JP4205484B2 - クランク軸の回転バランス試験装置および試験方法 - Google Patents
クランク軸の回転バランス試験装置および試験方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クランクシャフトの回転軸周りのバランスを測定する、クランク軸の回転バランス試験装置および試験方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転体にあっては、その動的な回転バランスの調整時、所定のアンバランスをあらかじめ残しておくようにすることがある。たとえば、エンジンのクランク軸は、クランク軸単体で完全に回転バランスを釣り合わせても、クランク軸にはピストンやコンロッド等が取り付けられるので、全体としての慣性力が釣り合わず大きな振動が発生する。そこで、あらかじめクランク軸単体に所定の適切なアンバランスが残るようにバランス調整しておき、ピストン等をクランク軸に取り付けた状態では、このクランク軸自体のアンバランスによる慣性力でピストン等の往復質量による慣性力の一部をうち消すようにすることが知られている。
【０００３】
この場合、所定のアンバランスを残すようにクランク軸単体で動的な回転バランスの測定を行うには、大きく分けて下記の三つの方法があった。
【０００４】
第１の方法は、あらかじめ基準クランク軸で測定計算された重量分のダミーリング（上記回転体に残すべき所定のアンバランスに相当）をクランク軸の各クランクピンに取り付けて、バランス測定装置で回転計測しながら釣り合う状態を求めて初期アンバランスを求め、修正量と角度位置を決める。
【０００５】
第２の方法は、振動台上でクランク軸にスピンドルを連結し、このスピンドルにあらかじめ計算した等価のダミーウェイト（上記クランク軸に残すべき所定のアンバランスに相当）を取付け、クランク軸と同期させ釣り合わせることで初期アンバランスを求め、修正量と角度位置を決める。
【０００６】
第３の方法は、ダミーリングやダミーウェイトを取り付けずにそのままクランク軸単体を回転させ、このとき発生するアンバランスを振動ピックアップでアナログ信号として検出し、この信号をＡ／Ｄ変換器（アナログ−デジタル変換器）にてデジタル変換した後、このデジタル検出値とあらかじめ分かっているダミーウェイト分のデジタルダミー情報とに基づき数値計算して前者から後者分を除去することで初期アンバランスを求め、修正量と角度位置を決める。
【０００７】
なお、上記測定後でのクランク軸のバランス調整は、一般的には上記修正量と角度位置に基づき、クランク軸のカウンタウェイトにこの最適位置で最適深さのドリル穴をあけることで行う。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の方法では、測定するクランク軸ごとにダミーリングの着脱作業が必要となる。また、多機種のクランク軸を同じ測定装置で測定しようとすると、機種ごとに異なるダミーリングを用意してその都度交換しなければならない。これらの理由から、この方法では各種のダミーリングを用意しなければならず、また測定を自動化するにはかなりの困難を伴う。
【０００９】
一方、上記第２および第３の方法では、各クランクピンごとにダミーリング着脱する作業は不要となる。
【００１０】
しかしながらクランクピンの位相に許容範囲以上の誤差が含まれる場合は、測定結果に多大な誤差が生じ、クランク軸に対してアンバランスを解消できないようなバランス調整を行ってしまう可能性があった。
【００１１】
本発明の目的は、上記問題を解決するため、測定の自動化が容易であり、かつクランクピンの位相に誤差が含まれている場合であってもクランク軸の回転バランスを正確に測定可能なクランク軸の回転バランス試験装置および試験方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係るクランク軸の回転バランス試験装置および試験方法は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００１３】
本発明に係るクランク軸の回転バランス試験装置（請求項１に対応）は、
クランク軸をその回転軸周りに回転させるクランク軸回転手段と、
前記回転するクランク軸に発生する遠心力を計測し、前記クランク軸の遠心力変動情報を得る、遠心力計測手段と、
前記クランク軸の回転角度を検出する角度検出手段と、
前記クランク軸の各種情報が記憶されるメモリ手段と、
前記クランク軸の回転角度に対する各クランクピンの角度を計測するクランクピン角度計測手段と、前記メモリ手段内にあらかじめ記憶された基準クランク軸の各クランクピンの角度とクランクピン角度計測手段を比較して前記クランク軸の各クランクピンの前記基準クランク軸の前記各クランクピンに対する位相誤差を演算する位相誤差演算手段と、を有し、これにより前記クランク軸の前記各クランクピンの回転軸周りの位相の誤差を計測する、位相誤差計測手段と、
前記基準クランク軸の全ての前記クランクピンにダミーウエイトを取り付けてアンバランスが０になるようバランス設定を行った後に或るクランクピンのダミーウエイトをはずした状態で測定した補正量に係るデータと、前記位相誤差計測手段の計測結果に基づく当該或るクランクピンの位相のずれとを用いて、所定の式に基づき生成されるデータを当該或るクランクのダミー情報とし、前記全てのクランクピンのダミー情報を作成する、ダミー情報生成手段と、
前記ダミー情報と、前記クランク軸の遠心力変動情報を用いてクランク軸の初期アンバランス値を得る初期アンバランス値演算手段と、
を有することで特徴づけられる。
【００１４】
上記のクランク軸の回転バランス試験装置によれば、クランク軸のクランクピンのそれぞれの回転軸周りの位相の誤差を求め、その誤差に基づいてダミー情報を生成する構成としている。従って、クランク軸のクランクピンの位相誤差が許容範囲以上であっても、本発明の回転バランス試験装置によって得られるクランク軸の初期アンバランス値はそのクランク軸の各クランクピンにダミーウエイトをつけて測定した結果と等価である。よって、本発明によれば、測定の自動化が容易であり、かつクランクピンの位相に誤差が含まれている場合であってもクランク軸の回転バランスを正確に測定可能となる。
またダミー情報を生成するには、例えば、あらかじめメモリ手段に記憶された各クランクピンごとのダミー情報をそれぞれ位相誤差計測手段によって計測された各クランクピンの位相誤差分オフセットして合成するため、正確なダミー情報を生成することができる。
また、あるクランクピンに関するダミー情報は、基準クランク軸のあるクランクピン以外のクランクピンにダミーウエイトを取り付けた状態で基準クランク軸をその回転軸周りに回転させた時の遠心力変動情報である構成としても良い。
【００１９】
本発明に係るクランク軸の回転バランス試験方法（請求項２に対応）は、
回転するクランク軸に発生する遠心力を計測して前記クランク軸の遠心力変動情報を得、
前記クランク軸の回転角度を検出し、
前記クランク軸の回転角度に対する各クランクピンの角度を計測し、あらかじめ記憶された基準クランク軸の各クランクピンの角度と前記計測されたクランク軸の回転角度に対する前記各クランクピンの角度とを比較して前記クランク軸の前記各クランクピンの前記基準クランク軸の前記各クランクピンに対する位相誤差を演算し、これにより前記クランク軸の前記各クランクピンの回転軸周りの位相の誤差を計測し、
前記基準クランク軸の全ての前記クランクピンにダミーウエイトを取り付けてアンバランスが０になるようバランス設定を行った後に或るクランクピンのダミーウエイトをはずした状態で測定した補正量に係るデータと、前記位相誤差に係る計測結果に基づく当該或るクランクピンの位相のずれとを用いて、所定の式に基づき生成されるデータを当該或るクランクのダミー情報とし、前記全てのクランクピンのダミー情報を作成し、
前記作成されたダミー情報と、前記クランク軸の遠心力変動情報を用いてクランク軸の初期アンバランス値を得る、
ことで特徴づけられる。
【００２０】
