JP5831338B2 - 誘起アキシアル荷重の測定装置及びその測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、球面ころを有しているころ軸受に生じる誘起アキシアル荷重を測定するための測定装置、及び、その測定方法に関する。

自動調心ころ軸受のように、球面ころを有しているころ軸受では、球面ころが本来の自転軸に対して傾く、いわゆるスキューが生じることがある。スキューが生じると、ころ軸受において、回転性能の低下のみならず、球面ころの滑りによる偏磨耗や焼き付きが発生することもある。

スキューの発生原因の一つとして、ころ軸受の軌道面の曲率や表面粗さ等が考えられることから、スキューの発生を実験的に調査することは、ころ軸受の軌道面の曲率等の詳細な諸元を決定するために重要となる。つまり、ころ軸受の性能を維持するために、球面ころのスキューをコントロールすることは、非常に重要な事項である。

そこで、内輪又は外輪の軌道面に対して球面ころが及ぼす荷重をセンサによって検知すれば、スキューの発生を把握することができると考えられ、このような、軌道面に対して球面ころが及ぼす荷重を検知するための手段として、例えば、特許文献１に記載の構成がある。

特開２００５−２４９５９４号公報（図７参照）

特許文献１に記載の装置の場合、外輪の軌道面に対して球面ころが及ぼす荷重を求めることが可能であり、スキューの発生を把握することはできるが、スキューすることに起因してころ軸受に生じる誘起アキシアル荷重を求めることはできない。

このような誘起アキシアル荷重を求めることができれば、ころ軸受の軌道面の曲率等の詳細な諸元の見直し（設定）に役立てることができるが、特許文献１に記載の装置では、このような見直しを行うだけの十分な情報が得られないという問題がある。

そこで、本発明は、球面ころがスキューすることに起因してころ軸受に生じる誘起アキシアル荷重を求めることが可能となる測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。

（１）本発明は、内輪、外輪及びこれら内輪と外輪との間に設けられている複数の球面ころを有しているころ軸受に、当該球面ころがスキューすることに起因して生じる誘起アキシアル荷重を求めるための測定装置であって、前記球面ころの傾きを検出するための変位センサと、前記ころ軸受に一定のアキシアル荷重を付与する荷重付与部と、回転する前記ころ軸受に作用しているアキシアル荷重の変動を検出するための荷重センサとを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、変位センサの検知信号によって球面ころの傾きを検出することで、球面ころのスキューの発生を検出することができる。そして、荷重センサの検知信号によって、回転しているころ軸受に作用しているアキシアル荷重の変動を検出することにより、その変動した荷重を、誘起アキシアル荷重としてみなすことができる。したがって、球面ころの傾き、つまりスキューの発生と、アキシアル荷重の変動との関係を知ることができ、この関係に基づいて、スキューに起因してころ軸受に生じる誘起アキシアル荷重を求めることが可能となる。

（２）また、前記測定装置は、前記変位センサの検知信号と前記荷重センサの検知信号とを取得して、当該変位センサによって前記球面ころの傾きが検出された際の、当該荷重センサによって検出された前記ころ軸受のアキシアル荷重の変動値を算出する演算器を、更に備えているのが好ましい。
この場合、スキューが発生した際にころ軸受に作用したアキシアル荷重の変動値を、スキューに起因した誘起アキシアル荷重として、演算器が算出することができる。

（３）また、前記測定装置は、前記外輪のアキシアル方向一方への移動を拘束する部材を有しているフレームと、前記内輪をアキシアル方向一方へ向かって押す押圧面を有しているシャフトとを更に備え、前記荷重付与部は、ボルト部を有し前記フレームからアキシアル方向に延びているガイド軸と、前記ボルト部に螺合するナット部を有しこのナット部と一体となってアキシアル方向に移動する移動体と、を有し、前記ナット部を前記ボルト部に沿ってアキシアル方向一方側へ移動させることにより、前記移動体が前記シャフトをアキシアル方向一方側に押して、前記ころ軸受に前記一定のアキシアル荷重を付与するのが好ましい。
この場合、ボルト部に対するナット部の位置を変更することにより、前記一定のアキシアル荷重を調整することが可能となり、また、ナット部の位置を固定することで、ころ軸受に対して一定のアキシアル荷重を付与した状態が得られる。

