JP4952617B2 - 回転軸のプリロード調整方法及び装置 - Google Patents

回転軸のプリロード調整方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、回転軸のプリロード調整方法及び装置に関する。
自動車に搭載される差動装置のドライブピニオンをギヤケースに軸支するテーパベアリングには予め設定されたプリロードが付与されている。この目的は、(1)ドライブピニオンとリングギヤの変位を少なくし、ギヤの噛み合い精度を向上させることによりギヤセットとしての寿命向上を図る、(2)ドライブピニオンに振動、衝撃荷重が作用した場合のベアリング破損を防ぐ、ことにあり、ベアリング自体の寿命はある程度犠牲にしても歯車の騒音に対する寿命の延長を図っている。
プリロード調整は、上述のように、ギヤの変位量を少なくする目的で、実際のギヤのスラスト荷重に対して適切な予圧荷重を与えることを意味する。
プリロードの測定は、(1)予圧荷重そのものを測定する、(2)ベアリングの軸方向の変位量を測定する、(3)べリングの起動トルクを測定する、などの方法が考えられる。
ここで、テーパベアリングの回転トルクは、新品の時点では作動トルクや起動トルクに大差はないが、一旦使用したベアリングは作動トルクの大幅な低下が認められる。
このため、ベアリングのプリロードを測定するのに、通常はベアリングの起動トルクを回転トルクとして測定する方法が採用されている。
従来の回転軸のプリロード調整を行う装置として、特許文献1には、テーパベアリングを介して回転自在に軸支された差動装置のドライブピニオン軸のプリロード調整方法及び装置が記載されている。この装置は、トルク検出器と、プリロード検出器と、角度検出器とを備え、締付装置によりナットを予め設定された目標トルクまで締め付けた後にプリロードを測定し、測定されたプリロードと目標プリロードとの差に応じた角度だけ増し締めする。
実公平7−16901号公報
上記特許文献1に記載の方法では、最初に目標締付トルクまで締め付けた後にプリロードを測定し、プリロード測定値に応じた増し締め角度だけ再締め付けを行い、目標プリロード値に達するまで再度プリロードを測定するため、調整に時間を要する。また、プリロード測定値にある程度の幅を設けて増し締め角度が設定されるため、目標プリロードと増し締め後のプリロードとの間にばらつきがあり、精度良くプリロード調整を行うことができないという課題がある。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされ、その目的は、回転軸のプリロードを短時間で精度良く調整することができる技術を実現することである。
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る第1の形態は、ハウジング部材に1対のテーパベアリングを介して回転自在に支持され、当該1対のテーパベアリング間に変形可能な間隔調整材が配設された回転軸について、前記回転軸に螺合するナットを締め付けて前記1対のテーパベアリングと前記間隔調整材に軸方向の押圧力を作用させて前記回転軸のプリロードを調整する方法であって、締付手段によって前記ナットを予め設定された締付トルクまで締め付けた後に、予め設定された締付角度まで締め付け、前記締付手段によって更に前記ナットを締め付けつつ所定角度ごとの締付トルクの変化量が所定閾値を超えたときに前記ナットの締め付けを停止し、測定手段によって前記回転軸のプリロード値を測定し、測定されたプリロード値と目標プリロード値との差に応じた締付角度だけ前記締付手段によって前記ナットを締め付ける。
