JP5531423B2 - 摩擦トルク測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転駆動する軸を支持するベアリングの摩擦トルクを測定する技術に関する。

所定の駆動源により回転駆動される軸（駆動軸）がベアリング（軸受け）により支持される構成においては、駆動軸の回転にともなうベアリングの摩擦トルクが発生する。摩擦トルクとしては、停止している状態の駆動軸が回転される際の摩擦トルクである起動摩擦トルクと、駆動軸が所定の回転数で回転している状態での摩擦トルクである定回転摩擦トルクとがある。
摩擦トルクが大きい場合には、駆動源からの動力伝達の効率が下がったり、例えば、エンジン等においては燃費が低下したりする等の問題が生じる可能性がある。そこで、駆動源からの動力伝達の効率の向上やＣＯ２低減のための燃費向上のため、ベアリングの摩擦損失を高精度に評価し、低摩擦なベアリングを選択する必要性がある。

ベアリングの摩擦トルクを測定する装置として、例えば、特許文献１に開示されている装置がある。
特許文献１に記載の装置は、アームのバランス調節により摩擦トルクを測定する装置である。具体的には、モータにより駆動する駆動軸にベアリングが嵌装される。そして、ベアリングの外周には略長方形状のアームが懸架される。このとき、アームの略中央部にベアリングが嵌め込まれる。また、アームの両端部には同一の重量を有するウエイトが取り付けられる。すなわち、アームは、水平な状態でベアリングを支持する。

以上のように構成される装置において、モータを駆動させると、ベアリングには摩擦トルクが発生する。かかる摩擦トルクにより、アームのバランスが崩される。すなわち、アームは、その両端部のどちらかがウエイトの重量により重力に引っ張られる。このため、アームは、長手方向の辺が地面に傾斜された状態となる。傾斜された状態のアームに対して、長手方向の辺が水平となるまで調整ウエイトを用いてバランス調節を行う。
これによれば、取り付けられた調整ウエイトの重量および調整ウエイトとベアリングとの間の距離に基づいてベアリングの摩擦トルクを算出することができる。

しかし、調整ウエイトを用いたバランス調節では、正確に調整ウエイトの重量を求め難く、ひいては、高精度にベアリングの摩擦トルクの測定が行い難いという点で不利であった。また、構成部品として組み立てられたもの（以下、「供試体」とする。）に備えられるベアリングの測定を行う際にはアームを取り付け難い。つまり、摩擦トルクの測定が行い難く、汎用性が低いという点で不利であった。

供試体の摩擦トルクを測定する手段として、例えば、図３に示すように、荷重値を測定するためのプッシュプルゲージ１０７がある。
ここで、供試体１０１は、自動車等が備えるディファレンシャル装置である。また、供試体１０１の測定対象となるベアリングは、デフ入力軸１０２を支持するドライブピニオンベアリング１０３・１０３である。つまり、プッシュプルゲージ１０７が用いられ、ドライブピニオンベアリング１０３・１０３の摩擦トルクが測定される。

プッシュプルゲージ１０７は、ワイヤ１０６を介してデフ入力軸１０２に連結される。ワイヤ１０６は、デフ入力軸１０２に固定されるコンパニオンフランジ１０４に巻き付けられることで、デフ入力軸１０２に連結される。そして、ワイヤ１０６をプッシュプルゲージ１０７で引っ張ると、ワイヤ１０６を介してコンパニオンフランジ１０４が引っ張られる。すなわち、供試体１０１のデフ入力軸１０２が回転される。
これによれば、プッシュプルゲージ１０７により、デフ入力軸１０２を回転させるための荷重値が測定できる。かかる荷重値をトルク換算することで、供試体１０１においてデフ入力軸１０２を支持するドライブピニオンベアリング１０３・１０３の摩擦トルクが測定される。

しかし、プッシュプルゲージ１０７を引っ張る動作を手動で行うため、引っ張るスピードやコンパニオンフランジ１０４にかかる荷重値が安定しない。つまり、高精度にベアリングの摩擦トルクの測定ができないという点で不利であった。

