JP3648919B2 - 軸受の予圧測定方法および測定装置 - Google Patents
軸受の予圧測定方法および測定装置 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、予圧を加えることにより負隙間が形成された複列軸受または組合せ軸受の剛性値を測定する軸受の予圧測定方法および測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、予圧が加えられた複列軸受または組付の際にナット締めにより予圧が加えられる組合せ軸受では、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。したがって、軸受の剛性値は予圧量と関連付けながら一定の範囲内で制御される必要がある。
【0003】
軸受の剛性値などを測定する装置としてつぎのものが知られている。特開平5−10835号公報には、回転する軸受から発生する振動信号の周波数分析を行うことにより転動体の接触角αと軸受の共振周波数faを求め、接触角αおよび共振周波数faから軸受剛性Kaおよび予圧量Faを求めることが示されている。
【0004】
また、特公平2−61700号公報には、加振機1によって軸受箱12あるいは軸13に加えられた振動を、速度あるいは加速度センサ4で検出し、増幅器5によって増幅された信号を周波数分析器6で分析して軸受の共振周波数を検出し、検出された共振周波数と予圧量との関係を有限要素法などの計算で予め求めておくことにより、共振周波数から予圧量を検出できることが示されている。
【0005】
さらに、特開平7−127634号公報には、軸受の組立において内輪3の仮圧入時に軸受アキシャル隙間△a’および内輪3の大径端面3bから車軸2の基準面2eまでの軸方向寸法Aを測定し、内輪3の圧入完了後に内輪3の大径端面3bから車軸2の基準面2eまでの軸方向寸法Bを測定することにより圧入完了後の負の軸受アキシャル隙間△a、つまりナット締付前の初期隙間を求めることが示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平5−10835号公報および上記特公平2−61700号公報では、共振を利用しているので、組合せ軸受の剛性値を測定する場合、比較的剛性が低いときには問題ないが、剛性が高くなるにつれてその構造体が有する振動モードと軸受のばねによる振動モードとの分離が困難になってくる。また、単体の軸受の場合でもフランジ付き軸受のように剛性の低い部分を有する軸受の場合には同様の問題が生じ、高剛性が要求される軸受では共振周波数を用いて剛性値を正確に測定することが困難であった。
【0007】
また、上記特開平7−127634号公報では、負隙間が形成された軸受に更にナット締めにより予圧を加える場合、ナット締めにより隙間減少量を充分に制御できる場合、初期隙間を測定することは有効であるが、隙間減少量のばらつきが予想される場合にはナット締付後の評価が必要となるが、ナット締付前の初期隙間を測定するこの方法ではナット締付後の評価をすることは困難である。
【0008】
そこで、本発明は、高剛性が要求される軸受のナット締め付け後の剛性値を正確に測定できる軸受の予圧測定方法および測定装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項1に係る軸受の予圧測定方法は、内輪および外輪間に介在する転動体に軸方向に予圧を加えることにより負隙間が形成された複列軸受または組合せ軸受の剛性値を測定して予圧量を求める軸受の予圧測定方法において、前記内輪および前記外輪の少なくとも一方に軸方向に第1の荷重を加え、前記負隙間を増減する第1の荷重ステップと、前記内輪および前記外輪の少なくとも一方に軸方向に前記第1の荷重と異なる第2の荷重を加え、前記負隙間を増減する第2の荷重ステップと、前記第1の荷重が加えられた状態で、前記軸方向における前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定し、該測定された内輪の変位量と外輪の変位量の差分を、前記内輪および前記外輪間の第1の変位量として算出する第1の変位量算出ステップと、前記第2の荷重が加えられた状態で、前記軸方向における前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定し、該測定された内輪の変位量と外輪の変位量の差分を、前記内輪および前記外輪間の第2の変位量として算出する第2の変位量算出ステップと、前記第1の変位量および前記第2の変位量の差分を算出する差分算出ステップと、該算出された第1の変位量および前記第2の変位量の差分に基づき、前記剛性値を演算する剛性値演算ステップとを有することを特徴とする。