上記のクランク軸の回転バランス試験方法によれば、回転するクランク軸に発生する遠心力を計測してクランク軸の遠心力変動情報を得、クランク軸のクランクピンのそれぞれの回転軸周りの位相の誤差を計測し、計測されたクランク軸のクランクピンのそれぞれの回転軸周りの位相の誤差を用いて、遠心力変動情報から除去すべきアンバランス成分に相当するアンバランスのデータとしてのダミー情報を作成し、作成されたダミー情報と、クランク軸の遠心力変動情報を用いてクランク軸の初期アンバランス値を得るため、測定の自動化が容易であり、かつクランクピンの位相に誤差が含まれている場合であってもクランク軸の回転バランスを正確に測定可能となる。
あらかじめメモリ手段に記憶された各クランクピンごとのダミー情報をそれぞれ計測された各クランクピンの位相誤差分オフセットして合成することによってダミー情報を生成するため、精確なダミー情報が生成され、そのダミー情報を用いることにより、クランク軸の回転バランスを正確に測定可能となる。
【００２５】
他のクランク軸の回転バランス試験方法（請求項３に対応）は、上記の方法において、好ましくは、前記或るクランクピンに関する前記ダミー情報は、前記基準クランク軸の前記或るクランクピン以外のクランクピンにダミーウエイトを取り付けた状態で前記基準クランク軸をその回転軸周りに回転させた時の遠心力変動情報であることを特徴とする。
【００２６】
上記のクランク軸の回転バランス試験方法によれば、或るクランクピンに関するダミー情報は、基準クランク軸の或るクランクピン以外のクランクピンにダミーウエイトを取り付けた状態で基準クランク軸をその回転軸周りに回転させた時の遠心力変動情報であるため、その遠心力変動情報を用いて精確なクランク軸の回転バランス試験を行うことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１と図２に本発明の実施形態に係るクランク軸の回転バランス試験装置の測定部の正面図と側面図を示す。
【００２９】
クランク軸の回転バランス試験装置の測定部１の装置フレームは、ベース１３と、ベース１３から鉛直上方に延びるばね１４と、ばね１４に支えられたテーブル１５とから成っており、クランク軸回転機構１Ａと遠心力計測装置１Ｂと位相誤差計測装置１Ｃを備えている。クランク軸回転機構１Ａは、クランク軸をその回転軸周りに回転させるためのものである。
【００３０】
以下にクランク軸回転機構１Ａについて説明する。テーブル１５の下面には駆動シャフト用軸受１２ａおよび１２ｂが取り付けられている。駆動シャフト５はこの駆動シャフト用軸受１２ａおよび１２ｂに回転可能に支持される。
【００３１】
ベース１３にはモータ２が取り付けられている。モータ２の駆動軸２ａにはプーリ３が取り付けられいる。一方、駆動シャフト５の一端には第１のプーリ６が取り付けられており、この第１のプーリ６とモータ２の駆動軸２ａに取り付けられたプーリ３とには第１の無端ベルト４が渡されており、モータ２を駆動することにより駆動シャフト５を第１の無端ベルト４を介して回転駆動することができる。
【００３２】
また、テーブル１５の上面から鉛直上方に互いに平行な第１の側壁１７ａおよび第２の側壁１７ｂが固定されている。第１の側壁１７ａおよび第２の側壁１７ｂはばね１４のばね定数と比べてきわめて高い剛性を有し、一種の剛体として機能する。第１の側壁１７ａには従動シャフト用軸受１６ａおよび１６ｃが、また、第２の側壁１７ｂには従動シャフト用軸受１６ｂおよび１６ｄがそれぞれ固定されている。なお、図１には従動シャフト用軸受１６ａおよび１６ｂのみ記載されており、従動シャフト用軸受１６ｃおよび１６ｄはそれぞれ従動シャフト用軸受１６ａおよび１６ｂの図１中奥側に配置されている。従動シャフト用軸受１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄはそれぞれ従動シャフト１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ（図１には１０ａ、１０ｂのみ記載）を回転可能に支持する。
【００３３】
従動シャフト１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの一端にはそれぞれプーリ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが取り付けられている。また、駆動シャフト５の一端のプーリ６に隣接した箇所および駆動シャフト５の他端には第２のプーリ７ａおよび７ｂが取り付けられている。第２のプーリ７ａと従動シャフト１０ａに取り付けられたプーリ９ａおよび従動シャフト１０ｃに取り付けられたプーリ９ｃ、第２のプーリ７ｂと従動シャフト１０ｂに取り付けられたプーリ９ｂおよび従動シャフト１０ｄに取り付けられたプーリ９ｄと、にはそれぞれ第２の無端ベルト８ａおよび８ｂが渡されている。従って、駆動シャフト５の回転に応じて従動シャフト１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは第２の無端ベルト８ａおよび８ｂを介して回転する。
【００３４】
従動シャフト１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの他端にはそれぞれローラ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが取り付けられている。ローラ１１ａ、１１ｃの上にはクランク軸１００の回転軸の一端１１０ａが、またローラ１１ｂ、１１ｄの上にはクランク軸１００の回転軸の他端１１０ｂがそれぞれ載置される。クランク軸１００はこのローラ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの回転に従動して回転する。即ち、モータ２を駆動することによってクランク軸１００を回転することができる。
【００３５】
遠心力計測装置１Ｂは、回転するクランク軸に発生する遠心力を計測し、クランク軸の遠心力変動情報を得るためのものである。すなわち、ダンパー１４に取り付けられたテーブル１５に設けられた第１の側壁１７ａ、第２の側壁１７ｂに設けられたローラ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの上で回転するクランク軸１００の様々な位置にあるクランクピン１０１〜１０６の質量のために、そのそれぞれのクランクピン１０１〜１０６の回転により発生する遠心力の合力と遠心力の合成モーメントによりクランク軸１００に働く力とモーメントが生じる。そして、この遠心力計測装置１Ｂは、そのクランク軸１００に働く力とモーメントによりクランク軸１００の中心軸の位置の変動を検出する装置であり、ここでは振動ピックアップ２０１Ｌ，２０１Ｒが用いられる。
【００３６】
第１の側壁１７ａには振動ピックアップ２０１Ｌが、また第２の側壁１７ｂには振動ピックアップ２０１Ｒが取り付けられており、この振動ピックアップ２０１の検出結果から回転するクランク軸１００のアンバランスによって生じる負荷変動を計測することができる。振動ピックアップ２０１Ｌおよび２０１Ｒはそれぞれクランク軸１００の回転軸に垂直な２成分（図１中上下方向および、前記上下方向とクランク軸１００の回転軸方向の双方に垂直な方向）の加速度を計測可能な加速度センサである。なお、以降の記載においては図１中上下方向をＹ軸方向、前記上下方向とクランク軸１００の回転軸方向の双方に垂直な方向をＸ軸方向と定義する。
【００３７】
位相誤差計測装置１Ｃは、クランク軸１００のクランクピン１０１〜１０６のそれぞれの回転軸周りの位相の誤差を計測するものであり、クランク軸１００のクランクピン１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６のそれぞれに対応して位相センサＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６がそれぞれ配置されている。各位相センサはこの位相センサの前にクランクピンがあるかどうかを検出する。また、クランク軸１００の回転軸の他端１１０ｂのキー溝を検出するためのセンサＤ７が配置されている。これらのセンサの検出結果に基づいて、各クランクピン１０１〜１０６のキー溝に対する位相を算出する。この算出結果による各クランクピンの位相を用いて、クランク軸１００の各クランクピン１０１〜１０６の位相のずれを算出することができる。また、センサＤ７はクランク軸１００の回転角度を検出する角度検出装置でもあり、このセンサＤ７と位相センサＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６により、クランク軸１００の回転角度に対する各クランクピン１０１〜１０６の角度を計測するクランクピン角度計測装置を構成する。
