JP2006214905A - 較正曲線取得方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】内輪21と外輪20の間を転動するボール22を有する軸受の所定箇所(軸受ハウジング7と外輪20の嵌合部や外輪20とボール22の接触部)に対して、超音波探触子1から超音波を照射し、所定箇所からの反射波の強度を測定し、予め求めた反射波の強度とボール支持荷重との関係を表す較正曲線データに基づいてボール支持荷重の大きさを算出するに際して使用される較正曲線取得方法であって、ボール22が各超音波探触子1の直下に来たときに検出される反射波の強度と、静荷重に基づくボール支持荷重との関係に基づいて較正曲線データを取得するステップを有する。
【選択図】図6
Description
内輪と外輪の間を転動する転動体を有する軸受の所定箇所に対して、超音波探触子から超音波を照射し、前記所定箇所からの反射波の強度を測定し、予め求めた反射波の強度と転動体支持荷重との関係を表す較正曲線データに基づいて転動体支持荷重の大きさを算出するに際して使用される較正曲線の取得方法であって、
転動体が各超音波探触子の直下に来たときに検出される反射波の強度と、静荷重に基づく転動体支持荷重との関係に基づいて前記較正曲線データを取得するステップを有することを特徴とするものである。
hは外的な軸受荷重が作用しているときのエコー高さであり、h0は外的な軸受荷重が作用していないとき(無負荷時)のエコー高さに相当する値である。なお、100倍しているのは%表示するためであり、必ずしも必要なものではない。軸受荷重が大きいほどhは小さくなるため(反射波の大きさは小さくなる)、エコー高さ比(H)は大きくなる。従って、エコー高さ比から転動体支持荷重を推定することができるので、予めエコー高さ比と転動体支持荷重との関係式や関数等を較正曲線データとして求めておくことにより、転動体支持荷重の測定を行うことができる。
本発明において測定対象となる軸受2は、外輪20と、内輪21と、外輪20と内輪21との間に挟持される多数個のボール22(転動体)とを備えている。内輪21の内径部分には回転軸3が圧入等の適宜の方法により固定される。軸受2は、軸受ハウジング7に形成された嵌合孔7aに、その外輪20が嵌合されることで支持される。軸受ハウジング7の外周には、回転軸3と同心に形成される円筒面7bが形成され、そこに超音波探触子1が適宜の方法で取り付けられる。なお、超音波探触子1の取付面は円筒面7bでなくてもよい。
次に、超音波探触子1を用いてボール支持荷重を推定する方法の原理を図2により説明する。図2(a)は超音波探触子1の直下(音軸上)にボール22が位置している状態、(b)は超音波探触子1の直下にボール22とボール22の間が位置している状態である。超音波探触子1から発せられた超音波は、軸受ハウジング7と外輪20との嵌合部に向かい、一部はその嵌合部から透過し、残りは嵌合部で反射する。この反射波を超音波探触子1により受信する。
hは外的な軸受荷重(図1にWで示す)が作用している時のエコー高さである。h0は外的な軸受荷重が作用していない時(無負荷時)のエコー高さ(基準エコー高さ)であり、実際には隣接する転動体の中央に探触子が位置するときのエコー高さを用いる。なお、100倍しているのは%表示するためであり、必ずしも必要とされるものではない。軸受荷重が大きいほど外輪20とボール22の接触面積は大きくなり、hは小さくなる(反射波の大きさは小さくなる)ため、エコー高さ比(H)は大きくなる。
次に、パソコン5に組み込まれるコンピュータプログラムの機能について説明する。図3に示すように、パソコン5には、超音波探触子1により受信した反射波信号に基づいて、軸受荷重を算出するためのソフトウェアとして軸受荷重推定プログラム10がインストールされている。
