JP2013525701A - 軸受装置、軸受装置の軸受面の磨耗を検出する方法および軸受装置の使用 - Google Patents

Abstract

軸受装置は、軸受面（１ａ）を有する第１の部分（１）、導電性材料で作られるとともに軸受面（１ａ）と滑り接触して配置される表面を有する第２の部分（２）、および軸受面の磨耗を検出するための手段を有する。磨耗検出手段は、第１の部分（１）に配置され、少なくとも部分的に導電性材料で作られるとともに第１の領域（３ｄ）および第２の領域（３ｅ）を有するセンサ（３）を有する。第１の領域（３ｄ）は、軸受面（１ａ）が傷ついていないときに開いた電気回路が形成されるように、第２の部分（２）の表面に電気的に接続され、軸受面（１ａ）がある一定の予め決められた厚さまで磨耗したときに、第２の領域（３ｅ）は第２の部分（２）の表面と電気的に接触する状態になり電気回路を閉じる。磨耗検出手段はさらに、電気回路の閉鎖を検出する手段を有する。本発明はまた、軸受面の磨耗を検出する方法および内燃機関のターボチャージャでの軸受装置の使用にも関する。

Description

本発明は、請求項１の前段に規定されるように、軸受面を有する第１の部分、導電性材料で作られるとともに第１の部分の軸受面と滑り接触して配置される表面を有する第２の部分、および軸受面の磨耗を検出するための手段を有する軸受装置に関する。

本発明はまた、請求項１０の前段に規定されるように、軸受装置の軸受面の磨耗を検出する方法、および請求項１３に規定されるように、内燃機関のターボチャージャでの軸受装置の使用に関する。

軸受は、相互に関連して動く部品がある所の至る所で使用される一般的な機械部品である。その動きはしばしば回転または直線状であるが、動きの経路は、例えば円弧状等、異なることもあり得る。時計に使われる非常に小さい宝石軸受から重機または橋および他の建造物の支持構造に使われる非常に大きい軸受まで及ぶ異なる用途に対する異なるタイプの軸受がある。

軸受の寿命は、動き、荷重および軸受が使用される状況の種類等、多くのことに依存する。軸受の寿命はある程度の正確さで予測され得るが、軸受の正確な寿命は事前に知ることはできない。多くの用途では、軸受の故障は大きな損傷の原因となり得る。例えば、内燃機関用ターボチャージャでは、故障した軸受は、故障した軸受だけでなく、ターボチャージャ全体が交換される必要があることを意味し得る。必然的に、これは通常、故障前に軸受を交換することよりはるかに高価である。軸受はその予測された寿命を満了する前に余裕を持って交換されることができるが、これは余計な仕事と予備部品が必要とされるため、より高いコストにつながる。また、多くの場合、これは望まれずかつ費用のかかる余分な操業停止につながる。

理想的な状況は、軸受の状態を監視するとともに故障する前であるが早すぎずに軸受の交換を可能にする装置を有することである。

軸受の磨耗を監視するための異なるシステムが開発されている。特許文献１は、大型２ストローク内燃機関の軸受の磨耗を監視するための装置を開示する。装置は、ストロークの下死点でのガイドシューの位置を検出するために使用される２つの近接センサを有する。経時的なガイドシューの検出された位置は、軸受の磨耗の徴候を得るために比較される。この種の装置は、軸受の状態の間接的な徴候のみを与え、限られた用途の範囲にのみ適切である。加えて、この種の装置は、異なるエンジン温度、速度および荷重に対してキャリブレーションを必要とする。

特許文献２は、軸受の磨耗を検出するための他のシステムを開示する。公報によれば、光ファイバーフィラメントが軸受面に埋め込まれる。フィラメントは表面が磨耗するにつれて磨耗し、観測されるフィラメントを通って伝達される光の量に基づいて、軸受面の磨耗が決定され得る。この種のシステムの欠点は、光ファイバーフィラメントの特性がシステムを使用し得る用途を制限することを含む。例えば、光ファイバーフィラメントは一定の最小曲げ半径を有する。この最小曲げ半径は、フィラメントが適用され得るシャフトの最小半径を決定する。また、フィラメントの耐熱性は、システムの異なる用途を考慮するとき、制限する要因になり得る。