【００３８】
図３に本発明の実施形態に係るクランク軸の回転バランス試験装置の制御部のブロック図を示す。制御部は、ＣＰＵ２２０、メモリ２２２、ＣＰＵデータバス２２３、Ｉ／Ｏポート２１９を備えたコントローラ２１６と、センサ２０１Ｒからの信号を増幅する増幅回路２０９Ｒと、センサ２０１Ｌからの信号を増幅する増幅回路２０９Ｌと、コントローラ２１６のＩ／Ｏポートからの信号をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器２１２Ｒ、２１３Ｒ、２１２Ｌ，２１３Ｌと、増幅回路２０９Ｒからの信号から、Ｄ／Ａ変換器２１２Ｒ，２１３Ｒからの信号を減算する波形減算回路２１１Ｒと、増幅回路２０９Ｌからの信号からＤ／Ａ変換器２１２Ｌ，２１３Ｌの信号を減算する波形減算回路２１１Ｌと、波形減算回路２１１Ｒからの信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２１４Ｒと、波形減算回路２１１Ｌからの信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２１４Ｌと、Ａ／Ｄ変換器２１４Ｒからの信号をフィルタリングするディジタルフィルタ２１５Ｒと、Ａ／Ｄ変換器２１４Ｌからの信号をフィルタリングするディジタルフィルタ２１５Ｌとを有している。図１に示された位相センサ受光部Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６およびセンサＤ７の出力部は、コントローラ２１６のＩ／Ｏポート２１９に接続される。また、コントローラ２１６のメモリ２２２には、位相誤差計測装置の計測結果を用いて、クランク軸の遠心力変動情報から除去すべきアンバランス成分に相当するアンバランスのデータとしてのダミー情報を生成するダミー情報生成手段としてのダミー情報生成プログラムを記憶する記憶領域２２２ａが設けられている。さらに、増幅回路２０９Ｒ、Ｄ／Ａ変換器２１２Ｒ，２１３Ｒ、増幅回路２０９Ｌ、Ｄ／Ａ変換器２０１２Ｌ，２１３Ｌ、波形減算回路２１１Ｒ，２１１Ｌにより、ダミー情報と、クランク軸の遠心力変動情報を用いてクランク軸の初期アンバランス値を得る初期アンバランス値演算装置を構成している。また、コントローラ２１６のメモリ２２２には、メモリ２２２内にあらかじめ記憶された基準クランク軸の各クランクピンの角度とクランクピン角度計測装置からの値と比較してクランク軸の各クランクピンの基準クランク軸の各クランクピンに対する位相誤差を演算する位相誤差演算プログラムを記憶する記憶領域２２２ｂが設けられている。
【００３９】
図１中で左右に配置された上記各振動ピックアップ２０１Ｌ、２０１Ｒには、それぞれ増幅回路２０９Ｌ、２０９Ｒを介して波形減算回路２１１Ｌ、２１１Ｒが接続されている。波形減算回路２１１Ｌには振動ピックアップ２０１Ｌで検出したアナログ振動信号ＷＤＬＸ（Ｘ軸方向）、ＷＤＬＹ（Ｙ軸方向）を入力可能としており、一方、波形減算回路２１１Ｒにはおよび振動ピックアップ２０１Ｒで検出したアナログ振動信号ＷＤＲＸ（Ｘ軸方向）、ＷＤＲＹ（Ｙ軸方向）を入力可能にしてある。また、波形減算回路２１１Ｌ、２１１Ｒには、Ｄ／Ａ変換器２１２Ｌおよび２１３Ｌ、２１２Ｒおよび２１３Ｒが接続され、これらのＤ／Ａ変換器から出力されるアナログダミー信号ＤＬＸおよびＤＬＹ、ＤＲＸおよびＤＲＹをそれぞれ波形減算回路２１１Ｌ、２１１Ｒに出力可能である。
【００４０】
Ｄ／Ａ変換器２１２Ｌおよび２１３Ｌ、２１２Ｒおよび２１３Ｒはそれぞれコントローラ２１６のＩ／Ｏポート２１９と接続されており、コントローラのＣＰＵ２２０はデジタルダミーデータをこれらのＤ／Ａ変換器に送信する。Ｄ／Ａ変換器２１２Ｌおよび２１３Ｌ、２１２Ｒおよび２１３Ｒはこれらのデジタルダミーデータを変換することによってアナログダミー信号ＤＬＸおよびＤＬＹ、ＤＲＸおよびＤＲＹを生成する。なお、ＣＰＵによるデジタルダミーデータ生成方法については後述する。
【００４１】
波形減算回路２１１Ｌは、振動ピックアップ２０１Ｌからのアナログ振動信号ＷＤＬＸおよびＷＤＬＹとＤ／Ａ変換器２１２Ｌおよび２１３Ｌからのアナログダミー信号ＤＬＸおよびＤＬＹとが入力される。波形減算回路２１１Ｌは、アナログ振動信号ＷＤＬＸからアナログダミー信号ＤＬＸ、アナログ振動信号ＷＤＬＹからアナログダミー信号ＤＬＹをそれぞれ減算合成してアナログ振動信号からアナログダミー信号分を除去し、クランク軸１００の回転軸の一端１１０ａ（図１）でのアナログの初期アンバランス信号ＷＬＸおよびＷＬＹを作りだす。
【００４２】
同様に、波形減算回路２１１Ｒは、振動ピックアップ２０１Ｒからのアナログ振動信号ＷＤＲＸおよびＷＤＲＹとＤ／Ａ変換器２１２Ｒおよび２１３Ｒからのアナログダミー信号ＤＲＸおよびＤＲＹとが入力される。波形減算回路２１１Ｒは、アナログ振動信号ＷＤＲＸからアナログダミー信号ＤＲＸ、アナログ振動信号ＷＤＲＹからアナログダミー信号ＤＲＹをそれぞれ減算合成してアナログ振動信号からアナログダミー信号分を除去し、クランク軸１００の回転軸の他端１１０ｂ（図１）でのアナログの初期アンバランス信号ＷＲＸおよびＷＲＹを作りだす。
【００４３】
上記各波形減算回路２１１Ｌ、２１１Ｒは、アナログの初期アンバランス信号を出力する。また、各波形減算回路２１１Ｌ、２１１Ｒはこれらの信号が入力可能なＡ／Ｄ変換器２１４Ｌ、２１４Ｒに接続される。各Ａ／Ｄ変換器２１４Ｌ、２１４Ｒの出力側は、それぞれデジタル・フィルタ２１５Ｌ、２１５Ｒを介してコントローラ２１６のＣＰＵデータバス２２３に接続される。この結果、Ａ／Ｄ変換器２１４Ｌ、２１４Ｒでデジタル変換された初期アンバランス信号ＷＬＸ、ＷＬＹ、ＷＲＸ、ＷＲＹは、デジタル・フィルタ２１５Ｌ、２１５Ｒでノイズを低減され、コントローラ２１６で読み込み可能となる。
【００４４】
コントローラ２１６に読込まれたノイズ除去済みの初期アンバランス信号ＷＬＸ、ＷＬＹ、ＷＲＸ、ＷＲＹは、ＣＰＵ２２０によって処理され、初期アンバランスデータが得られる。本実施形態による初期アンバランスは、初期アンバランス信号ＷＬＸ、ＷＬＹ、ＷＲＸ、ＷＲＹのそれぞれについてセンサＤ７によって検出されたクランク軸１００のキー溝の位置を基準とする位相θを引数とする関数ＷＬＸ（θ）、ＷＬＹ（θ）、ＷＲＸ（θ）、ＷＲＹ（θ）として示される。
【００４５】
上記のクランク軸の回転バランス試験装置によるクランク軸のバランス測定手順を以下に説明する。最初にデジタルダミーデータを生成するための各種パラメータを計測する、キャリブレーションを行う。なお、本キャリブレーションはクランク軸の型式ごとに１回行えばよく、得られたパラメータは同一の型式の他のクランク軸を計測する場合にも利用されることは言うまでもない。
【００４６】
キャリブレーションには基準クランク軸とダミーウエイトを用いる。基準クランク軸とは、バランス測定を行うクランク軸と同じ型式でバランス調整済みかつクランクピンに位相誤差のないクランク軸である。以下に詳説するキャリブレーションにおいては、デジタルダミーデータはＤ／Ａ変換器２１２Ｒ、２１３Ｒ、２１２Ｌ、２１３Ｌには入力されない。
【００４７】
最初に、基準クランク軸の全てのクランクピンにダミーウエイトを取り付けてバランス測定を行い、ＷＬＸ（θ）、ＷＬＹ（θ）、ＷＲＸ（θ）、ＷＲＹ（θ）が常に０となるように増幅回路２０９Ｒ、２０９Ｌの調整を行う。
【００４８】
次いで、クランクピン１０１に取り付けられているダミーウエイトを取り外してバランス測定を行う。この測定結果をＷＬＸ１（θ）、ＷＬＹ１（θ）、ＷＲＸ１（θ）、ＷＲＹ１（θ）とする。測定結果ＷＬＸ１（θ）、ＷＬＹ１（θ）、ＷＲＸ１（θ）、ＷＲＹ１（θ）はクランクピン１０１のみにダミーウエイトがない状態での測定結果であるので、０からこれらの測定結果を引いた値はクランクピン１０１に取り付けられるダミーウエイト分の補正量である。
【００４９】
