JP2017133950A - 判定装置、軸受試験装置および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】粘度計を用いずに、軸受の潤滑状態を判定する。【解決手段】取得部３１は、回転計５から軸の回転数Ｎを、トルク計６から軸のトルクＦを、熱電対２から温度Ｔをそれぞれ取得する。算出部３２は、熱電対２が測定した温度Ｔに基づいて潤滑油の粘度ηを算出する。判定部３３は、算出部３２により算出された粘度η、回転計５により計測された回転数Ｎ、およびトルク計６により計測されたトルクＦから、軸と軸受との潤滑状態を判定する。通知部３４は、判定部３３により判定された潤滑状態を利用者に通知する。【選択図】図４

Description

本発明は、自動車、自動二輪車等の車両で用いられる軸受の潤滑状態を判定する判定装置に関する。

軸受の異常部位を特定する方法として、特許文献１には、クランク装置の軸受のＡＥ（Acoustic Emission；アコースティック・エミッション）発生箇所標定装置が開示されている。この発明によればクランクシャフトの軸受で検出されたＡＥ信号が基準値を超えた回数をそのときの回転角ごとに集計してこの軸受の異常部位を特定する。しかし、この標定装置は摺動発熱をする部位に熱の影響を受け易いＡＥセンサを用いるため、例えば熱が加わることによりＡＥセンサ内の圧電素子の出力が低下し、検波の精度が下がる。

特許文献２には、粘度計により得られる粘度、回転数から得られる速度、ロードセルから得られる押し付け荷重、およびストライベック曲線から軸と軸受との潤滑状態を判断する摩擦摩耗試験機が開示されている。

特開平３−２４５０５３号公報 特開平１０−２６５８１号公報

特許文献２に記載された技術は、特許文献１に記載された技術などＡＥセンサを用いる場合に比べて、潤滑状態の判断の精度が熱により低下するおそれが少ない。しかし、特許文献２に記載された技術は、ピンとディスクとが接触をして初めて熱起電力が発生する構成であるため、ピンとディスクとが接触していないときには、粘度計によらなければ潤滑油の粘度が測れない、という問題があった。

本発明は、粘度計を用いずに、軸受の潤滑状態を判定する技術に関する。

上述した課題を解決するため、本発明に係る判定装置は、軸受の温度を測定する温度測定部と、前記軸受に対して摺動する軸の回転数を計測する回転数計測部と、前記軸に加わるトルクを計測するトルク計測部と、前記温度測定部が測定した温度に基づいて潤滑油の粘度を算出する算出部と、前記算出部により算出された前記粘度、前記回転数計測部により計測された前記回転数、および前記トルク計測部により計測された前記トルクから、前記軸と前記軸受との潤滑状態を判定する判定部と、前記判定部により判定された前記潤滑状態を利用者に通知する通知部と、を有することを特徴とする。

好ましくは、前記判定部は、前記算出部により算出された前記粘度、前記回転数計測部により計測された前記回転数、および前記トルク計測部により計測された前記トルクの時間変化に基づいて、将来における前記潤滑状態を判定するとよい。

また、好ましくは、前記温度測定部を複数有し、前記複数の温度測定部は、前記軸受の異なる部位に対応する位置に設けられ、前記算出部は、複数の前記温度測定部が測定した温度に基づいて、該温度測定部が該温度を測定した軸受の部位における潤滑油の粘度を算出し、前記判定部は、前記軸と前記軸受の部位との潤滑状態をそれぞれ判定するとよい。

また、本発明に係る軸受試験装置は、上述の判定装置を有することを特徴とする。
また、本発明に係る車両は、上述の判定装置を有することを特徴とする。

本発明によれば、粘度計を用いずに、軸受の潤滑状態を判定することができる。

本発明に係る判定装置９の一例を示す図。 本発明に係るハウジング１の一例を示す図。 予め測定されたストライベック曲線を説明するための図。 判定装置９の制御部３により実現される機能的構成を示す図。 判定装置９の制御部３による判定の動作の流れを示すフロー図。 潤滑状態の予測に用いる軸受特性数の経時変化を示す概念図。 変形例の制御部３による判定の動作の流れを示すフロー図。

