(57)【要約】【課題】測定する時間を短縮でき、また、回転輪の回転数が低回転であっても、インライン（製造ライン）上で接触角を検査可能な方法及び装置を提供することができる。【解決手段】ウェビネス周波数の高調波成分から、内輪周波数ｆｉ、公転周波数ｆｃ、外輪周波数ｆｏ、転動体周波数ｆｂのいずれかの基本周波数を求めることで、接触角αを求めることができる。ｎ次の高調波成分を抽出することで基本周波数を推定できるが、その場合の測定時間は１／ｎｚに短縮され、ラインでの測定時間短縮に寄与する。【選択図】　図１
2004061151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外輪と、内輪と、両輪間に転動自在に配置された転動体とを有する軸受装置の接触角を測定する接触角測定方法において、
前記内輪と前記外輪の一方を回転させたとき、固定された輪に発生する半径方向振動又は軸方向振動の少なくとも一方を測定し、測定結果により得られるウェビネスによる振動周波数の基本波または高調波成分に基づいて、前記転動体の接触角を求めることを特徴とする軸受装置の接触角測定方法。
【請求項２】
外輪と、内輪と、両輪間に転動自在に配置された転動体とを有する軸受装置の接触角を測定する接触角測定装置において、
前記内輪と前記外輪の一方を回転させたとき、固定された輪に発生する半径方向振動又は軸方向振動の少なくとも一方を測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した振動を解析してウェビネスによる振動周波数の基本波または高調波成分を求める解析手段と、
前記基本波又は高調波成分に基づいて、前記転動体の接触角を求める演算手段とを有することを特徴とする軸受装置の接触角測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば予圧が付与された組み合わせ軸受装置の接触角を測定する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、図４に断面を示すアンギュラ玉軸受１は、内周面に外輪軌道２を有する外輪３と、外周面に内輪軌道４を有する内輪５と、上記外輪軌道２と内輪軌道４との間に転動自在に設けられた、転動体である複数の玉６、６とから構成される。この玉６、６の転動に基づき、上記外輪３を内嵌支持したハウジング等の部材と、上記内輪５を外嵌支持した軸等の部材との相対的回転を自在とする。
【０００３】
更に、アンギュラ玉軸受１は、ラジアル方向の荷重だけでなくアキシャル方向の荷重も支承出来る様に、各玉６、６と外輪軌道２及び内輪軌道４との接触点を結ぶ直線ａを、各玉６、６の中心同士を結ぶ直線ｂに対して、角度αだけ傾斜させている。接触角と呼ばれるこの角度αは、玉軸受１の性能に大きな影響を及ぼす為、所定の値になる様に規制する必要がある。特に、高性能玉軸受の場合には、上記接触角αを厳密に規制する必要がある。又、図示は省略したが、円錐ころ軸受に於ける転動体であるころの接触角も、同様に、厳密に規制する必要がある。
【０００４】
ところで、軸受装置の接触角を測定する方法及び装置が特開平４−３６４４０８公報に開示されている。かかる方法及び装置は、軸受の外輪と内輪の内、一方の輪の一部を押圧することで回転不能とした状態で他方を回転させ、外輪又は内輪の振動を測定し、測定値から回転輪の回転周波数と転動体の公転周波数とを求めることで、接触角を求めるものである。
【０００５】
特開平４−３６４４０８公報に開示された転がり軸受の接触角を測定する方法によれば、外輪又は内輪の回転角と転動体を保持する保持器の回転角とから接触角を求めていたそれ以前の測定方法及び装置に比べて、測定可能な軸受が限定されず十分に高精度の測定が行え、且つ測定作業の自動化が可能となり、転がり軸受の製造ライン中に測定装置を組み込むことで転がり軸受の接触角をライン上で検査することも可能となった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、外輪の内周面と、内輪の外周面とにそれぞれ複列の軌道を形成し、両軌道の間に設けられた転動体に予圧を付与したごとき組み合わせ軸受の公転周波数を求める場合、各列毎に振動が発生し、公転周波数が２種類求められる。この場合、組み合わせ軸受の各列の接触角が隣接していたり、各列の接触角がほぼ等しいと、２つの公転周波数の差が小さいために、何れの公転周波数が何れの列のものであるかを特定できないことがあった。