また、本発明に係る第3の形態は、ハウジング部材に1対のテーパベアリングを介して回転自在に支持され、当該1対のテーパベアリング間に変形可能な間隔調整材が配設された回転軸について、前記回転軸に螺合するナットを締め付けて前記1対のテーパベアリングと前記間隔調整材に軸方向の押圧力を作用させて前記回転軸のプリロードを調整する装置であって、前記ナットを締め付ける締付手段と、前記締付手段によるナットの締付トルクを測定するトルク測定手段と、前記締付手段によるナットの締付角度を測定する角度測定手段と、前記回転軸のプリロードを測定するプリロード測定手段と、前記締付手段によって前記ナットを予め設定された締付トルクまで締め付けた後に、予め設定された締付角度まで締め付け、前記締付手段によって更に前記ナットを締め付けつつ所定角度ごとの締付トルクの変化量が所定閾値を超えたときに前記ナットの締め付けを停止し、前記プリロード測定手段によって前記回転軸のプリロード値を測定し、測定されたプリロード値と目標プリロード値との差に応じた増し締め角度だけ前記締付手段によって前記ナットを締め付ける制御手段と、を備える。第1及び第3の形態によれば、回転軸のプリロードを短時間で精度良く調整することができる。
また、第2及び第4の形態では、前記プリロード値は、前記回転軸を1回転させる間に所定角度ごとに測定したトルクの平均値である。これにより、プリロード測定値のバラツキを解消し、プリロードを精度良く調整することができる。
本発明によれば、回転軸のプリロードを短時間で精度良く調整することができる。
以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
[ワークの構成]
図1は、本発明に係る実施形態のプリロード調整を行う対象であるワークの構成を示す断面図である。
本実施形態のワークWは車両の差動装置であり、図1に例示するように、ハウジング部材101と、ハウジング部材101に対して前後1対のテーパベアリング102,103を介して回転自在に軸支されるドライブピニオン軸104と、ドライブピニオン軸104によりスプライン嵌合され且つテーパベアリング102のインナーレース102aに当接されるコンパニオンフランジ105と、ドライブピニオン軸104の先端ネジ部106に螺合してコンパニオンフランジ105をドライブピニオン軸104に取り付け且つコンパニオンフランジ105を介してインナーレース102aを押圧してドライブピニオン軸104にハウジング部材101に対する所望のプリロード(換言すれば、回転抵抗)を付与するピニオンナット107と、1対のテーパベアリング102,103間に配設されて1対のテーパベアリング102,103の間隔を調整する弾性変形可能なディスタンスピース110と、を備える。
また、コンパニオンフランジ105にはボルト挿通孔108が穿設され、ドライブピニオン軸104にはピニオンギヤ109が固着されている。102a,103aはテーパベアリング102,103の各インナーレース、102b,103bはテーパベアリング102,103の各アウターレースである。102c,103cは各々のインナーレース102a,103aとアウターレース102b,103bとの間に転がり回転可能に配設されたころ部材である。
上記構成の差動装置は、ハウジング部材101へのドライブピニオン軸104の組付時に、後述するプリロード調整装置によってピニオンナット107の締め付け度合いに応じてベアリング102,103とディスタンスピース110に軸方向の押圧力を作用させることにより所望のプリロードがドライブピニオン軸104に付与される。
[プリロード調整装置の構成]
本実施形態のプリロード調整装置(以下、調整装置)は、図2に示すように、ワークW(図1の差動装置)におけるピニオンナット(以下、ナット)107を締め付ける回転駆動系として作用するナット締付用ナットランナ1と、ナット107が締め付けられた状態のプリロードを測定する回転駆動系として作用するプリロード測定用ナットランナ2とを備える。ワークWは、治具パレットPにより所定位置に位置決め固定されている。ナット締付用ナットランナ1およびプリロード測定用ナットランナ2は、基枠3上に設置された昇降シリンダ4により昇降自在に支持された昇降ヘッド5に上下方向に並設されている。
ナット締付用ナットランナ1は、昇降ヘッド5に形成された支持枠6に固定された駆動源であるモータ7と、モータ7の回転軸7aに対して上下摺動可能且つ共回り可能に支持され、ナット107に対して嵌合可能とされるソケット8と、ソケット8に対して上下摺動自在且つ相対回転自在に枢支された回転ドラム9とを備える。