１．実施形態
図１は、本発明に係る判定装置９の一例を示す図である。図１に示す通り、本発明に係る判定装置９は、判定の対象となる半円筒型または円筒型の軸受βを把持・固定するハウジング１と、ハウジング１に固定された軸受βの内周面に接する軸αを回転させてこの軸αと軸受βとを摺動させるモータ４と、軸受βのそれぞれの箇所に配置された互いに異なる物質の接点間に生じる熱起電力を検知してこの軸受βの温度を測定する熱電対２と、軸αの回転数を計測する回転計５と、軸αに加わるトルクを計測するトルク計６と、モータ４を制御するとともに、熱電対２によって測定された温度の情報や回転計５によって計測された軸αの回転数、トルク計６によって計測された軸αに加わるトルクの情報を取得して軸受βの潤滑状態を判定する制御部３と、制御部３に制御されて画像を表示する表示部７と、を有する。回転計５は、軸αの回転数を計測する回転計測部の一例である。トルク計６は、軸αに加わるトルクを計測するトルク計測部の一例である。

制御部３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置とＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置とを備えており、記憶装置に記憶されているプログラムを実行することで判定装置９を制御する。

図２は、本発明に係るハウジング１の一例を示す図である。以下、図において、ハウジング１が配置される空間をｘｙｚ右手系座標空間として表す。また、図に示す座標記号のうち、円の中に点を描いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を表し、円の中に交差する２本の線を描いた記号は、紙面手前側から奥側に向かう矢印を表す。空間においてｘ軸に沿う方向をｘ軸方向という。また、ｘ軸方向のうち、ｘ成分が増加する方向を＋ｘ方向といい、ｘ成分が減少する方向を−ｘ方向という。ｙ、ｚ成分についても、上記の定義に沿ってｙ軸方向、＋ｙ方向、−ｙ方向、ｚ軸方向、＋ｚ方向、−ｚ方向を定義する。

図２に示す通りハウジング１は、ｘ軸方向に配置された軸αを受ける軸受β（図２において図示せず）を固定する部材であり、上部ハウジング１１と下部ハウジング１２とをｚ軸方向に重ねて挟みこむことで軸受βを固定するものである。図２（ｂ）には、図２（ａ）の矢視IIb−IIbからハウジング１を見た断面図が示されている。図２（ｂ）に示す通り、上部ハウジング１１は−ｚ方向に、下部ハウジング１２は＋ｚ方向にそれぞれ軸受βを押し付ける。上部ハウジング１１に設けられたボルト穴１１１およびボルト穴１１２は、それぞれ下部ハウジング１２のボルト穴１２１およびボルト穴１２２に対向しており、ボルト穴１２１に対向するボルト穴１１１と、ボルト穴１２２に対向するボルト穴１１２とに、それぞれ図示しないボルトを通すことにより上部ハウジング１１と下部ハウジング１２とが密着し、軸受βを固定する固定空間１０がハウジング１の中空に形成される。

上部ハウジング１１には温度測定用穴１１３が、下部ハウジング１２には温度測定用穴１２３が、それぞれ設けられている。これらの穴に熱電対２が収容されることで、軸受βの外周における各穴に対応する部位の温度がそれぞれ測定される。熱電対２は、軸受βの温度を測定する温度測定部の一例である。なお、温度測定部には熱電対２のほか放射温度計などを適用してもよい。

上部ハウジング１１には温度測定用穴１１３が７つ設けられており、それぞれに収容される熱電対２（図２において図示せず）は、各温度測定用穴１１３が対向する軸受βの部位の温度をそれぞれ測定する。