エコー高さ比を求めて軸受荷重を推定するためには、予め較正曲線を求めておく必要がある。図4は、較正曲線の一例を示す図である。縦軸がエコー高さ比(H)であり、横軸がボール支持荷重wである。回転軸に作用する静荷重の大きさが既知であれば、各ボール22により分担して支持される荷重の大きさは、ボール22の角位置θに応じて計算で求めることができる。従って、較正曲線を求める場合には、数種類の既知の大きさの荷重を作用させて、そのときのエコー高さ比を求めることができる。本発明においては、後述するように、静荷重の作用のみで較正曲線を取得する方法を提供する。
較正曲線を求めるためには、荷重を変化させていく必要がある。荷重を変化させて、各荷重におけるエコー高さ比を求めることで較正曲線が得られるからである。しかしながら、現実的には、荷重を変化させてデータを取ることが難しいことが多い。
図9は、斜角探触子を用いて較正曲線を取得する場合の構成例を示す図である。斜角探触子1は、軸受ハウジング7の側面に配置してボール支持荷重の測定を行う。図9(b)の側断面図に示すように、ハウジング7の両側面に発信用探触子1Bと受信用探触子1Aを配置して、一対の探触子1によりボール支持荷重の測定を行う。ただし、一対ではなく1個の斜角探触子1を送信用と受信用で兼用することもできる。隣接する斜角探触子1からの超音波の影響を防ぐため、使用する斜角探触子1は常に1個とするか、互いに干渉をしない2個(複数個)の探触子1を切り替えて使用する。
次に、較正曲線を取得するための別の方法を図10により説明する。この図10では、軸受ハウジング7の円筒面7bに沿って、アレイ型の探触子12を配置している。アレイ型の探触子12は、図11に示すような構造を有しており、円周方向長さが80〜100μmサイズの微小な角柱の振動素子12aを多数並べて配置しており、振動素子12aの間には高分子材料が埋め込まれている。これにより、柔軟性を有する構造となり、図10に示すような円周方向に沿って自由に曲げて配置することができる。振動素子12aの両側に+電極12bと−電極12cとが配置される。電極12b,12cは、所定個数分の振動素子毎に設けられる。電極面積内の複数の振動素子12aが同時に送受信を行うため、同じ電極内の振動素子12a全体は、図4で示した超音波探触子1の1つと同じ機能をするものと考えて良い。そのため、このようなコンポジット素子上に複数の電極を設けて、アレイ型の探触子を構成することが可能になる。
次に、ボールの位置から計算で求まる探触子音軸上での支持荷重(較正時荷重)w0と、それに伴い発生する嵌合面での面圧分布fθ、超音波照射領域での音圧分布pθ、静荷重下でのボール通過時に計測されるエコー高さ比Hθ0を基に、変動荷重下で計測されるHθから、その時のボール支持荷重wθを推定する方法を説明する。
ここでwθ0は静荷重が作用しているときのθ位置でのボール支持荷重を表し、wθは同位置での変動荷重が作用しているときのボール支持荷重を表す。
A∝wα
で表される。接触面積Aは、支持荷重が大きくなれば大きくなる。ここでαの値であるが、
α=2/3(球体と平面の接触)
α=1/2(円柱と平面の接触)
α=1.0(突起と平面の接触)
で表される。
H∝A
なお、ある位置θにボールが来た時のエコー高さ比Hθは、超音波照射領域内での固体接触面積の分布Aθのほかに、音圧分布pθの影響も受ける。さらにAθはボール支持荷重で決まる面圧fθ(従って、wθ)のα乗に比例するので、
Hθ∝∫Aθ×pθdθ=∫fθ α×pθdθ
ただし、Aθ、pθ、fθは、軸方向の分布の影響も考慮された値である。
wθ0=w0+(Δw/Θ)θ
従って、変動荷重下でのボール支持荷重wθは、前述したように、(wθ/wθ0)がθ方向に一定と考えることができることを考慮して、
Hθ/Hθ0=∫fθ α×pθdθ/∫fθ0 α×pθdθ
=∫{(wθ/wθ0)fθ0}α×pθdθ/∫fθ0 α×pθdθ
=(wθ/wθ0)α
の関係式で表すことができる。これらの式から、
