JP2007192241A - 潤滑剤劣化検出機能付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受内部の潤滑剤の劣化状態をリアルタイムに検出でき、かつ小型化が可能で、安価に生産できる潤滑剤劣化検出機能付き軸受を提供する。
【解決手段】 この潤滑剤劣化検出機能付き軸受は、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を検出する潤滑剤劣化検出装置１１を組み込んだものである。潤滑剤劣化検出装置１１は、一部にギャップ１４ａを有しこのギャップ１４ａに軸受内の潤滑剤が進入可能なコア１４と、このコア１４に磁界を与える磁石１５と、ギャップ１４ａ内に入った潤滑剤の透磁率を測定する磁気センサ１６とを有する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、軸受内部の摩耗粉による潤滑剤の劣化状態を検出する機能を備えた潤滑剤劣化検出機能付き軸受に関し、特に、鉄道車両、自動車、産業機械等に適用される潤滑剤劣化検出機能付き軸受に関する。

潤滑剤を封入した軸受では、軸受内部の潤滑剤（グリース、油など）が劣化すると転動体の潤滑不良が発生し、軸受寿命が短くなる。転動体の潤滑不良を、軸受の振動状態などから判断するのでは、寿命に達して動作異常が発生してから対処することになるため、潤滑状態の異常をより早く検出できない。そこで、軸受内の潤滑剤の状態を定期的あるいはリアルタイムに観測し、異常やメンテナンス期間の予測を可能にすることが望まれる。

潤滑剤の劣化の主要な原因は、軸受の使用に伴って発生する摩耗粉が潤滑剤に混入することにある。
軸受の摩耗状態を検出するものとしては、軸受のシールの内側にコイルを配置し、グリース等の潤滑剤に含まれる摩耗粉がシールの内側に付着することで前記コイルのインピーダンスが変化するのを、発振法、同調法、ブリッジ法、正帰還法などにより検出するようにしたセンサ付き軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００４−２９３７７６号公報

しかし、上記構成のセンサ付き軸受では、コイルを利用した方式であるため、構造や回路構成が複雑でコストの低減が困難である。

この発明の目的は、軸受内部の潤滑剤の劣化状態をリアルタイムに検出でき、かつ小型化が可能で、安価に生産できる潤滑剤劣化検出機能付き軸受を提供することである。

この発明の潤滑剤劣化検出機能付き軸受は、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を検出する潤滑剤劣化検出装置を組み込んだ軸受であって、前記潤滑剤劣化検出装置は、一部にギャップを有しこのギャップに軸受内の潤滑剤が進入可能なコアと、このコアに磁界を与える磁石と、前記コア内を通る磁束の経路内に配置されて前記ギャップ内に入った潤滑剤の透磁率を測定する磁気センサとを有するものであることを特徴とする。前記磁気センサは例えば前記コアの前記ギャップ内に配置される。
軸受の使用に伴い、潤滑剤の鉄粉からなる摩耗粉の混入量が増加してくると、潤滑剤の透磁率が増加して来る。前記コアのギャップ内に進入した潤滑剤から、この潤滑剤の透磁率が、上記磁気センサで測定され、潤滑剤に含まれる摩耗粉の量、つまり摩耗粉の濃度が検出される。潤滑剤の摩耗粉の濃度が分かると、潤滑剤の寿命や不良が検出でき、軸受の交換等のメンテナンス時期を予測することができる。
また、この構成によると、潤滑剤劣化検出装置が、コア、磁石、および磁気センサのみと単純な構造となるため、小型化が可能で、安価に生産することができる。

この発明において、軸受に温度センサを設け、前記磁気センサの測定値を前記温度センサの検出値によって補正する温度補正手段を設けても良い。温度補正手段を設けると、潤滑剤劣化検出装置やその近傍の温度変化による検出誤差を補正でき、検出精度を向上させることができる。