請求項2に係る軸受の予圧測定方法は、請求項1に係る軸受の予圧測定方法において、第1の荷重手段および第2の荷重手段を回転させる回転ステップを有し、前記第1の荷重ステップおよび前記第2の荷重ステップでは、それぞれ前記第1の荷重手段および前記第2の荷重手段が回転しながら前記内輪および前記外輪の少なくとも一方に前記第1の荷重および前記第2の荷重を加え、前記第1の変位量算出ステップでは、前記第1の荷重手段が回転しながら前記第1の荷重を加えた状態で、前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定して平均化し、該平均化された前記内輪の変位量と該平均化された前記外輪の変位量の差分を前記第1の変位量として算出し、前記第2の変位量算出ステップでは、前記第2の荷重手段が回転しながら前記第2の荷重を加えた状態で、前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定して平均化し、該平均化された前記内輪の変位量と該平均化された前記外輪の変位量の差分を前記第2の変位量として算出することを特徴とする。
請求項3に係る軸受の予圧測定方法は、請求項1に係る軸受の予圧測定方法において、前記内輪と前記外輪との間に設けられた転動体の接触角を測定する接触角測定ステップを有し、前記予圧量は前記測定された接触角を基に演算されることを特徴とする。
請求項4に係る軸受の予圧測定装置は、内輪および外輪間に介在する転動体に軸方向に予圧を加えることにより負隙間が形成された複列軸受または組合せ軸受の剛性値を測定して予圧量を求める軸受の予圧測定装置において、前記内輪および前記外輪の少なくとも一方に軸方向に第1の荷重を加え、前記負隙間を増減する第1の荷重手段と、前記内輪および前記外輪の少なくとも一方に軸方向に前記第1の荷重と異なる第2の荷重を加え、前記負隙間を増減する第2の荷重手段と、前記第1の荷重が加えられた状態で、前記軸方向における前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定し、該測定された前記内輪の変位量と前記外輪の変位量の差分を、前記内輪および前記外輪間の第1の変位量として算出する第1の変位量算出手段と、前記第2の荷重が加えられた状態で、前記軸方向における前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定し、該測定された前記内輪の変位量と前記外輪の変位量の差分を、前記内輪および前記外輪間の第2の変位量として算出する第2の変位量算出手段と、前記第1の変位量および前記第2の変位量の差分を算出する差分算出手段と、該算出された第1の変位量および前記第2の変位量の差分に基づき、前記剛性値を演算する剛性値演算手段とを備えたことを特徴とする。
請求項5に係る軸受の予圧測定装置は、請求項4に係る軸受の予圧測定装置において、前記第1の荷重手段および前記第2の荷重手段を回転させる回転手段を備え、前記第1の荷重手段および前記第2の荷重手段は、回転しながら前記内輪および前記外輪の少なくとも一方にそれぞれ前記第1の荷重および前記第2の荷重を加え、前記第1の変位量算出手段は、前記第1の荷重手段が回転しながら前記第1の荷重を加えた状態で、前記内輪の変 位量および前記外輪の変位量を測定して平均化し、該平均化された前記内輪の変位量と該平均化された前記外輪の変位量の差分を前記第1の変位量として算出し、前記第2の変位量算出手段は、前記第2の荷重手段が回転しながら前記第2の荷重を加えた状態で、前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定して平均化し、該平均化された前記内輪の変位量と該平均化された前記外輪の変位量の差分を前記第2の変位量として算出することを特徴とする。
請求項6に係る軸受の予圧測定装置は、請求項4に係る軸受の予圧測定装置において、前記内輪と前記外輪との間に設けられた転動体の接触角を測定する接触角測定手段を備え、前記予圧量は前記測定された接触角を基に演算されることを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の軸受の予圧測定方法および測定装置の実施の形態について説明する。
【0011】
[第1の実施の形態]
図1は実施の形態における軸受の予圧測定装置の全体構成を示すブロック図である。軸受の予圧測定装置1は、測定機本体5、加圧部30、回転駆動部50および信号処理演算部70から構成される。
【0012】
図2は測定機本体5の構造を示す断面図である。測定機本体5には車軸用の組合せ軸受10が取り付けられている。組合せ軸受10は、内周に複列の転走面11a、11bが形成された外輪11、外輪11の転走面11bに対向する転走面12aが外周に形成された第1内輪12、外輪11の転走面11aに対向する転走面13aが外周に形成され、かつ第1内輪12が圧入される圧入部13cを肩部13bで連設した第2内輪13、外輪11と第1内輪12および第2内輪13との間に設けられたボール14a、14b、および第2内輪13の軸端部の外周に螺合するナット16から構成される。
【0013】
