JP4759972B2

JP4759972B2 - センサ付軸受装置

Info

Publication number: JP4759972B2
Application number: JP2004302960A
Authority: JP
Inventors: 郁紀坂谷; 宏志中尾; 耕一森田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2024-10-18
Also published as: JP2006113014A

Description

本発明は、センサ付軸受装置に関するものであり、特に、軸受装置や機械装置等の運転状態を検知して、これらの異常を検出するセンサ付軸受装置に関する。

従来、鉄道車両や自動車等の車軸を支持する軸受装置や機械設備等では、少なくとも温度センサを備えたセンサ付軸受装置が使用される（例えば、特許文献１参照。）。センサ付軸受装置は、温度センサが検出する温度から軸受装置や機械設備等の温度を推定して、軸受の焼付きや機械装置の異常を検出する。

例えば、図５に示されるように、特許文献１に記載のセンサ付軸受装置１００では、図示しない車輪を固定した車軸１０１を軸箱１０２に対して回転可能に支持するための複列の円錐ころ軸受１０３が、車軸１０１と軸箱１０２との間に配置されている。車軸１０１の軸端には、速度検出用リング１０４が取り付けられたエンドキャップ１０５が固定されており、軸箱１０２のカバー１０６に取り付けられたセンサ１０７は、速度検出用リング１０４の外周面と対向するようにして配置される。センサ筐体１０８内には、図示しない、速度センサ、温度センサ、加速度センサが含まれている。
特表２００１−５００５９７号公報

ところで、特許文献１に記載のセンサ付軸受装置１００では、速度を測定できるとともに、軸受１０３の温度を測定可能であるが、センサ１０７は軸箱１０２のカバー１０６に取り付けられるため、カバー内で空気に晒されると共に、軸受１０３から遠くなり、軸受１０３の温度を精度よく検出することが困難である。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、軸受装置や機械装置等の温度を精度よく検出することができるセンサ付軸受装置を提供することである。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）軸受の運転状態を検知するセンサを備えたセンサ付軸受装置であって、
該センサは、該軸受装置の軸箱に取り付けられるセンサ筐体と、該センサ筐体に配設される温度検出部とを有し、
前記軸箱には、前記センサ筐体の端面が前記軸受の外輪外周面近傍に配置されるように、前記センサ筐体を収容する貫通孔が形成され、
前記センサ筐体の少なくとも前記温度検出部を配設した部分は、前記軸箱内に埋設され、さらに、前記貫通孔における前記センサ筐体の端面と前記外輪外周面間との隙間には、弾性を有する板状の熱伝導性材料が配設されることを特徴とするセンサ付軸受装置。
（２）前記弾性を有する板状の熱伝導性材料は、シリコン樹脂に熱伝導材を充填したものか、又は発泡金属であることを特徴とする（１）に記載のセンサ付軸受装置。
（３）軸受の運転状態を検知するセンサを備えたセンサ付軸受装置であって、
該センサは、該軸受装置の軸箱に取り付けられるセンサ筐体と、該センサ筐体に配設される温度検出部とを有し、
前記軸箱には、前記センサ筐体の端面が前記軸受の外輪外周面近傍に配置されるように、前記センサ筐体を収容する有底孔が形成され、
前記センサ筐体の少なくとも前記温度検出部を配設した部分は、前記軸箱内に埋設され、さらに、前記センサ筐体の端面と前記有底孔の底部との隙間には、弾性を有する板状の熱伝導性材料が配設されることを特徴とするセンサ付軸受装置。
（４）前記弾性を有する板状の熱伝導性材料は、シリコン樹脂に熱伝導材を充填したものか、又は発泡金属であることを特徴とする（３）に記載のセンサ付軸受装置。
（５）前記センサは、前記センサ筐体に配設される振動検出部をさらに有することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のセンサ付軸受装置。

