JP2013224848A - 調心機構、スラスト回転試験機、およびトルク測定装置 - Google Patents

調心機構、スラスト回転試験機、およびトルク測定装置 Download PDF

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智士 上田
Tetsuo Muto
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Abstract

【課題】調心による摩擦抵抗を低減可能な調心機構およびこれを用いた高精度なスラスト回転試験機、このスラスト回転試験機を用いたトルク測定装置を提供する。
【解決手段】調心台26の静圧気体軸受面27から均一に放出される圧縮気体により基台23が非接触支持される。荷重機構24により荷重Lが調心台26から基台23に加えられ、回転体21は、基台23上の試験対象5を押圧した状態でモータ22により回転する。ロードセル3は、試験対象5を介して基台23に伝わるトルクを検出する。静圧気体軸受面27は球面状の凹面形状を有し、基台23は、静圧気体軸受面27との対向面として静圧気体軸受面27と略同径の球面状の凸面231を有する。このため、荷重Lがスラスト方向Sに対して傾くと、調心台26は、圧縮気体層28の厚さを保ちながら基台23に対して相対的にスライドし、これにより、基台23はスラスト方向Sに対して垂直な状態を維持する。
【選択図】図1

Description

本発明は、調心機構に関し、特に、トルク測定装置に用いられるスラスト回転試験機の自動調心に好適な調心機構に関する。
従来より、ボールベアリング等の試験対象の摩擦係数を測定するために、スラスト回転試験機を用いたトルク測定装置が用いられている。このスラスト回転試験機を用いたトルク測定装置では、試験対象を試験台の載置面に固定し、試験台の載置面上の試験対象に回転体を押し当てて、スラスト方向に荷重を加えながら、回転体を回転させて、そのときの試験台のトルクを測定する。そして、この測定したトルクから試験対象の摩擦係数を求める。
ところで、このスラスト回転試験機を用いたトルク測定装置では、通常、試験対象が固定される載置面を回転体のスラスト方向に対して常に垂直とするための調心機構が設けられている。例えば、図5に示すように、従来のトルク測定装置では、試験台90Cが直交二軸XY回りに揺動可能となるように、円板状の試験台90Cが、円板状の調心台90B上のX軸方向に並んだ少なくとも2つの位置で、X軸回りに回転可能に支持され、さらに、この調心台90Bが円板状の調心台90A上のY軸方向に並んだ少なくとも2つの位置で、Y軸方向回りに回転可能に支持されている。このような自動調心機能を実現するには、例えば、下側の調心台90Aの上面91Aには、X軸方向に配列された少なくとも2つの玉コロ92Aが設けられ、上側の調心台90Bの下面96Bには、これらの玉コロ92Aをそれぞれ受ける受け座98BがX方向に配列されて形成されている。また、上側の調心台90Bの上面91Bには、Y軸方向に配列された少なくとも2つの玉コロ92Bが設けられ、試験台90Cの下面96Cには、これらの玉コロ92Bをそれぞれ受ける受け座98CがY方向に配列されて形成されている。このような2枚の調心台90A、90Bおよび試験台90Cを、2枚の調心台90A、90Bの玉コロ92A、92Bの配列方向Y、Xが互いに直交するように重ね合わせることにより、トルク測定中、試験対象95が固定された試験台90Cの載置面91Cが、回転体94のスラスト方向Bに対して常に垂直となる。
また、特許文献1に記載のトルク測定装置では、試験対象が回転体に押し当てられるように、試験対象が固定される試験台(与圧治具)に荷重を加える加圧機構に、調心機構が組み込まれている。調心機構は、円錐状の窪みが形成された面が対向するように配置された2枚の加圧部材と、2枚の加圧部材の窪み内に収容された球状の調心部材と、を有しており、一方の加圧部材に加えられた荷重を、調心部材および他方の加圧部材を介して試験台に伝達する。これにより、トルク測定中、試験対象が固定された試験台の固定面が回転体のスラスト方向に対して常に垂直となる。
特開平7−103815号公報
しかしながら、図5に記載の従来のトルク測定装置の調心機構では、試験台90Cの下面96Cおよび調心台90Bの下面96Bに玉コロ92A、92Bが接触しているため、試験台90Cの下面96Cと調心台90Bの下面96Bとには、これらの玉コロ92A、92Bとの接触による摩擦抵抗が生じる。ボールベアリング等の微小トルクを測定する場合に、この摩擦抵抗が測定値の誤差要因となる。また、試験台90Cを二軸XY回りに回転可能とするために、2枚の調心台90A、90Bを積み重ねる必要があるため、調心機構が厚くなる。