図３は、予め測定されたストライベック曲線を説明するための図である。ハウジング１によって固定される軸受βと、この軸受βによって受けられる軸αとの組には、予めストライベック曲線が測定されている。図３に示すストライベック曲線は、軸αおよび軸受βの組合せを指定して、潤滑油の粘度η［Ｐａ・ｓ（パスカル秒）］、軸αの回転数Ｎ［ｓ^−１］、軸受βの面圧Ｐｍ［Ｐａ（パスカル）］、および摩擦係数ｆ［−］を測定し、粘度ηと回転数Ｎと面圧Ｐｍによって決まる軸受特性数を横軸に、摩擦係数ｆを縦軸にプロットして求められる。軸受特性数は、例えば粘度ηと回転数Ｎとの積を面圧Ｐｍで除算した数値である（η×Ｎ／Ｐｍ）。

ストライベック曲線は予め決められた近似式で表されていてもよい。この場合、複数のプロットに基づいて最小二乗法などにより近似式の係数を算出すればよい。

図３に示すストライベック曲線には、軸受特性数に応じて３つの領域が定義される。３つの領域とは、すなわち、軸受特性数が閾値Ｌｘ以上である場合の「流体潤滑領域Ｒ１」、軸受特性数が閾値Ｌｘ未満で、かつ、閾値Ｌｍ（閾値Ｌｘよりも小さい値）以上である場合の「混合潤滑領域Ｒ２」、および軸受特性数が閾値Ｌｍ未満である場合の「境界潤滑領域Ｒ３」である。

流体潤滑領域Ｒ１は、摺動面同士が連続した潤滑膜で隔てられていてその厚さが表面粗さに比べて大きい潤滑状態のときの領域である。この流体潤滑領域Ｒ１では、摩擦抵抗は潤滑油の内部摩擦によるものとなる。流体潤滑領域Ｒ１では、横軸を軸受特性数とし、縦軸を摩擦係数としたときに、ストライベック曲線が単調増加する。

混合潤滑領域Ｒ２は、荷重の一部が流体膜により支えられ、一部が表面接触により支えられる潤滑状態のときの領域である。この混合潤滑領域Ｒ２ではストライベック曲線が潤滑油の供給量にも影響を受けるため、軸受特性数のみで１本のストライベック曲線が特定されない。混合潤滑領域Ｒ２では、横軸を軸受特性数とし、縦軸を摩擦係数としたときに、ストライベック曲線が単調減少する。

境界潤滑領域Ｒ３は、混合潤滑領域Ｒ２に比べてより頻繁な個体接触が起こっている潤滑状態のときの領域である。

判定装置９の制御部３は、予め測定されたストライベック曲線における閾値Ｌｘを用いる。閾値Ｌｘは、ストライベック曲線における形状から求められてもよいし、予め決められた定数であってもよい。閾値Ｌｘをストライベック曲線における形状から求める場合、例えば、このストライベック曲線が、軸受特性数を唯一の独立変数とした一変数関数で摩擦係数を表したものであると仮定して、この一変数関数を軸受特性数で微分した関数によって求めてもよい。つまりストライベック曲線における変曲点や極小値、極大値などに基づいて閾値Ｌｘを決めてもよい。

図４は、判定装置９の制御部３により実現される機能的構成を示す図である。制御部３は、上述したプログラムを実行することにより取得部３１、算出部３２、判定部３３、および通知部３４として機能する。

取得部３１は、回転計５から軸αの回転数Ｎを、トルク計６から軸αに加わるトルクＦを、熱電対２から軸受βの対応する部位における温度Ｔをそれぞれ取得する。算出部３２は、熱電対２が測定した温度Ｔに基づいて潤滑油の粘度ηを算出する。判定部３３は、算出部３２により算出された粘度η、回転計５により計測された回転数Ｎ、およびトルク計６により計測されたトルクＦから、軸αと軸受βとの潤滑状態を判定する。通知部３４は、判定部３３により判定された潤滑状態を利用者に通知する。通知は、例えば、図４に示すように表示部７によって行なわれてもよいし、他の構成（例えば、スピーカなど音声により）行なわれてもよい。

