JP3243718U - 回転体の動的バランス測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種回転機器の回転体について、広領域回転にわたり動的バランス測定する試験装置に関し、特に回転体の支持部材系の改良により、高精度な動的バランス測定装置を提供する。【解決手段】回転体Ｗのアンバランスの有無でバランス計測する回転体の動的バランス測定装置１００において、回転体の両端の輪軸部１ａ、１ｂを回転自在に支持する懸架ユニットＵ１は、回転体の環状内壁の頂部を支持する１つの上側ローラＲ１と、上記輪軸部１ａの軸芯位置を水平方向に直交して環状内壁の左右位置に接触配置した２つの側方ローラＲ２、Ｒ３とで３点支持とした。【選択図】図２

Description

本考案は、高速回転する回転体、例えば、各種電気モーターの回転子や電気自動車用のモーターにおける回転子（ローター）等の各種回転機器の回転体において、広領域回転にわたりバランス測定する動釣合い試験装置や円筒体検査装置の技術に関し、特に、試験体となる回転体を、安定した検査姿勢で回転保持することで、高精度なバランス測定を実現させた当該回転体の支持部材の改良に係わる新規な動的バランス測装置に関する。

ここで、代表的な従来技術となる動釣合い試験装置の概要構成及びそのメリット及び問題点を指摘する。
先ず、動釣合い試験装置（特許第６６９２１８１号）は、試験体Ｔを該試験体の回転中心軸の上部で回転可能に支持する一対の支持ローラを備え、前記試験体Ｔは、前記回転中心軸を中心とする内周面を有し、前記一対の支持ローラが、前記内周面の上部で、それぞれ内接するように、回転体の軸芯と直角方向に間隔を拡げて並べられた動釣合い試験装置である。
そして、上記一対の支持ローラの外側間隔は前記内周面の直径よりも狭く設定した動釣合い試験装置である。上記一対の支持ローラは同径であり、同じ高さに配置されている。更に、前記試験体Ｔは、前記回転中心軸と直角な側面を有し、これで、上記動釣合い試験装置は、上記試験体の側面に押し当られ、該試験体の回転中心軸方向における位置を規制する押当ローラを備えている動釣合い試験装置である（特許文献１）。

上記動釣合い試験装置において、試験体Ｔを該試験体の回転中心軸の内周上部に回転可能に保持する一対の支持ローラでは、図９（ａ）に見るように、一対の支持ローラ３３１が支持する試験体Ｔについて、この試験体Ｔの不釣り合い量が小さく、この回転数が低速の時は、試験体Ｔのアンバランスに基づく回転振れ力（遠心力）Ｆ１は、試験体Ｔの重量Ｆ２よりも小さい関係にあるから、振幅計測方向Ｆ３となるバランス測定は略正確に行える。

しかし、図９（ｂ）に見るように、試験体Ｔの回転数が高速回転時又は、不釣り合い量が大きい場合は、この試験体Ｔのアンバランスに基づく回転振れ力（遠心力）Ｆ１は、試験体Ｔの重量Ｆ２と略同じか、それを上回る大きい関係になる。即ち、試験体Ｔの不釣合い量が大きく、回転数が高くなると試験体Ｔに遠心力Ｆ１が横方向に作用した時は、試験体Ｔの重量Ｆ２に比べて大きくなり、ローラ３３１の接触点廻りの自重の右回りモーメントより遠心力の左回りモーメントが大きくなると、試験体Ｔは矢印方向に回転し、右側のローラ３３１と試験体Ｔは離れて浮き上がってしまう。更に、上記試験体Ｔの自重よりも遠心力が上回れば、当該試験体Ｔは完全に浮き上がってしまう。このような試験状況では、回転振れ力（遠心力）Ｆ１で、生み出されるバランス測定部のバネに作用する振動力が正確に伝達されないから、バランス測定が正確に行われず、更に、試験体Ｔが激しく振動し、測定が不可能状態に陥る問題点を有する構成と言える。

