JP6371668B2

JP6371668B2 - 回転アンバランス測定装置

Info

Publication number: JP6371668B2
Application number: JP2014214437A
Authority: JP
Inventors: 成田　信彦; 信彦成田
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2018-08-08
Anticipated expiration: 2034-10-21
Also published as: JP2016080622A

Description

本発明は、回転体における回転アンバランス（重心オフセット）の円周上の位置及び大きさを測定するために用いられる回転アンバランス測定装置に関する。本発明の回転アンバランス測定装置は例えば、高速回転によるアンバランスに起因する振れ回り振動や破損を問題とする回転体の生産・検査工程における回転アンバランス測定装置として用いられる。

（１）回転アンバランスによる問題
回転体は回転中心に対して重心位置の偏りがある場合、偏り方向に遠心力（＝ｍｒω^２、ｍ＝回転体の重量、ｒ＝回転中心と重心との距離｛半径｝、ω＝角速度）が発生し、振れ回り振動や、最悪の場合、バースト破損する恐れがある。遠心力は前述の式、ω（角速度）の二乗に比例することから、自動車エンジンなど高速で回転する機械に用いられる回転部品はアンバランス量（＝ｍｒ）を小さくする必要がある。

生産過程において、回転体を寸法精度良く生産しても重心位置は回転中心より僅かに偏芯するため、アンバランスが懸念される回転体では生産工程において、アンバランスの検査と、規定アンバランスを満足しない場合のアンバランス修正が必要となる。

例えば、自動車のタイヤの場合、ホイールリム部に修正錘を付加し、アンバランスを補正する。また、自動車エンジンのクランクプーリの場合、重心偏芯側の任意の箇所にドリルで穴を開け、偏り側の重量を軽くし、重心の偏芯量を小さく補正する。

（２）従来技術
代表的なアンバランス測定技術として、特許第３２１３１０２号発明を例に説明する。

当従来技術では、図７に示す模式図の通り、回転体（回転試料）５１を保持する回転軸機構６１を垂直トーションバー６２と水平トーションバー６３の両トーションバー６２，６３で支持している。両トーションバー６２，６３の組合せ合成により、左右方向に発生するアンバランス振れ回り振動をロードセルや変位センサ等で計測し、回転体の回転位置をロータリーエンコーダにより計測し、振動及び角度双方の波形を解析し、アンバランス量とアンバランス位置を導き出す。

しかしながら当従来技術では、回転アンバランスによる左右方向の振動を計測するために高価なロードセルや変位センサを使用することから測定機が高額になるとともにセンサの校正点検が必要となり、精度維持に要する管理費も測定機運用上の問題となる。

特許第３２１３１０２号公報

本発明は以上の点に鑑みて、上記従来技術対比で、測定に必要なセンサ数が少なくてすみ、もって構成が簡便で、センサ数が少ないことから校正点検も容易な回転アンバランス測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１による回転アンバランス測定装置は、回転体における回転アンバランスの円周上位置及び大きさを測定する回転アンバランス測定装置であって、垂直方向に立設された中心軸と、前記中心軸に対し揺動可能に組み付けられた揺動アームと、前記中心軸の上方であってかつ前記中心軸と同軸上に配置されるとともに前記揺動アームに取り付けられた回転駆動源と、前記揺動アームの揺動端又は揺動端近傍に回転可能に設けられた回転体保持軸と、前記回転駆動源の駆動力を前記回転体保持軸に伝達する駆動力伝達部と、ロータリーエンコーダよりなる測定部と、前記揺動アームの初動位置を規定する弾性要素よりなるアーム初動位置規定部と、を有し、前記ロータリーエンコーダよりなる測定部は、前記回転駆動源の駆動軸又は前記回転体保持軸の回転に伴ってパルス信号を発生し、前記発生するパルスの時間間隔から前記回転駆動源の駆動軸又は前記回転体保持軸の角速度及び角速度変動波形を算出し、前記角速度変動波形における極大ピーク発生時のパルス発生回数から前記回転駆動源の駆動軸又は前記回転体保持軸の回転位置を算出し、前記回転位置から前記回転体における回転アンバランスの円周上位置を算出し、一方、前記角速度変動波形における極大ピークの大きさから前記回転体における回転アンバランスの大きさを算出することを特徴とする。

また、本発明の請求項２による回転アンバランス測定装置は、上記した請求項１記載の回転アンバランス測定装置において、前記回転体は、自動車等車両に装着するクランクプーリ等のプーリ製品又はダイナミックダンパ若しくはトーショナルダンパ等のダンパ製品であることを特徴とする。