【０００７】
しかるに、上述の従来技術によれば、外輪又は内輪の何れか一方を回転不能にする押圧力を変化させ、各列の転動体の接触角を異るものにし２種類の公転周波数に違いを持たせることで、何れの公転周波数が何れの列のものであるかを特定できるようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来技術では、実用回転数で外輪又は内輪の何れか一方を回転させ各列毎に接触角を測定するので、組み合わせ軸受の２種類の公転周波数の差が小さいと、測定する時間が長くなり、インライン（製造ライン）上での検査が困難なことがあった。特に、かかる回転数が低い場合、組み合わせ軸受の２種類の公転周波数の差が小さいと、何れの列の転動体の公転周波数であるかを識別することが困難なため、十分な測定が行えないなどの問題があった。
【０００９】
本発明は、予圧が付与された組み合わせ軸受の接触角の測定方法及び装置において、測定する時間を短縮でき、また、回転輪の回転数が低回転であっても、インライン（製造ライン）上で接触角を検査可能な方法及び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】
上記目的を達成するために、第１の本発明の軸受装置の接触角測定方法は、
外輪と、内輪と、両輪間に転動自在に配置された転動体とを有する軸受装置（例えば円錐ころ軸受）の接触角を測定する接触角測定方法において、
前記内輪と前記外輪の一方を回転させたとき、固定された輪に発生する半径方向振動又は軸方向振動の少なくとも一方を測定し、測定結果により得られるウェビネスによる振動周波数の基本波または高調波成分に基づいて、前記転動体の接触角を求めることを特徴とする。
【００１１】
第２の本発明の軸受装置の接触角測定装置は、
外輪と、内輪と、両輪間に転動自在に配置された転動体とを有する軸受装置（例えば円錐ころ軸受）の接触角を測定する接触角測定装置において、
前記内輪と前記外輪の一方を回転させたとき、固定された輪に発生する半径方向振動又は軸方向振動の少なくとも一方を測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した振動を解析してウェビネスによる振動周波数の基本波または高調波成分を求める解析手段と、
前記基本波又は高調波成分に基づいて、前記転動体の接触角を求める演算手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
【作用】
転がり軸受を構成する各部材は極めて精密に仕上げられるが、その表面形状並びに寸法に全く誤差がない事はありえない。例えば、１個の転がり軸受に組み込まれる複数の転動体の外径は同じとするのが理想であるが、不可避的な製造誤差により、通常は各転動体毎に外径が僅かに異なっている。この様に外径が微妙に異なる複数の転動体の公転に基づき、回転輪もしくは固定輪が、半径方向、軸方向に振動する。この振動を解析することで、転動体のウェビネスによる振動周波数がわかる。
【００１３】
又、外輪軌道と内輪軌道とは何れも、微小のうねりが存在する。回転輪の回転時には、このうねりに基づいて、回転輪及び固定輪が、半径方向、軸方向に振動する。この振動を解析すれば、回転輪のウェビネスによる振動周波数及び固定輪のウェビネス周波数がわかる。
【００１４】
特に、複列の転動体を含む組み合わせ軸受の場合、接触角が２個存在するために各振動成分のスペクトラムは、隣接した２本の線スペクトラムとして計測される。このときの転動体の公転周波数をｆｃ１、ｆｃ２として、例えば固定輪のうねり（ウェビネス）による半径方向の振動のｎ次成分を計測し、この転動体の公転周波数をｎｚｆｃ１、ｎｚｆｃ２とすると、各々の転動体の公転周波数による評価の比較を示す（ｎｚｆｃ１−ｎｚｆｃ２）／（ｆｃ１−ｆｃ２）はｎｚ倍の周波数になり、転動体の公転周波数ｆｃ１、ｆｃ２による評価のｎｚ倍になる。従って、ｎ次成分の転動体の公転周波数ｎｚｆｃにより接触角を評価する場合、周波数分析のために必要な測定時間は１／ｎｚに短縮され、インラインで予圧が付与された軸受の接触角を全数計測することが可能になる。これは、転動体の公転周波数の高次成分を検出することで、同じ検出精度を得るための周波数分解能は低くても良いからである。