本発明のセンサ付軸受装置によれば、センサ筐体の少なくとも温度検出部を配設した部分は、軸受装置の軸箱内に埋設されるので、鉄道車両や自動車用の車軸軸受の軸箱等、外部に晒されるセンサ筐体が走行中に風で冷却されるものにおいても、温度検出部の冷却が抑制され、軸受外輪の温度を正確に測定可能であり、軸受の異常を精度良く検出でき、軸受の信頼性を向上することができる。
また、軸箱には、センサ筐体の端面が軸受の外輪外周面近傍に配置されるように、センサ筐体を収容する孔が形成されるので、センサが軸受の径方向外方で、且つ軸受近傍に配置され、軸受外輪の温度をより正確に測定することができる。
さらに、センサ筐体の端面と外輪外周面間に位置する孔の隙間には、熱伝導性材料が配設されるので、軸受外輪の温度を温度検出部に効率良く伝達することができる。

以下、本発明の各実施形態に係るセンサ付軸受装置について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
まず、図１及び図２を参照して、本発明の第１実施形態に係るセンサ付軸受装置について説明する。
本実施形態のセンサ付軸受装置１０は、鉄道車両用軸受装置であり、図示しない車輪を固定した車軸１１を、軸箱１２に対して回転可能に支持するための軸受１３が、車軸１１と軸箱１２との間に配置されている。

軸受１３には、種々の部材の重量等によるラジアル荷重と任意のアキシアル荷重とが負荷される。なお、軸受１３は、複列円すいころ軸受、複列の深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受や、単列の転がり軸受を組み合わせたもの等、公知の各種転がり軸受を使用することができ、転がり軸受の具体構成は図示省略する。

軸受１３の負荷圏側に位置する、即ち、車軸１１の中心Oを通過する水平面Ｐより上方に位置する軸箱１２の側部には、センサ１５を収容するための孔である貫通孔１２ａが形成されている。貫通孔１２ａは、断面円形状に形成され、軸受１３の外輪１４の軸方向長さ内に位置しており、貫通孔１２ａの内側開口は、外輪１４の外周面１４ａに面している。

図２に示すように、センサ１５は、アルミニウム合金等の軸箱１２と同一材料からなるセンサ筐体１６と、センサ筐体１６の基板取り付け部１６ａの開口を密閉するカバー部材１７と、基板取り付け部１６ａの底部側に取り付けられたプリント基板１８と、プリント基板１８上に固定された温度検出部としての、サーミスタや温度ＩＣ等の温度検出素子１９と、軸受１３の振動を測定する振動検出部としての振動検出素子２０と、温度検出素子１９と振動検出素子２０から出力された測定信号を外部に伝送するため、センサ筐体１６に取り付けられたケーブルグランド２１から外部へ引き出される信号ケーブル２２とを備える。

センサ筐体１６は、基板取り付け部１６ａと、この基板取り付け部１６ａの後方に設けられる取り付けフランジ部１６ｂと、基板取り付け部１６ａと取り付けフランジ１６ｂとの間に設けられる取り付け筒部１６ｃとを備える。

基板取り付け部１６ａは、平面視長方形状に形成されており、その中にプリント基板１８を固定する。取り付けフランジ部１６ｂは、断面長方形状に形成され、そのコーナー部には複数のネジ孔１６ｄが形成される。取り付け筒部１６ｃは、断面円形状に形成され、貫通孔１２ａの内周面に挿入できる直径の外周面を備える。また、センサ筐体１６には、信号ケーブル２２を取り出す取り出し孔１６ｅが内部で湾曲して形成されており、ケーブルグランド２１は、信号ケーブル２２を軸箱１２のセンサ取付面１２ｂと平行な方向に引き出すように、センサ取付面１２ｂと平行に取り付けられる。

また、温度検出素子１９は、温度検出精度を向上させるため、軸受１３から熱が伝わり易いように、振動検出素子２０よりセンサ筐体１６の先端寄りに配置されている。なお、プリント基板１８上には、上記の他に、アンプや抵抗、コンデンサ等の電子部品が取り付けられている。

