JP2008281388A

JP2008281388A - 軸受荷重測定装置付き軸受及びその軸受の荷重測定方法

Info

Publication number: JP2008281388A
Application number: JP2007124582A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Mitani; 英幸三谷
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2008-11-20

Abstract

【課題】内外輪１２、１３等からなる軸受本体の設計変更を伴うことなく、その軸受本体への負荷影響を精度良く測定する。
【解決手段】固定の外輪１３表面に歪みゲージ１７を貼付し、そのゲージ１７から外部にリード線１９を引き出す。外輪に直接に歪みゲージ１７を貼付しているため、その測定精度は高い。ハウジング１１の内面に、歪みゲージ１７及びリード線１９を収納する溝２１を形成する。ハウジングは、通常、強度的に十分な構成となっているため、溝の形成によって強度的に問題となることは少ない。これにより、内外輪等からなる軸受本体の設計変更を伴うことなく、その軸受本体への負荷影響を精度良く測定することができる。予め、この軸受荷重測定装置におけるラジアル荷重と外輪の撓みに基づく歪みゲージの検出値の相関関係をデータ化し、実装時の歪みゲージの検出値とそのデータを比較することによって、その実装時における軸受のラジアル荷重を測定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、軸受が実装された際のその軸受に負荷されるラジアル荷重やその発生頻度を測定する軸受荷重測定装置付き軸受及びその軸受の荷重測定方法に関するものである。

軸受を最適設計するにあたり、軸受が実機に組み込まれて（実装されて）、実際に使用される時に負荷されるラジアル荷重やその発生頻度を知ることは有効である。
その一方法として、内燃機関のクランクシャフトを支持する転がり軸受において、その軸受の外輪外周面（表面）に軌道面（転動面）と平行な環状溝を形成し、その凹溝内に歪みゲージを貼付（添着）し、その歪みゲージでもって、使用時の外輪への負荷によるラジアル荷重やその発生頻度を知る技術がある（特許文献１参照）。
特開平９−６１２６８号公報

また、他の方法として、鉄道車両車軸軸受において、その軸箱体（ハウジング）の上面の座ぐり内にロードセルを設け、その軸本体に加わるラジアル荷重をロードセルによって計測して、使用時の軸受への負荷によるラジアル荷重やその発生頻度を知る技術がある（特許文献２参照）。
特開２００４−２１９１６１号公報

ところで、この種の軸受荷重測定装置を実機の軸受に組み込む場合、単純に、測定装置を組み込むためのスペースを確保するための設計変更だけでなく、その設計変更に伴って、他の部分の強度が弱くなって破損が生じないように、種々の面において検討しなければならない。このとき、測定装置が大がかりなものであると、その検討事項も多くなり（多岐にわたり）、多くの費用や時間を必要とする。

このような点から、特許文献１に記載の技術（測定装置）は、外輪又は内輪に溝を形成しており、外輪又は内輪に十分な強度を有するものでないと実施できない（採用できない）。また、内輪、外輪は軸受の最重要部材であるため、その部分に本来の機能とは全く異なる変更をする（溝を形成する）ことは好ましくない。このため、内輪、外輪には測定のための変更は極力少ないことが好ましい。
特許文献２に記載の技術（測定装置）は、その測定のために、外輪及び内輪には何らの設計変更も要しないため、軸受本来の機能を保持する点では好ましいものである。
しかし、軸箱体の上面という軸受本体（内外輪）から離れた部分での測定のため、その軸受本体への負荷影響の測定精度の点で問題がある。

この発明は、軸受本体の設計変更を伴うことなく、その軸受本体への負荷影響を精度良く測定することを課題とする。

上記課題を達成するために、この発明は、内輪、外輪及び転動体から成る軸受は、その内輪又は外輪の一方を固定側、他方を回転側として使用するため、まず、その固定側の内輪又は外輪の表面（転動面の反対面）に歪みゲージを貼付することとしたのである。
単なる貼付であれば、その歪みゲージ収納用の溝等を内輪又は外輪の表面に形成する必要がないため、その内外輪の設計変更の必要はない。
一方、負荷影響を最も測定したい外輪又は内輪に直接に歪みゲージを貼付しているため、その測定精度は高いものとなる。