米国特許出願公開第２００７／００１７２８０号 米国特許第６，０８０，９８２号

本発明の目的は、軸受面の磨耗を検出するための手段を有する改良された軸受装置を提供することである。本発明の他の目的は、軸受装置の軸受面の磨耗を検出するための方法を提供することである。

本発明による軸受装置の特徴は請求項１の特徴部分に与えられる。本発明による方法の特徴は請求項１０の特徴部分に与えられる。本発明による使用の特徴は請求項１３の特徴部分に与えられる。

本発明による軸受装置は、軸受面を有する第１の部分、および導電性材料で作られるとともに第１の部分の軸受面と滑り接触して配置される表面を有する第２の部分を有する。軸受装置はまた軸受面の磨耗を検出するための手段を有し、手段は第１の部分に配置されたセンサを有する。このセンサは、少なくとも部分的に導電性材料で作られるとともに第１の領域および第２の領域を有する。第１の領域は、軸受面が傷ついていないときに開いた電気回路が形成されるように、第２の部分の表面に電気的に接続され、軸受面がある一定の予め決められた厚さまで磨耗したときに、センサの第２の領域は第２の部分の表面と電気的に接触する状態になり電気回路を閉じる。軸受面の磨耗を検出する手段はさらに、電気回路の閉鎖を検出する手段を有する。

本発明による軸受装置は、単純で安価な構造を有し、様々な用途に使用され得る。本発明による軸受装置は、軸受の故障をちょうど良い時に検出するとともに高い修理コストを避けるための信頼性のある手段を提供する。本発明による軸受装置は、軸受状態の手動監視のためにまたは完全自動監視システムの一部に使用され得る。

本発明によれば、軸受面を有する第１の部分および導電性材料で作られるとともに第１の部分の軸受面と滑り接触して配置される表面を有する第２の部分を有する軸受装置の軸受面の磨耗を検出する方法は、第１の部分に少なくとも部分的に導電性材料で作られるとともに第１の領域および第２の領域を有するセンサを提供するステップを有し、第１の領域は、軸受面が傷ついていないときに開いた電気回路が形成されるように、第２の部分の表面に電気的に接続され、軸受面がある一定の予め決められた厚さまで磨耗したときに、センサの第２の領域は第２の部分の表面と電気的に接触する状態になり電気回路を閉じる。方法はさらに、電気回路の閉鎖を検出するステップを有する。

本発明の実施形態によれば、電気回路の閉鎖を検出する手段は、センサと第２の部分の表面との間の抵抗を測定する手段を有する。本発明の別の実施形態によれば、電気回路は電圧源を有し、電気回路の閉鎖を検出する手段は、電気回路の電流を測定する手段を有する。
本発明の実施形態の他の特徴は、従属請求項に列挙される。

図１は、本発明によるスラスト軸受装置の概略断面図を示す。 図２は、本発明による他のスラスト軸受装置の概略断面図を示す。 図３は、本発明による別の種類の軸受装置の概略断面図を示す。 図４は、本発明によるさらに別の種類の軸受装置の概略部分断面図を示す。

本発明のいくつかの実施形態が今添付の図面を参照して説明される。図１はスラスト軸受に関しての本発明の実施形態を示す。図１の軸受装置は、２つの部品間の回転運動を可能にするとともに軸方向荷重を支えるように設計される。軸受装置は、例えば、内燃機関のターボチャージャのメインシャフトを支持するために使用され得るが、この種類の軸受装置は他の多くの用途にも使用され得る。

軸受装置は、固定された第１の部分１と、第１の部分１と滑り接触するように配置されたスラストカラーである第２の部分２とを有する。第１の部分１は、そこに対してスラストカラー２が回転する軸受面１ａを有する。多くの用途において、第１の部分１と第２の部分２との間に潤滑剤を配置することが望ましいが、全ての場合において必須ではない。第１の部分１、軸受面１ａおよびスラストカラー２の材料は、軸受装置が使用される用途によって決まる。第１の部分１の材料は、問題となっている用途に対して十分硬くかつ支えなければならない荷重に耐える十分な機械的強度を有する必要がある。第１の部分１の材料はまた、軸受装置が使用される用途に対して十分な耐薬品性、耐圧性および耐熱性を有するように選択されなければならない。多くの用途において、第１の部分１は好ましくは鋼等の合金で作られるが、異なる重合体、複合材料あるいは木材等、多くの他の材料が多くの用途に対して適し得る。