上記問題点を解消すべく、特許第５１１２８４８号公報の「円筒体検査装置」は、特許公報の図２に見るように、円筒体Ｗの内壁の上部を駆動ローラ１ａ（従動ローラ１ｂ）で駆動すべく支持し、また円筒体Ｗの内壁の下部の左右位置に支持ローラ（３ａ）（３ｂ）を配置している。これにより、検査時において、円筒体Ｗを軸心方向及び外径方向について位置決めし、適切な姿勢で検査できるものである。然し乍ら、一対の支持ローラ（３ａ）（３ｂ）は、円筒体Ｗの内壁のボトムとなる下部の左右位置に接近させて配置している（特許文献２）。

しかして、一対の支持ローラ（３ａ）（３ｂ）は、円筒体Ｗの内壁の下部の左右位置に接近して配置している。従って、上記駆動ローラ（１ａ）（１ｂ）と一対の支持ローラ（３ａ）（３ｂ）との関係は、縦方向に三点支持の形態となる。これで、円筒体Ｗの回転軸芯に対する芯ブレ防止の保持機能を発揮させようとしている。しかし、正三角形と言うよりも、二つの支持ローラ（３ａ）（３ｂ）が狭く、３つの各ローラを上下に細長く配置させた形態となる。
この形態では、円筒体Ｗの左右方向の回転振れ力（遠心力）が大きく発生し、バランス測定部に作用する振動力が正確に伝達されず、高精度なバランス測定が保証されないと言う問題がある。

特許第６６９２１８１号公報 特許第５１１２８４８号公報

上記特許文献１及び特許文献２の測定装置は、上述の如くの問題点が残存しているから、試験体Ｔや円筒体Ｗのバランス測定中の安定姿勢の維持が出来ず、高精度な動的バランス測定ができないと言う問題が残存している。

本考案は、上記各特許文献では解決されていない問題点と課題を解決した。
特に、試験体Ｔや円筒体Ｗの支持部材となるローラは、３つの各ローラをほぼ二等辺三角形に配置させたものである。これで、上記支持部材は上記試験体Ｔや円筒体Ｗの回転体の内輪壁の頂点を荷重支持する上側ローラと、回転体の回転軸芯で左右方向に延びる水平線よりも僅か下方位置の内輪壁の左右に接させ、揺動抑制と揺動感知精度を高める一対の側方ローラ（即ち、２つのガイドローラとなる）とからなる。これで回転体Ｈ（円筒体Ｗ又は試験体Ｔ）の外乱となる揺動回転を最小限に抑制でき、回転体Ｈに生ずる外乱を抑止した真の揺動感知性能を高め、上記回転体Ｈの高精度なバランス測定が可能な動的バランス測定装置を提供することに成功した。

以下、その各構成を説明する。
１）、円筒軸状の回転体は、少なくとも片端部が大径の環状を呈し、他方端が小径軸端を呈した物においては、上記大径側の内輪壁は、その頂点で重量保持する上側ローラ（支持ローラ）と、回転体の回転軸芯に直交する芯線よりも僅か下方位置の内輪壁の左右に当接保持する２つの側方ローラ（ガイドローラ）を配置させた支持部材とし、上記小径軸端は、その軸端下側を一対の支持ローラで支持させた構成とする。
２）、上記円筒状の回転体において、その両端が大径の環状を呈しておれば、上記各大径側の内輪壁の頂点を支持する上側ローラと、回転体の回転軸芯に直交する芯線よりも僅か下方位置の内輪壁の左右に接する２つの側方ローラを各々配置させた支持部材の構成とする。
３）、上記回転体の内輪壁の左右に接する２つの側方ローラは、回転体の回転軸芯（中心点）から左右方向となる外径方向（１８０°）に対して、重力方向側となる下方向位置に１８０°未満の最大角度θ１から下方向に旋回した最小角度θ２の１２０°の範囲内において、配置することで回転体の自重落下方向と左右揺れ方向とを安定した姿勢で抑制保持する構成とした。
４）、上記３つのローラからなる支持部材において、２つの側方ローラは、昇降板に配置するとともにバネによる下方向への拡張力で回転体の輪軸部における環状内壁の下方向にバネ押圧する構成とした。
５）、本考案の動的バランス測定装置は、上側ローラを窓枠状となる垂直板の上部側面に固設する水平軸に回転自在に備え、２つの側方ローラは、上記垂直板に対して昇降可能となる昇降ユニットに保持された昇降板に配置されるとともに、当該昇降板はこの両端に配置したバネ部材で下方向に圧力付与され、上昇部材により上下位置を制御する構成となし、更に上記昇降板は凹形の支持フレームに昇降可能に保持され、該支持フレームはその両端を垂直姿勢に直立配置した計測バネ板に保持されるとともに外側配置の固定枠に懸架された懸架ユニット（ローラ支持部材を搭載）Ｕ１となし、該懸架ユニット（ローラ支持部材を搭載する）Ｕ１は図示しない機台上のガイドレールに搭載されていて、接近及び離反可能に制御されており、上記回転体の左右位置に配置した懸架ユニット上の支持部材の上側ローラにより輪軸部の環状内壁を支持し、支持部材の両端に２つの側方ローラを環状内壁の外径方向に拡開・押圧させ、上記回転体が駆動ベルト手段での回転時に起きる上記懸架ユニットの微振動を、振動センサーで感知する構成としたである。

