JPH04369458A - 軸受のスラスト荷重測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は軸受に作用するスラスト
荷重を精度良く測定するための、小型且つ軽量のスラス
ト荷重測定装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】例えば、航空機エンジン、ガスタービン
或いは軸流圧縮機等の回転機械の軸受部に過大なスラス
ト荷重が作用すると、軸受が損傷するだけでなく、その
影響はその機械全体に及ぶ。このため、このスラスト荷
重を測定し、軸受部本来の正常な負荷状態になるよう、
その値に応じた対策をたてることにより、事故の防止と
安全性を高めることができる。 【０００３】そこで、これまでスラスト荷重を測定する
ための装置が種々検討されている。 【０００４】図３〜図１１は従来のスラスト荷重測定装
置で、回転自在な軸１には軸受２のインナーレース３が
軸１と一体的に回転し得るよう嵌合され、インナーレー
ス３の外周にはボール４を介してアウターレース５が嵌
合され、アウターレース５の外周にはフランジ６が固着
されている。又インナーレース３は締付けナット７によ
って締付けられ、軸１に対して固定されている。 【０００５】軸受２のフランジ６部両側面には環状の軸
受支持部材８と中空円筒状でフランジ６側に側板９ａを
備えた軸受支持部材９が配設され、軸受支持部材８と９
との外周側相対向部は互に入れ子状に嵌合し且つ軸受支
持部材８及び軸受支持部材９の側板９ａとフランジ６と
の相対向面には僅かな間隙Ｇが保持されるようになって
おり、軸受支持部材８、フランジ６、軸受支持部材９の
側板９ａは円周方向へ略等間隔に配設されたまわり止め
兼用のボルト１０によって締結されている。 【０００６】軸受支持部材８の円周方向へ略等間隔に設
けた凹部には、スラスト荷重測定用のユニットセル１１
が配設され、該ユニットセル１１の頂部はフランジ６の
一側面に当接され、軸受支持部材９の円周方向へ略等間
隔に設けた凹部にはスラスト荷重測定用のユニットセル
１２が前記ユニットセル１１と相対向するよう配設され
、該ユニットセル１２の頂部はフランジ６の他側面に当
接され、ユニットセル１２を嵌入した凹部の反フランジ
６側には、初期締付け部材１３が配設され、該初期締付
け部材１３を側板９ａに螺合された締付けボルト１４に
よって押すことにより、ユニットセル１１，１２にプリ
ロードを与え得るようになっている。 【０００７】更に、ユニットセル１１，１２は図８に示
すように、シグナルコンディショナー２０，２１を介し
て差動増幅器２２に接続され、ユニットセル１１，１２
で検出した信号を差動増幅器２２に送信し得るようにな
っている。差動増幅器２２は、極性の異なる電気信号を
加算し、極性の同じ電気信号を相殺する機能を備えてい
る。 【０００８】上述のユニットセル１１，１２は同一構造
であるので、次にユニットセル１１の詳細を図９及び図
１０により説明すると、軸受２のアウターレース５に固
着したフランジ６に当接する側を球面状にしたユニット
セル本体１５の反球面側には、フランジ６より作用した
スラスト荷重Ｆを軸受支持部材８に伝達し得るよう脚部
１６が設けられ、ユニットセル本体１５の上下面に凹部
１７が設けられ、該凹部１７の底面及び天井面に剪断歪
を検出するための歪ゲージ１８が貼付され、その上から
耐熱、耐油性の樹脂が充填されると共にユニットセル本
体１５自体はステンレス箔で被覆され、歪ゲージ１８は
熱や油から保護されるようになっている。又軸受支持部
材８のユニットセル１１嵌入部の軸１中心側には、ユニ
ットセル１１の脚部１６間の間隔と略同じ間隔でリード
線等の取出しのための切欠き１９が設けられ、脚部１６
，１６間には、リード線取出しのスペースを除いて保護
のために耐熱性樹脂が充填されている。 【０００９】スラスト荷重は、軸１→軸受２→フランジ
６→ユニットセル１１又は１２→軸受支持部材８，９又
は９，８の経路で伝達され、その過程で荷重−電気変換
能力を有するユニットセル１１，１２によって電気信号
に変換され、記録、表示される。而して軸受２に作用す
るスラスト荷重を検出する場合には、スラスト荷重を測
定すべき回転機械に、図４に示すようにユニットセル１
１，１２をセットし、締付けボルト１４を回転させてユ
ニットセル１１，１２に所要の初期締付力を与える。 【００１０】そして、図４を模式化した図１１の力の釣
合モデルにおいて、初期締付力をＰ０、軸線方向のスラ
スト荷重をＦ、スラスト荷重Ｆの作用によりユニットセ
ル１１，１２に生じる初期締付力Ｐ０の変化量をΔｆと
すると、力のバランスからＦ＋（Ｐ０−Δｆ）＝（Ｐ０
＋Δｆ）が成立し、これを変化して整理するとＦ＝Ｐ０
＋Δｆ−Ｐ０＋Δｆ＝２Δｆ となり、Δｆ＝Ｆ／２が得られる。 【００１１】よって、ユニットセル１１側では、初期締
付力Ｐ０を増大させるスラスト荷重Ｆ／２が検出され、
