JP2011174824A - Apparatus for evaluation of bearing rigidity - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、予圧が付与された複列軸受、組合せ軸受などの転がり軸受、特に車輪支持用のハブユニット軸受に対する軸受剛性を評価する軸受剛性評価装置に関する。 The present invention relates to a bearing stiffness evaluation apparatus that evaluates bearing stiffness for rolling bearings such as double row bearings and combination bearings to which preload is applied, particularly hub unit bearings for supporting wheels.
従来より、このような転がり軸受においては、軸受が組み込まれる機械の性能面から高剛性が要求されている。しかし、予圧量を多くして剛性を高くし過ぎると、予圧過大となって軸受性能(摩擦モーメント増大、異常発熱、疲れ寿命など)の低下を招いてしまう。従って、軸受の剛性値を予圧量と関連付けながら一定の範囲内で制御する必要がある。 Conventionally, in such a rolling bearing, high rigidity is required from the viewpoint of the performance of the machine in which the bearing is incorporated. However, if the amount of preload is increased to increase the rigidity too much, the preload becomes excessive and the bearing performance (increased friction moment, abnormal heat generation, fatigue life, etc.) is reduced. Therefore, it is necessary to control the rigidity value of the bearing within a certain range while associating it with the preload amount.
従来より、この軸受の剛性値を予圧量と関連付けて測定するための手段として、内外輪を固定しない状態の軸受において内輪を軸受軸方向(以下、軸方向と言う)から加振し、内輪または内輪に嵌合した軸体(以下、内輪と言う)および外輪の加振位置に対して軸方向端面に設けられた振動検出センサから軸方向振動を検出することにより剛性評価を行う方法が知られている。この方法は、外輪および内輪を質点とし、軸受を内輪−ばね(転動体)−外輪の2自由度系とする振動モデルを用いるもので、図5(b)のように模式的に示される。この図のように、軸方向の振動Vを内輪に付与し、軸受に負荷された予圧量および軸受剛性に敏感な、外輪および内輪の軸方向振動を検出する。この振動から軸受の固有振動数を求め、その大きさに基づき剛性の良否が判定される。 Conventionally, as a means for measuring the rigidity value of this bearing in association with the amount of preload, the inner ring is vibrated from the bearing axial direction (hereinafter referred to as the axial direction) in a bearing in which the inner and outer rings are not fixed, There is a known method for evaluating rigidity by detecting axial vibration from a vibration detecting sensor provided on an axial end surface of a shaft body (hereinafter referred to as an inner ring) fitted to an inner ring and an excitation position of an outer ring. ing. This method uses a vibration model having an outer ring and an inner ring as mass points and a bearing having a two-degree-of-freedom system of an inner ring-spring (rolling element) -outer ring, and is schematically shown in FIG. 5B. As shown in this figure, an axial vibration V is applied to the inner ring, and axial vibrations of the outer ring and the inner ring, which are sensitive to the amount of preload applied to the bearing and the bearing rigidity, are detected. The natural frequency of the bearing is obtained from this vibration, and the quality of the rigidity is determined based on the magnitude.
近年、車輪支持用のハブユニット軸受において、外輪フランジ部分が、軸受軸方向に垂直な平面上における上下左右(以下、上下左右と云う)で非対称形状を有するものが増えている。このような軸受の剛性評価を従来の外輪を固定しない状態で振動させる方法で行った場合、外輪フランジ部の質量分布が上下左右で非対称となるため、図5(c)のように、外輪にモーメントMが負荷され、外輪は軸方向以外の方向にも振動してしまう。その結果、外輪の軸方向振動の検出が難しく、固有振動数の検出が困難となり、剛性の良否の正確な誤判定が出る虞がある。この問題を解決する手法として、特許文献1には、内輪を固定した状態で内輪を軸方向に加振し、内輪に設けた一つのセンサと外輪に設けた複数のセンサから、外輪および内輪の振動を検出する手法が記載されている。この方法では、図5(d)のように、内輪の振動と、外輪の複数個所に設置された各センサの振動との位相差が得られる。この位相差から軸方向成分およびそれ以外の複数の振動成分を得ることができ、ここから軸方向振動を特定することにより固有振動数を求め、剛性を評価している。
