JP2005147905A - 車輪支持用転がり軸受ユニットの荷重測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モーメント荷重等により外輪１の中心軸とハブ２の中心軸とが不一致になった場合でも、転動体９ａ、９ｂの公転速度の測定精度を確保して、上記外輪１と上記ハブ２との間に加わる荷重を正確に求められる構造を実現する。
【解決手段】 センサユニット２１に設けた１対の公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの検出面と、上記各転動体９ａ、９ｂを保持した１対の保持器２４ａ、２４ｂに組み付けた公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの被検出面とを対向させる。そして、上記各転動体９ａ、９ｂの公転速度の変動に基づいて、上記荷重を求める。上記センサユニット２１を水平方向に配置する事で、上記両中心軸が不一致になった場合でも、上記検出面と上記被検出面との距離の変動を抑える。この結果、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの出力信号の大きさの変動を抑えて、上記課題を解決できる。
【選択図】 図１

Description

この発明に係る車輪支持用転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、自動車、鉄道車両等の車両の車輪を支持する為の転がり軸受ユニットに負荷される荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）を測定し、上記車両の走行安定性確保を図る為に利用する。

例えば自動車の車輪は懸架装置に対し、複列アンギュラ型の転がり軸受ユニットにより回転自在に支持する。又、自動車の走行安定性を確保する為に、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）やトラクションコントロールシステム（ＴＣＳ）、更にはビークルスタビリティコントロールシステム（ＶＳＣ）等の車両用走行安定装置が使用されている。この様な各種車両用走行安定装置を制御する為には、車輪の回転速度、車体に加わる各方向の加速度等の信号が必要になる。そして、より高度の制御を行なう為には、車輪を介して上記転がり軸受ユニットに加わる荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）の大きさを知る事が好ましい場合がある。

この様な事情に鑑みて、特許文献１には、ラジアル荷重を測定自在な、荷重測定装置付転がり軸受ユニットが記載されている。この従来構造の第１例の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、ラジアル荷重を測定するもので、図５に示す様に構成している。懸架装置に支持される外輪１の内径側に、車輪を結合固定するハブ２を支持している。このハブ２は、車輪を固定する為の回転側フランジ３をその外端部（車両への組み付け状態で幅方向外側となる端部で、図１、３、５〜７、１０の左端部）に有するハブ本体４と、このハブ本体４の内端部（車両への組み付け状態で幅方向中央側となる端部で、図１、３、５〜７、１０の右端部）に外嵌されてナット５により抑え付けられた内輪６とを備える。そして、上記外輪１の内周面に形成した複列の外輪軌道７、７と、上記ハブ２の外周面に形成した複列の内輪軌道８、８との間に、それぞれ複数個ずつの転動体９ａ、９ｂを配置して、上記外輪１の内径側での上記ハブ２の回転を自在としている。

上記外輪１の軸方向中間部で複列の外輪軌道７、７の間部分に、この外輪１を直径方向に貫通する取付孔１０を、この外輪１の上端部にほぼ鉛直方向に形成している。そして、この取付孔１０内に、荷重測定用のセンサである、円杆状（丸棒状）の変位センサ１１を装着している。この変位センサ１１は非接触式で、先端面（下端面）に設けた検出面は、ハブ２の軸方向中間部に外嵌固定したセンサリング１２の外周面に近接対向させている。上記変位センサ１１は、上記検出面と上記センサリング１２の外周面との距離が変化した場合に、その変化量に対応した信号を出力する。

上述の様に構成する従来の荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合には、上記変位センサ１１の検出信号に基づいて、転がり軸受ユニットに加わる荷重を求める事ができる。即ち、車両の懸架装置に支持した上記外輪１は、この車両の重量により下方に押されるのに対して、車輪を支持固定したハブ２は、そのままの位置に止まろうとする。この為、上記重量が嵩む程、上記外輪１やハブ２、並びに転動体９ａ、９ｂの弾性変形に基づいて、これら外輪１の中心とハブ２の中心とのずれが大きくなる。そして、この外輪１の上端部に設けた、上記変位センサ１１の検出面と上記センサリング１２の外周面との距離は、上記重量が嵩む程短くなる。そこで、上記変位センサ１１の検出信号を制御器に送れば、予め実験等により求めた関係式或はマップ等から、当該変位センサ１１を組み込んだ転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重を求める事ができる。この様にして求めた、各転がり軸受ユニットに加わる荷重に基づいて、ＡＢＳを適正に制御する他、積載状態の不良を運転者に知らせる。

