(57)【要約】【課題】大きな荷重がかかる大形ころ軸受に適用することのできる大形ころ軸受の荷重測定用構造を提供する。【解決手段】本発明に係る大形ころ軸受の荷重測定用構造は、大形ころ軸受１０を構成する外輪１２の外径面１２ａに形成された凹部１３に、外輪１２の歪み量を測定可能な歪みゲージ１４が設けられており、凹部１３は、外輪１２に負荷される荷重を許容でき得るように構成された穴である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大形ころ軸受を構成する外輪の外径面に形成された凹部に、前記外輪の歪み量を測定可能な歪みゲージが設けられており、前記歪みゲージにより測定された歪み量から前記大形ころ軸受の負荷荷重を換算することを可能とする大形ころ軸受の荷重測定用構造であって、
前記凹部は、前記外輪に負荷される荷重を許容でき得るように構成された穴であることを特徴とする大形ころ軸受の荷重測定用構造。
【請求項２】
請求項１に記載の大形ころ軸受の荷重測定用構造において、前記歪みゲージに接続されたリード線が、前記穴から前記外輪の非負荷圏領域における軸方向の端面まで連通するように形成されたリード線収容部を通して導出されていることを特徴とする大形ころ軸受の荷重測定用構造。
【請求項３】
請求項１または２に記載の大形ころ軸受の荷重測定用構造において、前記穴または前記リード線収容部の少なくとも一方は、放電加工によって形成されていることを特徴とする大形ころ軸受の荷重測定用構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大形ころ軸受の荷重測定用構造に関し、さらに詳しくは、歪み量から荷重を換算するために歪みゲージを設けるための大形ころ軸受の荷重測定用構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧延機のロールネックや減速機に使用される大形複列軸受は、実稼働時における荷重測定を行ったり、複列軸受の各列間の荷重分担比の測定を行ったりするための構造を備えているものがある。大形ころ軸受の荷重測定用構造の一例を、図８に示す。
図８に示す大形ころ軸受１００は、多数のころ１０１により外輪１０２が内輪１０５に対して転動自在に支持されている。この外輪１０２の外径面１０２ａには、周方向と直交する方向（軸方向）に切欠き部１０３が設けられており、この切欠き部１０３の底面１０３ａに歪みゲージ１０４が取り付けられている。外輪１０２に荷重を負荷したときの外輪１０２に発生する歪み量を測定することにより、荷重を換算することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、転がり軸受の荷重を測定するための他の構造の一例を図９に示す。図９に示すように、転がり軸受１１０は、多数の玉１１１（１つのみを図示）により外輪１１２が内輪（図示せず）に対して転動自在に支持されている。この外輪１１２の外径面１１２ａには、円周方向に凹溝１１３が設けられており、この凹溝１１３の底面１１３ａに歪みゲージ１１４が取り付けられ、外輪１１２の歪み量を測定することにより荷重を換算することができる（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭５２−１００２７号公報（第１頁、第４図）
【特許文献２】
特開平９−６１２６８号公報（第１頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように切欠き部１０３や凹溝１１３が形成された外輪１０２，１１２を、圧延機のバックアップロール等の大形ころ軸受に使用すると、外輪１０２，１１２は非常に大きな荷重を負荷することとなる。その場合は、切欠き部１０３や凹溝１１３による断面欠損が大きいために、外輪１０２，１１２が割損してしまうおそれがあった。
【０００６】
本発明の目的は、大きな荷重がかかる大形ころ軸受に適用することのできる大形ころ軸受の荷重測定用構造を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る大形ころ軸受の荷重測定用構造は、大形ころ軸受を構成する外輪の外径面に形成された凹部に、外輪の歪み量を測定可能な歪みゲージが設けられており、歪みゲージにより測定された歪み量から大形ころ軸受の負荷荷重を換算することを可能とする大形ころ軸受の荷重測定用構造であって、凹部は、外輪に負荷される荷重を許容でき得るように構成された穴であることを特徴としている。
【０００８】
