(57)【要約】【課題】本発明は、駆動軸に作用する力を測定する装置を提供する。【解決手段】本発明の測定装置は、前記駆動軸を内部で支持する筒状要素と、筒状要素の外周に配置された歪ゲージとを備えている。歪ゲージは、駆動軸に作用する力のうち測定を要求する方向の力に直交する方向に生じる歪を測定できるように配列する。本発明によれば、小スペース場所においても駆動軸に作用する上下及び横方向の力を測定することができる小型の測定装置を提供することができる。【選択図】　　　図３
2004012241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動軸に付与され力を測定する装置であって、
前記駆動軸を内部で支持する筒状要素と、
該筒状要素の外周に配置された歪ゲージとを備え、該歪ゲージは、駆動軸に付与される力のうち測定を要求する方向の力に直交する方向に生じる前記筒状要素の外周の歪を測定できるように配列することを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記筒状要素は、駆動軸の軸線方向に延びる薄板区画を有し、前記歪ゲージは、該薄板区画の表面に配置されることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記筒状要素は、駆動軸の軸線方向に滑動する要素を内部に備え、該滑動要素は、前記駆動軸と一体に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記薄板区画は、互いに直交する薄板要素で構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動軸のシャフト軸受に作用する力を測定する装置に関する。特に本発明は、模型船のプロペラシャフト軸受に作用する力を測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
船舶が航行する際、船体及びその装備品に過大な荷重が作用すると船体等の破損・航行機能の低下等を招くため、予め種々の海上環境に応じた試験を行う必要がある。船舶は大型であるため航行時に作用する荷重等の試験には実船に相似する小型の模型船を用いた水理模型試験を行う。この試験において測定すべき荷重の中に船体推進用スクリュープロペラに作用する荷重がある。
【０００３】
さらに、プロペラに作用する力は、プロペラシャフト軸方向の力である推力と、プロペラの回転方向に作用するトルクと、プロペラシャフトに対する上下方向及び横方向の力であるプロペラ横力とに分けられる。このうちプロペラ横力は、船舶が旋回中の場合や海上が波浪状態にある場合等において特に大きく作用し、変化する力である。
【０００４】
このプロペラ横力を模型船において測定するには以下の問題が存在する。
模型船においてプロペラ横力を測定する場合、図１０に示すようなプロペラ軸回りに付与された２つの検力計を使用する装置により測定される。それぞれの検力計は、プロペラ軸を支持するベアリングから突出する伝達部材に取り付けられる。それぞれベアリング内では、プロペラ軸は回転自由であり且つ推力方向に滑動自由であるため伝達部材に上記推力とトルクとを伝達しない。従って２つの検力計では、それぞれプロペラ軸に作用する前後方向、左右方向の力を測定することができる。
【０００５】
しかしながら、このような装置は大型であり小スペース場所に装置を配置することが困難である。特に客船等で採用されるプロペラ及びプロペラ軸が２つ存在する二軸船等のシャフトブラケット方式の軸受（図１の模型船参照）では使用することができない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は小スペース場所に配置することができるような駆動軸に作用する横力を測定する装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１によれば、本発明は、駆動軸に付与される力を測定する装置であって、前記駆動軸を内部で支持する筒状要素と、該筒状要素の外周に配置された歪ゲージとを備え、該歪ゲージは、駆動軸に付与される力のうち測定を要求する方向の力に直交する方向に生じる前記筒状要素の外周の歪を測定できるように配列することを特徴とする測定装置を提供する。
