JP5617546B2

JP5617546B2 - 応力測定方法

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Publication number: JP5617546B2
Application number: JP2010252147A
Authority: JP
Inventors: 雅博貴治; 和明山田; 直規澤田
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-11-10
Also published as: JP2012103122A

Description

本発明は、例えば等速ジョイントや軸受等の回転装置について、その応力を測定する方法に関する。

等速ジョイントは、ジョイント角が付与されたシャフト間において等速に回転駆動力を伝達できる継ぎ手として、自動車等の車両や産業機械の駆動系に用いられている。この等速ジョイントを最適設計するためには、回転駆動力を伝達している実用状態において、当該等速ジョイントを構成する部材にどのように応力が発生しているかを把握することが重要である。そのためには、例えば有限要素法（ＦＥＭ）や境界要素法（ＢＥＭ）等の数値解析により応力分布を求める方法が適用できる。また、歪みゲージを使用して、シャフトに加わる応力を測定するシステムも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−２００９５３号公報

上記の等速ジョイントを構成するのは複雑な形状の複数の部材であり、実用状態ではこれらの各部材の相互作用により回転駆動力を伝達している。そのため、数値解析において適切な負荷条件や境界条件を設定することは困難であり、結果的に、応力を正確に求めることは困難である。また、等速ジョイントは、強い回転駆動力を伝達するために高剛性の部材によって構成されていることが多い。このような高剛性の部材に歪みゲージを使用しても、歪み量が小さく、そのため、応力を正確に求めることは困難である。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、回転装置に発生する応力を正確に測定する方法を提供することを目的とする。

（１）本発明は、回転装置が回転動作することによって生じる応力を、赤外線サーモグラフィを用いて複数の方向から撮影することにより測定する応力測定方法であって、
１回転中に応力の極大値及び極小値が生じる前記回転装置の応力変動部、及び、１回転中の応力が実質的に一定である応力不変部を互いに一体に回転させ、前記極大値が現れるタイミングで、前記応力変動部を含む第１温度分布、及び、前記応力不変部についての第１基準温度分布を取得し、前記極小値が現れるタイミングで、前記応力変動部を含む第２温度分布、及び、前記応力不変部についての第２基準温度分布を取得し、前記第１基準温度分布と前記第２基準温度分布との差に基づいて前記第１温度分布及び第２温度分布のいずれか一方を補正し、補正した温度分布と、他方の応力変動部を含む温度分布とを比較した差に基づいて応力変動値を求める、というものである。

上記のような応力測定方法では、温度分布に基づいて応力を求めるので、数値解析のような条件設定の難しさが無く、また、微小な変位を測定する難しさもない。赤外線サーモグラフィは複数方向からの撮影になるので撮影条件が異なり、このことが温度誤差を生じさせる要因となるが、応力とは関係ない第１，第２基準温度分布の差に基づく補正を行うことによって、温度誤差を排除することができる。

（２）また、上記（１）の応力測定方法において、応力不変部は、回転装置の外側に設けた応力測定用の別部材である。
この場合、赤外線サーモグラフィで撮影しやすい平板等の部材を用いることができる。

（３）また、上記（１）の応力測定方法において、応力不変部は、回転装置の外面の一部であってもよい。
この場合、別部材を用意しなくてよい。

（４）また、上記（１）又は（２）の応力測定方法において、第１基準温度分布と第２基準温度分布との差とは、第１基準温度分布の全画素の温度の平均値と、第２基準温度分布の全画素の温度の平均値との差であってもよい。
この場合、平均をとることによって、局部的かつ突発的な画素の温度に影響されず、全体として妥当な値を得ることができる。

