JP2006022837A - センサ付軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサと速度検出用の歯部とのエアーギャップを全周に亘って精度良く保持して、精度のよい検出を行うことが可能なセンサ付軸受装置を提供する。
【解決手段】 センサ付軸受装置１０において、内輪１７ｂとスリンガ２２及びエンコーダ２３が一体構造である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、センサ付軸受装置に関し、特に、機械装置や、鉄道車両、自動車、搬送車等の移動体に組み込まれる軸受装置の運転状態の検知や予防保全に用いられるセンサ付軸受装置に関する。

従来、鉄道車両等の車軸軸受では、車輪の空転検知や、軸受の異常検知（焼付き検知のための軸受温度検知、軸受破損検知のための振動検知）がセンサを用いて行なわれている。センサ付軸受装置の一例としては、軸受箱の前蓋にセンサを取り付けたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図４に示すように、特許文献１に開示されたセンサ付軸受装置１００は、車両の重量を支え、車軸１０１の回転を支持するグリース密封型の複列円すいころ軸受１０２を備えており、車軸１０１はこの複列円すいころ軸受１０２を介して軸受箱１０３に対して回転自在に支持されている。また、車軸１０１の端部には端面押え１０４が固定されており、端面押え１０４の外径に速度検出用の複数の歯部１０５が円周方向に等間隔に形成されている。また、軸受箱１０３に固定された前蓋１０６には、センサ１０７が組み付けられている。

センサ１０７は、速度検出用の歯部１０５に対して所定の隙間を保持して対向配置されている。センサ１０７は、速度検出用素子を有し、速度検出用の歯部１０５の回転に伴うパルス信号をカウントして回転を検知する。また、センサ１０７は、内蔵された、温度検出用素子、振動検出用素子によって、温度、振動を検出する。なお、１０８は、前蓋１０６に取り付けられた端面蓋である。
特開２００３−９０３３５号公報

ところで、図４に示したセンサ付軸受装置１００では、端面押え１０４及び速度検出用の歯部１０５は車軸１０１の軸端に配置されており、また、センサ１０７も前蓋１０６に取り付けられるため、軸受周りの軸方向長さが長くなるとともに、また軸受装置全体が重くなり、ばね下重量が増加してしまうという問題があった。また、センサ１０７と速度検出用の歯部１０５とのエアーギャップが部品の嵌め合い公差により初期調整が必要になり、その際前蓋１０６が邪魔になる問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、センサと速度検出用の歯部とのエアーギャップを全周に亘って精度良く保持して、精度のよい検出を行うことが可能なセンサ付軸受装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、以下の構成により達成される。
（１） 回転輪、静止輪、及び該回転輪と該静止輪との間に転動自在に配置された転動体とを有する転がり軸受と、
前記回転輪と共に回転可能なエンコーダと、
該エンコーダと径方向において対向する位置で、前記静止輪或いは前記静止輪と固定される部材に取り付けられるセンサと、
を備え、
前記回転輪と前記エンコーダは一体構造であることを特徴とするセンサ付軸受装置。
（２） 前記静止輪に固定されたシールケースと、
前記回転輪と共に回転可能で、前記シールケースと対向してシール手段を構成するスリンガと、
をさらに備え、
前記回転輪と前記スリンガ及び前記エンコーダは一体構造であることを特徴とする（１）に記載のセンサ付軸受装置。

本発明のセンサ付軸受装置によれば、回転輪とエンコーダが一体構造であるように構成したので、センサと速度検出用の歯部とのエアーギャップを全周に亘って精度良く保持して、精度のよい検出を行うことができる。

以下、本発明の各実施形態に係るセンサ付軸受装置を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１及び図２は、本発明に係る第１実施形態のセンサ付軸受装置を示す縦断面図である。図１及び図２に示すように、第１実施形態のセンサ付軸受装置１０は、鉄道車両用センサ付軸受装置であり、車軸１１が、図示しない車輪を支持固定した状態で、軸受箱１２の内径側で、本発明の転がり軸受であるグリース密封型の複列円すいころ軸受１３により、回転自在に支持されている。

複列円すいころ軸受１３には、種々部材の重量等によるラジアル荷重と任意のアキシアル荷重とが負荷される。複列円すいころ軸受１３は、軸受箱１２に内嵌され、円錐面状に傾斜した一対の外輪軌道面１４を内周面に有する単一の外輪１５と、車軸１１に外嵌され、円錐面状に傾斜した内輪軌道面１６ａ，１６ｂを外周面に有する一対の内輪１７ａ，１７ｂを有する。