回転ドラム9には、コンパニオンフランジ105のボルト挿通孔108に挿通される回り止めピン10が突設されており、モータ7の回転軸7aからオフセットされた動力伝達機構11を介してモータ7の動力が伝達される。動力伝達機構11は、モータ回転軸7aに枢着されたギヤ12と、ギヤ12に対して中間ギヤ13を介して噛合されるギヤ14を有する回転軸15と、回転軸15に対して上下摺動自在且つ共回り可能に枢支されたクラッチギヤ16と、クラッチギヤ16に対して中間ギヤ17を介して噛合されるべく回転ドラム9の外周に形成されたリングギヤ18とからなり、各ギヤ間のギヤ比によりソケット8と回転ドラム9との回転数に差が生じるように構成されている。つまり、ソケット8の回転数を回転ドラム9の回転数より多くすることにより、ソケット8に嵌合されたナット107のドライブピニオン軸104への締め付けが行われる。なお、19はソケット8を昇降作動させるためのエアシリンダ、20はクラッチギヤ16を昇降作動させるためのエアシリンダである。
一方、プリロード測定用ナットランナ2は、支持枠6にモータ7と平行に固定されたモータ21と、モータ21の回転軸21aに付設された電磁クラッチ22と、モータ回転軸21aに対して電磁クラッチ22を介して係脱自在に連結されたプーリ23とを備えており、プーリ23と回転ドラム9とはVベルト24を介して動力伝達可能に連結されている。
更に、ナット締付用ナットランナ1には、ナット107の締め付け時における締付トルクを測定するための締付用トルクトランスジューサ25と、ナット締付用ナットランナ1による締付角度を測定するための角度エンコーダ26とが付設されている。
一方、プリロード測定用ナットランナ2には、ドライブピニオン軸104のプリロードを測定するプリロード測定用トルクトランスジューサ27が付設されている。
締付用トルクトランスジューサ25、角度エンコーダ26およびプリロード測定用トルクトランスジューサ27による測定結果(即ち、締付トルクT、締付角度θ、プリロード実測値R’)は、ナット締付用ナットランナ1およびプリロード測定用ナットランナ2を制御すべく付設されたコントローラ28に入力され、コントローラ28から出力されるモータ制御信号K1,K2によってナット締付用ナットランナ1およびプリロード測定用ナットランナ2が制御される。29はコントローラ28に対してナット107を締め付けるべく予め設定された目標締付トルクT0を入力するためのトルク設定器である。コントローラ28は、例えばCPUやメモリにより構成されている。
[プリロード調整方法]
図3は、上記調整装置によるプリロード調整方法を説明する図である。
図3において、先ず、プリロードを測定する前段階として、回転トルクの測定開始点Sから所定の回転数(rpm)でナット締付用ナットランナ1及び回転ドラム9によりナット107及びドライブピニオン軸104を回転させて、メカニカルロス値R1とシール抵抗値R2を測定する。
更に、ナット107とドライブピニオン軸104に回転差を付けることでナット107を締め付けていく(例えば、ナット107の回転数>ドライブピニオン軸104(コンパニオンフランジ105)の回転数)。ここで、ドライブピニオン軸104を回転させるのはベアリング102,103のインナーレース102a,103aを回転させる必要があるからである。
更に、ナットを締め付けていき、予め設定された目標締付トルクT0まで締め付ける。ここでの目標締付トルクT0は、ワークWごとに異なっており、50〜300N・m程度の範囲で適宜設定される。
次に、予め設定された締付角度θ0まで締め付ける。ここでの締付角度θ0は、ワークWごとに異なっており、300〜550°程度の範囲で適宜設定される。
更に、調整装置によって更にナット107を締め付けつつ、所定角度Δθごとの締付トルクTの変化量ΔTが所定閾値(例えば、10〜25N・m)を超えたときに締め付けを停止する。
ここで、プリロード(回転トルク(起動トルク))の測定を開始する。ここでのプリロード測定値Rは、下記式1により求められる。
プリロード測定値R=プリロード実測値(回転トルク実測値)R’−(メカニカルロス値R1+シール抵抗値R2)・・・(1)
