JP3999124B2 - 半径方向と軸方向の少なくとも一方の荷重を測定するための測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
＜発明の属する技術分野＞
本発明は、内輪、外輪、そして内輪と外輪との間に複数の転動体を有する軸受の軸方向と半径方向の少なくとも一方の荷重を測定するための測定装置に関する。
【０００２】
＜従来の技術及び発明が解決しようとする課題＞
米国特許US-A-4,203,319は、ころ軸受の外力を測定するため装置を開示しており、該装置は軸受に作用する力を測定する少なくとも二つの歪ゲージを備えている。この二つの歪ゲージからの信号を、別箇に、記録し、増幅そして整流することにより、そして二つの信号の差をとることにより、外力に比例した信号を得られ、内部力による信号の歪の影響を受けなくなる。二つの円錐ころ軸受の組で支持される軸体の軸方向そして半径方向荷重は、この文献ではさらなる実施形態で測定できる。この公知の装置では、二つの軸受の一方における二つの歪ゲージとは別に、追加的な歪ゲージが第二の軸受に設けられている。軸体の半径方向荷重は、第一のころ軸受の二つの歪ゲージを用いて測定され、一方、軸体の軸方向荷重は他のころ軸受の二つの歪ゲージを用いて測られる。
【０００３】
米国特許US-A-4,341,122は、軸受に設けられた少なくとも三つの歪ゲージを用いて、ころ軸受の半径方向そして軸方向荷重を同時に測る力測定装置を開示している。二つの歪ゲージはころ軸受の第一列に互いに対向した位置に配され、もう一つの歪ゲージはころ軸受の第二列に配されている。この装置は、さらに、明らかに軸方向荷重による信号の歪みを除くために補正装置も備えている。
【０００４】
この公知装置は、ころ軸受の外輪での応力を測定するために抵抗歪ゲージを用いているという点で欠点がある。すなわち、これらの配置そして測定センサの形式はきわめて温度に依存し、装置は抵抗変化を検知するのに多くのエレクトロニクスを要する。
【０００５】
本発明は、これらの欠点を有することなく、軸受の半径方向そして軸方向荷重の差荷重を検知のための測定装置と測定システムを提供することを目的とする。
【０００６】
＜課題を解決するための手段及び発明の効果＞
本発明によると、上述した測定装置において、測定装置は、軸受の内輪又は外輪に密着して配されるセンサリングを有し、センサリングが、その周方向で少なくとも一つの弱化部と、この少なくとも一つの弱化部に配設された少なくとも一つのセンサとを有し、上記弱化部は軸方向で一方にのみ開口するようにセンサリングに形成された凹部であることを特徴としている。少なくとも一つのセンサは、例えば、変位センサあるいは荷重センサとすることができる。
【０００７】
軸受に作用する半径方向荷重は、軸受の複数の転動体に分布される。軸受の形式そして荷重の大きさによっては、半径方向荷重はほぼ半数の転動体にのみ分布する。運転時に軸受が回転すると、通過する転動体が軸受の内輪あるいは外輪の軌道に局部的な圧縮力をもたらし、変位を生じせしめる。この変位は、特にセンサリングの弱化部の領域で、センサリングに効果的に伝えられる。センサリングは内輪あるいは外輪にきつく嵌合されているので、変位はセンサによって測定される。測定装置は、軸受自体とは別に作られ、軸受に作用する半径方向そして／又は軸方向荷重の測定が求められる該軸受に用いられるようにすることができる。
【０００９】
凹部として形成された弱化部はセンサリングの周方向での幅寸法が、軸受の複数の転動体のうちの隣接する二つの間の距離とほぼ等しい。これは最大可能変位を測定可能とする。その理由は、弱化部をもっと幅広いものとすると、弱化領域に同時に多くの転動体が存在して該弱化部に永久歪を生じるからである。逆に、幅の狭い弱化領域では変位が小さくなって測定装置の応答性が低くなるからである。
【００１０】