第１の部分１に使用されたものと同じ材料はスラストカラー２にも適している。しかし、本発明の実施のために、第１の部分１の軸受面１ａに対して滑るスラストカラー２の表面の少なくとも一部が導電性材料で作られることが必要である。したがって、鋼等の合金がしばしばスラストカラー２のための最も適した材料である。スラストカラー２の本体が非導電性である材料で作られる場合、スラストカラー２は導電性材料で被覆され得る。軸受面１ａと接触するスラストカラー２の一部のみを被覆することも可能である。

第１の部分１の軸受面１ａは好ましくは、耐摩耗性であるとともにスラストカラー２に対して低摩擦係数を有する材料で作られる。多くの場合、軸受面１ａは、軸受面１ａがスラストカラー２より早く磨耗するように、スラストカラー２の材料より軟らかい材料で作られることも好ましい。軸受面１ａに対する適切な材料は、例えば、銅系合金、アルミニウム系材料またはホワイトメタル等、異なる金属および合金である。また、カーボングラファイトまたは異なるプラスチック等、非金属材料も、用途に応じて適し得る。軸受面のための材料の選択は軸受装置の用途によって決まる。異なる速度、荷重、温度および他の条件、並びに潤滑剤を用意する可能性は、材料の選択に影響を与える。第１の部分１全体が同じ材料で作られ得る、或いは第１の部分１の本体は軸受面１ａの材料と異なる。

第１の部分１の内部には、導電性材料で作られたセンサコア３ａを有するセンサ３が配置される。センサコア３ａの材料は、金属または合金であり得るが、他の導電性固定材料も使用され得る。図１の実施形態では、センサは絶縁層３ｂも有する。この絶縁層３ｂは、第１の部分１からコア３ａを電気的に絶縁する。絶縁層３ｂは、センサコア３ａの周りに配置されるとともにセンサコア３ａの両端部を覆う。絶縁層３ｂは、適切な重合体等、非導電性材料で作られる。センサコア３ａおよび絶縁層３ｂは、センサ３を第１の部分１に固定するために使用されるセンサボディ３ｃの内部に取り付けられる。センサボディ３ｃは、固定部分に適した機械的性質を有する任意の材料で作られ得る。材料は導電性または非導電性であり得る。

センサボディ３ｃおよび絶縁層３ｂは必ずしも本発明による軸受装置の必須の部品ではない。第１の部分１が非導電性材料で作られる場合、絶縁層３ｂを有する必要はない。センサコア３ａが適切な構造および材料を有する場合、センサボディ３ｃは必要とされず、センサコア３ａはセンサ全体３を形成し得るとともに第１の部分１に直接取り付けられ得る。センサボディ３ｃおよび絶縁層３ｂが同じ部品であることも可能である。絶縁層３ｂはまた、第１の部分１がスラストカラー２の表面と電気的に接触しない場合に、冗長である。これは、少なくとも軸受面１ａが非導電性材料で作られるとともに、第１の部分１またはスラストカラー２が、軸受装置が使用される装置のフレームから電気的に絶縁されることを必要とする。これは、例えば、スラストカラー２が非導電性材料で作られるとともに軸受面１ａに接触する面のみが導電性である場合である。しかし、大抵の場合、センサコア３ａを第１の部分１から絶縁することが好ましい。

センサコア３ａは一方の端部において第１の領域３ｄを有するとともに他方の端部において第２の領域３ｅを有する。第１の領域はスラストカラー２の表面に電気的に接続される。図１の実施形態では、この接続は、導線４を使用して実現される。図１に示されるように、スラストカラー２はグランドにも接続される。第１の部分１が導電性材料で作られ、センサコア３ａが第１の部分から電気的に絶縁されない場合、導線４はセンサコア３ａの代わりに第１の部分に接続され得る。導線４を軸受装置が使用される構造の他の場所に接続することも、その部分がセンサコア３ａに電気的に接続される場合、可能である。