この発明の潤滑剤劣化検出機能付き軸受は、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を検出する潤滑剤劣化検出装置を組み込んだ軸受であって、前記潤滑剤劣化検出装置は、一部にギャップを有しこのギャップに軸受内の潤滑剤が進入可能なコアと、このコアに磁界を与える磁石と、前記コア内を通る磁束の経路内に配置されて前記ギャップ内に入った潤滑剤の透磁率を測定する磁気センサとを有するものとしたため、軸受内部の潤滑剤の劣化状態をリアルタイムに検出でき、また小型化が可能で、安価に生産することができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図５と共に説明する。図１はこの潤滑剤劣化検出機能付き軸受を備えた鉄道車両用軸受ユニットの断面図である。この鉄道車両用軸受ユニットは、潤滑剤劣化検出機能付き軸受１と、その内輪４の両側に各々接して設けられた付属部品である油切り２および後ろ蓋３とで構成される。軸受１は、ころ軸受、詳しくは複列の円すいころ軸受からなり、各列のころ６，６に対して設けた分割型の内輪４，４と、一体型の外輪５と、前記ころ６，６と、保持器７とを備える。内輪４、外輪５、およびころ６は、軸受鋼等の鋼製のものである。
後ろ蓋３は、車軸１０に軸受１よりも中央側で取付けられて外周のオイルシール８を摺接させたものである。油切り２は、車軸１０に取付けられて外周にオイルシール９を摺接させたものである。これら軸受１の両端部に配置されるオイルシール８，９により、軸受１の内部にグリース等の潤滑剤が封止され、かつ防塵・耐水性が確保される。

軸受１の外輪５には、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を検出する潤滑剤劣化検出装置１１が組み込まれている。潤滑剤劣化検出装置１１は、合成樹脂製等の検出装置ハウジング内に構成部品を組み込んだものである。この潤滑剤劣化検出装置１１は、外輪５に両列の軌道面間で設けられた検出装置挿入孔５ａに挿入されて、軸受空間内に先端が進入し、ボルト等により外輪５に固定されている。潤滑剤劣化検出装置１１およびそのケーブルには、防水・防油処理が施される。潤滑剤劣化検出装置１１の取付部も耐油材料でシールされる。例えば、前記潤滑剤劣化検出装置１１は、密封シール１２を介して外輪５の検出装置挿入孔５ａに挿入され、密封シール１２として、例えばＯリングが用いられる。このように、密封シール１２を介して潤滑剤劣化検出装置１１が外輪５に固定されることにより、潤滑剤劣化検出装置１１の取付部から軸受内部へ水分やゴミ等が侵入するのを防止できる。

図２は、上記潤滑剤劣化検出装置１１の原理構成図である。この潤滑剤劣化検出装置１１は、一部にギャップ１４ａを有する環状のコア１４と永久磁石１５とで構成される磁気回路１３と、この磁気回路１３内に配置される磁気センサ１６とを備える。コア１４は、前記ギャップ１４ａを一部に形成した矩形の環状コア基材を、その途中部分で分断して２つのコア分割体１４Ａ，１４Ｂとしたものであり、これら２つのコア分割体１４Ａ，１４Ｂの分断側端部で前記永久磁石１５を挟むことにより、前記磁気回路１３が構成される。コア１４のギャップ１４ａは、検出対象となる試料１７が進入可能な隙間とされる。この場合の試料１７は、図１の軸受１の内部に封入されたグリース等の潤滑剤である。永久磁石１５は、２つのコア分割体１４Ａ，１４Ｂで挟まれることにより、コア１４に磁界を与える。磁気センサ１６は、前記ギャップ１４ａ内に入った試料（潤滑剤）１７の透磁率を測定するものであり、例えばホール素子が用いられる。磁気センサ１６としては、このほかＭＲセンサ、ＧＭＲセンサ、ＭＩセンサなどを用いても良い。磁気センサ１６の検出信号はケーブル１８を経て外部に出力される。この磁気センサ１６は、図２の磁気回路１３ではギャップ１４ａに配置されている。

図３は、図２における磁気回路１３と等価な磁気回路を示す。この場合の磁気回路１３Ａは、一部にギャップ１４ａを有するトロイダルコア１４と、このトロイダルコア１４にコイル２５を巻回して構成される。この磁気回路１３Ａでは、コイル２５に直流電流が流されることで、トロイダルコア１４に磁界が与えられる。すなわち、コイル２５は図２における磁気回路１３での永久磁石１５と等価な電磁石を構成している。この磁気回路１３Ａにおいても、図２の場合のように磁気センサ１６と試料１７を配置することで、試料１７の透磁率を磁気センサ１６によって測定することができる。