このように構成されたセンサ１５は、取り付け筒部１６ｃが貫通孔１２ａの内周面と嵌合し、取り付けフランジ部１６ｂを軸箱１２の側面であるセンサ取付面１２ｂと当接させた状態で、ネジ孔１６ｄを介して軸箱１２にネジ締結される。これにより、センサ筐体１６の温度検出素子１９を配設した部分は、軸箱１２内に埋設される。また、温度検出素子１９が配置される側の先端側端面が軸受１３の外輪１４の外周面近傍に配置されるように、センサ筐体１６は、貫通孔１２ａ内に部分的に収容される。

また、センサ筐体１６が軸箱１２の貫通孔１２ａ内に収容された状態において、センサ筐体１６の先端側端面を軸受１３の外輪１４に密着させることは加工精度の点から不可能であり、センサ筐体１６の先端側端面は、外輪１４の外周面１４ａから若干離れて配置される。このため、センサ筐体１６の先端側端面と外輪１４の外周面１４ａとの間の貫通孔１２ａの隙間には、シリコン樹脂や発泡金属等の熱伝導性材料２３が配設される。

なお、シリコン樹脂は、熱伝導を良くするため熱伝導材であるシリカ等の粉末や金属粉が充填されたものを使用すると熱伝導の効率を良くできるので好ましい。また、シリコン樹脂は、センサ筐体１６の先端側端面と外輪１４の外周面１４ａとの上記隙間にそのまま充填しても良いが、板状のシリコン樹脂をセンサ筐体１６の先端側端面に接着等で固定しておくと取り扱いが容易となるので好ましい。この場合、板状のシリコン樹脂の外径寸法をセンサ筐体１６が収容される貫通孔１２ａの寸法より小さくしておくと、熱膨張等でシリコン樹脂が膨張しても、シリコン樹脂の膨張が貫通孔１２ａで規制されず、膨張できる空間があるので好ましい。

一方、熱伝導性材料２３として使用される内部に多数の孔を有した発泡金属としては、銅合金、ステンレス鋼、アルミニウム合金等があり、これらは、熱伝導係数が大きいとともに、適度な弾性があるのでさらに好ましい。

従って、本実施形態のセンサ付軸受装置１０によれば、センサ筐体１６の少なくとも温度検出素子１９を配設した部分は、軸受装置１０の軸箱１２内に埋設されるので、鉄道車両用の車軸軸受の軸箱等、外部に晒されるセンサ筐体１６が走行中に風で冷却されるものにおいても、温度検出素子１９の冷却が抑制され、軸受１３の外輪１４の温度を正確に測定可能であり、軸受１３の異常を精度良く検出でき、軸受１３の信頼性を向上することができる。

また、軸箱１２には、センサ筐体１６の端面が軸受１３の外輪１４の外周面１４ａ近傍に配置されるように、センサ筐体１６を収容する貫通孔１２ａが形成されるので、センサ１５が軸受１３の径方向外方で、且つ軸受近傍に配置され、軸受１３の外輪１４の温度をより正確に測定することができる。

さらに、センサ筐体１６の端面と外輪１４の外周面１４ａ間に位置する貫通孔１２ａの隙間には、熱伝導性材料２３が配設されるので、軸受１３の外輪１４の温度を温度検出素子１９に効率良く伝達することができる。

また、センサ１５は、温度検出素子１９と振動検出素子２０とを有するので、軸受１３の温度だけでなく、振動を測定することで軸受１３の異常を精度良く測定できる。

さらに、センサ１５は、センサ筐体１６を単一の部品とし、プリント基板１８を取り付け後にカバー部材１７を取り付ける構造としているため、部品点数を低減できると共に、組立が容易となる。