図５は、判定装置９の制御部３による判定の動作の流れを示すフロー図である。制御部３は、回転計５から軸αの回転数Ｎを取得し、トルク計６から軸αのトルクＦを取得する（ステップＳ１０１）。また、制御部３は、熱電対２から軸受βの温度を取得する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０１とステップＳ１０２とは順序が逆であってもよい。そして、制御部３は、熱電対２から取得した温度から所定の近似式を用いて潤滑油の粘度ηを算出する（ステップＳ１０３）。この近似式には様々なものが適用可能であるが、例えば、次の式（１）に示すアンドレードの式などが適用される。

η＝Ａｅｘｐ（Ｂ／ＲＴ）…（１）
ここで、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度であり、Ａ、Ｂは潤滑油に依存する係数である。

また、制御部３は、トルク計６から取得したトルクＦに基づいて軸受βにかかる荷重Ｗ［Ｎ］を特定し、この荷重Ｗと、軸径ｄ［ｍ］と、軸受幅Ｌ［ｍ］とを用いて、例えば次の式（２）に従って軸受βの面圧Ｐｍを算出する。
Ｐｍ＝Ｗ／（ｄ・Ｌ）…（２）

測定した温度Ｔから潤滑油の粘度ηを算出した後、制御部３は、軸受特性数を算出する（ステップＳ１０４）。すなわち、制御部３は、粘度ηおよび回転数Ｎの積を面圧Ｐｍで除算して軸受特性数を算出する。軸受特性数を算出すると、制御部３は、算出した軸受特性数が流体潤滑領域Ｒ１の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。具体的に制御部３は、算出した軸受特性数が閾値Ｌｘ以上であるか否かを判定し、軸受特性数が閾値Ｌｘ以上である場合には（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）処理を終了する。一方、算出した軸受特性数が閾値Ｌｘ未満である場合には（ステップＳ１０５；ＮＯ）、制御部３は、利用者にその旨を通知して警告する（ステップＳ１０６）。

以上の動作により判定装置９は、粘度計を用いずに熱電対２を用いて軸受βの潤滑状態を判定することができる。

なお、判定装置９は複数の熱電対２を有していたが、熱電対２は１つであってもよい。また、判定装置９が複数の熱電対２を有している場合、制御部３は、各熱電対２が軸受βのどの部位における潤滑油の温度を測定したかを対応付けて記憶しており、上述した警告をする際には、閾値Ｌｘ未満の軸受特性数に対応する温度が測定された部位を警告とともに利用者に通知してもよい。すなわち、制御部３は、複数の熱電対２がそれぞれ測定した軸受βの部位ごとに、軸αとその部位との潤滑状態をそれぞれ判定すればよい。

２．変形例
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。

２−１．変形例１
上述した実施形態において、判定部３３は、算出部３２により算出された粘度η、回転計５により計測された回転数Ｎ、およびトルク計６により計測されたトルクＦから、現時点での軸αと軸受βとの潤滑状態を判定していたが、算出部３２により算出された粘度η、回転計５により計測された回転数Ｎ、およびトルク計６により計測されたトルクＦの時間変化に基づいて、将来における軸αと軸受βとの潤滑状態を判定してもよい。

図６は、潤滑状態の予測に用いる軸受特性数の経時変化を示す概念図である。図６に示す横軸には時間ｔを、縦軸には軸受特性数をそれぞれ記載している。変化履歴Ｃｍは、軸受特性数の経時変化を示す履歴である。ここで、変化履歴Ｃｍを補外することにより、変化履歴Ｃｍよりも未来の時点における軸受特性数を予測する近似曲線Ｃｘを特定する。そして、特定した近似曲線Ｃｘにより現時点ｔ１よりもΔｔだけ将来の時点における軸受特性数を推算する。この推算した値が流体潤滑領域Ｒ１にあるか否かを判断して、この値が流体潤滑領域Ｒ１に存在しない場合には警告をする。これにより、軸αと軸受βとの潤滑状態が悪くなる前に、将来の或る時点においてこの潤滑状態が悪くなることを利用者が知ることができ、軸受βが故障する前に交換などの対応をすることができる。

