JP2009197978A - 軸受組立用治具および軸受組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 組合わせ転がり軸受におけるアキシアル方向の予圧調整作業を、より短時間で効率的に行うことを目的とする。
【解決手段】 回転部に対し、外径の軸方向に目盛の刻まれた目盛付きスリーブ１２と、外径の円周方向に目盛が刻まれた目盛付きシンブル１３とを螺合させて組込み、組合わせ転がり軸受の装着されたシャフト２３の他端面から軸受内輪の他方が突出した状態で、目盛付きスリーブ１２と目盛付きシンブル１３とでシャフト２３および軸受内輪を挟み、目盛付きシンブル１３と目盛付きスリーブ１２の目盛を用いて軸受隙間を計測する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、予圧調整が必要な組合わせ転がり軸受の組立用治具及び組立方法に関する。

組合わせ転がり軸受（以下、「組合わせ軸受」と称する。）の予圧方式には、定位置予圧方式と定圧予圧方式の二種類がある。定位置予圧方式で軸受を使用する場合は、大別して、ナットプレートの締め込み量により予圧を調整する予圧調整方式（例えば、特許文献１参照）と、薄板（シムプレート）の挿入枚数を加減して組合わせ軸受のアキシアル隙間（軸受隙間）を調整する予圧調整方式とに分けられる。高い回転精度、位置決め精度等を実現するためには、軸受隙間を適切に管理する必要がある。適切な軸受隙間とは、零より僅かな負隙間であり、予圧過多による回転精度劣化が発生しない一定範囲内の軸受隙間をいう。

特開２００７−２１８４２７号公報

一方、航空機搭載用の光学機器やレーダにおいては、その光軸方向を高精度に安定化させるための多軸のジンバル機構が用いられる。このような高精度ジンバル機構は高い回転精度を有した回転部を必要とし、回転部を構成する軸受においては均一に予圧を加えている。特許文献１に示すようなナットプレートの締め込み量で予圧を調整する場合、ナットプレートが軸受に片当たりし易く、予圧が偏ってしまうという問題がある。このため、通常、シムプレートの挿入枚数を調整して予圧調整が行われている。

しかしながら、シムプレートを用いた調整方式では、回転部の構成部品の寸法ばらつきや、軸受の仕上り状態、嵌合状態等の変動により、適切な予圧量が軸受や構成部品毎に異なり、回転部を回転させるときの摩擦トルクも変動する。このため、摩擦トルク及びその変動値を確認しながら、軸受隙間を変更し、シプレートの挿入枚数の調整を繰り返す必要がある。この軸受隙間を変更する為には、回転部の保持部品を分解し、軸受隙間を調整するためのシムプレートの厚さを数μｍ単位で再設定した後、回転部を再組立する。このため、予圧調整に長時間要し、製造コストの増大につながってしまうという課題があった。

例えば、航空機搭載用の高精度ジンバル機構等の厳密な予圧調整を必要とする回転装置では、運用中に空力荷重等の大きな外力が加わった際も、高い回転精度、位置決め精度を保つことが必要となるため、軸受の内部隙間が発生し難い、シムプレートを用いた定位置予圧が有効であり、この定位置予圧の調整作業を効率的に行うことが望まれている。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、組合わせ軸受における予圧調整作業を、より短時間で効率的に行うことを目的とする。

この発明による軸受組立治具は、シャフトの外径に装着された一対の転がり軸受から成る組合わせ軸受について、軸受内輪間の軸受隙間を調整する軸受組立治具であって、外径の軸方向に目盛の刻まれた目盛付きスリーブと、外径の円周方向に目盛が刻まれた目盛付きシンブルとを具備し、上記目盛付きスリーブが上記シャフトの内径に挿入され、上記目盛付きシンブルと目盛付きスリーブを双方の目盛を向き合わせて螺合し、上記シャフトの端面から上記軸受内輪が突出した状態で、上記目盛付きスリーブと目盛付きシンブルとで上記シャフトおよび軸受内輪を挟み、上記軸受に予圧を与えるものである。

