連載実験検証シリーズ（第 6 回）
梶原一寿

大野誉洋

上野 弘

Experimental Verification Series
K. KAJIHARA

事例11

Y. OONO

H. UENO表1

円すいころ軸受のスキュー角測定

各センサの特徴

Sensor characteristics

Measurement of Skew Angle for
タイプ

Tapered Roller Bearings

原理

特徴・正弦波的な出力発生

1 ．はじめに
円すいころ軸受のスキューは，一般に軸受昇温や振動を助長する悪影響面がよく知られていま

・定位置測定・変位測定可

２

接触型
ばね式

異種金属接触に ・ころ接触中に出力発生よる起電力変化 ・応答感度良い（熱電対を改良） ・定接触荷重測定

３

接触式

異種金属接触に ・ころ接触中に出力発生よる起電力変化 ・応答感度良い（熱電対を改良） ・定位置測定

す．ところが，このスキューが適度であれば，軸受の組込みを容易にする特性も併せ持っています．自動車用デフピニオン等への組み付け工程で・応答感度悪い

１ 非接触式 渦電流は，内輪同士をナットにて一定トルクで締め付けることで予圧を与えますが，この時ころ大端面が内輪つばに接触しない状態で組み付けられると，センサらないという問題もあります．この場合，軸受のφ5.4沈み込み特性が重要な要素となっており，ころのスキューが沈み込みを早くする効果があります．
そこで，正確なスキュー角の測定を行うことが重センサ1センサ3

ばねセンサ219.0

要です．

17.0

その後組幅が減少することから所定の予圧がかかセンサ

ここでは，従来からスキュー角の測定によく使用されていた非接触式ギャップセンサで問題となφ2っていた出力波形を改良するため，新たに接触式

センサ1センサ2センサを製作し，ギャップセンサとのスキュー角の比較測定を行った事例を紹介します．

軸受センサ

2 ．測定センサおよび測定原理
表 1 に測定に使用した３タイプのセンサの特徴，図 1 にセンサ取り付け部の概略図を示します．

16.0ハウジング
φ2センサ3

図 1 センサ取り付け部概略図
Sketch of sensors mounted area

また，図 2 にはスキュー角の概念を示します．
今回製作した接触式センサではセンサ上をころ頂点が通過した瞬間に得られる２出力の時間差から，非接触式では各センサの出力正弦波のピーク
出力をころ頂点通過時として２本のセンサの時間差からスキュー角を導出します．接触式の利点は，ころ通過瞬間に出力が得られる点です．

62

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連載−実験検証シリーズ（第 6 回）−

スキュー角(＋)
センサ2または3

センサ１

3.3

測定条件

回転数60，120min −1 ，アキシアル荷重1kN，ころ６kNにて測定を行いました．潤滑油供給量は一外輪軌道面定としました．温度は室温にて測定しました．

ころ回転方向

Φ 0.5

Φ 5.4

図 2 スキュー角の概念
Sketch of skew angle

3．測定内容3.1測定試料

円すいころ軸受33210JR（内径50mm，外径90mm，幅32mm，ころ20個）

3.2

測定器

円すいころ軸受のスキュー角をより正確に測定するために図 3 に示す測定器を使用しました．
この測定器の特徴は，次のような点にあります．
１）スラスト空気軸受を使用することで，純アキシアル荷重が負荷できるとともに，回転トルクも同時に測定可能です．

図 4 測定器外観
Appearance of measuring equipment

２）潤滑特性がころのスキュー角測定に大きく影響することが予想されました．そこで正確かつ安価な油滴下供給装置として医療用ポンプ

4 ．測定結果を利用しました．
３）外輪に３種類のセンサを取り付け，出力をア１）熱電対は異種金属の接触により起電力が発生ナライジングレコーダに取り込むことで３セするという原理を接触式センサに活用し，こンサ同時に測定を行いました．

ろがセンサに接触した瞬間の電圧をピークとエアシリンダして測定できました．
２）これらのセンサ出力を比較すると，非接触式に比べ，接触式の方で出力感度が高い（ころ頂点通過時のピークがより明確に測定できロードセルスラスト空気軸受ハウジングる）ことが分かりました．
３）図 8 ， 9 か ら ， 接 触 式 セ ン サ で は こ ろ は正・逆回転いずれも小端先行にて回転していました．非接触センサではこの現象をなかなかうまく捕らえられませんでした．

試料軸受
アナライジング
レコーダ４）図 8 ， 10 から，接触型ばね式センサでアキシアル荷重を増やした場合，スキュー角変動が大きい傾向が見られました．つば荷重の増加により，ころと内輪つば間の摩擦が増加し，モータころの安定性が悪くなったためと考えられます．