本発明の好ましい形態では、測定装置はさらに、少なくとも一つのセンサからの信号を濾波するフィルタ手段を有し、該フィルタ手段は予め定められた周波数インターバル内で信号成分を通すようになっている。この形態によると、種々の現象により生じたセンサからの信号を識別できる。一つの現象は、回転中に、弱化部を通過する軸受内の転動体の周波数である。この信号の周波数は軸受の大きさと転動体の数とに依存し、通常、軸受回転速度（rpm）の５〜１０倍である。他の現象は、軸受が軸方向に予圧を受けているとき、軸受内輪あるいは外輪の非真円度により生ずる。この現象は、検知信号に比較的低い周波数をもたらし、およそ軸受の回転速度の２〜３倍である。上記周波数の範囲に対応するフィルタ特性を適用すると、出力信号として欲しい信号を取り出し、他の信号周波数は抑制される。
【００１１】
さらに他の形態では、センサリングは軸受の内輪あるいは外輪の周面に沿って予張力が与えられている。センサリングと内輪あるいは外輪との間の接圧を変えるようにすると、測定装置について違った応答性をもたらし、特定の環境下で利点となる。
【００１２】
軸受の半径方向そして軸方向荷重のために差荷重検知を可能にするには、センサリングは二つの弱化部を有し、センサが各弱化部に配設される。好ましくは、二つの弱化部はセンサリングで互いに対向して位置する。純粋な半径方向荷重では、一つのセンサで増分が測定され、これに対し、他のセンサでは減分が測定される。しかし、軸方向荷重は、軸受の形式に応じて、半径方向荷重に変換され、これはすべての方向に分布し、両センサで変位の減分として測定される。軸受の純粋な半径方向荷重の場合、この形態で力の方向も測定できる。
【００１３】
さらに、他の形態としては、センサリングは少なくとも三つの弱化部を有し、各弱化部にそれぞれセンサが配設され、これらのセンサが軸受の回転軸線に直角な面に位置していることとすれば、軸方向荷重そして／又は予荷重が作用している軸受の場合でも、軸受の力の方向が決定できる。
【００１４】
さらなる形態では、少なくとも一つのセンサは、圧電素子、圧力センサ、容量型センサ、誘導型センサ、光センサのどれか一つとすることができる。これらの測定要素の形式は、本発明による測定装置の組立を容易とする。
【００１５】
本発明の特別な形態としては、センサリングは、Ｕ字状断面の環状部材の脚部を形成する外部分と内部分とを有する該Ｕ字状断面の環状部材によって形成されており、外部分と内部分はセンサリングの中心軸線とほぼ平行に延びており、環状のギャップが外部分と内部分との間に形成されている。この形態は、荷重を間接的に、すなわちセンサリングのギャップの変位を測定することにより、軸受の軸方向そして／又は半径方向荷重を測定するための測定装置を提供する。
【００１７】
本発明は、さらに、軸受の軸方向そして半径方向荷重を検知する差荷重のための測定システムにも関しており、該測定システムは、プロセッサユニット、該プロセッサユニットに接続されるメモリユニット、該プロセッサユニットに接続される本発明による測定装置とを有し、プロセッサユニットは軸受の軸方向そして半径方向荷重を計算するようになっており、少なくとも二つのセンサからの測定信号の差値から半径方向荷重が算出され、少なくとも二つのセンサからの測定信号の平均値の変化から軸方向荷重が算出される。このようにセンサからの信号を処理することにより、軸方向と半径方向荷重の両方が正確に得られる。
【００１８】
さらに、好ましい形態では、測定システムのプロセッサユニットは軸受モデルを用いた軸受の軸方向荷重を算出するようになっており、該軸受モデルは軸受の軸方向荷重と軸受の算出半径方向荷重との間を関係づけている。このモデルは、測定装置のメモリ手段に記憶されており、軸受の軸方向荷重をどのようにして正確にセンサリングの軸線に直角な方向の半径方向荷重に変換するかをモデル化している。これは、主として、用いられる軸受の形式（ころ軸受、テーパころ軸受、玉軸受、等）そして軸受の大きさに依存している。
【００１９】
＜発明の実施の形態＞
本発明は、添付図面を参照して好ましい実施形態にもとづいて、さらに詳しく説明する。
【００２０】
軸受に作用している軸方向そして／又は半径方向荷重を測定するための公知の荷重測定システムでは、荷重は軸受の部品の上で直接、例えば、軸受外輪の凹部で歪ゲージによって、測定される。かかるセンサと歪ゲージの抵抗変化を検知する所定のエレクトロニクスとが大いに温度の影響を受けるということは、周知の欠点である。