一方ユニットセル１２側では初期締付力Ｐ０を減少させ
るスラスト荷重Ｆ／２が検出される。この初期締付力Ｐ
０を増大させるスラスト荷重Ｆ／２は以下の説明ではＦ
／２で表わし、初期締付力Ｐ０を減少させるスラスト荷
重Ｆ／２は以下の説明では−Ｆ／２で表わす。 【００１２】又、スラスト荷重Ｆ／２によりユニットセ
ル１１側の歪ゲージ１８は圧縮されるため、この歪ゲー
ジ１８の縮みをε１／２とし、スラスト荷重−Ｆ／２に
よりユニットセル１２側の歪ゲージ１８は延びるため、
この歪ゲージ１８の延びを−ε１／２とすると、熱出力
の影響すなわち熱歪εＨを考慮して、ユニットセル１１
での歪ゲージ１８の出力はε１’＝ε１／２＋εＨであ
り、ユニットセル１２での歪ゲージ１８の出力は−ε１
’＝−ε１／２＋εＨである。 【００１３】なお、ここで、ユニットセル１１の歪ゲー
ジ１８の出力ε１’は、初期締付力Ｐ０を与えたときの
出力よりもε１’だけ増加し、ユニットセル１２の歪ゲ
ージ１８の出力−ε１’は、初期締付力Ｐ０を与えたと
きの出力よりもε１’だけ減少することを意味する。 【００１４】而して、ε１’及び−ε１’の信号はシグ
ナルコンディショナー２０，２１を通って差動増幅器２
２へ送られるが、差動増幅器２２は極性の異なる電気信
号を加算し、極性の同じ電気信号を相殺する機能を備え
ているため、差動増幅の出力εは ε＝ε１／２＋εＨ＋ε１／２−εＨ＝ε１となって熱
歪εＨの影響が除去される。 【００１５】このようにして得られた出力εは後処理部
の荷重デジタル表示器、アナログ記録計、磁気記録計、
或いはコンピュータ等に送られ、所定の処理が行われる
。 【００１６】なお、軸１の回転にともなうつれ回りトル
クによる接線力はボルト１０によって支持される。 【００１７】上記した軸受のスラスト荷重測定装置によ
れば、スラスト荷重が高温油中の浸漬、振動、急負荷、
急解放のいずれの繰返し力であってもユニットセル１１
，１２に迅速且つ確実に伝達されるため、精度の良い荷
重検出が可能である。 【００１８】又、ユニットセル１１，１２は軸受支持部
材８，９に取付けられているため、装置全体が小型且つ
軽量になる。 【００１９】更に、軸受２部に異常な荷重が加わること
のないよう、組立て段階において正常な状態にすること
ができ、装置の安全性向上が図れる。 【００２０】軸受２部の損傷を防止し、その他の機構部
分に対する負担が軽減され、軸受２まわりの安定により
他の異常の早期発見が可能となる。 【００２１】歪ゲージ１８を貼付した荷重変換部材は繰
返し使用することが可能であり、しかも互換性があるた
め、製作性が良好である。 【００２２】装置全体を一つのユニットとして取扱うこ
とができるため、故障箇所の点検、荷重変換部材の交換
を容易に行うことができる。 【００２３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の軸受のスラスト荷重測定装置には以下のような問題
があった。 【００２４】即ち、ユニットセル１１，１２に初期締付
力を与える際に、締付けボルト１４によって軸受支持部
材８，９を経由して設計上定められた初期締付荷重を与
えなければならないが、このようにすると初期締付荷重
がユニットセル１１，１２に直接働いてしまうので、設
計上定められた適正な初期締付力をユニットセル１１，
１２に与えることが困難であるばかりか、初期締付力が
大き過ぎると使用できるユニットセル１１，１２の定格
荷重も制限されてしまう。 【００２５】さらに、定格荷重の大きなユニットセル１
１，１２を使用すると、ユニットセル１１，１２の定格
荷重に比べて測定しようとするスラスト荷重が小さい場
合には、測定精度が低下してしまう。 【００２６】又、締付けボルト１４によってフランジ６
や軸受支持部材８，９に設計上定められた支持荷重を加
えると、軸受支持部材８，９が変形して正確な測定を行
うことが困難になるおそれがある。 【００２７】本発明は上述の実情に鑑み、軸受支持部材
に加えるべき設計上定められた支持荷重に左右されずに
ユニットセルの定格出力を設定することができると共に
、軸受支持部材の変形による測定精度の低下をも防止し
得るようにした軸受のスラスト荷重測定装置を提供する
ことを目的とするものである。 【００２８】 【課題を解決するための手段】本発明は、軸受アウター
レース外周に固着したフランジの両側面に、軸受支持部
材を配設し、各軸受支持部材に、円周方向へ略等間隔に
歪ゲージを備え頂部が前記フランジ側面に当接するユニ
ットセルを保持するユニットセルホルダを配設し、各軸
受支持部材の対応するユニットセルホルダ間を前記フラ
ンジを貫通する締付けボルトで締結し、フランジの締付
けボルトが貫通するボルト穴に両端がボルト穴より僅か
に突出すると共にユニットセルホルダが両端に接触した
時にユニットセルに所定の初期締付力が付与されるよう
に長さを調節された初期締付力調整具を嵌合したことを
特徴とする軸受のスラスト荷重測定装置にかかるもので