【０００８】
本測定装置によれば、駆動軸を支持し且つ該駆動軸に作用する力を受容する筒状要素を設け、該筒状要素に歪ゲージを貼り付けることにより駆動軸に作用する力を測定することができる。物体に生じる歪は、物体に力が作用し、物体が曲げられることにより生じるものであり、作用する力の大きさに比例して大きくなる。従って、物体に生じる歪を測定することにより物体に作用する力を測定することができる。本発明によれば、駆動軸に作用する力を受容する要素に配列された歪ゲージにより駆動軸に作用する力を測定することとしている。歪ゲージは、歪が生じた際のゲージの抵抗変化を電圧に変換し荷重に比例した電圧を得ることにより、歪量を測定するものである。電導体の抵抗が長さに比例する性質を利用したものである。この歪ゲージは薄く小さなものであるため本装置によれば、小スペースの場所に配置することができる。
【０００９】
請求項２によれば、本発明は、請求項１に記載の測定装置であって、前記筒状要素は、駆動軸の軸線方向に延びる薄板区画を有し、前記歪ゲージは、該薄板区画の表面に配置されることを特徴とする測定装置を提供する。
【００１０】
本測定装置によれば、歪ゲージを薄板区画に貼り付けることができるようにしている。歪は、付与される応力に比例する一方、断面積に反比例する。従って、歪を貼り付ける部分を薄板にすると、薄板は断面積が小さいため同じ応力が作用しても断面積が大きい部分に比して歪が大きくなる。すなわち、駆動軸に作用する力の微量変化も測定することができる。従って、薄板区画を設けることにより測定装置を小さくすることができ、小スペースに配置することができる。尚、ここに言う「薄板区画」とは、断面積が小さい区画を意味し、柱状部材で構成された区画をも含むものとする。
【００１１】
請求項３によれば、本発明は、請求項１又は２に記載の測定装置であって、前記筒状要素は、駆動軸の軸線方向に滑動する要素を内部に備え、該滑動要素は、前記駆動軸と一体に形成されることを特徴とする測定装置を提供する。
【００１２】
本測定装置によれば、駆動軸と一体の要素が本装置の主要部を形成する筒状要素の内部で軸線方向に滑動することできることとしている。従って、本装置では駆動軸の軸線方向の荷重は駆動軸受部で逃がされ、駆動軸に作用する推力とトルクとは筒状要素に伝達されない。すなわち、駆動軸の直交する上下方向及び横方向の荷重のみ測定することができる。
本測定装置で測定する歪は、荷重が付与されることによる曲げで生じる歪である。しかしながら、本測定装置の筒状部分に軸線方向の推力又はトルクが作用すれば推力又はトルクにより生じる歪が上記曲げによる歪に付加されることとなる。すなわち上下方向及び横方向に付与される荷重により生じる歪を測定することが困難となる。従って、本装置によれば軸線方向の推力又はトルクが筒状部分に伝達されず、駆動軸に付与される上下方向及び横方向の荷重のみに影響される歪を測定することができる。すなわち、正確に上下方向及び横方向に付与される荷重を測定することができる。
さらに、本装置によれば本装置を配置する箇所と異なる他の箇所で推力とトルクとを測定する場合に、本装置で横荷重を測定したことによる推力及びトルクの測定値への影響はない。本装置は推力又はトルクを受容しないからである。
【００１３】
請求項４によれば、本発明は請求項２又は３に記載の測定装置であって、前記薄板区画は、互いに直交する薄板要素で構成されることを特徴とする測定装置を提供する。
【００１４】
本測定装置によれば、本測定装置に対して上下方向及び横方向に付与される荷重を測定できるように歪ゲージを貼り付けることができることとしている。従って、１つの装置によって横荷重を総て測定することが可能となる。
【００１５】