上記各構成からなる本考案の回転体の動的バランス測定装置によると、回転体のバランス測定時において、低速回転から高速回転時に渡って発生する芯ブレ振動の挙動に対し、高精度に動的バランス測定が計測できる。

本考案の第１実施形態で、回転体の動的バランス測定装置の要部となる左側面図である。 本考案の第１実施形態で、回転体の動的バランス測定装置の要部となる正面図である。 本考案の動的バランス測定装置による測定に際し、異なる形状となる二つの回転体の支持断面図である。 本考案の動的バランス測定装置に備えるローラ支持部材の正面図である。 本考案の動的バランス測定装置に備えるローラ支持部材の周辺の背面図である。 本考案のローラ支持部材（振動ユニット治具＝懸架ユニット）周辺の底面図である。 本考案のローラ支持部材の作用図である。 本考案のローラ支持部材の作用図である。 従来の２つのローラからなる支持部材において、不良バランスとなる作用図である。

以下、図１～図８を参照して本考案の実施形態となる動的バランス測定装置１００を順次説明する。

本考案の実施形態となる回転体の動的バランス測定装置１００は、図１～図３で全体の概要を示し、図１～図６で試験体Ｔや円筒体Ｗの懸架ユニットＵ１となる支持部材Ｒ０の詳細構成を説明する。

先ず、全体構成は、図１～図３において、試験体Ｔや円筒体Ｗの軸端１ａと１ｂを回転支持する左側の懸架ユニット（支持部材Ｒ０）Ｕ１と右側の懸架ユニット（支持部材）Ｕ２とは、ほぼ同一構成で左右対称関係にある。ところが、本考案の支持部材Ｒ０を備えた装置は、左側の懸架ユニット（支持部材Ｒ０）Ｕ１であるから、図２における左側の懸架ユニット（支持部材Ｒ０）Ｕ１について、図１～図６で説明する。

図１と図２において、図１の左右位置に配置したＵ形の固定フレーム３は、計測板バネＢ１，Ｂ２を介して同じくＵ形支持フレーム１４を保持している。上記懸架ユニットＵ１，Ｕ２の下部には振動センサーＳ１，Ｓ２が各々配置されていて、試験体Ｔや円筒体Ｗの回転時の動的振動は、支持フレーム１４の振動で測定する。尚、上記左右の固定フレーム２と３は、図示しない、機台上に乗せられており、図２において、別途設置したサーボモータで左右に離反移動する。これにより、左右の懸架ユニットＵ１，Ｕ２の距離が離反又は接近し、試験体Ｔや円筒体が着脱される。また、測定中は、試験体Ｔや円筒体Ｗの回転駆動は、この中腹部に巻き掛けた駆動ベルトＢ０で行われる。

次に、図２を中心に、左側の懸架ユニットＵ１（３つのローラからなる支持部材Ｒ０）の構成を説明する。
図１と図２と図４～図６に図示の懸架ユニットＵ１において、支持部材Ｒ０となる上側ローラＲ１は、図４の如く、窓枠１０ａを形成した垂直板１０の上部側面に固設する水平軸１１に回転自在に備える。２つの側方ローラＲ２，Ｒ３は、図５の如く、上記垂直板１０に対して昇降可能となる昇降ユニット１２の左右のリニアガイドＧにより昇降可能に保持された昇降板１３の両端に配置したバネ部材１４，１５で下方向に圧力付与されると共に昇降部材１６により上下位置を制御する構成となしている。