ある。 【００２９】 【作用】締付けボルトでユニットセルホルダ間を締める
ことによりユニットセルホルダに設計上定められたユニ
ットセル支持荷重が与えられる。 【００３０】この際、ユニットセルホルダ間には初期締
付力調整具が介在されているため、ユニットセルホルダ
が初期締付力調整具に接触した時点でユニットセルに所
望の初期締付力が作用し、それ以上締付けボルトを締め
てもユニットセルの初期締付力が変らない状態とされ、
依って、ユニットセルの支持荷重とは無関係にユニット
セルに初期締付力を与えることができる。 【００３１】 【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。 【００３２】図１・図２は本発明の一実施例であり、図
中図３〜図１１と同一の符号を付した部分は同一物を表
わしている。 【００３３】軸受支持部材８の凹部２３に、ユニットセ
ル１１を保持するユニットセルホルダ２４を、フランジ
６へ向けて移動自在に嵌入し、軸受支持部材９の側板９
ａの凹部２５に、ユニットセル１２を保持するユニット
セルホルダ２６をフランジ６へ向けて移動自在に嵌入す
る。頭部２７がユニットセルホルダ２４内部に係止され
且つ胴部２８がユニットセルホルダ２４、フランジ６、
ユニットセルホルダ２６、側板９ａを貫通して雄ねじ部
２９が前記側板９ａの反フランジ６側へ突出する締付け
ボルト３０を設け、締付けボルト３０の雄ねじ部２９に
締付力調整ナット３１を螺着する。 【００３４】又、フランジ６の締付けボルト３０が貫通
しているボルト穴３２に、締付力調整ナット３１を螺着
していない状態で両端がユニットセルホルダ２４，２６
と接触しない程度に間隙Ｇ内に突出する長さのカラーリ
ングから成る初期締付力調整具３３を嵌合する。該初期
締付力調整具３３は両端にユニットセルホルダ２４，２
６が当接した時にユニットセル１１，１２に所望の初期
締付力が掛る長さとする。 【００３５】次に作動について説明する。 【００３６】ユニットセル１１，１２に初期締付力を与
えるには、先ず、後述する長さの初期締付力調整具３３
をフランジ６のボルト穴３２にセットしておく。 【００３７】そして、締付力調整ナット３１を締めて行
くと、締付けボルト３０及び締付けボルト３０が頭部２
７に係止されたユニットセルホルダ２４がフランジ６側
へ引寄せられ、締付力調整ナット３１側のユニットセル
ホルダ２６も締付力調整ナット３１によりフランジ６側
へ押される。 【００３８】ユニットセルホルダ２４，２６がフランジ
６側へ移動して初期締付力調整具３３に当接したら、締
付力調整ナット３１を締めても、ユニットセルホルダ２
４，２６はそれ以上フランジ６側へ移動できない状態と
なる。 【００３９】このように、ユニットセルホルダ２４，２
６が初期締付力調整具３３に当ってそれ以上フランジ６
側へ移動できない状態となった時に、ユニットセル１１
，１２には所定の締付力が作用する。 【００４０】こうして、ユニットセルホルダ２４，２６
がフランジ６側へ移動できなくなってから引き続き締付
力調整ナット３１を締めると、ユニットセルホルダ２４
，２６には圧縮力が作用するので、締付力調整ナット３
１を締めることによりユニットセルホルダ２４，２６に
設計上定められたユニットセル１１，１２の支持荷重を
与えることができる。 【００４１】しかも、ユニットセルホルダ２４，２６に
設計上定められた支持荷重を与えた後でも、ユニットセ
ルホルダ２４，２６は初期締付力調整具３３に当接して
それ以上動かない状態に保たれているので、ユニットセ
ル１１，１２に作用する締付力は前記の所定の値から変
化しない。 【００４２】従って、ユニットセルホルダ２４，２６が
初期締付力調整具３３に当接してそれ以上動かない状態
となった時にユニットセル１１，１２に与えられた締付
力が初期締付力となり、該初期締付力は初期締付力調整
具３３の長さに応じて決定される。 【００４３】しかも、ユニットセル１１，１２に与える
初期締付力は設計上定められたユニットセル１１，１２
の支持荷重と無関係に正確に定められる。 【００４４】又、初期締付力調整具３３を設けて、ユニ
ットセルホルダ２４，２６の移動を拘束するようにした
ので、ユニットセルホルダ２４，２６に設計上定められ
た支持荷重を加えた時にユニットセルホルダ２４，２６
が変形することが防止され、ユニットセルホルダ２４，
２６の変形により測定精度が低下することが防止される
。 【００４５】更に、初期締付力調整具３３がユニットセ
ルホルダ２４，２６間に設けられているので、万一、ユ
ニットセル１１，１２が破損した場合でも、フランジ６
の軸１長手方向の動きが制限され、フェールセーフ機能
を果すことができる。 【００４６】しかも、本発明によれば、長さの異なる初
期締付力調整具３３を複数用意し、目的に応じ適宜選定
して使用することにより、ユニットセル１１，１２に任
意の初期締付力を与えることが可能であるので、定格出