以上、本発明の内容について説明してきたが本発明は以下の実施の形態を参照することよりさらに明白になるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１を参照すれば、二軸模型船のプロペラシャフト軸受１２を船尾側底部から見た図である。この図においては軸受１２を明視すべくスクリュープロペラを省略している。図２を参照すれば、図１に示すプロペラシャフト軸受１２の断面図である。
【００１７】
プロペラシャフト軸受１２は、その内部を軸線方向に図３に示す測定装置１０が挿入され、軸受１２に嵌合されている。本装置１０は、軸線方向内部を貫通する穴１５を形成する円筒状の主本体１４と汎用の歪ゲージ１６とで構成されている。
【００１８】
また、図２に示す通り、プロペラシャフト軸２４は、主本体１４の貫通穴１５に亙って外部に延びている。また、プロペラシャフト軸２４は、その軸回りに円筒状のポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））製軸受２２が一体に装着されており、プロペラシャフト軸受２４は、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））製軸受２２と一体になって主本体１４内を滑動することができる。さらに、プロペラシャフト軸２４は、主本体１４内で回転可能である。従って、プロペラシャフト軸２４に作用する力のうち軸線方向の力と回転方向の力は、プロペラシャフト軸受２２に伝達されず、軸線方向に対して垂直な方向のみ伝達される。
【００１９】
また、主本体１４は、その中央部に軸線方向に延びた一対の薄板１８が設けられ、該薄板は互いに対向している。歪ゲージ１６は、図３に示す通り薄板１８の外側表面にそれぞれ２枚ずつ合計４枚貼り付けられている。歪ゲージ１６は、内部に設置された抵抗が物体に生じる歪と共に伸縮され、これによって抵抗値が変化することを利用するものであり、電荷された抵抗の電圧の変化から歪ひいては荷重を測定する。図２〜３に示す装置１０において各歪ゲージ１６は、矢印Ｐに示す方向、すなわち上下方向に作用する力を測定することができるように貼り付けている。
【００２０】
図４を参照すれば４枚の歪ゲージ１６の配線順序を示すブリッジ回路図である。また、参照番号２０は点Ｂ、Ｄ間に電圧Ｖを付与する交流電源である。この回路において図３に示す歪ゲージ１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄの抵抗をそれぞれＲ３、Ｒ４、Ｒ１、Ｒ２とし、測定すべき点Ｃ、Ａ間の電圧差をＶＣＡとすると、これらは
ＶＣＡ
＝　Ｖ・（Ｒ１Ｒ４−Ｒ２Ｒ３）／（（Ｒ１＋Ｒ３）・（Ｒ２＋Ｒ４））
…式（１）
となる。従って、
Ｒ１Ｒ４　＝　Ｒ２Ｒ３　のとき
ＶＣＡ　＝　０
となる。特に
Ｒ１＝　Ｒ２＝　Ｒ３＝　Ｒ４＝Ｒ０　（Ｒ０は一定）　のとき
ＶＣＡ　＝　０
となる。
すなわち、本回路によれば、同一の歪ゲージ１６を使用すれば、測定装置１０の主本体１４とりわけ薄板１８に歪が生じない限り、４つの歪ゲージ１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄの抵抗は等しく、結果、電圧差ＶＣＡ　＝　０となる。従って、歪が生じた場合のみ電圧差が生じることとなる。
【００２１】
ここで、歪が生じた場合、例えば主本体１４の端部に下方に力が作用する場合について説明すれば、薄板１８の歪ゲージ１６Ａ、１６Ｄが貼られた表面は軸線方向に伸び、薄板１８の歪ゲージ１６Ｃ、１６Ｂが貼られた表面は軸線方向に縮むこととなる。また、抵抗は長さに比例する。従って、
Ｒ１＝Ｒ４、　Ｒ２＝Ｒ３
となる。
【００２２】
さらに、上側及び下側の薄板１８は同材質であり且つ同一の力が作用するため、上記薄板の伸びと縮みとは同じになる。従って、伸び率及び縮み率、すなわち歪をそれぞれε、−εとすれば、
Ｒ１　＝　Ｒ４　＝　（１＋ε）Ｒ、
Ｒ２　＝　Ｒ３　＝　（１−ε）Ｒ　（Ｒは初期抵抗値：一定）となる。
これらを（１）式に代入すると、
ＶＣＡ　＝　εＶ　　…式（３）　　となる。
すなわち、点ＡＣ間の電圧差ＶＣＡは、歪に比例することとなる。
【００２３】
ここで歪εと荷重Ｐとの関係は、
σ　＝　Ｐ／Ａ　＝εＥ
（σ：応力、Ｐ：荷重、Ａ：断面積、Ｅ：縦弾性係数）　であるため、