【００２１】
本発明は、軸受に作用する軸方向そして半径方向荷重を測定するための改善されたシステムを提供する。図１は測定装置１と、内輪１１、外輪１２及び複数の転動体１３を有する玉軸受のような軸受１０との組立体の平面図である。図２は図１におけるII−II線での上記組立体の断面図である。軸受は外輪１２と内輪１１との間に複数の転動体１３を有している。測定装置１は、複数の弱化部２が形成されたセンサリング３を有している。弱化部は、センサリング３に部分的凹部として形成される。弱化部２はセンサリング３における凹部でも、センサリング３における平坦部でもよい。弱化部は、直接測定されるべき軸受内輪１１あるいは外輪１２の変位を許容するという観点から好ましい。各弱化部２には、外方への変位の測定のためのセンサ５が配置されており、これは軸受１０の実際の荷重を決定する。センサ５は変位を実測する変位センサ、あるいは、例えば荷重センサのように荷重を直接測定するセンサであってもよい。
【００２２】
センサリング３の弱化部２は、転動体１３が該弱化部２を通過するときに、軸受の外輪１２が外方に変位することを許容する。図３は測定装置１と軸受１１，１２，１３の組立体の一部を示し、図３ａは転動体１３が丁度センサ５の位置に来ており、図３ｂは二つの転動体１３がセンサ５から等しく離れて位置している状態を示している。
【００２３】
当業者には言及するまでもないが、弱化部２をもつセンサリング３は軸受１０の内輪１１あるいは外輪１２との一体化部分で形成してもよい。
【００２４】
軸受１０に作用する半径方向荷重は、軸受１０の複数の転動体１３に分布される。軸受の形式そして荷重の大きさによっては、半径方向荷重はほぼ半数の転動体１３にのみ分布する。運転時に軸受１０が回転すると、通過する転動体１３が軸受の内輪１１あるいは外輪１２の軌道に局部的な圧縮力をもたらし、変位を生じせしめる。この変位は、特にセンサリング３の弱化部２の領域で、センサリング３に効果的に伝えられる。センサリング３は内輪１１あるいは外輪１２にきつく嵌合されているので、変位はセンサ５によって測定される。測定装置１は、軸受１０自体とは別に作られ、軸受１０に作用する半径方向そして／又は軸方向荷重の測定が求められる該軸受１０に用いられるようにすることができる。
【００２５】
弱化部２の周方向の幅寸法は、軸受１０の複数の転動体１３のうちの隣接する二つの間の距離とほぼ等しい。これは最大可能変位を測定可能とする。その理由は、弱化部をもっと幅広いものとすると、弱化領域に同時に多くの転動体１３が存在して該スロットに永久歪を生じるからである。逆に、幅の狭い弱化領域では変位が小さくなって測定装置１の応答性が低くなるからである。
【００２６】
また、センサリング３と内輪１１あるいは外輪１２との間の接圧を変えるようにすることも可能である。これは測定装置１について違った応答性をもたらし、特定の環境下で利点となる。
【００２７】
図４は本発明の他の実施形態としての測定装置１の平面図である。図５は図４の測定装置１のV−V線断面を示している。測定装置１は、外部分６と円部分７とをもって断面がＵ字状をなす環境部材３を有している。内部分７と外部分６はＵ字状断面の環境部材３に二つの脚部を形成すると共に、センサリング１の中心軸線にほぼ平行に延びている。かかる内部分６と外部分７は両者の間に、図５からも明らかなように、軸方向の一方にのみ開口する環状の凹部としての弱化部２を形成している。本発明の一実施形態としては、センサリングは軸受外輪に適合するようにＵ字状断面の環状部材から内方に突出する内リング部４を有していてもよい（図６参照）。
【００２８】
測定の目的で、一連のセンサ５が上記弱化部２に配置されている。センサ５は弱化部２の変位を測定するようになっており、圧電素子、圧力センサ、容量型センサ、誘導型センサ、光センサ等のうちの一つとすることができる。異なる形式のセンサは、それぞれ、種々の応用例での特有の利点をもっている。
【００２９】