力が測定しようとするスラスト荷重に応じた最適な値の
ユニットセル１１，１２を使用することが可能となり、
測定精度を高めることができる。 【００４７】図２は本発明を模式化した力の釣合いモデ
ルであり、図中Ｆは軸線方向のスラスト荷重、Δｆ１は
ユニットセル１１に生じる初期締付力の変化量、Δｆ２
はユニットセル１２に生じる初期締付力の変化量、Ｋは
締付けボルト３０と初期締付力調整具３３を一体とする
系のばね係数、Ｋｕはユニットセル１１，１２のばね定
数、δ１はスラスト荷重Ｆによって生じるフランジ６の
変位量、δ２はスラスト荷重Ｆによって生じるユニット
セルホルダ２４の変位量である。 【００４８】力のバランスと各ばね系の変位量から　　
Ｆ＝Δｆ１＋Δｆ２　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　−（１）　　Δｆ２＝δ２Ｋｕ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　−（２）　　Δ
ｆ１＝（δ２−δ１）Ｋｕ　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　−（３）　　Δｆ１＝δ１Ｋ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　−（４）が成立し、（
４）式を変形した（５）式を　　δ１＝Δｆ１／Ｋ　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　−（５）
（３）式に代入して（６）式とし、 　　Δｆ１＝（δ２−Δｆ１／Ｋ）Ｋｕ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　−（６）（６）式を整理した（７）式を 　　δ２Ｋｕ＝（１＋Ｋｕ／Ｋ）Δｆ１　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　−（７）（２）式に代入して（８）式とし、 　　Δｆ２＝δ２Ｋｕ＝（１＋Ｋｕ／Ｋ）Δｆ１　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　−
（８）（８）式を（１）式に代入して（９）式とし、　
　Ｆ＝Δｆ１＋（１＋Ｋｕ／Ｋ）Δｆ１＝｛（２Ｋ＋Ｋ
ｕ）／Ｋ｝Δｆ１　　　−（９）（９）式をΔｆ１につ
いてまとめると（１０）式が得られる。 　　Δｆ１＝｛Ｋ／（２Ｋ＋Ｋｕ）｝Ｆ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　−（
１０）又、（８）式を変形した（１１）式を 　　Δｆ１＝｛Ｋ／（Ｋ＋Ｋｕ）｝Δｆ２　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　−（
１１）（１０）式に代入して整理すると、 ｛Ｋ／（Ｋ＋Ｋｕ）｝Δｆ２＝｛Ｋ／（２Ｋ＋Ｋｕ）｝
Ｆ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　Δｆ２＝｛（Ｋ＋Ｋｕ）／（２Ｋ＋Ｋｕ）｝Ｆ　　
　　−（１２）（１２）式が得られる。 　　【００４９】依って、（１１），（１２）式からユ
ニットセル１１，１２のばね定数Ｋｕを締付けボルト３
０と初期締付力調整具３３を一体とする系のばね定数Ｋ
に比べて充分小さくできる場合には、Δｆ１とΔｆ２が
１／２Ｆに近似し、高い測定精度が得られることがわか
る。 【００５０】尚、本発明の軸受のスラスト荷重測定装置
は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、外径
の大きな軸受のスラスト荷重を測定する場合に特に有効
であること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内
において種々変更を加え得ることは勿論である。 【００５１】 【発明の効果】以上説明したように、本発明の軸受のス
ラスト荷重測定装置によれば、下記の如き種々の優れた
効果を奏し得る。 【００５２】初期締付力が調整具を設けたことにより、
設計上定められたユニットセルの支持荷重とは別個にユ
ニットセルに初期締付力を設定することができて、しか
も初期締付力を正確に与えることができる。 【００５３】又、ユニットセルの初期締付力を設計上定
められたユニットセルの支持荷重とは別個に設定できる
ようになったので、ユニットセルの定格荷重を測定しよ
うとするスラスト荷重に対して最適値とすることにより
測定精度を高めることができる。 【００５４】初期締付力調整具によってユニットセルホ
ルダの変形が防止されるので、測定精度の低下が防止さ
れる。 【００５５】初期締付力調整具を設けたので、万一、ユ
ニットセルが破損した場合でも、軸受が軸方向に移動す
ることが防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を表わす断面図である。

