JP2006077806A - センサ付きハブユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 接地荷重が作用したときにそのモーメント荷重によって大きく歪む位置を特定することにより、荷重センサの取付け位置を適正化して、接地荷重の垂直、左右および前後成分のすべてを精度よく求めることができるセンサ付きハブユニットを提供する。
【解決手段】 センサ付きハブユニットは、車体側軌道部材3、車輪側軌道部材4および二列の玉5を有するハブユニット1と、センサ装置2とを備えている。センサ装置2は、車体取付け用フランジ部13の基部に等間隔で４カ所に設けられてタイヤ接地点に作用する垂直荷重、左右荷重および前後荷重によるモーメント荷重を検知する荷重センサ8と、荷重センサ8の出力からタイヤ接地荷重の垂直荷重、左右荷重および前後荷重を求める処理部とを有している。
【選択図】 図１

Description

この発明は、自動車を構成するハブユニットと自動車の各種情報を検出するセンサ装置とが一体化されたセンサ付きハブユニットに関する。

自動車においては、その制御を行うために種々の情報が必要であることから、車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、および両部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットに、センサ装置を設けることが提案されている。例えば、特許文献１には、車体側軌道部材の車体取付け用フランジ部に環状の支持部材を取り付け、この環状支持部材に歪みセンサを貼り付けたセンサ付きハブユニットが開示されている。
特開平３−２０９０１６号公報

近年、自動車の制御手段として、ＡＢＳ制御（アンチロックブレーキシステム）に加えて、発進時や加速時に駆動輪をスピンさせない駆動力制御やコーナリング時の横滑りを抑制するブレーキ力制御などが実施されているが、より精度のよい制御を行うために、これらの制御に有効に使用できるデータの検出が重要となっている。このような実情に鑑み、本発明者らは、タイヤ（車輪）にかかる接地荷重（垂直荷重だけでなく、左右および前後方向の荷重も）を精度よく測定して、車両制御の向上を図るという課題を創出した。

これに対し、特許文献１のセンサ付きハブユニットでは、タイヤ接地荷重が作用した場合には、車体側軌道部材の車体取付け用フランジ部を支点とするモーメント荷重がハブユニットに作用するが、センサが取り付けられている環状支持部材は、支点となっている車体側軌道部材の車体取付け用フランジ部に固定されていることから、歪みセンサで得られる歪みが小さく、この歪みから接地荷重（特に左右荷重および前後荷重）を求める場合に、誤差が大きくなり、歪みセンサの測定値から精度よく接地荷重を得ることができないという問題があった。

この発明の目的は、接地荷重が作用したときにそのモーメント荷重によって大きく歪む位置を特定することにより、荷重センサの取付け位置を適正化して、接地荷重の垂直、左右および前後成分のすべてを精度よく求めることができるセンサ付きハブユニットを提供することにある。

第１の発明によるセンサ付きハブユニットは、車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、および両軌道部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットと、センサ装置とを備えているセンサ付きハブユニットにおいて、センサ装置は、車体側軌道部材に設けられている車体取付け用フランジ部の基部の最上部および最下部の少なくとも一方と前側中間部および後側中間部の少なくとも一方との少なくとも２カ所に配されてタイヤ接地点に作用する垂直荷重、左右荷重および前後荷重によるモーメント荷重を検知する荷重センサと、すべての荷重センサの出力からタイヤ接地荷重の垂直荷重、左右荷重および前後荷重をそれぞれ求める処理部とを有していることを特徴とするものである。

車体取付け用フランジ部は、ハブユニットの車体側軌道部材に一体に形成されかつ懸架装置（車体）にボルトで取り付けられる部分で、同部には、適当な間隔をおいて所定箇所にボルト挿通孔が形成される。荷重センサが２つの場合には、荷重センサが圧縮および引張りの両方が検知可能なもの（荷重センサに予圧をかけておくことにより、引張り荷重を検出する荷重センサで圧縮および引張りの両方が検知可能）とされ、車体側軌道部材の最上部および最下部のいずれか１カ所と、これらの中間となる前側中間部および後側中間部のいずれか１カ所とに設置される。これにより、２つの荷重センサによって、垂直荷重、左右荷重および前後荷重をそれぞれ求めることができる。また、上下および前後（計４つ）の荷重センサを使用して、上下の荷重センサから左右荷重を、前後の荷重センサから前後荷重を、４つの荷重センサすべてまたは一部を使用して垂直荷重を求めることもできる。各荷重センサの出力＝垂直荷重による分＋左右荷重による分＋前後荷重による分であるので、各荷重センサについてこの関係式を予め求めておくことにより、少なくとも２つの荷重センサを用いることにより、タイヤ接地荷重の垂直荷重、左右荷重および前後荷重をそれぞれ別個に求めることができる。これらの荷重センサは、車体取付け用フランジ部の基部のボルト挿通孔近傍に配置されてもよく、また、車体取付け用フランジ部の基部の最上部、最下部、および上下の中間部に配置されてもよい。荷重センサの数は、特に限定されるものではないが、周方向に等間隔で４カ所に配置されることが最も好ましい。