外輪11にはブロック17に固定されるフランジ部11cが形成されている。また、第2内輪13にはハブボルト18を装着するためのフランジ部13dが形成され、その下端部には予圧治具19が嵌合されている。予圧治具19の側面には環状溝19aが形成されており、環状溝19aとモータ21のプーリ21aとの間にはベルト23が巻き掛けられ、モータ21の回転動力を予圧治具19に伝達する。予圧治具19が回転するとそれにつれて第2内輪13および第1内輪12が回転する。
【0014】
また、予圧治具19の背面19bにはロッド31が当接されており、図示しないシリンダにより押圧されるロッド31は予圧治具19の背面19b、つまり第1内輪12および第2内輪13にアキシャル荷重を加える。ロッド31の先端部は偏荷重とならないように球状に形成されている。ロッド31の中間部には荷重検出器32が設けられており、予圧治具19に加えられるアキシャル荷重を検出する。荷重検出器32としては周知のロードセルが用いられる。
【0015】
一方、外輪11の端面にはカップ15が設けられており、その上面には位置センサ24が設けられている。位置センサ24は外輪11の軸方向の変位量を検出する。また、第2内輪13の端面には位置センサ25が設けられており、第2内輪13の軸方向の変位量を検出する。また、予圧治具19の下面には回転検知センサ33が設けられており、第1内輪12および第2内輪13の回転位置を検出する。
【0016】
加圧部30は、前述のシリンダおよびシリンダロッド31を含むアキシャル荷重装置36、ロードセルからなる前述の荷重検出器32、および荷重検出器32で検出されるアキシャル荷重が予め設定された測定荷重に達したとき荷重設定完了信号を出力する荷重設定完了信号発生器38から構成される。
【0017】
回転駆動部50は、前述のモータ21、ベルト23からなる伝達装置52、および回転検知センサ33からの出力信号S3にしたがって基準信号を発生する軸受回転基準信号発生器54から構成される。
【0018】
信号処理演算部70は、増幅器71、72、A/D変換器74、75、平均値演算器77、78、外内輪相対変位算出器79および剛性値演算器81を有する。A/D変換器74、75は軸受回転基準信号発生器54からの基準信号に同期して増幅器71、72から出力される位置センサ24、25の出力信号S1、S2をサンプリングする。また、剛性値演算器81は荷重設定完了信号発生器38からの荷重設定完了信号に同期して組合せ軸受の剛性値を演算する。
【0019】
つぎに、軸受の予圧測定装置の測定動作について説明する。図3は剛性値の測定動作手順を示すフローチャートである。予め、測定機本体5のナット16を締め付けて第1内輪12および第2内輪13を軸方向に近接させておくことによりボール14a、14bを押圧し、外輪11に対して負隙間を形成しておく。また、予圧治具19によって加えられるアキシャル荷重の力の作用線と組合せ軸受10の回転軸とを一致させておく。
【0020】
モータ21を駆動しベルト23を介して予圧治具19を回転させる(ステップS1)。予圧治具19に加える測定荷重FH(kgf)をアキシャル荷重装置36に設定し、設定した測定荷重FHに達するまでアキシャル荷重を加えると共に荷重検出器32により加えられたアキシャル荷重を検出する(ステップS2)。図4はアキシャル荷重と内外輪の相対変位との関係を示すグラフである。本実施の形態では、測定荷重FH、FLはいわゆる予圧抜けが生じる手前のアキシャル荷重が小さい計測範囲内で設定されている。この計測範囲では、内外輪の相対変位はアキシャル荷重に比例する。ここで、いわゆる予圧抜けとは、第1内輪12および第2内輪13に予圧が加えられた状態でアキシャル荷重を加えた場合、第2内輪13側の軸受では予圧が増し、第1内輪12側の軸受では予圧が減じやがて隙間が出始める状態をいう。
【0021】
ステップS2で荷重検出器32により検出される荷重が設定された測定荷重FHに達すると、荷重設定完了信号発生器38は基準信号を発生し、A/Dコンバータ74、75は基準信号をトリガとして増幅器71、72で増幅された位置センサ24、25からの出力信号S1、S2のアナログディジタル変換を逐次行う。
【0022】
平均値演算器77、78は、アナログディジタル変換が行われた出力信号S1、S2を、第1内輪12および第2内輪13が1回転する間で平均化する。外内輪相対変位算出器79は、外輪11の平均変位量XAHと第2内輪13の平均変位量XBHとの差分である変位量△XHを算出する(ステップS3)。このように、外輪11と第2内輪13との相対位置の変化を読み取ることにより、ボール14a、14bと外輪11との間のばね定数を正しく算出できる。即ち、第2内輪13の軸方向の位置の変化だけを検出すると、ブロック17および軸受フランジ13b間の接触ばねによる変化を含んでしまうので、軸受の剛性を正しく評価することにならない。つまり、カップ15の上面に設けられた位置センサ24により外輪11の軸方向の位置を測定し、かつ位置センサ25により第2内輪13の軸方向の位置を測定し、これら測定値の差分を算出することにより接触ばね等による変化分が相殺されるのである。
