JP6865735B2 - ひずみセンサ装置を備える転がり軸受アッセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、転がり軸受に作用するスラスト荷重を測定するひずみセンサ装置を有する軸受アッセンブリ、特に転がり軸受アッセンブリに関する。この軸受アッセンブリは、生じる力を検出するためにあらゆるタイプのスラスト軸受で使用することができる。好適な適用範囲は、工作機械における送りスピンドルにおけるねじ駆動装置軸受である。

独国特許出願公開第１０２００９０２１４６９号明細書には、軸受動作状況を検出するセンサ装置が組み込まれるとともに軸受輪に配置されたセンサハウジングを有する転がり軸受を備えるセンサ軸受ユニットが開示されている。センサハウジングは、軸受輪の自由な周面または端面に当接するアダプタリングとして構成されている。センサ装置は、たとえば力測定のためのセンサを有してよく、このセンサは、アダプタリングの、外側の軸受輪の端面に当接する脚部の内側面に配置されている。

独国特許出願公開第１０２５０３４０号明細書には、鋼製の軸受構成部材を有する、転がり軸受として構成された力測定軸受が記述されている。軸受構成部材は、ラジアル転がり軸受の軸受輪としてまたはスラスト転がり軸受の軌道盤として構成されてよい。厚膜として構成されたひずみゲージは、共通の１つの作業工程または分けられた複数の作業工程で鋼の調質処理により鋼構造部分に取り付けられる。ひずみゲージは、軸受輪の周方向溝に、または軌道盤の端面もしくは外側の周面に配置されてよい。

独国特許出願公開第４２１８９４９号明細書には、力測定装置を有する転がり軸受が含まれている。力測定装置は、力測定シートとして構成されていて、複数の軸受輪のうちの１つの軸受輪と直接に、または中間部材を介して間接に転がり軸受と結合されてよい。

独国特許出願公開第１０２００６０２１７０７号明細書には、転がり軸受により支承されたスピンドルと、スピンドルのスピンドルジャーナルを環状に包囲する圧電センサとを有する軸受アッセンブリが開示されている。センサは、転がり軸受に作用するスラスト荷重を測定するために用いられる。

ひずみゲージに基づく現存の利用可能な力測定システムの欠点は、この力測定システムがねじ駆動装置軸受において使用するのに所定の条件下でしか適合していないことである。というのも、力測定システムは、たいていは大きな構造スペースを必要とし、ねじ駆動装置にとって十分に大きな通過スペースを提供しないからである。必要とする構造スペースが小さく、ねじ駆動装置軸受に適合する直径を有する力測定のためのリングは、確かに圧電をベースとして知られているが、この構造では静的な測定には不適である。

したがって、本発明の課題は、転がり軸受に作用するスラスト荷重を測定するひずみセンサ装置を有する転がり軸受アッセンブリを提供することであり、その際、転がり軸受は、特にねじ駆動装置軸受として構成されている。ひずみセンサ装置は、コンパクトな構造を有するべきであり、必要な構造スペースが小さくなければならない。さらに、このような転がり軸受アッセンブリと転がり軸受により支承されたスピンドルとを有するアッセンブリが提供されるべきである。

本発明による課題を解決するために、請求項１に記載の転がり軸受アッセンブリおよび請求項７に記載の軸受アッセンブリが用いられる。

本発明に係る転がり軸受アッセンブリは、外輪と、内輪と、外輪に組み込まれたまたは外輪に取り付けられたひずみセンサ装置と有する転がり軸受を備え、ひずみセンサ装置は、転がり軸受に作用するスラスト荷重を測定する。ひずみセンサ装置は、環状の基本体を有する。本発明において、ひずみセンサ装置が、その内側の端面に、周方向で円弧状に延在する少なくとも１つの力導入要素を有することが重要である。力導入要素は、少なくとも１つのウェブ状の連結要素を介して、環状の基本体と結合されている。ひずみセンサ装置は、その外側の、転がり軸受から離反する側の端面に、ひずみセンサを収容する少なくとも１つの凹部を有する。凹部は、周方向で少なくとも力導入要素にわたって延在している。連結要素は、半径方向で凹部よりも小さな延伸長さを有する。環状の基本体は、フレーム固定式に固定されている。

