JP4802311B2 - 回転体の静的バランス測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体の静的バランス測定装置に関し、特に、軸芯に対する偏心量を測定するための回転体の静的バランス測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転を円滑に行うために、回転体の偏心量の測定が必要となる場合がある。特に、自動車用ホイールやタイヤなどの回転体は、偏心量が大きいと種々の不都合が生起するために精度よく測定することが重要である。
【０００３】
この種のバランス測定装置として、静的バランスを検出する種々の装置が提案されている（例えば、特開昭５３−１３３０９号公報、特開平１１−１３２８９３号公報、実開昭５５−１４５３４０号公報、実開昭５８−３１０８２号公報参照）。
【０００４】
これらのバランス測定装置においては、ワークであるホイールの軸芯に対する偏心量を、ホイールを載置する枠体からユニバーサルジョイントを介して下方に延伸するシャフトに伝達し、このシャフトの変位量または荷重を所定のセンサにより測定している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のように、従来技術においては、ホイールの軸芯に対する偏心量をユニバーサルジョイントを介してシャフトに伝達するようにしているので、その測定に際しては、ユニバーサルジョイント内部で発生する摩擦力の影響を受けるに至る。
【０００６】
つまり、ホイールの偏心量が微少であるときは、その偏心量による力はユニバーサルジョイント内の静摩擦力より小さくなり、シャフトは変位しない。この結果、ホイールは偏心していないと判断される可能性がある。
【０００７】
一方、偏心量がある程度大きいときでも、ユニバーサルジョイントの静摩擦領域と動摩擦領域を交互に遷移しながら動作することがあり、シャフトの動作が断続的となり測定の精度が低下する。
【０００８】
さらに、ユニバーサルジョイントは、所定の径方向に対して力の伝達の程度が異なるので、このことからも偏心量を精度よく算出することが難しく、しかも軽点（偏心の位置を示す点）の特定が困難である。
【０００９】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、摩擦力の影響を受けずに、回転体の軸芯に対する偏心を精度よく測定し、且つ、軽点の位置を容易に特定することを可能にする回転体の静的バランス測定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る回転体の静的バランス測定装置は、装置本体と、振り子体と、前記振り子体の変位量または荷重を検出するセンサとからなり、前記振り子体は、前記装置本体に接続する弾性体と、中心軸が鉛直方向となるように載置する回転体を保持する保持部と、一方向に延在するシャフトとを含み、前記シャフトは前記センサと連結され、前記回転体の偏心量に起因する力により前記弾性体が変形することによって、前記振り子体は傾斜可能であることを特徴とする。
【００１１】
そして、前記弾性体は、丸棒材であってもよい。
【００１２】
また、前記装置本体と前記振り子体との間に、前記振り子体の振動を抑制するためのダンパを備えていてもよい。
【００１３】
さらに、前記回転体を非保持の状態で、前記シャフトに設けられたウエイトの位置を調整することにより、前記シャフトを予め垂直方向に非平衡にしておいてもよい。
【００１４】
このようにすることにより、振り子体と装置本体は弾性体により接続されることとなり、摺動部がないことから摩擦力の影響を受けることがない。結果として、回転体の軸芯に対する偏心を精度よく測定し、且つ、軽点の位置を容易に特定することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る回転体の静的バランス測定装置の実施の好適な形態を挙げ、添付の図１〜図７を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