（４）また、前記（３）に記載の測定装置において、前記荷重センサは、前記移動体と前記シャフトとの間に設けられ、当該移動体は当該荷重センサを介して当該シャフトを押すのが好ましい。
この場合、ころ軸受に作用しているアキシアル荷重の変動の他に、前記荷重付与部によってころ軸受に作用させる一定のアキシアル荷重を、荷重センサによって管理することが可能となる。

（５）また、本発明は、内輪、外輪及びこれら内輪と外輪との間に設けられている複数の球面ころを有しているころ軸受に、当該球面ころがスキューすることに起因して生じる誘起アキシアル荷重を求めるための測定方法であって、前記ころ軸受に一定のアキシアル荷重を付与した状態で、当該ころ軸受を回転させ、前記球面ころの傾きを検出すると共に、この回転する前記ころ軸受に作用しているアキシアル荷重の変動を検出することを特徴とする。

本発明によれば、球面ころの傾きを検出することで、球面ころのスキューの発生を検出することができる。そして、回転しているころ軸受に作用しているアキシアル荷重の変動を検出することにより、その変動した荷重を、誘起アキシアル荷重としてみなすことができる。したがって、球面ころの傾き、つまりスキューの発生と、アキシアル荷重の変動との関係を知ることができ、この関係に基づいて、スキューに起因してころ軸受に生じる誘起アキシアル荷重を求めることが可能となる。

本発明によれば、球面ころのスキューの発生とアキシアル荷重の変動との関係を知ることができ、この関係に基づいて、スキューに起因してころ軸受に生じる誘起アキシアル荷重を求めることが可能となる。この結果、ころ軸受における、例えば軌道面の曲率や表面粗さ等の諸元の見直し（設計）に役立てることが可能となる。

本発明の誘起アキシアル荷重の測定装置の実施の一形態を示す縦断面図である。 ころ軸受及びその周囲を示す縦断面図である。 測定装置のブロック図である。 変位センサ及び荷重センサからの検知信号に基づいて、演算器が出力した情報を説明するグラフである（第一試料について）。 変位センサ及び荷重センサからの検知信号に基づいて、演算器が出力した情報を説明するグラフである（第二試料について）。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の誘起アキシアル荷重の測定装置の実施の一形態を示す縦断面図である。この誘起アキシアル荷重の測定装置１（以下、測定装置１という）は、内輪１１、外輪１２及びこれら内輪１１と外輪１２との間に設けられている複数の球面ころ１３を有しているころ軸受１０に生じる誘起アキシアル荷重を求めるための装置である。なお、この誘起アキシアル荷重は、内輪１１及び外輪１２に対して球面ころ１３がスキューすることに起因して、ころ軸受１０内に生じる軸方向の荷重である。

ころ軸受１０の構成について説明する。図２は、ころ軸受１０及びその周囲を示す縦断面図である。ころ軸受１０は、シャフト５の一部に外嵌した内輪１１、フレーム６の一部に取り付けられている外輪１２と、これら内輪１１と外輪１２との間に二列となって介在している球面ころ１３とを有している。内輪１１の外周面に形成されている軌道面は曲面からなり、また、外輪１２の内周面に形成されている軌道面も曲面からなり、これら軌道面を、球面ころ１３が転動する。球面ころ１３の軸方向端面１４は、球面ころ１３の中心線Ａに直交する平面として形成されている。球面ころ１３の中心線Ａは、前記軌道面を転がる球面ころ１３の自転軸となる。

図１において、測定装置１は、シャフト５と、誘起アキシアル荷重の測定対象となるころ軸受１０を介してこのシャフト５を回転可能として支持しているフレーム６とを備えている。更に、測定装置１は、フレーム６の内のころ軸受１０側の部材（環状部材３５）に設置されている変位センサ２と、そのアキシアル方向について反対側に設置されている荷重付与部３及び荷重センサ４とを備えている。なお、本実施形態の測定装置１では、ころ軸受１０が設置されている側、つまり、図１の左側を、アキシアル方向一方側と定義し、その反対側（図１の右側）を、アキシアル方向他方側と定義する。また、測定装置１は、変位センサ２及び荷重センサ４の検知信号を取得して、この検知信号を処理するコンピュータからなる演算器７（図３参照）を備えている。図３は、測定装置１のブロック図である。