更に、上記昇降板１３は、図１の如く、凹形の支持フレーム１４に昇降可能に保持され、該支持フレームはその両端を垂直姿勢に直立配置した計測バネ板Ｂ１，Ｂ２に保持されるとともに、外側配置の固定枠３又は２に懸架された懸架ユニットＵ１，Ｕ２（Ｕ２の詳細は、支持部材Ｒ０に替えて、図３に示す一対の大径ローラＲからなる）となしている。上記懸架ユニットＵ１，Ｕ２は、図示しない機台上のガイドレールに搭載されていて、接近及び離反可能に制御される。上記回転体Ｗ又はＴの左右位置に配置した懸架ユニットＵ１上の支持部材Ｒ０は、上側ローラＲ１により輪軸部１ａの環状内壁上部を支持し、側方ローラＲ２，Ｒ３が環状内壁で外径方向に拡開・押圧させる。また、右端の軸部１ｂは、図３の如く大径のローラＲで回転自在に支持される。しかして、上記回転体Ｗ，Ｔは、駆動ベルト手段Ｂ０での回転時に起きるバランス状態を上記懸架ユニットＵ１，Ｕ２の微振動を振動センサーＳ１，Ｓ２で感知する。尚、懸架ユニットＵ１上の支持部材Ｒ０の２つのローラＲ２，Ｒ３は、上昇部材１６の上昇時は回転体Ｗ，Ｔの環状内壁から離反し、下降時は環状内壁に接触するから、試験体Ｔや円筒体Ｗに対して、離反又は挿入可能となる。

尚、図３示す円筒体Ｗ１，Ｗ２において、図３（ｂ）の如く、軸端１ａと１ｂとが、同一の環状内壁ならば、両方とも懸架ユニットＵ１とし、図２や図３の如く、右側の軸端１ｂが細い軸部ならば、図３（ａ）に示す懸架ユニットＵ２の２つの大径ローラＲにより保持される。

更に、図７と図８に図示において、本考案の懸架ユニットＵ１に備えたローラＲ１，Ｒ２，Ｒ３からなる支持部材Ｒ０の作用効果を詳細に説明する。図７において、仮に円筒体Ｗの自重Ｗ０よりも遠心力Ｆｃが上回る時、円筒体Ｗは浮上しようとしても、下側のＲ２，Ｒ３がその浮上力を阻止する。従って、図示の如く、ローラＲ１，Ｒ２，Ｒ３で、３点接触が維持されていれば、円筒体Ｗに生じる不釣合いによる作用力は、図示の左右方向の振動・振幅が正確に計測バネ板Ｂ１，Ｂ２に伝達され、図１の振動センサー（計測センサー）Ｓ１，Ｓ２によって、電圧波形に高効率に変換される。

また、円筒体Ｗが交換されるとき、下側ローラＲ２，Ｒ３は、図１の昇降手段１６による上昇駆動で上昇するとともに円筒体Ｗから離反して、円筒体Ｗが交換される。交換後は、昇降手段１６の下降駆動と、バネ部材１５，１５で、下側ローラＲ２，Ｒ３は、円筒体Ｗの内周面に対して、図８のように、下方向に圧力付与Ｆｒが与えられる。即ち、回転体の交換時には、下側ローラＲ２，Ｒ３を浮上させて、回転体の最大内周径よりも縮められた関係位置となり交換される。交換後は、バネ部材１５，１５で、下降動させ、下側ローラＲ２，Ｒ３を回転体Ｗの内接面に接近接触させる。上記２つのローラＲ２，Ｒ３の接触点と回転体Ｗの中心で形成される角度θ１～θ２は、中心位置よりも下側へ１８０°未満から１２０°迄の範囲となす。

上記力学的バランスは、図８となる。従って、回転体Ｗの不釣合いに依って生じた力Ｆｃは、接触点位置において、傾斜したベクトルとなり、これは水平・垂直の分力に分けられる。この垂直成分が下側ローラＲ２，Ｒ３を押し上げる力として作用するが、これに抗するようにローラＲ２，Ｒ３を下方向へ押し付ける力Ｆｒを付与すれば、ローラＲ２，Ｒ３は浮上せず、３点接触は維持される。この時、前述２つの下側ローラＲ２，Ｒ３と回転体Ｗ内面と回転体中心点との接触点間の角度は１２０°以上となる。これにより、下側ローラＲ２，Ｒ３を押し上げる力を効果的に小さくでき、ローラＲ２，Ｒ３を下方向へ押し付ける力Ｆｒを必要最小限とすることが可能となる。

