JP2011149538A

JP2011149538A - ころ軸受用荷重検出装置、及びころ軸受装置

Info

Publication number: JP2011149538A
Application number: JP2010013215A
Authority: JP
Inventors: Shinya Matsuda; 晋也松田; Takeshi Teramoto; 武司寺本
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2030-01-25
Also published as: JP5540728B2; CN104595352B; CN104595352A; EP2354578A2; US8672553B2; CN102192804A; US20110182536A1; EP2354578A3; EP2354578B1

Abstract

【課題】ころに付与される荷重を正確に取得して、信頼性の高い荷重解析を可能にするころ軸受用荷重検出装置を提供する。
【解決手段】ころ軸受用荷重検出装置１０は、第１軌道輪１２と第２軌道輪１３との間に転動可能に配置されたころに設けられ、当該ころに付与された荷重を検出する歪ゲージ３２と、前記ころの公転方向の回転位置を検出する位置検出センサ３３と、前記ころに設けられるとともに、前記歪ゲージ３２の検出信号を記録・蓄積するデータロガー３６と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電の主軸支持用等に使用されるころ軸受用の荷重検出装置、及びころ軸受装置に関するものである。

風力発電は、二酸化炭素を排出せず、環境への影響が少ない発電方法として近年改めて注目され、世界で急速に普及しており、同時に、より高い発電量を得るために大型化が進んでいる。また、このような大型化に伴う発電機の重量増を抑制するため、発電機フレームや軸箱を薄肉化するなど、軽量化のための構造の改良も種々なされている。
一方、発電機の大型化によってロータの主軸を支持する軸受にかかる負荷は増大しており、また、軸箱等の構造の改良によって軸受、特に転動体に付与される荷重分布が複雑化している。そのため、軸受の耐久性や寿命を正確に解析することがより重要であり、軸受の転動体にかかる荷重をより正確に取得することができる測定方法が求められている。

従来、軸受にかかる荷重を測定するため、特許文献１に記載されているように、軸受の転動体内部に歪ゲージを設けることが行われている。
具体的に、特許文献１の技術では、ころの軸心に孔が形成されるとともに、この孔の内面に歪ゲージが設けられ、この歪ゲージがころに一体に設けた送信コイルに接続されている。また、外輪の側面に環状の受信コイルが設けられ、送信コイルからリアルタイムに送信された歪ゲージの出力信号が受信コイルにより受信される。そして、この受信コイルは外部のコンピュータに接続され、このコンピュータによって受信データが処理されるようになっている。

特開平７−７７２１８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、歪ゲージの出力信号が送信コイルと受信コイルとの間で無線によって送受信されるため、周囲のノイズや電源ノイズの影響を受け易いという欠点がある。また、送信コイルはころと共に公転し、環状の受信コイルの内周側で絶えず移動しているため、送信コイルの位置変化に関わるノイズも増大する。そのため、精度の高い出力を取得するのが困難になり、解析結果の信頼性も低下するという問題がある。
また、特許文献１に記載の技術を既存の設備に対して適用する場合、ころに対して歪ゲージや送信コイルを取り付け、外輪に対して受信コイルを取り付け、更にこの受信コイルをコンピュータに接続するための配線を行う必要があり、大掛かりな改造を要する。そのため、設置コストが高くなるという欠点がある。

本発明は、ノイズの影響を少なくし、精度の高い荷重検出信号を取得して、荷重の解析に利用することが可能なころ軸受用荷重検出装置及びころ軸受装置を提供することを目的とする。

本発明のころ軸受用荷重検出装置は、第１軌道輪と第２軌道輪との間に転動可能に配置されたころに設けられ、当該ころに付与された荷重を検出する荷重検出センサと、
前記ころの公転方向の回転位置を検出する位置検出センサと、
前記ころに設けられるとともに、前記荷重検出センサの検出信号を記録・蓄積する記録装置と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明のころ軸受装置は、第１軌道輪、第２軌道輪、及び第１軌道輪及び第２軌道輪の間に転動可能に配置されたころ、を有するころ軸受と、
前記ころに設けられるとともに当該ころに付与される荷重を検出する荷重検出センサ、前記ころの公転方向の回転位置を検出する位置検出センサ、及び前記ころに設けられるとともに前記荷重検出センサの検出信号を記録・蓄積する記録装置、を有する荷重検出装置と、を備えていることを特徴とする。