つぎに、この発明は、外輪が固定側の場合、その外輪がハウジング内に嵌められて軸受が組み込まれ、内輪が固定側の場合は、その内輪が固定軸に嵌められて軸受が組み込まれるため、その歪みゲージを貼付した面に対向するハウジングの内面又は固定軸の表面に、歪みゲージを収納する凹部を形成するとともに、その凹部からハウジング又は固定軸の外側に開口する溝を形成し、その溝内に歪みゲージから測定器へのリード線を収納することとしたのである。

通常、ハウジング又は固定軸は、その内外輪の表面（転動面の反対面）全域に亘って密に接しているため、その内外輪の表面に歪みゲージが貼付されれば、その突出する歪みゲージを収納する凹部、及びその歪みゲージから外部へのリード線（検出信号の引き出し線）用の溝がそれぞれ必要である。
このとき、一般的に、ハウジング又は固定軸は強度的に十分な構成となっているため、凹部及び溝の形成によって強度的に問題となることは少ない。仮に、問題となっても、僅かな強度低下であって、その低下を補う僅かな設計変更で十分である。

内輪を回転側、外輪を固定側とした軸受装置におけるこの発明の構成としては、ハウジング内に、内輪、外輪及び転動体から成る軸受を組み込み、前記外輪の表面に歪みゲージを貼付し、その歪みゲージを貼付した面に対向するハウジングの内面に、前記歪みゲージを収納する凹部を形成するとともに、その凹部からハウジング外側に開口する溝を形成し、その溝内に前記歪みゲージからのリード線を収納し、内輪の回転に基づく外輪の撓みを歪みゲージで検出し、その検出値をリード線を介して測定器に導くようにした構成を採用できる。

また、内輪を固定側、外輪を回転側とした軸受装置におけるこの発明の構成としては、軸受を固定軸にその内輪を嵌めて組み込み、前記内輪の内面に歪みゲージを貼付し、その歪みゲージを貼付した面に対向する前記固定軸の表面に、歪みゲージを収納する凹部を形成するとともに、その凹部から固定軸外側に開口する溝を形成し、その溝内に歪みゲージからのリード線を収納し、外輪の回転に基づく内輪の撓みを歪みゲージで検出し、その検出値をリード線を介して測定器に導くようにした構成を採用できる。

上記測定器は、予め、上記軸受荷重測定装置におけるラジアル荷重と上記固定の内輪又は外輪の撓みに基づく歪みゲージの検出値の相関関係をデータ化し、実装時の歪みゲージの検出値とそのデータを比較することによって、その実装時における軸受のラジアル荷重を測定する。

これらの構成において、上記凹部及び溝の内面形状を断面円弧状とするとともに、その凹部及び溝の内面から上記ハウジング内面又は固定軸表面へは円弧面でもって連続したものとすることが好ましい。
一方の面から他方の面に至る界面がエッジ状であると、応力集中が生じて、ハウジング又は固定軸に何らかの不具合が生じる恐れがあり、円弧面であれば、応力集中が生じ難いからである。
この場合、その凹部及び溝の内面からハウジング内面又は固定軸表面への両界面を円弧状とせずに、ハウジング又は固定軸の強度を考慮して、必要に応じ一方の界面のみでも良い。
また、凹部及び溝は同一の溝によって形成されていることが好ましい。別々であると、その凹部内面から溝内面に界面が生じ、その界面への応力集中が生じるからである。

これらの各構成の軸受荷重測定装置を実装し、その軸受のラジアル荷重を測定するには、予め、前記各軸受荷重測定装置におけるラジアル荷重と固定の内輪又は外輪の撓みに基づく歪みゲージの検出値の相関関係をデータ化し、実装時の歪みゲージの検出値とそのデータを比較することによって、その実装時における軸受のラジアル荷重を測定する等の方法を採用する。