このように構成された大形ころ軸受の荷重測定用構造は、大形ころ軸受が使用される荷重条件を考慮して、歪みゲージを設けるための凹部を、外輪の強度上問題の無い大きさの穴として形成したものであり、溝のように連続的に大きく形成されているものではない。そのため、大きな荷重が作用する圧延機のバックアップロール等にも割損のおそれが無く使用することができる。さらに、歪みゲージを設けるための凹部は、外輪の一部分に形成された穴形状であるので、容易に加工することができる。
【０００９】
また、歪みゲージに接続されたリード線が、穴から外輪の非負荷圏領域における軸方向の端面まで連通するように形成されたリード線収容部を通して導出されていることが望ましい。
【００１０】
このように構成された大形ころ軸受の荷重測定用構造においては、歪みゲージのリード線を導出するためのリード線収容部が、外輪の非負荷圏領域に達するように設けられているため、荷重によるリード線収容部からの割損を防止することができる。
例えば、リード線収容部として、リード線を穴から外輪の外径面の円周方向に沿って非負荷圏領域まで導き、そこから軸方向に端面まで導いて導出させるように構成することで、負荷圏領域の強度低下を最小限に抑えることができる。また、外輪の変形を抑えることができるので、高精度の荷重測定を行うことができる。
【００１１】
また、穴またはリード線収容部の少なくとも一方は、放電加工によって形成されていることが望ましい。
【００１２】
このように構成された大形ころ軸受の荷重測定用構造においては、加工による変形が少ない放電加工によって穴やリード線収容部が形成されているため、歪み量の測定の際に外乱の要素となるような外輪の変形を抑えて、歪み量の測定を高精度に行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る大形ころ軸受の荷重測定用構造の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
（第１実施形態）
図１に、本発明に係る大形ころ軸受の荷重測定用構造の第１実施形態を示す。
図１に示すように、大形ころ軸受１０は、内輪２５の外径側に配置された多数のころ１１により転動自在に支持された、各外輪１２の外径面１２ａに凹部１３が形成されており、この凹部１３の底面１３ａに歪みゲージ１４が貼り付けられている。そして、歪みゲージ１４により外輪１２の歪みを計測し、この計測された歪みから荷重を換算して求めることができる。
なお、本実施形態の大形ころ軸受１０は、例えば圧延機のバックアップロールを支持するために使用することができる。
【００１５】
この大形ころ軸受１０では、複数の転動体であるころ１１が、４列に配置されており、ころ１１の各列間は、つば部１５または間座１６により軸方向の移動を規制された状態で仕切られている。ころ１１は、２つの外輪１２と１つの内輪２５との間を大形ころ軸受１０の円周方向に転動することができ、このころ１１の転動によって、外輪１２と内輪２５とが相対的に周方向に転動することができる。
また、外輪１２の外径面１２ａには、円周方向にＯリング用溝１９が設けられている。外輪１２を圧延機等のハウジングに固定する場合には、このＯリング用溝１９にＯリング（図示せず）を設けることにより、ハウジングとの間を密封した状態で固定することができる。
【００１６】
また、外輪１２の外径面１２ａには、凹部１３が設けられている。図１及び図２に示すように、凹部１３は歪みゲージ１４を貼り付けることができる大きさであり、かつ外輪１２の強度上問題の無い大きさの非貫通状の穴である。例えば、使用する歪みゲージ１４の大きさが長さ６．３ｍｍで幅２．８ｍｍの場合には、凹部１３は直径２０ｍｍの円形、あるいは、２０ｍｍ角の矩形状に形成することができる。なお、凹部１３の深さは、外輪１２が負荷する応力値を考慮して決定されると良い。
この凹部１３の底面１３ａには、歪みゲージ１４が貼り付けられており、ころ１１から外輪１２に向かって加えられた荷重による歪み量を計測することができる。
【００１７】
通常、歪みから荷重を換算する場合、換算式の線形性を保つために、外輪１２の引張応力と歪みが比例関係となる弾性限度の１／３以下で歪み値を測定するようにしている。さらに、外輪１２のＳ−Ｎ曲線から求められた疲労限度よりも、外輪１２にかかる荷重が少なくなるように設定する。本実施形態の外輪１２の疲労限度は３００ＭＰａであるため、３００ＭＰａ以下の荷重条件とする。