図６は本発明による測定要素と軸受１０の組立体を示している。ころ軸受１０は、内輪１０、複数のころ１３、そして外輪１２を有している。本発明のセンサリング１は、図示のごとく、軸受外輪１２の外側に組込まれる。センサリング３の内部分７は軸受外輪１２と面接触するように組まれていて、軸受１０への荷重はセンサリング１へ伝達される。センサリング１への荷重はＵ字断面の環状部材３の弾性によって弱化部２に変位をもたらす。これに代えて、センサリング１は軸受内輪１１の内側へ取りつけることもでき、こうすることにより、センサリング１の外面が軸受内輪１１と面接触し軸受の荷重を効果的に伝達する。
【００３０】
軸受１０の半径方向と軸方向の両方の荷重を測定可能とするには、センサリング１の弱化部２に少なくとも二つのセンサ５が配設される。二つのセンサ５を有していると、弱化部２の変位が半径方向の荷重、あるいは軸方向の荷重そして両者の組み合せのいずれによって生じたのかが決定できる。純粋な半径方向荷重では、弱化部２の変位の増加が一つの感知点で測定される一方で変位の減少が他の感知点で測定されて、軸受の軸方向荷重は、すべての半径方向に等しく分布する半径方向荷重に変換されるので、したがって、弱化部２には全周にわたり変位の増加がもたらされて、すべてのセンサ５で等しい増加信号を得る。複数のセンサ５の間の信号値の差は半径方向荷重によると考えられるし、複数のセンサ５の信号の平均値の変化は軸方向荷重によるものと考えられる。
【００３１】
二つのセンサ５を有していると、軸受１０の半径方向荷重は、二つのセンサ５の間を結んだ線に沿った一つの方向で測定できる。三つのセンサを用いると、軸受１０の半径方向荷重は、三つのセンサ３で形成される面、すなわち、図示の形態では中心軸線に直角な面で、すべての方向にて決定できる。
【００３２】
図７は本発明による測定システム２０の構成図を示す。測定システム２０は、プロセッサ２１と、該プロセッサ２１に接続されたメモリ手段２２とを有している。プロセッサ２１はマイクロプロセッサあるいは専用信号プロセッサとすることができる。センサ５はその測定信号をプロセッサ２１へ送る。用いられるセンサ５の形式によって、センサ信号は信号調整や前処理のために追加的エレクロトニクスを必要とすることもある。
【００３３】
好ましい実施形態では、プロセッサ２１はセンサ５から受けた信号から軸受の軸方向そして半径方向荷重を算出できるようになっている。軸受１０の半径方向荷重は複数の測定信号の差値から算出されるし、軸方向荷重は複数の測定信号の平均値の変化から算出される。センサ５が三つ用いられたときには、プロセッサ２１は軸受１０の半径方向荷重の方向をも定める。
【００３４】
例示されているごとく、メモリ手段２２に記憶されている軸受モデルを用いて、プロセッサ２１は軸受１０の軸方向荷重を算出する。軸受モデルは、特定の軸受型番について、軸受の軸方向荷重とその結果生ずる半径方向荷重とを関係づけている。例えば、ころ軸受、テーパころ軸受、玉軸受等、軸受の形式によって、軸受１０の軸方向荷重は特有の形で半径方向荷重に変換される。
【００３５】
又、プロセッサ２１はセンサ５から受けた信号のためのフィルタをも有するようにできる。このフィルタは予め定められた周波数インターバル内での信号成分を通過させる。この実施形態では、種々の現象により生ずるセンサ５からの信号を識別する。一つの現象は、回転中に、弱化部２を通過する軸受１０内の転動体１３の周波数である。この信号の周波数は軸受の大きさと転動体１３の数とに依存し、通常、軸受１０の回転速度（ｒｐｍ）の５〜１０倍である。他の現象は、軸受が軸方向に予圧を受けているとき、軸受内輪１１あるいは外輪１２の非真円度により生ずる。この現象は検知信号に比較的低い周波数をもたらし、およそ軸受１０の回転速度の２〜３倍である。上記周波数の範囲に対応するフィルタ特性を適用すると、出力信号として欲しい信号を取り出し、他の信号周波数は抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一実施形態による測定装置と軸受の平面図である。