【００１５】
ここで、各ウェビネス周波数のｎ次成分は、以下のように表せる。
（１）半径方向振動
回転輪ウェビネス：ｎ・ｆｉ±ｆｒ　又は　ｎ・ｆｏ±ｆｒ
固定輪ウェビネス：ｎ・Ｚ・ｆｃ
転動体ウェビネス：２・ｎ・ｆｂ±ｆｃ
（２）軸方向振動
回転輪ウェビネス：ｎ・ｆｉ　又は　ｎ・ｆｏ
固定輪ウェビネス：ｎ・Ｚ・ｆｃ
転動体ウェビネス：２・ｎ・ｆｂ
但し、ｆｉは内輪周波数、ｆｃは公転周波数、ｆｏは外輪周波数、ｆｂは転動体周波数である。これらと接触角との関係を以下に示す
【数１】
2004061151.tif 000003
【数２】
2004061151.tif 000004
【数３】
2004061151.tif 000005
【数４】
2004061151.tif 000006
但し、式中でＺはボール数、Ｄはボール径、ｄｍはピッチ径、αは接触角、ｆｒは回転輪の回転数である。
【００１６】
本発明によれば、上述したウェビネス周波数の高調波成分から、内輪周波数ｆｉ、公転周波数ｆｃ、外輪周波数ｆｏ、転動体周波数ｆｂのいずれかの基本周波数を求めることで、（１）〜（４）式のいずれかに基づいて接触角αを求めることができる。ここで、ｎ次の高調波成分を抽出することで基本周波数を推定できるが、その場合の測定時間は１／ｎｚに短縮され、ラインでの測定時間短縮に寄与する。尚、内輪周波数ｆｉ、公転周波数ｆｃ、外輪周波数ｆｏ、転動体周波数ｆｂのいずれを用いて接触角αを求めるかは任意であるが、実際の測定時には、回転輪と共に回転するスピンドルの振れ成分や、ノイズ等が現れるので、それらの影響が最も少ない周波数を選択すればよい。尚、軸受の回転数が変動する場合は、回転輪の回転数に一致する振動を同時に計測することで、その影響を回避できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態による接触角測定装置の半径方向振動を計測する場合の断面図である。
【００１８】
図１に示すように、接触角αを測定すべき、予圧が付与された組み合わせ軸受１は、内周面に複列の外輪軌道２、２を有する外輪３と、外周面に複列の内輪軌道４、４を有する内輪５と、上記外輪軌道２、２と内輪軌道４、４との間に転動自在に設けられた、転動体の一種である複数の玉６ａ、６ａ、６ｂ、６ｂとから構成される。上記接触角αの測定作業時には、この組み合わせ軸受１の内輪５が、後述するエアースピンドル１７、サーボモ−タ１９等と共に駆動装置を構成するアーバ１６に外嵌支持される。
【００１９】
上記アーバ１６は、スピンドル１７の一端面中心部に形成されたテーパ孔４７に嵌合固定される。そしてこのスピンドル１７は、フレーム１８の内側に回転自在に支持される。このスピンドルを支持する軸受として好ましくは、静圧気体軸受、磁気軸受、超電導軸受等、上記スピンドル１７の回転に伴なって振動を発生しない構造のものを使用する。
【００２０】
この様にしてフレーム１８に支持されたスピンドル１７は、サーボモータ１９により回転駆動自在とされる。又、スピンドル１７をエアスピンドルとすることで、サーボモータ１９によるスピンドル１７の回転駆動時に、このスピンドル１７が振動する事を防止する。図示の実施の形態では、スピンドル１７とサーボモータ１９の出力軸とを同心に配置し、マグネットカップリング等を介して、上記スピンドル１７を回転駆動する。上記サーボモータ１９への通電により上記スピンドル１７は、例えば１８００回転毎分程度の一定速度で回転駆動される。
【００２１】
尚、図示の実施の形態とは別に、スピンドル１７の他端面中心部に固定した従動プーリとサーボモータ１９の出力軸に固定した駆動プーリとの間に、無端ベルトを掛け渡すことで、上記スピンドル１７を回転駆動する事もできる。
【００２２】
押圧装置２３が、組み合わせ軸受１と並行して設けられ、押圧リング２６がアーバ１６に支持された組み合わせ軸受１の外輪３の端面に対向した状態で設けられる。この押圧装置２３は、支持体２４に対して回転自在に支持されたネジ軸２５と、ネジ軸２５に螺合し、その回転により軸方向に移動するボールスクリューナット２８と、ボールスクリューナット２８に一端を固定し、他端を継手２９に固定したアーム２７と、外輪３の端面を覆う押圧リング２６とを有する。