本発明の応力測定方法によれば、回転装置に発生する応力を正確に測定することができ、最適設計が可能となる。

回転装置としての等速ジョイントの軸方向断面図である。等速ジョイントの赤外線応力測定を示す模式図である。赤外線カメラ及びミラーの配置を示す模式図である。外輪の着目箇所を示す模式図である。外輪の着目箇所を示す説明図である。応力測定方法の工程の流れを示す図である。着目箇所の荷重変動を示すグラフである。補正用の基準板を等速ジョイントに取り付けた図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図の左側から等速ジョイントを見た図である。赤外線サーモグラフィの画像の一例を示す図である。補正の要領を示す図である。補正の第２実施例における基準部の設け方を示す図である。外輪の赤外線サーモグラフィにおける、外輪の周方向の所定範囲について、画像上の横方向の位置に対応して温度がどのように変化しているかの一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る応力測定方法について図面を参照しつつ説明する。
《等速ジョイントの構造》
まず、応力測定の対象となる等速ジョイントの構造について説明する。
図１は、回転装置としての等速ジョイント１の軸方向断面図である。本実施形態の等速ジョイント１は、固定式ボール型等速ジョイント（一般に「ツェッパ型等速ジョイント」とも称する。）であり、外輪１０と、内輪２０と、ボール３０と、保持器４０と、シャフト５０とを備えている。

外輪１０は、カップ状に形成されており、一体的に形成されたシャフト１０ｓが他の動力伝達軸（図示せず。）に連結される。外輪１０の筒状部分の内周面には、外輪回転軸方向（図１の左右方向）に延びる外輪ボール溝１１が、外輪回転軸の周方向に等間隔に６本形成されている。各外輪ボール溝１１における外輪回転軸に直交する断面形状は、ほぼ円弧凹状をなしている。

内輪２０は、環状に形成され、外輪１０の内側に配置されている。この内輪２０の外周面には、内輪回転軸方向（図１の左右方向）に延びる内輪ボール溝２１が、内輪回転軸の周方向に等間隔に６本形成されている。各内輪ボール溝２１における内輪回転軸に直交する断面形状は、ほぼ円弧凹状をなしている。６本の内輪ボール溝２１は、６本の外輪ボール溝１１にそれぞれ対向するように位置している。また、内輪２０の内周面には、内歯スプライン２２が形成されている。この内歯スプライン２２は、シャフト５０の端部に形成された外歯スプライン５１に圧入嵌合される。

６個のボール３０は、それぞれ、外側が外輪１０の外輪ボール溝１１に、内側が内輪２０の内輪ボール溝２１に嵌っている。そして、６個のボール３０はそれぞれ、外輪ボール溝１１及び内輪ボール溝２１に沿って転動自在であるとともに、周方向には、外輪ボール溝１１及び内輪ボール溝２１に対して動きが規制されており、これによって、外輪１０と内輪２０とを周方向に互いにロックしている。従って、ボール３０は、外輪１０と内輪２０との間で回転駆動力を伝達する役目を担っている。

環状の保持器４０は、外輪１０の内周面と内輪２０の外周面との間に配置されている。保持器４０の内周面は、内輪２０の最外周面にほぼ対応する部分球面凹状に形成されている。また、保持器４０の外周面は、部分球面凸状に形成されている。そして、保持器４０の内周面の球面中心と外周面の球面中心は、ジョイント回転中心に対して、軸方向に等距離だけそれぞれ反対側にオフセットさせてある。また、保持器４０には、周方向に等間隔に６個の開口窓部４１が形成されている。この開口窓部４１は、外輪ボール溝１１および内輪ボール溝２１と同数形成されている。そして、それぞれの開口窓部４１には、ボール３０が嵌め込まれている。つまり、保持器４０は、６個のボール３０を保持している。

上記シャフト５０の他端部には、応力測定対象ではない補助等速ジョイント２（図２参照。）が組み付けられている。この補助等速ジョイント２は、シャフト５０と後述する荷重付与部６２を連結し、荷重付与部６２による回転駆動力をシャフト５０へ伝達可能としている。

等速ジョイント１は、上述したような構成となっているが、応力測定を行う試験体としての等速ジョイント１の表面には、黒色塗料が塗布される。例えば、外輪１０の表面に合成樹脂などからなる艶消し黒色の塗料が２０〜２５μｍ程度の厚さに塗布される。これにより、試験体の表面の熱放射率は、約０．９４（黒体を１．００とした場合）となる。このように熱放射率を高くすることで、熱放射によって放出する熱量を多くすることができるので、試験体の温度変動をより確実に検出することができる。