また、特許文献1に記載のトルク測定装置においても同様に、2枚の加圧部材の間に球形の調心部材が介在しているため、2つの加圧部材と調心部材との接触によって、トルク測定の誤差要因となる摩擦抵抗が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、調心による摩擦抵抗を低減可能な調心機構およびこの調心機構を用いた高精度なスラスト回転試験機ならびにこのスラスト回転試験機を用いたトルク測定装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明では、調心台および調心台に支持される基台の対向面の一方を、球面状の凹面とし、他方を、この凹面に整合する球面状の凸面とした。そして、凹面および凸面の一方の面に静圧気体軸受面を形成し、この静圧気体軸受面から放出される圧縮気体により、静圧気体軸受面で他方の面を非接触で支持するようにした。
例えば、本発明の調心機構は、基台を自動調心するための調心機構であって、
前記基台を支持する調心台を備え、
前記調心台および前記基台の対向面の一方が、球面状の凸面を含むとともに、他方が、当該凸面に沿った球面状の凹面を含んでおり、
前記凹面および前記凸面の一方の面には、他方の面に向けて圧縮気体を噴出する静圧気体軸受面が形成され、当該静圧気体軸受面から放出される圧縮気体により、当該静圧気体軸受面で他方の面を非接触で支持する。
また、本発明のスラスト回転試験機は、スラスト方向に荷重を加えて回転体を試験対象に押し当てながら当該回転体を回転させるスラスト回転試験機であって、
前記回転体と、
前記試験対象が固定される載置面を有し、前記回転体の回転方向に回転自在な基台と、
前記基台の載置面が前記スラスト方向に対して垂直となるように前記基台を自動調心する上述の調心機構と、を備える。
また、本発明のトルク測定装置は、試験対象の回転トルクを測定するトルク測定装置であって、
スラスト方向に荷重を加えて回転体を前記試験対象に押し当てながら、当該回転体を回転させる上述のスラスト回転試験機と、
前記試験対象が固定された載置面を有する前記スラスト回転試験機の基台の回転トルクを検出するロードセルと、を有する。
本発明では、基台と調心台とが非接触であるので、基台と調心台との間に摩擦抵抗が生じるのを防止することができる。また、基台と調心台との対向面が、互いに整合する球面形状を含んでいるので、調心台が傾いた場合でも、基台と調心台とが、対向面間の隙間圧縮気体層の厚さを均一に保ちながら、対向面同士をそれらの表面形状に沿ってスライドさせる。このため、基台の載置面の姿勢を、回転体の軸心に対して垂直に保つことができる。したがって、本発明によれば、自動調心による摩擦抵抗の発生を防止し、より高精度なトルク測定が可能となる。
図1は、本発明の一実施の形態に係るトルク測定装置1の概略構成図である。 図2(A)は、調心台26の正面図であり、図2(B)は、図2(A)に示す調心台26のA−A断面図である。 図3(A)は、基台23の正面図であり、図3(B)は、図3(A)に示す基台23のB−B断面図である。 図4(A)〜(C)は、調心機構25による基台23の自動調心を説明するための図である。 従来のトルク測定装置の概略図である。
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
図1は、本実施の形態に係るトルク測定装置1の概略構成図である。
本実施の形態に係るトルク測定装置1は、ボールベアリング等の試験対象5の回転トルクを測定するための装置であり、図示するように、回転体21の軸方向(スラスト方向)Sの荷重Lを加えて基台23上の試験対象5を回転体21に押し当てながら回転体21を軸回りの所定方向Rに回転させるスラスト回転試験機2と、試験対象5が固定された基台23のトルクを検出するロードセル3と、スラスト回転試験機2に圧縮気体を供給する給気ポンプ4と、を備えている。
スラスト回転試験機2は、回転体21と、回転体21を所定方向Rに回転させるモータ22と、載置面233上に試験対象5が固定される、回転体21の回転方向に回転自在な基台23と、スラスト方向Sの荷重Lを基台23の下面(載置面233の反対側の凸面231)側から加えて基台23の載置面233上の試験対象5を回転体21に押し当てる荷重機構24と、基台23を非接触で支持しながら、基台23の載置面233がスラスト方向Sに対して垂直となるように基台23を自動調心する調心機構25と、を備えている。
