(57)【要約】【課題】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目的とする。【解決手段】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。【選択図】図１
2011174824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−７４７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【発明の効果】
【０００８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る軸受剛性評価装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】外輪を固定した場合としていない場合の周波数スペクトルである。
【図３】本発明の第２実施形態に係る軸受剛性評価装置の全体構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る軸受剛性評価装置の全体構成を示すブロック図である。
【図５】本発明および従来の剛性評価を行う方法を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
（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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
（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。
【００２５】
（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。
【００２６】
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。
【符号の説明】
【００２７】
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
【図１】
2011174824.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2011174824.tif 000006
【図５】
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