上記式（３）は、ＶＣＡ　＝　ＶＰ／（ＡＥ）　となる。
すなわち、電圧差ＶＣＡは、本装置１０の主本体１４の端部に作用する荷重Ｐに比例することとなる。
【００２４】
以上、上記４つの歪ゲージ１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄをブリッジ回路に組んだ場合における荷重と電圧差とが比例することについて説明したが、実際に荷重に対してどの程度歪が生じるかについて模型船を水槽で実験する前に予め測定しておく必要がある。
【００２５】
図５を参照すれば、この測定を行うためにプロペラシャフト軸の替りに両端を自由端とするダミーシャフト３０をプロペラシャフト軸受１２に挿入している。この状態で図５に示すようにダミーシャフト３０の両端で紐等により支持された荷重Ｗを付加している。この測定により本測定装置１０に鉛直下方に荷重が付与され且つ静止状態に保持された場合のおける荷重に対する電圧が測定される。また、本測定で使用する汎用の歪ゲージは、定格：電圧１ｖ当たり歪量２５０．８４７μｍのものである。従って、電圧が測定されれば、歪量の測定も可能である。具体的には、図６を参照すれば、左表には荷重（ｋｇ）と電圧（ｖ）と歪量（μｍ）との関係が、右グラフには左表に基く荷重と歪量との比例関係が示されている。
【００２６】
次に、図７を参照すればプロペラシャフト軸２４を回転させた場合の歪量への影響を測定する方法を示している。本方法の場合、プロペラシャフト軸２４を回転させる必要があるため、紐等で荷重を支持させると巻き込みが生じる恐れがあるため堅い材質を引っ掛ける等して支持する必要があり、また図５に示すように荷重を２点支持することもできない。従って、図７に示すように堅い支持部材３２により本装置１０の検力点から離間された地点で荷重を支持する必要がある。この場合、検力点から荷重点が離間するため検力点に荷重が完全に伝達されないが、本測定ではプロペラシャフト軸２４が軸線回りに回転することによる歪量への影響を測定するものであるため差し支えない。
【００２７】
図８を参照すれば、図７に示す測定方法を使用した場合の電圧値（ｖ）の測定データを示している。具体的に図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、同一荷重（Ｗ）下においてそれぞれプロペラシャフト軸２４の回転数（ｒｐｓ）が、無し、１、１０である場合について示されている。この結果を考察すれば、プロペラシャフト軸２４の回転の如何によって、電圧の出力特性すなわち歪量へ影響を与えないことが判る。
なお、プロペラシャフト軸２４を回転させるとモータノイズ及び回転軸系振動等によりノイズが大きくなるが、歪ゲージに装備のローパスフィルタで１０Ｈｚ以上をカットすることができるためＳＮ比（受信したい信号の振幅と雑音信号の振幅との比）を一定内に確保させている。
【００２８】
図７、８に示す測定においては、プロペラ無しでプロペラシャフト軸２４を回転させた結果を説明したが、参考のためプロペラ有りで回転させた場合についても同様の結果が検出されたことを言及しておく。
【００２９】
また、図５〜８に示す測定においては、下方向に荷重Ｗを付与した場合、すなわち本測定装置１０に上下方向に荷重が作用する場合を例として説明してきたが、プロペラシャフト軸受１２内で本装置１０を９０°回転させて位置決めした場合すなわち本装置１０の２枚の薄板１８（図２、３参照）が左右に並列された場合（横方向の荷重に対する歪を測定する場合）にも同様の結果が得られたことを言及しておく。
【００３０】
以上、図５〜８を参照しつつ荷重Ｗと歪量との関係、及びプロペラシャフト軸２４の回転が歪量に与える影響に関して検証してきたが、この結果を実際の実験水槽における模型船実験に利用することができる。
【００３１】
具体的に説明すれば、二軸模型船に装備されたプロペラシャフト軸受の一方に上下方向の荷重を測定する装置１０を備え、他方に横方向の荷重を測定する装置１０を備える。この模型船を波浪時の海等の種々の海上環境に擬似させた実験水槽内に配置し、歪ゲージ１６が発生する電気信号をモニタリングする。そしてモニタリングされたデータから電圧変化を測定することができる。
