JP2006077807A - センサ付きハブユニット - Google Patents

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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、強度低下要因となる孔をハブユニットに設けることなくかつセンサの取付けを容易にするとともに、接地荷重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、車体側軌道部材3の外径に当接する水平部33および車体取付け用フランジ部13に当接する垂直部34からなり車体側軌道部材3の少なくとも２カ所にねじ手段23で取り付けられたセンサ支持部材31と、各センサ支持部材31の水平部33に取り付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32とを備えている。
【選択図】 図３

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、車両の車軸に孔を設け、これに応力検出センサを埋設した車輪作用力測定装置が開示されている。
特開平８−１５２３７０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、車軸に孔を設けることから、加工のための手間の増加や加工による車軸の強度低下などの問題があり、また、センサの出力から接地荷重（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、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もあった。
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、強度低下要因となる孔をハブユニットに設けることなくかつセンサの取付けを容易にするとともに、接地荷重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。
この発明によるセンサ付きハブユニットは、車体取付け用フランジ部を有し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に当接する水平部および車体取付け用フランジ部に当接する垂直部からなり車体側軌道部材の所定箇所にねじ手段で取り付けられたセンサ支持部材と、各センサ支持部材に取り付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とを備えていることを特徴とするものである。
センサ支持部材の水平部は、ハブユニットの軸方向にのび、垂直部は、水平部に対して垂直すなわち径方向にのびている。
センサ支持部材したがって荷重センサの数は、２つ以上で適宜変更可能であり、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。車体取付け用フランジ部には、適当な間隔をおいて通常４カ所にボルト挿通孔が形成されており、この４つのボルト挿通孔を使用して、センサ支持部材したがって荷重センサを４つ設けるようにしてももちろんよい。この場合には、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ればよい。
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。
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近傍に最も大きい歪みを生じさせる。したがって、センサ支持部材の垂直部を車体取付け用フランジ部に当接させて、車体取付け用フランジ部の基部近傍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。
なお、「車体側軌道部材の外径に当接する」または「車体取付け用フランジ部に当接する」とは、荷重センサを介して当接する場合を含むものとする。
この発明によるセンサ付きハブユニットにおいて、荷重センサは、センサ支持部材の水平部に貼り付けられており、センサ支持部材の垂直部に、車体取付け用フランジ部に設けられたボルト挿通孔に対応するボルト挿通孔が設けられて、垂直部がセンサ支持部材取付け用ボルトによって車体取付け用フランジ部に固定されていることがある。この場合に、車体取付け用フランジ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に、ボルト挿通孔を有するセンサ支持部材取付け部がそれぞれ設けられ、センサ支持部材は、各センサ支持部材取付け部にそれぞれ配されていることがある。
また、センサ支持部材の水平部が、ボルトまたはダウエルピンによって車体側軌道部材の外径に固定されていることがあり、センサ支持部材に設けられているボルト挿通孔が長孔とされていることがある。
さらにまた、この発明によるセンサ付きハブユニットにおいて、荷重センサは、センサ支持部材の垂直部に貼り付けられてセンサ支持部材取付け部に当接させられており、センサ支持部材の水平部に、車体側軌道部材に設けられたねじ孔に対応するボルト挿通孔が設けられて、水平部がセンサ支持部材取付け用ボルトによって車体側軌道部材の外径に固定されていることがある。
この発明のセンサ付きハブユニットによると、センサ支持部材をねじ手段で車体側軌道部材に取り付けることにより、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近傍に荷重センサが配置されるので、強度低下要因となる孔をハブユニットに設けることなく、モーメント荷重を精度よく測定することができる。そして、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および図２は、この発明が対象とするハブユニットの一例を示している。 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。