尚、図５に示した従来構造は、上記転がり軸受ユニットに加わる荷重に加えて、上記ハブ２の回転速度も検出自在としている。この為に、前記内輪６の内端部にセンサロータ１３を外嵌固定すると共に、上記外輪１の内端開口部に被着したカバー１４に回転速度検出用センサ１５を支持している。そして、この回転速度検出用センサ１５の検知部を、上記センサロータ１３の被検出部に、測定隙間を介して対向させている。

上述の様な回転速度検出装置を組み込んだ転がり軸受ユニットの使用時、車輪を固定したハブ２と共に上記センサロータ１３が回転し、このセンサロータ１３の被検知部が上記回転速度検出用センサ１５の検知部の近傍を走行すると、この回転速度検出用センサ１５の出力が変化する。この様にして回転速度検出用センサ１５の出力が変化する周波数は、上記車輪の回転数に比例する。従って、この回転速度検出用センサ１５の出力信号を図示しない制御器に送れば、ＡＢＳやＴＣＳを適切に制御できる。

上述の様な従来構造の第１例の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重を測定する為のものであるが、転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重を測定する構造も、特許文献２等に記載されて、従来から知られている。図６は、この特許文献２に記載された、アキシアル荷重を測定する為の荷重測定装置付転がり軸受ユニットを示している。この従来構造の第２例の場合、ハブ２ａの外端部外周面に、車輪を支持する為の回転側フランジ３ａを固設している。又、外輪１ａの外周面に、この外輪１ａを懸架装置を構成するナックル１６に支持固定する為の、固定側フランジ１７を固設している。そして、上記外輪１ａの内周面に形成した複列の外輪軌道７、７と、上記ハブ２ａの外周面に形成した複列の内輪軌道８、８との間に、それぞれ複数個ずつの転動体９ａ、９ｂを転動自在に設ける事により、上記外輪１ａの内径側に上記ハブ２ａを回転自在に支持している。

更に、上記固定側フランジ１７の内側面複数個所で、この固定側フランジ１７を上記ナックル１６に結合する為のボルト１８を螺合する為のねじ孔１９を囲む部分に、それぞれ荷重センサ２０を添設している。上記外輪１ａを上記ナックル１６に支持固定した状態でこれら各荷重センサ２０は、このナックル１６の外側面と上記固定側フランジ１７の内側面との間で挟持される。

この様な従来構造の第２例の転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、図示しない車輪と上記ナックル１６との間にアキシアル荷重が加わると、上記ナックル１６の外側面と上記固定側フランジ１７の内側面とが、上記各荷重センサ２０を、軸方向両面から強く押し付け合う。従って、これら各荷重センサ２０の測定値を合計する事で、上記車輪と上記ナックル１６との間に加わるアキシアル荷重を求める事ができる。又、図示はしないが、特許文献３には、一部の剛性を低くした外輪相当部材の振動周波数から転動体の公転速度を求め、更に、転がり軸受に加わるアキシアル荷重を測定する方法が記載されている。

前述の図５に示した従来構造の第１例の場合、変位センサ１１により、外輪１とハブ２との径方向に関する変位を測定する事で、転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する。但し、この径方向に関する変位量は僅かである為、この荷重を精度良く求める為には、上記変位センサ１１として、高精度のものを使用する必要がある。高精度の非接触式センサは高価である為、荷重測定装置付転がり軸受ユニット全体としてコストが嵩む事が避けられない。

又、上述の図６に示した従来構造の第２例の場合、ナックル１６に対し外輪１ａを支持固定する為のボルト１８と同数だけ、荷重センサ２０を設ける必要がある。この為、荷重センサ２０自体が高価である事と相まって、転がり軸受ユニットの荷重測定装置全体としてのコストが相当に嵩む事が避けられない。又、特許文献３に記載された方法は、外輪相当部材の一部の剛性を低くする必要があり、この外輪相当部材の耐久性確保が難しくなる可能性がある。

この様な事情に鑑みて本発明者等は先に、複列アンギュラ型玉軸受である転がり軸受ユニットを構成する１対の列の転動体（玉）の公転速度に基づいて、この転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重又はアキシアル荷重を測定する、転がり軸受ユニットの荷重測定装置に関する発明を行なった（特願２００３−１７１７１５号、１７２４８３号）。図７は、この先発明の転がり軸受ユニットの荷重測定装置を示している。この先発明に係る構造の場合、外輪１（外輪相当部材）の軸方向中間部で複列の外輪軌道７、７の間部分に形成した取付孔１０ａにセンサユニット２１を挿通し、このセンサユニット２１の先端部に設けた検出部２２を、上記外輪１の内周面から突出させている。この検出部２２には、１対の公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂと、１個の回転速度検出用センサ１５ａとを設けている。