上記各部材の関係構成からなる回転体の動的バランス測定装置１００によると、回転体Ｗの動的バランス測定を高精度且つ、高効率に測定可能である。

本考案の回転体の動的バランス測定装置１００は、上記実施例の回転体Ｗ，Ｔに限定されず、例えば、他の回転体となるガスタービンやジェットエンジンのタービンやその他のリング状の回転体の動的バランス測定が実施可能である。更に、支持部材の実施形態や、これに使用されている各ローラの配置関係も、微妙に変更可能である。

２，３ 固定フレーム
１０ 垂直板
１１ 水平軸
１２ 昇降ユニット
１３ 昇降板
１５ バネ部材
１６ 上昇部材
Ｂ０ 駆動ベルト
Ｂ１，Ｂ２ 計測板バネ
Ｇ リニアガイド
Ｕ１，Ｕ２ 懸架ユニット
Ｒ０ ローラ支持部材
Ｒ１ 上側ローラ
Ｒ２，Ｒ３ 側方ローラ
Ｓ１，Ｓ２ 振動センサー（計測センサー）
Ｔ 試験体
Ｈ 円筒体
Ｗ，Ｗ１，Ｗ２ 回転体
１００ 回転体の動的バランス測定装置

Claims (6)

1. 各種回転機器の回転体は、該回転体の両端に形成された輪軸部を支持部材で回転自在に支持され、上記支持部材に支持された回転体のアンバランスの有無によりバランス計測する回転体の動的バランス測定装置において、
   上記支持部材は、回転体の輪軸部の環状内壁の頂部を支持する１つの上側ローラと、上記輪軸部の軸芯位置を水平方向に直交して環状内壁の左右位置に接触配置した２つの側方ローラからなる３点支持としたことを特徴とする回転体の動的バランス測定装置。
2. 請求項１において、上記輪軸部の軸芯を水平方向に直交する環状内壁の左右位置に配置した２つの側方ローラは、その配置を輪軸部の軸芯を水平方向に直交する水平線のやや下側となる１８０°未満の最大角度θ１から下方向に旋回した最小角度θ２の１２０°の範囲内の任意位置に配置したことを特徴とする回転体の動的バランス測定装置。
3. 請求項２において、２つの側方ローラは、昇降板に配置するとともにバネによる下方向への拡張力で回転体の輪軸部における環状内壁の外径やや下方向に押圧することを特徴とする回転体の動的バランス測定装置。
4. 請求項１において、上側ローラは窓枠状となる垂直板の上部側面に固設する水平軸に回転自在に備え、２つの側方ローラは、上記垂直板に対して昇降可能となる昇降ユニットに保持された昇降板に配置されるとともに、上記昇降板はこの両端に配置したバネ部材で下方向に圧力付与されると共に上昇部材により上下位置を制御する構成となし、更に上記昇降板は凹形の支持フレームに昇降可能に保持され、該支持フレームはその両端を垂直姿勢に直立配置した計測バネ板に保持されるとともに外側配置の固定枠に懸架された懸架ユニットとなし、該懸架ユニットは機台上に搭載されていて、接近方向又は離反方向可能に制御されており、上記回転体はこの左右位置に配置した懸架ユニット上の各支持部材の各上側ローラにより輪軸部の環状内壁を支持し、各支持部材の２つのローラが環状内壁の外径方向に拡開・押圧されており、上記回転体が駆動ベルト手段による回転時に起きるバランス状態を上記懸架ユニットの微振動を振動センサーで感知することを特徴とする回転体の動的バランス測定装置。
5. 請求項４において、上記回転体の両端部が環状内壁の形状時は、該両端の環状内壁を上記上側ローラと２つの側方ローラからなる支持部材で回転自在に支持することを特徴とする回転体の動的バランス測定装置。
6. 請求項４において、上記回転体の一方端が環状内壁で、他方端が小径軸の形状時は、環状内壁側は上記３つのローラを略三角形状に配置した支持部材で支持し、上記小径軸は２つの軸受ローラで下側から支持することを特徴とする回転体の動的バランス測定装置。