また、複列円すいころ軸受１３は、外輪１５の外輪軌道面１４と内輪１７ａ，１７ｂの内輪軌道面１６ａ，１６ｂとの間に複列で複数配置された円すいころ１８と、円すいころ１８を転動自在に保持する環状の保持器１９とを有する。複列円すいころ軸受１３の内部には、グリース等の潤滑剤が封入されている。

一対の内輪１７ａ，１７ｂ間には、内輪間座２０が組み付けられている。一方の内輪１７ａの内輪間座２０と反対側の軸方向端部には、他の内輪間座２１が設けられている。また、他方の内輪１７ｂは、スリンガ２２とエンコーダ２３とが一体構造となった単一の内輪ユニット２４からなる。この内輪ユニット２４は、内輪１７ｂの内周面において所定の締め代を持って車軸１１と嵌合し、スリンガ２２とエンコーダ２３の内周面において所定の隙間を持って車軸１１と嵌合している。内輪ユニット２４の内輪間座２０と反対側の軸方向端部には、前蓋２５の端部が当接しており、前蓋２５をボルト２６によって車軸１１と締結することで、内輪ユニット２４は軸方向に位置決めされる。

外輪１５の両端部には、一対のシールケース２７，２８が組み付けられている。シールケース２７，２８は、軟鉄をプレス加工することにより薄肉に成形されており、外輪１５側から外径が段階的に小さくなるようにして円筒形状に形成されている。シールケース２７と内輪間座２１との間には、オイルシール２９が配置されると共に、シールケース２７の先端部２７ａとこの先端部２７ａを囲むように内輪間座２１に設けられた凹部２１ａとでラビリンスシール３０を構成する。一方、シールケース２８とスリンガ２２との間には、径方向内方に延びるシールケース２８のフランジ部２８ａから複列円錐ころ軸受１３側に向かってほぼ９０度に折曲げされた先端部２８ｂと、この先端部２８ｂを囲むようにスリンガ２２に設けられた凹部２２ａとでシール手段であるラビリンスシール３１を構成する。これにより、複列円錐ころ軸受１３内部に封入した潤滑剤が外部に漏洩するのを防止すると共に、複列円すいころ軸受１３内部へ異物が侵入するのを防止している。

エンコーダ２３は、その外周面に速度検出用の複数の歯部３２が円周方向に等間隔に備えられた歯車からなり、磁気特性は、円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化している。なお、エンコーダ２３は、上記歯車に限定されず、磁石を外周面にＳ極とＮ極を交互に且つ等間隔に貼り付けたものでもよい。

図１に示すように、シールケース２８には、フランジ部２８ａの円周方向に離れた位置に、一対のボルト３３，３３が車軸１１の軸方向外方に向けて突出して固定されている。 この一対のボルト３３、３３には、センサ筐体３４の側部に形成された一対のフランジ部３５，３５のネジ孔を挿通した後、緩み止めナット３６，３６がねじ込まれている。また、シールケース２８には、フランジ部２８ａから外輪１５側に向かう円筒部２８ｃに、ボルト３７が径方向外方に突出して固定されている。このボルト３７には、センサ筐体３４のフランジ部３４ｂに挿通されてから、緩み止めナット３８がねじ込まれている。これにより、センサ筐体３４はシールケース２８に固定される。センサ筐体３４は、底部にセンサ孔３４ａが形成されると共に、カバー３９により密閉されている。

緩み止めナット３６，３６，３８は、雌ねじ部の端部に、弾性を有するフリクションリングを組み込んだＵナットである（Ｕナットは（株）富士精密の登録商標。）。緩み止めナット３６，３６，３８は、ボルト３３，３３，３７に対して十分にねじ込まれた状態で、フリクションリングがボルト３３，３３，３７の雄ねじを押圧することにより、自由回転を阻止して緩みを防止することができる。

