JP2006170723A

JP2006170723A - ドライブシャフト及びその折れ角検出方法

Info

Publication number: JP2006170723A
Application number: JP2004361829A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Hayama; 佳彦葉山
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】自動車の走行時、中間軸に対する等速自在継手の折れ角を簡便な手段により検出できるようにする。
【解決手段】一対の等速自在継手１２，１３を中間軸１４によりトルク伝達可能に連結したドライブシャフト１１において、一方の等速自在継手１２の外表面および中間軸１４の外表面に、両者の軸線に対する姿勢を指標するターゲット１９，２０を設け、前記等速自在継手１２のターゲット１９と中間軸１４のターゲット２０のそれぞれの座標位置を検出手段２１，２２により検出し、その検出された前記両ターゲット１９，２０の位置に基づく等速自在継手１２の軸ベクトルＯと中間軸１４の軸ベクトルＳによって、前記中間軸１４に対する等速自在継手１２の折れ角を演算手段２３により算出可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明はドライブシャフト及びその折れ角検出方法に関し、例えば自動車、鉄道車両用や産業機械用として利用され、一対の等速自在継手を中間軸でトルク伝達可能に連結したドライブシャフトと、そのドライブシャフトにおける中間軸に対する等速自在継手の折れ角を検出する方法に関する。

独立懸架方式のサスペンションを採用する自動車のドライブシャフト１は、図６に示すように一対の等速自在継手２，３を中間軸４でトルク伝達可能に連結したユニット構造を具備する（例えば特許文献１参照）。この等速自在継手２，３と中間軸４の連結部分には、例えば水やダスト等の異物侵入を防止する目的から、蛇腹状の樹脂製ブーツ５，６が金属製ブーツバンド７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの締め付けにより装着されているのが一般的である。

この種のドライブシャフト１では、サスペンションの動きに追従しながら駆動力を伝達する必要がある。そのため、ドライブシャフト１の一端に位置する一方の等速自在継手２をディファレンシャルに連結し、その他端に位置する他方の等速自在継手３を車軸（アクスル）に連結した構造としている。

このようにしてドライブシャフト１は、エンジンの動力を車輪まで伝達する駆動系統に組み込まれ、エンジンの動力は最終的にドライブシャフト１によって車輪に伝達される。
特開平７−６３６２８号公報

ところで、前述した従来のドライブシャフト１では、自動車の走行時に中間軸４に対する等速自在継手２，３の折れ角を検出することができれば、その等速自在継手２，３の折れ角の大きさに応じて最適な制御を実現することが容易となり、等速自在継手２，３の異常を速やかに検知することができる等、等速自在継手２，３の折れ角の検出情報を有効に利用することができる。

しかしながら、中間軸４に対する等速自在継手２，３の折れ角は、エンジンやホイールとの取り付け位置や、車輪のキャンパ、キャスタ、トー等の角度のように三次元的に複雑なジオメトリの上に成り立っており、さらに車高、ステアリング角度、旋回半径、車中バランス、路面の傾きなど走行状態で時々刻々変化するものであり、自動車の走行時、トルクを伝達しながら回転している中間軸４に対する等速自在継手２，３の折れ角を直接的に計測することは非常に困難である。

従って、前述した従来のドライブシャフト１では、自動車への搭載時に中間軸４に対する等速自在継手２，３の折れ角を検出する手段を装備したものはないというのが現状であった。

そこで、本発明は前記問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、自動車の走行時、中間軸に対する等速自在継手の折れ角を簡便な手段により検出できるようにすることにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、一対の等速自在継手を中間軸によりトルク伝達可能に連結したドライブシャフトであって、少なくとも一方の等速自在継手の外表面および中間軸の外表面に、両者の軸線に対する姿勢を指標するターゲットを設け、前記等速自在継手のターゲットと中間軸のターゲットのそれぞれの座標位置を検出手段により検出し、その検出された前記両ターゲットの位置に基づく等速自在継手の軸ベクトルと中間軸の軸ベクトルによって、前記中間軸に対する等速自在継手の折れ角を演算手段により算出可能としたことを特徴とする。