本発明に係る転がり軸受アッセンブリの主な利点は、凹部の、測定がひずみセンサにより行われる領域だけに、強いひずみが生じることに認められる。力導入要素と連結要素とを介して、力が合目的に凹部の領域に導入される。しかも、システム全体の強度は維持されたままである。このことは、転がり軸受が送りスピンドルを支承するために用いられると特に有利である。というのも、送りスピンドルでは、システム全体の強度が力測定により不都合に影響されることがないからである。凹部の領域に生じるひずみ増加は、省スペースで、軸受の引張り方向および圧縮方向での軸方向の力測定を可能にする。

ひずみセンサ装置は、外輪の端面に取り付けられた別個の構成部材として実現されてよい。ひずみセンサ装置の取付けは、好適には、たとえばねじなどの機械的な取付け手段により行われる。別個のリングの態様でのひずみセンサ装置の使用は、様々な軸受に対するひずみセンサ装置の手間の掛からない組付けを可能にするとともに、もはや機能性を有しないセンサ装置の交換を可能にする。転がり軸受と取り付けられるひずみセンサ装置とは、必要な場合には１つの構成ユニットとして供給することができる。

代替的に、ひずみセンサ装置は、外輪の一体的な縁領域として構成されてもよい。この態様は、別個の構成部材を用意する必要がなく、これにより、組付けが簡単になるという利点を有する。さらにこの場合、ひずみセンサ装置のために追加的な構造スペースは不要である。しかし、外輪に相応の変更を講じなければならない。

ひずみセンサ装置のひずみセンサは、好適には、ひずみゲージとして構成されている。ひずみセンサは、同様に減径部の領域に取り付けられたセンサ機能を有する層から成ってもよい。しかし、ひずみセンサの記載の態様に限定すべきではない。

特に好適な態様によれば、ひずみセンサ装置は、対称に配置された２つの力導入要素と、相応する２つの連結要素と、それぞれ１つのひずみセンサを収容する２つの凹部とを有する。

本発明に係る軸受アッセンブリは、外輪と内輪とを有する転がり軸受と、外輪に組み込まれたまたは外輪に取り付けられたひずみセンサ装置であって、転がり軸受に作用するスラスト荷重を測定し、環状の基本体を有する、ひずみセンサ装置と、転がり軸受により支承されたスピンドルと、を備える。ひずみセンサ装置は、その内側の端面に、周方向で円弧状に延在している少なくとも１つの力導入要素を有する。力導入要素は、少なくとも１つのウェブ状の連結要素を介して環状の基本体と結合されている。ひずみセンサ装置は、その外側の、転がり軸受から離反する側の端面に、ひずみセンサを収容する少なくとも１つの凹部を有する。凹部は、周方向で少なくとも力導入要素にわたって延在している。連結要素は、半径方向で凹部よりも小さな延伸長さを有する。環状の基本体は、フレーム固定式に固定されている。

軸受アッセンブリは、好適な態様によれば、スピンドルを軸方向で支承する機械フレームを有する。ひずみセンサ装置は、好適には、外輪の端面にかつ機械フレームの端面に取り付けられている。ひずみセンサ装置を取り付けるために、好適には、たとえばねじなどの機械的な取付け手段が用いられる。

さらに、軸受アッセンブリが評価ユニットを有し、評価ユニットが、ひずみセンサと接続されていて、ひずみセンサから送られるデータを処理することが有利であると判っている。

以下、添付の図面に基づいて、本発明の好適な実施の態様およびその利点ならびに詳細を詳しく説明する。

第１の態様の、本発明に係る軸受アッセンブリの断面図である。 第２の態様の、本発明に係る軸受アッセンブリの断面図である。 ひずみセンサ装置の２つの斜視図である。

図１は、第１の態様の、本発明に係る軸受アッセンブリ０１の断面図を示している。まず本発明に係るアッセンブリ０１は、外輪０３と、内輪０４と、外輪０３と内輪０４との間に配置された転動体０５とを有する転がり軸受０２を備える。転がり軸受は、図示の態様では、複列スラストアンギュラ玉軸受として構成されている。他の適切な転がり軸受ももちろん考えられる。転がり軸受０２は、スピンドル０７を支承するのに用いられる。スピンドル０７は、好適には、ねじ駆動装置のねじ山付きスピンドルである。スピンドル０７に対する転がり軸受０２の取付けは、軸ナット０８により行われる。