《応力測定装置》
次に、等速ジョイント１の外輪１０を測定対象とした応力測定装置６０について説明する。図２は、等速ジョイント１の赤外線応力測定を示す模式図である。図３は、赤外線カメラ及びミラーの配置を示す模式図である。応力測定装置６０は、図２および図３に示すように、軸支台６１と、荷重付与部６２と、赤外線カメラ６３と、ロックインプロセッサ６４と、演算部６５と、表示部６６と、２枚のミラー６７，６８とを備える。

軸支台６１は、等速ジョイント１の一端である外輪１０を、軸受を介して回転可能に支持している。荷重付与部６２は、軸支台６１の軸方向に対向して配置され、駆動モータ６２ａを介して等速ジョイント１の他端であるシャフト５０を保持している。また、荷重付与部６２は、等速ジョイント１に所定のジョイント角が付与された状態が維持されるように、外輪１０及び内輪２０の軸心を位置決めしている。これにより、外輪１０と内輪２０の位置関係が設定されている。この荷重付与部６２は、軸支台６１に回転可能に支持された外輪１０に対して、駆動モータ６２ａにより内側部材である内輪２０から回転駆動力を付与可能となっている。

赤外線カメラ６３は、物体の表面から放出される赤外線を検出し、赤外線センサにより電気信号に変換し、画像信号として出力する。図３に示すように、赤外線カメラ６３は、応力の測定対象である外輪１０の着目箇所に向けて設置されている。

図４は、外輪の着目箇所を示す模式図、また、図５は、外輪の着目箇所を示す説明図である。外輪１０の着目箇所は、図４及び図５に示すように、外輪ボール溝１１の外輪開口側の端部（以下、Ａ領域という。）としている。このＡ領域は、等速ジョイント１がジョイント角を付与された状態で回転駆動力を伝達する際に、外輪ボール溝１１を転動するボール３０が到達若しくは最も接近する領域である。Ａ領域にボール３０が到達若しくは最も接近した時に、Ａ領域における負荷が極大値となる。よって、ボール３０が到達若しくは最も接近した状態にある位相のＡ領域を、赤外線カメラ６３で正面から撮影して第１温度分布を得るようにしている。

また、外輪１０の第１温度分布の撮影方向の位相を０度としたとき、外輪１０が半回転した１８０度の位相では、外輪ボール溝１１を転動するボール３０がＡ領域から最も遠ざかる状態となり、このとき、Ａ領域における負荷が極小値となる。よって、第１温度分布の撮影方向と位相が１８０度ずれた位置（背面）のＡ領域を、赤外線カメラ６３で撮影して第２温度分布を得る。なお、１８０度の位相では、Ａ領域における最小負荷が無負荷となるので、Ａ領域に発生する応力絶対値を測定することができる。

第１温度分布と第２温度分布とは、２枚のミラー６７，６８を利用して１台の赤外線カメラ６３で同時に撮影する。図３に示すように、外輪１０の０度の位相と対向するように赤外線カメラ６３が設置される。そして、外輪１０の背面側（位相１８０度側）には、２枚のミラー６７，６８が開き角度９０度となるように設置される。２枚のミラー６７，６８は、外輪１０の位相１８０度の面の像が、２枚のミラー６７，６８を反射して赤外線カメラ６３に到達するように位置調整されている。これにより、１台の赤外線カメラ６３で、第１温度分布と第２温度分布とを同時に撮影することができる。

図２におけるロックインプロセッサ６４は、赤外線カメラ６３により出力された画像信号から、対象とする熱弾性効果による温度変動の波形をロックイン処理する。すなわち、赤外線カメラ６３により出力された画像信号から所定の周波数成分のみを抽出する。具体的には、荷重（応力）変動に同期する画像信号、または、荷重（応力）変動に同期する周波数を含む所定範囲の周波数帯の画像信号のみを抽出する。これにより、Ｓ／Ｎ比を向上させている。

演算部６５は、ロックインプロセッサ６４により出力される画像信号を受信する。そして、この画像信号から得られる等速ジョイント１の温度変動の分布に基づき、等速ジョイント１の応力分布を算出する。表示部６６は、この演算部６５による算出結果をモニタ上に表示する。