In recent years, in hub unit bearings for supporting wheels, an outer ring flange portion has an increasing number of asymmetrical shapes in the upper, lower, left, and right sides (hereinafter referred to as upper, lower, left, and right) on a plane perpendicular to the bearing axial direction. When the conventional rigidity evaluation of the bearing is performed by a method of vibrating without fixing the outer ring, the mass distribution of the outer ring flange portion is asymmetrical in the vertical and horizontal directions, and as shown in FIG. The moment M is applied, and the outer ring vibrates in directions other than the axial direction. As a result, it is difficult to detect the axial vibration of the outer ring, it is difficult to detect the natural frequency, and there is a possibility that an accurate erroneous determination of whether the rigidity is good or not may occur. As a technique for solving this problem,
しかし、特許文献1の方法では、振動信号から複数の振動成分を抽出するために、外輪の振動を検出するセンサが少なくとも2つは必要となってしまう。また、複雑な計算も必要となり、剛性の評価に時間がかかるという問題がある。以上の観点から、本発明は、予圧が付与された軸受、特に上下左右で非対称な外輪形状を有する軸受の軸受剛性の良否を正確に判定することができる軸受剛性評価装置を提供することを第一の目的としている。また、剛性評価のための振動信号の処理を高速化し、低コストな軸受剛性評価装置を提供することを第二の目的としている。
However, in the method of
本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
(1)予圧が付与された複列軸受、組合せ軸受などの軸受に対する軸受剛性を評価する軸受剛性評価装置において、前記軸受の外輪を固定する外輪固定手段と、前記軸受の内輪と該内輪に嵌合された軸体とのいずれか一方に軸方向に所定周波数の振動を与える加振装置と、前記内輪と該内輪に嵌合された軸体とのいずれか一方の軸中心位置での振動を検出する振動検出手段と、を備えることを特徴とする軸受剛性評価装置。
(2)前記外輪固定手段は、空圧チャック、油圧チャック、マグネットチャック、または真空チャックのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の軸受剛性評価装置。
(3)前記振動検出手段は、変位型センサ、速度型センサ、または加速度型センサのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の軸受剛性評価装置。
(4)前記振動検出手段から出力された振動信号をFFT分析し、FFT分析から得られた周波数波形から軸受予圧と相関の高い周波数ピークを抽出するFFT分析部と、前記周波数ピークを予め設定した周波数範囲と比較し、軸受剛性の良否を判定する比較判定部と、前記判定の結果を表示または記録する表示/記録部と、を備えることを特徴とする請求項1乃至3に記載の軸受剛性評価装置。
The above object of the present invention can be achieved by the following constitution.
(1) In a bearing rigidity evaluation apparatus for evaluating bearing rigidity of a bearing such as a double row bearing or a combination bearing to which preload is applied, an outer ring fixing means for fixing an outer ring of the bearing, an inner ring of the bearing, and an inner ring fitted to the inner ring Vibration at a center position of either the inner ring or the shaft fitted to the inner ring is applied to a vibration device that applies a predetermined frequency vibration in the axial direction to any one of the combined shaft bodies. And a vibration detecting means for detecting the bearing rigidity.
(2) The bearing rigidity evaluation apparatus according to
(3) The bearing rigidity evaluation apparatus according to