図１に示された実施形態では、センサ３は、センサボディ３ｃの他方の端部および絶縁層３ｂが軸受面１ａと平行になるように、第１の部分１の内部に配置される。センサコア３ａの他方の端部はスラストカラー２から距離Ａにある。距離Ａは軸受面１ａの最大許容磨耗になるように設定される。例えば、軸受面１ａが２ｍｍ磨耗することが許容される場合、スラストカラー２からのセンサコア３ｃの他方の端部の距離Ａは２ｍｍになるように設定される。スラストカラー２が軸受面１ａに対して回転するとき、軸受面１ａは徐々に磨耗する。軸受面が十分磨耗するとすぐに、導電性センサコア３ａが暴露されるとともに、閉鎖された電気回路が形成されるように第２の領域３ｅがスラストカラー２の表面と接触するようになる。

図１では細長いセンサ３が示されているが、センサ３の形状は異なり得る。例えば、センサコア３ａは、一方の面が第１の領域３ｄを形成するとともに他方の面が第２の領域３ｅを形成する、金属板であり得る。

電気回路では、回路の閉鎖を検出するための手段が配置される。図１に示される実施形態の場合、手段はオーム計５である。電気回路が開いているとき、オーム計５は無限大の抵抗を示し、電気回路が閉じられたとき、その読みは０の近くに低下する。回路の閉鎖を検出する他の方法もある。例えば、図２の実施形態では、電気回路は電圧源６を有し、電流計７が回路の閉鎖を検出するために使用される。開いている電気回路では、電流は無く、電流計７はゼロ電流を示す。回路が閉鎖されたとき、電流計７はより高い読みを示し、正確な読みは電圧および回路の抵抗によって決まる。

軸受装置が使用される用途に応じて、回路の閉鎖が検出されたときに異なる動作が取られ得る。比較的低い負荷および速度の用途では、軸受装置が使用される装置の外側に回路の閉鎖を検出する手段を有することで十分であるかもしれず、軸受面の状態は例えば毎日検査される。軸受面が予め規定された厚さに磨耗していることに気づいた場合、装置は停止され磨耗した部品は交換される。

磨耗した軸受面が軸受装置および／または軸受装置が使用されている装置全体に重大な損傷をもたらし得る、他の用途では、電気回路が警告信号を発生し装置のオペレータが装置を停止し得るシステムに接続されることが好ましいかもしれない。ある場合には、電気回路の閉鎖が検出されたときに装置が自動的に停止することが好ましいかもしれない。

同様の磨耗検出手段はまた、スラストベアリング装置と違った、他の種類の軸受装置に使用され得る。図３には本発明の他の実施形態が示され、第１の部分１は第２の部分２を支持するスリーブである。この第２の部分２は、スリーブ１と滑り接触して配置される軸である。軸２はスリーブ１に対して、回転または直線運動し得る。図３の実施形態では、センサ３はセンサコア３ａおよび絶縁層３ｂを有するが、センサボディを有さない。その他の点では、軸受装置は図１の軸受装置と同様の方法で機能する。図３では、電気回路の閉鎖を検出するためのオーム計５が示されているが、当業者には、電流計または他の装置がオーム計の代わりに使用され得ることが明らかであろう。

図４は本発明のさらに別の実施形態を示す。図４の実施形態では、第１の部分１は、その外面に配置された軸受面１ａを有する軸である。第２の部分２は、第１の部分１に滑り接触して配置されたスリーブである。運動は回転または直線状であり得る。図４は、センサコア３ａおよび絶縁層３ｂを有するセンサ３がどのように軸の内部に配置されるかを示す。センサ３および軸受面１ａは軸１のほぼ全長にわたって配置されるが、特に回転運動の場合、それらは軸１のより短い部分のみに配置され得る。たとえ軸受装置が直線運動用に設計されていたとしても、センサ３は１つの場所に設置され得る。軸受装置の動作原理は図１の軸受装置のそれと同じである。この実施形態では、第１の領域３ｄはセンサ３の端部にあり、第２の領域３ｅはセンサ３の長手方向の側面にある。