実開昭５９−１３８７４６号公報

本発明は、以上の如き状況を鑑みてなされたものであり、高精度に供試体の摩擦トルクを測定できる摩擦トルク測定装置を提供するものである。

請求項１においては、所定の供試体が有する回転軸を支持するベアリングの摩擦トルクを測定する摩擦トルク測定装置であって、
所定の姿勢で支持された状態で前記供試体の前記回転軸に直列に連結される駆動軸を有し、該駆動軸を回転駆動することで前記回転軸を回転させる駆動手段と、
前記回転軸と同軸上に設けられ、前記駆動手段による前記回転軸の回転に要するトルクを計測するトルク計測手段と、
前記駆動軸の回転数を検出する回転数検出手段と、
を備え、
前記供試体は、該供試体を載置した状態で支持する載置面を有する載置部材によって、前記回転軸の軸方向が鉛直方向となる姿勢で支持されるものであり、
前記供試体の前記載置部材に支持される部分の寸法に応じた取付寸法を有し、前記載置部材と該載置部材に支持される前記供試体との間に介在した状態で、前記供試体を載置面上にて位置決めする取付手段を、さらに備え、
前記取付手段は、該取付手段の取付穴に前記載置部材の突起部分を挿入することにより、前記載置部材に対して位置決めされるものである。

請求項２においては、前記駆動手段および前記載置部材の少なくともいずれかを前記回転軸の軸方向に移動させることで、前記駆動手段および前記載置部材を前記回転軸の軸方向に相対的に近接離間させる移動手段を、
さらに備えるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
すなわち、本発明によれば、高精度に供試体の摩擦トルクを測定できる。

本実施形態における摩擦トルク測定装置の全体的な構成を示す側面図である。 同じくベースプレート供試体取付面板の構成を示す斜視図である。 従来の摩擦トルクの測定を示す側面図である。

以下に、本発明に係る摩擦トルク測定装置の実施の一形態である摩擦トルク測定装置１０について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、摩擦トルク測定装置１０は、回転軸を支持するベアリングの摩擦トルクを測定するものである。摩擦トルク測定装置１０は、供試体１において生じるベアリングの摩擦トルクを測定する。本実施形態において供試体１は、自動車が備えるディファレンシャル装置である。

供試体１は、回転軸としてデフ入力軸２を有する。デフ入力軸２は、その軸方向（自動車の前後方向）に所定の間隔を隔てて設けられる二個のドライブピニオンベアリング３・３により支持される。供試体１においては、デフ入力軸２の回転にともなうドライブピニオンベアリング３・３の摩擦トルクが発生する。すなわち、本実施形態の摩擦トルク測定装置１０は、供試体１が有するデフ入力軸２を支持するドライブピニオンベアリング３・３の摩擦トルクを測定する。そして、摩擦トルク測定装置１０の測定対象となる摩擦トルクとしては、停止している状態のデフ入力軸２が回転される際の摩擦トルクである起動摩擦トルクと、デフ入力軸２が所定の回転数で回転している状態での摩擦トルクである定回転摩擦トルクとがある。

また、供試体１は、摩擦トルク測定装置１０において、摩擦トルクを測定し易いような姿勢、例えば、デフ入力軸２の軸方向（図１における上下方向）が鉛直方向となるような姿勢で支持される。

摩擦トルク測定装置１０は、駆動モータ２１を備える。駆動モータ２１は、デフ入力軸２を回転させるものである。駆動モータ２１は、デフ入力軸２に連結される駆動軸２１ａを有する。駆動モータ２１は、その駆動軸２１ａがデフ入力軸２に対して直列に（同軸線上にて）連結されるように配置される。駆動モータ２１は、ケーブル等を介して制御盤２２に接続される。駆動モータ２１は、制御盤２２から電源の供給を受けるとともに、制御盤２２によって動作（駆動や停止）が制御される。駆動軸２１ａは、ソケット２３を介してデフ入力軸２に連結される。

ソケット２３は、駆動軸２１ａとデフ入力軸２とを相対回転不能に連結する。ソケット２３は、例えば、駆動軸２１ａの端部とデフ入力軸２の端部に設けられるナット部２ａとに嵌合される。

このように、駆動モータ２１は、所定の姿勢で支持された状態で供試体１のデフ入力軸２に直列に連結される駆動軸２１ａを有し、駆動軸２１ａを回転駆動することでデフ入力軸２を回転させる駆動手段として機能する。