センサ筐体３４は、Ａ２０１７，Ａ２０２４，Ａ５０５６，Ａ６０６１，Ａ７０７５等のアルミニウム合金にアルマイト処理が施されたアルミニウム合金製のものからなる。アルミニウム合金製のセンサ筐体３４は、プラスチック製のものに比べて機械的強度に優れており、鉄製のものに比べて軽量であるために、センサ筐体３４が取り付けられるシールケース２８に負担をかけることがない。また、アルミニウム合金製のセンサ筐体３４は、プラスチック製のものに比べて、熱伝導率が良好なので、軸受温度の測定を精度良く行うことができる。また、センサ筐体３４は、アルミニウム合金にアルマイト処理等の表面処理が施されているために、アルミニウムの防食性をさらに高めることができる。なお、表面処理はアルマイト処理以外の通常のメッキ処理等でも良いが、アルマイト処理等の陽極酸化処理を用いた表面処理の方が被膜特性において優れている。

センサ筐体３４とフランジ部２８ａとの間の隙間には、シリコン樹脂やエポキシ樹脂等の樹脂４０が充填されている。即ち、鉄製のシールケース２７とアルミニウム合金製のセンサ筐体３４間の取付け面の隙間部分に樹脂４０が充填されることで、取付け部の隙間部分に水分が浸入せずに、アルミニウムと鉄の基準電位の差に基づくアルミニウム合金の溶出が生じない。その結果、センサ４１の耐久性を高めることができる。

センサ４１は、センサ筐体３４内に配置された基板４２上に固定される、速度検出素子４３、温度検出素子４４、加速度検出素子（振動検出素子）４５を有しており、車両用軸受装置１０の運転状況を高精度で検出する。

速度検出素子４３は、エンコーダ２３の外周面に形成された歯部３２と非接触で対向するように、センサ筐体３４のセンサ孔３４ａ内に配置されており、車軸１１に固定されたエンコーダ２３の回転を検出することで、車軸１１の回転を計測して、例えばパルス状の電気信号を発生する。発生した電気信号は、入出力信号ケーブル４６を通じて制御回路（不図示）に送られて監視される。なお、回転方向を測定する場合は、１個のセンサ筐体３４内に速度信号パルスが約９０度位相になる位置に速度検出素子４３を２個配置するとよい。また、速度検出素子４３を１個有したセンサ筐体を２個取り付けても同様の効果を得ることができる。この際、前記の構成と同じように、速度信号のパルスが約９０度位相になるように２個のセンサ筐体を配置するのがよい。

また、大部分の使用目的が回転速度の測定だけでよく、一部の軸受のみ回転方向を測定する必要がある場合は、速度検出素子４３を１個有するセンサ筐体のみを製作しておき、回転方向の測定が必要な軸受にのみセンサ筐体を２個取り付けることで回転速度と回転方向の測定が可能である。そうすれば、製作するセンサの種類を増やす必要がなく、低コスト化を実現できる。また、温度或いは振動検出が不要な場合は、基板４２から温度検出素子４４或いは振動検出素子４５を取り外しての使用も可能であり、一種類の筐体でのバリエーションが可能である。

温度検出素子４４は、センサ筐体３４の円すいころ軸受１３に近い、シールケース２８側に配されており、シールケース２８を介して伝達される円すいころ軸受１３内部の雰囲気温度を常時測定して制御回路に与えることで、潤滑剤切れ等による焼付きの発生を防止する。このとき、シール手段として、非接触のシールであるラビリンスシールを用いているため、発熱がなく、円すいころ軸受１３の発熱を精度良く測定することができる。また、センサ筐体３４をアルミニウム合金で構成すると共に、温度検出素子４４を他の検出素子よりシールケース側に配しているので、シールケース２８の温度をより正確に測定できる。また、センサ筐体３４と、フランジ部２８ａとの間に熱伝導性の良いシリコン樹脂等を充填すると、さらに精度良く温度を測定できる。

振動検出素子４５は、軸方向の振動を検出するセンサであり、円すいころ１８、外輪１５、内輪１７ａ，１７ｂに与えられた振動成分を電気信号に変換して制御回路に送る。振動検出素子４５は、軸方向の振動のみを測定しているので、円すいころ軸受１３の剥離や傷等の異常振動を精度良く測定できるとともに、車軸１１の偏摩耗も精度良く測定することができる。また、取付け位置（位相）は円周上の任意の場所に設定することができる。