電気回路は図中に概略的にのみ示されていることが当業者には理解されるであろう。したがって、導線を第１の部分の軸受面に接触する第２の部分の表面の部分に近づけて設置することは必要とされない。第２の部分が導電性材料で作られる場合、導線は第２の部分の任意の場所に固定され得る。ある場合には、如何なる導線も第２の部分に固定されることは必要とされず、軸受装置が使用される構造のある部分が導電要素として用いられる。センサが固定してあるいは軸受装置の動く部分に配置され得ることも明らかである。本発明の多くの他の変更が添付の特許請求の範囲の範囲内で可能である。

Claims (13)

1. 軸受面を有する第１の部分、および導電性材料で作られるとともに前記第１の部分の前記軸受面と滑り接触して配置される表面を有する第２の部分を有し、前記軸受面の磨耗を検出するための手段をさらに有する、軸受装置であって、
   前記軸受面の磨耗を検出するための前記手段は前記第１の部分に配置されたセンサを有し、
   前記センサは、少なくとも部分的に導電性材料で作られるとともに第１の領域および第２の領域を有し、
   前記第１の領域は、前記軸受面が傷ついていないときに開いた電気回路が形成されるように、前記第２の部分の前記表面に電気的に接続され、前記軸受面がある一定の予め決められた厚さまで磨耗したときに、前記センサの前記第２の領域が前記第２の部分の前記表面と電気的に接触する状態になり前記電気回路を閉じ、
   前記軸受面の磨耗を検出する前記手段は、前記電気回路の閉鎖を検出する手段をさらに有する、ことを特徴とする、
   軸受装置。
2. 前記電気回路の閉鎖を検出する前記手段は、前記センサと前記第２の部分の前記表面との間の抵抗を測定する手段を有する、ことを特徴とする、
   請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記電気回路は電圧源を有し、前記電気回路の閉鎖を検出する前記手段は前記回路内の電流を測定する手段を有する、ことを特徴とする、
   請求項１に記載の軸受装置。
4. 前記センサの導電性部分が前記第１の部分から電気的に絶縁される、ことを特徴とする、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の軸受装置。
5. 前記センサは、導電性のセンサコアおよび前記センサコアの周りに配置された絶縁層を有する、ことを特徴とする、
   請求項４に記載の軸受装置。
6. 前記センサは、前記センサを前記第１の部分に固定するために使用されるセンサボディを有する、ことを特徴とする、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の軸受装置。
7. 前記第２の部分はスラストカラーであり、前記第１の部分の前記軸受面は前記スラストカラーによって伝達される軸方向荷重を支えるように配置される、ことを特徴とする、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の軸受装置。
8. 前記第１の部分は軸であるとともに前記第２の部分はスリーブであり、前記第１の部分の前記軸受面は前記スリーブによって伝達されるラジアル荷重を支えるように配置される、ことを特徴とする、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の軸受装置。
9. 前記第２の部分は軸であり、前記第１の部分は、内面に前記軸受面を有するとともにラジアル荷重を支えるように前記軸の周りに配置されるスリーブである、ことを特徴とする、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の軸受装置。
10. 軸受面を有する第１の部分および導電性材料で作られるとともに前記第１の部分の前記軸受面と滑り接触して配置される表面を有する第２の部分を有する軸受装置の前記軸受面の磨耗を検出する方法であって、
    前記第１の部分は、少なくとも部分的に導電性材料で作られるとともに第１の領域および第２の領域を有するセンサを備え、
    前記第１の領域は、前記軸受面が傷ついていないときに開いた電気回路が形成されるように、前記第２の部分の前記表面に電気的に接続され、前記軸受面がある一定の予め決められた厚さまで磨耗したときに、前記センサの前記第２の領域は前記第２の部分の前記表面と電気的に接触する状態になり前記電気回路を閉じ、
    前記電気回路の閉鎖が検出される、ことを特徴とする、
    方法。
11. 前記センサと前記第２の部分の前記表面との間の抵抗が前記電気回路の閉鎖を検出するために測定される、ことを特徴とする、
    請求項１０に記載の方法。
12. 電圧が前記電気回路に供給されるとともに前記回路内の電流が前記回路の閉鎖を検出するために測定される、ことを特徴とする、
    請求項１０に記載の方法。
13. 内燃機関用ターボチャージャでの請求項１乃至８のいずれか１項に記載の軸受装置の使用。

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