荷重機構24は、支点241により揺動可能に支持されたレバー242と、レバー242の一方の端部2421に取り付けられたバランサ243と、レバー242の他方の端部2422に取り付けられ、バランサ243の重さMおよびレバー242における支点241の位置によって定まる荷重Lを、調心機構25を介して、基台23の下面231側に加える荷重印加部244と、を備えている。このような荷重機構24により、荷重Lが、調心機構25および基台23を介して、基台23の載置台233に固定された試験対象5に加えられ、これにより、試験対象5が回転体21に押し当てられる。
調心機構25は、圧縮気体を噴出する球面状凹面の静圧気体軸受面27を有する金属製の調心台26を備えており、トルク測定中、基台23の後述する球面状凸面(調心台26との対向面に形成された、静圧気体軸受面27の表面形状に整合する球面状凸面、つまり、静圧気体軸受面27の反転形状の凸面)231と球面状凹面の静圧気体軸受面27との間に圧縮気体層28を形成することにより、基台23を、静圧気体軸受面27上で、静圧気体軸受面27の表面形状の中心回りに回転可能に非接触で支持する。これにより、基台23の自動調心機能が実現する。
図2(A)は、調心台26の正面図であり、図2(B)は、図2(A)に示す調心台26のA−A断面図である。
図示するように、調心台26は、基台23の凸面231側に向けられる球面状の凹面261が形成された円板形状のバックメタル260と、バックメタル260の凹面261上に形成された多孔質焼結層271と、を有している。バックメタル260の凹面261上に、黒鉛等の固体潤滑剤が分散された多孔質焼結層271を一様な厚さで形成することにより、バックメタル260の凹面261の球面形状に沿った、多孔質焼結層271の表面27が静圧気体軸受面27として形成される。なお、多孔質焼結層271は、例えば、黒鉛等の固体潤滑剤が分散された銅粉、ステンレス鋼粉、アルミニウム粉等の金属粉あるいは合金粉を、高温焼結して多孔質の焼結板材を成形し、その後、バックメタル260の凹面261にこの焼結板材を積層して加熱圧縮し、両者を拡散接合させることにより形成される。
また、バックメタル260の凹面261には、溝262が、例えばバックメタル260の外形に沿った環状パターン等を含む所定パターンで形成されている。凹面261上に多孔質焼結層271が形成されることより、この溝262は、側面263の開口部264において外部と繋がる通気路を形成する。側面263の開口部264には、給気ポンプ4の給気チューブ41が繋がれており、給気ポンプ4から供給された圧縮気体は、給気チューブ41および通気路を介して、多孔質焼結層271の裏側(静圧気体軸受面27の反対側)に供給され、静圧気体軸受面27から基台23の凸面231に向けて、均一に放出される。
図3(A)は、基台23の正面図であり、図3(B)は、図3(A)に示す基台23のB−B断面図である。
図示するように、基台23は、調心台26の直径R1より小さな直径R2の円板形状を有しており、調心台26と対向する下面231には球面状の凸面231が形成され、上面233には、試験対象5を固定するための載置面233が形成されている。
凸面231は、調心台26の静圧気体軸受面27とほぼ同径の球面、すなわち、調心台26の静圧気体軸受面27の反転形状を有しており、調心台26の静圧気体軸受面27と対向させた際に、調心台26の静圧気体軸受面27と整合する。このため、図1に示すように、調心台26の静圧気体軸受面27から均一に放出される圧縮気体により、基台23の凸面231と調心台26の静圧気体軸受面27との間には、均一な圧縮気体層28が形成される。
また、載置面233は平坦に仕上げられ、図示していないが、この載置面233には、試験対象5を固定するための固定手段が設けられている。本実施の形態では、図1に示すように、試験対象5であるボールベアリングの外周側軌道輪51のみが不図示の固定手段により基台23の載置面233に固定され、内周側軌道輪52は、基台23の載置面233に固定されておらず、かつ載置面233と非接触である。内周側軌道輪52は、荷重機構24により調心機構25を介して基台23に加えられた荷重Lにより、回転体21に押し当てられる。
また、基台23の側面234には、基台23の軸回りのトルクをロードセル3に伝達するためのバー232が連結されている。