《応力測定方法》
次に、基本的な応力測定方法の手順について図６および図７を参照して説明する。図６は、応力測定方法の工程の流れを示す図である。図７は、着目箇所の荷重変動を示すグラフである。

まず、荷重付与工程１０１では、応力測定装置６０の荷重付与部６２の駆動モータ６２ａにより、内輪２０に回転力を付与する。これにより、ボール３０を介して内輪２０から外輪１０へ回転駆動力（トルク）が付与される。このとき、位置決めされた外輪１０の軸心および内輪２０の軸心は、ジョイント角が付与された状態を維持している。よって、等速ジョイント１は、実用状態と同様に作動することになる。このとき、伝達部材であるボール３０は、等速ジョイントが１回転する間に、外輪１０の外輪ボール溝１１及び内輪２０の内輪ボール溝２１を一往復する。つまり、ボール３０は、図１の左右方向に往復運動する。この往復運動の幅は、ジョイント角によって変化するものであり、ジョイント角が大きく付与されるほど大きくなる。

このように、荷重付与部６２によって等速ジョイント１に加えられた回転駆動力により、外輪１０とボール３０との間、及び、内輪２０とボール３０との間で、相互に所定周期で荷重を加え合うことになる。このとき、外輪１０に生じる荷重変動は、図７に示すように、一定周期の波形となる。この場合、Ａ領域における負荷が極大値となる位相（０度）の測定点が図７の波形の山部に表れ、Ａ領域における負荷が極小値となる位相（１８０度）の測定点が図７の波形の谷部に表れる。つまり、外輪１０の荷重変動は、外輪１０に所定周期で繰り返し加えられる荷重となり、赤外線応力測定における熱弾性効果による温度変動を生じるようになる。

次の温度測定工程１０２では、赤外線カメラ６３が外輪１０の温度変動により表面から放出される赤外線を検出する。この温度測定工程１０２では、赤外線カメラ６３により、赤外線カメラ６３の正面にある、Ａ領域において負荷が極大値となる位相（０度）の表面を撮影した第１温度分布と、外輪１０の背面側ある、Ａ領域において負荷が極小値となる位相（１８０度）の表面を、ミラー６７，６８を介して撮影した第２温度分布を得る。

次の温度変化演算工程１０３では、Ａ領域の温度変化を演算する。温度測定工程１０２で得られた第１温度分布と第２温度分布の同一箇所は、半回転ずれて表れるため、半回転分フレームをずらして組み合わせることにより、第１温度分布と第２温度分布の差をとり、Ａ領域の温度変化を演算する。
最後の応力分布算出工程１０４では、演算部６５が、温度変化演算に基づいて、Ａ領域の応力分布を算出する。そして、この応力分布の算出結果は、表示部６６のモニタ上に表示される。

以上のように、上記の応力測定方法によれば、荷重付与工程１０１と、温度測定工程１０２と、温度変化演算工程１０３と、応力分布算出工程１０４とを順次行うことによって、等速ジョイント１の実用状態により近い状態で等速ジョイント１を駆動させながら、Ａ領域の応力分布を測定するようにしているため、Ａ領域において実際に生じる応力分布を正確に測定することができる。これにより、外輪１０の最弱部位となり易い実用状態におけるＡ領域の応力分布を正確に把握し、外輪１０の十分な強度を確保しつつ薄肉化を図るなど、外輪１０の最適な形状や肉厚を設計することができる。
また、上記のような応力測定方法では、温度分布に基づいて応力を求めるので、数値解析のような条件設定の難しさが無く、また、歪みゲージを用いて微小な変位を測定するような難しさもない。

《応力測定方法における補正：第１実施例》
ところが、上記の基本的な応力測定方法において、ミラー６７，６８を経由しての背面撮影と、ミラー６７，６８を経由しない正面撮影とでは、撮影条件が異なる。撮影条件が異なると、実物の温度は同じであっても、検出する温度に差が出る。また、正面撮影と背面撮影とでは、応力以外の何らかの外乱により温度測定に誤差が入り込む可能性もある。
すなわち、等速ジョイントのような回転による応力変動を伴う回転装置についての赤外線サーモグラフィは、複数方向から撮影するので、撮影条件が異なり、このことが、温度測定の誤差を生じさせる原因となる。そこで、このような誤差を無くすための対策を講じる。なお、後述の補正演算は、図６における温度変化演算工程１０３に含めることができる。