摩擦トルク測定装置１０は、トルク計２４を備える。トルク計２４は、駆動モータ２１の駆動軸２１ａ上に取り付けられる。トルク計２４は、回転エンコーダ付きのトルク計であり、駆動モータ２１のトルクを測定するとともに、駆動軸２１ａの回転数を検出するものである。トルク計２４としては、例えば、ねじりバネのねじれ角度を利用して計測する公知の装置等が用いられる。トルク計２４は、ケーブル等を介して制御盤２２と接続されて、制御盤２２からの電源の供給を受ける。トルク計２４は、配線等を介して表示器２５と連結されて、計測したデータを検出信号として表示器２５に出力する。

表示器２５は、駆動モータ２１のトルクおよび駆動軸２１ａの回転数を表示するものである。表示器２５は、検出信号として入力されたデータを表示するための表示機能と、入力されたデータを出力するための出力機能とを有する。表示器２５は、トルク計２４の検出信号を受信すると駆動モータ２１のトルクおよび駆動軸２１ａの回転数を表示する。また、表示器２５は、トルク計２４より受信したトルクおよび回転数を、配線等を介してパソコン２６に送信する。

パソコン２６は、供試体１が有するドライブピニオンベアリング３・３の摩擦トルクを算出するものである。パソコン２６は、表示器２５より受信したデータに対して所定の演算処理等を行い、供試体１のドライブピニオンベアリング３・３の摩擦トルクおよび回転数をリアルタイムに測定する。パソコン２６において測定された摩擦トルクが表示されることにより、作業者は摩擦トルクの測定結果を確認できる。

このように構成される摩擦トルク測定装置１０の動作態様について説明する。
制御盤２２より駆動モータ２１が駆動されると、駆動軸２１ａは回転し始める。駆動軸２１ａの回転は、ソケット２３を介してデフ入力軸２に伝達される。このとき、ドライブピニオンベアリング３・３に起動摩擦トルクが発生する。

起動摩擦トルクは、前述のように、停止している状態のデフ入力軸２が回転される際の摩擦トルクである。つまり、起動摩擦トルクは、停止している状態のデフ入力軸２を回転させるために要する駆動モータ２１のトルクである。かかる駆動モータ２１のトルクは、トルク計２４によって計測される。これにより、摩擦トルク測定装置１０は、ドライブピニオンベアリング３・３の起動摩擦トルクを測定できる。

また、定回転摩擦トルクは、前述のように、デフ入力軸２が所定の回転数で回転している状態での摩擦トルクである。つまり、定回転摩擦トルクは、所定の回転数でデフ入力軸２を回転させるために要する駆動モータ２１のトルクである。駆動軸２１ａの回転数は、トルク計２４によって検出される。また、駆動モータ２１のトルクは、トルク計２４によって計測される。これにより、摩擦トルク測定装置１０は、ドライブピニオンベアリング３・３の定回転摩擦トルクを測定できる。

このように、トルク計２４は、デフ入力軸２と同軸上に設けられ、駆動モータ２１によるデフ入力軸２の回転に要するトルクを計測するトルク計測手段として機能する。また、トルク計２４は、駆動軸２１ａの回転数を検出する回転数検出手段として機能する。

このように、本実施形態における摩擦トルク測定装置１０は、デフ入力軸２に対して、駆動モータ２１の動力を伝達させて、ドライブピニオンベアリング３・３の摩擦トルクを測定できる。また、駆動モータ２１のトルクの計測および駆動軸２１ａの回転数の検出を所定の機器を用いて行うことができる。このため、供試体１のデフ入力軸２に対して、安定した回転を与えることができるとともに、かかる回転に要するトルクの計測および回転数の検出を正確に行うことができる。つまり、摩擦トルク測定装置１０は、高精度に供試体１の摩擦トルクを測定できる。

なお、本実施形態においてトルク計２４は、トルク計測手段および回転数計測手段として機能する構成であるが、これに限定されるものでない。すなわち、トルク計測手段および回転数計測手段は、別々の機器として構成されてもよい。

次に、摩擦トルクの測定に際して、供試体１を所定の姿勢で支持するための構成について説明する。前述したように摩擦トルク測定装置１０においてデフ入力軸２の軸方向が鉛直方向（上下方向）となるような姿勢で支持される供試体１は、摩擦トルク測定装置１０が備えるベースプレート３１上に支持される。