次に、図２の潤滑剤劣化検出装置１１による潤滑剤の劣化検出の動作原理を、図３の磁気回路１３Ａを参照して説明する。
図３の磁気回路１３Ａにおいて、ギャップ１４ａの長さをｄ、ギャップ１４ａ内の空気の比透磁率をμe 、トロイダルコア１４の磁路の平均長さをＬ、比透磁率をμとすると、ギャップ１４ａの磁束密度Ｂとコイル２５の起磁力ＮＩとの間には、
ＮＩ＝（Ｂ／μe ）ｄ＋（Ｂ／μ）Ｌ ……（１）
の関係が成り立つ。ただし、磁束の漏れはなく、均一とする。
次に、上記ギャップ１４ａに比透磁率μu の試料１７を均一に詰めて配置した場合、このときの磁束密度Ｂu とコイル２５の起磁力Ｎ１との間には、
ＮＩ＝（Ｂu ／μu ）ｄ＋（Ｂu ／μ）Ｌ ……（２）
の関係が成り立つ。
ここで、μは１０００以上の値であり、μe ，μu は１に近い値であるため、
μe ≪μ ……（３）
μu ≪μ ……（４）
の関係が成り立つ。
したがって、上記式（１），（２）は、それぞれ次の式（５），（６）のように簡略化できる。
ＮＩ＝（Ｂ／μe ）ｄ ……（５）
ＮＩ＝（Ｂu ／μu ）ｄ ……（６）
これら式（５），（６）から、
μu ＝（Ｂu ／Ｂ）μe ……（７）
の関係が導かれる。さらに、μe は略１に近い値であるから、式（７）は、
μu ＝（Ｂu ／Ｂ） ……（８）
と、近似される。

したがって、ギャップ１４ａに試料１７を入れない場合の磁束密度Ｂを磁気センサ１６で予め測定しておき、試料１７を入れたときの磁束密度Ｂu を測定すれば、式（８）の関係から試料１７の透磁率を推定できる。また、より正確な透磁率μu を求めたい場合は、式（５）〜（８）のように簡略化せずに、式（１），（２）の関係から直接に透磁率μu を求めれば良い。

以上の透磁率検出動作原理は、図３の磁気回路１３Ａに基づくものであるが、その磁気回路１３Ａは図２の潤滑剤劣化検出装置１１における磁気回路１３と等価なものであるため、図２の潤滑剤劣化検出装置１１にそのまま適用できる。すなわち、図２の潤滑剤劣化検出装置１１においても、磁気回路１３のギャップ１３ａに試料１７である潤滑剤が進入しない場合（例えば軸受１に組み込む前）での磁束密度Ｂを磁気センサ１６で予め測定しておき、潤滑剤劣化検出装置１１を軸受１に組み込む場合には、ギャップ１３ａに軸受内部の潤滑剤が進入するように設置する。これにより、予め測定された磁束密度Ｂと、軸受１に組み込んだ状態で磁気センサ１６が測定する磁束密度Ｂu とを前記式（８）に当て嵌めることにより、試料１７である潤滑剤の透磁率μu を推定することができる。また、潤滑剤の透磁率μu は、潤滑剤に含まれる鉄粉の含有率と所定の相関関係があるので、潤滑剤の透磁率μu から潤滑剤の鉄粉の含有率を推定することができ、これから潤滑剤の劣化を推定することができる。その推定処理は、磁気センサ１６の出力を図示しない判定回路に送信することにより行われる。

なお、図２の潤滑剤劣化検出装置１１では、矩形の環状コア基材を分断した２つのコア分割体１４Ａ，１４Ｂで永久磁石１５を挟むことにより磁気回路１３を構成したが、図３のようにトロイダルコア１４に永久磁石１５と等価な電磁石となるコイル２５を巻回して構成した磁気回路１３Ａを用いても良い。
また、図４のようにトロイダルコア１４を２つのコア分割体１４Ａ，１４Ｂに分断し、これら両コア分割体１４Ａ，１４Ｂで永久磁石１５を挟むことにより磁気回路１３を構成しても良い。また、この場合、磁気センサ１６を、一方のコア分割体１４Ａの分断端部と永久磁石１５との間に介在させても良い。このように磁気センサ１６を配置すれば、ギャップ１４ａに磁気センサ１６が介在しないので、潤滑剤をギャップ１４ａに容易に進入させることができる。
さらに、図５のようにコア１４を分割体で構成せず、そのギャップ１４ａ側に永久磁石１５と磁気センサ１６を配置しても良い。また、コア１４の環形状も、図２のような矩形や、図３および図４のような円形に限らず、図５のように目的に合わせて変更することができる。