【００３２】
上述するように歪ゲージは、定格に応じた電圧と歪量との関係を有するため上記電圧変化から対応する所定の歪量を求めることができる。さらに、上述する個々の模型船について予め測定された荷重と歪量との関係から（図５、６参照）、作用する荷重をも求めることができる。すなわち、本測定装置１０をプロペラシャフト軸受１２内に設置することにより、実験水槽内の模型船にプロペラシャフト軸２４に作用する上下方向及び横方向の荷重を測定することができる。
【００３３】
また、上記実施の形態では、プロペラシャフト軸２４に作用する上下方向及び横方向の荷重の測定について説明したが、これに追加して従来より公知のトルクと推力との測定を同時に行うことも可能である。図示しないがトルクと推力との測定器は、プロペラシャフト軸２４の駆動モータ近傍、すなわち船体内部に測定器を配置するためスペース的な障害は生じないからである。
【００３４】
さらに、上記実施の形態の測定装置１０では歪ゲージ１６を対向する一対の薄板１８にしか貼り付けることができないため、プロペラシャフト軸２４に作用する上下方向及び横方向の荷重のそれぞれ１つしか測定できない。しかしながら、図９に示す測定装置４０では、同時に上下方向及び横方向の荷重を測定することができる。この装置４０では、歪ゲージ４６を互いに直交する二対の薄板４８に貼り付けることができるからである。すなわち、図２に示す測定装置１０では、互いに９０°回転させた状態の２個の装置１０を使用することにより、上下方向及び横方向の荷重を測定するが、図９に示す測定装置４０では、１個で前記２個の装置１０を機能を有する。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに特に限定されるものではなく、特許請求の範囲の概念と精神とを逸脱しない範囲で多数の変形例と改良例とが存在し得ることが理解されよう。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、二軸船のようにスペース不足によりプロペラシャフト軸に作用する上下方向及び横方向の荷重を測定する装置を装備することが困難な場合に、該荷重を測定することができる測定装置が提供される。従って、本発明により種々の現実の環境変化に対応できるように模型船等によりシャフト軸への荷重実験を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】二軸模型船のプロペラシャフト軸受を船尾側底部から見た図である。
【図２】本発明の１つの実施の形態における測定装置が挿入された状態のプロペラシャフト軸受の断面図である。
【図３】図２のプロペラシャフト軸受に挿入された測定装置を示す図である。
【図４】図３の測定装置に貼り付けられた４個の歪ゲージの配線図である。
【図５】測定装置の荷重と歪との関係を測定する方法を示す図である。
【図６】図５の測定方法で測定されたデータとこれに基いたグラフである。
【図７】プロペラシャフト軸を回転させた場合の歪量への影響を測定する方法を示した図である。
【図８】図７の測定方法で測定されたデータを示している。
【図９】本発明の測定装置の他の実施の形態を示した図である。
【図１０】従来公知であるプロペラシャフト軸に作用する上下及び横方向の力を測定する方法である。
【符号の説明】
１０…測定装置
１２…プロペラシャフト軸受
１４…主本体
１６…歪ゲージ
２４…プロペラシャフト軸
４０…測定装置
【図１】
2004012241.tif 000003
【図２】
2004012241.tif 000004
【図３】
2004012241.tif 000005
【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】
2004012241.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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