ここで、図4に示すように、プリロードが大きいほどトルク変動幅が大きくなる傾向があり、図5に示すように1回転の範囲で0.5N・m程度のトルク変動が発生する。そこで、上記メカニカルロス値R1,シール抵抗値R2,プリロード実測値R’は、測定開始後に所定の回転数(例えば、4〜10回転)だけならし回転を行い、その後の1回転で1°ごとにデータを収集し、1回転の平均値を上記式1の計算に使用する。これにより、プリロード測定値Rのバラツキを解消することができる。
そして、プリロード測定値Rと目標プリロード値R0との差に応じた増し締め角度θfを算出し、この角度θfだけナット107を締め付ける。ここでの増し締め角度θfは、下記式2により求められる。
増し締め角度θf=目標プリロード値R0−プリロード測定値R×係数×100・・・(2)
例えば、目標プリロード値R0が1.5,プリロード測定値Rが0.6N・mならば、増し締め角度θfは9°となる。
なお、増し締めは、ナットを増し締め方向(右)に回転し、例えば100N・mの回転トルクが測定されたならば、そこから9°増し締めする。
ここで、目標プリロード値R0は、ワークWごとに異なっており、0.8〜2.5N・m程度の範囲で適宜設定される。
なお、上記増し締め角度θfが9°の例において、希ではあるが上記プリロード測定値Rが目標プリロード値R0をオーバーした場合には、ナット107を緩める方向(左)に回転し、100N・mの回転トルクが測定されたならば、そこから23°分緩める。その後、ナット107を増し締め方向(右)に回転し、100N・mの回転トルクが測定されたならば、そこから10°増し締めする。
図6は、図3を模式化し、測定開始から増し締めまでの締付トルクの変化とディスタンスピースの変位量との関係を示す図である。
図6において、Oは締付開始位置であり、この状態では、ベアリング102,103の各インナーレース102a,103aとディスタンスピース110は密着しているが、各ベアリング102,103のころ部材102c,103cとインナーレース102a,103a及びアウターレース102b,103bとの間にはクリアランスがある。
P1は目標締付トルクT0までナット107を締め付けた位置であり、O−P1はディスタンスピース110が弾性変形をしていく範囲である。
P2は各ベアリング102,103のころ部材102c,103cとインナーレース102a,103a及びアウターレース102b,103bとの間にクリアランスのなくなった瞬間に相当する位置であり、P1−P2はディスタンスピース110が塑性変形をしていく範囲である。
P3は各ベアリング102,103に正規のプリロードがかかった状態に相当する位置であり、P2−P3はベアリング102,103にも締付トルクの一部がかかり、ベアリング102,103が弾性変形していく範囲である。図7は、上記P2−P3におけるプリロードと締付角度との関係を例示しており、ワークWごとに設定される目標プリロードに応じて位置P2からの増し締め角度が設定される。
[プリロード調整フロー]
図8は、本実施形態のプリロード調整手順を示すフローチャートである。
なお、以下の処理は、調整装置のコントローラ28が、メモリから制御プログラムを読み出して実行することで実現される。
図8において、プリロード測定の前段階として、調整装置の回転ドラム9の回転抵抗(即ち、メカニカルロス)と、ワークWに設けられたオイルシール部の回転トルクが予め測定される(S1,S2)。即ち、エアシリンダ20によりクラッチギヤ16を上昇させて回転ドラム9とモータ回転軸7aとの間の動力伝達を遮断した後、電磁クラッチ22をON状態としてプリロード測定用ナットランナ2のモータ21を駆動させて回転ドラム9のみの回転抵抗(メカニカルロス値)R1をプリロード測定用トルクトランスジューサ27により測定してコントローラ28に記憶させる一方、エアシリンダ19によりソケット8を上昇させた状態で昇降ヘッド5を降下させて回転ドラム9の回り止めピン10をコンパニオンフランジ105のボルト挿通孔108に挿通させた後、電磁クラッチ22をON状態としてプリロード測定用ナットランナ2のモータ21を駆動させてワークWのオイルシール部のシール抵抗値R2をプリロード測定用トルクトランスジューサ27により測定してコントローラ28に記憶させる。これらのメカニカルロス値R1及びシール抵抗値R2は、ナット締め付け後に行われるドライブピニオン軸104のプリロード実測値R′から差し引かれるものであり、ロス分をキャンセルした真のプリロード測定値R(即ち、目標プリロード値R0と比較可能な値)が算出される。
