JP2016080467A

JP2016080467A - 回転アンバランス測定装置

Info

Publication number: JP2016080467A
Application number: JP2014210657A
Authority: JP
Inventors: 政勝関根; Masakatsu Sekine; 成田　信彦; Nobuhiko Narita; 信彦成田
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-05-16
Anticipated expiration: 2034-10-15
Also published as: JP6371667B2

Abstract

【課題】回転体における回転アンバランスの円周上位置及び大きさを測定する回転アンバランス測定装置において、回転体が測定中、不要に回転せず、よってアンバランス測定精度を向上させる。【解決手段】垂直方向に立設された中心軸と、中心軸に対し揺動可能に組み付けられた揺動アームと、揺動アームの一端又は一端近傍に設けられた回転駆動源と、揺動アームの他端又は他端近傍に回転可能に設けられた回転体保持軸と、回転駆動源の回転トルクを回転体保持軸に伝達するトルク伝達部とを有する。また揺動アームの揺動周期及び振幅を測定するギャップセンサよりなるアーム揺動測定部と、回転体保持軸に保持された回転体の回転位置を測定するロータリエンコーダよりなる回転位置測定部とを有し、更に揺動アームの初動位置を規定する弾性要素よりなるアーム初動位置規定部を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、回転体における回転アンバランス（重心オフセット）の円周上の位置及び大きさを測定するために用いられる回転アンバランス測定装置に関する。本発明の回転アンバランス測定装置は例えば、高速回転によるアンバランスに起因する振れ回り振動や破損を問題とする回転体の生産・検査工程における自動アンバランス測定装置として用いられる。

近年の回転機械は、その精密化・高速化が図られ、より高い性能と機能が要求されている。回転機械の運転において機器の性能を損なう最大の要因は振動とこれに伴う騒音であり、バランシングマシンによる釣合せによりこれを解決する必要がある。

ここで、図８に従来技術に係る回転アンバランス測定装置の簡易模式図を示す。この従来技術では、アンバランスを有する回転体（回転試料）５１を回転させた場合、板バネ（トーションバー）５２によって制限される振動方向に従動プーリ５３が移動すると、このプーリ５３に回転力が発生する（転動）。したがって駆動ベルト５４を介して伝達される駆動プーリ５５の低速回転が従動プーリ５３では回転変動を伴う乱れた回転となり、よってアンバランスとは異なる新たな振動を併発し、アンバランス測定精度の悪化を招くことが問題点として挙げられる（特許文献１参照）。

特許第３２１３１０２号公報

本発明は以上の点に鑑みて、上記従来技術対比でアンバランス測定精度を向上させることができる回転アンバランス測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の回転アンバランス測定装置は、回転体における回転アンバランスの円周上位置及び大きさを測定する回転アンバランス測定装置であって、垂直方向に立設された中心軸と、前記中心軸に対し揺動可能に組み付けられた揺動アームと、前記揺動アームの一端又は一端近傍に設けられた回転駆動源と、前記揺動アームの他端又は他端近傍に回転可能に設けられた回転体保持軸と、前記回転駆動源の回転トルクを前記回転体保持軸に伝達するトルク伝達部と、前記揺動アームの揺動周期及び振幅を測定するギャップセンサよりなるアーム揺動測定部と、前記回転体保持軸に保持された前記回転体の回転位置を測定するロータリエンコーダよりなる回転位置測定部と、前記揺動アームの初動位置を規定する弾性要素よりなるアーム初動位置規定部と、を有することを特徴とする。

また、本発明の請求項２による回転アンバランス測定装置は、上記した請求項１記載の回転アンバランス測定装置において、前記回転体は、自動車等車両に装着するクランクプーリ等のプーリ製品又はダイナミックダンパ若しくはトーショナルダンパ等のダンパ製品であることを特徴とする。