例えば、圧延機に使用されるバックアップロールにかかる圧延荷重を１２００ｔｏｎとすると、１つの大形ころ軸受１０当たり６００ｔｏｎであり、ころ１１の１列当たり１５０ｔｏｎとなる。一般的に、円筒ころ軸受にラジアル荷重Ｆｒがかかるときの最大転動体荷重Ｑｍａｘは、ころの列数をｉ、一列あたりのころ数をＺとおくと、下記の式（１）により求められる。
【数１】
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本実施形態の場合、一列あたりのころ数Ｚ＝３３個であるので、ころ１１が負荷する転動体荷重を算出すると２１ｔｏｎとなる。外輪１２の肉厚が２８ｍｍである場合の凹部１３の深さによって応力を算出した結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
表１に示すように、８ｍｍの深さで穴１３の底面１３ａ応力の絶対値が３００ＭＰａ以下となるので、凹部１３の深さを８ｍｍに設定することができる。このように、凹部１３は、外輪１２に負荷される荷重を許容でき得るように構成されている。
【００２０】
図１及び図２に示すように、外輪１２の外径面１２ａには、凹部１３から外輪１２の端面１２ｃまで軸方向に設けられているリード線収容部である溝１８が形成されている。溝１８は、それぞれの外輪１２において設けられている２つの凹部１３，１３を通って、外輪１２の端面１２ｃに至っている。歪みゲージ１４に接続されたリード線１７は、この溝１８の内部を通って大形ころ軸受１０の外部に導出されている。
【００２１】
したがって、歪みゲージ１４に接続されたリード線１７は、溝１８を通って外輪１２の端面１２ｃに至り、引き出されてアンプ等に接続される。なお、つば部１５が外輪１２とは別体のつば輪として設けられている場合には、そのつば輪にもリード線１７用の溝１８を設けても良い。また、間座１６に溝１８が形成されていても良い。この場合には、つば輪や間座１６を超えた隣の凹部１３を経由して外輪１２の端面１２ｃに引き出すようにしてもよいし、直接端面１２ｃまで引き出すようにしてもよい。
なお、溝１８の断面形状は、応力集中を緩和するために、半円形状とするか、角部に曲率を持たせた形状とするのが良い。また、溝１８の大きさは、外輪１２の強度低下を避けるためにでき得る限り小さく形成されていると良い。
【００２２】
また、凹部１３は、放電加工により形成されている。
通常、軸受を構成する外輪には、強度を高めるために熱処理が施されるが、熱処理後の、いわゆる完成後の軸受に切り欠き加工をした場合には、熱処理の残留応力により変形することがあった。切り欠き加工による変形は、外輪の内径側の面が内輪側に向かって発生するため、軌道をころが通過した際に、本来の歪み量とは異なる歪み量が検出されてしまう場合があり、測定精度を低下させてしまうことがあった。そのため、切り欠き加工を行う場合には、熱処理前に行っていた。本実施形態では、凹部１３が放電加工により形成されている。放電加工を用いると、熱処理後であっても外輪１２の変形を起こすことなく高精度かつ容易に凹部１３を形成することができる。
また、リード線収容部である溝１８も、放電加工により形成されていることが望ましい。
【００２３】
以上、上述した大形ころ軸受の荷重測定方法によれば、凹部１３の大きさを外輪の強度上問題とならない大きさの、非貫通穴である直径２０ｍｍの丸穴又は２０ｍｍ角の矩形状としたので、凹部１３の加工及び歪みゲージ１４の貼り付けを容易に行うことができる。また、従来のように同じ幅の溝を全周にわたって設ける場合に比べて、加工面積が小さくなり、外輪１２の割損を防止することができると共に、変形を抑えて高精度の荷重測定を行うことができる。
また、凹部１３は、放電加工により形成されているので、歪み量の計測に悪影響を与えることなく、高精度かつ容易に加工することができる。
【００２４】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る大形ころ軸受の荷重測定用構造の第２実施形態について説明する。なお、上述した第１実施形態と共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
【００２５】
図３に示すように、大形ころ軸受２０は、歪みゲージ１４を貼り付けた凹部１３から外輪１２の外径面１２ａに沿って円周方向に周方向溝２１が形成されている。凹部１３の構成は、上述した第１実施形態の凹部１３と同様である。周方向溝２１は、Ｏリング用溝１９と同等か、もしくは小さく形成されており、外輪１２の強度上問題のない大きさである。また、図５に示すように、周方向溝２１は、負荷圏領域Ａの中心に位置する凹部１３から非負荷圏領域Ｂまで延びている。本発明において、負荷圏領域Ａとは、転動体であるころ１１に最も大きい荷重を負荷する位置を中心にした、ほぼ９０°の角度の領域を指す。