本実施の形態における回転体の静的バランス測定装置は、基本的には、上端部に被測定体としてのホイールを保持した振り子体を、弾性体を介してベースに接続した装置である。前記の構成によれば、ホイールの偏心量により弾性体が変形し振り子体が傾斜する。振り子体が傾斜することにより下側部を構成するシャフトが変位するので、この変位量または荷重をセンサにより測定することができる。
【００１７】
図１に示すように、回転体の静的バランス測定装置１０は、装置本体である箱形のベース１２と、中心部に孔１４ａを有するホイール１４を保持するための振り子体１６と、前記ホイール１４の保持作業を行うときに該ホイール１４を載置する円環状の載置台１８と、載置台１８を昇降させる昇降装置２０と、振り子体１６に加わる荷重を検出するロードセル８２ａおよび８２ｂ（図３参照）とから構成されている。
【００１８】
ベース１２は、床板２４と、四方を囲む４枚の壁板２６ａ、２６ｂ、２６ｃおよび２６ｄ（図３参照）と、天板２８とから構成され、箱形形状をなしている。
壁板２６ｃおよび２６ｄは開閉可能な構造であり、ベース１２の内部をメンテナンスすることが可能である。
【００１９】
天板２８の中央部には、前記弾性体２２の上端部を固定する固定部３０が設けられ、前記固定部３０の四方には、振り子体１６の一部が貫通するための４つの孔３２が形成されている。さらに、天板２８の上面には、前記振り子体１６の上部を覆う円筒状のカバー３４が設置されている。前記天板２８には複数のガイドロッド２９が立設され、これらのガイドロッド２９は載置台１８に係合する。
【００２０】
昇降装置２０は、シリンダピストン機構で構成されている。すなわち、通路７１および７２に選択的に圧縮空気が送られることにより、ピストン７０が圧力を受け、この圧力によりピストンロッド６９が上昇および下降を行う。
【００２１】
載置台１８の下面はピストンロッド６９の上端部に接続されており、ピストンロッド６９の昇降にともなって載置台１８も昇降する。このとき、載置台１８は複数のガイドロッド２９に案内されながらスムーズに昇降可能である。この場合、ピストンロッド６９が最も上昇した上死点は、ホイール１４を載置台１８に載置したとき、ホイール１４の孔１４ａが、後述するチャック３６ａ〜３６ｄの突起部３７と同じ高さになるように位置が調整されている。
【００２２】
床板２４の上面には屈曲形状の固定腕８０が設けられ、この固定腕８０の水平方向の先端部は把持部８１を介して振り子体１６の一部であるシャフト４８の一端部近傍に係合離脱自在である。後述するように、バランス測定を行わないときは、この固定腕８０の把持部８１はシャフト４８に係合してシャフト４８の振動惹起を阻止する。
【００２３】
図２に示すように、前記振り子体１６は、その中央部に弾性体２２を含み、該弾性体２２は、ゴムまたはばね鋼などの弾性部材により形成されている。従って、振り子体１６は、この弾性体２２にモーメントが加わることにより装置本体１２に対して傾斜可能である。
【００２４】
振り子体１６は、さらにピストンロッド４０と、上部筐体４２と、上部筐体４２から下方に延在し上部筐体４２とブラケット４４とを連結する４本（図１中ではこのうち２本を示す。）の連結部材４６と、ブラケット４４から鉛直方向下方に延在するシャフト４８とを有する。
【００２５】
上部筐体４２は、ホイール１４を保持する保持部である４つのチャック３６ａ、３６ｂ、３６ｃおよび３６ｄ（３６ｃ、３６ｄは図示せず）と、チャック３６ａ〜３６ｄを摺動自在に収納する保持部材４７と、ピストンロッド４０の下端部のピストン５４を昇降可能に収納するシリンダチューブ５５を有する。
【００２６】
ピストンロッド４０には、ホイール１４の孔１４ａよりやや小径である円柱状のガイドロッド５２が上端部に一体的に設けられるとともに、チャック３６ａ〜３６ｄを径方向に動作させるテーパ部３８が中央部に設けられている。さらにピストンロッド４０の下端部にはピストン５４が設けられている。
【００２７】