そして、このうちの各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの検出部を、複列に配置された各転動体９ａ、９ｂを回転自在に保持した各保持器２４ａ、２４ｂに設けた、公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂに近接対向させて、各転動体９ａ、９ｂの公転速度を検出自在としている。又、上記回転速度検出用センサ１５ａの検出部を、内輪相当部材であるハブ２の中間部に外嵌固定した回転速度検出用エンコーダ２６に近接対向させて、このハブ２の回転速度を検出自在としている。この様な構成を有する先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置によれば、上記ハブ２の回転速度の変動に拘らず、上記外輪１と上記ハブ２との間に加わる荷重（ラジアル荷重及びアキシアル荷重）を求められる。

即ち、上述の様な先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置の場合、図示しない演算器が、上記各センサ２３ａ、２３ｂ、１５ａから送り込まれる検出信号に基づいて、上記外輪１と上記ハブ２との間に加わるラジアル荷重とアキシアル荷重とのうちの一方又は双方の荷重を算出する。例えば、このラジアル荷重を求める場合に上記演算器は、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂが検出する各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度の和を求め、この和と、上記回転速度検出用センサ１５ａが検出する上記ハブ２の回転速度との比に基づいて、上記ラジアル荷重を算出する。又、上記アキシアル荷重は、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂが検出する各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度の差を求め、この差と、上記回転速度検出用センサ１５ａが検出する上記ハブ２の回転速度との比に基づいて算出する。この点に就いて、図８を参照しつつ説明する。尚、以下の説明は、アキシアル荷重Ｆｙが加わらない状態での、上記各列の転動体９ａ、９ｂの接触角α_a 、α_b が互いに同じであるとして行なう。

図８は、上述の図７に示した車輪支持用の転がり軸受ユニットを模式化し、荷重の作用状態を示したものである。複列の内輪軌道８、８と複列の外輪軌道７、７との間に複列に配置された転動体９ａ、９ｂには予圧Ｆ₀ 、Ｆ₀ を付与している。又、使用時に上記転がり軸受ユニットには、車体の重量等により、ラジアル荷重Ｆｚが加わる。更に、旋回走行時に加わる遠心力等により、アキシアル荷重Ｆｙが加わる。これら予圧Ｆ₀ 、Ｆ₀ 、ラジアル荷重Ｆｚ、アキシアル荷重Ｆｙは、何れも上記各転動体９ａ、９ｂの接触角α（α_a 、α_b ）に影響を及ぼす。そして、この接触角α_a 、α_b が変化すると、これら各転動体９ａ、９ｂの公転速度ｎ_c が変化する。これら各転動体９ａ、９ｂのピッチ円直径をＤとし、これら各転動体９ａ、９ｂの直径をｄとし、上記各内輪軌道８、８を設けたハブ２の回転速度をｎ_i とし、上記各外輪軌道７、７を設けた外輪１の回転速度をｎ_o とすると、上記公転速度ｎ_c は、次の式で表される。
ｎ_c ＝｛１−（ｄ・cosα／Ｄ）・（ｎ_i ／２）｝＋｛１＋（ｄ・cosα／Ｄ）・（ｎ_o ／２）｝

この式から明らかな通り、上記各転動体９ａ、９ｂの公転速度ｎ_c は、これら各転動体９ａ、９ｂの接触角α（α_a 、α_b ）の変化に応じて変化するが、上述した様にこの接触角α_a 、α_b は、上記ラジアル荷重Ｆｚ及び上記アキシアル荷重Ｆｙに応じて変化する。従って上記公転速度ｎ_c は、これらラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙに応じて変化する。本例の場合、上記ハブ２が回転し、上記外輪１が回転しない為、具体的には、上記ラジアル荷重Ｆｚに関しては、大きくなる程上記公転速度ｎ_c が遅くなる。又、アキシアル荷重Ｆｙに関しては、このアキシアル荷重Ｆｙを支承する列の公転速度が速くなり、このアキシアル荷重Ｆｙを支承しない列の公転速度が遅くなる。従って、この公転速度ｎ_c に基づいて、上記ラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙを求められる事になる。

但し、上記公転速度ｎ_c の変化に結び付く上記接触角αは、上記ラジアル荷重Ｆｚと上記アキシアル荷重Ｆｙとが互いに関連しつつ変化するだけでなく、上記予圧Ｆ₀ 、Ｆ₀ によっても変化する。又、上記公転速度ｎ_c は、上記ハブ２の回転速度ｎ_i に比例して変化する。この為、これらラジアル荷重Ｆｚ、上記アキシアル荷重Ｆｙ、予圧Ｆ₀ 、Ｆ₀ 、ハブ２の回転速度ｎ_i を総て関連させて考えなければ、上記公転速度ｎ_c を正確に求める事はできない。このうちの予圧Ｆ₀ 、Ｆ₀ は、運転状態に応じて変化するものではないので、初期設定等によりその影響を排除する事は容易である。これに対して上記ラジアル荷重Ｆｚ、アキシアル荷重Ｆｙ、ハブ２の回転速度ｎ_i は、運転状態に応じて絶えず変化するので、初期設定等によりその影響を排除する事はできない。