【００２６】
また、図４及び図５に示すように、非負荷圏領域Ｂにおいて周方向溝２１から軸方向に延びるように形成された軸方向溝２２が、外輪１２の端面１２ｃまで設けられている。
周方向溝２１と軸方向溝２２は、リード線収容部であり、歪みゲージ１４に接続されているリード線１７を収容して、大形ころ軸受２０の端面１２ｃまで導出させるように構成されている。
したがって、歪みゲージ１４に接続されたリード線１７は、図５及び図６に示すように、凹部１３の歪みゲージ１４から周方向溝２１を通って非負荷圏領域Ｂに導かれ、さらに軸方向溝２２を通って外輪１２の端面１２ｃから引き出されてアンプ等に接続される。
【００２７】
あるいは、図７に示すように、非負荷圏領域Ｂにおいて周方向溝２１から連通するように形成された軸方向穴２３を、軸方向に外輪１２の端面１２ｃまで設け、この軸方向穴２３を通してリード線１７を外輪１２の端面１２ｃから引き出すようにしても良い。
なお、つば部１５がつば輪として設けられている場合には、つば輪にも同様に軸方向溝２２または軸方向穴２３を設けることができる。また、リード線１７をすべて一方の端面１２ｃへ導くのが適切な場合には、間座１６に軸方向溝２２または軸方向穴２３を設けても良い。
【００２８】
また、リード線収容部である周方向溝２１と軸方向溝２２は、凹部１３と同様に、放電加工により形成されていることが望ましい。これにより、熱処理の残留応力による変形を抑えて高い加工精度が得られるとともに、歪み量の測定値を乱すことがない。
【００２９】
以上、上述した大形ころ軸受の荷重測定用構造によれば、歪みゲージ１４のリード線１７は、外輪１２の強度に影響しない大きさで外輪１２の外径面１２ａに円周方向に設けられている周方向溝２１に沿って非負荷圏領域Ｂまで導いた後に、外輪１２の強度に影響しない軸方向の軸方向溝２２（または軸方向穴２３）によって端面１２ｃから引き出される。そのため、負荷圏領域における外輪１２の割損を防止することができる。
【００３０】
また、図５に示すように、上述した大形ころ軸受２０は４列のころ１１を有しており、間座１６を挟んで両側に２列ずつ一体で設けるので、２列分のリード線１７をそれぞれ両側の端面１２ｃに引き出すようにすることにより、リード線１７の導出を容易に行うことができる。
【００３１】
なお、本発明に係る大形ころ軸受の荷重測定用構造は、上述した各実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形、改良等が可能である。
例えば、上述した各実施形態では、転動体が４列に配置された大形ころ軸受について説明したが、列数は限定しない。４列以上の大形ころ軸受や４列以下の大形ころ軸受についても同様に適用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る大形ころ軸受の荷重測定用構造によれば、歪みゲージを設けるための凹部が、外輪の強度上問題の無い大きさの穴として形成されている。そのため、大きな荷重が作用する場合にも割損のおそれが無く使用することができる。さらに、歪みゲージを設けるための凹部は、外輪の一部分に形成された穴形状であるので、容易に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る大形ころ軸受の荷重測定用構造の第１実施形態を示す要部斜視図である。
【図２】図１におけるＸ−Ｘの断面を示す要部断面図である。
【図３】本発明に係る大形ころ軸受の荷重測定用構造の第２実施形態を示す要部斜視図である。
【図４】軸方向溝の位置を示す側面図である。
【図５】図４に示した非負荷圏領域を示す要部斜視図である。
【図６】図４に示した軸方向溝を示す要部断面図である。
【図７】軸方向穴を示す要部断面図である。
【図８】従来の軸受の荷重測定用構造の一例を示す要部斜視図である。
【図９】従来の軸受の荷重測定用構造の一例を示す要部斜視図である。
【符号の説明】
１０  大形ころ軸受（第１実施形態）
１２  外輪
１２ａ  外径面
１２ｃ  端面
１３  凹部
１３ａ  底面
１４  歪みゲージ
１５  つば部
１６  間座
１７  リード線
１８  溝
２０  大形ころ軸受（第２実施形態）
２１  周方向溝
２２  軸方向溝
２３  軸方向穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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