図１に示すように、ベースプレート３１は、定盤１１上に設けられるイケール１２に支持される。イケール１２は、板状の部材により構成される壁状の部分である。ベースプレート３１は、イケール１２の一側（図１において左側）の壁面に支持される。イケール１２は、定盤１１上において三角形状を有するリブ部１２ａにより補強された状態で設けられる。

ベースプレート３１は、供試体１を支持するものである。ベースプレート３１は、略板形状に形成される。ベースプレート３１は、その板面が水平方向に沿うようにイケール１２に対して支持される。ベースプレート３１においては、イケール１２に支持された状態で上側となる面により載置面３１ａが形成される。ベースプレート３１は、イケール１２に対して三角形状を有するリブ部３１ｄにより補強された状態で設けられる。ベースプレート３１は、供試体１が載置された際に供試体１の重量により形状が変化しない程度の強度を有するもの、例えば、鉄等の金属によって構成される。

また、載置面３１ａの略中央部には、ガイド孔３１ｂが形成される。ガイド孔３１ｂは、載置面３１ａ上にて支持された状態の供試体１の下側の部分を上下方向に貫通させるための孔部である。供試体１は、ベースプレート３１の載置面３１ａに対して取付面板３２を介して支持される。

取付面板３２は、ベースプレート３１上にて供試体１を位置決めするものである。取付面板３２は、略板形状に形成される。また、取付面板３２は、ベースプレート３１に載置可能な形状を有する。すなわち、取付面板３２は、少なくともその外形がベースプレート３１のガイド孔３１ｂより大きくなるように形成される。取付面板３２においては、ベースプレート３１に載置された状態で上側となる面に載置面３２ａが形成される。取付面板３２は、供試体１の重量により形状が変化しない程度の強度を有するもの、例えば、鉄等の金属によって構成される。

また、取付面板３２の載置面３２ａの略中央部には、ガイド孔３２ｂが形成される。ガイド孔３２ｂは、取付面板３２の載置面３２ａ上にて支持された状態の供試体１の下側の部分を上下方向に貫通させるための孔部である。

図１および図２に示すように、取付面板３２は、ベースプレート３１の載置面３１ａに対して、ノックピン３３により位置決めされる。すなわち、ノックピン３３は、ベースプレート３１の載置面３１ａ上に設けられる突起部分３１ｃであり、ガイド孔３１ｂの周囲における所定の位置に複数設けられる。また、取付面板３２には、ノックピン３３に対応する配置で、ノックピン３３が挿入される取付穴３２ｃが形成される。そして、取付面板３２の取付穴３２ｃにベースプレート３１のノックピン３３が挿入されることにより、取付面板３２がベースプレート３１に位置決めされる。

図１に示すように、ベースプレート３１に位置決めされた状態の取付面板３２には、供試体１が載置固定される。供試体１は、取付面板３２に対して位置決めされることで、ベースプレート３１に対して位置決めされる。つまり、供試体１は、取付面板３２を介して載置面３１ａ上にて位置決めされる。

供試体１の取付面板３２に対する位置決めには、供試体１が有する支持孔１ａが用いられる。支持孔１ａは、供試体１においてドライブピニオンベアリング３・３を介してデフ入力軸２を支持するハウジングのフランジ部に形成される孔部である。支持孔１ａに挿入される位置決め部材としての位置決めピン３４により、供試体１が取付面板３２に対して位置決めされる。すなわち、取付面板３２においては、位置決めピン３４が挿入可能な位置決め穴３２ｄが、供試体１の支持孔１ａに対応する配置で形成される。そして、位置決め穴３２ｄに重なった（連通した）状態の支持孔１ａに位置決めピン３４が挿入されることにより、供試体１が取付面板３２に対して位置決めされる。