この様な事情に鑑みて先発明の場合には、前述した様に、ラジアル荷重Ｆｚを求める場合には、前記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂが検出する各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度の和を求める事で、上記アキシアル荷重Ｆｙの影響を少なくしている。又、アキシアル荷重Ｆｙを求める場合には、上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度の差を求める事で、上記ラジアル荷重Ｆｚの影響を少なくしている。更に、何れの場合でも、上記和又は差と、前記回転速度検出用センサ１５ａが検出する上記ハブ２の回転速度ｎ_i との比に基づいて上記ラジアル荷重Ｆｚ又は上記アキシアル荷重Ｆｙを算出する事により、上記ハブ２の回転速度ｎ_i の影響を排除している。但し、上記アキシアル荷重Ｆｙを、上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度の比に基づいて算出する場合には、上記ハブ２の回転速度ｎ_i は、必ずしも必要ではない。

尚、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの信号に基づいて上記ラジアル荷重Ｆｚとアキシアル荷重Ｆｙとのうちの一方又は双方の荷重を算出する方法は、他にも各種存在するが、この様な方法に就いては、前述の特願２００３−１７１７１５号、１７２４８３号に詳しく説明されているし、本発明の要旨とも関係しないので、詳しい説明は省略する。

何れにしても、上述の様な先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置により、上記外輪１と上記ハブ２との間に加わる荷重を求める為には、ハブ２の回転速度ｎ_i 及び上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度ｎ_ca、ｎ_cbを正確に測定する必要がある。これに対して、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの設置位置によっては、上記各公転速度ｎ_ca、ｎ_cbを必ずしも正確に求められなくなる可能性がある。この点に就いて、図９〜１１を参照しつつ説明する。

このうちの図９は、前記図７と共に、従来からＡＢＳ、ＴＣＳ、ＶＳＣ等の車両用走行安定装置の制御の為、車輪と共に回転するハブ２の回転速度を測定する為に一般的な構造を、そのまま車輪支持用転がり軸受ユニットの荷重測定装置に適用した場合に就いて示している。この構造では、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂ及び回転速度検出用センサ１５ａを組み込んだセンサユニット２１を、車両が水平路面に存在する状態で、ほぼ鉛直方向に配置している。この様な構造では、例えば旋回走行時に車輪からハブ２にモーメント荷重が加わり、このハブ２の中心軸と外輪１の中心軸とが不一致になると、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの検出面と、各保持器２４ａ、２４ｂに設置した公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの被検出面との距離が大きく変化する。

即ち、上記センサユニット２１を鉛直方向に配置した構造の場合、上記モーメント荷重が加わらない状態では、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの検出面と上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの被検出面との位置関係は、図１０の（Ａ）に示す様になる。この状態では、外側列の転動体９ａ、９ａに関する検出面と被検出面との距離Ｌ_o と、内側列の転動体９ｂ、９ｂに関する検出面と被検出面との距離Ｌ_i とは、何れもほぼ設計値通りであり、互いにほぼ等しい（Ｌ_i ≒Ｌ_o ）。この状態では、上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度を正確に求められる。

これに対して、上記ハブ２に、図７、１０の反時計方向のモーメント荷重が加わると、このハブ２の中心軸イと上記外輪１の中心軸ロとが、図１０（Ｂ）に誇張して示す様に、互いに不一致になる。これに伴って、上記外側列の転動体９ａ、９ａが公転運動する面ａと上記内側列の転動体９ｂ、９ｂが公転運動する面ｂとが、上記センサユニット２１を支持した上記外輪１の中心軸ロに対し傾斜する。そして、上記各列の転動体９ａ、９ｂを保持すると共に上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂを設置した、上記各保持器２４ａ、２４ｂも、上記外輪１の中心軸ロに対し傾斜する。この結果、上記外側列の転動体９ａ、９ａに関する、検出面と被検出面との距離Ｌ_o1は設計値Ｌ_o よりも大きく（Ｌ_o1＞Ｌ_o ）、上記内側列の転動体９ｂ、９ｂに関する検出面と被検出面との距離Ｌ_i1は設計値Ｌ_i よりも小さく（Ｌ_i1＜Ｌ_i ）なる。