タイヤ接地点に垂直荷重、左右荷重および前後荷重が作用すると、車体に固定されている車体取付け用フランジ部を支点とするモーメント荷重がハブユニットに作用し、このモーメント荷重は、車体取付け用フランジ部の基部に最も大きい歪みを生じさせる。したがって、車体取付け用フランジ部の基部に荷重センサを配置することにより、モーメント荷重を精度よく測定することができる。タイヤに左右方向外向きの荷重が作用した場合には、車体取付け用フランジ部の最下部の基部で最大の引張り歪みが、車体取付け用フランジ部の最上部の基部で最大の圧縮歪みが検知され、また、タイヤに前向きの荷重が作用した場合には、車体取付け用フランジ部の後側の上下中間部の基部で最大の引張り歪みが、車体取付け用フランジ部の前側の上下中間部の基部で最大の圧縮歪みが検知される。したがって、タイヤ接地点に作用する垂直荷重、左右荷重および前後荷重の大きさと各荷重センサの出力との上記関係式を求めて、これを処理部の演算部に蓄えておくことにより、処理部において、各荷重センサの出力からタイヤ接地荷重の垂直荷重、左右荷重および前後荷重を求めることができる。

上記第１の発明によるセンサ付きハブユニットにおいて、車体側軌道部材の車体取付け用フランジ部の基部に凹所が形成され、荷重センサは、凹所の底面に貼り付けられていることがあり、また、荷重センサは、車体側軌道部材の車体取付け用フランジ部に固定されている車体側部材と車体側軌道部材とに挟まれるように取り付けられていることがある。前者の場合、凹所の底面は、車体側軌道部材と同心の湾曲面とされる。また、後者の場合、荷重センサは、リング状支持部材に貼り付けられた状態で取り付けられることがある。

第２の発明によるセンサ付きハブユニットは、車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、および両軌道部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットと、センサ装置とを備えているセンサ付きハブユニットにおいて、センサ装置は、車体側軌道部材の外径の最上部および最下部の少なくとも一方と前側中間部および後側中間部の少なくとも一方との少なくとも２カ所に設けられた凹所内に配されてタイヤ接地点に作用する垂直荷重、左右荷重および前後荷重によるモーメント荷重を検知する荷重センサと、すべての荷重センサの出力からタイヤ接地荷重の垂直荷重、左右荷重および前後荷重をそれぞれ求める処理部とを有していることを特徴とするものである。

車体側軌道部材に設けられる凹所の底面は、車体側軌道部材と同心の湾曲面とされる。荷重センサが２つの場合には、荷重センサが圧縮および引張りの両方が検知可能なもの（荷重センサに予圧をかけておくことにより、引張り荷重を検出する荷重センサで圧縮および引張りの両方が検知可能）とされ、車体側軌道部材の最上部および最下部のいずれか１カ所と、これらの中間となる前側中間部および後側中間部のいずれか１カ所とに設置される。これにより、２つの荷重センサによって、垂直荷重、左右荷重および前後荷重をそれぞれ求めることができる。また、上下および前後（計４つ）の荷重センサを使用して、上下の荷重センサから左右荷重を、前後の荷重センサから前後荷重を、４つの荷重センサすべてまたは一部を使用して垂直荷重を求めることもできる。各荷重センサの出力＝垂直荷重による分＋左右荷重による分＋前後荷重による分であるので、各荷重センサについてこの関係式を予め求めておくことにより、少なくとも２つの荷重センサを用いることにより、タイヤ接地荷重の垂直荷重、左右荷重および前後荷重をそれぞれ別個に求めることができる。