本発明のころ軸受用荷重検出装置及びころ軸受装置は、ころに付与された荷重を荷重検出センサによって検出し、その検出信号を記録装置に記録・蓄積する。そのため、記録装置に取り貯めた検出信号を、例えば運転停止中に有線や記憶媒体等を介してコンピュータに読み出すことができ、読み出したデータを利用して荷重の解析等を行うことができる。そのため、ノイズによる影響を受け難くなり、精度の高い荷重の検出信号を得ることができ、解析結果の信頼性も高めることができる。

また、位置検出センサによってころの公転方向の回転位置を検出することで、荷重検出センサによって検出された検出信号ところの公転方向の回転位置とを対応させることが可能となり、ころの公転方向についての荷重分布を正確に求めることができる。

また、既存の設備に対して荷重検出装置を設置する場合には、荷重検出センサ及び記録装置をころに対して取り付け、必要に応じて位置検出センサ（又はその一部）をころに対して取り付ければよい。また、記録装置として、電源（バッテリ）を備えたものを使用すれば、記録装置に対する電源供給のための施工も不要となる。したがって、荷重検出装置の設置作業を簡単かつ安価に行うことができる。

前記位置検出センサは、前記ころの公転軌跡上の所定位置に向けて発光する発光器と、前記ころ又はころと一体的に公転する部材に設けられ、前記発光器から発せられた光を受光する受光器と、を備え、前記記録装置は、前記受光器による光の検出信号を前記荷重検出センサの検出信号と対応づけて記録することが好ましい。
この構成によれば、ころの公転軌跡上の所定位置において、受光器が発光器からの光を受光することで、ころの公転方向の回転位置を検出することができる。また、受光器がころ又はころと一体的に公転する部材に設けられているので、光の検出信号を荷重検出センサの検出信号と対応づけて記録装置に容易に記録することができる。

前記荷重検出センサは、前記ころの軸心に形成された孔内に設けられ、前記記録装置は、前記孔に装着される取付治具を介して前記ころの軸方向端面に取り付けられていることが好ましい。
この構成によれば、ころに形成された孔を利用して荷重検出センサと記録装置との双方を取り付けることができる。

本発明によれば、ノイズの影響が少ない精度の高い荷重検出信号を取得して、荷重の解析のために有効に役立てることができる。

本発明の実施形態に係る荷重検出装置が適用されるころ軸受の側面断面図である。（ａ）は荷重検出センサ及び記録装置を備えた円すいころを含むころ軸受の側面断面図、（ｂ）は記録装置とコンピュータとを接続する形態を示す概略図である。円すいころ軸受の部分的な正面断面図である。保持器の部分的な正面図である。検出対象ころの公転角度と荷重との関係を示すグラフである。検出対象ころの荷重分布を示すグラフである。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る荷重検出装置を適用した円すいころ軸受の側面断面図である。本実施の形態の円すいころ軸受１０は、ピンタイプ保持器１１を備えた円すいころ軸受１０であり、外輪（第１軌道輪）１２、内輪（第２軌道輪）１３、複数の円すいころ１４、及びピンタイプ保持器１１を備えている。

外輪１２は、その外周側がハウジング１６に固定され、内周側には軸方向に対して傾斜する外輪軌道面１７を有している。また、外輪１２は、軸方向の一端部が他端部よりも径方向に厚く形成されることによって断面形状が台形状に形成されている。
また、内輪１３は、内周側に回転軸１８が嵌合され、外周側には軸方向に対して傾斜するとともに外輪軌道面１７に対向する内輪軌道面１９を有している。また、内輪軌道面１９の軸方向両側には、円すいころ１４の軸方向の移動を規制する鍔部２０が形成されている。

複数の円すいころ１４は、外輪軌道面１７と内輪軌道面１９との間に、保持器１１によって保持された状態で周方向に間隔をあけて配置されている。また、各円すいころ１４の中心には貫通孔２２が形成されている。この貫通孔２２は、円すいころ１４の中心軸に沿って延び、円すいころ１４を貫通している。

保持器１１は、環状の第１リング２３と、この第１リング２３に対して軸方向に間隔をあけて設けられた環状の第２リング２４と、第１，第２リング２３，２４を連結する丸棒状のピン２５とを備えている。
第１リング２３には、周方向に間隔をあけて複数のネジ孔２６が貫通・形成されている。第２リング２４は、第１リング２３の内径よりも小さい内径、及び第１リング２３の外径よりも小さい外径を有し、周方向に間隔をあけて複数の取付孔２７が形成されている。