同様に、クランクピン１０２、１０３、１０４、１０５、１０６のそれぞれについて、そのダミーウエイトのみが取り外された状態でのバランス測定を行う。クランクピン１０ｎのダミーウエイトのみが取り外された状態での測定結果をＷＬＸｎ（θ）、ＷＬＹｎ（θ）、ＷＲＸｎ（θ）、ＷＲＹｎ（θ）とする。
【００５０】
以上説明したキャリブレーションによって、クランクピンに取り付けられるダミーウエイトのそれぞれに対応する補正量が算出される。これらの補正量はメモリ２２２に記憶される。
【００５１】
次いで、クランク軸１００の初期アンバランスの測定につき説明する。クランク軸１００をローラ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ上に載置した状態で、電気モータ２にて所定の測定回転数で回転させる。このとき、クランク軸１００には動的な回転バランスに不釣り合いが生じているため、遠心力方向の力が周方向周りに変位する。このときの慣性力がテーブル１５、ばね１４を介してベース１３に作用する。従って、ばね１４によって振動可能に支持されているテーブル１５はクランク軸１００ごと振動し、振動ピックアップ２０１Ｌおよび２０１Ｒは振動速度に応じたアナログ振動信号ＷＤＬＸ、ＷＤＬＹ、ＷＤＲＸ、ＷＤＲＹをそれぞれ発生させる。アナログ振動信号ＷＤＬＸ、ＷＤＬＹは増幅回路２０９Ｌによって増幅された後波形減算回路２１１Ｌに入力される。またアナログ振動信号ＷＤＲＸ、ＷＤＲＹは増幅回路２０９Ｒによって増幅された後波形減算回路２１１Ｒに入力される。
【００５２】
上記の処理と並行して、センサＤ７によりクランク軸１００のキー溝を検出する。すなわち、回転するクランク軸１００のキー溝がセンサＤ７の前に来る度に、センサＤ７がセンサ信号パルスＷＫを発生する。この信号ＷＫは、コントローラ２１６のＩ／Ｏポート２１９に入力される。コントローラ２１６は、ＣＰＵ２２０にてセンサ信号パルスＷＫを基に、パルス発生の時間からクランク軸１００のキー溝の回転角θを、またパルス間の経過時間からクランク軸１００の回転速度Ｎをそれぞれ検出する。
【００５３】
また、位相センサＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６によりクランクピン１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６を検出する。すなわち、回転するクランク軸１００のクランクピン１０１〜１０６が対応する位相センサＤ１〜Ｄ６の前に来る度に、位相センサがセンサ信号パルスを発生する。この信号は、コントローラ２１６のＩ／Ｏポート２１９に入力される。コントローラ２１６は、これらの信号パルスとキー溝の回転角θから各クランクピンのキー溝に対する位相を算出する。さらにこれらのクランクピンの位相と、あらかじめメモリに記憶されている基準クランク軸の各クランクピンのキー溝に対する位相とを比較し、クランクピン１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６の位相のずれを求める。なお、本実施形態においてはクランクピン１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６の位相のずれをそれぞれΔφ１、Δφ２、Δφ３、Δφ４、Δφ５、Δφ６と定義する。
【００５４】
次いで、ＣＰＵ２２０はキャリブレーションの結果および各クランクピンの位相のずれから数１を用いて、デジタルダミーデータＤＷＬＸ（θ）、ＤＷＬＹ（θ）、ＤＷＲＸ（θ）、ＤＷＲＹ（θ）を生成する。
【００５５】
【数１】
【００５６】
クランク軸１００の回転速度Ｎが測定可能な範囲になると、センサＤ７で検出したクランク軸１００の位相θと回転速度Ｎとに対応して、クランク軸１００の一端１１０ａ、他端１１０ｂにそれぞれ作用するダミー分としてのデジタルダミーデータであるＤＷＬＸ（θ）、ＤＷＬＹ（θ）、ＤＷＲＸ（θ）、ＤＷＲＹ（θ）を各Ｄ／Ａ変換器２１２Ｌ、２１２Ｒ、２１３Ｌ、２１３Ｒに送る。各Ｄ／Ａ変換器はそれぞれクランク軸１００の回転に同期してアナログダミー信号ＤＬＸ、ＤＬＹ、ＤＲＸ、ＤＲＹを生成し、波形減算回路２１１Ｌ、２１１Ｒへとそれぞれ出力する。
【００５７】
波形減算回路２１１Ｌは、振動ピックアップ２０１Ｌからの上記アナログ振動信号ＷＤＬＸ、ＷＤＬＹの波形と上記アナログダミー信号ＤＬＸ、ＤＬＹの波形を同期して差分を取る。この合成によりアナログ振動信号ＷＤＬの波形から上記アナログダミー信号分ＤＬＸ、ＤＬＹを除去して、アナログの初期アンバランス信号ＷＬＸ、ＷＬＹを得る。この波形減算回路２１１Ｌからのアナログの初期アンバランス信号ＷＬＸ、ＷＬＹは、Ａ／Ｄ変換器２１４Ｌでデジタル変換されてデジタル初期アンバランス値となる。このデジタル初期アンバランス値がコントローラ２１６に入力され、図１中のクランク軸１００の一端１１０ａにおける初期アンバランスの修正量と角度位置を得ることが可能となる。
【００５８】
同様に、波形減算回路２１１Ｒは、振動ピックアップ２０１Ｌからの上記アナログ振動信号ＷＤＲＸ、ＷＤＲＹの波形と上記アナログダミー信号ＤＲＸ、ＤＲＹの波形を同期して差分を取る。この合成によりアナログ振動信号ＷＤＲの波形から上記アナログダミー信号分ＤＲＸ、ＤＲＹを除去して、アナログの初期アンバランス信号ＷＲＸ、ＷＲＹを得る。この波形減算回路２１１Ｒからのアナログの初期アンバランス信号ＷＲＸ、ＷＲＹは、Ａ／Ｄ変換器２１４Ｒでデジタル変換されてデジタル初期アンバランス値となる。このデジタル初期アンバランス値がコントローラ２１６に入力され、図１中のクランク軸１００の他端１１０ｂにおける初期アンバランスの修正量と角度位置を得ることが可能となる。
【００５９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００６０】
本発明のクランク軸の回転バランス試験装置および試験方法によれば測定の自動化が容易であり、かつクランクピンの位相に誤差が含まれている場合であってもクランク軸の回転バランスを正確に測定可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のクランク軸バランス測定装置の測定部の正面図である。
【図２】本発明の実施の形態のクランク軸バランス測定装置の測定部の側面図である。
【図３】本発明の実施の形態のクランク軸バランス測定装置の制御部のブロック図である。
【符号の説明】
１ 測定部
１Ａ クランク軸回転機構
１Ｂ 遠心力計測装置
１Ｃ 位相誤差計測装置
１３ ベース
１４ ばね
１５ テーブル
１００ クランク軸
１０１〜１０６ クランクピン
２０１Ｌ，２０１Ｒ 振動ピックアップ
２１１Ｌ，２１１Ｒ 波形減算回路
２１２Ｌ，２１２Ｒ Ｄ／Ａ変換器
２１３Ｌ，２１３Ｒ Ｄ／Ａ変換器
２１４Ｌ，２１４Ｒ Ａ／Ｄ変換器
２１６ コントローラ
２２０ ＣＰＵ
Ｄ１〜Ｄ６ 位相センサ
Ｄ７ センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、クランクシャフトの回転軸周りのバランスを測定する、クランク軸の回転バランス試験装置および試験方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転体にあっては、その動的な回転バランスの調整時、所定のアンバランスをあらかじめ残しておくようにすることがある。たとえば、エンジンのクランク軸は、クランク軸単体で完全に回転バランスを釣り合わせても、クランク軸にはピストンやコンロッド等が取り付けられるので、全体としての慣性力が釣り合わず大きな振動が発生する。そこで、あらかじめクランク軸単体に所定の適切なアンバランスが残るようにバランス調整しておき、ピストン等をクランク軸に取り付けた状態では、このクランク軸自体のアンバランスによる慣性力でピストン等の往復質量による慣性力の一部をうち消すようにすることが知られている。
【０００３】
この場合、所定のアンバランスを残すようにクランク軸単体で動的な回転バランスの測定を行うには、大きく分けて下記の三つの方法があった。
【０００４】
第１の方法は、あらかじめ基準クランク軸で測定計算された重量分のダミーリング（上記回転体に残すべき所定のアンバランスに相当）をクランク軸の各クランクピンに取り付けて、バランス測定装置で回転計測しながら釣り合う状態を求めて初期アンバランスを求め、修正量と角度位置を決める。