【図２】図１を模式化した力の釣合モデルである。

【図３】従来の軸受のスラスト荷重測定装置の設定位置
を示す部分正面図である。

【図４】図３のＩＶ−ＩＶ方向矢視図である。

【図５】図３のＶ−Ｖ方向矢視図である。

【図６】図４のＶＩ−ＶＩ方向矢視図である。

【図７】図４のＶＩＩ−ＶＩＩ方向矢視図である。

【図８】従来の制御系統図である。

【図９】従来の軸受のスラスト荷重測定装置に使用する
ユニットセルの詳細図である。

【図１０】図９の一部破断の平面図である。

【図１１】図４を模式化した力の釣合モデルである。

【符号の説明】

２　　　　　　　　　　軸受 ５　　　　　　　　　　アウターレース６　　　　　　
　　　　フランジ ８，９　　　　　　軸受支持部材 １１，１２　　ユニットセル １８　　　　　　　　歪ゲージ ２４，２６　　ユニットセルホルダ ３０　　　　　　　　締付けボルト ３２　　　　　　　　ボルト穴

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　軸受アウターレース外周に固着したフ
   ランジの両側面に、軸受支持部材を配設し、各軸受支持
   部材に、円周方向へ略等間隔に歪ゲージを備え頂部が前
   記フランジ側面に当接するユニットセルを保持するユニ
   ットセルホルダを配設し、各軸受支持部材の対応するユ
   ニットセルホルダ間を前記フランジを貫通する締付けボ
   ルトで締結し、フランジの締付けボルトが貫通するボル
   ト穴に両端がボルト穴より僅かに突出すると共にユニッ
   トセルホルダが両端に接触した時にユニットセルに所定
   の初期締付力が付与されるように長さを調節された初期
   締付力調整具を嵌合したことを特徴とする軸受のスラス
   ト荷重測定装置。