また、この発明による軸受組立方法は、シャフトの外径に装着された一対の転がり軸受から成る組合わせ軸受について、軸受内輪間の軸受隙間を調整する軸受組立方法であって、外径の軸方向に目盛の刻まれた目盛付きスリーブを上記シャフトの内径に挿入し、当該目盛付きスリーブと外径の円周方向に目盛が刻まれた目盛付きシンブルを螺合させ、上記シャフトの端面から上記軸受内輪が突出した状態で、当該目盛付きスリーブと目盛付きシンブルとで上記シャフトおよび軸受内輪を挟み、上記目盛付きシンブルを回しながら上記目盛の値を計測するとともに、上記シャフトと軸受外輪を相対的に回転させて起動トルクを計測し、計測結果に基づいて軸受隙間に対する起動トルクの変化特性を求め、求めた変化特性から軸受隙間を設定することを特徴とする。

この発明によれば、組合わせ軸受における予圧調整作業の際、適切な軸受隙間をより短時間で効率的に計測することができる、という効果が得られる。

実施の形態１．
以下、この発明に係る実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１による組立用治具を説明するための図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図を示している。図２は、実施の形態１の組立用治具により組立てられた回転部の構成例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図を示している。

図１において、本実施の形態１による組立用治具１０は、目盛付きスリープ１２と、目盛付きシンブル１３と、挿入穴を有した穴付き平板としての２枚のワッシャ１１を備えて構成される。目盛付きスリープ１２は、一端側に鍔を有し、他端側の外径に軸方向に均等間隔で配列された目盛が設けられる。また、目盛付きスリープ１２の他端側の外径には、精密雄ねじが形成されている。目盛付きシンブル１３は、一端側の外径の円周方向に沿って、均等間隔で配列された目盛が設けられている。また、目盛付きシンブル１３は、内径に精密雌ねじが形成されるとともに、外径には人力で目盛付きシンブル１３を回すための操作用グリップ５０が設けられている。目盛付きスリープ１２と目盛付きシンブル１３は、目盛付きスリープ１２の精密雄ねじと目盛付きシンブル１３の精密雌ねじとが互いに螺合し、操作用グリップ５０を介して目盛付きシンブル１３を回転させることで、目盛付きスリープ１２の鍔と目盛付きシンブル１３の他端面との間隔を１０μｍ単位で精度良く調整することのできる、マイクロメータを構成する。目盛付きスリープ１２および目盛付きシンブル１３は、公知のマイクロメータの如くそれぞれが突き合う目盛が刻まれている。２枚のワッシャ１１は、その挿入穴に嵌め込むように目盛付きスリープ１２の外径を挿入することで、目盛付きスリープ１２の鍔と目盛付きシンブル１３の他端面の間に配置することができる。