上記構成を備える本発明の回転アンバランス測定装置においては、測定試料である回転体を回転体保持軸上に装着し、回転駆動源を駆動して回転トルクをトルク伝達部を介して回転体保持軸に伝達し、回転体保持軸及びこれに保持された回転体を回転させる。しかして回転体に回転アンバランスが存在しなければ揺動アームは揺動しないところ、回転体に回転アンバランスが存在すると、偏った遠心力が発生するため、これにより揺動アームが揺動し、回転体の回転とともに揺動を繰り返す。そしてこの揺動アームの揺動の周期及び振幅並びに回転体の回転位置をギャップセンサよりなるアーム揺動測定部及びロータリエンコーダよりなる回転位置測定部にて測定することにより、揺動アームの揺動周期及び回転体の回転位置から回転体における回転アンバランスの円周上位置を特定し、揺動アームの揺動振幅から回転アンバランスの大きさを特定することが可能とされる。

本発明において、測定試料である回転体の種類はとくに限定されないが、自動車等車両に装着するクランクプーリ等のプーリ製品又はダイナミックダンパ若しくはトーショナルダンパ等のダンパ製品などは高速で回転するので、回転アンバランスによる不都合が顕在化しやすい。したがって本発明の装置によってこれらプーリ製品やダンパ製品の回転アンバランスを測定し、のちの工程でこれを低減・解消することは、これらプーリ製品やダンパ製品を正常に作動させるうえで極めて重要な事柄である。

以上説明したように本発明によれば、回転体に回転アンバランスが存在するときに揺動アームが揺動することを利用して回転体における回転アンバランスの円周上位置及び大きさを測定するものであって、測定時、回転体保持軸及びこれに保持された回転体は回転駆動源によって回転せしめられるほかは、回転しない。したがって上記従来技術のようにアンバランスと異なる振動が発生しないため、この分、アンバランス測定精度を向上させることができる。

本発明の実施例に係る回転アンバランス測定装置の構成説明図測定試料である回転体の説明図同回転アンバランス測定装置の作動説明図同回転アンバランス測定装置の作動説明図同回転アンバランス測定装置の作動説明図同回転アンバランス測定装置の作動を説明するグラフ図同回転アンバランス測定装置の作動を説明するグラフ図従来例に係る測定装置の構成説明図

（ａ）上記問題を解決するため、駆動プーリと従動プーリを一体構造とするための揺動機構を設け、これらを揺動軸を回転中心とし一体的に揺動振動させる。これにより不要な振動を排除し、アンバランス計測精度の向上を図る。また、静止時の揺動機構部の位置出し（センタリング）を設備本体（装置筐体）と揺動機構部を連接する弾性要素にて行なう。
（ｂ）上記構成により揺動軸を軸中心として、駆動プーリと従動プーリの相対的な位置を保ちながらアンバランスを計測することで、従来技術で発生するような回転変動は発生せず、いかなる回転数領域においても駆動プーリ側の駆動力が従動プーリ側に伝達され、常に狙い通りの回転数でプーリが回転する。したがってこれにより本機構によって発生する振動は、測定対象物のアンバランスに由来する揺動軸中心の回転のみとなり、よってより精度の高いアンバランス量の検出が可能となる。
（ｃ）また、更なる精度向上策として、アンバランス計測試料の回転中心を揺動回転中心から離すことで、アンバランスによる振動トルクを高め、更なる計測精度の向上を図ること、モータ等の重量物を揺動回転中心に近付け、揺動慣性モーメントを小さくし、更なる計測精度の向上を図ること、等も有効である。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