次に、エアシリンダ19,20によりソケット8およびクラッチギヤ16を下降させて、ソケット8をナット107に嵌合させるとともに、モータ7の駆動力が動力伝達機構11を介して回転ドラム9に伝達されるようにし、且つ電磁クラッチ22をOFF状態として、ナット締付用ナットランナ1によるナット107の締め付けを開始する(S3)。このナット締付過程においては、締付用トルクトランスジューサ25から締付トルクTが測定されるが、締付トルクTが目標締付トルクT0に達した時点でナット締付用ナットランナ1によるナット107の締め付けを停止する(S4,S5)。
続けて、ナット締付用ナットランナ1により予め設定された締付角度θ0だけナット107を締め付ける(S6)。
次に、ナット締付用ナットランナ1により更にナット107を締め付けつつ所定角度(1°)ごとの締付トルクTの変化量ΔTが所定閾値を超えたか判定し(S7〜S9)、締付トルクTの変化量ΔTが所定閾値を超えたならばナット107の締め付けを停止する。
その後、エアシリンダ19,20によりソケット8およびクラッチギヤ16を上昇させて、ナット107からソケット8を離脱させるとともに、回転ドラム9とモータ回転軸7aとの間の動力伝達を遮断した後、電磁クラッチ22をON状態として、プリロード測定用ナットランナ2を駆動させてプリロード測定用トルクトランスジューサ27によりプリロードの測定を行う(S10)。
次に、S9で得られたプリロード実測値R’からメカニカルロス値R1及びシール抵抗値R2を差し引いて求められたプリロード測定値Rと目標プリロード値R0との差に応じた上記式2から増し締め角度θfを算出する(S11)。
次に、S10で算出された増し締め角度θfだけナット締付用ナットランナ1によるナット107の締め付けを行うと同時にプリロードを測定する(S12)。
ここで、プリロード測定値Rが目標プリロード値R0に対して所定の許容範囲(RO±α)内に入っているか判定し、許容範囲内であればプリロード調整が完了したものとして本処理を終了する一方、希ではあるが許容範囲内にないならば、プリロード調整がNGとしてS3へリターンして、再度調整を実行する(S13)。
上記実施形態によれば、ハウジング部材101に1対のベアリング102,103を介して回転自在に軸支されてドライブピニオン軸104に螺合されるナット107を目標締付トルクT0まで締め付けた後に、予め設定された締付角度θ0まで締め付ける。その後、更にナット107を締め付けつつ所定角度Δθごとの締付トルクの変化量ΔTが所定閾値を超えたときにナット107の締め付けを停止した状態でプリロード測定値Rと目標プリロード値R0との差に応じた増し締め締付角度θfだけ締め付ける。よって、ドライブピニオン軸104のプリロードを短時間で精度良く調整することができる。
なお、上記実施形態では、ナット締付用回転駆動系とプリロード測定用回転駆動系とが別々の駆動源により駆動される構成について説明したが、本発明はナット締付用回転駆動系とプリロード測定用駆動系とを同一の駆動源により駆動させるようにしたものにも適用可能である。
また、本実施形態のプリロード調整装置は、ナット107をドライブピニオン軸104に対して相対的に回転して締め付ける構成であったが、ドライブピニオン軸104をナット107に対して相対的に回転して締め付けるように構成しても、本発明の効果が得られることは言うまでもない。
尚、本発明は、上述したプリロード調整方法をコンピュータに実行させるためのプログラムや当該プログラムを格納したコンピュータ可読記憶媒体としても適用可能である。この場合、図8で述べたプリロード調整方法を実行するコンピュータプログラムが格納された記憶媒体を、コンピュータ本体に供給して、当該コンピュータ本体が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して、上記処理を実行するようにしてもよい。