【0023】
つづいて、測定荷重FHより低い測定荷重FLに切り替え、前述と同様の手順で荷重検出器32により荷重を検出する(ステップS4)。ステップS4で荷重検出器32により検出される荷重が設定された荷重FLに達すると、A/D変換器74、75は基準信号をトリガとして位置センサ24、25からの出力信号S1、S2のアナログディジタル変換を逐次行う。平均値演算器77、78は、アナログディジタル変換が行われた出力信号S1、S2を、第1内輪12および第2内輪13が1回転する間で平均化する。外内輪相対変位算出器79は、外輪の平均変位量XALと内輪の平均変位量XBLとの差分である変位量△XLを算出する(ステップS5)。
【0024】
剛性値演算器81は、算出された変位量△XH、△XLおよび測定荷重FH、FLを用いて数式1により剛性値KAを演算する(ステップS6)。
【0025】
【数1】
KA=|△XH−△XL|/(FH−FL)
さらに、剛性値演算器81は、演算された剛性値KAおよび既知であるボール14a、14bの接触角αに基づき数式2にしたがって予圧量Fa(kgf)を演算する(ステップS7)。
【0026】
【数2】
Fa=α×f(KA)
ここで、f(KA)は剛性値KAを変数とする関数である。
【0027】
以上示したように、本実施の形態における軸受の予圧測定装置によれば、第2内輪13および外輪11の相対位置の変化により剛性値を演算するので、ボール14a、14bおよび外輪11間の接触ばね以外のばね要素を含むことなく高剛性が要求される軸受のナット16の締め付け後の剛性値を正確に演算できる。
【0028】
また、第1内輪12および第2内輪13を回転させながら測定するので、外輪11およびボール14a、14b間のうねりによる1回転分の剛性値の変化を平均化でき、実用上好ましい平均的な剛性値を演算できる。しかも、回転させることにより外輪11の転走面11a、11bおよびボール14a、14b間の静摩擦力による剛性値の誤差を回避できる。
【0029】
さらに、ボール14a、14bおよび外輪11間の接触ばねの大きさを直接に測定するので、従来の加振法のように共振周波数を用いておらず軸受の形状による測定精度の低下は生じない。
【0030】
尚、本実施の形態では、1回転中の内外輪の軸方向の平均変位を求めるようにしたが、回転させずに軸方向の内外輪の変位を1ヶ所で測定する場合にも本発明は適用できる。また、組付の際にナット締めにより軸方向に予圧が加えられた組合せ軸受に限らず、負隙間が形成された複列軸受であっても同様に本発明は適用できる。
【0031】
また、測定荷重FH、FLは、アキシャル荷重に対する相対変位量がほぼ一定とみなせる計測範囲のそれぞれ上下限値に設定することが望ましく、相対変位量の変化が大きい場合、測定荷重FH、FLの間隔を狭めて計測範囲を設定することが望ましい。さらに、測定荷重を3つ以上に設定して剛性値を演算するようにしてもよく、より測定精度を向上させることができる。
【0032】
[第2の実施の形態]
第2の実施形態における軸受の予圧測定装置について説明する。図5は第2の実施形態における軸受の予圧測定装置の全体構成を示すブロック図である。前記第1の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を用いてその説明を省略する。
【0033】
第2の実施形態における軸受の予圧測定装置は、接触角αが既知であった前記第1の実施形態と異なり、型番の変更などにより転動体(ボール)の接触角が変わった場合でも接触角αを実測しながら剛性値KAを用い算出しても正確な予圧量を演算することに特徴を有する。
【0034】
この軸受の予圧測定装置100は前記第1の実施形態に接触角算出部90を付加した構成を有する。接触角算出部90は増幅器91、FFTスペクトル周波数分析器92および接触角演算器93から構成されている。
【0035】
図6は第2の実施形態における測定機本体500の構造を示す断面図である。前記第1の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を用いてその説明を省略する。この測定機本体500では、静止している外輪11の側面に速度型振動センサ(ムービングピックアップ)111が取り付けられている。速度型振動センサ111はボール14a、14bの公転および第1、第2内輪12、13の回転に伴う振動を外輪11を介して検知する。
【0036】
速度型振動センサ111によって検知された振動信号は増幅器91で増幅された後、FFTスペクトル周波数分析器92に入力される。FFTスペクトル周波数分析器92は振動信号を分析して縦軸に振幅、横軸に周波数を示す振動スペクトルを取得し、この振動スペクトルから転動体公転周波数fcおよび軸(内輪)回転周波数frを算出する。
【0037】
接触角演算器93は転動体公転周波数fcおよび軸(内輪)回転周波数frから接触角αを算出する。算出された接触角αは信号処理部70で演算された剛性値KAと共に、後述する予圧量の演算に用いられる。