図１に示すように、当該実施例に係る回転アンバランス測定装置１１は、測定試料である回転体（回転試料）５１における回転アンバランス（重心オフセット）の円周上位置及び大きさを測定するために用いられる装置であって、図示しないベース上に垂直方向に立設された中心軸（揺動軸）２１と、この中心軸２１を中心として揺動作動するよう中心軸２１に取り付けられた揺動機構部３１とを備え、この後者の揺動機構部３１として、中心軸２１に対し揺動可能に組み付けられた揺動アーム３２と、揺動アーム３２の一端又は一端近傍に設けられた回転駆動源３３と、揺動アーム３２の他端又は他端近傍に回転可能に設けられた回転体保持軸３４と、回転駆動源３３の回転トルクを回転体保持軸３４に伝達するトルク伝達部３５とが設けられている。

回転駆動源３３は、具体的には回転モータよりなり、下向きの駆動軸３３ａを備え、この駆動軸３３ａに駆動プーリ３６が取り付けられている。回転体保持軸３４は揺動アーム３２の端部に対し上下方向に貫通するよう配置されるとともに揺動アーム３２よって回転可能に支持され、その下端部に従動プーリ３７が取り付けられている。また、回転体保持軸３４はその上端部に直接又は図示しない回転テーブルなどを介して、回転体５１を同軸的にかつ着脱可能に装着する。

駆動プーリ３６及び従動プーリ３７は無端状の駆動ベルト３８で連結され、これらにより上記トルク伝達部３５が設定されている。したがって回転駆動源３３が駆動するとその回転トルクが駆動プーリ３６、駆動ベルト３８及び従動プーリ３７を経由して回転体保持軸３４に伝達され、回転体保持軸３４及びこれに保持された回転体５１が同時回転する。

また、揺動アーム３２の一方の側方に位置して、揺動アーム３２の揺動周期及び揺動角度を測定しこれらの測定データを出力するためのギャップセンサよりなるアーム揺動測定部４１が所定の間隔ｃを介して離間配置されるとともに、揺動アーム３２及び回転体５１間であって揺動アーム３２の上面部に位置して、回転体保持軸３４の上端に保持した回転体５１の回転位置（円周上位置）を測定しその測定データを出力するためのロータリエンコーダよりなる図示しない回転位置測定部が配置され、また揺動アーム３２の側方に位置して、揺動アーム３２の初動位置を規定するための弾性要素よりなるアーム初動位置規定部４３が設けられている。弾性要素は具体的にはコイルばねよりなり、コイルばねはその一端を揺動アーム３２に連結されるとともに他端を図示しない装置１１の筐体部に連結されている。

回転体５１は具体的には、自動車等車両に装着するクランクプーリ等のプーリ製品とされ、又はダイナミックダンパ若しくはトーショナルダンパ等のダンパ製品などとされる。

上記構成を備える回転アンバランス測定装置１１は、以下のように作動する。

（１）例えば図２に示すような、大量生産する工業製品である回転体５１には、重心のオフセット（位置ずれ）ｒが僅かに発生する。回転中心０に対して重心オフセットｒが発生すると、回転体５１を回転させたとき、重心オフセット方向に遠心力Ｆが発生する。ここで、遠心力Ｆは角速度（回転数）ｗの二乗で大きくなるため、自動車エンジンなどの高速で回転する機器では振れ回り振動や破損を防止するため、回転体５１のアンバランスを規定値以下に抑える必要がある。
遠心力：Ｆ＝ｍ・ｒ・ｗ^２
ｍ：質量（ｋｇ）
ｒ：重心オフセット（ｍ）
ｗ：角速度（ｒａｄ／ｓ）

（２）極低回転域において、図３に示すようなアンバランス位置Ｐ及び遠心力Ｆが発生する場合、図の上方向に向かって揺動（揺動機構部３１の移動）Ｓが発生する。極低回転域において、アンバランス遠心力Ｆのベクトル方向が揺動機構部３１の揺動方向と一致した場合に揺動機構部３１が揺動振動する。