(4) FFT analysis is performed on the vibration signal output from the vibration detection means, and a frequency peak highly correlated with the bearing preload is extracted from the frequency waveform obtained from the FFT analysis, and the frequency peak is set in advance. The bearing rigidity according to any one of
以上のような構成により、本発明に係る軸受剛性評価装置は、外輪が固定されているため、加振器により外輪は振動することはない。すなわち、図5(a)に模式的に示すように、内輪−バネ(転動体)の1自由度系となる。そのため、上下左右で非対称な外輪形状を有する軸受であっても、その形状の影響を受けることなく、内輪の軸方向振動を正確に検知することができるので、軸受の固有振動数の正確な算出が可能となる。その結果、上下左右で非対称な外輪形状を有する軸受でも予圧量および軸受剛性の良否を正確に判定することができる。また、予圧量および剛性値の評価において、内輪または該内輪に嵌合した軸体の軸方向振動のみを考慮すればよいので、判定のための振動信号の処理が高速化できる。さらに、内輪または該内輪に嵌合した軸体の軸方向振動のみを検出すればよいので、振動センサが一つで良く低コストとなる。このため、本発明の軸受剛性評価装置は、外輪やその他の要素が非対称形状を有さない軸受にも有効である。 With the configuration as described above, the outer ring is not vibrated by the vibrator because the outer ring is fixed in the bearing rigidity evaluation apparatus according to the present invention. That is, as schematically shown in FIG. 5 (a), an inner ring-spring (rolling element) one-degree-of-freedom system is formed. Therefore, even for bearings with an outer ring shape that is asymmetrical in the vertical and horizontal directions, it is possible to accurately detect the axial vibration of the inner ring without being affected by the shape, so that the natural frequency of the bearing can be accurately calculated. Is possible. As a result, it is possible to accurately determine the quality of the preload and the bearing rigidity even in a bearing having an outer ring shape that is asymmetrical in the vertical and horizontal directions. Further, in the evaluation of the preload amount and the rigidity value, it is only necessary to consider the axial vibration of the inner ring or the shaft body fitted to the inner ring, so that the processing of the vibration signal for determination can be speeded up. Furthermore, since it is only necessary to detect the axial vibration of the inner ring or the shaft fitted to the inner ring, only one vibration sensor is required and the cost is reduced. For this reason, the bearing rigidity evaluation apparatus of the present invention is also effective for a bearing in which the outer ring and other elements do not have an asymmetric shape.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は本発明の軸受剛性評価装置の第1実施形態の全体構成を示すブロック図である。本実施形態に係る軸受剛性評価装置10は、図1に示すように、予圧が付与された軸受に所定の周波数の振動を与える加振部1と、軸受の内輪の振動を検出するための振動検出部2と、検出された軸受の内輪の振動から軸受の剛性を求めるとともに、その求めた軸受剛性から軸受に付与された予圧を算出するための演算処理部3と、外輪を固定するための外輪固定部5と、を備え、本装置には、自動車の車輪に取り付けられるハブユニット軸受4が被測定軸受として取り付けられている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the first embodiment of the bearing stiffness evaluation apparatus of the present invention. As shown in FIG. 1, the bearing