【0038】
上記構成を有する軸受の予圧測定装置の動作について説明する。図7は剛性値KAおよび接触角αの測定動作手順を示すフローチャートである。図3と同一のステップ動作には同一のステップ番号が付加されている。この軸受の予圧測定装置では、剛性値KAを算出する動作手順の他に接触角αを算出する動作手順が実行される。剛性値KAは図7(A)に示すように図3のステップS1〜ステップS6の動作手順と同様の動作手順で算出される。
【0039】
即ち、予め、測定機本体500のナット16を締め付けて第1内輪12および第2内輪13を軸方向に近接させておくことによりボール14a、14bを押圧し、外輪11に対して負隙間を形成しておく。また、予圧治具19によって加えられるアキシャル荷重の力の作用線と組合せ軸受10の回転軸とを一致させておく。
【0040】
モータ21を駆動しベルト23を介して予圧治具19を回転させる(ステップS1)。このとき、軸受の回転速度は1800rpm(30HZ)に設定される。
【0041】
つづいて、予圧治具19に加える測定荷重FH(kgf)をアキシャル荷重装置36に設定し、設定した測定荷重FHに達するまでアキシャル荷重を加えると共に荷重検出器32により加えられたアキシャル荷重を検出する(ステップS2)。測定荷重FH、FLはいわゆる予圧抜けが生じる手前のアキシャル荷重が小さい計測範囲内で設定されている。この計測範囲では、内外輪の相対変位はアキシャル荷重に比例する。
【0042】
ステップS2で荷重検出器32により検出される荷重が設定された測定荷重FHに達すると、荷重設定完了信号発生器38は基準信号を発生し、A/Dコンバータ74、75は基準信号をトリガとして増幅器71、72で増幅された位置センサ24、25からの出力信号S1、S2のアナログディジタル変換を逐次行う。
【0043】
平均値演算器77、78は、アナログディジタル変換が行われた出力信号S1、S2を、第1内輪12および第2内輪13が1回転する間で平均化する。外内輪相対変位算出器79は、外輪11の平均変位量XAHと第2内輪13の平均変位量XBHとの差分である変位量△XHを算出する(ステップS3)。
【0044】
つづいて、測定荷重FHより低い測定荷重FLに切り替え、前述と同様の手順で荷重検出器32により荷重を検出する(ステップS4)。ステップS4で荷重検出器32により検出される荷重が設定された荷重FLに達すると、A/D変換器74、75は基準信号をトリガとして位置センサ24、25からの出力信号S1、S2のアナログディジタル変換を逐次行う。平均値演算器77、78は、アナログディジタル変換が行われた出力信号S1、S2を、第1内輪12および第2内輪13が1回転する間で平均化する。外内輪相対変位算出器79は、外輪の平均変位量XALと内輪の平均変位量XBLとの差分である変位量△XLを算出する(ステップS5)。
【0045】
剛性値演算器81は、算出された変位量△XH、△XLおよび測定荷重FH、FLを用いて前述した数式1により剛性値KAを演算する(ステップS6)。
【0046】
つぎに、接触角αの測定動作を行う(ステップS6A)。同図(B)にその動作手順を示す。まず、測定可能な程度にスラスト力をかけた状態で速度型振動センサ111によりラジアル方向の振動測定を開始する(ステップS11)。
【0047】
アキシャル荷重F1(kgf)をアキシャル荷重装置36に設定し、設定したアキシャル荷重F1に達するまで予圧治具19に荷重を加える(ステップS12)。
【0048】
FFTスペクトル周波数分析器92で速度型振動センサ111からの振動信号を分析し、振動スペクトルを取得する(ステップS13)。図8は振動スペクトルを示す図である。同図(A)には、転動体公転周波数fcによる振動ピーク、内輪回転周波数frによる振動ピークおよび転動体公転周波数fcの2倍の振動ピークが示されている。
【0049】
同図(B)には転動体公転周波数fc近傍の振動スペクトルが拡大して示されている。転動体公転周波数fcの振動ピークは、組合せ軸受10のうち上下2つの軸受による振動ピーク成分fc1、fc2に分離される。ただし、この段階では、2つの振動ピーク成分fc1、fc2は上下どちらの軸受によるものであるか不明である。
【0050】
つづいて、アキシャル荷重F1(kgf)より大きなアキシャル荷重F2(F2>F1)をアキシャル荷重装置36に設定し、設定したアキシャル荷重F2に達するまで予圧治具19に荷重を加える(ステップS14)。先と同様に、FFTスペクトル周波数分析器92で速度型振動センサ111からの振動信号を分析して振動スペクトルを取得する(ステップS15)。
【0051】