図１において、フレーム６は、床面に対して固定状態とされるフレーム本体３０を備えており、フレーム本体３０は、アキシアル方向一方側でころ軸受１０を保持する第一壁部３１、荷重付与部３が設けられている第二壁部３２、及び、これら壁部３１，３２を連結している連結部３３を有している。第一壁部３１が、誘起アキシアル荷重の測定対象となるころ軸受１０を介して、シャフト５を回転可能として支持している。そして、第二壁部３２は、転がり軸受（複列の円筒ころ軸受）３４を介して、シャフト５を回転可能に支持している。

第一壁部３１は、ころ軸受１０の外輪１２を取り付けるための環状部材３５を有している。図２において、環状部材３５は、環状の本体部３６と、この本体部３６から径方向内側に突出している環状のフランジ部３７とを有している。本体部３６の内周面３６ａに、外輪１２の外周面が嵌合する。そして、フランジ部３７のアキシアル方向他方側の側面３７ａに、外輪１２のアキシアル方向一方側の側面が接触する。

環状部材３５は、第一壁部３１の本体部分から取り外し可能であり、測定対象となるころ軸受１０の寸法に応じて取り替えることができるが、第一壁部３１の本体部分に取り付けられた状態では、アキシアル方向に拘束され移動不能となる。このため、ころ軸受１０が環状部材３５に取り付けられた状態では、この環状部材３５によって外輪１２はそのアキシアル方向一方側への移動が拘束される。

また、シャフト５は、ころ軸受１０の内輪１１が外嵌する第一軸部４１と、この第一軸部４１よりも直径の大きい第二軸部４２とを有している。第二軸部４２のアキシアル方向一方側には、環状の面４３が形成されており、シャフト５がアキシアル方向一方側に押されると、この環状の面４３は、内輪１１をアキシアル方向一方へ向かって押す押圧面となる。なお、後に説明するが、誘起アキシアル荷重の測定を行う際、図示していない回転駆動機構により、シャフト５は回転した状態にある。

図１において、フレーム６は、更に、ころ軸受１０及び転がり軸受３４によって回転可能に支持されているシャフト５を、荷重付与部３がアキシアル方向一方側に向かって押すための負荷機構部３８を有している。
負荷機構部３８は、荷重付与部３からアキシアル荷重を受ける第一部材３８ａ、シャフト５のアキシアル方向他方側の端面と接触する第二部材３８ｂ、第一部材３８ａをアキシアル方向に移動可能としてガイドするガイド部材３８ｃ、及び、第一部材３８ａと第二部材３８ｂとの間に介在している円錐ころ軸受３８ｄを有している。

第一部材３８ａは、シャフト５と同心状に配置されるアキシアル方向に短い有底円筒部材であり、第二部材３８ｂは、第一部材３８ａの径方向内側に配置されシャフト５と一体回転可能である。円錐ころ軸受３８ｄは、シャフト５及び第二部材３８ｂを回転自在に保ちつつ、第一部材３８ａに与えられたアキシアル荷重を第二部材３８ｂに伝達することができる。

図２において、フレーム６は、更に、変位センサ２をフレーム６（環状部材３５）に取り付けるための取り付け部材３９を有している。取り付け部材３９は、円環板状の部材であり、径方向外側部において環状部材３５に固定され、取り付け部材３９の径方向内側部に変位センサ２が一つ固定されている。これにより、変位センサ２は、ころ軸受１０が有する球面ころ１３のアキシアル方向隣りであってその近傍位置に設置され、フレーム６に固定状態となる。

変位センサ２は、球面ころ１３の軸方向端面１４の変位を検知する非接触式のセンサであり、本実施形態では、レーザ変位計である。この変位センサ２の検出方向、つまり、レーザの照射方向は、端面１４に垂直な方向であり、端面１４のうち中心線Ａが通過する領域以外の径方向外側の面を検知対象領域としている。
このため、球面ころ１３が、自身の中心線Ａ（自転軸）に対して傾くと、つまりスキューすると、端面１４の前記検知対象領域は変位する。したがって、この変位センサ２は、端面１４の変位を検知することができ、この検知信号によれば、球面ころ１３が、自身の中心線Ａ（自転軸）に対して傾いたか否かの検出が可能となる。