この発明は、以上のように、外輪又は内輪に直接に歪みゲージを貼付し、ハウジング内面又は固定軸表面にその歪みゲージ収納用凹部及びリード線収納用溝を形成したので、内外輪等からなる軸受本体の設計変更を伴うことなく、その軸受本体への負荷影響を精度良く測定することができる。

図１、図２に一実施形態を示し、この実施形態の軸受は、ハウジング１１内に、内輪１２、外輪１３及び転動体１４を保持器１５を介して組み込んだものであり、その内輪１２の内側に回転軸１６を嵌め込んでいる。このため、固定側は外輪１３となり、この外輪１３のラジアル荷重とその発生頻度を測定する。

外輪１３の表面（転動面の反対面）に歪みゲージ１７が貼付されている。この歪みゲージ１７は２軸クロスゲージを２枚使用し、４アクチィブゲージ法のホイートストンブリッジ回路を構成している。その歪みゲージ１７の端子（ホイートストンブリッジ回路の出力端子）１８からはリード線１９を軸受（ハウジング１１）外部に導き出して測定器（図示せず）に接続する。その歪みゲージ１７及びその端子１８の形成位置は、最適なラジアル荷重の測定、ハウジング１１の強度等を考慮して適宜に決定する。

この実施形態では、歪みゲージ１７及びその端子１８は直線状に並んでおり、その直線状位置に対応してハウジング１１の内面に断面円状の直線溝２１（一部が孔）が形成されている。この溝２１に、各歪みゲージ１７、端子１８及びリード線１９が収納されている。すなわち、この溝２１が、歪みゲージ１７収納用凹部及びリード線１９収納用溝をなす。
この溝２１の大きさ、形状は、ハウジング１１の強度を考慮して、歪みゲージ１７及びリード線１９を収容し得る最小限のものとなるように適宜に決定すれば良い。例えば、溝２１の円状断面の径を１２ｍｍ、深さを５ｍｍ程度とする。また、溝２１の内面からハウジング１１内面に至る界面２２は円弧状として、溝２１とハウジング１１の両内面を滑らかに連続させている。

この実施形態の軸受荷重測定装置の構成は以上の通りであり、つぎに、この装置を使った測定方法について説明する。
測定器は、ストレインアンプを有して、そのストレインアンプの出力に基づきＸＹレコーダでもって歪みを振幅幅として記録する。

この測定器を使用して、予め、上記軸受荷重測定装置におけるラジアル荷重と上記固定の外輪１３の撓みに基づく歪みゲージ１７の検出値との相関関係をデータ化する。例えば、その軸受（外輪１３）にＦｒ＝１０ｋＮ、２０ｋＮ・・・８０ｋＮの負荷をかけた際の内輪１２の回転に伴う外輪１３の歪み（ひずみ）の振幅波形のＸＹレコーダの各記録例を図３に示し、このＸＹレコーダの記録に基づき図４に示す外輪１３の歪み（ひずみ）とラジアル荷重との相関関係をデータ化する。この場合、複列円すいころ軸受であるため、各負荷は、両外輪１３、１３に均等にかけた。

そのデータ化した軸受荷重測定装置を実装の軸受装置に構成し（組み込み）、その使用時の歪みゲージ１７の検出値（外輪１３の歪み）とそのデータを比較することによって、その実装時における外輪１３へのラジアル荷重を測定する。また、所要以上の歪みを検出した時点を検出することによって、所要以上のラジアル荷重の負荷がかかった回数を計測する。