ステップS13およびステップS15で取得した振動スペクトルに基づき、各振動ピーク成分は上の軸受によるものであるか下の軸受によるものであるかを特定する(ステップS16)。図9は振動ピーク成分の変化を示す図である。組合せ軸受10に対してアキシャル(軸)方向に下から予圧を増加させた場合、下(負荷)側のボール14bの接触角は増加し、転動体公転周波数が高くなる一方、上(反負荷)側のボール14aの接触角は減少し、転動体公転周波数が低くなる。つまり、予圧力を変化させることにより接触角が変化する方向は上の軸受と下の軸受とで異なり、その振動ピーク成分の移動方向を判別することで上の軸受によるものであるか下の軸受によるものであるかを特定できる。したがって、図9において転動体公転周波数が低くなった振動ピーク成分(図中、fc11→fc12)は上の軸受によるものであり、一方、転動体公転周波数が高くなった振動ピーク成分(図中、fc21→fc22)は下の軸受によるものであると特定することができる。
【0052】
尚、振動ピーク成分の移動方向を判別する際、先に求めた振動ピーク成分の周波数fc11、fc21をメモリに記憶しておくようにしてもよいし、ディスプレイの残像から把握するようにしてもよい。以上の様に図9よりその振動スペクトルを走査して振動ピークに相当する転動体公転周波数fc11、fc21および内輪回転周波数frを求める(ステップS17)。このとき、振動ピーク成分fc11、fc12およびfc21、fc22をそれぞれ平均することにより、上下の軸受による転動体公転周波数fc1、fc2を求めてもよいし、どちらか一方の値で代表させてもよいし、これらを平均してfc11、fc21と置いてもよい。
【0053】
そして、数式3によりボール14a、ボール14bの接触角α1、α2を演算する(ステップS18)。
【0054】
【数3】
α=cos-1[d0/Da(1−2fc/fr)]
ここで、d0はボールのピッチサークルダイアメータ(PCD)である。Daはボール径である。
【0055】
上記ステップS18で求められたボール14a列である上の軸受の接触角α1同じくボール14b列である下の軸受の接触角α2を用い、ステップS7で接触角αの差異に基づく組合せ軸受10に与えられている予圧量を演算して求める。
【0056】
まず、単独のラジアル軸受においては、アキシャル荷重とアキシャル方向変位の関係は数式(4)で表される。
【0057】
【数4】
ここで、δa:軸受のアキシャル方向変位、C:定数、Q:転動体1個にかかる荷重(=Fa/Zsinα)、Fa:アキシャル荷重、Z:転動体個数、α:接触角、Da:転動体直径である。
【0058】
数式(4)をFaとδaの関係に整理すると、数式(5)で表される。
【0059】
【数5】
Fa={C(1/Da)1/2・(1/Z)}-1・sin5/2α・δa3/2
ここで、Cc={C(1/Da)1/2・(1/Z)}-1は軸受諸元が決まれば求まる既知の数値であるので、定数と考えられる。
【0060】
したがって、数式(5)は数式(6)で示される。
【0061】
【数6】
Fa=Cc・sin5/2α・δa3/2
この数式(6)の関係を組合せ軸受10に適用すると、外から加わる試験荷重F1(ステップS12)に対して図10の関係で示される。
【0062】
数式(6)の関係を用いると、試験荷重F1に対し軸方向予圧力と変位の増分関係からC1:上の軸受、C2:下の軸受のそれぞれの変位荷重曲線が得られる。試験前に組合せ軸受にかかっている予圧力Fa0は両軸受では等しく、δa=0の点のFa軸上の値で示される。
【0063】
次に、この組合せ軸受10に試験荷重F1が新たにかけられると、下の軸受(図6参照)では、軸方向変位が最初のδa02からF1による軸方向変位増分δaだけ大きくなってδa2となる。一方、上の軸受では、予圧力Fa0が少なくなる方向であるので、δa01からδaだけ少なくなってδa1となる。
【0064】
ここで、δa2は単体軸受として考えた場合に試験荷重F1作用時の軸受C2の変位量、δa1は単体軸受として考えた場合に試験荷重F1作用時の軸受C1の変位量、δaは試験荷重F1作用時の組合せ軸受の変位量、δa02は単体軸受として考えた場合に予圧量Fa0を受けたときの軸受C2の変位量、δa01は単体軸受として考えた場合に予圧量Fa0を受けたときの軸受C1の変位量を表す。また、Fa01は試験荷重F1作用時の軸受C1に作用する力、Fa02は試験荷重F1作用時の軸受C2に作用する力である。
【0065】
図10を参照し、A点(下の軸受C2)およびB点(上の軸受C1)のスラスト方向荷重を既知の試験荷重F1から数式(6)を用いて表すと、数式(7)、(8)に示すようになる。
【0066】
【数7】
A点のスラスト方向荷重 Fa02=Cc・sin5/2 α2・(δa02+δa)3/2
【0067】
【数8】
同様に、求めたい組合せ軸受け10の予圧力Fa0は上下の軸受で等しいので(図10参照)、数式(9)に示すようになる。
【0068】
【数9】
そして、数式(7)、(8)からFa02について整理消去すると、数式(10)で示すようになる。
【0069】
【数10】
A(δa02+δa)3/2=B(δa01−δa)3/2+F1
但し、A=Cc・sin5/2α2、B=Cc・sin5/2 α1
一方、数式(9)の右辺の関係から数式(11)に示す関係が得られる。
【0070】
【数11】
A・δa023/2=B・δa013/2