【０００５】
第２の方法は、振動台上でクランク軸にスピンドルを連結し、このスピンドルにあらかじめ計算した等価のダミーウェイト（上記クランク軸に残すべき所定のアンバランスに相当）を取付け、クランク軸と同期させ釣り合わせることで初期アンバランスを求め、修正量と角度位置を決める。
【０００６】
第３の方法は、ダミーリングやダミーウェイトを取り付けずにそのままクランク軸単体を回転させ、このとき発生するアンバランスを振動ピックアップでアナログ信号として検出し、この信号をＡ／Ｄ変換器（アナログ−デジタル変換器）にてデジタル変換した後、このデジタル検出値とあらかじめ分かっているダミーウェイト分のデジタルダミー情報とに基づき数値計算して前者から後者分を除去することで初期アンバランスを求め、修正量と角度位置を決める。
【０００７】
なお、上記測定後でのクランク軸のバランス調整は、一般的には上記修正量と角度位置に基づき、クランク軸のカウンタウェイトにこの最適位置で最適深さのドリル穴をあけることで行う。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の方法では、測定するクランク軸ごとにダミーリングの着脱作業が必要となる。また、多機種のクランク軸を同じ測定装置で測定しようとすると、機種ごとに異なるダミーリングを用意してその都度交換しなければならない。これらの理由から、この方法では各種のダミーリングを用意しなければならず、また測定を自動化するにはかなりの困難を伴う。
【０００９】
一方、上記第２および第３の方法では、各クランクピンごとにダミーリング着脱する作業は不要となる。
【００１０】
しかしながらクランクピンの位相に許容範囲以上の誤差が含まれる場合は、測定結果に多大な誤差が生じ、クランク軸に対してアンバランスを解消できないようなバランス調整を行ってしまう可能性があった。
【００１１】
本発明の目的は、上記問題を解決するため、測定の自動化が容易であり、かつクランクピンの位相に誤差が含まれている場合であってもクランク軸の回転バランスを正確に測定可能なクランク軸の回転バランス試験装置および試験方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係るクランク軸の回転バランス試験装置および試験方法は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００１３】
本発明に係るクランク軸の回転バランス試験装置（請求項１に対応）は、
クランク軸をその回転軸周りに回転させるクランク軸回転手段と、
前記回転するクランク軸に発生する遠心力を計測し、前記クランク軸の遠心力変動情報を得る、遠心力計測手段と、
前記クランク軸の回転角度を検出する角度検出手段と、
前記クランク軸の各種情報が記憶されるメモリ手段と、
前記クランク軸の回転角度に対する各クランクピンの角度を計測するクランクピン角度計測手段と、前記メモリ手段内にあらかじめ記憶された基準クランク軸の各クランクピンの角度とクランクピン角度計測手段を比較して前記クランク軸の各クランクピンの前記基準クランク軸の前記各クランクピンに対する位相誤差を演算する位相誤差演算手段と、を有し、これにより前記クランク軸の前記各クランクピンの回転軸周りの位相の誤差を計測する、位相誤差計測手段と、
前記基準クランク軸の全ての前記クランクピンにダミーウエイトを取り付けてアンバランスが０になるようバランス設定を行った後に或るクランクピンのダミーウエイトをはずした状態で測定した補正量に係るデータと、前記位相誤差計測手段の計測結果に基づく当該或るクランクピンの位相のずれとを用いて、所定の式に基づき生成されるデータを当該或るクランクのダミー情報とし、前記全てのクランクピンのダミー情報を作成する、ダミー情報生成手段と、
前記ダミー情報と、前記クランク軸の遠心力変動情報を用いてクランク軸の初期アンバランス値を得る初期アンバランス値演算手段と、
を有することで特徴づけられる。
【００１４】
上記のクランク軸の回転バランス試験装置によれば、クランク軸のクランクピンのそれぞれの回転軸周りの位相の誤差を求め、その誤差に基づいてダミー情報を生成する構成としている。従って、クランク軸のクランクピンの位相誤差が許容範囲以上であっても、本発明の回転バランス試験装置によって得られるクランク軸の初期アンバランス値はそのクランク軸の各クランクピンにダミーウエイトをつけて測定した結果と等価である。よって、本発明によれば、測定の自動化が容易であり、かつクランクピンの位相に誤差が含まれている場合であってもクランク軸の回転バランスを正確に測定可能となる。
またダミー情報を生成するには、例えば、あらかじめメモリ手段に記憶された各クランクピンごとのダミー情報をそれぞれ位相誤差計測手段によって計測された各クランクピンの位相誤差分オフセットして合成するため、正確なダミー情報を生成することができる。
また、あるクランクピンに関するダミー情報は、基準クランク軸のあるクランクピン以外のクランクピンにダミーウエイトを取り付けた状態で基準クランク軸をその回転軸周りに回転させた時の遠心力変動情報である構成としても良い。
【００１９】
本発明に係るクランク軸の回転バランス試験方法（請求項２に対応）は、
回転するクランク軸に発生する遠心力を計測して前記クランク軸の遠心力変動情報を得、
前記クランク軸の回転角度を検出し、
前記クランク軸の回転角度に対する各クランクピンの角度を計測し、あらかじめ記憶された基準クランク軸の各クランクピンの角度と前記計測されたクランク軸の回転角度に対する前記各クランクピンの角度とを比較して前記クランク軸の前記各クランクピンの前記基準クランク軸の前記各クランクピンに対する位相誤差を演算し、これにより前記クランク軸の前記各クランクピンの回転軸周りの位相の誤差を計測し、
前記基準クランク軸の全ての前記クランクピンにダミーウエイトを取り付けてアンバランスが０になるようバランス設定を行った後に或るクランクピンのダミーウエイトをはずした状態で測定した補正量に係るデータと、前記位相誤差に係る計測結果に基づく当該或るクランクピンの位相のずれとを用いて、所定の式に基づき生成されるデータを当該或るクランクのダミー情報とし、前記全てのクランクピンのダミー情報を作成し、
前記作成されたダミー情報と、前記クランク軸の遠心力変動情報を用いてクランク軸の初期アンバランス値を得る、
ことで特徴づけられる。
【００２０】
上記のクランク軸の回転バランス試験方法によれば、回転するクランク軸に発生する遠心力を計測してクランク軸の遠心力変動情報を得、クランク軸のクランクピンのそれぞれの回転軸周りの位相の誤差を計測し、計測されたクランク軸のクランクピンのそれぞれの回転軸周りの位相の誤差を用いて、遠心力変動情報から除去すべきアンバランス成分に相当するアンバランスのデータとしてのダミー情報を作成し、作成されたダミー情報と、クランク軸の遠心力変動情報を用いてクランク軸の初期アンバランス値を得るため、測定の自動化が容易であり、かつクランクピンの位相に誤差が含まれている場合であってもクランク軸の回転バランスを正確に測定可能となる。
あらかじめメモリ手段に記憶された各クランクピンごとのダミー情報をそれぞれ計測された各クランクピンの位相誤差分オフセットして合成することによってダミー情報を生成するため、精確なダミー情報が生成され、そのダミー情報を用いることにより、クランク軸の回転バランスを正確に測定可能となる。
【００２５】
他のクランク軸の回転バランス試験方法（請求項３に対応）は、上記の方法において、好ましくは、前記或るクランクピンに関する前記ダミー情報は、前記基準クランク軸の前記或るクランクピン以外のクランクピンにダミーウエイトを取り付けた状態で前記基準クランク軸をその回転軸周りに回転させた時の遠心力変動情報であることを特徴とする。
【００２６】
上記のクランク軸の回転バランス試験方法によれば、或るクランクピンに関するダミー情報は、基準クランク軸の或るクランクピン以外のクランクピンにダミーウエイトを取り付けた状態で基準クランク軸をその回転軸周りに回転させた時の遠心力変動情報であるため、その遠心力変動情報を用いて精確なクランク軸の回転バランス試験を行うことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１と図２に本発明の実施形態に係るクランク軸の回転バランス試験装置の測定部の正面図と側面図を示す。