上記実施形態は、外輪１３が固定されて、その外輪１３へのラジアル荷重の測定であったが、内輪１２が固定側となって、外輪１３が回転側となり、ハウジングがプーリ、羽根等の回転体とされる軸受装置においては、例えば、上記実施形態において、図５に示すように、上記回転軸１６が固定軸となり、ハウジングがプーリ等の回転体１１’となり、内輪１２の内面に歪みゲージ１７を貼付し、その歪みゲージ１７を貼付した面に対向する固定軸１６の表面に、歪みゲージ１７を収納する凹部２１を形成するとともに、その凹部２１から固定軸１６外側に開口する溝２１を形成することとなる。
この実施形態も、上記と同様にして、測定器などにより、実装時における内輪１２へのラジアル荷重、及び所要以上のラジアル荷重の負荷がかかった回数を計測する。

なお、上記の実施形態の複列円すいころ軸受以外の種々の軸受にもこの発明は適用できることは勿論である。

一実施形態の要部切断正面図同実施形態の要部切断側面図同実施形態に係る測定方法の説明図同測定方法におけるひずみとラジアル荷重の関係図他の実施形態の要部切断正面図

符号の説明

１１ハウジング
１１’ 回転体
１２内輪
１３外輪
１４転動体
１５保持器
１６回転軸（固定軸）
１７歪みゲージ
１８ゲージ端子
１９リード線
２１溝（凹部）
２２溝内面からハウジング内面又は固定軸表面への界面

Claims

ハウジング（１１）内に、内輪（１２）、外輪（１３）及び転動体（１４）から成る軸受を組み込み、前記内輪（１２）を回転側、外輪（１３）を固定側とした軸受荷重測定装置付き軸受において、
上記外輪（１３）の表面に歪みゲージ（１７）を貼付し、その歪みゲージ（１７）を貼付した面に対向するハウジング（１１）の内面に、前記歪みゲージ（１７）を収納する凹部を形成するとともに、その凹部からハウジング（１１）外側に開口する溝を形成し、その溝内に前記歪みゲージ（１７）からのリード線（１９）を収納し、上記内輪（１２）の回転に基づく前記外輪（１３）の撓みを前記歪みゲージ（１７）で検出し、その検出値を前記リード線（１９）を介して測定器に導くようにしたことを特徴とする軸受荷重測定装置付き軸受。
内輪（１２）、外輪（１３）及び転動体（１４）から成る軸受を固定軸（１６）にその内輪（１２）を嵌めて組み込み、前記内輪（１２）を固定側、外輪（１３）を回転側とした軸受荷重測定装置付き軸受において、
上記内輪（１２）の内面に歪みゲージ（１７）を貼付し、その歪みゲージ（１７）を貼付した面に対向する上記固定軸（１６）の表面に、前記歪みゲージ（１７）を収納する凹部を形成するとともに、その凹部から固定軸（１６）外側に開口する溝を形成し、その溝内に前記歪みゲージ（１７）からのリード線（１９）を収納し、上記外輪（１３）の回転に基づく前記内輪（１２）の撓みを前記歪みゲージ（１７）で検出し、その検出値を前記リード線（１９）を介して測定器に導くようにしたことを特徴とする軸受荷重測定装置付き軸受。
上記凹部及び溝の内面形状を断面円弧状とするとともに、その凹部及び溝の内面から上記ハウジング（１１）内面又は固定軸（１６）の表面へは円弧面（２２）でもって連続させたことを特徴とする請求項１又は２に記載の軸受荷重測定装置付き軸受。
上記凹部及び溝は同一の溝（２１）によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の軸受荷重測定装置付き軸受。
請求項１乃至４の何れかに記載の軸受荷重測定装置付き軸受であり、その上記軸受のラジアル荷重を測定する方法であって、予め、前記軸受荷重測定装置付き軸受におけるラジアル荷重と上記固定の内輪（１２）又は外輪（１３）の撓みに基づく歪みゲージ（１７）の検出値の相関関係をデータ化し、実装時の歪みゲージ（１７）の検出値とそのデータを比較することによって、その実装時における軸受のラジアル荷重を測定することを特徴とする軸受荷重測定装置付き軸受の荷重測定方法。