さらに、球面ころ１３がスキューして端面１４が傾くと、その傾きに応じた検知信号を変位センサ２は出力する。この検知信号によれば、スキューする前の状態を基準とした端面１４の傾き角度を求めることが可能となる。なお、本実施形態では、端面１４の傾きの有無及び端面１４の傾き角度については、演算器７の演算処理によって求められる。

なお、シャフト５の回転によって球面ころ１３は公転もするため、変位センサ２は、アキシアル方向一方側の列に含まれる複数の球面ころ１３それぞれの端面１４を、次々と検知することとなる。すべての球面ころ１３がスキューしていない場合、端面１４を検知しているタイミングにおける変位センサ２の出力（検出値）は、一定である。しかし、仮に一つの球面ころ１３がスキューすると、そのスキューした球面ころ１３の端面１４を検知したタイミングで、その検出値が、他の球面ころの端面１４を検知した際の検出値と異なる。これにより、演算器７は、球面ころ１３のスキュー（端面１４の傾き及びその角度）を求めることが可能となる。また、各列の球面ころ１３の数は既定値であることから、変位センサ２の検知信号に基づいて、演算器７は、スキューした球面ころ１３の個数を求めることも可能である。

図１において、荷重付与部３は、フレーム６の第二壁部３２からアキシアル方向他方側に延びているガイド軸２０と、このガイド軸２０に沿ってアキシアル方向に移動する移動体２３とを有している。本実施形態では、四本のガイド軸２０が設けられており、それぞれの一部にはボルト部２１が形成されている。

移動体２３は、剛性を有する平板部材からなり、各ボルト部２１に螺合するナット部２２を有している。四つのナット部２２又は四本のガイド軸２０は、（同期して）回転可能な構成であり、この回転により、ナット部２２をボルト部２１に沿ってアキシアル方向一方側へ移動させることができ、この結果、移動体２３はナット部２２と一体となって同方向に移動することができる。

このように、移動体２３が、アキシアル方向一方側に移動することにより、本実施形態では、移動体２３は、荷重センサ４及び負荷機構部３８を介して、シャフト５をアキシアル方向一方側に押して、ころ軸受１０（内輪１１と外輪１２との間）に一定のアキシアル荷重を付与することができる。この一定のアキシアル荷重を、初期アキシアル荷重ともいう。
そして、ボルト部２１に対するナット部２２の位置を変更することにより、一定のアキシアル荷重を調整することが可能となり、また、ナット部２２の位置を固定することで、ころ軸受１０に対して一定のアキシアル荷重を付与した状態が得られる。なお、この一定のアキシアル荷重は、後述する荷重センサ４によって測定することができる。

荷重センサ４は、移動体２３とシャフト５との間に設けられており、本実施形態では、移動体２３と負荷機構部３８との間に設けられている。このため、移動体２３は、荷重センサ４及び負荷機構部３８を介してシャフト５を押すこととなる。なお、本実施形態の荷重センサ４は、ロードセルからなる。

ここで、ころ軸受１０の球面ころ１３がスキューすると、これに起因して、ころ軸受１０の内部に誘起アキシアル荷重が発生する。この誘起アキシアル荷重は、スキューの態様により変動する。図１において、ころ軸受１０の外輪１２は環状部材３５によってアキシアル方向一方側への移動が規制されており、また、シャフト５の第二軸部４２が内輪１１をアキシアル方向一方側へ前記初期アキシアル荷重により押し付けている。このため、ころ軸受１０が回転し、その内部に誘起アキシアル荷重が発生すると、この誘起アキシアル荷重は、シャフト５及び負荷機構部３８を介して、荷重センサ４に伝達される。

したがって、荷重センサ４は、回転するころ軸受１０に作用しているアキシアル荷重を検出し、この検出したアキシアル荷重と、前記初期アキシアル荷重との差、つまり、アキシアル荷重の変動値を、スキューに起因した誘起アキシアル荷重として検出することができる。さらに、この誘起アキシアル荷重の変動も検出することができる。
つまり、誘起アキシアル荷重は、荷重付与部３によって与えられた初期アキシアル荷重を基準とした、アキシアル荷重の変動成分である。なお、本実施形態では、このアキシアル荷重（誘起アキシアル荷重）を、荷重センサ４が出力する検知信号に基づいて、演算器７が演算処理することにより求めることができる。