ピン２５は、一端部に雄ネジ２９が形成され、他端部に圧入部３０が形成されている。ピン２５は、雄ネジ２９を第１リング２３のネジ孔２６に螺合し、圧入部３０を第２リング２４の取付孔２７に圧入することによって第１，第２リング２３，２４に固定されている。また、ピン２５の長さ方向中途部は、円すいころ１４の貫通孔２２に挿通され、円すいころ１４を回転自在に支持している。なお、圧入部３０は、第２リング２４の取付孔２７の周囲に溶接されていてもよい。

以上の構成を有する円すいころ軸受１０においては、回転軸１８の回転に伴って内輪１３が回転し、この内輪１３の回転に伴って、各円すいころ１４が、自身の軸心回りに自転しながら円すいころ軸受１０の軸心回りに公転運動する。

図２は、荷重検出センサ及び記録装置を備えた円すいころを含むころ軸受の側面断面図である。
本実施形態の円すいころ軸受１０の１つの円すいころ（以下、「検出対象ころ」ともいう）１４Ａには、荷重検出センサ３２、位置検出センサ３３（受光器４９）、及び記録装置３６が設けられている。
本実施形態では、荷重検出センサ３２として所謂歪ゲージが用いられており、検出対象ころ１４Ａの貫通孔２２の内周面に２個の歪ゲージ３２が設けられている。各歪ゲージ３２は、アクティブゲージと温度補償用のダミーゲージとからなり、それぞれ記録装置に結線されている。

２個の歪ゲージ３２は、検出対象ころ１４Ａの軸方向に間隔をあけて配置され、貫通孔２２の内周面の同一周方向位置に設けられている。そして、歪ゲージ３２は、当該検出対象ころ１４Ａに生じた歪みを電圧の変化として検出することによって、検出対象ころ１４Ａに付与される荷重を検出する。

本実施形態では、記録装置３６としてデータロガーが用いられている。このデータロガー３６は、歪ゲージ３２の出力に対応させたブリッジ回路を有する基板を内蔵させた専用のものとされている。このデータロガー３６は、歪ゲージ３２や位置検出センサ３３を接続するための接続端子と、コンピュータ５０と通信するための通信機器を接続するための接続端子とを備えている。
そして、データロガー３６は、歪ゲージ３２において発生した電圧のアナログ信号を入力する機能、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する機能、デジタル信号に変換したデータを時系列で記録し、蓄積する機能、蓄積したデータをコンピュータ等の外部の機器に出力する機能等を備えている。

なお、記録装置３６は、市販のデータロガーに対して、別にブリッジ回路を有する基板を設けることによって構成してもよい。ただし、この場合、記録装置３６が大きくなるという欠点がある。したがって、大きい記録装置３６を設けることが困難な場合には、上記のような歪ゲージの出力に対応させたブリッジ回路を有する基板を内蔵させた専用のデータロガーを製作することで記録装置３６を小型化することが可能であり、これによって記録装置３６を容易に検出対象ころ１４Ａに取り付けることができる。

データロガー３６は、検出対象ころ１４Ａの端面に対して取付治具３８を介して取り付けられている。取付治具３８は、一端部が貫通孔２２に嵌合される嵌合部３９と、嵌合部３９の他端部に形成されたフランジ部４０とを備えている。データロガー３６は、取付ネジ等によってフランジ部４０に取り付けられている。したがって、データロガー３６は、検出対象ころ１４Ａとともに自転及び公転する。

図４は、保持器（第１リング）の部分的な正面図である。図２及び図４に示すように、第１リング２３には、周方向に間隔をあけて複数のネジ孔２６が形成されているが、１箇所だけネジ孔２６よりも大径の貫通孔４２が形成されている。また、図２に示すように、第２リング２４には、１箇所だけ取付孔２７よりも大径の貫通孔４３が形成されている。そして、検出対象ころ１４Ａは、この貫通孔４２，４３に対応する位置に配置されている。

そして、取付治具３８の嵌合部３９は、軸方向外側から貫通孔４２に挿通されるとともに、検出対象ころ１４Ａの貫通孔２２に嵌合されている。フランジ部４０及びこれに取り付けられたデータロガー３６は、第１リング２３よりも軸方向外側に突出した位置に配置されている。