本発明に係る実施形態のプリロード調整を行う対象であるワークの構成を示す断面図である。 本発明に係る実施形態のプリロード調整装置の構成を示す側面図である。 本実施形態のプリロード調整装置によるプリロード調整方法を説明する図である。 締付トルクとプリロードとの関係を示す図である。 回転軸の回転とプリロードとの関係を示す図である。 図3を模式化し、測定開始から増し締めまでの締付トルクの変化とディスタンスピースの変位量との関係を示す図である。 図6のP2−P3におけるプリロードと締付角度との関係を例示する図である。 本実施形態のプリロード調整手順を示すフローチャートである。
符号の説明
1 ナット締付用ナットランナ
2 プリロード測定用ナットランナ
3 基枠
4 昇降シリンダ
5 昇降ヘッド
6 支持枠
7 モータ
7a 回転軸
8 ソケット
9 回転ドラム
10 回り止めピン
11 動力伝達機構
12,14 ギヤ
13,17 中間ギヤ
15 回転軸
16 クラッチギヤ
18 リングギヤ
19,20 エアシリンダ
21 モータ
21a 回転軸
22 電磁クラッチ
23 プーリ
24 Vベルト
25 締付用トルクトランスジューサ
26 角度エンコーダ
27 プリロード測定用トルクトランスジューサ
28 コントローラ
101 ハウジング部材
102,103 テーパベアリング
102a,103a インナーレース
102b,103b アウターレース
102c,103c ころ部材
104 ドライブピニオン軸
105 コンパニオンフランジ
106先端ネジ部
107 ピニオンナット
108 ボルト挿通孔
109 ピニオンギヤ
110 ディスタンスピース
W ワーク

Claims (4)

  1. ハウジング部材に1対のテーパベアリングを介して回転自在に支持され、当該1対のテーパベアリング間に変形可能な間隔調整材が配設された回転軸について、前記回転軸に螺合するナットを締め付けて前記1対のテーパベアリングと前記間隔調整材に軸方向の押圧力を作用させて前記回転軸のプリロードを調整する方法であって、
    締付手段によって前記ナットを予め設定された締付トルクまで締め付けた後に、予め設定された締付角度まで締め付け、
    前記締付手段によって更に前記ナットを締め付けつつ所定角度ごとの締付トルクの変化量が所定閾値を超えたときに前記ナットの締め付けを停止し、
    測定手段によって前記回転軸のプリロード値を測定し、測定されたプリロード値と目標プリロード値との差に応じた締付角度だけ前記締付手段によって前記ナットを締め付けることを特徴とする方法。
  2. 前記プリロード値は、前記回転軸を1回転させる間に所定角度ごとに測定したトルクの平均値であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. ハウジング部材に1対のテーパベアリングを介して回転自在に支持され、当該1対のテーパベアリング間に変形可能な間隔調整材が配設された回転軸について、前記回転軸に螺合するナットを締め付けて前記1対のテーパベアリングと前記間隔調整材に軸方向の押圧力を作用させて前記回転軸のプリロードを調整する装置であって、
    前記ナットを締め付ける締付手段と、
    前記締付手段によるナットの締付トルクを測定するトルク測定手段と、
    前記締付手段によるナットの締付角度を測定する角度測定手段と、
    前記回転軸のプリロードを測定するプリロード測定手段と、
    前記締付手段によって前記ナットを予め設定された締付トルクまで締め付けた後に、予め設定された締付角度まで締め付け、
    前記締付手段によって更に前記ナットを締め付けつつ所定角度ごとの締付トルクの変化量が所定閾値を超えたときに前記ナットの締め付けを停止し、
    前記プリロード測定手段によって前記回転軸のプリロード値を測定し、測定されたプリロード値と目標プリロード値との差に応じた増し締め角度だけ前記締付手段によって前記ナットを締め付ける制御手段と、を備えることを特徴とする装置。
  4. 前記プリロード値は、前記回転軸を1回転させる間に所定角度ごとに測定したトルクの平均値であることを特徴とする請求項3に記載の装置。
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