このように取付面板３２を介してベースプレート３１に位置決めされる供試体１は、取付面板３２に対する位置決めに用いられる支持孔１ａを有する位置の関係上、取付面板３２に位置決めされた状態において取付面板３２の部分よりも下側に存在する部分となる突出部５を有する場合がある（図１参照）。ベースプレート３１のガイド孔３１ｂおよび取付面板３２のガイド孔３２ｂは、取付面板３２に支持された状態の供試体１の突出部５を貫通させるための孔部である。言い換えると、ベースプレート３１のガイド孔３１ｂおよび取付面板３２のガイド孔３２ｂは、供試体１のベースプレート３１に対する支持位置から下側への突出部５の突出を許容するために形成される孔部である。

取付面板３２は、供試体１の種類によって交換される交換部品である。すなわち、供試体１の形状が異なる場合、より詳細には、供試体１の支持孔１ａの形状および配置が異なる場合や突出部５が取付面板３２のガイド孔３２ｂより大きい場合については、供試体１が支持される部分の取付寸法に応じた形状の取付面板３２が用いられる。

このように、摩擦トルク測定装置１０においては、供試体１は、供試体１を載置した状態で支持する載置面３１ａを有する載置部材としてのベースプレート３１によって所定の姿勢で支持される。
そして、摩擦トルク測定装置１０においては、取付面板３２が、供試体１のベースプレート３１に支持される部分の寸法に応じた取付寸法を有し、ベースプレート３１とベースプレート３１に支持される供試体１との間に介在した状態で、供試体１を載置面３１ａ上にて位置決めする取付手段として機能する。

なお、本実施形態において、取付面板３２は、略板形状に形成したが、これに限定されるものではない。すなわち、取付面板３２の形状は、供試体１を載置できる形状であればよく、例えば、平面視においてデフ入力軸２の軸方向にずれた支持孔１ａを有する供試体１を載置する取付面板３２の形状は、かかる支持孔１ａのずれに沿って傾斜された形状であっても構わない。

また、摩擦トルク測定装置１０は、スライド機構４０を備える。スライド機構４０は、供試体１を所定の姿勢で支持する際に、供試体１のデフ入力軸２とソケット２３との取付位置を調節するものである。図１に示すように、スライド機構４０は、駆動モータ２１およびトルク計２４を上下方向に移動させるものである。

スライド機構４０は、ガイドレール４１ａとガイドブロック４１ｂとを備える。ガイドレール４１ａは、上下方向にガイドブロック４１ｂを摺動させるもので、イケール１２に固定される。ガイドブロック４１ｂは、台形ネジ４２を貫通させた状態で、ガイドレール４１ａ上を摺動可能な形状を有する部材である。ガイドブロック４１ｂには螺孔が形成される。螺孔には、台形ネジ４２が螺合される。また、ガイドブロック４１ｂには、連結部材４４・４４を介して、駆動モータ２１およびトルク計２４が連結される。

台形ネジ４２は、ガイドブロック４１ｂを上下方向に移動させるものである。台形ネジ４２が回転することによって、ガイドブロック４１ｂはガイドレール４１ａ上を摺動するとともに台形ネジ４２に沿って移動する。また、台形ネジ４２は、取付位置調節ハンドル４３と連結される。

取付位置調節ハンドル４３は、台形ネジ４２を回転させるものである。取付位置調節ハンドル４３を矢印Ａ方向に回転させると、台形ネジ４２は回転させられる。そして、ガイドブロック４１ｂは、ガイドレール４１ａ上を摺動させられるとともに台形ネジ４２に沿って移動させられる。言い換えれば、ガイドブロック４１ｂに連結される駆動モータ２１とトルク計２４とがガイドレール４１ａ上を上下方向に移動させられる。

このように構成されるスライド機構４０を備える摩擦トルク測定装置１０において、供試体１を取り替える際の動作について説明する。
なお、以下において、供試体１は、供試体１の形状と比較してその形状が異なる供試体（以下「別の供試体」とする）に取り替えられるものとする。
ここで、別の供試体は、ディファレンシャル装置とする。別の供試体の形状は、供試体１と比較して、支持孔の形状と配置、およびデフ入力軸とソケット２３とが連結される位置に差異があるものとする。

供試体１の取替えに際しては、まず、供試体１および取付面板３２がベースプレート３１より取り外される。そして、別の供試体が支持される部分の取付寸法に応じた形状である取付面板３２がベースプレート３１に載置される。そして、別の供試体は、別の供試体の支持孔と取付面板３２の位置決め穴３２ｄとが重なった状態で位置決めピン３４が挿通されて、ベースプレート３１に位置決めされる。