タイヤ接地点に垂直荷重、左右荷重および前後荷重が作用すると、車体に固定されている車体取付け用フランジ部を支点とするモーメント荷重がハブユニットに作用し、このモーメント荷重は、車体側軌道部材の外径に設けられた凹所に大きい歪みを生じさせる。したがって、同凹所内に荷重センサを配置することにより、モーメント荷重を精度よく測定することができる。タイヤに左右方向外向きの荷重が作用した場合には、車体側軌道部材の外径の最下部で最大の引張り歪みが、車体側軌道部材の外径の最上部で最大の圧縮歪みが検知され、また、タイヤに前向きの荷重が作用した場合には、車体側軌道部材の外径の後側の上下中間部で最大の引張り歪みが、車体側軌道部材の外径の前側の上下中間部で最大の圧縮歪みが検知される。したがって、タイヤ接地点に作用する垂直荷重、左右荷重および前後荷重の大きさと各荷重センサの出力との上記関係式を求めて、これを処理部の演算部に蓄えておくことにより、処理部において、各荷重センサの出力からタイヤ接地荷重の垂直荷重、左右荷重および前後荷重を求めることができる。

上記第１および第２の発明のハブユニットにおいて、荷重センサとしては、圧電素子（ピエゾ素子）、ＳＩセンサ（応力インピーダンスセンサ）、薄膜圧力センサなどの比較的安価な接触式高感度センサが適している。圧電素子は、圧縮されると印加圧力に比例した電圧が発生する特性を有する物質を利用したもので、圧電素子としては、プラスチック製（圧電効果を有するＰＶＤＦから作られたもの）やチタン酸ジルコン酸鉛などの結晶質セラミック製などのものが例示される。ＳＩセンサは、アモルファス磁性ワイヤに高周波電流を通電すると、表皮効果により外部印加張力に対してワイヤ両端電圧が敏感に変化することを利用したもので、歪み当たりの電圧変化率であるゲージ率は、約１２００で、半導体歪みゲージのゲージ率の６倍以上に達する。薄膜圧力センサは、アルミニウム箔表面に形成した高Ｃ軸配向性窒化アルミニウム（ＡＩＮ）の薄膜の圧電性を圧力検出の原理に用いたフレキシブルな圧力センサである。

第１の発明のセンサ付きハブユニットによると、モーメント荷重が最も大きい歪みを生じさせる車体取付け用フランジ部の基部に荷重センサが配置されているので、モーメント荷重を精度よく測定することができる。さらに、車体取付け用フランジ部の基部の最上部および最下部の少なくとも一方と前側中間部および後側中間部の少なくとも一方との少なくとも２カ所に配置された荷重センサの出力とタイヤ接地点に作用する垂直荷重、左右荷重および前後荷重の大きさとの関係式を使用して、各荷重センサの出力からタイヤ接地荷重の垂直荷重、左右荷重および前後荷重を求めることができ、これらの各荷重を使用して車両制御の向上を図ることができる。

第２の発明のセンサ付きハブユニットによると、モーメント荷重が大きい歪みを生じさせる車体側軌道部材の外径の凹所に荷重センサが配置されているので、モーメント荷重を精度よく測定することができる。さらに、車体取付け用フランジ部の基部の最上部および最下部の少なくとも一方と前側中間部および後側中間部の少なくとも一方との少なくとも２カ所に配置された荷重センサの出力とタイヤ接地点に作用する垂直荷重、左右荷重および前後荷重の大きさとの関係式を使用して、各荷重センサの出力からタイヤ接地荷重の垂直荷重、左右荷重および前後荷重を求めることができ、これらの各荷重を使用して車両制御の向上を図ることができる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は、第１の発明のセンサ付きハブユニットの第１実施形態を示している。以下の説明において、左右は図１の左右をいうものとする。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。

ハブユニット(1)は、車体側に固定される車体側軌道部材(3)、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材(4)、両部材(3)(4)の間に２列に配置された複数の転動体である玉(5)、および各列の玉(5)をそれぞれ保持する保持器(6)を備えている。

車体側軌道部材(3)は、軸受の外輪（固定輪）機能を有しているもので、内周面に２列の外輪軌道が形成されている円筒部(12)と、円筒部(12)の左端部近くに設けられて懸架装置（車体側部分）にボルトで取り付けられるフランジ部(13)とを有している。

車輪側軌道部材(4)は、第１の軌道溝(15a)を有する大径部(15)および第１の軌道溝(15a)の径よりも小さい外径を有する小径部(16)を有している内軸(14)と、内軸(14)の小径部(16)外径に嵌め止められて右面が内軸(14)の大径部(15)左面に密接させられている内輪(17)とからなる。内軸(14)の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト(19)が固定されたフランジ部(18)が設けられている。内輪(17)の右部には、内軸(14)の軌道溝(15a)と並列するように、軌道溝(17a)が形成されており、内輪(17)の左部に肩部(17b)が形成されている。車体側軌道部材(3)の右端部と内軸(14)との間には、シール装置(20)が設けられている。内軸(14)の小径部(16)の左端部には、おねじ部が設けられており、このおねじ部にねじ合わされたナット(21)によって、内輪(17)が内軸(14)に固定されている。車体側軌道部材(3)の左端部には、カバー(22)が被せ止められている。