軸受アッセンブリ０１は、さらにひずみセンサ装置０９を有する。ひずみセンサ装置０９は、図３に詳しく示されている。図３ａでは、特に、ひずみセンサ装置０９の、転がり軸受０２から離反する側である外側の端面の構成を看取することができる。図３ｂは、特に、ひずみセンサ装置０９の、転がり軸受０２に向いた側を示している。ひずみセンサ装置０９は、ねじ０６により、外輪０３の端面に取り付けられている。ひずみセンサ装置０９は、環状の基本体１０を有し、基本体１０は、その内側の端面に、対称に配置された２つの力導入要素１２を有する。力導入要素１２は、周方向で円弧状に延在している。力導入要素１２は、それぞれ１つのウェブ状の連結要素１３を介して環状の基本体１０と結合されている。基本体１０の、転がり軸受０２から離反する外側に、２つの凹部１４が加工されている。凹部１４は、周方向で力導入要素１２にわたって延在している。連結要素１３は、半径方向で凹部１４よりも小さな延伸長さを有する。凹部１４には、それぞれ１つのひずみセンサ１５が配置されている（図１、図２参照）。ひずみセンサ１５は、たとえば凹部１４の領域に取り付けられたひずみゲージとしてまたはセンサ機能を有する層の態様で実現されてよい。

ひずみセンサ装置０９を外輪０３に取り付けるために、外輪０３を通って力導入要素１２内へ延在するねじ０６が用いられる。孔１６は、相応する雌ねじ山を有する。ひずみセンサ装置０９は、外輪０３と機械フレーム１７との間に位置する。機械フレーム１７は、スピンドル０７を軸方向に支承するために用いられる。ねじ１８を介して、ひずみセンサ装置０９は、機械フレームの１７の端面に固定されている。ねじ１８を挿通するために、相応する孔１９がひずみセンサ装置０９の外側端面に加工されている。

軸受アッセンブリ０１は、好適には、評価ユニット（図示されていない）を有する。評価ユニットは、ひずみセンサ１５と接続されていて、ひずみセンサ１５から送られるデータを相応に処理する。

力導入要素１２を介して、ひずみセンサ装置０９に力が導入される。ウェブ状の連結要素１３は、凹部１４が位置する領域に対して加圧し、凹部１４に、力に応じたひずみを生成する。力導入要素１２の領域では、軸方向に作用する力が生じるときにひずみの増加が生じ、このひずみの増加は、ひずみセンサ１５による力測定において使用される。ひずみセンサ１５は、生じる力に応じて伸長し、これに基づいて測定信号を送る。このようにして、スラスト軸受荷重が直接に力伝達経路内で測定され、その際、総じて比較的小さな構造スペースしかセンサに必要とされない。

図２は、第２の態様の、本発明に係る軸受アッセンブリ０１の断面図を示している。上述の態様とは異なり、ここではひずみセンサ装置０９は、別個の構成部材として構成されているのではなく、外輪０３の縁領域に組み込まれて構成されている。したがって、ひずみセンサ装置０９のために追加的な構造スペースが不要である。

図３は、ひずみセンサ装置０９の２つの斜視図を示している。ここでは、とりわけウェブ状の連結要素１３が良好に看取される。連結要素１３は、力導入要素１２と環状の基本体１０との間に延在している。図示の例では、力導入要素１２は、軸対称に互いに反対側に位置する２つの円弧部分から成り、これにより、軸方向の力の導入に際して軸受の傾動が回避される。変化態様では、複数の円弧部分が設けられてもよく、または単一の力導入要素１２が、場合により全周にわたって延在している。

０１ アッセンブリ
０２ 転がり軸受
０３ 外輪
０４ 内輪
０５ 転動体
０６ ねじ
０７ スピンドル
０８ 軸ナット
０９ ひずみセンサ装置
１０ 環状の基本体
１２ 力導入要素
１３ 連結要素
１４ 凹部
１５ ひずみセンサ
１６ 孔
１７ 機械フレーム
１８ ねじ
１９ 孔

Claims (9)