被測定軸受であるハブユニット軸受4は、内周に2列の転走面が形成された外輪42と、外輪42の一方の転走面に対向する転走面が外周に形成されたハブシャフト41と、外輪42の他方の転走面に対向する転走面が外周に形成された内輪部材45とを有し、内輪部材45はハブシャフト41に圧入され、内輪部材45とハブシャフト41とは互いに協働して外輪42に対する内輪を構成する。外輪42とハブシャフト41および内輪部材45との間にはボール43,44が挿入されている。ハブシャフト41の一方の端部にはハブフランジ41aが一体に形成され、該フランジ41aにはハブユニット軸受4を取付対象部位に固定するためのボルトを受け入れるための複数の穴(図示せず)が設けられている。ハブシャフト41の途中部位には肩部が形成されているとともに、他方の端部には、ナット46を螺合するねじ部41bが形成されている。内輪部材45は、その端部がハブシャフト41の前記肩部に押し当てられながらねじ部41bに螺合されているナット46により締め付けられ、この締付けにより外輪42とハブシャフト41および内輪部材45間のボール43,44に対して予圧が付与されている。また、外輪42とハブシャフト41とが互いに対向する端面間には、負隙間が形成されている。さらに、外輪42の外周面の軸方向略中間位置に円環状リブが形成され、この円環状リブにはボルト挿通穴(図示せず)を有して径方向外方に向かって延びる複数個の外輪フランジ42aが周方向に任意の間隔を存して形成されている。
The hub unit bearing 4 which is a bearing to be measured includes an
この外輪フランジ42aは、外輪固定部5により挟持され固定される。すなわち、外輪固定部5は、外輪フランジ42aを挟持する断面コ字状の溝を有し、複数に分割されたチャック部51と、チャック部51を保持し加振器1を内包する筐体部52と、を備える。筐体部52は、図1に示すように、加振器1を設置するための底板部52aと、チャック部51を保持するための中板部52bと上板部52cおよび側板52dと、から成る。側板52dのチャック部51と対向する部分には、少なくとも油または空気を注入するための注入孔52eが設けられている。
The
このような構成の外輪固定部5において、外輪フランジ42aをチャック部51に挟持した後、支持箱52の外方に設置されたポンプ等からこの注入孔52eへ油又は空気等を注入して、チャック部51をハブユニット軸受4の中心軸方向(径方向内方)へ移動させながら加圧することで、外輪フランジ42aは支持固定され、ハブユニット軸受4の外輪42は外輪固定部5に固定される。すなわち、チャック部51は油圧チャックまたは空圧チャックとなる仕組みである。
In the outer
加振部1は、測定周波数帯の下限から上限周波数まで高速に正弦波を掃引する電圧波形を発生する発振器1aと、発振器1aから発生された電圧波形に対応する振幅および周波数を有する加振力を発生する動電型加振機1bと、動電型加振機1bで発生された加振力をハブユニット軸受4のハブシャフト41に伝達するための加振棒1cと、ハブユニット軸受4の第1の内輪41を設置するための内輪設置台1dとを有し、内輪設置台1d上には第1の内輪41のフランジ部41aが載置されている。ここでは、測定周波数帯域として1〜5kHzが設定され、振幅が一定である正弦波を掃引して電圧波形を発生することにより、1〜5kHzで振幅一定の加振力を発生するように設定されている。よって、上記加振力によりハブユニット軸受4には振動が励起される。発振器からハブシャフト41に付与される振動が、加振棒1c以外からハブユニット軸受4に伝わらないように、動電型加振機1bと内輪設置台1dとの間、および内輪設置台1dと外輪固定部5の側板52dとの間には隙間が形成されている。また同様の理由から、動電型加振機1bと内輪設置台1dは、防振ゴム等の防振材1eを介して、外輪固定部5の底板部52aの上に設置される。
The
振動検知部2は、振動検出センサ21と、増幅器22と、を備える。振動検出センサ21はハブシャフト41の中心位置に配置され、検出したハブシャフト41の軸方向の振動波形を電圧信号として出力する。この振動検出センサ21には、変位型や速度型、加速度型の振動検出センサを用いることができる。振動検出センサ21から出力された電圧信号は、増幅器22により増幅された後、演算処理部3へ送信される。
The
演算処理部3は、FFT分析部31と、比較判定部32と、表示/記録部33と、を有する。演算処理部3へ送信された電圧信号は、まずFFT分析部31へ入力され、ここで入力された電圧信号を高速フーリエ変換(FFT;Fast Fourier Transform)し、周波数スペクトルデータが算出され、少なくとも一つの、軸受予圧と相関の高い周波数ピーク、すなわち固有振動数を表す周波数ピークが抽出される。次に、該周波数ピークは比較判定部32へ送信され、予め設定された周波数範囲と比較され、この範囲内に該周波数ピークが存在するか否かで予圧量および剛性の良否が判定される。比較判定部32にて得られた結果は、表示/記録部33に送信されて、モニター等の画面上に表示されると共に、記録される。この演算処理部3は、例えば、既存のオペレーションシステムと剛性評価実行用ソフトウェアアプリケーションがインストールされたパーソナルコンピュータを用いて構成してもよいし、各部毎に独立した処理回路や、保存回路から構成される演算ユニットとして構成してもよい。
The arithmetic processing unit 3 includes an
ここで、予圧量および剛性の良否判定に用いられる前記周波数範囲の決定方法について説明する。まず、軸受剛性の被測定物のマスターを軸受剛性評価装置10に設置する。マスターを加振して得られた周波数スペクトルデータから、固有振動数を示す一次モードから数次モードの周波数が得られる。そのうち最も高いピークを示すモードの周波数を指標とし、適正な予圧範囲を負荷した場合における該モードの周波数範囲を得る。これが前記判定に用いる周波数範囲となる。
Here, a method of determining the frequency range used for determining the quality of the preload amount and the rigidity will be described. First, a master of an object to be measured for bearing rigidity is installed in the bearing
図2(a)は、外輪を固定して測定されたハブユニット軸受4の周波数スペクトルである。また図2(b)は、従来の方法のようにハブユニット軸受4の外輪42を固定しない方法で得られた周波数スペクトルである。横軸は周波数(Hz)、縦軸は周波数レベルを、また太線は予圧が大きい場合、細線は予圧が小さい場合を示している。
FIG. 2A is a frequency spectrum of the hub unit bearing 4 measured with the outer ring fixed. FIG. 2B is a frequency spectrum obtained by a method in which the