センサ装置(2)は、車体側軌道部材(3)に取り付けられた荷重センサ(8)と、荷重センサ(8)の出力を処理する処理手段（図１には現れず、図５参照）とを備えている。荷重センサ(8)は、全部で４つ使用されており、車体側軌道部材(3)の車体取付け用フランジ部(13)の基部に形成された凹所(3a)の底面に貼り付けられている。荷重センサ(8)が貼り付けられている凹所(3a)の底面は、車体側軌道部材(3)と同心の湾曲面とされている。この実施形態では、４つの荷重センサ(8)は、図４において、Ａ（車体側軌道部材(3)の最上部）、Ｂ（車体側軌道部材(3)の最下部）、Ｃ（車体側軌道部材(3)の上下の中間部の前側）およびＤ（車体側軌道部材(3)の上下の中間部の後側）で示す箇所に設けられている。

タイヤに接地荷重（ラジアル荷重およびアキシアル荷重）が作用すると、ハブユニット(1)は、車体に固定されている部分すなわち車体側軌道部材(3)の車体取付け用フランジ部(13)を支点として、回転する方向の荷重すなわちモーメント荷重を受ける。通常、ハブユニット(1)の二列の玉(5)間の中央を通る鉛直線(C)は、タイヤの中心(O)を通る鉛直線よりも軸方向外側にあり、ハブユニット(1)の車体側軌道部材(3)では、フランジ部(13)の基部で最大の歪みが生じる。したがって、この実施形態のように、荷重センサ(8)を車体取付け用フランジ部(13)の基部に配置することにより、荷重センサ(8)によって大きな歪みが検知される。

図５は、この発明によるセンサ付きハブユニットの処理手段の一部を示すもので、同図に示すように、タイヤの接地荷重が変動すると、各荷重センサ(8)の出力電圧が変化する。各荷重センサ(8)の電圧と接地荷重との関係は、直線関係で表すことができ、各荷重センサの出力＝垂直荷重による分＋左右荷重による分＋前後荷重による分となる。そこで、この関係式を予めメモリに記憶させておくことにより、処理手段において、荷重センサ(8)の電圧平均値から接地荷重を求めることができる。得られた接地荷重の変動量は、車両制御手段に出力され、車両に適正な制御が施される。

図２は、第１の発明のセンサ付きハブユニットの第２実施形態を示している。この第２実施形態のセンサ付きハブユニットは、センサ装置の構成が第１実施形態のものと異なっており、以下の説明においては、同じ構成には同じ符号を付しその説明を省略する。

この実施形態では、荷重センサ(9)は、車体側軌道部材(3)の外径と車体取付け用フランジ部(13)に取り付けられるナックル（車体側部材）(A)の内径とに挟まれるように、ナックル取付けインロー部に取り付けられている。この荷重センサ(9)は、リング状支持部材の周上４カ所に圧電素子（第１実施形態の荷重センサ(8)に相当するもの）が内蔵されたものであり、車体側軌道部材(3)の外径に車体取付け用フランジ部(13)の基部に当たるまで嵌め合わせられている。荷重センサ(9)に内蔵された各圧電素子は、図４において、Ａ（車体側軌道部材(3)の最上部）、Ｂ（車体側軌道部材(3)の最下部）、Ｃ（車体側軌道部材(3)の上下の中間部の前側）およびＤ（車体側軌道部材(3)の上下の中間部の後側）で示す箇所に位置させられている。

タイヤに接地荷重（ラジアル荷重およびアキシアル荷重）が作用すると、ハブユニット(1)は、車体に固定されている部分すなわち車体側軌道部材(3)の車体取付け用フランジ部(13)を支点として、回転する方向の荷重すなわちモーメント荷重を受ける。通常、ハブユニット(1)の二列の玉(5)間の中央を通る鉛直線(C)は、タイヤの中心(O)を通る鉛直線よりも軸方向外側にあり、ハブユニット(1)の車体側軌道部材(3)では、フランジ部(13)の基部で最大の歪みが生じる。したがって、この実施形態のように、荷重センサ(9)を車体取付け用フランジ部(13)の基部に当たるように配置することにより、荷重センサ(9)によって大きな歪みが検知される。そして、タイヤの接地荷重が変動すると、荷重センサ(9)の各素子（図５に示す第１荷重センサ〜第Ｎ荷重センサに相当）の出力電圧が変化する。各荷重センサ素子の電圧と接地荷重との関係は、直線関係で表すことができ、各荷重センサ素子の出力＝垂直荷重による分＋左右荷重による分＋前後荷重による分となる。そこで、この関係式を予めメモリに記憶させておくことにより、処理手段において、荷重センサ(8)の電圧平均値から接地荷重を求めることができる。得られた接地荷重の変動量は、車両制御手段に出力され、車両に適正な制御が施される。