前記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの出力信号の大きさ（振幅、レベル）は、それぞれの検出面と、この検出面が対向する上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの被検出面との距離に応じて変化する。具体的には、この距離が小さい程上記出力信号が大きくなり、この距離が大きくなるとこの出力信号は小さくなる。例えば、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの検出部に、ホールＩＣ、ＭＲ素子等の磁気検出素子を組み込んだ場合、これら各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの出力信号は、図１１に示す様に変化する。この図１１の上段は上記内側列の転動体９ｂ、９ｂの公転速度を検出する為の公転速度検出用センサ２３ｂの出力信号を、同じく下段は上記外側列の転動体９ａ、９ａ公転速度を検出する為の公転速度検出用センサ２３ａの出力信号を、それぞれ表している。又、それぞれの両端部分は、図１０の（Ａ）に示す様に、上記モーメント荷重が加わらない状態での、同じく中間部は、図１０の（Ｂ）に示す様に、上記モーメント荷重が加わった状態での、それぞれ出力信号を表している。

以上の説明から明らかな通り、上記センサユニット２１を鉛直方向に配置し、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの検出面と上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの被検出面とを軸方向に対向させた構造では、前記ハブ２にモーメント荷重が加わった状態で、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの出力が大きく変動する。特に、図７、１０に示す様に、前記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂを前記各保持器２４ａ、２４ｂの軸方向側面に設置する構造の場合、上記出力の変動に、ポケット隙間の影響も加わる。即ち、上記各保持器２４ａ、２４ｂのポケットの内面と、上記各転動体９ａ、９ｂの表面との間には、これら各転動体９ａ、９ｂの転動を可能にする為に必要なポケット隙間が存在する。そして、上記各保持器２４ａ、２４ｂ、延てはこれら各保持器２４ａ、２４ｂの軸方向片面に設置した上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの軸方向位置は、上記ポケット隙間分だけ、上記モーメント荷重に基づく変位とは別に、変位する可能性がある。

そして、上記出力が大きく変動すると、上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの回転速度、延ては前記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度を正確に測定する事が難しくなる。例えば、上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの出力信号をＡ／Ｄ変換して処理する場合、この出力信号の振幅が図１１の上段中間部に示す様に大き過ぎると、レンジオーバの可能性を生じ、上記出力信号を正確に取り込めなくなる可能性がある。これに対して、この出力信号の振幅が図１１の下段中間部に示す様に小さ過ぎると、例えこの出力信号を高分解能で信号を取り込んでも、波形が粗くなって、正確な公転速度検出が難しくなる。尚、上述の様な、モーメント荷重やラジアル隙間に起因する出力信号の変動は、検出面と被検出面とをラジアル方向に対向させた構造でも生じる。

上記出力信号の変動に結び付く、前記各検出面と前記各被検出面との距離変動のうち、上記ポケット隙間に基づく変動を解消若しくは低減する事は、潤滑性確保を考慮すると難しい。これに対して、モーメント荷重に基づく距離変動は、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの設置位置を工夫する事で解消若しくは低減できるもの考えられる。例えば、特許文献４〜６には、ハブの回転速度を検出する構造で、回転速度センサの設置位置を、水平方向等、鉛直方向から外れた方向に設置する構造が記載されている。但し、上記特許文献４〜６に記載された従来構造は、何れもハブの回転速度を検出する事のみを考慮したものであって、車輪支持用転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する為に、この車輪支持用転がり軸受ユニットを構成する転動体の公転速度を測定する事を意図しているものではない。

特開２００１−２１５７７号公報 特開平３−２０９０１６号公報 特公昭６２−３３６５号公報 特開平８−２９６６３４号公報 特開平１１−１７４０７１号公報 特開平１１−１８３４９２号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、モーメント荷重等により外輪相当部材の中心軸と内輪相当部材の中心軸とが不一致になった場合でも、転動体の公転速度の測定精度を確保し、上記車輪支持用転がり軸受ユニットに加わる荷重を正確に求められる荷重測定装置を実現すべく発明したものである。

本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、外輪相当部材と、内輪相当部材と、複数個の転動体と、公転速度検出用センサと、演算器とを備える。
このうちの外輪相当部材は、内周面に外輪軌道を有する。
又、上記内輪相当部材は、上記外輪相当部材の内径側にこの外輪相当部材と同心に配置されたもので、外周面に内輪軌道を有する。
又、上記各転動体は、この内輪軌道と上記外輪軌道との間に、接触角を付与した状態で設けられている。
又、上記公転速度検出用センサは、上記各転動体の公転速度を検出する。
又、上記演算器は、この公転速度検出用センサから送り込まれる検出信号に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する。
更に、上記公転速度検出用センサを、水平方向を中心として±３０度の範囲に設置している。