別の供試体が所定の姿勢で支持されると、取付位置調節ハンドル４３は、ソケット２３と別の供試体のデフ入力軸とが近接する方向に回転させられる。言い換えれば、別の供試体のデフ入力軸とソケット２３とが連結される位置は、スライド機構４０によって調節される。

このように、スライド機構４０は、駆動モータ２１をデフ入力軸２の軸方向である上下方向に移動させることで、駆動モータ２１を上下方向に相対的に近接離間させる移動手段として機能する。なお、本実施形態において、スライド機構４０は、駆動モータ２１を移動させる構成としたが、ベースプレート３１を上下方向に移動させる構成であっても構わない。つまり、スライド機構４０は、駆動モータ２１およびベースプレート３１の少なくともいずれかを上下方向に移動させることで、駆動モータ２１およびベースプレート３１を上下方向に相対的に近接離間させる移動手段として機能する。

これによれば、ベースプレート３１に載置される位置が異なる別の供試体に取り替える場合において、取付面板３２によって別の供試体を所定の姿勢で支持できる。また、ソケット２３と連結される位置が異なる別の供試体に取り替える場合おいて、スライド機構４０によってソケット２３と連結される位置を調節できる。つまり、摩擦トルク測定装置１０は、別の供試体に対しても所定の姿勢で支持することができるとともに、駆動モータ２１と連結することができる。言い換えれば、摩擦トルク測定装置１０の汎用性を向上できる。

なお、供試体１は、回転軸を支持するベアリングを有するものであればよく、ディファレンシャル装置に限定されるものでない。

本実施形態において、台形ネジ４２は、ガイドブロック４１ｂを所定の位置まで移動可能なものであればよく、例えば、ボールネジであっても構わない。この場合、ガイドブロック４１ｂの螺孔の形状は、ボールネジと螺合可能に形成される。ただし、スライド機構４０は、ソケット２３と供試体１とを連結可能な位置に移動させることができる程度の精度があればよい。このため、ボールネジと比較して、低コストである台形ネジ４２を適用することが好ましい。

なお、ソケット２３は、駆動モータ２１と供試体１とを連結可能な形状であればよく、その形状は限定されるものではない。すなわち、供試体１を別の供試体に取り替える際に、別の供試体の連結側の端部形状に対応したソケット２３に取り替えても構わない。

１ 供試体
２ デフ入力軸（回転軸）
３ ドライブピニオンベアリング（ベアリング）
１０ 摩擦トルク測定装置
２１ 駆動モータ（駆動手段）
２１ａ 駆動軸
２３ ソケット
２４ トルク計（トルク計測手段および回転数検出手段）
３１ ベースプレート（載置部材）
３２ 取付面板（取付手段）
４０ スライド機構（移動手段）

Claims (2)

1. 所定の供試体が有する回転軸を支持するベアリングの摩擦トルクを測定する摩擦トルク測定装置であって、
   所定の姿勢で支持された状態で前記供試体の前記回転軸に直列に連結される駆動軸を有し、該駆動軸を回転駆動することで前記回転軸を回転させる駆動手段と、
   前記回転軸と同軸上に設けられ、前記駆動手段による前記回転軸の回転に要するトルクを計測するトルク計測手段と、
   前記駆動軸の回転数を検出する回転数検出手段と、
   を備え、
   前記供試体は、該供試体を載置した状態で支持する載置面を有する載置部材によって、前記回転軸の軸方向が鉛直方向となる姿勢で支持されるものであり、
   前記供試体の前記載置部材に支持される部分の寸法に応じた取付寸法を有し、前記載置部材と該載置部材に支持される前記供試体との間に介在した状態で、前記供試体を載置面上にて位置決めする取付手段を、さらに備え、
   前記取付手段は、該取付手段の取付穴に前記載置部材の突起部分を挿入することにより、前記載置部材に対して位置決めされる、
   ことを特徴とする摩擦トルク測定装置。
2. 前記駆動手段および前記載置部材の少なくともいずれかを前記回転軸の軸方向に移動させることで、前記駆動手段および前記載置部材を前記回転軸の軸方向に相対的に近接離間させる移動手段を、
   さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の摩擦トルク測定装置。

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