図３は、第２の発明のセンサ付きハブユニットの第１実施形態を示している。この実施形態のセンサ付きハブユニットは、センサ装置の構成が第１の発明のセンサ付きハブユニットの第１実施形態のものと異なっており、以下の説明においては、同じ構成には同じ符号を付しその説明を省略する。

この実施形態のセンサ装置(2)は、車体側軌道部材(3)の外径に取り付けられた荷重センサ(8)と、荷重センサ(8)の出力を処理する処理手段（図１には現れず、図５参照）(10)とを備えている。荷重センサ(8)は、全部で４つ使用されており、車体側軌道部材(3)の外径の２列の玉(5)の中間部に形成された４カ所の凹所(3a)の底面に貼り付けられている。荷重センサ(8)が貼り付けられている凹所(3a)の底面は、車体側軌道部材(3)と同心の湾曲面とされている。この実施形態では、４つの荷重センサ(8)は、図４において、Ａ（車体側軌道部材(3)の最上部）、Ｂ（車体側軌道部材(3)の最下部）、Ｃ（車体側軌道部材(3)の上下の中間部の前側）およびＤ（車体側軌道部材(3)の上下の中間部の後側）で示す箇所に設けられている。

タイヤに接地荷重（ラジアル荷重およびアキシアル荷重）が作用すると、ハブユニット(1)は、車体に固定されている部分すなわち車体側軌道部材(3)の車体取付け用フランジ部(13)を支点として、回転する方向の荷重すなわちモーメント荷重を受ける。車体側軌道部材(3)の外径に形成された凹所(3a)は、このモーメント荷重によって大きい歪みを生じる。したがって、凹所(3a)の底面に荷重センサ(8)を貼り付けることにより、荷重センサ(8)によって大きな歪みが検知される。

この実施形態の処理手段は、図５に示したものと同様に構成され、荷重センサ(8)の電圧平均値から接地荷重を求めることができ、得られた接地荷重の変動量は、車両制御手段に出力され、車両に適正な制御が施される。

第１の発明によるセンサ付きハブユニットの第１実施形態を示す縦断面図である。 第１の発明によるセンサ付きハブユニットの第２実施形態を示す縦断面図である。 第２の発明によるセンサ付きハブユニットの第１実施形態を示す縦断面図である。 この発明によるセンサ付きハブユニットの側面図である。 第１および第２の発明によるセンサ付きハブユニットの処理手段を示すブロック図である。

符号の説明

(1) ハブユニット
(2) センサ装置
(3) 車体側軌道部材
(3a) 凹所
(4) 車輪側軌道部材
(5) 玉（転動体）
(8)(9) 荷重センサ
(13) 車体取付け用フランジ部

Claims (4)

1. 車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、および両軌道部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットと、センサ装置とを備えているセンサ付きハブユニットにおいて、
   センサ装置は、車体側軌道部材に設けられている車体取付け用フランジ部の基部の最上部および最下部の少なくとも一方と前側中間部および後側中間部の少なくとも一方との少なくとも２カ所に配されてタイヤ接地点に作用する垂直荷重、左右荷重および前後荷重によるモーメント荷重を検知する荷重センサと、すべての荷重センサの出力からタイヤ接地荷重の垂直荷重、左右荷重および前後荷重をそれぞれ求める処理部とを有していることを特徴とするセンサ付きハブユニット。
2. 車体側軌道部材の車体取付け用フランジ部の基部に凹所が形成され、荷重センサは、凹所の底面に貼り付けられている請求項１のセンサ付きハブユニット。
3. 荷重センサは、車体側軌道部材の車体取付け用フランジ部に固定されている車体側部材と車体側軌道部材とに挟まれるように取り付けられている請求項１のセンサ付きハブユニット。
4. 車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、および両軌道部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットと、センサ装置とを備えているセンサ付きハブユニットにおいて、
   センサ装置は、車体側軌道部材の外径の最上部および最下部の少なくとも一方と前側中間部および後側中間部の少なくとも一方との少なくとも２カ所に設けられた凹所内に配されてタイヤ接地点に作用する垂直荷重、左右荷重および前後荷重によるモーメント荷重を検知する荷重センサと、すべての荷重センサの出力からタイヤ接地荷重の垂直荷重、左右荷重および前後荷重をそれぞれ求める処理部とを有していることを特徴とするセンサ付きハブユニット。

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