図８は、補正用の基準板７０を等速ジョイント１に取り付けた図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図の左側から等速ジョイント１を見た図である。基準板７０は例えば、赤外線サーモグラフィで撮影し易い平板であり、正面から見ると略「コ」の字状に形成されている。また、基準板７０は例えば、外輪１と同様の材質であり、同様の黒色塗料が塗布されている。この基準板７０は、外輪１０の外周面に沿っているが、若干の隙間が空けてあり、外輪１０外周面に直接固定はされない。基準板７０は、外輪１０のシャフト１０ｓに固定され、外輪１０と一体に回転する。基準板７０は、外輪１０に発生する応力とは無関係で、１回転中の応力が実質的に０で一定な「応力不変部」である。

図９は、赤外線サーモグラフィの画像の一例を示す図である。（ａ）は、基準板７０が撮影方向に対して直交している状態で、ミラーを経由しない直視の正面画像である。この正面画像には、例えば応力の極大値が現れるタイミングのＡ領域を含む外輪１０の温度分布（第１温度分布）と、基準板７０の温度分布（第１基準温度分布）とが含まれている。半回転すると、この正面画像と物理的に同一部分は、ミラー６７，６８経由で（ｂ）に示す背面画像として現れる。すなわち、この背面画像には、応力の極小値が現れるタイミングのＡ領域を含む外輪１０の温度分布（第２温度分布）と、基準板７０の温度分布（第２基準温度分布）とが含まれている。本来、応力変化部位を除けば半回転しても温度は同一のはずであるが、撮影条件の違い（外乱も含む。）により、温度差が出る。なお、（ａ）、（ｂ）において、基準板７０や外輪１０が画像のどの位置に写るかは予めわかっている。

そこで、演算部６５は、（ａ）における基準板７０に対応する全画素の温度分布（第１基準温度分布）を平均して、正面画像での平均温度Ｔ_ｆを求める。同様に、演算部６５は、（ｂ）における基準板７０に対応する全画素の温度分布（第２基準温度分布）を平均して、背面画像での平均温度Ｔ_ｒを求める。そして、演算部６５は、温度差θ＝Ｔ_ｆ−Ｔ_ｒを求め、（ｂ）の画像全体に対して、画素ごとに温度差θを加算する。これにより、（ｂ）の画像（第２温度分布、第２基準温度分布）は、撮影条件に起因する温度差が解消された（ｃ）の画像に補正される。そして、（ａ）、（ｃ）の画像における外輪１０の温度差分布を求め、応力に変換すれば、応力分布が得られる。

上記のような応力測定方法における補正によれば、応力とは関係ない第１，第２基準温度分布の差に基づく補正を行うことによって、撮影条件の違いに起因する温度誤差を排除することができる。このようにして、等速ジョイント１に発生する応力を正確に測定することができる。また、基準板７０の温度の平均をとることによって、局部的かつ突発的な画素の温度に影響されず、全体として妥当な値を得ることができる。

なお、温度分布・基準温度分布に関する第１，第２とは、便宜的なものであり、逆でもよい。すなわち、極大値が現れるタイミングの温度分布・基準温度分布が第１で、極小値が現れるタイミングの温度分布・基準温度分布が第２、というパターンの他、逆に、極小値が現れるタイミングの温度分布・基準温度分布が第１で、極大値が現れるタイミングの温度分布・基準温度分布が第２、であってもよい。
また、（ｂ）の画像を（ｃ）の画像に補正する以外に、（ａ）の画像を（ｂ）の画像の温度に近づけるように補正した後、それを、（ｂ）の画像と比較して温度差分布・応力分布を求めることも可能である。

なお、上記のように平均をとることとは異なる補正も可能である。基準板７０の画像は、全体として温度均一とは必ずしも言えず、例えば左側ほど温度が高く、右側ほど温度が低い、というような温度分布の傾向がある場合も考えられる。このような場合には、平均よりも、画素ごとの補正値を求める方が、より緻密な補正を行うことができる。