また、ケーブルグランド２１は、ケーブル２２を軸箱１２のセンサ取付面１２ｂと平行な方向に取り出すようにしてセンサ筐体１６に取り付けられるので、取り付けスペースに余裕がない場合でも、ケーブル２２の取り回しが容易となる。

なお、本実施形態の変形例として、センサ１５は図３に示すようなセンサ１５’であっても良い。即ち、ケーブル２２を取り出すセンサ筐体１６’の取り出し孔１６ｅ’は、内部開口から真っ直ぐに延び、ケーブルグランド２１は、信号ケーブル２２を軸箱１２のセンサ取付面１２ｂと垂直な方向に引き出すように、センサ取付面１２ｂと垂直に取り付けられる。これにより、センサ筐体１６’の構成は単純になるので、センサ１５の取り付けスペースに余裕がある場合には、センサ筐体１６’の製作及び組立が容易となるので好ましい。

なお、本実施形態の場合は、センサ筐体１６’内でケーブル２２を圧着端子４０で他のケーブル２２ｂに接続している。このように、ケーブルを圧着端子４０等でつないでいる場合は、取り出し孔１６ｅ’の内部にシリコン樹脂等の充填材を充填すると、外部振動等によるケーブルの動きを抑制できるので好ましい。なお、圧着端子４０を使用せず、ケーブル２２をプリント基板１８に直接半田付けする場合も同様の効果を奏することができる。また、この構成は、他の実施形態にも利用できる。

(第２実施形態)
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態におけるセンサ付軸受装置について説明する。なお、第１実施形態と同等部分については同一符号を付して、説明を省略或いは簡略化する。

本実施形態のセンサ付軸受装置３０では、軸箱３１に形成されるセンサ筐体１６を収容するための孔が、底部３１ａを有する有底孔３１ｂとなるように形成される。従って、センサ１５が軸箱３１に固定されると、センサ筐体１６の先端側端面は、有底孔３１ｂの底部３１ａと熱伝導性材料２３を介して、外輪１４の外周面１４ａ近傍に配置される。また、シリコン樹脂や発泡金属等の熱伝導性材料２３は、底部３１ａを介して、センサ筐体１６の先端側端面と外輪１４の外周面１４ａ間に位置する有底孔３１ｂの隙間に配設されており、外輪１４の外周面１４ａに直接接触することがない。

従って、本実施形態のセンサ付軸受装置によれば、センサ筐体を収容する孔が有底孔３１ｂであるので、熱伝導性材料２３が外輪１４の外周面１４ａに直接接触することがなく、外輪１４がクリープ等で回転しても熱伝導性材料２３が摩耗することがなく、組立時の性能を維持することができる。
ただし、有底孔３１ｂを介して測定される温度検出素子１９の温度は、第１実施形態に比べて若干低くなることが考えられ、外輪１４がクリープ等で回転しない場合は、貫通孔１２ａの方が好ましい。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

なお、有底孔３１ｂを形成する場合には、本実施形態のように平先の孔形状であっても良く、加工効率を考えて切り先の孔形状であっても良い。ただし、切り先の孔形状の場合、その分温度検出素子１９が外輪１４から離れてしまうため、平先の孔形状の方が好ましい。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。

本実施形態では、基板取り付け部は、カバー部材を取り付けることで断面略長方形状に形成されるが、円形状や半円形状であっても良い。また、軸箱のセンサ筐体を収容する孔の形状は、断面円形状だけでなく、断面略長方形状であっても良い。ただし、断面円形状の方が、加工が容易であるので好ましい。

なお、本実施形態のように、基板取り付け部が断面略長方形状であり、孔が断面円形状である場合には、センサ筐体と孔の周面との間に大きな隙間が残ってしまうが、軸受の外輪の温度は、センサ筐体の先端から伝わるので、ほとんど測定誤差を生じない。また、この隙間部分は、センサ筐体の取り付け筒部及び取り付けフランジ部で密閉されるため、内部の空気が循環することはない。その結果、この隙間内の温度は、周囲の軸箱の温度とほぼ同じとなるので、温度測定精度を劣化させることがない。なお、この隙間部分にもシリコン樹脂等が充填されても良い。