以上のような構成のトルク測定装置1において、調心台26の静圧気体軸受面27から均一に放出される給気ポンプ4の圧縮気体により、基台23が、互いに反転形状の関係にある球面状凸面231および球面状凹面の静圧気体軸受面27との間に形成される圧縮気体層28を介して静圧気体軸受面27上に非接触で支持される。つまり、基台23は、静圧気体軸受面27の表面形状(球面状)の中心回りに相対的に回転自在な状態で静圧気体軸受面27上に支持されている。そして、荷重機構24により調心台26に加えられた荷重Lが、圧縮気体層28を介して、基台23に加えられ、その結果、基台23の載置面233に固定された試験対象5が回転体21に押圧される。このとき、スラスト方向Sに対して基台23の載置面233が垂直な状態を維持するように、調心台26は、静圧気体軸受面27の球面状の表面形状の中心回りに、基台23に対して相対的に回転する。このように基台23の自動調心が行われるため、荷重機構24からの荷重Lの方向がスラスト方向Sに対して傾いている場合でも、基台23の載置面233は、スラスト方向Sに対して垂直となる。
そして、モータ22が回転体21を軸回りの所定方向Rに回転させ、そのときに試験対象5を介して基台23に加わるトルクをロードセル3で検出する。また、図示していないコンピュータにより、このトルク検出値から試験対象5の摩擦係数を算出する。ここで、基台23は、調心台26の静圧気体軸受面27上に非接触で支持されており、試験対象5以外のものとは接触していないため、ロードセル3で検出されるトルクに、試験対象5の摩擦以外の力による誤差が含まれる可能性は極力小さなものとなる。
図4(A)〜(C)は、調心機構25による基台23の自動調心を説明するための図である。
図4(A)に示すように、荷重Lの方向がスラスト方向Sと一致している場合、基台23の載置面233は、スラスト方向Sおよび荷重Lの方向に対して垂直であり、したがって回転体21は、基台23の載置面233に固定された試験対象5をスラスト方向Sに対して垂直に保ちながら軸回りの回転方向Rに回転させることができる。
また、図4(B)に示すように、荷重Lの方向が、スラスト方向Sに対してD1方向に傾いた場合、圧縮気体層28を介して非接触で基台23を支持している調心台26の静圧気体軸受面27は、この静圧気体軸受面27の表面形状(球面状)とほぼ同径の球面状に形成された基台23の凸面231との間の圧縮気体層28の厚みを均一に保ちながら、この凸面231に沿って、D1方向とは反対のE1方向にスライドする。その結果、基台23の載置面233の姿勢は、スラスト方向Sに対して垂直のまま維持され、したがって回転体21は、基台23に固定された試験対象5を、スラスト方向Sに対して垂直に保ちながら軸回りの回転方向Rに回転させることができる。
同様に、図4(C)に示すように、荷重Lの荷重方向が、スラスト方向Sに対してD1方向とは反対のD2方向に傾いた場合、圧縮気体層28を介して非接触で基台23を支持している調心台26の静圧気体軸受面27は、この静圧気体軸受面27の表面形状(球面状)とほぼ同径の球面状に形成された基台23の凸面231との間の圧縮気体層28の厚みを均一に保ちながら、この凸面231に沿ってD2方向とは反対のE2方向にスライドする。その結果、基台23の載置面233の姿勢は、スラスト方向Sの方向に対して垂直のまま維持され、したがって回転体21は、基台23に固定された試験対象5をスラスト方向Sに対して垂直に保ちながら軸回りの回転方向Rに回転させることができる。
以上、本発明の一実施の形態について説明した。
本実施の形態において、調心機構25において、調心台26が、静圧気体軸受面27により非接触で基台23を支持するので、基台23と調心台26との相対的な移動があった場合においても基台23と調心台26との間に摩擦抵抗が発生するのを防止することができる。
また、調心台26の静圧気体軸受面27が球面状の凹面を含んでおり、基台23が、静圧気体軸受面27との対向面として、静圧気体軸受面27とほぼ同径の球面状の凸面231を有しているため、調心台26が傾いた場合でも、調心台26の静圧気体軸受面27が、この静圧気体軸受面27の表面形状(球面状)とほぼ同径の球面状に形成された基台23の凸面231との間の圧縮気体層28の厚みを均一に保ちながら、この凸面231に沿ってスムーズにスライドする。このため、基台23の自動調心による調心台26と基台23との摩擦抵抗の発生を防止しつつ、基台23の載置面233の姿勢を、スラスト方向Sに対して垂直に保つことができる。したがって、本実施の形態の調心機構25によれば、試験対象5の高精度な回転トルク測定が可能となる。
また、このような調心機構25を備えるスラスト回転試験機2をトルク測定装置1に用いることにより、試験対象5の摩擦力による僅かなトルクを高精度に測定することが可能となり、ボールベアリングのトルク測定に好適なトルク測定装置を実現できる。
また、本実施の形態では、1枚の調心台26により、所定の中心周りの任意の方向に試験台23を回転させることができる。このため、2枚の調心台で試験台を二軸回りに回転させる従来のトルク測定装置(図5参照)よりも、コンパクトな調心機構25を実現することができる。