図３は、円すいころ軸受の正面断面図である。検出対象ころ１４Ａの貫通孔２２には歪ゲージ３２や取付治具３８が取り付けられているので、保持器１１のピン２５は挿通されていない。そのため、本実施形態では、図３に示すようなセパレータ４６によって、検出対象ころ１４Ａの周方向の位置が保持されている。このセパレータ４６は、断面形状が略Ｔ字型に形成され、検出対象ころ１４Ａと、その両側の円すいころ１４との間に配置されており、各円すいころ１４，１４Ａの径方向中間部と径方向外側部とに当接して各円すいころ１４，１４Ａの間隔を保っている。また、セパレータ４６は、円すいころ１４の軸方向長さと略同一の長さを有しており、第１リング２３と第２リング２４の間に隙間をもって挟まれている。

図２に示すように、位置検出センサ３３は、レーザー等の光を発する投光器４８と、この投光器４８から発せられた光を受光するフォトダイオード等の受光器４９とから構成されている。そして、受光器４９は、検出対象ころ１４Ａに設けられたデータロガー３６の先端面に取り付けられ、受光した光の検出信号をデータロガー３６に出力する。

投光器４８は、円すいころ軸受１０を支持するハウジング１６等に設けられており、円すいころ１４の公転による移動軌跡（公転軌跡）上の一点に向けて光を発するように設けられている。例えば、投光器４８は、円すいころ１４の公転軌跡の最上位置に向けて光を投光し、受光器４９は、検出対象ころ１４Ａが公転軌跡の最上位置に達したときに投光器４８からの光を受光する。そして、受光器４９が受光した光の検出信号は、歪ゲージ３２の検出信号に対応づけられた状態でデータロガー３６に記録される。

本実施形態では、回転軸１８を所定の時間運転させ、その間の歪ゲージ３２及び位置検出センサ３３の検出信号をデータロガー３６に蓄積する。そして、運転終了後、図２（ｂ）に示すように、データロガー３６の接続端子とコンピュータ５０とをケーブル５１等により接続し、データロガー３６に蓄積したデータをコンピュータ５０に読み出す。コンピュータ５０は、歪ゲージ３２の検出信号から検出対象ころ１４Ａに付与される荷重（転動体荷重）を求め、その転動体荷重と検出対象ころ１４Ａの公転方向の回転位置（公転角度）とを対応づけた形でグラフ化する。

図５は、検出対象ころの公転角度と荷重との関係を示すグラフである。コンピュータ５０は、位置検出センサ３３によって信号が検出された位置を、例えば公転角度０°の位置として、所定の運転時間における転動体荷重の推移を記録し、図５に示すグラフを作成する。尚、図５のグラフに表された波の１周期が検出対象ころ１４Ａの１自転に相当し、位置検出センサ３３の一出力から次の出力までの間が検出対象ころ１４Ａの１公転（０°〜３６０°）に相当する。

そして、図５において得られた公転角度と転動体荷重のグラフを１公転毎に切り離し、各公転のグラフを重ね合わせることによって図６に示すグラフを作成する。そして、このグラフの包絡線をとることによって、１公転における円すいころ１４の荷重分布を取得する。なお、図６には、参考として、転動体荷重をＦＥＭ解析によって取得した結果を実線Ａで示している。歪ゲージ３２によって測定された転動体荷重とＦＥＭ解析によって得られた転動体荷重とは、ほぼ同じ傾向で分布していることが分かる。

以上詳述したように、本実施形態では、歪ゲージ３２の検出信号をデータロガー３６に記録・蓄積し、所定の運転時間が終了した後に、蓄積された検出信号をコンピュータ５０に読み出して解析することができる。そのため、従来技術（特許文献１）のように検出信号をリアルタイムにコンピュータ５０に送信するものと比べて、ノイズの影響を受け難くなり、精度の高い検出信号を用いて信頼性の高い荷重の解析を行うことができる。

また、データロガー３６には、位置検出センサ３３の検出信号が歪ゲージ３２の検出信号に対応づけて記録される。そのため、検出対象ころ１４Ａの公転角度と、その角度における転動体荷重とから、公転方向の転動体の荷重分布を正確に解析することができる。

位置検出センサ３３は、検出対象ころ１４Ａの公転軌跡上に光を発する投光器４８と、検出対象ころ１４Ａに設けられた受光器４９とから構成され、受光器４９によって受光した光の検出信号をデータロガー３６に記録しているので、受光器４９の検出信号と歪ゲージ３２の検出信号とを容易に対応づけることができる。

本実施形態では、検出対象となる軸受として、ピンタイプ保持器１１を有する円すいころ軸受１０を使用しているので、予め円すいころ１４に設けられている貫通孔２２を利用して、歪ゲージ３２やデータロガー３６を取り付けることができ、円すいころ１４に対して新たに孔を加工する必要がない。