従来のように外輪42を固定しなかった場合、図2(b)のように、各波形に複数の周波数スペクトルのピークが見られる。この中で軸受の固有振動数の周波数を表すピークはF3およびF4のみであり、その他のピークは軸方向振動以外に関するピークである。このように、軸受の固有振動数の周波数を表すピークと同等以上のピークがある場合、剛性評価の過程において、予め設定された前記周波数範囲と比較すべき固有振動数の周波数を表すピークとして、F3、F4以外のピークを選出してしまうなど、このようなピークは誤判定の原因となる可能性がある。
When the
一方、外輪42を固定した場合、図2(a)のように、各波形に1つずつ周波数スペクトルのピークF1、F2を得ることができる。このピークF1およびF2が、軸受の固有振動数の周波数を表すピークである。図2(b)のように誤判定の原因となるピークが存在していないことがわかる。すなわち、本実施形態の剛性評価装置10を用いることにより、予圧量、すなわち軸受剛性の良否を正確に判定することができる。
On the other hand, when the
以上のような構成により、本実施形態に係る軸受剛性評価装置10では、外輪固定部5に備えられたチャック部51により外輪フランジ42aが挟持され外輪42が固定されているため、加振器1により外輪42は振動することはない。すなわち、図5(a)に模式的に示すように、ハブシャフト(内輪)−バネ(転動体)の1自由度系となる。このため、上下左右で非対称な形状を有する外輪42の影響を受けることなく、ハブシャフト41の軸方向振動を正確に検知することができるので、軸受の固有振動数の正確な算出が可能となる。その結果、上下左右で非対称な外輪を有する軸受でも予圧量および軸受剛性の良否を正確に判定することができる。
With the configuration as described above, in the bearing
また、予圧量及び剛性値の評価においてハブシャフト41の振動のみを考慮すればよいので、判定のための振動信号の処理が高速化できる。さらに、ハブシャフト41の振動のみを検出すればよいので、振動センサが一つで良く低コストとなる。このため、本実施形態の軸受剛性評価装置は、外輪やその他の要素が非対称形状を有さない軸受にも有効である。
Further, since only the vibration of the
(第2実施形態)
図3は本発明の軸受剛性評価装置の第2実施形態の全体構成を示すブロック図である。本実施形態に係る軸受剛性評価装置20では、図3に示すように、マグネットチャック53により外輪フランジ42aが挟持され、外輪固定部5に外輪42が固定される構成となっている。このような構成により、図1のように油または空気を注入するための注入孔やポンプ等が必要なく、剛性評価および装置製造のためのコストが低くなる。その他の構成および作用効果は第1実施形態と同様である。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a block diagram showing the overall configuration of the second embodiment of the bearing stiffness evaluation apparatus of the present invention. In the bearing
(第3実施形態)
図4は本発明の軸受剛性評価装置の第3実施形態の全体構造を示すブロック図である。本実施形態に係る軸受剛性評価装置30では、図4に示すように、真空チャック54により外輪フランジ42aが挟持され、外輪固定部5に外輪42が固定される構成となっている。すなわち、外輪固定部5は、底板部52aと側板52dとを有する筐体部52と、真空チャック54と、から成り、真空チャック54は、挟持部54aで外輪フランジ42aを挟持し、挟持部54aと外輪フランジ42aとの間の微小空間Sに存在する空気を排気口54bから排気して、該空間Sを負圧とすることで外輪42を外輪固定部5に固定する。その他の構成および作用効果は第1実施形態と同様である。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a block diagram showing the overall structure of a third embodiment of the bearing stiffness evaluation apparatus of the present invention. In the bearing
なお、本発明の軸受剛性評価装置は上記実施形態に限定されるものでなく、外輪を固定する構成を有しているものであれば適宜変形、改良等が可能であり、演算処理部を別体とする等も可能である。また、上記実施形態では、ハブシャフトを加振しハブシャフトの振動を検知する構造としたが、これに限定されるものではなく、内輪を加振し内輪の振動を検知する構造としても良い。さらに、上記実施形態ではハブユニット軸受を剛性評価対象としたが、ハブユニット軸受以外の軸受にも適用が可能である。 Note that the bearing stiffness evaluation apparatus of the present invention is not limited to the above embodiment, and can be appropriately modified and improved as long as it has a configuration for fixing the outer ring. It can be used as a body. Moreover, in the said embodiment, although it was set as the structure which vibrates a hub shaft and detects the vibration of a hub shaft, it is not limited to this, It is good also as a structure which vibrates an inner ring and detects the vibration of an inner ring. Furthermore, in the above embodiment, the hub unit bearing is the object of rigidity evaluation, but it can be applied to bearings other than the hub unit bearing.
10、20、30 軸受剛性評価装置
1 加振器
2 振動検出部
3 演算処理部
4 ハブユニット軸受
5 外輪固定部
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