【００２３】
前記押圧リング２６は、ネジ軸２５上のボールスクリューナット２８が下方向に移動することに伴なってアーム２７及び継手２９が下降するので、前記組み合わせ軸受１の外輪３の端面に押し付けられ、この外輪３をアキシャル方向（図１の下方向）に押圧する。この押圧により、前記内輪５がサーボモータ１９への通電に基づいて回転した場合に於いても、この外輪３が回転するのが防止される。
【００２４】
尚、この押し付け作業時に、前記押圧リング２６を外輪３の端面に、全周に亙って均等な力で押し付ける役目を有する揺動継手（図示せず）を継手２９に替えて取り付けたり、上記押圧装置２３を構成する各部材で生じる振動が外輪３に伝達されるのを防止する役目を有する緩衝材（不図示）を外輪３と押圧リング２６との間に設けてもよい。又、前記押圧リング２６をアキシャル方向に押圧する為の手段は、予圧シリンダ、ソレノイド等、他の機構とする事も出来る。
【００２５】
測定手段すなわち振動測定素子である振動ピックアップ３３が、外輪３の外周面に当接して配置されている。この振動ピックアップ３３は、外輪３のラジアル方向（半径方向）に亙る振動を測定し、測定値を表わす信号Ａをアンプ３５に送る。尚、振動測定素子としては、上記振動ピックアップ３３の他、変位計、速度計、加速度計等、上記ラジアル方向に亙る振動を検出できるものであれば、何れも使用可能である。又、外輪３のアキシアル方向（軸方向）の振動を測定しても良い。
【００２６】
上記アンプ３５は増幅器とローパスフィルタとを含む。従って、このアンプ３５からは、増幅された信号Ｂが、周波数分析器３６に送られる。尚、ローパスフィルタは、次述するフーリエ変換器３８による処理を行なう際の、折り返し防止の為に設けられる。
【００２７】
分析手段である周波数分析器３６は、Ａ／Ｄ変換器３７と、フーリエ変換器３８と、メモリ３９とを含む。上記フーリエ変換器３８は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ｆａｓｔ　ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を利用して、上記アンプ３５から送り込まれ、Ａ／Ｄ変換器３７によりディジタル信号に変換された信号Ｂに基づいて、振動の周波数成分を求めることができる。
【００２８】
尚、メモリ３９は、前記サーボモータ１９による内輪５の回転にむらが生じる恐れのある場合に、これを補正するのに利用される。回転むらを補正する場合には、Ａ／Ｄ変換器３７から送り出された信号は、メモリ３９を介して上記フーリエ変換器３８に送られる。このフーリエ変換器３８は、回転輪の回転数ｆｒと公転周波数のｎ次成分ｎ・ｆｃとを、同じ時間軸データから求めるようになっている。
【００２９】
即ち、上記アンプ３５から周波数分析器３６に送られる信号Ｂには、上記回転数ｆｒに関する信号と、公転周波数のｎ次成分ｎ・ｆｃに関する信号とが、互いに重なり合った状態で含まれる。スペクトルもあるが、本実施形態の場合には、公転周波数のｎ次成分、ｎ・ｆｃの中で重ならないスペクトルを分析している。
【００３０】
上記内輪５の回転にむらがない場合には、上記回転数ｆｒに結び付く信号の処理を第１の計測時間内の信号Ｂで行ない、公転周波数のｎ次成分ｎ・ｆｃに結び付く信号の処理を、この第１の計測時間とは重ならない第２の計測時間内の信号Ｂ′で行なっても良い（メモリ３９は不要）。ところが、内輪５の回転にむらがあると、第１の計測時間の間の回転数ｆｒと第２の計測時間の間の公転周波数のｎ次成分ｎ・ｆｃとが対応しなくなり、この結果求められる接触角αが不正確となる。そこで、この様な場合には、上記メモリ３９を利用する事で、上記回転数ｆｒと公転周波数のｎ次成分ｎ・ｆｃとを何れも同じ時間軸に存在する信号Ｂから求めることができる。
【００３１】
この為、上記内輪５の回転にむらが生じても、このむらが上記回転数ｆｒと公転周波数のｎ次成分ｎ・ｆｃとの比率ｆｃ／ｎ・ｆｒに影響を与える事はなくなる。最終的に求めるべき接触角αは、前記（１）式から明らかな様に、上記回転数ｆｒと公転周波数ｆｃとの比率により求められる為、この比率が正しければ、正確な接触角αを得られる。