【００２９】
クランク軸の回転バランス試験装置の測定部１の装置フレームは、ベース１３と、ベース１３から鉛直上方に延びるばね１４と、ばね１４に支えられたテーブル１５とから成っており、クランク軸回転機構１Ａと遠心力計測装置１Ｂと位相誤差計測装置１Ｃを備えている。クランク軸回転機構１Ａは、クランク軸をその回転軸周りに回転させるためのものである。
【００３０】
以下にクランク軸回転機構１Ａについて説明する。テーブル１５の下面には駆動シャフト用軸受１２ａおよび１２ｂが取り付けられている。駆動シャフト５はこの駆動シャフト用軸受１２ａおよび１２ｂに回転可能に支持される。
【００３１】
ベース１３にはモータ２が取り付けられている。モータ２の駆動軸２ａにはプーリ３が取り付けられいる。一方、駆動シャフト５の一端には第１のプーリ６が取り付けられており、この第１のプーリ６とモータ２の駆動軸２ａに取り付けられたプーリ３とには第１の無端ベルト４が渡されており、モータ２を駆動することにより駆動シャフト５を第１の無端ベルト４を介して回転駆動することができる。
【００３２】
また、テーブル１５の上面から鉛直上方に互いに平行な第１の側壁１７ａおよび第２の側壁１７ｂが固定されている。第１の側壁１７ａおよび第２の側壁１７ｂはばね１４のばね定数と比べてきわめて高い剛性を有し、一種の剛体として機能する。第１の側壁１７ａには従動シャフト用軸受１６ａおよび１６ｃが、また、第２の側壁１７ｂには従動シャフト用軸受１６ｂおよび１６ｄがそれぞれ固定されている。なお、図１には従動シャフト用軸受１６ａおよび１６ｂのみ記載されており、従動シャフト用軸受１６ｃおよび１６ｄはそれぞれ従動シャフト用軸受１６ａおよび１６ｂの図１中奥側に配置されている。従動シャフト用軸受１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄはそれぞれ従動シャフト１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ（図１には１０ａ、１０ｂのみ記載）を回転可能に支持する。
【００３３】
従動シャフト１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの一端にはそれぞれプーリ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが取り付けられている。また、駆動シャフト５の一端のプーリ６に隣接した箇所および駆動シャフト５の他端には第２のプーリ７ａおよび７ｂが取り付けられている。第２のプーリ７ａと従動シャフト１０ａに取り付けられたプーリ９ａおよび従動シャフト１０ｃに取り付けられたプーリ９ｃ、第２のプーリ７ｂと従動シャフト１０ｂに取り付けられたプーリ９ｂおよび従動シャフト１０ｄに取り付けられたプーリ９ｄと、にはそれぞれ第２の無端ベルト８ａおよび８ｂが渡されている。従って、駆動シャフト５の回転に応じて従動シャフト１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは第２の無端ベルト８ａおよび８ｂを介して回転する。
【００３４】
従動シャフト１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの他端にはそれぞれローラ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが取り付けられている。ローラ１１ａ、１１ｃの上にはクランク軸１００の回転軸の一端１１０ａが、またローラ１１ｂ、１１ｄの上にはクランク軸１００の回転軸の他端１１０ｂがそれぞれ載置される。クランク軸１００はこのローラ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの回転に従動して回転する。即ち、モータ２を駆動することによってクランク軸１００を回転することができる。
【００３５】
遠心力計測装置１Ｂは、回転するクランク軸に発生する遠心力を計測し、クランク軸の遠心力変動情報を得るためのものである。すなわち、ダンパー１４に取り付けられたテーブル１５に設けられた第１の側壁１７ａ、第２の側壁１７ｂに設けられたローラ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの上で回転するクランク軸１００の様々な位置にあるクランクピン１０１〜１０６の質量のために、そのそれぞれのクランクピン１０１〜１０６の回転により発生する遠心力の合力と遠心力の合成モーメントによりクランク軸１００に働く力とモーメントが生じる。そして、この遠心力計測装置１Ｂは、そのクランク軸１００に働く力とモーメントによりクランク軸１００の中心軸の位置の変動を検出する装置であり、ここでは振動ピックアップ２０１Ｌ，２０１Ｒが用いられる。
【００３６】
第１の側壁１７ａには振動ピックアップ２０１Ｌが、また第２の側壁１７ｂには振動ピックアップ２０１Ｒが取り付けられており、この振動ピックアップ２０１の検出結果から回転するクランク軸１００のアンバランスによって生じる負荷変動を計測することができる。振動ピックアップ２０１Ｌおよび２０１Ｒはそれぞれクランク軸１００の回転軸に垂直な２成分（図１中上下方向および、前記上下方向とクランク軸１００の回転軸方向の双方に垂直な方向）の加速度を計測可能な加速度センサである。なお、以降の記載においては図１中上下方向をＹ軸方向、前記上下方向とクランク軸１００の回転軸方向の双方に垂直な方向をＸ軸方向と定義する。
【００３７】
位相誤差計測装置１Ｃは、クランク軸１００のクランクピン１０１〜１０６のそれぞれの回転軸周りの位相の誤差を計測するものであり、クランク軸１００のクランクピン１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６のそれぞれに対応して位相センサＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６がそれぞれ配置されている。各位相センサはこの位相センサの前にクランクピンがあるかどうかを検出する。また、クランク軸１００の回転軸の他端１１０ｂのキー溝を検出するためのセンサＤ７が配置されている。これらのセンサの検出結果に基づいて、各クランクピン１０１〜１０６のキー溝に対する位相を算出する。この算出結果による各クランクピンの位相を用いて、クランク軸１００の各クランクピン１０１〜１０６の位相のずれを算出することができる。また、センサＤ７はクランク軸１００の回転角度を検出する角度検出装置でもあり、このセンサＤ７と位相センサＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６により、クランク軸１００の回転角度に対する各クランクピン１０１〜１０６の角度を計測するクランクピン角度計測装置を構成する。
【００３８】
図３に本発明の実施形態に係るクランク軸の回転バランス試験装置の制御部のブロック図を示す。制御部は、ＣＰＵ２２０、メモリ２２２、ＣＰＵデータバス２２３、Ｉ／Ｏポート２１９を備えたコントローラ２１６と、センサ２０１Ｒからの信号を増幅する増幅回路２０９Ｒと、センサ２０１Ｌからの信号を増幅する増幅回路２０９Ｌと、コントローラ２１６のＩ／Ｏポートからの信号をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器２１２Ｒ、２１３Ｒ、２１２Ｌ，２１３Ｌと、増幅回路２０９Ｒからの信号から、Ｄ／Ａ変換器２１２Ｒ，２１３Ｒからの信号を減算する波形減算回路２１１Ｒと、増幅回路２０９Ｌからの信号からＤ／Ａ変換器２１２Ｌ，２１３Ｌの信号を減算する波形減算回路２１１Ｌと、波形減算回路２１１Ｒからの信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２１４Ｒと、波形減算回路２１１Ｌからの信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２１４Ｌと、Ａ／Ｄ変換器２１４Ｒからの信号をフィルタリングするディジタルフィルタ２１５Ｒと、Ａ／Ｄ変換器２１４Ｌからの信号をフィルタリングするディジタルフィルタ２１５Ｌとを有している。図１に示された位相センサ受光部Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６およびセンサＤ７の出力部は、コントローラ２１６のＩ／Ｏポート２１９に接続される。また、コントローラ２１６のメモリ２２２には、位相誤差計測装置の計測結果を用いて、クランク軸の遠心力変動情報から除去すべきアンバランス成分に相当するアンバランスのデータとしてのダミー情報を生成するダミー情報生成手段としてのダミー情報生成プログラムを記憶する記憶領域２２２ａが設けられている。さらに、増幅回路２０９Ｒ、Ｄ／Ａ変換器２１２Ｒ，２１３Ｒ、増幅回路２０９Ｌ、Ｄ／Ａ変換器２０１２Ｌ，２１３Ｌ、波形減算回路２１１Ｒ，２１１Ｌにより、ダミー情報と、クランク軸の遠心力変動情報を用いてクランク軸の初期アンバランス値を得る初期アンバランス値演算装置を構成している。また、コントローラ２１６のメモリ２２２には、メモリ２２２内にあらかじめ記憶された基準クランク軸の各クランクピンの角度とクランクピン角度計測装置からの値と比較してクランク軸の各クランクピンの基準クランク軸の各クランクピンに対する位相誤差を演算する位相誤差演算プログラムを記憶する記憶領域２２２ｂが設けられている。