上述の様に構成する本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、転動体の公転速度を検出する事により、転がり軸受ユニットに負荷される荷重を測定できる。即ち、玉軸受の如き転がり軸受ユニットに荷重が負荷されると、転動体（玉）の接触角が変化し、これら各転動体の公転速度が変化する。そこで、この公転速度を検出すれば、外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用する荷重を求められる。
更に、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットの荷重測定装置は、公転速度検出用センサを、水平方向を中心として±３０度の範囲に設置している為、モーメント荷重により上記外輪相当部材の中心軸と内輪相当部材の中心軸とが不一致になっても、上記公転速度検出用センサの検出面と上記転動体の公転と共に回転する部分に設けた被検出面との距離の変動を抑えられる。この為、上記公転速度検出用センサの出力信号の変動を抑えて、上記転動体の公転速度、延ては上記車輪支持用転がり軸受ユニットに加わる荷重を正確に求められる。
尚、上記公転速度検出用センサの設置位置は、車両が水平路面に存在する状態で水平方向である事が最も好ましいが、この方向を中心として±３０度の範囲、好ましくは±１０度の範囲に設置すれば、十分な効果を得られる。

本発明を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した様に、外輪相当部材として内周面に複列の外輪軌道を有するものを、内輪相当部材として外周面に複列の内輪軌道を有するものを、それぞれ使用する。そして、これら各外輪軌道と各内輪軌道との間に複列に分けて各列毎にそれぞれ複数個ずつの転動体を、これら各列同士の間で接触角の方向を互いに逆にして、１対の保持器により転動自在に保持した状態で設ける。又、特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させた１対の公転速度検出用エンコーダを上記各保持器の軸方向側面に設け、上記各列の転動体の公転速度をこれら各保持器の回転速度としてそれぞれ検出する為の１対の公転速度検出用センサを、それぞれの検出部を上記各公転速度検出用エンコーダの被検出面に軸方向に対向させた状態で設ける。そして、演算器は、上記各公転速度検出用センサから送り込まれる検出信号に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する。
この場合に、好ましくは、請求項３に記載した様に、各転動体として玉を使用し、使用時に回転しない外輪相当部材の内周面に形成された複列アンギュラ型の外輪軌道と、使用時に回転する内輪相当部材の外周面に形成された複列アンギュラ型の内輪軌道との間にそれぞれ複数個ずつ設けられた玉に、背面組み合わせ型の接触角を付与する。

この様な構成を採用すれば、乗用車用として一般的な独立懸架式サスペンションに車輪を支持する転がり軸受ユニットで、接触角の方向が互いに異なる１対の列の転動体の公転速度をそれぞれ検出する事により、上記転がり軸受ユニットを構成する外輪相当部材と内輪相当部材との間に加わる荷重（ラジアル荷重及びアキシアル荷重）を正確に求められる。即ち、複列アンギュラ型の玉軸受の如き転がり軸受ユニットに荷重が負荷されると、各列の転動体（玉）の接触角が変化し、これら各列の転動体の公転速度が変化する。そこで、この公転速度を、保持器の回転速度として検出すれば、外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用する荷重を求められる。
尚、半浮動式懸架装置等、非独立懸架式のサスペンションに使用されている様な、単列の転がり軸受ユニットでも、各転動体に接触角を付与した構造であれば、この接触角の変化に伴うこれら各転動体の公転速度の変動に基づき、上記単列の転がり軸受ユニットに加わる荷重を求める事は可能である。但し、この場合には、上記複列アンギュラ型の玉軸受の如き転がり軸受ユニットの場合に比べて、測定精度を確保する事が難しい。

又、好ましくは、請求項４、５に記載した様に、内輪相当部材の一部にこの内輪相当部材と同心に設けられた回転速度検出用エンコーダの被検出面に、外輪相当部材の一部に支持された回転速度検出用センサの検出部を対向させる事で、上記内輪相当部材の回転速度を検出自在とする。
そして、演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との和と、上記内輪相当部材の回転速度との比に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わるラジアル荷重を算出する（請求項４に記載した発明の場合）。或は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との差と、上記内輪相当部材の回転速度との比に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わるアキシアル荷重を算出する（請求項５に記載した発明の場合）。
この様に構成すれば、上記内輪相当部材の回転速度の変動に拘らず、転がり軸受ユニットに加わる荷重（ラジアル荷重及びアキシアル荷重）を、正確に求められる。尚、１対の列の転動体の公転速度の比に基づいて上記アキシアル荷重を算出すれば（請求項６に記載した発明の場合）、上記内輪相当部材の回転速度を求めなくても、この回転速度変化に拘らず、上記アキシアル荷重を正確に求められる。