図３は、この発明によるセンサ付きハブユニットの第１実施形態を示している。上記ハブユニット(1)に取り付けられるセンサ装置(2)は、図３に示すように、車体側軌道部材(3)の外径に当接する水平部(33)および車体側軌道部材(3)の車体取付け用フランジ部(13)に当接する垂直部(34)からなり車体取付け用フランジ部(13)にセンサ支持部材取付け用ボルト（ねじ手段）(23)で取り付けられたセンサ支持部材(31)と、各センサ支持部材(31)の水平部(33)に取り付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(32)とを備えている。
センサ支持部材(31)の垂直部(34)には、車体取付け用フランジ部(13)に設けられたボルト挿通孔(13a)に対応するボルト挿通孔(34a)が設けられている。車体取付け用フランジ部(13)のボルト挿通孔(13a)は、ナックル（車体側部材）(A)にハブユニット(1)を取り付けるために使用されるもので、図２に示すＡ，Ｂ，ＣおよびＤの計４カ所に設けられている。センサ支持部材(31)は、ナックル(A)にハブユニット(1)を取り付けるために使用される車体取付け用ボルトを兼ねるセンサ支持部材取付け用ボルト(23)によって、その垂直部(34)が車体取付け用フランジ部(13)のボルト挿通孔(13a)がある箇所すべてに固定されている。これにより、ハブユニット(1)に全く加工を施すことなくかつセンサ支持部材取付け用の別途のボルトを使用することなく、センサ支持部材(31)が車体側軌道部材(3)に取り付けられている。
センサ支持部材(31)の水平部(33)の車体側軌道部材(3)の外径に当接する面には、荷重センサ(32)が貼り付けられる凹所(33a)が形成されている。この凹所(33a)は、荷重センサ(32)の厚みよりもわずかに小さい深さとされており、これにより、センサ支持部材(31)が車体側軌道部材(3)に取り付けらた状態で、荷重センサ(32)に若干の圧縮歪みが予圧として与えられるようになされている。
センサ支持部材(31)の水平部(33)と垂直部(34)との境界部分には、補強用のリブ(35)が設けられている。
図４は、この発明によるセンサ付きハブユニットの第１実施形態の変形例を示している。この例では、センサ支持部材(31)の垂直部(34)に設けられたボルト挿通孔(36)が、垂直部(34)の長さ方向に長い長孔とされている。したがって、センサ支持部材(31)をセンサ支持部材取付け用ボルト(23)によって車体取付け用フランジ部(13)に固定する際のセンサ支持部材(31)の位置の微調整が可能であり、取付け作業が容易になるとともに、荷重センサ(32)に与える予圧を取付け時に調整することができる。
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)の基部近傍で最大の歪みが生じる。したがって、図３に示されているように、荷重センサ(32)を車体取付け用フランジ部(13)の基部近傍に配置することにより、荷重センサ(32)によって大きな歪みが検知される。各荷重センサ(32)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５は、この発明によるセンサ付きハブユニットの第２実施形態を示している。この実施形態では、センサ装置(2)は、車体側軌道部材(3)の外径に当接する水平部(43)および車体側軌道部材(3)の車体取付け用フランジ部(13)に当接する垂直部(44)からなり車体取付け用フランジ部(13)にセンサ支持部材取付け用ボルト（ねじ手段）(23)で取り付けられたセンサ支持部材(41)と、各センサ支持部材(41)の水平部(43)に取り付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(42)とを備えている。
センサ支持部材(41)の垂直部(44)には、車体取付け用フランジ部(13)に設けられたボルト挿通孔(13a)に対応するボルト挿通孔(44a)が設けられている。センサ支持部材(41)は、センサ支持部材取付け用ボルト(23)によって、その垂直部(44)が車体取付け用フランジ部(13)のボルト挿通孔(13a)がある箇所すべてに固定されている。これにより、ハブユニット(1)に全く加工を施すことなくかつセンサ支持部材取付け用の別途のボルトを使用することなく、センサ支持部材(41)が車体側軌道部材(3)に取り付けられている。
センサ支持部材(41)の水平部(43)の車体側軌道部材(3)の外径に当接する面には、荷重センサ(42)の厚みよりも小さい深さを有しかつ荷重センサ(42)が貼り付けられる凹所(43a)が形成されている。水平部(43)は、第１実施形態のセンサ支持部材(31)の水平部(33)よりも長く形成されており、凹所(43a)は、水平部(43)の中間部分に設けられている。そして、凹所(43a)から外れた水平部(43)の先端部分に挿通された六角ボルト(46)が、車体側軌道部材(3)の外径に設けられたねじ孔(3a)にねじ合わされ、センサ支持部材(41)は、車体取付け用フランジ部(13)だけでなく車体側軌道部材(3)外径にも固定されている。これにより、センサ支持部材(41)が車体側軌道部材(3)に一体化されるとともに、センサ支持部材取付け後に、六角ボルト(46)を締付けまたは緩めることにより、荷重センサ(42)に与える予圧を調整することができる。
センサ支持部材(41)の水平部(43)と垂直部(44)との境界部分には、補強用のリブ(45)が設けられている。
図６は、この発明によるセンサ付きハブユニットの第２実施形態の変形例を示している。この例では、センサ支持部材(41)の垂直部(44)に設けられたボルト挿通孔(48)が、垂直部(44)の長さ方向に長い長孔とされている。したがって、センサ支持部材(41)をセンサ支持部材取付け用ボルト(23)によって車体取付け用フランジ部(13)に固定する際のセンサ支持部材(41)の位置の微調整が可能であり、取付け作業が容易になるとともに、荷重センサ(42)に与える予圧を取付け時に調整することができる。なお、水平部(43)の先端部分を車体側軌道部材(3)外径に固定するに際しては、六角ボルト(46)に代えて、ダウエルピン(49)などのピンその他適宜な手段を使用することも可能である。ダウエルピン(49)を使用する場合には、車体側軌道部材(3)の外径に設けられているねじ孔(3a)を有底孔に代え、この孔にダウエルピン(49)を圧入してかしめればよい。