ここで、α1、α2は既にステップS18で既知、F1はステップS12で既知、Ccは軸受諸元により既知である。そして、KAはステップS6で求められているので、δaは数式(12)で算出して求めることができる。
【0071】
【数12】
δa=F1/KA
さらに、数式(11)により数式(13)が求まる。
【0072】
【数13】
δa02=(B/A・δa013/2)2/3
数式(13)を数式(7)に代入し、数式(8)との関係からδa01について解くと、δa01が求まる。このδa01を数式(9)に代入すると、Fa0(組合せ軸受10の予圧量)が求まる。
【0073】
また、δa01を数式(13)に代入すると、δa02が求まり、この値を同様に数式(9)に代入しても、下の軸受の変位荷重曲線から同様にFa0を求めることができる。
【0074】
以上示したように、前記第1の実施形態では、既知の接触角αから組合せ軸受の剛性から予圧量演算もできるし、第2の実施形態のように組合せ軸受の接触角αが変化しても接触角を実測して演算し、前記第1の実施形態と同様にして求めた剛性値KAを用い、組合せ軸受の予圧量演算を求め、この予圧量の適否を判断することができる。
【0075】
したがって、この剛性測定値KAより接触角α1、α2を持つ軸受の予圧量Fa0を同様に求めることができ、予圧量が適正か否かを正確に判断することができる。そして、図10のようにFa0の許容値の幅を持たせて適正値を判断することができる。
【0076】
このように、本実施形態の軸受の予圧測定装置では、剛性値の測定の他に接触角の測定を行うので、型番の変更などによって組合せ軸受10のボール14a、14bの接触角が変化しても予圧量Fa0を正確に算出することができる。そして、算出された軸受の予圧量Fa0が適正であるか否かを判断できる。したがって、接触角が既知でない組合せ軸受に対しても予圧量を正確に算出することができ、装置の汎用性を高めることができる。
【0077】
また、上記実施形態では、接触角を測定する動作を剛性値を測定する動作の後に行っているが、接触角を測定する動作を先に行ってもよいし、剛性値を測定する動作と並行させてもよい。剛性値および接触角の測定動作を並行させる場合、剛性値の測定動作時に付加されるアキシャル荷重の下で接触角の測定動作を行うようにしてもよく、アキシャル荷重の切替回数を減らすことができ、測定を早く終了できる。
【0078】
さらに、第2の実施形態では、第1の実施形態と同様、1回転中の内外輪の軸方向の平均変位を求めるようにしたが、回転させずに軸方向の内外輪の変位を1ヶ所で測定する場合にも適用可能である。また、組付の際にナット締めにより軸方向に予圧が加えられた組合せ軸受に限らず、負隙間が形成された複列軸受であっても同様に適用可能である。
【0079】
【発明の効果】
本発明によれば、内輪および外輪の相対位置の変化から剛性値を演算することにより転動体および外輪間の接触ばね以外のばね要素を含むことなく高剛性が要求される軸受のナット締め付け後の剛性値を正確に測定できる。
【0080】
また、実際に型番変更などによって組合せ軸受の接触角が変化しても、接触角を測定、演算して求めることにより、軸受(組合せ軸受)の予圧力を正確に汎用性をもって測定、判定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態における軸受の予圧測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図2】測定機本体5の構造を示す断面図である。
【図3】剛性値の測定動作手順を示すフローチャートである。
【図4】アキシャル荷重と内外輪の相対変位との関係を示すグラフである。
【図5】第2の実施形態における軸受の予圧測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図6】第2の実施形態における測定機本体500の構造を示す断面図である。
【図7】剛性値KAおよび接触角αの測定動作手順を示すフローチャートである。
【図8】振動スペクトルを示す図である。
【図9】振動ピーク成分の変化を示す図である。
【図10】組合せ軸受における予圧量Faと軸方向変位δaとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1、100 軸受の予圧測定装置
5、500 測定機本体
10 組合せ軸受
19 予圧治具
24、25 位置センサ
32 荷重検出器
77、78 平均値演算器
79 外内輪相対変位算出器
81 剛性値演算器
111 速度型振動センサ
Claims (6)
- 内輪および外輪間に介在する転動体に軸方向に予圧を加えることにより負隙間が形成された複列軸受または組合せ軸受の剛性値を測定して予圧量を求める軸受の予圧測定方法において、
前記内輪および前記外輪の少なくとも一方に軸方向に第1の荷重を加え、前記負隙間を増減する第1の荷重ステップと、
前記内輪および前記外輪の少なくとも一方に軸方向に前記第1の荷重と異なる第2の荷重を加え、前記負隙間を増減する第2の荷重ステップと、