【００３９】
図１中で左右に配置された上記各振動ピックアップ２０１Ｌ、２０１Ｒには、それぞれ増幅回路２０９Ｌ、２０９Ｒを介して波形減算回路２１１Ｌ、２１１Ｒが接続されている。波形減算回路２１１Ｌには振動ピックアップ２０１Ｌで検出したアナログ振動信号ＷＤＬＸ（Ｘ軸方向）、ＷＤＬＹ（Ｙ軸方向）を入力可能としており、一方、波形減算回路２１１Ｒにはおよび振動ピックアップ２０１Ｒで検出したアナログ振動信号ＷＤＲＸ（Ｘ軸方向）、ＷＤＲＹ（Ｙ軸方向）を入力可能にしてある。また、波形減算回路２１１Ｌ、２１１Ｒには、Ｄ／Ａ変換器２１２Ｌおよび２１３Ｌ、２１２Ｒおよび２１３Ｒが接続され、これらのＤ／Ａ変換器から出力されるアナログダミー信号ＤＬＸおよびＤＬＹ、ＤＲＸおよびＤＲＹをそれぞれ波形減算回路２１１Ｌ、２１１Ｒに出力可能である。
【００４０】
Ｄ／Ａ変換器２１２Ｌおよび２１３Ｌ、２１２Ｒおよび２１３Ｒはそれぞれコントローラ２１６のＩ／Ｏポート２１９と接続されており、コントローラのＣＰＵ２２０はデジタルダミーデータをこれらのＤ／Ａ変換器に送信する。Ｄ／Ａ変換器２１２Ｌおよび２１３Ｌ、２１２Ｒおよび２１３Ｒはこれらのデジタルダミーデータを変換することによってアナログダミー信号ＤＬＸおよびＤＬＹ、ＤＲＸおよびＤＲＹを生成する。なお、ＣＰＵによるデジタルダミーデータ生成方法については後述する。
【００４１】
波形減算回路２１１Ｌは、振動ピックアップ２０１Ｌからのアナログ振動信号ＷＤＬＸおよびＷＤＬＹとＤ／Ａ変換器２１２Ｌおよび２１３Ｌからのアナログダミー信号ＤＬＸおよびＤＬＹとが入力される。波形減算回路２１１Ｌは、アナログ振動信号ＷＤＬＸからアナログダミー信号ＤＬＸ、アナログ振動信号ＷＤＬＹからアナログダミー信号ＤＬＹをそれぞれ減算合成してアナログ振動信号からアナログダミー信号分を除去し、クランク軸１００の回転軸の一端１１０ａ（図１）でのアナログの初期アンバランス信号ＷＬＸおよびＷＬＹを作りだす。
【００４２】
同様に、波形減算回路２１１Ｒは、振動ピックアップ２０１Ｒからのアナログ振動信号ＷＤＲＸおよびＷＤＲＹとＤ／Ａ変換器２１２Ｒおよび２１３Ｒからのアナログダミー信号ＤＲＸおよびＤＲＹとが入力される。波形減算回路２１１Ｒは、アナログ振動信号ＷＤＲＸからアナログダミー信号ＤＲＸ、アナログ振動信号ＷＤＲＹからアナログダミー信号ＤＲＹをそれぞれ減算合成してアナログ振動信号からアナログダミー信号分を除去し、クランク軸１００の回転軸の他端１１０ｂ（図１）でのアナログの初期アンバランス信号ＷＲＸおよびＷＲＹを作りだす。
【００４３】
上記各波形減算回路２１１Ｌ、２１１Ｒは、アナログの初期アンバランス信号を出力する。また、各波形減算回路２１１Ｌ、２１１Ｒはこれらの信号が入力可能なＡ／Ｄ変換器２１４Ｌ、２１４Ｒに接続される。各Ａ／Ｄ変換器２１４Ｌ、２１４Ｒの出力側は、それぞれデジタル・フィルタ２１５Ｌ、２１５Ｒを介してコントローラ２１６のＣＰＵデータバス２２３に接続される。この結果、Ａ／Ｄ変換器２１４Ｌ、２１４Ｒでデジタル変換された初期アンバランス信号ＷＬＸ、ＷＬＹ、ＷＲＸ、ＷＲＹは、デジタル・フィルタ２１５Ｌ、２１５Ｒでノイズを低減され、コントローラ２１６で読み込み可能となる。
【００４４】
コントローラ２１６に読込まれたノイズ除去済みの初期アンバランス信号ＷＬＸ、ＷＬＹ、ＷＲＸ、ＷＲＹは、ＣＰＵ２２０によって処理され、初期アンバランスデータが得られる。本実施形態による初期アンバランスは、初期アンバランス信号ＷＬＸ、ＷＬＹ、ＷＲＸ、ＷＲＹのそれぞれについてセンサＤ７によって検出されたクランク軸１００のキー溝の位置を基準とする位相θを引数とする関数ＷＬＸ（θ）、ＷＬＹ（θ）、ＷＲＸ（θ）、ＷＲＹ（θ）として示される。
【００４５】
上記のクランク軸の回転バランス試験装置によるクランク軸のバランス測定手順を以下に説明する。最初にデジタルダミーデータを生成するための各種パラメータを計測する、キャリブレーションを行う。なお、本キャリブレーションはクランク軸の型式ごとに１回行えばよく、得られたパラメータは同一の型式の他のクランク軸を計測する場合にも利用されることは言うまでもない。
【００４６】
キャリブレーションには基準クランク軸とダミーウエイトを用いる。基準クランク軸とは、バランス測定を行うクランク軸と同じ型式でバランス調整済みかつクランクピンに位相誤差のないクランク軸である。以下に詳説するキャリブレーションにおいては、デジタルダミーデータはＤ／Ａ変換器２１２Ｒ、２１３Ｒ、２１２Ｌ、２１３Ｌには入力されない。
【００４７】
最初に、基準クランク軸の全てのクランクピンにダミーウエイトを取り付けてバランス測定を行い、ＷＬＸ（θ）、ＷＬＹ（θ）、ＷＲＸ（θ）、ＷＲＹ（θ）が常に０となるように増幅回路２０９Ｒ、２０９Ｌの調整を行う。
【００４８】
次いで、クランクピン１０１に取り付けられているダミーウエイトを取り外してバランス測定を行う。この測定結果をＷＬＸ１（θ）、ＷＬＹ１（θ）、ＷＲＸ１（θ）、ＷＲＹ１（θ）とする。測定結果ＷＬＸ１（θ）、ＷＬＹ１（θ）、ＷＲＸ１（θ）、ＷＲＹ１（θ）はクランクピン１０１のみにダミーウエイトがない状態での測定結果であるので、０からこれらの測定結果を引いた値はクランクピン１０１に取り付けられるダミーウエイト分の補正量である。
【００４９】
同様に、クランクピン１０２、１０３、１０４、１０５、１０６のそれぞれについて、そのダミーウエイトのみが取り外された状態でのバランス測定を行う。クランクピン１０ｎのダミーウエイトのみが取り外された状態での測定結果をＷＬＸｎ（θ）、ＷＬＹｎ（θ）、ＷＲＸｎ（θ）、ＷＲＹｎ（θ）とする。
【００５０】
以上説明したキャリブレーションによって、クランクピンに取り付けられるダミーウエイトのそれぞれに対応する補正量が算出される。これらの補正量はメモリ２２２に記憶される。
【００５１】
次いで、クランク軸１００の初期アンバランスの測定につき説明する。クランク軸１００をローラ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ上に載置した状態で、電気モータ２にて所定の測定回転数で回転させる。このとき、クランク軸１００には動的な回転バランスに不釣り合いが生じているため、遠心力方向の力が周方向周りに変位する。このときの慣性力がテーブル１５、ばね１４を介してベース１３に作用する。従って、ばね１４によって振動可能に支持されているテーブル１５はクランク軸１００ごと振動し、振動ピックアップ２０１Ｌおよび２０１Ｒは振動速度に応じたアナログ振動信号ＷＤＬＸ、ＷＤＬＹ、ＷＤＲＸ、ＷＤＲＹをそれぞれ発生させる。アナログ振動信号ＷＤＬＸ、ＷＤＬＹは増幅回路２０９Ｌによって増幅された後波形減算回路２１１Ｌに入力される。またアナログ振動信号ＷＤＲＸ、ＷＤＲＹは増幅回路２０９Ｒによって増幅された後波形減算回路２１１Ｒに入力される。
【００５２】