本発明の実施例に就いて、図１〜４を参照しつつ説明する。尚、本実施例の特徴は、前述の図７に示した先発明の構造の様に、複列に配置された各転動体９ａ、９ｂの公転速度、延いては転がり軸受ユニットに加わる荷重を、モーメント荷重等によりハブ２の中心軸イと上記外輪１の中心軸ロとが不一致になった場合でも正確に求められる転がり軸受ユニットの荷重測定装置を実現すべく、上記両中心軸イ、ロ同士が不一致になった場合でも、各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの検出面と各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの被検出面との距離の変動を抑えられる構造を実現する点にある。その他の部分の構成及び作用は、前述の図７〜９で説明した先発明の場合と同様であるから、同等部分に関する説明は省略若しくは簡略にし、以下、本実施例の特徴である、上記距離の変動を抑える為に、上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂを組み込んだセンサユニット２１の設置位置を工夫した点を中心に説明する。

上記外輪１の軸方向中間部で複列の外輪軌道７、７の間部分に取付孔１０ｂを、この外輪１の内外両周面同士を連通させる状態で、水平方向に形成している。そして、この取付孔１０ｂに上記センサユニット２１を挿通し、このセンサユニット２１の先端部に設けた検出部２２を、上記外輪１の内周面から突出させている。従って、この検出部２２に設置した上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの検出面は上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの被検出面の上下方向中間部に、軸方向に対向する。

本実施例の場合、上述の様に上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの設置位置を工夫している為、上記ハブ２にモーメント荷重が加わる等により、上記両中心軸イ、ロ同士が不一致になった場合でも、上記各転動体９ａ、９ｂの公転速度ｎ_ca、ｎ_cbを正確に求められる。即ち、上記センサユニット２１を水平方向に配置した構造の場合、上記モーメント荷重が加わらない状態では、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの検出面と上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの被検出面との位置関係は、図３の（Ａ）に示す様になる。勿論、この状態では、外側列の転動体９ａ、９ａに関する検出面と被検出面との距離Ｌ_o と、内側列の転動体９ｂ、９ｂに関する検出面と被検出面との距離Ｌ_i とは、何れもほぼ設計値通りであり、互いにほぼ等しく（Ｌ_i ≒Ｌ_o ）、上記各列の転動体９ａ、９ｂの公転速度を正確に求められる。

又、上記ハブ２に、図１、３の反時計方向のモーメント荷重が加わると、このハブ２の中心軸イと上記外輪１の中心軸ロとが、図３（Ｂ）に誇張して示す様に、互いに不一致になる。これに伴って、上記外側列の転動体９ａ、９ａが公転運動する面ａと上記内側列の転動体９ｂ、９ｂが公転運動する面ｂとが、上記センサユニット２１を支持した上記外輪１の中心軸ロに対し傾斜する。そして、上記各列の転動体９ａ、９ｂを保持すると共に上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂを設置した、上記各保持器２４ａ、２４ｂも、上記外輪１の中心軸ロに対し傾斜する。この結果、これら各保持器２４ａ、２４ｂの軸方向片面に設置された上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの被検出面も、上記ハブ２の中心軸イと同方向に揺動変位する。

本実施例の場合、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの検出面が、上記各公転速度検出用エンコーダ２５ａ、２５ｂの被検出面に対し、ほぼこれら各被検出面の揺動変位の中心に対向している。従って、これら各被検出面が揺動変位した場合でも、上記外側列の転動体９ａ、９ａに関する、検出面と被検出面との距離Ｌ_o1´が設計値Ｌ_o から大きくずれる事はないし（Ｌ_o1´≒Ｌ_o ）、上記内側列の転動体９ｂ、９ｂに関する検出面と被検出面との距離Ｌ_i1´も設計値Ｌ_i から大きくずれる事はない（Ｌ_i1≒Ｌ_i ）。この為、上記モーメント荷重に基づいて上記ハブ２の中心軸イが上記外輪１の中心軸ロに対し傾斜した場合でも、上記各公転速度検出用センサ２３ａ、２３ｂの出力信号は、図４に示す様に、モーメント荷重が加わらない場合と殆ど変化する事がない。この結果、上記各転動体９ａ、９ｂの公転速度ｎ_ca、ｎ_cbを正確に求められる。上記ハブ２に逆方向（図１の時計方向）のモーメント荷重が作用した場合も同様である。

尚、図示の実施例の場合には、前記センサユニット２１を水平方向に設置しているが、このセンサユニット２１の設置方向が水平方向に対して多少（±３０度程度）ずれても、上述した作用・効果を得られる。又、上記センサユニット２１の設置方向が水平方向付近でありさえすれば、進行方向の前後は問わない。例えば、図２とは左右逆側に、上記センサユニット２１を設置しても良い。