また、本発明は、一対の等速自在継手を中間軸によりトルク伝達可能に連結したドライブシャフトの折れ角検出方法であって、前記ドライブシャフトの少なくとも一方の等速自在継手の外表面および中間軸の外表面に、両者の軸線に対する姿勢を指標するターゲットを設け、前記等速自在継手のターゲットと中間軸のターゲットのそれぞれの座標位置を検出し、その検出された前記両ターゲットの位置に基づく等速自在継手の軸ベクトルと中間軸の軸ベクトルによって、前記中間軸に対する等速自在継手の折れ角を算出することを特徴とする。

本発明では、少なくとも一方の等速自在継手の外表面および中間軸の外表面に設けられ、両者の軸線に対する姿勢を指標する両ターゲットの座標位置を検出し、その検出された両ターゲットの位置に基づく等速自在継手の軸ベクトルと中間軸の軸ベクトルによって、中間軸に対する等速自在継手の折れ角を算出するようにしたことから、車両の走行時、中間軸に対する等速自在継手の折れ角をリアルタイムで検出することができる。

前述した構成におけるターゲットは、等速自在継手の継手外輪の外表面および中間軸の軸端部の外表面にそれぞれ設けるか、あるいは、等速自在継手と中間軸間に配設されたブーツの締め付けバンドの外表面にそれぞれ設けることが可能である。さらに、継手外輪の外表面または中間軸の軸端部の外表面とブーツの締め付けバンドの外表面との組み合わせも可能である。特に、等速自在継手の継手外輪および中間軸の軸端部の外表面にターゲットをそれぞれ設ける場合には、両者の外表面を加工することになるため、ターゲットをブーツの締め付けバンドの外表面にそれぞれ設ける方が安価となるので有効である。

前述した構成における検出手段は、等速自在継手のターゲットと中間軸のターゲットのそれぞれを撮像する撮像素子からの映像信号を画像処理する画像処理装置で構成すればよい。この場合、前述の軸ベクトルに基づく折れ角の算出は、等速自在継手および中間軸の外表面に付設されたそれぞれの軸と平行な線の座標ベクトル、あるいは、等速自在継手および中間軸のそれぞれの軸に垂直な平面を構成する三点の座標からこの三点を通る平面の法線ベクトルを前述の軸ベクトルとして演算処理することが可能である。

また、前述した構成における他の検出手段としては、等速自在継手および中間軸のターゲットとして設けられた発信器からの送信信号を受信する受信器で構成することも可能である。この場合、発信器からの送信信号に基づく位置情報を前記軸ベクトルとして、等速自在継手に対する中間軸の折れ角を算出することが可能である。
なお、前述のターゲットは、中間軸の回転により検出手段の死角の位置にくる可能性があるため、必要最小限の個数以上設けておくことが有効である。

本発明によれば、少なくとも一方の等速自在継手の外表面および中間軸の外表面に設けられ、両者の軸線に対する姿勢を指標する両ターゲットの座標位置を検出し、その検出された両ターゲットの位置に基づく等速自在継手の軸ベクトルと中間軸の軸ベクトルによって、中間軸に対する等速自在継手の折れ角を算出するようにしたことから、車両の走行時、中間軸に対する等速自在継手の折れ角をリアルタイムで検出することができる。

その結果、等速自在継手の高角作動時、等速自在継手に入力されるトルクを軽減する制御によって等速自在継手に負荷される過大トルクを未然に防止でき、等速自在継手の折れ角の大きさに応じて最適な制御を実現することが容易となる。また、通常走行時との差を検出することによって、等速自在継手の異常を速やかに検知することができる。さらに、実車走行時の角度を知ることによって精度のよい等速自在継手の試験条件を設定することもできる。このようにして、等速自在継手の折れ角の検出情報を有効に利用することができる。

図１は、本発明を、独立懸架方式のサスペンションを採用する自動車のドライブシャフトに適用した一つの実施形態を示す。なお、本発明は、自動車のドライブシャフトに限られず、その他の鉄道車両用や産業機械用のドライブシャフトに適用可能である。

図１に示す実施形態のドライブシャフト１１は、一対の等速自在継手１２，１３を中間軸１４でトルク伝達可能に連結したユニット構造を具備する。ドライブシャフト１１の一端に位置する一方の等速自在継手１２をディファレンシャルに連結し、その他端に位置する他方の等速自在継手１３を車軸（アクスル）に連結した構造としている。

通常、ディファレンシャルに連結されるインボード側の等速自在継手１２には摺動型等速自在継手が使用され、車軸に連結されるアウトボード側の等速自在継手１３には固定型等速自在継手が使用されている。