図２において、組立用治具１０を用いて組合わせ軸受の予圧調整を行い組立てられた回転部３０は、シャフト２３と、組合せ軸受を構成する軸受２４と、ハウジング２５と、リテーナ２６と、ボルトねじなどの締結部品２２および２７と、シムプレート２８を備えて構成される。軸受２４は互いに対向配置された一対の転がり軸受から構成され、各転がり軸受けは軸受内輪２４ａ、軸受外輪２４ｂを具備している。軸受内輪２４ａは複数の転動体２４ｃが接して嵌合され、軸受内輪２４ａの外側に軸受外輪２４ｂが設けられる。また、軸受外輪２４ｂは、軸受内輪２４ａと反対側の接触点で転動体２４ｃに接している。シャフト２３は、一端側に鍔としてのリテーナ２１が設けられている。シャフト２３は、その外径に軸受２４を構成する一対の軸受内輪２４ａが挿入され、一方の軸受内輪２４ａの端面がリテーナ２１に当接し、他方の軸受内輪２４ａの端面はシャフト２３の他端面から突き出ている。シャフト２３の他端側では、他方の軸受内輪２４ａの端面に当接してリテーナ２６が取付けられ、リテーナ２６は複数の締結部品２７によりシャフト２３に締結されている。また、シャフト２３の他端面とリテーナ２６との間隙に、シムプレート２８が挿入されている。ハウジング２５の内径には軸受外輪２４ｂが挿入されている。ここで、シャフト２３のリテーナ２１が一方の軸受外輪２４ｂの端面に接するように、リテーナ２１がハウジング２５に取付けられ、複数の締結部品２２により締結される。また、他方の軸受外輪２４ｂの端面はハウジング２５の内径に突出した段部に接している。このようにして、軸受２４は回転部３０に装着され、軸受２４を介してハウジング２５に対してシャフト２３が回転可能に軸支される。なお、複数の締結部品２２、２７は、それぞれ取付けられるリテーナに対し円周状に均等配置されてシャフト２３に固定されるので、軸受２４の予圧印加時に、軸受内輪２４ａへの片当たりを防止することができる。

次に、組立用治具１０を用いて、回転部３０に装着される軸受２４の予圧調整を行う手順について説明する。組立用治具１０は、シャフト２３の外径に対向配置された一対の転がり軸受から成る組合わせ軸受２４を装着し、一対の軸受内輪２４ａの一方をシャフト２３のリテーナ２１に当てた状態で、一対の軸受内輪２４ａ間の軸受隙間（アキシアル隙間）を調整する。以下、その手順の一例を述べる。

まず、ハウジング２５およびシャフト２３に軸受２４を嵌合し、リテーナ２１、締結部品２２で軸受外輪２４ｂを固定する。シャフト２３には、１対の軸受２４の軸受内輪２４ａが嵌合している。この状態では、２つの軸受内輪２４ａ間に間隙が有り、予圧が印加されていない（無予圧状態）。また、ハウジング２５は何らかの固定具により回り止めされた状態で、固定されている。

次に、シャフト２３に２枚のワッシャ１１と、目盛付きスリーブ１２および目盛付きシンブル１３を取付ける。このとき、目盛付きスリーブ１２の外径に１つ目のワッシャ１１を挿入後、シャフト２３の内径に目盛付きスリーブ１２の外径を挿入してから、目盛付きスリーブ１２の外径に２つ目のワッシャ１１を挿入する。なお、シャフト２３との片当たりが問題なければ、ワッシャ１１は１枚でも良い。

その後、操作用グリップ５０を摘んで目盛付きシンブル１３を回しながら、目盛付きスリーブ１２の雄ねじを目盛付きシンブル１３の雄ねじに螺合させる。こうして、シャフト２３の鍔を１つ目のワッシャ１１に突き当て、目盛付きシンブル１３の他端面を２つ目のワッシャ１１に突き当て、目盛付きスリーブ１２の鍔と目盛付きシンブル１３の他端面とでシャフト２３およびワッシャ１１を挟み込む。この状態で、軸受内輪２４ａの端面がワッシャ１１に突当たり、一対の軸受内輪２４ａに予圧が加わる。

次に、操作用グリップ５０を摘んで目盛付きシンブル１３を少しずつ段階的に回し、軸受内輪２４ａに加える予圧を少しずつ上げる。このとき、目盛付きシンブル１３を少し回す毎に、目盛付きシンブル１３と目盛付きスリーブ１２が突き合った位置で、公知のマイクロメータと同様に目盛りの値ｘを読み取る。この目盛の読取値ｘの変化量は、軸受隙間（アキシアル隙間）の変化量に対応する。
また、読み取った値に対する回転部３０の摩擦トルクを測定する。目盛の読取値ｘは軸受隙間と同じ精度となるので、読取値ｘが数μｍで変化するように、目盛付きシンブル１３を回すと良い。この測定後、目盛の読取値ｘとその読取値ｘでの摩擦トルクの値Ｔｒとを対応付けて、同時に記録する。この摩擦トルクの測定は、例えば次のように行う。