以上の本実施形態に係る測定装置１が実行する、誘起アキシアル荷重の測定方法について説明する。
図１に示すように、フレーム６に保持したころ軸受１０に対して、荷重付与部３によって、一定の初期アキシアル荷重を付与した状態とし、かつ、このころ軸受１０を一定の回転速度で回転させる。
そして、ころ軸受１０の球面ころ１３の自転軸に対する傾きを、変位センサ２の検知信号に基づいて検出すると共に、この回転するころ軸受１０に作用しているアキシアル荷重の変動を、荷重センサ４の検知信号に基づいて検出する。なお、変位センサ２が検出する球面ころ１３の傾きは、本来、規定されている球面ころ１３の自転軸（中心線Ａ）、つまり、設計値に対する傾きである。

変位センサ２及び荷重センサ４それぞれは、継続的に検知信号を演算器７に送信する（図３参照）。
そして、演算器７は、変位センサ２の検知信号と荷重センサ４の検知信号とを取得すると、これら検知信号に基づいて、変位センサ２が球面ころ１３の傾きを検出した際の、荷重センサ４が検出したアキシアル荷重の変動値を（前記）算出する。なお、この変動値は、一定のアキシアル荷重を基準としたプラスの値及びマイナス値である。

図４と図５とは、変位センサ２及び荷重センサ４からの検知信号に基づいて、演算器７が出力した情報を説明するグラフである。図４と図５とでは、異なる軸受仕様を有するころ軸受である。図４に示す出力結果が得られたころ軸受１０を第一試料といい、図５に示す出力結果が得られたころ軸受１０を第二試料という。

図４と図５とにおいて、横軸は、荷重付与部３によって第一試料と第二試料とに与えられた、初期アキシアル荷重（一定のアキシアル荷重）の値であり、この初期アキシアル荷重の値を変更して、誘起アキシアル荷重の測定を行っている。
縦軸（左側）は、変位センサ２の検知信号に基づいて求められた球面ころ１３のスキュー角度であり、縦軸（右側）は、荷重センサ４の検知信号に基づいて求められたころ軸受１０から受けるアキシアル荷重の変動値、つまり、誘起アキシアル荷重である。図４と図５中の実線がスキュー角度を示しており、破線が誘起アキシアル荷重を示している。

図４に示すように、荷重付与部３によって、初期アキシアル荷重として、Ｆ１（ｋＮ）を第一試料に対して付与した場合、この第一試料の球面ころ１３にスキューが発生し、その際の端面１４の角度がθ１に変化している。そして、このＦ１（ｋＮ）の初期アキシアル荷重を付与した際に、誘起アキシアル荷重ｆ１（ｋＮ）が発生している。

また、図５に示すように、荷重付与部３によって、初期アキシアル荷重として、Ｆ２（ｋＮ）を第二試料に対して付与した場合、この第二試料の球面ころ１３にスキューが発生し、その際の端面１４の角度がθ２に変化している。そして、このＦ２（ｋＮ）の初期アキシアル荷重を付与した際、誘起アキシアル荷重ｆ２（ｋＮ）が発生している。
また、この第二試料では、初期アキシアル荷重として、Ｆ３（ｋＮ）を付与した場合にもスキューが発生し、その際の端面１４の角度がθ３に変化している。そして、この際、誘起アキシアル荷重ｆ３（ｋＮ）が発生している。
さらに、第二試料では、他の値の初期アキシアル荷重を付与した場合も、スキューが発生しており、その際の、端面１４の角度と、誘起アキシアル荷重との関係とを求めることができる。