1. 転がり軸受アッセンブリであって、
   外輪（０３）と、内輪（０４）と、前記外輪（０３）に組み込まれたまたは前記外輪（０３）に取り付けられたひずみセンサ装置（０９）とを有する転がり軸受（０２）を備え、前記ひずみセンサ装置（０９）は、前記転がり軸受（０２）に作用するスラスト荷重を測定し、環状の基本体（１０）を有する、転がり軸受アッセンブリにおいて、
   前記ひずみセンサ装置（０９）は、前記転がり軸受（０２）に向いた側の端面に、周方向で円弧状に延在する少なくとも１つの力導入要素（１２）を有し、該力導入要素（１２）は、少なくとも１つのウェブ状の連結要素（１３）を介して前記環状の基本体（１０）と結合されており、前記ひずみセンサ装置（０９）は、前記転がり軸受（０２）から離反する側の端面に、ひずみセンサ（１５）を収容する少なくとも１つの凹部（１４）を有し、前記凹部（１４）は、少なくとも周方向で前記力導入要素（１２）にわたって延在しており、前記連結要素（１３）は、半径方向で前記凹部（１４）よりも小さな延伸長さを有し、環状の前記基本体（１０）は、前記ひずみセンサ装置（０９）が固定される機械フレーム（１７）に固定できることを特徴とする、転がり軸受アッセンブリ。
2. 前記ひずみセンサ装置（０９）は、別個の構成部材として構成されており、前記ひずみセンサ装置（９）は、前記外輪（０３）の端面に取り付けられている、請求項１記載の転がり軸受アッセンブリ。
3. 前記ひずみセンサ装置（０９）は、前記外輪（０３）の縁領域に組み込まれて形成されている、請求項１記載の転がり軸受アッセンブリ。
4. 前記ひずみセンサ（１５）は、ひずみゲージである、請求項１から３までのいずれか１項記載の転がり軸受アッセンブリ。
5. 前記ひずみセンサ（１５）は、前記凹部（１４）の領域に取り付けられたセンサ機能を有する層から成る、請求項１から３までのいずれか１項記載の転がり軸受アッセンブリ。
6. 前記ひずみセンサ装置（０９）は、対称に配置された２つの前記力導入要素（１２）と、それぞれ１つの前記ひずみセンサ（１５）を収容する２つの前記凹部（１４）とを有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の転がり軸受アッセンブリ。
7. 軸受アッセンブリ（０１）であって、
   −外輪（０３）と内輪（０４）とを有する転がり軸受（０２）と、前記外輪（０３）に組み込まれたまたは前記外輪（０３）に取り付けられたひずみセンサ装置（０９）であって、前記転がり軸受（０２）に作用するスラスト荷重を測定し、環状の基本体（１０）を有する、ひずみセンサ装置（０９）と、
   −前記転がり軸受（０２）により支承されたスピンドル（０７）と、
   を備える、軸受アッセンブリ（０１）において、
   前記ひずみセンサ装置（０９）は、前記転がり軸受（０２）に向いた側の端面に、周方向で円弧状に延在する少なくとも１つの力導入要素（１２）を有し、該力導入要素（１２）は、少なくとも１つのウェブ状の連結要素（１３）を介して環状の前記基本体（１０）と結合されており、前記ひずみセンサ装置（０９）は、前記転がり軸受（０２）から離反する側の端面に、ひずみセンサ（１５）を収容する少なくとも１つの凹部（１４）を有し、該凹部（１４）は、少なくとも周方向で前記力導入要素（１２）にわたって延在しており、前記連結要素（１３）は、半径方向で前記凹部（１４）よりも小さな延伸長さを有し、環状の前記基本体（１０）は、前記スピンドル（０７）を軸方向で支承する機械フレーム（１７）に固定されていることを特徴とする、軸受アッセンブリ（０１）。
8. 前記ひずみセンサ装置（０９）は、前記外輪（０３）の端面と前記機械フレーム（１７）の端面とに取り付けられている、請求項７記載の軸受アッセンブリ。
9. 当該軸受アッセンブリは、前記ひずみセンサ（１５）と接続された、該ひずみセンサ（１５）から送られるデータを処理する評価ユニットを有する、請求項７または８記載の軸受アッセンブリ。

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