ａ）シャフト２３にトルク測定器具を取付ける。
ｂ）シャフト２３をハウジング２５に対して回転させるようにトルクを与え、シャフト２３が回転し始めたときの起動トルクをトルク測定器具により求め、この起動トルクを軸受２４の摩擦トルクＴｒとする。

トルク測定器具としては、例えばプッシュプルゲージや、トルク測定用モータを用いると良い。なお、トルク測定用モータを用いる場合は、モータの駆動電流を計測することでシャフト２３の起動トルクを求めて静止摩擦力を測定することができるが、モータを一定回転で回転させたときのモータの駆動電流を計測することで動摩擦トルクを求め、求めた動摩擦トルクを摩擦トルクとしても良い。

かくして、記録された目盛の読取値と摩擦トルク値に基づいて、適切な軸受隙間を求めることができる。
また、操作用グリップ５０を目盛付きシンブル１３に設けることで、モータを用いることなく、人力で軸受２４に予圧を加えることができる。

なお、予め軸受内輪２４ａにおけるリテーナ２６側の端面と、シャフト２３におけるリテーナ２６側の他端面との間の距離をマイクロメータなどで寸法計測し、この求めた距離を軸受内輪２４ａがシャフト２３の他端面から突出する突出寸法Ｃとしておく。

次に、組立用治具１０を用いて、軸受２４の適切な軸受隙間を、簡単且つ短期間で求める手順について、次の１）〜６）の順に、図を用いて説明する。図３は組立時に取得する、（ａ）軸受の特性曲線と、（ｂ）軸受の挙動を示す図である。

１）まず、図３（ｂ）のＩの組立状態（無予圧時）における軸受２４の摩擦トルクを測定する。
２）次に、目盛付きシンブル１３を目盛付きスリーブ１２に螺合して軸受内輪２４ａに押し当てた際、目盛付きシンブル１３を回すことで数μｍ毎に得られる摩擦トルクの測定値を、目盛付きシンブル１３および目盛付きスリーブ１２の目盛の読取値と対応付けてグラフにプロットする。このプロット点から最小自乗法などで近似直線を求めて、図３（ａ）のII、IIIに示す軸受の特性曲線を得る。このとき、軸受２４の状態は、図３（ｂ）に示すようなIIまたはIIIの組立状態となる。なお、IIの組立状態は、軸受２４に予圧が加わった状態を示し、IIIの組立状態は、１対の軸受内輪２４ａが完全に接触した状態を示している。

３）次に、得られた特性曲線から、図３（ｂ）におけるII、IIIの直線の交点（折れ線部）に相当する組立状態（IIの組立状態からIIIの組立状態への遷移点）を求める。また、この折れ線部での摩擦トルクと軸受隙間を確認する。さらに、図３（ｂ）におけるI、IIの直線の交差点（折れ線部）に相当する組立状態（無予圧から予圧状態への遷移点）を求める。

４）続いて、求められた２つの折れ線部から、軸受隙間の上限値および下限値を設定する。ここで、下限値は、図３（ａ）におけるIとIIの交点の値を示す。上限値は、図３（ａ）におけるIIとIIIの交点の値を示す。
この際、上記上限値から下限値の範囲内にて、軸受隙間を調整すれば、組合せ軸受２４の予圧不足（予圧抜け）や、予圧過多を防ぐことが可能となる。また、軸受を使用する部位によって、上記範囲内での予圧の大小を設定することが可能となる。
なお、図３（ａ）では図示の都合上、目盛の読取値ｘの記載を省略しているが、実際には目盛の読取値ｘを同グラフの横軸に併記し、軸受隙間０ｍｍに対応する目盛の読取値ｘ１、軸受隙間０．０１ｍｍに対応する目盛の読取値ｘ２などと記述しておく。