また、センサの取り付け位置は、本実施形態のように、軸受外輪の軸方向長さ内に取り付けることが好ましく、外輪の軌道面の軸方向中央に取り付けることで、軸受の温度をより正確に測定でき、好ましい。
また、センサ筐体の取り付けフランジ部や取り付け筒部にＯリングを取り付けてもよく、また、これらの取り付け面に防水用のシリコン樹脂等を塗布することで、防水性を向上させることができる。

軸箱の材質は、アルミニウム合金に限定されるものでなく、鉄製であっても良い。また、センサ筐体の材質もアルミニウム合金に限定されず、ステンレス鋼等であっても良い。しかしながら、アルミニウム合金製のセンサ筐体の方が、熱伝導性が良いので好ましい。
さらに、本実施形態では、温度センサ付軸受装置として、鉄道車両用軸受装置を例示したが、自動車用軸受装置にも適用可能である。
なお、センサの取り付け部は、負荷圏側の方が温度検知性能上好ましいが、ケーブルの取り回し等により非負荷圏側に設けても良い。

本発明の第１実施形態であるセンサ付軸受装置を示し、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。図１のセンサを示し、（ａ）は、カバー部材を透過して示した上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のII−II断面図であり、（ｃ）は、（ｂ）のII’−II’断面図である。図１のセンサの変形例を示し、（ａ）は、側面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIII−III断面図である。本発明の第２実施形態であるセンサ付軸受装置を示し、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。従来の温度センサ付軸受装置を示す正面図である。

符号の説明

１０、３０温度センサ付軸受装置
１１車軸
１２、３１軸箱
１２ａ貫通孔（孔）
１３軸受
１４外輪
１５、１５’ センサ
１６、１６’ センサ筐体
１８プリント基板
１９温度検出素子（温度検出部）
２０振動検出素子（振動検出部）
２１ケーブルグランド
２２信号ケーブル
２３熱伝導性材料
３１ｂ有底孔（孔）

Claims

軸受の運転状態を検知するセンサを備えたセンサ付軸受装置であって、
該センサは、該軸受装置の軸箱に取り付けられるセンサ筐体と、該センサ筐体に配設される温度検出部とを有し、
前記軸箱には、前記センサ筐体の端面が前記軸受の外輪外周面近傍に配置されるように、前記センサ筐体を収容する貫通孔が形成され、
前記センサ筐体の少なくとも前記温度検出部を配設した部分は、前記軸箱内に埋設され、さらに、前記貫通孔における前記センサ筐体の端面と前記外輪外周面間との隙間には、弾性を有する板状の熱伝導性材料が配設されることを特徴とするセンサ付軸受装置。
前記弾性を有する板状の熱伝導性材料は、シリコン樹脂に熱伝導材を充填したものか、又は発泡金属であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ付軸受装置。
軸受の運転状態を検知するセンサを備えたセンサ付軸受装置であって、
該センサは、該軸受装置の軸箱に取り付けられるセンサ筐体と、該センサ筐体に配設される温度検出部とを有し、
前記軸箱には、前記センサ筐体の端面が前記軸受の外輪外周面近傍に配置されるように、前記センサ筐体を収容する有底孔が形成され、
前記センサ筐体の少なくとも前記温度検出部を配設した部分は、前記軸箱内に埋設され、さらに、前記センサ筐体の端面と前記有底孔の底部との隙間には、弾性を有する板状の熱伝導性材料が配設されることを特徴とするセンサ付軸受装置。
前記弾性を有する板状の熱伝導性材料は、シリコン樹脂に熱伝導材を充填したものか、又は発泡金属であることを特徴とする請求項３に記載のセンサ付軸受装置。
前記センサは、前記センサ筐体に配設される振動検出部をさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ付軸受装置。