本発明の実施例を示す、転がり軸受ユニットの荷重測定装置の断面図。 一部を切断乃至は省略して図１の右方から見た図。 検出面と被検出面との距離の変動を抑えられる理由を説明する為の模式図。 途中でモーメント荷重が加わった場合に於ける、１対の公転速度検出用センサの出力信号の状態を示す線図。 従来から知られている、ラジアル荷重測定用のセンサを組み込んだ転がり軸受ユニットの断面図。 従来から知られている、アキシアル荷重測定用のセンサを組み込んだ転がり軸受ユニットの断面図。 先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置の断面図。 転がり軸受ユニットに加わる荷重を求められる理由を説明する為の模式図。 一部を切断乃至は省略して図７の右方から見た図。 検出面と被検出面との距離が変動する理由を説明する為の模式図。 途中でモーメント荷重が加わった場合に於ける、１対の公転速度検出用センサの出力信号の変動状態を示す線図。

符号の説明

１、１ａ 外輪
２、２ａ ハブ
３、３ａ 回転側フランジ
４ ハブ本体
５ ナット
６ 内輪
７ 外輪軌道
８ 内輪軌道
９ａ、９ｂ 転動体
１０、１０ａ、１０ｂ 取付孔
１１ 変位センサ
１２ センサリング
１３ センサロータ
１４ カバー
１５、１５ａ 回転速度検出用センサ
１６ ナックル
１７ 固定側フランジ
１８ ボルト
１９ ねじ孔
２０ 荷重センサ
２１ センサユニット
２２ 検出部
２３ａ、２３ｂ 公転速度検出用センサ
２４ａ、２４ｂ 保持器
２５ａ、２５ｂ 公転速度検出用エンコーダ
２６ 回転速度検出用エンコーダ

Claims (6)

1. 内周面に外輪軌道を有する外輪相当部材と、この外輪相当部材の内径側にこの外輪相当部材と同心に配置された、外周面に内輪軌道を有する内輪相当部材と、この内輪軌道と上記外輪軌道との間に接触角を付与した状態で設けられた複数個の転動体と、これら各転動体の公転速度を検出する為の公転速度検出用センサと、この公転速度検出用センサから送り込まれる検出信号に基づいて上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する演算器とを備え、上記公転速度検出用センサを、水平方向を中心として±３０度の範囲に設置している車輪支持用転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
2. 外輪相当部材が内周面に複列の外輪軌道を有し、内輪相当部材が外周面に複列の内輪軌道を有し、転動体がこれら各外輪軌道と各内輪軌道との間に複列に分けて各列毎にそれぞれ複数個ずつ、これら各列同士の間で接触角の方向を互いに逆にして設けられた状態で、１対の保持器により転動自在に保持されており、特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させた１対の公転速度検出用エンコーダが上記各保持器の軸方向側面に設けられており、上記各列の転動体の公転速度をこれら各保持器の回転速度としてそれぞれ検出する為の１対の公転速度検出用センサが、それぞれの検出部を上記各公転速度検出用エンコーダの被検出面に軸方向に対向させた状態で設けられており、演算器は、上記各公転速度検出用センサから送り込まれる検出信号に基づいて上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わる荷重を算出するものである、請求項１に記載した車輪支持用転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
3. 各転動体が玉であり、使用時に回転しない外輪相当部材の内周面に形成された複列アンギュラ型の外輪軌道と、使用時に回転する内輪相当部材の外周面に形成された複列アンギュラ型の内輪軌道との間にそれぞれ複数個ずつ設けられた玉に、背面組み合わせ型の接触角が付与されている、請求項２に記載した車輪支持用転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
4. 内輪相当部材の一部にこの内輪相当部材と同心に設けられた回転速度検出用エンコーダの被検出面に、外輪相当部材の一部に支持された回転速度検出用センサの検出部を対向させる事で、上記内輪相当部材の回転速度を検出自在とし、演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との和と、上記内輪相当部材の回転速度との比に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わるラジアル荷重を算出する、請求項３に記載した車輪支持用転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
5. 内輪相当部材の一部にこの内輪相当部材と同心に設けられた回転速度検出用エンコーダの被検出面に、外輪相当部材の一部に支持された回転速度検出用センサの検出部を対向させる事で、上記内輪相当部材の回転速度を検出自在とし、演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との差と、上記内輪相当部材の回転速度との比に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に加わるアキシアル荷重を算出する、請求項３に記載した車輪支持用転がり軸受ユニットの荷重測定装置。
6. 演算器は、一方の列の転動体の公転速度と他方の列の転動体の公転速度との比に基づいて、外輪相当部材と内輪相当部材との間に加わるアキシアル荷重を算出する、請求項３に記載した車輪支持用転がり軸受ユニットの荷重測定装置。

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