５）４）にて設定した上限値から下限値の範囲内に収まるように軸受隙間δの値を設定し、設定した軸受隙間δに基づいて必要なシムプレートの厚さを求め、挿入するシムプレート２８を用意する。例えば、軸受隙間がδの場合、必要なシムプレート２８の厚さ（挿入量）ｔは次のように求められる。
シムプレート挿入量ｔ＝軸受内輪の突出寸法Ｃ−軸受隙間δ

なお、前述した軸受内輪の突出寸法Ｃは、例えば次のように求めることができる。
軸受２４を外した状態でワッシャ１１、目盛付きシンブル１３および目盛付きスリーブ１２をシャフト２３に組み付け、ワッシャ１１がシャフト２３の他端面に突当たる位置まで目盛付きシンブル１３を回し、このときの目盛の読取値ｘ０を記録しておく。
次に、目盛付きシンブル１３および目盛付きスリーブ１２を一旦取り外し、軸受２４を取付けた後、ワッシャ１１、目盛付きシンブル１３および目盛付きスリーブ１２をシャフト２３に再度組み付けてから、上記４）にて軸受隙間δを設定し、この設定した軸受隙間δに対応する目盛付きスリーブ１２の目盛りの読取値ｘｃを求めて、この目盛りの読取値ｘｃと目盛の読取値をｘ０との差分を、軸受内輪の突出寸法Ｃとする。
この際、目盛付きシンブル１３および目盛付きスリーブ１２の再組み付け時に、双方の目盛の突合せ位置がずれないように、組み付け位置合わせマーカを設けるなどして注意して組み付けを行う。

６）次に、ワッシャ１１、スリーブ１２、目盛付きシンブル１３を取り外し、用意したシムプレート２８をシャフト２３の他端面に当てるように、軸受内輪２４ａの内径に挿入する。続いて、リテーナ２６および締結部品２７をシャフト２３に取付け、締結部品２７をシャフト２３のねじ穴に締結して、軸受内輪２４ａを固定する。その後、再び摩擦トルクを測定し、摩擦トルクが所要の値となっていることを確認する。

以上説明したとおり、この実施の形態１による軸受組立治具は、一端側に鍔の設けられたシャフトの外径に装着され、対向配置された一対の転がり軸受から成る組合わせ軸受について、一対の軸受内輪の一方を当該シャフトの鍔に当てた状態で、当該軸受内輪間の軸受隙間を調整するための軸受組立治具であって、一端面が当該軸受内輪の他方に当接する穴付き平板と、一端に鍔が設けられるとともに、他端側の外径の軸方向に目盛の刻まれた目盛付きスリーブと、一端側の外径の円周方向に目盛が刻まれ、他端面が上記穴付き平板の他端面に当接する目盛付きシンブルとを具備し、上記目盛付きスリーブが上記シャフトの内径および穴付き平板の穴に挿入され、上記シャフトの他端面から上記軸受内輪の他方が突出した状態で上記目盛付きスリーブの鍔と目盛付きシンブルの他端面の間に上記シャフトおよび穴付き平板を挟み、上記目盛付きシンブルと目盛付きスリーブとが互いの目盛を向き合わせて螺合したことを特徴とする。

また、この実施の形態１による軸受の組立方法は、シャフトの他端面から上記軸受内輪の他方が突出した状態で穴付き平板の一端面を上記軸受内輪に当接させ、外径の軸方向に目盛の刻まれた目盛付きスリーブを、上記シャフトの内径および穴付き平板の挿入穴に挿入して、当該目盛付きスリーブと、外径の円周方向に目盛が刻まれた目盛付きシンブルとの間に、上記シャフトおよび穴付き平板を挟んで、当該目盛付きシンブルと目盛付きスリーブを螺合させ、上記目盛付きシンブルの操作用グリップを回しながら上記目盛の値を計測するとともに、上記シャフトもしくは組合わせ軸受の外輪側を回して起動トルクを計測し、計測結果に基づいて軸受隙間に対する起動トルクの変化率特性を求め、求めた変化率特性から適切な軸受隙間を設定して、シムプレートの挿入量を決定することを特徴とする。