図 3 スキュー角測定器概略図
Sketch of measuring equipment

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５）図 8 ， 11 から，回転数を増加させた場合，特に大きな変化は見られませんでした．

63

−実験検証シリーズ（第 6 回）−

10ンサでは追従性が問題となりました。高回転

8では接触式センサもしくは非接触センサが適6していることが分かりました．

4７）ただし，接触型ばね式センサにおいてもばねの弾性特性を変化させることである程度高速回転まで追従すると予想されます．

スキュー角，min６）さらに高回転での試験から，接触型ばね式セ連

載

151820−2036912−4

非接触式センサ−6

接触型ばね式センサ−8

接触式センサ圧−10電2センサ上を通過したころ数

出力

図8スキュー角測定例（正回転，1kN，60min−1）
Example of skew angle measurement withclockwise direction

10輪

一回転0.0005.000時

図5間，sec
スキュー角，min内

センサ出力測定例（非接触式センサ）
Sensor output from gap sensor

8非接触式センサ

6接触型ばね式センサ

4接触式センサ

20−20369121518−4−6圧−8

電−10力2センサ上を通過したころ数

出

図9輪

一回

転

105.000時8間，sec

電圧

図 6 センサ出力測定例（接触型ばね式センサ）
Sensor output from contact type sensor with spring

6スキュー角，min

内0.000スキュー角測定例（逆回転，1kN，60min−1）
Example of skew angle measurement with
anti-clockwise direction

420−203691215−4

非接触式センサ−6

接触型ばね式センサ−8接触式センサ

18力−10出2センサ上を通過したころ数

図 10内輪一回

転0.000スキュー角測定例（正回転，6kN，60min−1）
Example of skew angle measurement withclockwise direction

5.000時間，sec

図 7 センサ出力測定例（接触式センサ）
Sensor output from contact type sensor

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連載−実験検証シリーズ（第 6 回）−

10事例1286スキュー角，min

樹脂製プーリ異音解析
Noise Analysis of Resin Pulley

421 ．はじめに0−20369151812−4−6−8

非接触式センサや補機駆動ベルト系のアイドラプーリに，早くか接触型ばね式センサ

ら樹脂製プーリが使用されてきました．最近日本

接触式センサ−102センサ上を通過したころ数

図 11 .

欧米では，自動車エンジン用補機装置のプーリスキュー角測定例（正回転，1kN，120min−1）
Example of skew angle measurement withclockwise direction

5．おわりににおいても，軽量化やリサイクル性といった環境面の対応から，プーリの樹脂化が進んでいます．
当社においても，軸受製品の一つとして，この樹脂製プーリ（以下プーリと称す）の生産を行っていますが，開発段階での問題点として，プーリから異音が発生するという現象がありました．ここでは異音の原因解析から対策例について，簡単に紹介します．

今回測定に使用した２種類の接触式センサは，異種金属接触時に起電力が発生するという熱電対を，スキュー角測定といった異なった用途に転用することで，安価で入手しやすいセンサを製作しました．さらにこのセンサを用いると，同時にころの表面温度測定が可能です．ただし，外輪軌道にセンサを取り付ける時の２線の位置，外輪表面からの突出具合により出力波形の感度が変わるの2 ．プーリ形状
最近のエンジン補機ベルト系に使用されるベルトは，Ｖリブドベルトが主流になっていますので，プーリには，図１のように溝付プーリと平プーリの２種類の形状があります．プーリの形状から異音が問題となるのは，平プーリの場合です．

で，これらに注意を払うことが必要です．
今回の測定により正確なスキュー角度が得られることが確認されましたので，この方法を改善することで軸受回転中のころの挙動を把握し，軸受の寸法，精度がどの程度ころのスキューに影響するかを知ることで，ころの運動，トルク，振動および温度上昇を制御した円すいころ軸受を作ることが期待できます．
溝付プーリ
V-Rived Pulley
リブ

平プーリ
Flat Pulley

図 1 樹脂プーリ代表例
Example of typical resin pulley

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3 ．異音原因
プーリ単体での回転では異音の発生はありませんが，ベルトを介して回転させると異音が発生します．そのことから，プーリ外径面（ベルトとの接触面）の精度が異音と関係していると考え，調査した結果を図 2 〜 5 に示します．
図 2 はプーリ外径面の真円度データ，図 3 は異内輪ラジアル方向振動加速度，G−実験検証シリーズ（第 6 回）−