前記ピストン５４は、上部筐体４２の中央部に設けられたシリンダチューブ５５の内部を上下方向に昇降可能である。つまり、ピストン５４は、シリンダチューブ５５内の空間のうち、ピストン５４より下側のシリンダ室５６または上側のシリンダ室５８から圧縮空気の圧力を受けることにより上方または下方へ移動する力を受けて昇降する。
【００２８】
そこで、シリンダ室５６およびシリンダ室５８に圧縮空気を送るために、それぞれ通路６０および６２が設けられている。圧縮空気は図示しないコンプレッサを介して切換弁（図示せず）によって切り換えられて通路６０または６２に送られる。
【００２９】
チャック３６ａ〜３６ｄは、前記保持部材４７の内部に摺動自在に設けられており、それぞれの上部には突起部３７が設けられるとともに、図２において水平方向に延在したガイド孔３９が形成されている。このガイド孔３９の一端部には、図において上下方向に延在する貫通孔４１が設けられている。なお、図２中、参照符号４９はチャック３６ａ〜３６ｄの突起部３７が臨む孔部を示す。
【００３０】
チャック３６ａ〜３６ｄは、比較的弱いばね力のばね６４によって振り子体１６の内径方向に向かって押圧され、該チャック３６ａ〜３６ｄの内面側のピストンロッド４０と当接する面は、テーパ部３８のテーパ面と同じ傾斜面に設定されている。従って、ピストンロッド４０が上方へ移動すると、当接する面同士が摺動しながらチャック３６ａ〜３６ｄが外径方向へ移動するように押圧力を受ける。
【００３１】
このピストンロッド４０の上昇によって得られる押圧力は、ばね６４の力より大きいのでチャック３６ａ〜３６ｄを外径方向へ押し出す。このとき、径方向に設けられたチャック３６ａ〜３６ｄのガイド孔３９がガイドピン６８と嵌合状態にあるので、チャック３６ａ〜３６ｄはガイドピン６８に案内されながら外径方向へ移動する。この場合、ガイド孔３９内部の空気は貫通孔４１を通じて外部に対して通気可能なので、空気を圧縮または膨張させることがなく、チャック３６ａから３６ｄはスムーズに移動可能である。
【００３２】
チャック３６ａ〜３６ｄの移動にともない、上端の突起部３７が孔１４ａを形成する周壁を内側から外側へ押圧してホイール１４を保持する。
【００３３】
一方、前記４本の連結部材４６は、孔３２の断面形状よりその直径が小さく設定されており、それぞれ孔３２を貫通した状態で、上部筐体４２とブラケット４４を連結している。ブラケット４４の下部にはシャフト４８が下方に延在している。
【００３４】
前記ブラケット４４の上部には、弾性体２２の下端部を固定する固定部５０が設けられている。実際、前記固定部５０はねじを含み、このねじは前記弾性体２２の一端部に挿入する。従って、この固定部５０により弾性体２２とブラケット４４が接続されるので、ベース１２と振り子体１６は弾性体２２を介して接続されていることとなる。
【００３５】
一方、一端部がブラケット４４に連結されているシャフト４８の中央部には外径方向に延びる腕部７３が固定具７５により固定されており、腕部７３の先端部近傍にはウエイト７４が装着されている。
【００３６】
シャフト４８に対する腕部７３の向きと高さ、および前記腕部７３におけるウエイト７４の横方向位置は調整可能な機構になっており、後述するロードセル８２ａ、８２ｂ（図３参照）に対してバイアス荷重を与えるように調整されている。
【００３７】
シャフト４８の他端部には金属製または合成樹脂製の偏平な羽根７６が設けられており、この羽根７６はオイルダンパ７８（図１参照）の中に浸漬されている。
【００３８】
前記羽根７６、オイルダンパ７８およびウエイト７４は、所謂、マス−ダンパ系を構成しており、シャフト４８の振動を抑制する働きをもつ。
【００３９】