また、調心台26の静圧気体軸受面27を多孔質焼結層271により形成しているので、調心台26の静圧気体軸受面27から圧縮気体を均一に放出することが可能となり、これにより、調心台26の静圧気体軸受面27と基台23の凸面231との間の圧力分布をより均一にすることができる。したがって、本実施の形態の調心機構25によれば、基台23を安定に支持することができ、より高精度なトルク測定が可能となる。また、調心の際、調心台26は、静圧気体軸受面27と基台23の凸面231との間の圧縮気体層28の厚みを均一に保ちながら、基台23の凸面231の表面形状の中心回りに回転して、静圧気体軸受面27を、基台23の凸面231に沿ってスムーズにスライドさせる。このため、自動調心の際に、調心台26と基台23とが干渉することはない。
また、本実施の形態では、多孔質焼結層271に黒鉛等の固体潤滑剤を拡散しているので、トルク測定装置1の作動中に、給気ポンプ4の故障等により、万一、基台23の凸面231が静圧気体軸受面27に接触した場合でも、焼き付き等を起こして凸面231および静圧気体軸受面27が損傷するのを防止することができる。
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
例えば、上記の実施の形態では、基台23に球面状の凸面231を形成し、調心台26の静圧気体軸受面27を、基台23の凸面231と整合する球面状の凹面としているが、これとは逆に、基台23に球面状の凹面を形成し、調心台26の静圧気体軸受面27を、基台23の凹面と整合する球面状の凸面としてもよい。また、上記の実施の形態では、調心台26側に静圧気体軸受面27を形成しているが、基台23側に静圧気体軸受面を形成するようにしてもよい。また、本発明の調心機構25は、スラスト回転試験機2のみならず、様々な機器に利用可能である。
1:トルク測定装置、2:スラスト回転試験機、3:ロードセル、4:給気ポンプ、5:試験対象(ボールベアリング)、21:回転体、22:モータ、23:基台、24:荷重機構、25:調心機構、26:調心台、27:静圧気体軸受面、28:圧縮気体層、41:給気チューブ、51:ボールベアリングの外周側軌道輪、52:ボールベアリングの内周側軌道輪、231:基台の凸面、232:基台のバー、233:基台の載置面、234:基台の側面、241:支点、242:レバー、243:バランサ、244:荷重印加部、260:バックメタル、261:バックメタルの凹面、262:通気路、263:調心台の側面、264:通気路の開口部、271:多孔質焼結層、2421:レバーの一方の端部、2422:レバーの他方の端部

Claims (5)

  1. 基台を自動調心するための調心機構であって、
    前記基台を支持する調心台を備え、
    前記調心台および前記基台の対向面の一方が、球面状の凸面を含むとともに、他方が、当該凸面に沿った球面状の凹面を含んでおり、
    前記凹面および前記凸面の一方の面には、他方の面に向けて圧縮気体を噴出する静圧気体軸受面が形成され、当該静圧気体軸受面から放出される圧縮気体により、当該静圧気体軸受面で他方の面を非接触で支持する
    ことを特徴とする調心機構。
  2. 請求項1に記載の調心機構であって、
    前記静圧気体軸受面は、多孔質焼結体の表面で形成されている
    ことを特徴とする調心機構。
  3. 請求項2に記載の調心機構であって、
    前記多孔質焼結体には、固体潤滑剤が分散されている
    ことを特徴とする調心機構。
  4. スラスト方向に荷重を加えて回転体を試験対象に押し当てながら当該回転体を回転させるスラスト回転試験機であって、
    前記回転体と、
    前記試験対象が固定される載置面を有し、前記回転体の回転方向に回転自在な基台と、
    前記基台の載置面が前記スラスト方向に対して垂直となるように前記基台を自動調心する請求項1ないし3のいずれか一項に記載の調心機構と、を備える
    ことを特徴とするスラスト回転試験機。
  5. 試験対象の回転トルクを測定するトルク測定装置であって、
    スラスト方向に荷重を加えて回転体を前記試験対象に押し当てながら、当該回転体を回転させる請求項4に記載のスラスト回転試験機と、
    前記試験対象が固定された載置面を有する前記スラスト回転試験機の基台の回転トルクを検出するロードセルと、を有する
    ことを特徴とするトルク測定装置。
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