図７は、この変形例の制御部３による判定の動作の流れを示すフロー図である。図７に示すフロー図の各ステップは、ステップＳ１０４の後にステップＳ２０１およびステップＳ２０２を実行し、ステップＳ１０５に続くことを除いて、図５のフロー図におけるステップと同じである。したがって、図５に示したステップＳ１０１〜Ｓ１０６の説明を省略する。

制御部３は、軸受特性数の履歴に基づいて補外を行い、近似曲線を特定する（ステップＳ２０１）。すなわち制御部３は、図４に破線で示す通り、変化履歴Ｃｍよりも未来の時点における軸受特性数を予測する近似曲線Ｃｘを特定する特定部３５として機能する。

そして、制御部３は、予め決められた時間の経過後等、将来の所定の時点における軸受特性数を推算し（ステップＳ２０２）、処理をステップＳ１０５に進める。すなわち制御部３は、図４に破線で示す通り、ステップＳ２０１で特定した近似曲線Ｃｘにより将来の時点における軸受特性数を推算する推算部３６として機能する。

ステップＳ１０５において、制御部３は、現時点の軸受特性数ではなく、将来の所定の時点における軸受特性数が流体潤滑領域Ｒ１内であるか否かを判断し（ステップＳ１０５）、軸受特性数が流体潤滑領域Ｒ１内にない場合（ステップＳ１０５；ＮＯ）、潤滑状態が悪くなりつつあることを警告する。

２−２．変形例２
上述した判定装置９は、軸受βの試験を行うための装置である軸受試験装置に用いられてもよい。

また、上述した判定装置９は、自動車や自動二輪車等の車両に用いられていてもよい。判定装置９を車両に用いることにより、車両を運転する利用者は、その車両に用いられる軸受βの異常の有無を把握することができる。

２−３．変形例３
判定装置９の制御部３によって実行されるプログラムは、磁気テープや磁気ディスクなどの磁気記録媒体、光ディスクなどの光記録媒体、光磁気記録媒体、半導体メモリなどの、コンピュータ装置が読み取り可能な記録媒体に記憶された状態で提供し得る。また、このプログラムを、インターネットなどの通信回線経由でダウンロードさせることも可能である。なお、上記の制御部３によって例示した制御手段としてはＣＰＵ以外にも種々の装置が適用される場合があり、例えば、専用のプロセッサなどが用いられる。

１…ハウジング
１０…固定空間
１１…上部ハウジング
１１１…ボルト穴
１１２…ボルト穴
１１３…温度測定用穴
１２…下部ハウジング
１２１…ボルト穴
１２２…ボルト穴
１２３…温度測定用穴
２…熱電対
３…制御部
３１…取得部
３２…算出部
３３…判定部
３４…通知部
３５…特定部
３６…推算部
４…モータ
５…回転計
６…トルク計
７…表示部
９…判定装置

Claims (5)

1. 軸受の温度を測定する温度測定部と、
   前記軸受に対して摺動する軸の回転数を計測する回転数計測部と、
   前記軸に加わるトルクを計測するトルク計測部と、
   前記温度測定部が測定した温度に基づいて潤滑油の粘度を算出する算出部と、
   前記算出部により算出された前記粘度、前記回転数計測部により計測された前記回転数、および前記トルク計測部により計測された前記トルクから、前記軸と前記軸受との潤滑状態を判定する判定部と、
   前記判定部により判定された前記潤滑状態を利用者に通知する通知部と、
   を有することを特徴とする判定装置。
2. 前記判定部は、前記算出部により算出された前記粘度、前記回転数計測部により計測された前記回転数、および前記トルク計測部により計測された前記トルクの時間変化に基づいて、将来における前記潤滑状態を判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の判定装置。
3. 前記温度測定部を複数有し、
   前記複数の温度測定部は、前記軸受の異なる部位に対応する位置に設けられ、
   前記算出部は、複数の前記温度測定部が測定した温度に基づいて、該温度測定部が該温度を測定した軸受の部位における潤滑油の粘度を算出し、
   前記判定部は、前記軸と前記軸受の部位との潤滑状態をそれぞれ判定する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の判定装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の判定装置
   を有することを特徴とする軸受試験装置。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の判定装置
   を有することを特徴とする車両。

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