図３に示すように、ベース１２を平面からみたとき、横方向（以下、Ｘ方向という。）の壁板２６ａには引張荷重を検出するロードセル（センサ）８２ａが設けられており、ロードセル８２ａの荷重検出端子は引張強さの大きいワイヤ８４（または軽量の棒状部材）によってシャフト４８に係合するワイヤ固定部８５と接続されている。壁板２６ｂにも前記ロードセル８２ａと同仕様のロードセル８２ｂが設けられており、同様の構造によりシャフト４８と接続されている。この場合、ロードセル８２ａおよび８２ｂは必ずしも直交している必要はなく、非並行の適当な角度に設定することが可能である。また、２つのロードセル８２ａおよび８２ｂを設けることなく、複数方向の荷重を同時に検出可能なセンサを用いれば、該センサをシャフト４８に直接接続することにより１台のセンサで代替可能である。
【００４０】
ロードセル８２ａおよび８２ｂの出力信号は図示しない処理装置に伝えられている。
【００４１】
腕部７３およびウエイト７４は、Ｘ方向およびＹ方向からそれぞれ４５°の角度に設定しておく。このように配置することにより、シャフト４８は、Ｘ方向のロードセル８２ａおよびＹ方向のロードセル８２ｂのいずれからも離間する方向のバイアス荷重を受けるので、シャフトを予め垂直方向に非平衡にしておくことになり、ワイヤ８４が弛むことがない。
【００４２】
なお、ロードセル８２ａ、８２ｂは引張荷重だけを測定できればよいので、圧縮荷重を測定することができない仕様のものであっても適用可能である。さらに、引張荷重領域と圧縮荷重領域とを移行することがないので、０点領域に特有のヒステリシスを排除することができる。
【００４３】
バイアス荷重は、例えば、ロードセル８２ａおよび８２ｂが０〜１００［Ｎ］の荷重を測定する仕様のものであるときには、その中間値である５０［Ｎ］の荷重が加わるようにしておくとよい。このようにすると、プラス側とマイナス側の測定範囲を同じレンジに設定することができる。これにより、例えばホイール１４の偏心量が±４０［Ｎ］の荷重として測定される場合に、中間値５０［Ｎ］を中心として、１０〜９０［Ｎ］の範囲の荷重として測定可能である。
【００４４】
次に、このように構成される回転体の静的バランス測定装置１０を用いて、ホイール１４の偏心量を測定する手順について、図４〜図７を参照しながら説明する。
【００４５】
先ず、図４のステップＳ１において、回転体の静的バランス測定装置１０を初期状態に設定する。すなわち、通路６２に圧縮空気を送り込み、通路６０を大気開放にしてピストンロッド４０を下死点まで下降させる（図１参照）。この間、通路７２に圧縮空気を送り込み、ピストンロッド６９および載置台１８を上死点まで上昇させる。
【００４６】
次に、ステップＳ２において、ワークであるホイール１４を載置台１８上に載置する。ホイール１４の載置は人手による場合、あるいはロボットによることもあり得る。このとき、ホイール１４の中心部にある孔１４ａにガイドロッド５２を挿通し、ホイール１４はこのガイドロッド５２に沿って下降していくので、該ホイール１４は振り子体１６に対してほぼ同芯状に移動する。この結果、チャック３６ａ〜３６ｄの突起部３７が孔１４ａの内側に位置するようになる。
【００４７】
次に、ステップＳ３において、チャック３６ａ〜３６ｄによりホイール１４を保持する。つまり、通路６２を大気開放とし、通路６０に圧縮空気を送り込み、ピストンロッド４０を上昇させる。このピストンロッド４０の上昇にともない、４つのチャック３６ａ〜３６ｄはばね６４の弾発力に抗しながらそれぞれテーパ部３８により外径方向に押し出され、該チャック３６ａ〜３６ｄの突起部３７はホイール１４の孔１４ａを形成する周壁を内側から外側へ押圧してこれを保持する（図５参照）。この場合、４つのチャック３６ａ〜３６ｄは全て同形状であり、しかもテーパ部３８から同じ押圧力を受けて孔１４ａに当接するので振り子体１６とホイール１４とは同芯状に保持される。
【００４８】
次に、ステップＳ４において、通路７２を大気開放とし、通路７１に圧縮空気を送り込み、ピストンロッド６９を下降させ、これによって載置台１８を下降させる（図６参照）。載置台１８はホイール１４から離間するので、ホイール１４は振り子体１６の上面部を構成する保持部材４７によって保持される。結局ホイール１４と振り子体１６とが一体となる。
【００４９】