上記のように構成されたセンサ付軸受装置１０によれば、内輪１７ｂとエンコーダ２３とが一体構造であるように構成したので、エンコーダ２３の歯部３２の車軸１１に対する同軸度の精度が向上し、振れ回りが抑制される。従って、センサ４１と速度検出用の歯部３２とのエアーギャップが全周に亘って精度良く保持され、精度のよい検出を行うことができる。その結果、回転数の検出は勿論、角速度の検出も精度よく行え、車輪１１の瞬間的な滑りも検出することができる。また、部品点数が削減できるためメンテナンスコストを低減することができる。

また、内輪１７ｂとエンコーダ２３と共に、スリンガ２２も一体構造としたので、部品点数がより削減される。さらに、スリンガ２２は車軸１１と所定の隙間を持って嵌合したので、この内輪ユニット２４を車軸１１に圧入する際の圧入長さが短くなり、圧入力が軽減し、軸受組込み時の効率が上がる。また、従来はスリンガと内輪が別体であったため、両者の端面間の微小滑りによりフレッチングが発生し、その摩耗粉が軸受内に侵入し潤滑に悪影響を与えることがあったが、内輪１７ｂとスリンガ２２とエンコーダ２３とを一体構造とすることによりこのような問題も回避できる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態のセンサ付軸受装置について図３を参照して説明する。図３は本発明に係る第２実施形態のセンサ付軸受装置の縦断面図である。なお、第１実施形態と同一または同等部分については、同一の符号を付し、説明を省略或いは簡略化する。

図３に示すように、第２実施形態のセンサ付軸受装置５０は、第１実施形態と同様に、内輪１７ｂとスリンガ２２とエンコーダ５１が一体構造として構成されている。ただし、速度検出用の歯部５２は、別体のリング状に形成されており、内輪１７ｂとスリンガ２２と一体に構成された内輪ユニット５３の筒状部５４に圧入されてエンコーダ５１を構成している。

従って、第２実施形態のセンサ付軸受装置５０によれば、速度検出用の歯部５２を別体としたので、内輪ユニット５３を簡潔に構成することができ、全体としてコストダウンを図ることができる。その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

なお、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
例えば、転がり軸受は、複列円すいころ軸受に限らず、その他、複列深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、等の各種転がり軸受を適用しても良い。
また、センサに内蔵される検出素子は少なくとも速度検出素子を含んでいればよく、軸受装置の運転状況を高い精度で監視する上で、温度検出素子、加速度検出素子の少なくとも一つをさらに含んでいることが望ましい。
さらに、本実施形態では、センサの取り付け位置を車軸の下方としたが、軸箱及び軸箱周辺との干渉がなければ、車軸周りのいずれの位置に配置されてもよい。
また、本実施形態では、センサを取り付けるための、静止輪と固定される部材としてシールケースを用いたが、センサは軸受箱に取り付けるようにしてもよく、或いは、静止輪に取付けられる構成であってもよい。

本発明に係る第１実施形態のセンサ付軸受装置を示す正面図である。 図１に示したセンサ付軸受装置の縦断面図である。 本発明に係る第２実施形態のセンサ付軸受装置を示す縦断面図である。 従来のセンサ付軸受装置の断面図である。

符号の説明

１０，５０ センサ付軸受装置
１１ 車軸
１２ 軸受箱
１３ 円すいころ軸受（転がり軸受）
１５ 外輪（静止輪）
１７ａ，１７ｂ 内輪（回転輪）
１８ 転動体
２２ スリンガ
２３，５１ エンコーダ
２４，５３ 内輪ユニット
２７，２８ シールケース
２９ オイルシール
３１ ラビリンスシール（シール手段）
３２，５２ 速度検出用の歯部
３４ センサ筐体
４１ センサ
４３ 速度検出素子
４４ 温度検出素子
４５ 加速度検出素子

Claims (2)

1. 回転輪と静止輪と、該回転輪及び該静止輪との間に転動自在に配置された転動体とを有する転がり軸受と、
   前記回転輪と共に回転可能なエンコーダと、
   該エンコーダと径方向において対向する位置で、前記静止輪或いは前記静止輪と固定される部材に取り付けられるセンサと、
   を備え、
   前記回転輪と前記エンコーダは一体構造であることを特徴とするセンサ付軸受装置。
2. 前記静止輪に固定されたシールケースと、
   前記回転輪と共に回転可能で、前記シールケースと対向してシール手段を構成するスリンガと、
   をさらに備え、
   前記回転輪と前記スリンガ及び前記エンコーダは一体構造であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ付軸受装置。

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