（３）揺動機構部３１は振子状の挙動をするため、共振周波数（＝振子の等時性）を有する。共振周波数となる回転数で回転体５１を回転させると図４に示すように、遠心力Ｆのベクトル方向に対して９０度遅れた（＝位相角：９０度）振れ回り力Ｆ２が発生する。したがって上記（２）と同様、振れ回り力Ｆ２と一致した方向に揺動振動Ｓが発生する（極低回転では遠心力Ｆと振れ回り力Ｆ２のベクトル位相角は小さいために無視することができる）。尚、Ｔは回転体５１の回転方向を示している。

（４）共振周波数より高速な回転数で回転体５１を回転させると図５に示すように、遠心力Ｆのベクトル方向に対して１８０度近く遅れた（≒位相角：１８０度）振れ回り力Ｆ２が発生する。したがって揺動機構部３１は遠心力Ｆのベクトル方向に対してほぼ反対向きに揺動Ｓすることになる。

（５）図６（Ａ）（Ｂ）のグラフ図に示すように、回転体５１の回転数を高めることで僅かなアンバランスでも遠心力が大きくなり、振れ回り振動が発生（検知）しやすくなることから、一般的には遠心力ベクトルと振れ回りベクトルが逆位相（≒１８０度）となる高回転数領域でアンバランスの測定を行なう。

（６）上記（１）〜（５）を前提として、回転体５１の回転アンバランスを測定すると、その測定値は図７のグラフ図に示すようになる。ここで図７のグラフ図における縦軸は振動振幅（絶対座標）を示すとともに横軸は時間（時間の経過と共に回転数増加）を示し、またグラフ上のＸ波は揺動機構部３１の位置を示すとともにＹ波は回転アンバランス（重心オフセット）の位置を示し、ｘｙ両波は時間が経過し回転数が増加するのに伴って、低回転の同位相域、共振域及び高回転の逆位相域を形成している。

したがって、図７（Ａ）のＤ部を拡大する図７（Ｂ）に示すように、波形のズレ（アンバランス位置（遠心力ベクトル）と振れ回りベクトルの位相角）ｇをロータリエンコーダの位置情報（角度情報）から読み取ることで、ロータリエンコーダ上の、どの位置にアンバランスが存在するかを解析することができ、また、揺動振幅のピーク値ｐからアンバランスの大きさを解析することができる。

尚、実測に先立って、アンバランスゼロのマスターワークを用意し、その円周上１箇所に重量既知の粘土などよりなる規定アンバランス付加オモリを取り付け、装置１１にセットして測定し、これを基準値ないし比較値として利用するようにしても良い。

１１回転アンバランス測定装置
２１中心軸
３１揺動機構部
３２揺動アーム
３３回転駆動源
３３ａ駆動軸
３４回転体保持軸
３５トルク伝達部
３６駆動プーリ
３７従動プーリ
３８駆動ベルト
４１アーム揺動測定部
４３アーム初動位置規定部
５１回転体

Claims

回転体における回転アンバランスの円周上位置及び大きさを測定する回転アンバランス測定装置であって、
垂直方向に立設された中心軸と、前記中心軸に対し揺動可能に組み付けられた揺動アームと、前記揺動アームの一端又は一端近傍に設けられた回転駆動源と、前記揺動アームの他端又は他端近傍に回転可能に設けられた回転体保持軸と、前記回転駆動源の回転トルクを前記回転体保持軸に伝達するトルク伝達部と、前記揺動アームの揺動周期及び振幅を測定するギャップセンサよりなるアーム揺動測定部と、前記回転体保持軸に保持された前記回転体の回転位置を測定するロータリエンコーダよりなる回転位置測定部と、前記揺動アームの初動位置を規定する弾性要素よりなるアーム初動位置規定部と、を有することを特徴とする回転アンバランス測定装置。
請求項１記載の回転アンバランス測定装置において、
前記回転体は、自動車等車両に装着するクランクプーリ等のプーリ製品又はダイナミックダンパ若しくはトーショナルダンパ等のダンパ製品であることを特徴とする回転アンバランス測定装置。