次に、ステップＳ５において、固定腕８０の把持部８１をシャフト４８から外す。この状態では、振り子体１６は弾性体２２によりベース１２に傾斜可能に保持されており、ホイール１４の偏心量がロードセル８２ａおよび８２ｂに伝わる。もし、ホイール１４が偏心しているとき、弾性体２２はその偏心量に応じて振動するに至る。
【００５０】
次に、ステップＳ６において、振り子体１６の振動が減衰するのを待つ。つまり、固定腕８０の把持部８１を外したときから所定時間は振動により正確な測定を行うことができないのでこの間は待機する。
【００５１】
ただし、ウエイト７４、羽根７６およびオイルダンパ７８の作用によって振動は短い時間で収束することとなり、待機時間も短い時間に設定することができる。
【００５２】
次に、ステップＳ７において、ロードセル８２ａおよび８２ｂにより荷重を検出する。検出した荷重は処理装置に伝えてホイール１４の偏心量および軽点の位置を計算により求める。図７に模式的に示すように、ホイール１４の重心Ｇが中心軸ＣからＸ方向に距離ｒだけずれているときには、ホイール１４の偏心量は大きさがＧ×ｒのモーメントＭとして表される。このモーメントＭは弾性体２２を曲げ、振り子体１６を傾斜させるように作用する。ロードセル８２ａおよび８２ｂとシャフト４８はワイヤ８４により接続されているのでこの傾斜は極めて微少量である。
【００５３】
さらに、モーメントＭにより弾性体２２を介してシャフト４８に接続されているロードセル８２ａにも荷重Ｗが伝えられる。この荷重Ｗは主にモーメントＭ、弾性体２２の曲げ方向のばね定数ｋおよび弾性体２２とロードセル８２ａとの距離ｈにより決まる。ばね定数ｋおよび距離ｈは既知の値であることから、荷重Ｗを測定することによりモーメントＭを求めることができる。なお、ロードセル８２ａにはバイアス力５０［Ｎ］が予め加わっていることから、荷重Ｗはロードセル８２ａが出力する値から５０［Ｎ］を差し引いた値として求められる。
【００５４】
この場合、ロードセル８２ａの代わりに変位計を設け、シャフト４８の変位ｘを測定して偏心量を求めるようにしてもよい。この場合、変位計は非接触型であってもよい。
【００５５】
図７では重心ＧがＸ方向にずれている状態を例に示しているが、Ｘ方向以外にずれているときには、互いに直交する荷重を検出するロードセル８２ａとロードセル８２ｂの出力によりベクトル演算を用いて偏心量と軽点位置を求めることができる。
【００５６】
次に、ステップＳ８において、求めた偏心量および軽点を記録する。この記録は処理装置内で電磁的な手段により記録を行ってもよいし、ホイール１４に直接記録してもよい。
【００５７】
最後に、ステップＳ９においてホイール１４を回転体の静的バランス測定装置１０から取り外す。すなわち、昇降装置２０を構成するピストンロッド６９を付勢することにより載置台１８を上昇させ、ホイール１４を載置台１８上に支持し、次いで、ピストン５４を図１において下方へと偏位させて、ピストンロッド４０を下降させる。これにより、チャック３６ａ〜３６ｄは、ばね３８の弾発力を受けてホイール１４の孔部１４ａを形成する周壁から離脱する。その後、ホイール１４を上方へ引き抜く。
【００５８】
このように、本実施の形態に係る回転体の静的バランス測定装置１０によれば、振り子体１６とベース１２を弾性体２２で接続しているので、摺動および摩擦動作を行う箇所がない。従って、摩擦抵抗等の影響を受けることなく精度よくホイール１４の偏心量および軽点を求めることができる。
【００５９】
すなわち、弾性体２２は、振り子体１６およびホイール１４の重量により引張力を受けるとともに、ホイール１４の偏心量により曲げ力を受けて変形する。この変形による荷重Ｗを計測することにより偏心量および軽点を求めることができる。
【００６０】
なお、弾性体２２は、ベース１２の天板２８の上面側に設けて振り子体１６との間で圧縮方向に設置してもよい。また、ロードセル８２ａ、８２ｂの代わりに変位計を採用すれば、変形量は比較的大きくなる。この場合も変形量に応じたシャフト４８の変位ｘから偏心量および軽点を求めることができる。さらに、弾性体２２は、丸棒材なので全ての方向に同じばね定数ｋをもち、軽点の位置により偏心量の測定値が異なってしまうことがない。