このように、この潤滑剤劣化検出機能付き軸受１では、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を検出する潤滑剤劣化検出装置１１を、一部にギャップ１４ａを有しこのギャップ１４ａに軸受内の潤滑剤が進入可能なコア１４と、このコア１４に磁界を与える永久磁石１５（またはコア１４に巻回して電磁石を構成するコイル２５）と、前記コア１４により構成される磁気回路１３（１３Ａ）内に配置されて前記ギャップ１４ａ内に入った潤滑剤の透磁率を測定する磁気センサ１６とを有するものとしているので、単純な構造となり、小型化が可能で安価な構成により、軸受内部の潤滑剤の劣化状態をリアルタイムに検出できる。

なお、前記潤滑剤劣化検出装置１１の構成部品である永久磁石１５や磁気センサ１６は、温度の変化によって特性に変化が生じることが知られている。すなわち、温度の変化によって永久磁石１５の磁力が変化し、磁気センサ１６の感度が変化する。そこで、このような温度変化分を補正するために、図２のように軸受１に温度センサ２０を設け、前記磁気センサ１６の測定値を温度センサ２０の検出値によって補正する温度補正手段２１を設けても良い。温度センサ２０は、コア１３、永久磁石１５、および磁気センサ１６を組み込んだ検出装置ハウジングに設けても良く、またこの検出装置ハウジングとは離れて軸受１の外輪５等に設けても良い。このように温度補正手段２１を設けた場合、潤滑剤劣化検出装置１１やその近傍の温度変化による検出誤差を補正でき、検出精度を向上させることができる。

図６は、この発明の他の実施形態を示す。この潤滑剤劣化検出機能付き軸受１Ａは、図１〜図５に示した第１の実施形態において、潤滑剤劣化検出装置１１を、シール９の近傍に取付けたものである。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
上記各実施形態は、鉄道車両用軸受に適用した場合につき説明したが、この発明は、自動車、産業機械等に用いられる軸受に適用しても良い。

この発明の第１の実施形態にかかる潤滑剤劣化検出機能付き軸受の断面図である。 同軸受における潤滑剤劣化検出装置の原理構成図である。 同潤滑剤劣化検出装置における磁気回路と等価な別の磁気回路の構成図である。 潤滑剤劣化検出装置の他の構成図である。 潤滑剤劣化検出装置のさらに他の構成図である。 この発明の他の実施形態にかかる潤滑剤劣化検出機能付き軸受の断面図である。

符号の説明

１，１Ａ…潤滑剤劣化検出機能付き軸受
１１…潤滑剤劣化検出装置
１３，１３Ａ…磁気回路
１４…コア
１４ａ…ギャップ
１５…永久磁石
１６…磁気センサ
１７…試料（潤滑剤）
２０…温度センサ
２１…温度補正手段
２５…コイル

Claims (3)

1. 軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を検出する潤滑剤劣化検出装置を組み込んだ軸受であって、前記潤滑剤劣化検出装置は、一部にギャップを有しこのギャップに軸受内の潤滑剤が進入可能なコアと、このコアに磁界を与える磁石と、前記コア内を通る磁束の経路内に配置されて前記ギャップ内に入った潤滑剤の透磁率を測定する磁気センサとを有するものであることを特徴とする潤滑剤劣化検出機能付き軸受。
2. 請求項１において、軸受に温度センサを設け、前記磁気センサの測定値を前記温度センサの検出値によって補正する温度補正手段を設けた潤滑剤劣化検出機能付き軸受。
3. 請求項１または請求項２において、前記磁気センサを前記コアの前記ギャップ内に配置した潤滑剤劣化検出機能付き軸受。
   

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