上記の処理と並行して、センサＤ７によりクランク軸１００のキー溝を検出する。すなわち、回転するクランク軸１００のキー溝がセンサＤ７の前に来る度に、センサＤ７がセンサ信号パルスＷＫを発生する。この信号ＷＫは、コントローラ２１６のＩ／Ｏポート２１９に入力される。コントローラ２１６は、ＣＰＵ２２０にてセンサ信号パルスＷＫを基に、パルス発生の時間からクランク軸１００のキー溝の回転角θを、またパルス間の経過時間からクランク軸１００の回転速度Ｎをそれぞれ検出する。
【００５３】
また、位相センサＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６によりクランクピン１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６を検出する。すなわち、回転するクランク軸１００のクランクピン１０１〜１０６が対応する位相センサＤ１〜Ｄ６の前に来る度に、位相センサがセンサ信号パルスを発生する。この信号は、コントローラ２１６のＩ／Ｏポート２１９に入力される。コントローラ２１６は、これらの信号パルスとキー溝の回転角θから各クランクピンのキー溝に対する位相を算出する。さらにこれらのクランクピンの位相と、あらかじめメモリに記憶されている基準クランク軸の各クランクピンのキー溝に対する位相とを比較し、クランクピン１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６の位相のずれを求める。なお、本実施形態においてはクランクピン１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６の位相のずれをそれぞれΔφ１、Δφ２、Δφ３、Δφ４、Δφ５、Δφ６と定義する。
【００５４】
次いで、ＣＰＵ２２０はキャリブレーションの結果および各クランクピンの位相のずれから数１を用いて、デジタルダミーデータＤＷＬＸ（θ）、ＤＷＬＹ（θ）、ＤＷＲＸ（θ）、ＤＷＲＹ（θ）を生成する。
【００５５】
【数１】
クランク軸１００の回転速度Ｎが測定可能な範囲になると、センサＤ７で検出したクランク軸１００の位相θと回転速度Ｎとに対応して、クランク軸１００の一端１１０ａ、他端１１０ｂにそれぞれ作用するダミー分としてのデジタルダミーデータであるＤＷＬＸ（θ）、ＤＷＬＹ（θ）、ＤＷＲＸ（θ）、ＤＷＲＹ（θ）を各Ｄ／Ａ変換器２１２Ｌ、２１２Ｒ、２１３Ｌ、２１３Ｒに送る。各Ｄ／Ａ変換器はそれぞれクランク軸１００の回転に同期してアナログダミー信号ＤＬＸ、ＤＬＹ、ＤＲＸ、ＤＲＹを生成し、波形減算回路２１１Ｌ、２１１Ｒへとそれぞれ出力する。
【００５７】
波形減算回路２１１Ｌは、振動ピックアップ２０１Ｌからの上記アナログ振動信号ＷＤＬＸ、ＷＤＬＹの波形と上記アナログダミー信号ＤＬＸ、ＤＬＹの波形を同期して差分を取る。この合成によりアナログ振動信号ＷＤＬの波形から上記アナログダミー信号分ＤＬＸ、ＤＬＹを除去して、アナログの初期アンバランス信号ＷＬＸ、ＷＬＹを得る。この波形減算回路２１１Ｌからのアナログの初期アンバランス信号ＷＬＸ、ＷＬＹは、Ａ／Ｄ変換器２１４Ｌでデジタル変換されてデジタル初期アンバランス値となる。このデジタル初期アンバランス値がコントローラ２１６に入力され、図１中のクランク軸１００の一端１１０ａにおける初期アンバランスの修正量と角度位置を得ることが可能となる。
【００５８】
同様に、波形減算回路２１１Ｒは、振動ピックアップ２０１Ｌからの上記アナログ振動信号ＷＤＲＸ、ＷＤＲＹの波形と上記アナログダミー信号ＤＲＸ、ＤＲＹの波形を同期して差分を取る。この合成によりアナログ振動信号ＷＤＲの波形から上記アナログダミー信号分ＤＲＸ、ＤＲＹを除去して、アナログの初期アンバランス信号ＷＲＸ、ＷＲＹを得る。この波形減算回路２１１Ｒからのアナログの初期アンバランス信号ＷＲＸ、ＷＲＹは、Ａ／Ｄ変換器２１４Ｒでデジタル変換されてデジタル初期アンバランス値となる。このデジタル初期アンバランス値がコントローラ２１６に入力され、図１中のクランク軸１００の他端１１０ｂにおける初期アンバランスの修正量と角度位置を得ることが可能となる。
【００５９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００６０】
本発明のクランク軸の回転バランス試験装置および試験方法によれば測定の自動化が容易であり、かつクランクピンの位相に誤差が含まれている場合であってもクランク軸の回転バランスを正確に測定可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のクランク軸バランス測定装置の測定部の正面図である。
【図２】本発明の実施の形態のクランク軸バランス測定装置の測定部の側面図である。
【図３】本発明の実施の形態のクランク軸バランス測定装置の制御部のブロック図である。
【符号の説明】
１ 測定部
１Ａ クランク軸回転機構
１Ｂ 遠心力計測装置
１Ｃ 位相誤差計測装置
１３ ベース
１４ ばね
１５ テーブル
１００ クランク軸
１０１〜１０６ クランクピン
２０１Ｌ，２０１Ｒ 振動ピックアップ
２１１Ｌ，２１１Ｒ 波形減算回路
２１２Ｌ，２１２Ｒ Ｄ／Ａ変換器
２１３Ｌ，２１３Ｒ Ｄ／Ａ変換器
２１４Ｌ，２１４Ｒ Ａ／Ｄ変換器
２１６ コントローラ
２２０ ＣＰＵ
Ｄ１〜Ｄ６ 位相センサ
Ｄ７ センサ
Claims (3)
- クランク軸をその回転軸周りに回転させるクランク軸回転手段と、
前記回転するクランク軸に発生する遠心力を計測し、前記クランク軸の遠心力変動情報を得る、遠心力計測手段と、
前記クランク軸の回転角度を検出する角度検出手段と、
前記クランク軸の各種情報が記憶されるメモリ手段と、
前記クランク軸の回転角度に対する各クランクピンの角度を計測するクランクピン角度計測手段と、前記メモリ手段内にあらかじめ記憶された基準クランク軸の各クランクピンの角度とクランクピン角度計測手段を比較して前記クランク軸の各クランクピンの前記基準クランク軸の前記各クランクピンに対する位相誤差を演算する位相誤差演算手段と、を有し、これにより前記クランク軸の前記各クランクピンの回転軸周りの位相の誤差を計測する、位相誤差計測手段と、
前記基準クランク軸の全ての前記クランクピンにダミーウエイトを取り付けてアンバランスが０になるようバランス設定を行った後に或るクランクピンのダミーウエイトをはずした状態で測定した補正量に係るデータと、前記位相誤差計測手段の計測結果に基づく当該或るクランクピンの位相のずれとを用いて、所定の式に基づき生成されるデータを当該或るクランクのダミー情報とし、前記全てのクランクピンのダミー情報を作成する、ダミー情報生成手段と、
前記ダミー情報と、前記クランク軸の遠心力変動情報を用いてクランク軸の初期アンバランス値を得る初期アンバランス値演算手段と、
を有することを特徴とする、クランク軸の回転バランス試験装置。 - 回転するクランク軸に発生する遠心力を計測して前記クランク軸の遠心力変動情報を得、
前記クランク軸の回転角度を検出し、
前記クランク軸の回転角度に対する各クランクピンの角度を計測し、あらかじめ記憶された基準クランク軸の各クランクピンの角度と前記計測されたクランク軸の回転角度に対する前記各クランクピンの角度とを比較して前記クランク軸の前記各クランクピンの前記基準クランク軸の前記各クランクピンに対する位相誤差を演算し、これにより前記クランク軸の前記各クランクピンの回転軸周りの位相の誤差を計測し、
前記基準クランク軸の全ての前記クランクピンにダミーウエイトを取り付けてアンバランスが０になるようバランス設定を行った後に或るクランクピンのダミーウエイトをはずした状態で測定した補正量に係るデータと、前記位相誤差に係る計測結果に基づく当該或るクランクピンの位相のずれとを用いて、所定の式に基づき生成されるデータを当該或るクランクのダミー情報とし、前記全てのクランクピンのダミー情報を作成し、
前記作成されたダミー情報と、前記クランク軸の遠心力変動情報を用いてクランク軸の初期アンバランス値を得る、
ことを特徴とする、クランク軸の回転バランス試験方法。 - 前記或るクランクピンに関する前記ダミー情報は、前記基準クランク軸の前記或るクランクピン以外のクランクピンにダミーウエイトを取り付けた状態で前記基準クランク軸をその回転軸周りに回転させた時の遠心力変動情報であることを特徴とする、請求項２記載のクランク軸の回転バランス試験方法。
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