上記構成を備える本発明の回転アンバランス測定装置においては、測定試料である回転体における回転アンバランスの円周上の位置及び大きさを測定する際、回転アンバランスによって発生する振動を計測するのにロードセルや変位センサを使用せず、回転駆動源などの回転位置を計測するロータリーエンコーダを１つのみを使用し、これによって得られる角速度変動波形をもとに回転アンバランスの円周上の位置及び大きさを検出する。

したがって本発明によれば、測定に必要なセンサ数が少なくてすみ（ロータリーエンコーダ１つのみ）、もって構成が簡便で、しかもセンサ数が少ないことから校正点検も容易な回転アンバランス測定装置を提供することができる。

尚、本発明において、測定試料である回転体の種類はとくに限定されないが、自動車等車両に装着するクランクプーリ等のプーリ製品又はダイナミックダンパ若しくはトーショナルダンパ等のダンパ製品などは高速で回転するので、回転アンバランスによる不都合が顕在化しやすい。したがって本発明の装置によってこれらプーリ製品やダンパ製品の回転アンバランスを測定し、のちの工程でこれを低減・解消することは、これらプーリ製品やダンパ製品を正常に作動させるうえで極めて重要な事柄である。

本発明の実施例に係る回転アンバランス測定装置の構成説明図測定試料である回転体の説明図同回転アンバランス測定装置の作動説明図同回転アンバランス測定装置の作動説明図同回転アンバランス測定装置の作動説明図同回転アンバランス測定装置の作動を説明するグラフ図従来例に係る測定装置の構成説明図

本発明には、以下の実施形態が含まれる。
（１）本発明では、計測対象の試料を保持し回転させる回転軸（以下：スピンドル）を揺動運動が可能な強度部材（以下：アーム）で保持する。スピンドルを駆動するモータの回転中心とアームの揺動中心は同軸上に配置し、モータとスピンドルはベルトや歯車にて動力伝達を行なう。尚、アームは測定機本体とバネ等により締結され、アームのセンタリングを行なうとともにアームの揺動を妨げないものとする。
（２）また、モータ若しくはスピンドルには、モータ若しくはスピンドルの角度を検出するロータリーエンコーダが装着される。ロータリーエンコーダから得られた矩形波パルス信号からパルスの数を数えて回転角度を検出するとともに、構造上の規定パルス間隔（角度）とパルスの時間間隔から角速度を演算する。
（３）尚、本発明で用いるモータはサーボモータ（ロータリーエンコーダを内蔵し、自らの角速度を検出し、決められた角速度を維持する能力を有するモータ）では無く、加えた電力量に応じて生じる回転トルクによって、成り行き的な角速度が得られる安価かつ一般的なモータを用いることができる。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

図１に示すように、当該実施例に係る回転アンバランス測定装置１１は、測定試料である回転体（回転試料）５１における回転アンバランス（重心オフセット）の円周上位置及び大きさを測定するために用いられる装置であって、ベース１２上に垂直方向に立設された中心軸（揺動軸）２１と、この中心軸２１を中心として揺動作動するよう中心軸２１に取り付けられた揺動機構部３１とを備え、この後者の揺動機構部３１として、中心軸２１に対し揺動可能に組み付けられた揺動アーム３２と、中心軸２１の上方であってかつ中心軸２１と同軸上に配置されるとともに揺動アーム３２に取り付けられた回転駆動源３３と、揺動アーム３２の揺動端又は揺動端近傍に回転可能に設けられた回転体保持軸（スピンドル）３４（図３参照）と、回転駆動源３３の駆動力（回転トルク）を回転体保持軸３４に伝達する駆動力伝達部（トルク伝達部）３５とが設けられている。

回転駆動源３３は、具体的には回転モータよりなり、上向きの駆動軸３３ａを備え、この駆動軸３３ａに駆動プーリ３６が取り付けられている。回転体保持軸３４は揺動アーム３２の揺動端又は揺動端近傍に対し上向きに突出するよう配置されるとともに揺動アーム３２よって回転可能に支持され、その上端部に従動プーリ３７が取り付けられている。また、回転体保持軸３４はその上端部に直接又は図示しない回転テーブルなどを介して、回転体５１を同軸的にかつ着脱可能に装着する。