本発明は、上記実施形態に限定されることなく適宜設計変更可能である。
例えば、本発明は、円すいころ軸受１０に限定されることなく円筒ころ軸受にも適用可能である。また、ピンタイプ保持器１１を備えていない通常のころ軸受にも適用可能である。この場合、検出対象ころに軸方向に貫通する孔を設け、この孔に歪ゲージ３２やデータロガー３６を取り付ければよい。

上記実施形態では、検出対象ころ１４Ａに２個の歪ゲージ３２を設けているが、１又は３個以上の歪ゲージ３２を設けてもよい。
また、上記実施形態では、歪ゲージ３２の検出信号により、公転方向についての円すいころ１４の荷重分布を求めているが、軸方向に複数の歪ゲージ３２の出力から、円すいころ１４の線圧分布を求めたり、各歪ゲージ３２の出力の位相ズレから円すいころ１４のスキュー角を求めたりしてもよい。

上記実施形態では、データロガー３６は、コンピュータ５０に有線で接続されているが、無線で接続することもできる。この場合、無線による減衰やノイズの影響が問題となるが、データロガー３６に蓄積される検出信号はデジタルデータに変換され、また、運転を停止している間にデータの読み出しを行うことができるので、ノイズの影響を少なくすることができる。

また、データロガー３６は、フラッシュメモリ等の可搬型の記憶媒体にデータを読み出すものであってもよく、この場合、コンピュータ５０とデータロガー３６とを直接的に接続なくてもよいので、配線の施工を省略したり、コンピュータ５０の設置の自由度を高めたりすることができる。

上記実施形態では、位置検出センサ３３の投光器４８が、円すいころ１４の公転軌跡上の一点に向けて投光していたが、公転軌跡上の複数点（例えば、公転角度が０°と１８０°の点）に投光してもよい。

また、上記実施形態では、位置検出センサ３３が投光器４８と受光器４９とから構成されているが、投受光器と反射板とから構成されていてもよい。この場合、検出対象ころ１４Ａに反射板を設け、投受光器から投光し、反射板によって反射された光を投受光器によって受光することで、検出対象ころ１４Ａの公転方向の位置を検出してもよい。

また、位置検出センサ３３としては、エンコーダやレゾルバ等の他のセンサを用いることも可能である。しかしながら、上記実施形態のように、投光器４８と受光器４９とからなる位置検出センサ３３を用いることによって、非常に簡単な構成で安価に位置検出センサ３３を設けることができる。

データロガー３６は、取付治具３８を介して検出対象ころ１４Ａの反対側の端面に設けられていてもよく、位置検出センサ３３の受光器４９は、検出対象ころ１４Ａの端面や保持器１１に取り付けられていてもよい。

１０：円すいころ軸受、１２：外輪、１３：内輪、１４：円すいころ、３２：荷重検出センサ、３３：位置検出センサ、３８：取付治具、４８：投光器、４９：受光器

Claims

第１軌道輪と第２軌道輪との間に転動可能に配置されたころに設けられ、当該ころに付与された荷重を検出する荷重検出センサと、
前記ころの公転方向の回転位置を検出する位置検出センサと、
前記ころに設けられるとともに、前記荷重検出センサの検出信号を記録・蓄積する記録装置と、を備えていることを特徴とするころ軸受用荷重検出装置。
前記位置検出センサは、前記ころの公転軌跡上の所定位置に向けて発光する発光器と、前記ころ又はころと一体的に公転する部材に設けられ、前記発光器から発せられた光を受光する受光器と、を備え、
前記記録装置は、前記受光器が受光した光の検出信号を前記荷重検出センサの検出信号と対応づけて記録する請求項１に記載のころ軸受用荷重検出装置。
前記荷重検出センサは、前記ころの軸心に形成された孔内に設けられ、前記記録装置は、前記孔に装着される取付治具を介して前記ころの軸方向端面に取り付けられている請求項１又は２に記載のころ軸受用荷重検出装置。
第１軌道輪、第２軌道輪、及び第１軌道輪及び第２軌道輪の間に転動可能に配置されたころ、を有するころ軸受と、
前記ころに設けられるとともに当該ころに付与される荷重を検出する荷重検出センサ、前記ころの公転方向の回転位置を検出する位置検出センサ、及び前記ころに設けられるとともに前記荷重検出センサの検出信号を記録・蓄積する記録装置、を有する荷重検出装置と、を備えていることを特徴とするころ軸受装置。