wθ=(Hθ/Hθ0)1/α×{w0+(Δw/Θ)θ}
この式において、超音波探触子の超音波照射領域が狭い場合は、Δw<<w0となるので、Δwの項が消え、
wθ=(Hθ/Hθ0)1/α×w0
となる。
α={ln(H01/H02)}{ln(w01/w02)}
により、αを算出する。低荷重から高荷重までの、数種類での荷重下でのHを用いて、αの平均値を求めることが好ましい。αを求めるために荷重を変化させる必要はあるが、αについては経時変化が少ないため、常時測定することはない。
以上、較正曲線を取得する方法について種々説明してきたが、いずれも軸受ハウジングを有する軸受構造に関するものである。一方、近年においては、外輪と軸受ハウジングを一体化したような軸受構造が知られている。すなわち、ハウジングを外輪に、軸を内輪に見立ててレース面の加工を施し、ユニット化した軸受構造が用いられている。
A∝wα
で表される。接触面積Aとは、EHL部(弾性流体潤滑部)の面積に相当し、支持荷重が大きくなれば接触面積Aの大きさも大きくなる。ここでαの値は、前述の通りである。
H∝A
また、θ方向のエコー高さ比Hは、音圧分布pθの影響を受けるので、
Hθ∝wθ α×pθ
また、静的荷重下におけるボール支持荷重wθ0は、図16に示すような直線近似を行うことができるので、
wθ0=w0+(Δw/Θ)θ
従って、変動荷重下でのボール支持荷重wθは、
Hθ/Hθ0=(wθ/wθ0)α
の関係式で表すことができる。これらの式から、
wθ=(Hθ/Hθ0)1/α×{w0+(Δw/Θ)θ}
この式において、超音波探触子の超音波照射領域が狭い場合は、Δw<<w0となるので、Δwの項が消え、
wθ=(Hθ/Hθ0)1/α×w0
となる。
本実施形態では転動体の一例としてボール(球体)を説明したが、これに限定されるものではなく、円柱形の転動体等を使用する場合にも本発明は応用できるものである。
2 軸受
3 回転軸
4 超音波探傷器
5 パソコン
6 センサー
7 軸受ハウジング
10 軸受荷重推定プログラム
10a エコー高さ比算出手段
10b 軸受荷重算出手段
10c 較正曲線算出手段
10d 表示データ生成手段
11 較正曲線データ保存手段
12 アレイ型探触子
19 モニター
20 外輪
20a 外周部分
21 内輪
22 ボール
H エコー高さ比
w ボール支持荷重
Claims (5)
- 内輪と外輪の間を転動する転動体を有する軸受の所定箇所に対して、超音波探触子から超音波を照射し、前記所定箇所からの反射波の強度を測定し、予め求めた反射波の強度と転動体支持荷重との関係を表す較正曲線データに基づいて転動体支持荷重の大きさを算出するに際して使用される較正曲線の取得方法であって、
転動体が各超音波探触子の直下に来たときに検出される反射波の強度と、静荷重に基づく転動体支持荷重との関係に基づいて前記較正曲線データを取得するステップを有することを特徴とする較正曲線取得方法。 - 軸受ハウジング又は外輪の円周方向に沿って所定間隔で所定の位置に、複数の超音波探触子を配置しておくことを特徴とする請求項1に記載の較正曲線取得方法。
- 転動体の回転移動に連動して、反射波を検出すべき超音波探触子を順次切り替えるステップを有していることを特徴とする請求項2に記載の較正曲線取得方法。
- 微小の振動素子を多数接合して構成されるアレイ型探触子を前記複数の超音波探触子として機能させることを特徴とする請求項2又は3に記載の較正曲線取得方法。
- 前記複数の超音波探触子間の感度ばらつきを調整するため、各超音波探触子の直下に転動体が位置しないときの反射波強度を測定し、この測定データに基づいて調整を行うステップを有することを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の較正曲線取得方法。
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