【図２】 図１装置のII−II線断面図である。
【図３ａ】 図１の測定装置と軸受の一部を示し、一つの転動体がセンサに対して対応する位置の場合の図である。
【図３ｂ】 図１の測定装置と軸受の一部を示し、二つの隣接せる転動体がセンサに対して前後して位置する場合の図である。
【図４】 本発明の第二実施形態による測定装置と軸受の平面図である。
【図５】 図４の測定装置の側方から見たV−V線断面図である。
【図６】 図４の測定装置を軸受に取りつけたときの側方から見た断面図である。
【図７】 本発明の測定装置を用いたときの構成図である。

Claims (10)

1. 内輪（１１）、外輪（１２）、そして内輪と外輪との間に複数の転動体（１３）とを有する軸受（１０）の軸方向と半径方向の少なくとも一方の荷重を測定するための測定装置において、
   測定装置（１）は、軸受１０の内輪（１１）又は外輪（１２）に密着して配されるセンサリング（３）を有し、
   センサリング（３）が、その周方向で少なくとも一つの弱化部（２）と、この少なくとも一つの弱化部（２）に配設された少なくとも一つのセンサとを有し、
   上記弱化部（２）は軸方向で一方にのみ開口するようにセンサリング（３）に形成された凹部であることを特徴とする測定装置。
2. 凹部として形成された弱化部（２）はセンサリングの周方向での幅寸法が軸受（１０）の複数の転動体のうちの隣接せる二つの間の距離とほぼ等しいこととする請求項１に記載の測定装置。
3. 測定装置はさらに、少なくとも一つのセンサ（５）からの信号を濾波するフィルタ手段（２１）を有し、該フィルタ手段（２１）は予め定められた周波数インターバル内で信号成分を通すようになっていることとする請求項１又は請求項２に記載の測定装置。
4. センサリング（３）は軸受（１０）の内輪（１１）あるいは外輪（１２）の周面に沿って予張力が与えられていることとする請求項１ないし請求項３のうちの一つに記載の測定装置。
5. センサリング（３）は二つの弱化部（２）を有し、センサ（５）が各弱化部（２）に配設されていることとする請求項１ないし請求項４のうちの一つに記載の測定装置。
6. センサリング（３）は少なくとも三つの弱化部（２）を有し、各弱化部（２）にそれぞれセンサ（５）が配設され、これらのセンサ（５）が軸受（１０）の回転軸線に直角な面に位置していることとする請求項１ないし請求項４のうちの一つに記載の測定装置。
7. 少なくとも一つのセンサ（５）が圧電素子センサ、圧力センサ、容量型センサ、誘導型センサ、光センサのうちの一つであることとする請求項１ないし請求項６のうちの一つに記載の測定装置。
8. センサリング（３）は、Ｕ字状断面の環状部材（４）の脚部を形成する外部分（６）と内部分（７）とを有する該Ｕ字状断面の環状部材によって形成されており、外部分（７）と内部分（６）はセンサリング（３）の中心軸線とほぼ平行に延びており、環状のギャップ（２）が外部分と内部分との間に形成されていることとする請求項１ないし請求項７のうちの一つに記載の測定装置。
9. 軸受（１０）の軸方向そして半径方向荷重を検知する差荷重のための測定システムであって、
   測定システム（２０）は、プロセッサユニット（２１）、該プロセッサユニットに接続されるメモリユニット、該プロセッサユニット（２１）に接続される請求項１ないし請求項８のうちの一つの測定装置（１）とを有し、
   プロセッサユニット（２１）は軸受（１０）の軸方向そして半径方向荷重を計算するようになっており、少なくとも二つのセンサ（５）からの測定信号の差値から半径方向荷重が算出され、少なくとも二つのセンサ（５）からの測定信号の平均値の変化から軸方向荷重が算出されることを特徴とする測定システム。
10. プロセッサユニット（２１）は軸受モデルを用いた軸受（１０）の軸方向荷重を算出するようになっており、該軸受モデルは軸受（１０）の軸方向荷重と軸受（１０）の算出半径方向荷重との間を関係づけていることとする請求項９に記載の測定システム。

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