駆動プーリ３６及び従動プーリ３７は無端状の駆動ベルト３８で連結され、これらにより上記駆動力伝達部３５が設定されている。したがって回転駆動源３３が駆動するとその駆動力が駆動プーリ３６、駆動ベルト３８及び従動プーリ３７を経由して回転体保持軸３４に伝達され、回転体保持軸３４及びこれに保持された回転体５１が同時回転する。駆動力伝達部３５はベルトではなく歯車などによる駆動力伝達構造であっても良い。

また、ベース１２の側面立ち上がり部１３上端及び回転駆動源３３の駆動軸３３ａ上端に位置して、回転駆動源３３の駆動軸３３ａの回転位置を測定するためのロータリーエンコーダよりなる測定部４１が設けられている。このロータリーエンコーダよりなる測定部４１は、回転駆動源３３の駆動軸３３ａの回転に伴ってパルス信号を発生し、発生するパルス信号の時間間隔から回転駆動源３３の駆動軸３３ａの角速度及び角速度変動波形を算出し、角速度変動波形における極大ピーク発生時のパルス発生回数から回転駆動源３３の駆動軸３３ａの回転位置を算出し、この駆動軸３３ａの回転位置から回転体５１における回転アンバランスの円周上位置を算出するとともに、その一方で、角速度変動波形における極大ピークの大きさから回転体５１における回転アンバランスの大きさを算出するものである。

また、揺動アーム３２の一方の側方に位置して、揺動アーム３２の初動位置を規定するための弾性要素よりなるアーム初動位置規定部４３が設けられている。弾性要素は具体的にはコイルばねよりなり、コイルばねはその一端を揺動アーム３２に連結されるとともに他端をベース１２の図示しない側面立ち上がり部に連結されている。

回転体５１は具体的には、自動車等車両に装着するクランクプーリ等のプーリ製品とされ、又はダイナミックダンパ若しくはトーショナルダンパ等のダンパ製品などとされる。

上記構成を備える回転アンバランス測定装置１１は、以下のように作動する。

（１）例えば図２に示すような、大量生産する工業製品である回転体５１には、重心のオフセット（位置ずれ）ｒが僅かに発生する。Ｐはアンバランス位置を示している。回転中心０に対して重心オフセットｒが発生すると、回転体５１を回転させたとき、重心オフセット方向に遠心力Ｆが発生する。ここで、遠心力Ｆは角速度（回転数）ｗの二乗で大きくなるため、自動車エンジンなどの高速で回転する機器では振れ回り振動や破損を防止するため、回転体５１のアンバランスを規定値以下に抑える必要がある。
遠心力：Ｆ＝ｍ・ｒ・ｗ^２
ｍ：質量（ｋｇ）
ｒ：重心オフセット（ｍ）
ｗ：角速度（ｒａｄ／ｓ）

（２）回転駆動源３３の起動により回転する回転体保持軸３４が計測対象試料である回転体５１を回転させると、回転体５１の回転アンバランスによる遠心力によって揺動アーム３２に揺動運動が発生する。この揺動アーム３２の揺動運動において、回転駆動源３３の回転方向と同一方向に揺動アーム３２が移動した瞬間は回転駆動源３３の角速度が瞬間的に増速する。一方、揺動アーム３２が回転駆動源３３の回転方向と逆向きに動いた瞬間は回転駆動源３３の角速度が瞬間的に減速する。したがって揺動アーム３２の揺動運動によって回転駆動源３３が角速度変動（回転変動）する。回転体５１の回転アンバランスが大きければ揺動アーム３２を揺動させる起振力が大きくなり回転駆動源３３の回転変動も大きくなる。一方、回転体５１の回転アンバランスが小さければ揺動アーム３２を揺動させる起振力が小さくなり回転駆動源３３の回転変動も小さくなる。

（３）上記構成の回転アンバランス測定装置１１では、ロータリーエンコーダ１つよりなる測定部４１で回転アンバランスの位置（角度）とアンバランス量を検出する。揺動アーム３２は振り子の等時性によって揺動振動における共振周波数が規定される。回転駆動源３３の回転数すなわち加振周波数によってアンバランス遠心力とアーム揺動起動力の位相角が変化する。