以上、本実施形態に係る測定装置１及び測定方法によれば、球面ころ１３の中心線Ａ（自転軸）に対する傾きを、変位センサ２が検出することで、球面ころ１３のスキューの発生を検出することができる。そして、回転しているころ軸受１０に作用しているアキシアル荷重の変動を、荷重センサ４によって検出することにより、その変動した荷重を、ころ軸受１０に作用した誘起アキシアル荷重としてみなすことができる。したがって、球面ころ１３の傾き、つまりスキューの発生と、アキシアル荷重の変動との関係を知ることができ、この関係に基づいて、スキューが発生した際にころ軸受１０に作用したアキシアル荷重の変動値を、スキューに起因した誘起アキシアル荷重として、演算器７が算出することができる。

そして、このようにして求められた、スキューに関する情報と、誘起アキシアル荷重との関係、つまり、演算器７からの出力結果に基づいて、ころ軸受１０における、例えば軌道面の曲率や表面粗さ等の諸元の見直し（設計）に役立てることが可能となる。

また、本実施形態の測定装置では、荷重センサ４は、シャフト５を回転可能に保持した状態としてかつアキシアル方向に押すことができる負荷機構部３８と、移動体２３との間に設けられていることから、この荷重センサ４によれば、ころ軸受１０に作用しているアキシアル荷重の変動の他に、荷重付与部３によってころ軸受１０に作用させる初期アキシアル荷重（一定のアキシアル荷重）を測定することができ、荷重センサ４を用いて初期アキシアル荷重の設定を行うことが可能となる。

また、本発明の測定装置１は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。例えば、シャフト５及びフレーム６等の形状を、他の形状とすることができる。また、荷重付与部３についても、前記実施形態で説明した構成とは異なる構成であってもよい。

１：測定装置 ２：変位センサ ３：荷重付与部 ４：荷重センサ ５：シャフト ６：フレーム ７：演算器 １０：ころ軸受 １１：内輪 １２：外輪 １３：球面ころ ２０：ガイド軸 ２１：ボルト部 ２２：ナット部 ２３：移動体 ４３：環状の面（押圧面） Ａ：中心線（自転軸）

Claims (5)

1. 内輪、外輪及びこれら内輪と外輪との間に設けられている複数の球面ころを有しているころ軸受に、当該球面ころがスキューすることに起因して生じる誘起アキシアル荷重を求めるための測定装置であって、
   前記球面ころの傾きを検出するための変位センサと、
   前記ころ軸受に一定のアキシアル荷重を付与する荷重付与部と、
   回転する前記ころ軸受に作用しているアキシアル荷重の変動を検出するための荷重センサと、
   を備えていることを特徴とする誘起アキシアル荷重の測定装置。
2. 前記変位センサの検知信号と前記荷重センサの検知信号とを取得して、当該変位センサによって前記球面ころの傾きが検出された際の、当該荷重センサによって検出された前記ころ軸受のアキシアル荷重の変動値を算出する演算器を、更に備えている請求項１に記載の誘起アキシアル荷重の測定装置。
3. 前記外輪のアキシアル方向一方への移動を拘束する部材を有しているフレームと、
   前記内輪をアキシアル方向一方へ向かって押す押圧面を有しているシャフトと、
   を更に備え、
   前記荷重付与部は、ボルト部を有し前記フレームからアキシアル方向に延びているガイド軸と、前記ボルト部に螺合するナット部を有しこのナット部と一体となってアキシアル方向に移動する移動体と、を有し、前記ナット部を前記ボルト部に沿ってアキシアル方向一方側へ移動させることにより、前記移動体が前記シャフトをアキシアル方向一方側に押して、前記ころ軸受に前記一定のアキシアル荷重を付与する請求項１又は２に記載の誘起アキシアル荷重の測定装置。
4. 前記荷重センサは、前記移動体と前記シャフトとの間に設けられ、当該移動体は当該荷重センサを介して当該シャフトを押す請求項３に記載の誘起アキシアル荷重の測定装置。
5. 内輪、外輪及びこれら内輪と外輪との間に設けられている複数の球面ころを有しているころ軸受に、当該球面ころがスキューすることに起因して生じる誘起アキシアル荷重を求めるための測定方法であって、
   前記ころ軸受に一定のアキシアル荷重を付与した状態で、当該ころ軸受を回転させ、
   前記球面ころの傾きを検出すると共に、この回転する前記ころ軸受に作用しているアキシアル荷重の変動を検出することを特徴とする誘起アキシアル荷重の測定方法。

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