図１０は、このような補正の要領を示す図である。基準板７０の画像において、例えば、正面画像では横方向（Ｘ方向）への温度変化がほとんど無く、他方、背面画像では図示のような左高・右低の傾向があるとする。この場合、正面画像と背面画像との温度差はＸに応じて変化し、左端では最小値θ_Ｓ、右端では最大値θ_Ｌとなる。そこで、このような場合には、外輪の画像（図示せず。）の図のＸ方向の位置に応じて補正値Ｙを以下の式に基づいて変えればよい。
Ｙ＝｛（θ_Ｌ−θ_Ｓ）／Ｗ｝・Ｘ＋θ_Ｓ
但し、Ｗは、画像上の基準板７０ｉの幅である。このような補正によれば、外輪の画像に対応した画素ごとに補正値を変化させて、緻密な補正を行うことができる。なお、基準板７０の画像の縦方向に温度変化の傾向がある場合も同様に補正を行うことができる。

《応力測定方法における補正：第２実施例》
図１１は、補正の第２実施例における基準部の設け方を示す図である。本実施例では応力測定時に基準板７０は設けないが、その代わりに、１回転中に応力が実質的にほぼ０で一定である基準部（応力不変部）８０を、外輪１０の外面の一部（例えば２箇所）とする。この場合、前述の基準板７０という別部材を設けなくてよいという利点がある。

上記基準部８０は例えば、周方向に６条設けられている外輪ボール溝１１（図１）の、隣接する２つの溝の中間であり、また、カップ状の外輪１０（図１）の自由端（図１の右端）に近い部位である。

図１２は、外輪１０の赤外線サーモグラフィにおける外輪１０の周方向の所定範囲（約６０度の範囲）について、画像上の横方向の位置に対応して温度がどのように変化しているかの一例を示すグラフである。実線及び破線の一方は、応力の極大値が現れるタイミングの正面（又は背面）画像に基づく温度分布（第１温度分布）、他方は、応力の極小値が現れるタイミングの背面（又は正面）画像に基づく温度分布（第２温度分布）を示している。ここで、基準部８０については、本来、温度は一致するはずである。そこで、基準部８０に対応するグラフ上の部位（第１，第２基準温度分布）が互いに一致するように補正する。これにより、図示のように応力変化による温度変化分ΔＴが現れる。これに基づいて、応力変化を求めることができる。

応力測定方法における上記第２実施例の補正も、第１実施例の補正と同様に、撮影条件の違いに起因する温度誤差を排除することができる。

《その他》
なお、上記の応力測定方法は、等速ジョイントを測定対象としたが、対象はこれに限定されず、種々の回転装置に適用可能である。

１：等速ジョイント（回転装置）、６３：赤外線カメラ、７０：基準板（応力不変部）、８０：基準部（応力不変部）

Claims

回転装置が回転動作することによって生じる応力を、赤外線サーモグラフィを用いて複数の方向から撮影することにより測定する応力測定方法であって、
１回転中に応力の極大値及び極小値が生じる前記回転装置の応力変動部、及び、１回転中の応力が実質的に一定である応力不変部を互いに一体に回転させ、
前記極大値が現れるタイミングで、前記応力変動部を含む第１温度分布、及び、前記応力不変部についての第１基準温度分布を取得し、
前記極小値が現れるタイミングで、前記応力変動部を含む第２温度分布、及び、前記応力不変部についての第２基準温度分布を取得し、
前記第１基準温度分布と前記第２基準温度分布との差に基づいて前記第１温度分布及び第２温度分布のいずれか一方を補正し、
補正した温度分布と、他方の応力変動部を含む温度分布とを比較した差に基づいて応力変動値を求める、
ことを特徴とする応力測定方法。
前記応力不変部は、前記回転装置の外側に設けた応力測定用の別部材である請求項１記載の応力測定方法。
前記応力不変部は、前記回転装置の外面の一部である請求項１記載の応力測定方法。
前記第１基準温度分布と前記第２基準温度分布との差とは、前記第１基準温度分布の全画素の温度の平均値と、前記第２基準温度分布の全画素の温度の平均値との差である請求項１又は２に記載の応力測定方法。