【００３２】
この様に、周波数分析器３６を構成するフーリエ変換器３８により求められた、内輪５の回転数ｆｒと玉６、６の公転周波数のｎ次成分ｎ・ｆｃとを表わす信号Ｃは、玉６、６の外径Ｄａ及び玉６、６のピッチ直径ｄｍを表わす信号と共に、パーソナルコンピュータ等の接触角演算器４０に送り込まれる。それに基づき、演算手段である接触角演算器４０が、前記（１）式に基づいて、前記組み合わせ軸受１の接触角αを求めるようになっている。
【００３３】
以上のように構成された本実施の形態による組み合わせ軸受の接触角測定装置を、いわゆるハブＩＩＩ軸受に適用した例について図１を用いて説明する。
【００３４】
ハブＩＩＩ軸受の場合、加工、組立工程での寸法誤差により接触角αは変化するが、Ｄ／ｄｍに与える影響は無視できるほど小さく、例えばＰＣＤ４４．５ｍｍと比較的サイズの小さい軸受でもＤ／ｄｍの誤差は０．２％程度であり、一定とみなすことができるため、（１）〜（４）の各式における振動成分のみを計測すれば接触角αを推定することができる。また、仮にｎｚ倍のウェビネス成分を計測に用いても誤差の影響度は変わることはない。
【００３５】
図２に示すように、周波数分析器により複列の組み合わせ軸受における接触角αを評価するための、各列の転動体の公転周波数ｎ・Ｚ・ｆｃ１とｎ・Ｚ・ｆｃ２が２本抽出されれば、ｆｃ１、ｆｃ２を推定でき、接触角演算器により（１）〜（４）に示した式に従って、２つの接触角αを求めて評価することができる。
【００３６】
次に、軸受を低速で回転させた場合の接触角を求める例について図３を用いて説明する。図３は、軸受を６００回転毎分で回転させた場合の転動体の公転周波数ｆｃを示すグラフである。図３に示すように、軸受を６００回転毎分と低速で回転させて、転動体の公転周波数ｆｃの１次、２次、３次成分を計測し、１次、２次、３次成分について隣接する２本の周波数の差分を求め、その値を図中△にプロットした。図３より図中の△印はリニアな関係にあることから、２次、３次成分の周波数より１次成分周波数に換算した場合でも、１次成分の周波数を精度良く推定できることを示している。従って、高次成分から基本成分の周波数を推定することができる。
【００３７】
さらに、図中の表は実際に２次、３次成分より換算した１次成分相当の周波数であり、この表より隣接している２本の周波数は共にほぼ１次成分と同じ周波数の値である。このことからも、２次、３次成分の周波数より１次成分の周波数を精度良く推定できる。
【００３８】
図３のデータにより、例えば転動体の公転周波数の３次成分を計測すれば、１次成分の周波数を精度良く推定することができ、１次成分を計測する場合に比べて１／３の計測時間で接触角αを推定することができる。
【００３９】
従って、高次成分から基本成分の周波数を推定することができるだけでなく、基本成分の周波数を計測する場合に比べて、次数分の一の計測時間で接触角αを推定でき、計測時間を短縮することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、測定する時間を短縮でき、また、回転輪の回転数が低回転であっても、インライン（製造ライン）上で接触角を検査可能な方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による接触角測定装置の半径方向振動を計測する場合の断面図である。
【図２】周波数分析例を示すグラフである。
【図３】軸受を６００回転毎分で回転させた場合の転動体の公転周波数ｆｃを示すグラフである。
【図４】軸受装置の一例であるアンギュラ玉軸受の断面図である。
【符号の説明】
１　組み合わせ軸受
３　外輪
５　内輪
６ａ、６ｂ　玉（転動体）
１７　スピンドル
１８　フレーム
１９　サーボモータ
２３　押圧装置
３３　振動ピックアップ
３５　アンプ
３６　周波数分析器
４０　接触角演算器
【図１】
2004061151.tif 000007
【図２】
2004061151.tif 000008
【図３】
2004061151.tif 000009
【図４】
2004061151.tif 000010