【００６１】
また、本実施の形態に係る回転体の静的バランス測定装置１０によれば、シャフト４８は、振動を抑制するためのオイルダンパ７８およびウエイト７４を備えているので、振り子体１６の振動が短時間で収束し、測定待機の時間を短く設定することができる。
【００６２】
さらに、ロードセル８２ａおよび８２ｂは、互いに直交するように配置しているので、ロードセル８２ａおよび８２ｂの出力信号をベクトル演算することにより、偏心量の大きさと軽点の位置を正確に求めることができる。
【００６３】
さらにまた、ホイール１４を載置する載置台１８を設けているのでホイール１４を振り子体１６に保持するときに安定して保持作業を行うことができる。
【００６４】
しかも、保持部としてのチャック３６ａ〜３６ｄは、テーパ部３８のテーパ面から力を受け径方向に移動可能としているので、簡便な構造で確実にホイール１４を保持することができる。
【００６５】
なお、上述の説明では、ワークとしてホイール１４を測定する例について説明したが、ホイールに限らずタイヤ等であってもよく、ホイールとタイヤが結合した状態であってもよい。さらに、本願発明は一般の円筒形状のワークについて適用可能であり、チャック３６ａ〜３６ｄの保持形態を変更すれば中実円柱形状のワークにも適用可能である。
【００６６】
この発明に係る回転体の静的バランス測定装置は、上述の実施の形態例に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る回転体の静的バランス測定装置によれば、摩擦力の影響を受けずに、回転体の偏心量および軽点を精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】回転体の静的バランス測定装置を示す一部切欠正面図である。
【図２】振り子体を示す一部切欠正面図である。
【図３】ロードセルとウエイトの位置関係を示す概略平面図である。
【図４】回転体の静的バランス測定装置により測定を行う手順を示すフローチャートである。
【図５】チャックによりホイールを保持した状態を示す一部切欠正面図である。
【図６】載置台を下降させた状態を示す一部切欠正面図である。
【図７】偏心量によりロードセルに荷重が加わる様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１０…回転体の静的バランス測定装置 １２…ベース
１４…ホイール １６…振り子体
１８…載置台 ２０…昇降装置
２２…弾性体 ３６ａ〜３６ｄ…チャック
３８…テーパ部 ４０…ピストンロッド
４４…ブラケット ４６…連結部材
４８…シャフト ７４…ウエイト
７８…オイルダンパ ８２ａ、８２ｂ…ロードセル
Ｃ…中心軸 Ｇ…重心
ｈ…距離 ｋ…ばね定数
Ｍ…モーメント ｒ…距離
Ｗ…荷重

Claims (3)

1. 装置本体と、
   振り子体と、
   前記振り子体の変位量または荷重を検出するセンサとからなり、
   前記振り子体は、前記装置本体に接続する弾性体と、
   中心軸が鉛直方向となるように載置する回転体を保持する保持部と、
   一方向に延在するシャフトとを含み、
   前記シャフトは前記センサと連結され、
   前記回転体の偏心量に起因する力により前記弾性体が変形することによって、前記振り子体は傾斜可能であり、
   前記回転体を非保持の状態で、前記シャフトに設けられたウエイトの位置を調整することにより、前記シャフトを予め垂直方向に非平衡にしておくことを特徴とする回転体の静的バランス測定装置。
2. 請求項１記載の回転体の静的バランス測定装置において、
   前記弾性体は、丸棒材であることを特徴とする回転体の静的バランス測定装置。
3. 請求項１または２記載の回転体の静的バランス測定装置において、
   前記装置本体と前記振り子体との間に、前記振り子体の振動を抑制するためのダンパを備えていることを特徴とする回転体の静的バランス測定装置。

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