これにより、組合わせ軸受における予圧調整作業の際、適切な軸受隙間（アキシアル隙間）をより短時間で効率的に計測することができる、という効果が得られる。

なお、特開２００７−１８７２６４号公報には、軸受隙間を寸法管理しながら予圧を調整する装置が開示されている。しかし、この装置では、油圧サーボや直動シリンダ等の調整設備を要し、装置が複雑となり、大型化してしまう。このため、軸受を回転部に組み込んだ後、入り組んだ状態での調整が不可能となる。また、通常の圧入方法にて圧入し、ダイヤルゲージ等で軸受隙間を管理する手法では、圧入手段、測定手段が別々となってしまうために取り扱い性が悪くなる他、ダイヤルゲージ等の測定手段の設置方法によっては測定値に誤差が生じる恐れがある。これに対し、この実施の形態１では、組立用治具に予めマイクロメータが組み込まれているので、高精度に軸受隙間を測定することができる。また、油圧サーボや直動シリンダ等の大掛かりな調整設備が不要なので、装置構成が簡潔になるという利点がある。

本発明に係る実施形態１による組立用治具の構成を示す図である。 実施形態１による組立用治具を用いて、シムプレートによる定位置予圧にて軸受を組み込んだ例を示す図である。 本発明に係る実施形態１による組立時に取得する軸受の特性曲線及び軸受の挙動を示す図である。

符号の説明

１０ 組立用治具、１１ ワッシャ（穴付き平板）、１２ 目盛付きスリーブ、１３ 目盛付きシンブル、２１ リテーナ、２２ 締結部品、２３ シャフト、２４ 軸受、２４ａ 軸受内輪、２４ｂ 軸受外輪、２４ｃ 転動体、２５ ハウジング、２６ リテーナ、２７ 締結部品、２８ シムプレート、３０ 回転部、５０ 操作用グリップ。

Claims (3)

1. シャフトの外径に装着された一対の転がり軸受から成る組合わせ軸受について、軸受内輪間の軸受隙間を調整する軸受組立治具であって、
   外径の軸方向に目盛の刻まれた目盛付きスリーブと、
   外径の円周方向に目盛が刻まれた目盛付きシンブルと、
   を具備し、
   上記目盛付きスリーブが上記シャフトの内径に挿入され、上記目盛付きシンブルと目盛付きスリーブを双方の目盛を向き合わせて螺合し、上記シャフトの端面から上記軸受内輪が突出した状態で、上記目盛付きスリーブと目盛付きシンブルとで上記シャフトおよび軸受内輪を挟み、上記軸受に予圧を与える軸受組立治具。
2. 上記目盛付きシンブルは操作用グリップを備えたことを特徴とする請求項１記載の軸受組立用治具。
3. シャフトの外径に装着された一対の転がり軸受から成る組合わせ軸受について、軸受内輪間の軸受隙間を調整する軸受組立方法であって、
   外径の軸方向に目盛の刻まれた目盛付きスリーブを上記シャフトの内径に挿入し、当該目盛付きスリーブと外径の円周方向に目盛が刻まれた目盛付きシンブルを螺合させ、上記シャフトの端面から上記軸受内輪が突出した状態で、当該目盛付きスリーブと目盛付きシンブルとで上記シャフトおよび軸受内輪を挟み、
   上記目盛付きシンブルを回しながら上記目盛の値を計測するとともに、上記シャフトと軸受外輪を相対的に回転させて起動トルクを計測し、計測結果に基づいて軸受隙間に対する起動トルクの変化特性を求め、求めた変化特性から軸受隙間を設定することを特徴とした軸受組立方法。

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