図７および図８は、この発明によるセンサ付きハブユニットの第３実施形態を示している。この実施形態では、センサ装置(2)は、車体側軌道部材(3)の外径に当接する水平部(53)および車体側軌道部材(3)の車体取付け用フランジ部(13)に荷重センサ(52)を介して当接する垂直部(54)からなり車体側軌道部材(3)にセンサ支持部材取付け用ボルト（ねじ手段）(56)で取り付けられたセンサ支持部材(51)と、各センサ支持部材(51)の垂直部(54)に取り付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(52)とを備えている。
車体取付け用フランジ部(13)の最上部、最下部およびこれらの中間部分には、図８に示すように、センサ支持部材取付け部(57)が設けられている。荷重センサ(52)は、このセンサ支持部材取付け部(57)に当接するように、センサ支持部材(51)の垂直部(54)に貼り付けられている。
図５に示した第２実施形態においては、補助的な固定手段として使用されていた六角ボルト(46)は、この実施形態では、センサ支持部材取付け用ボルト(56)とされており、このセンサ支持部材取付け用ボルト(56)が水平部(53)に設けられたボルト挿通孔(53a)に挿通されて車体側軌道部材(3)の外径に設けられたねじ孔(3a)にねじ合わされることにより、センサ支持部材(51)が車体側軌道部材(3)に固定されている。
センサ支持部材(51)の水平部(53)と垂直部(54)との境界部分には、補強用のリブ(55)が設けられている。また、図示省略したが、水平部(53)に設けられているボルト挿通孔(53a)は、水平部(53)の長さ方向に長い長孔であってももちろんよい。
なお、４つのセンサ支持部材取付け部(57)のすべてに荷重センサ(52)を取り付ける必要はなく、図２にＡ，Ｂ，ＣおよびＤで示されているうちのＡ（車体側軌道部材(3)の最上部）およびＤ（車体側軌道部材(3)の最下部）のいずれか１カ所と、図２にＢ（車体側軌道部材(3)の上下の中間でかつ前側部分）およびＣ（車体側軌道部材(3)の上下の中間でかつ後側部分）で示されている部分のいずれか１カ所とに荷重センサ(52)が設置されていればよい。これにより、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ことが可能とされている。荷重センサ(52)は、Ａ，Ｂ，ＣおよびＤのすべての箇所に配置してももちろんよい。
また、第１および第２実施形態では、車体取付け用フランジ部(13)のボルト挿通孔(13a)およびセンサ支持部材取付け用ボルト(23)を使用して、センサ支持部材(31)(41)を取り付けているが、これらの各実施形態においては、車体取付け用フランジ部(13)に、図８に示した４つのセンサ支持部材取付け部(57)を別途設けるとともに、各センサ支持部材取付け部(57)に図３および図５に符号(13a)で示されているボルト挿通孔を設け、車体取付け用ボルトとは別途に用意されたセンサ支持部材取付け用ボルト(23)によって車体取付け用フランジ部(13)に固定することもできる。
この発明によるセンサ付きハブユニットが対象とするハブユニットの一例を示す縦断面図である。 同側面図である。 この発明によるセンサ付きハブユニットの第１実施形態を示す部分拡大縦断面図である。 この発明によるセンサ付きハブユニットの第１実施形態の変形例を示す斜視図である。 この発明によるセンサ付きハブユニットの第２実施形態を示す部分拡大縦断面図である。 この発明によるセンサ付きハブユニットの第１実施形態の変形例を示す斜視図である。 この発明によるセンサ付きハブユニットの第３実施形態を示す部分拡大縦断面図である。 同側面図である。
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) ねじ孔
(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
(13a) ボルト挿通孔
(23)(56) センサ支持部材取付け用ボルト
(31)(41)(51) センサ支持部材
(32)(42)(52) 荷重センサ
(33)(43)(53) 水平部
(34a)(36)(44a)(48)(53a) ボルト挿通孔
(34)(44)(54) 垂直部
(57) センサ支持部材取付け部

Claims (6)

  1. 車体取付け用フランジ部を有し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に当接する水平部および車体取付け用フランジ部に当接する垂直部からなり車体側軌道部材の所定箇所にねじ手段で取り付けられたセンサ支持部材と、各センサ支持部材に取り付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とを備えていることを特徴とするセンサ付きハブユニット。
  2. 荷重センサは、センサ支持部材の水平部に貼り付けられており、センサ支持部材の垂直部に、車体取付け用フランジ部に設けられたボルト挿通孔に対応するボルト挿通孔が設けられて、垂直部がセンサ支持部材取付け用ボルトによって車体取付け用フランジ部に固定されている請求項１のセンサ付きハブユニット。
  3. 車体取付け用フランジ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に、ボルト挿通孔を有するセンサ支持部材取付け部がそれぞれ設けられ、センサ支持部材は、各センサ支持部材取付け部にそれぞれ配されている請求項２のセンサ付きハブユニット。
  4. センサ支持部材の水平部が、ボルトまたはダウエルピンによって車体側軌道部材の外径に固定されている請求項２または３のセンサ付きハブユニット。
  5. センサ支持部材に設けられているボルト挿通孔が長孔とされている請求項２または３のセンサ付きハブユニット。
  6. 荷重センサは、センサ支持部材の垂直部に貼り付けられてセンサ支持部材取付け部に当接させられており、センサ支持部材の水平部に、車体側軌道部材に設けられたねじ孔に対応するボルト挿通孔が設けられて、水平部がセンサ支持部材取付け用ボルトによって車体側軌道部材の外径に固定されている請求項１のセンサ付きハブユニット。
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