターゲット５が取付けられている。

図３はセンサ部の断面構造を示す図である。センサ部３は車軸１の回転数や回転方向を検出する回転センサ３１と、軸受２の振動数を検出する振動センサ３２と、軸受２の温度を検出する温度センサ３３とを含む。温度センサ３３はより早く軸受２の温度を正確に検出できるように、軸受２の最も近い位置に配置される。これらの回転センサ３１と振動センサ３２と温度センサ３３は、ガラス入りエポキシ樹脂基板３４上に固定されている。また、センサ部３は熱伝導性の優れたモールド樹脂３５によりモールドされている。モールド樹脂３５としては、例えばアルミナなどを含有したエポキシ樹脂：熱伝導度１．４３Ｗ／ｍ℃などを用いることでさらに正確な温度検出を実現できる。

なお、回転センサ３１としては例えばホールＩＣや磁気センサなどを用いることができ、振動センサ３２としては例えば加速度センサなどを用いることができ、温度センサ３３としては例えばサーミスタなどを用いることができる。また、図示しないが、センサ部３から信号出力用のケーブルが取出されて所定の回路に接続される。

図４（ａ）は図１に示したセンサターゲットの一例の磁気エンコーダを示す図である。この例では、センサターゲット５として磁気エンコーダ６を用いるものである。磁気エンコーダ６は、環状磁性体６１の外周面に磁極６２として、一定間隔でＮ極とＳ極とを交互に半径方向に着磁して構成したものである。

車軸１の回転に伴って、軸受内輪２２とリング部材２６とフランジ部２７とが同時に回転するので磁気エンコーダ６も同時に回転する。磁気エンコーダ６の回転に伴って、図１に示したホールＩＣなどの回転センサ３１がＮ極とＳ極の磁界の変化に応じた信号を出力する。この信号を図示しない回路で計数することで回転数や回転方向を検出できる。

図４（ｂ）はセンサターゲット５として、図４（ａ）に示した磁気エンコーダ６に代えてパルサリング７を用いる例を示す図である。パルサリング７は環状磁性体７１の外周面に一定間隔でスリット７２を形成したものである。この例では、回転センサ３１として背面に磁石を固定したバックマグネット方式の磁気センサを用いればよい。

上述のごとく、この実施形態によれば、軸受内輪２２と、軸受外輪２３との間に転動体２４を回転自在に保持し、軸受外輪２３の外径部に取付けられた固定部材４にセンサ部３を取付け、車軸１の軸端に設けられているフランジ部２７の外周面のセンサターゲット５に対向するセンサ部３の回転センサ３１によって車軸１の回転数や回転方向を検知するとともに振動センサ３２で軸受２の振動を検知し、温度センサ３３で軸受２の温度を検知することができる。

しかも、固定部材４にセンサ部３を取付け、固定部材４を軸受外輪２３の外径部に取付けることによりセンサ部３を軸受２自体に接近させることができ、センサ部３の固定部分の剛性を高くできるので、車軸１の回転数や回転方向や軸受２の振動や温度などの軸受２の軸受状況を正確に測定でき、測定精度を高めることができる。

さらに、センサ部３をボルト４２により固定部材４に固定しているので、センサ部３の着脱が可能になり、また軸方向に脱着できるためセンサ部３の交換作業を容易にできる。

さらに、固定部材４に回り止め部４１を形成し、軸受ハウジング２１に回り止め部４１を係止する溝２９を形成したので、固定部材４が不要に回転してしまい、センサ部３のケーブルが断線してしまうおそれを解消できる。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明のセンサ付軸受は、車軸とともに回転する軸受内輪と、軸受外輪との間に転動体を回転自在に保持し、軸受外輪の外径部に圧入された固定部材にセンサを取付け、車軸の回転数や回転方向と軸受の振動数と温度とを検出することができるので、鉄道車両の車軸用の軸受として利用できる。

この発明の一実施形態におけるセンサ付軸受の断面図である。 図１に示した矢印Ａ方向から見たセンサ付軸受を示す図である。 センサ部の断面構造を示す図である。 図１に示したセンサターゲットを示す図である。

符号の説明

１ 車軸、２ 軸受、３ センサ部、４ 固定部材、５ センサターゲット、６ 磁気エンコーダ、７ パルサリング、２１ 軸受ハウジング、２２ 軸受内輪、２３ 軸受外輪、２４ 転動体、２５ 保持器、２６ リング部材、２７ フランジ部、２８ 凹部、２９ 溝、３０ 芯金、３１ 回転センサ、３２ 振動センサ、３３ 温度センサ、３４ ガラス入りエポキシ樹脂基板、３５ モールド樹脂、４１ 回り止め部、４２ 固定ボルト、６１，７１ 環状磁性体、６２ 磁極、７２ スリット。

Claims (9)

1. 内輪と、
   外輪と、
   前記内輪と前記外輪との間に配置された複数の転動体と、
   軸受の回転状況を検知するために、前記外輪の外径部に取付けられたセンサ手段とを備えるセンサ付軸受において、
   前記センサ手段は、
   前記外輪の外径部に圧入するための面と、軸方向に向く端面とを含む固定部材と、
   前記端面に取付けられるセンサとを含む、センサ付軸受。
2. 前記センサは、前記固定部材の端面に軸方向に着脱自在に取付けられる、請求項１に記載のセンサ付軸受。
3. 前記固定部材には、前記端面の一部に回転止めが形成されていて、
   さらに、前記外輪が収納され、前記固定部材の回転止めを係止するための溝が形成されたハウジングを含む、請求項１または２に記載のセンサ付軸受。
4. 前記センサは、前記軸受の回転数，回転方向，振動数および温度のいずれかを検出する、請求項１から３のいずれかに記載のセンサ付軸受。
5. 前記温度を検出するセンサは、前記固定部材に最も近い位置に配置される、請求項４に記載のセンサ付軸受。
6. 前記回転数を検出するセンサは、前記回転軸のラジアル方向に向けて取付けられて前記回転数や回転方向を検出する、請求項４に記載のセンサ付軸受。
7. さらに、前記内輪の軸端に取付けられるフランジ部と、
   前記フランジ部の外周面に取付けられるセンサターゲットとを含み、
   前記回転数や回転方向を検出するセンサは、前記センサターゲットに対向して前記固定部材に取付けられる、請求項６に記載のセンサ付軸受。
8. 前記センサターゲットは、環状磁性体表面に異なる磁極が交互に形成された磁気エンコーダであり、
   前記回転数を検出するセンサは、前記磁気エンコーダの異なる磁極からの磁界を検出して回転数や回転方向に応じた信号を出力する、請求項７に記載のセンサ付軸受。
9. 前記センサターゲットは、環状磁性体の表面に一定間隔でスリットが形成されたパルサリングであって、
   前記回転数や回転方向を検出するセンサは、前記パルサリングのスリットを検出して回転数に応じた信号を出力する、請求項７に記載のセンサ付軸受。
   

Images