回転駆動源３３の回転数（起振周波数又は加振周波数）が揺動アーム３２の揺動共振周波数よりも小さい場合、回転体５１の遠心力ベクトルＦと揺動アーム３２を揺動させる起振力ベクトルＦ２の位相角はほぼ同一（ゼロ度）若しくは９０度未満となる（起振力Ｆ２が遠心力Ｆから９０度未満遅れる、図３参照、矢印Ｓは揺動アームの揺動方向を示している、矢印Ｔは回転体５１の回転方向を示している）。回転駆動源３３の回転数と揺動アーム３２の共振周波数が一致した場合、揺動起振力Ｆ２は遠心力Ｆから９０度遅れる（図４参照）。回転駆動源３３の回転数が揺動アーム３２の共振周波数より高い場合、起振力ベクトルＦ２は遠心力ベクトルＦより９０度を超え１８０度以下の位相角となる（図５参照）。本発明では、揺動アーム３２の揺動共振周波数よりも回転駆動源３３の回転数すなわち加振周波数を明らかに高くし、遠心力ベクトルＦに対する起振力ベクトルＦ２の位相角が１８０度であるとして説明する（回転体５１が軽く小さい場合、回転数を高めて遠心力を大きくしたほうが計測速度が高いため）。

ロータリーエンコーダよりなる測定部４１は、回転駆動源３３の回転に応じてパルス信号を発生する。パルスの時間間隔が長ければ回転駆動源３３の回転数（角速度）は遅く、パルスの時間間隔が短ければ回転駆動源３３の回転数（角速度）は速いことを示す。すなわちパルスの時間間隔から回転駆動源３３の角速度を算出することができる。一方、パルス発生回数を数えることで、回転駆動源３３の位置（角度）を導くことができる。

当測定装置１１が静止し揺動アーム３２が初動位置にある状態のロータリーエンコーダ位置をゼロ角度とし、当測定装置１１稼働中の回転駆動源３３の角速度変動波形（図６参照）で極大ピークとなった瞬間のパルスが何個目であるかで、その瞬間の回転駆動源３３の位置を把握することができる。このときの回転駆動源３３の位置から１８０度位相が遅れた角度が計測対象試料である回転体５１のアンバランス位置Ｐであり、角速度変動波形の極大ピークの大きさがアンバランス量を表すことになる（図６のグラフ図はアナログ的な線図に見えるが、実際は離散数値（１パルス：１データ）の集合体である。したがって横軸時間ｓｅｃは回転駆動源３３の絶対角度ｄｅｇ（進行角度の累積）とみなすことができ、よって波形と回転駆動源３３の角度の関係からアンバランス角度を特定することができる）。

尚、実際はこのようなアナログ的な演算ではなくＦＦＴ等の計測機器を組み込むか、若しくは制御・演算マイコンにフーリエ変換などのプログラムを設定入力し、周波数分析によるアンバランス解析を実施する。

１１回転アンバランス測定装置
１２ベース
１３側面部
２１中心軸
３１揺動機構部
３２揺動アーム
３３回転駆動源
３３ａ駆動軸
３４回転体保持軸
３５駆動力伝達部
３６駆動プーリ
３７従動プーリ
３８駆動ベルト
４１測定部
４３アーム初動位置規定部
５１回転体

Claims

回転体における回転アンバランスの円周上位置及び大きさを測定する回転アンバランス測定装置であって、
垂直方向に立設された中心軸と、前記中心軸に対し揺動可能に組み付けられた揺動アームと、前記中心軸の上方であってかつ前記中心軸と同軸上に配置されるとともに前記揺動アームに取り付けられた回転駆動源と、前記揺動アームの揺動端又は揺動端近傍に回転可能に設けられた回転体保持軸と、前記回転駆動源の駆動力を前記回転体保持軸に伝達する駆動力伝達部と、ロータリーエンコーダよりなる測定部と、前記揺動アームの初動位置を規定する弾性要素よりなるアーム初動位置規定部と、を有し、
前記ロータリーエンコーダよりなる測定部は、前記回転駆動源の駆動軸又は前記回転体保持軸の回転に伴ってパルス信号を発生し、前記発生するパルスの時間間隔から前記回転駆動源の駆動軸又は前記回転体保持軸の角速度及び角速度変動波形を算出し、前記角速度変動波形における極大ピーク発生時のパルス発生回数から前記回転駆動源の駆動軸又は前記回転体保持軸の回転位置を算出し、前記回転位置から前記回転体における回転アンバランスの円周上位置を算出し、一方、前記角速度変動波形における極大ピークの大きさから前記回転体における回転アンバランスの大きさを算出することを特徴とする回転アンバランス測定装置。
請求項１記載の回転アンバランス測定装置において、
前記回転体は、自動車等車両に装着するクランクプーリ等のプーリ製品又はダイナミックダンパ若しくはトーショナルダンパ等のダンパ製品であることを特徴とする回転アンバランス測定装置。