0.2
0.150.10.0520

これらの結果から，異音の周波数成分はプーリ外径真円度の凹凸数に一致していることがわかりま

406080プーリ外径真円度，μmはプーリ外径真円度と振動加速度の関係，図 5 は回転数トラッキング分析結果をそれぞれ示します．

載

0.25

0

音発生時の振動加速度を周波数分析した結果，図 4連

図4 真円度と振動加速度の関係
The relation between roundness of pulley O. D.
and vibration

す．すなわち，プーリ外径の凹凸がベルトと噛み0合うことによって振動が発生し，それが起振源との回転数で振動が大きくなっている．その時に異音も大きくなる）
し，異音が発生しているものと考えます．

振動値dB

なりプーリの固有振動数にて共振（図 5 にて，特定−20
異音−400℃ ＋Y−60500

01 000
プーリ回転数，min90℃＋X−X270℃

1 500

2 000−1

図 5 回転数トラッキング分析aVibration analysis tracking revolution

4 ．対策例
50μm
−Y

180℃

対策は，起振源であるプーリ外径精度を改良することになりますが，樹脂プーリでは強度面から，

図 2 プーリ外径面真円度データaRoundness data of pulley O. D.

図 1 のようにリブを設けることが一般的であります．そのため，成形後の冷却収縮量に差がでることによってプーリ外径面に凹凸が生じることに

0dBV＝1G

6

振動加速度，dBV試験機の固有振動数なります．
ですから，対策としては，以下のような方法があります．これらによって外径面の凹凸を減少させるようにします．

19次

q金型修正する

38次

wリブを廃止する
e外径面に後加工を追加する
一般には，qの方法をとる場合が多いのですが，−54

ここではwによる対策例を紹介します．
0

本来このリブは，補強のために設けていますの振動周波数，kHz

図 3 振動加速度の周波数分析a
Frequency analysis of vibration

で，リブを廃止することによる強度面の低下を考慮する必要があります．具体的には，肉厚アップ等により強度低下の起こらない設計を行います．
その際，FEM強度計算を有効利用し，最大主応力の比較検討を実施しています．
表１，図 6 にその結果を示します．

66

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連

載−実験検証シリーズ（第 6 回）−

表10℃ ＋Y

プーリ形状比較検討結果
Analysis results
リブ無品

R132

1.3

2.5

リブ付品

R3R1＋X
270℃

22R490℃−X−Y

最大主応力：110MPa｛11.2kgf/e｝

図 7 プーリ外径面真円度データsRoundness data of pulley O. D.

98MPa｛10.0kgf/e｝

樹脂部重量（ゲート部含む）：48.3g

50μm180℃

47.6g6しています．また，樹脂流動解析についても同様にFEM解析を行い，プーリ外径面に凹凸が出ないことも検討しています．
実際に成形したものの真円度データを図 7 に示します．リブ無品の真円度データは，数値その振動加速度，dBV

この結果をもとに，リブ無プーリの形状を決定ものも小さくなっていますが，形状に差が認められます．すなわち，各凹凸部の段差（山部と谷部−540の高低差）が小さくなっていることが分ります．

振動周波数，kHz

このプーリにて，振動測定すると，図 8 ， 9

図 8 振動加速度の周波数分析sFrequency analysis of vibrationのように問題の異音が消えています．
リブ付品

最大主応力分布図

0MAX11.2kgf/min2

VALUE OPTION: ACTUAL
SHELL SURFACE: TOP
1.12E+01

振動値dB

9.82E+00
8.48E+00
7.13E+00
5.79E+00
4.44E+00
3.10E+00−20−401.75E+00
4.07E-01−9.38E-01
X−2.28E+00

最大主応力分布図

リブ無品YZ

MAX10.0kgf/min2

VALUE OPTION: ACTUAL
1.00E+01
8.68E+00

−60

0500

1 000
プーリ回転数，min

1 500

2 000−1

図 9 回転数トラッキング分析sVibration analysis with tracking revolution

7.36E+00
6.04E+00
4.72E+00
3.40E+00
2.08E+00
7.65E-01−5.55E-01−1.87E+00−3.19E+00

図6XY
Z

FEM強度計算結果

FEM Analysis results

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−実験検証シリーズ（第 6 回）−連載

5 ．おわりに
以上のように，樹脂プーリにて問題となる異音については，外径面の凹凸による段差が原因していることが分りました．ここでは，その段差を小さくする方法として，冷却収縮量が均一になるよ
うにリブを廃止しました．その他にも，種々の対策方法がありますが，基本はプーリ外径面の寸法精度を良くすることです．
その結果，音問題だけではなく，ベルトや軸受そのものの寿命にまで良い影響を与えることになるのです．

筆者

梶原一寿*

大野誉洋**

上野 弘***

K. KAJIHARA

Y. OONO

H. UENO*

軸受事業本部 自動車技術センター

自動車技術企画部** 総合技術研究所 基礎技術開発センター
機械システム開発部*** 欧州テクニカルセンター

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