前記第1の荷重が加えられた状態で、前記軸方向における前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定し、該測定された内輪の変位量と外輪の変位量の差分を、前記内輪および前記外輪間の第1の変位量として算出する第1の変位量算出ステップと、
前記第2の荷重が加えられた状態で、前記軸方向における前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定し、該測定された内輪の変位量と外輪の変位量の差分を、前記内輪および前記外輪間の第2の変位量として算出する第2の変位量算出ステップと、
前記第1の変位量および前記第2の変位量の差分を算出する差分算出ステップと、
該算出された第1の変位量および前記第2の変位量の差分に基づき、前記剛性値を演算する剛性値演算ステップとを有することを特徴とする軸受の予圧測定方法。 - 第1の荷重手段および第2の荷重手段を回転させる回転ステップを有し、
前記第1の荷重ステップおよび前記第2の荷重ステップでは、それぞれ前記第1の荷重手段および前記第2の荷重手段が回転しながら前記内輪および前記外輪の少なくとも一方に前記第1の荷重および前記第2の荷重を加え、
前記第1の変位量算出ステップでは、前記第1の荷重手段が回転しながら前記第1の荷重を加えた状態で、前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定して平均化し、該平均化された前記内輪の変位量と該平均化された前記外輪の変位量の差分を前記第1の変位量として算出し、
前記第2の変位量算出ステップでは、前記第2の荷重手段が回転しながら前記第2の荷重を加えた状態で、前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定して平均化し、該平均化された前記内輪の変位量と該平均化された前記外輪の変位量の差分を前記第2の変位量として算出することを特徴とする請求項1記載の軸受の予圧測定方法。 - 前記内輪と前記外輪との間に設けられた転動体の接触角を測定する接触角測定ステップを有し、前記予圧量は前記測定された接触角を基に演算されることを特徴とする請求項1記載の軸受の予圧測定方法。
- 内輪および外輪間に介在する転動体に軸方向に予圧を加えることにより負隙間が形成された複列軸受または組合せ軸受の剛性値を測定して予圧量を求める軸受の予圧測定装置において、
前記内輪および前記外輪の少なくとも一方に軸方向に第1の荷重を加え、前記負隙間を増減する第1の荷重手段と、
前記内輪および前記外輪の少なくとも一方に軸方向に前記第1の荷重と異なる第2の荷重を加え、前記負隙間を増減する第2の荷重手段と、
前記第1の荷重が加えられた状態で、前記軸方向における前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定し、該測定された前記内輪の変位量と前記外輪の変位量の差分を、前記内輪および前記外輪間の第1の変位量として算出する第1の変位量算出手段と、
前記第2の荷重が加えられた状態で、前記軸方向における前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定し、該測定された前記内輪の変位量と前記外輪の変位量の差分を、前記内輪および前記外輪間の第2の変位量として算出する第2の変位量算出手段と、
前記第1の変位量および前記第2の変位量の差分を算出する差分算出手段と、
該算出された第1の変位量および前記第2の変位量の差分に基づき、前記剛性値を演算する剛性値演算手段とを備えたことを特徴とする軸受の予圧測定装置。 - 前記第1の荷重手段および前記第2の荷重手段を回転させる回転手段を備え、
前記第1の荷重手段および前記第2の荷重手段は、回転しながら前記内輪および前記外輪の少なくとも一方にそれぞれ前記第1の荷重および前記第2の荷重を加え、
前記第1の変位量算出手段は、前記第1の荷重手段が回転しながら前記第1の荷重を加えた状態で、前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定して平均化し、該平均化された前記内輪の変位量と該平均化された前記外輪の変位量の差分を前記第1の変位量として算出し、
前記第2の変位量算出手段は、前記第2の荷重手段が回転しながら前記第2の荷重を加えた状態で、前記内輪の変位量および前記外輪の変位量を測定して平均化し、該平均化された前記内輪の変位量と該平均化された前記外輪の変位量の差分を前記第2の変位量として算出することを特徴とする請求項4記載の軸受の予圧測定装置。 - 前記内輪と前記外輪との間に設けられた転動体の接触角を測定する接触角測定手段を備え、
前記予圧量は前記測定された接触角を基に演算されることを特徴とする請求項4記載の軸受の予圧測定装置。
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