なお、これら両等速自在継手１２，１３と中間軸１４の連結部分には、例えば水やダスト等の異物侵入を防止する目的から、蛇腹状の樹脂製ブーツ１５，１６が金属製ブーツバンド１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂの締め付けにより装着されている。

この種のドライブシャフト１１では、自動車の走行時に中間軸１４に対する等速自在継手１２，１３の折れ角を検出することができれば、その等速自在継手１２，１３の折れ角の大きさに応じて最適な制御を実現することが容易となり、等速自在継手１２，１３の異常を速やかに検知することができる等、等速自在継手１２，１３の折れ角の検出情報を有効に利用することができる。

そこで、この実施形態では、例えば車軸に連結されたインボード側に位置する等速自在継手１２の外表面および中間軸１４の外表面に、両者の軸線に対する姿勢を指標するターゲット１９，２０を設ける。ここで、等速自在継手１２は、車軸に連結された継手外輪１２ａと中間軸１４に連結された継手内輪（図示せず）とを備えるが、前述のターゲット１９は継手外輪１２ａの外表面に設ければよく、また、前述のターゲット２０は中間軸１４の軸端部１４ａの外表面に設ければよい。

そのターゲット１９，２０としては、継手外輪１２ａの外表面に等速自在継手１２の軸と平行な線を形成し、中間軸１４の軸端部１４ａの外表面に中間軸１４と平行な線を形成する（図２参照）。これらの線は、機械加工または放電加工による溝、穴や突条、あるいは塗装、プリントまたは焼付けなどの手段により形成することが可能である。

なお、これらターゲット１９，２０を設ける数は、可能な限り複数設けるようにすれば、そのターゲット１９，２０を検出する場合に、検出ミスを可及的に減少させることができる。

一方、等速自在継手１２のターゲット１９と中間軸１４のターゲット２０のそれぞれの座標位置を検出する検出手段を配置する。この検出手段としては、等速自在継手１２のターゲット１９と中間軸１４のターゲット２０のそれぞれを撮像する撮像素子、例えばＣＣＤカメラ２１からの映像信号を画像処理する画像処理装置２２で構成する。このターゲットを撮像するＣＣＤカメラ２１は、ターゲット１９，２０がカメラ視野領域内に入るように等速自在継手１２および中間軸１４と相対する自動車のボディ側部位に装着すればよい。また、画像処理装置２２は、その画像処理回路を実装した回路基板を自動車の所定部位に組み込むことにより実現可能である。

その検出された両ターゲット１９，２０の位置に基づく等速自在継手１２の軸ベクトルＯと中間軸１４の軸ベクトルＳによって、中間軸１４に対する等速自在継手１２の折れ角を算出する演算手段を設ける。この演算手段としては、前述の画像処理装置２２と同様、そのＣＰＵ等の演算回路を実装した回路基板からなる演算装置２３を自動車の所定部位に組み込むことにより実現可能である。なお、前述の画像処理装置２２と演算装置２３を、例えばモーションキャプチャーで実現することが可能である。

この実施形態では、継手外輪１２ａの外表面および中間軸１４の外表面に設けられ、両者の軸線と平行な線で姿勢を指標する両ターゲット１９，２０の座標位置をＣＣＤカメラ２１で撮像し、その撮像された映像信号に基づいて画像処理装置２２により継手外輪１２ａの軸ベクトルＯと中間軸１４の軸ベクトルＳを割り出す。その検出された両ターゲット１９，２０の位置に基づく継手外輪１２ａの軸ベクトルＯと中間軸１４の軸ベクトルＳによって、中間軸１４に対する等速自在継手１２の折れ角を演算装置２３により算出する。つまり、継手外輪１２ａの軸ベクトルＯと、中間軸１４の軸ベクトルＳの外積（軸ベクトルＯの絶対値×軸ベクトルＳの絶対値×sinθ）または内積（軸ベクトルＯの絶対値×軸ベクトルＳの絶対値×cosθ）を演算することにより、前述の折れ角を求めることができる。また、複数台のＣＣＤカメラ２１で異なる角度からターゲット１９，２０を検出することによって、三次元的な等速自在継手の折れ角を求めることができる。
これにより、車両の走行時、中間軸１４に対する等速自在継手１２の折れ角をリアルタイムで検出することができる。その結果、等速自在継手１２の高角作動時、等速自在継手１２に入力されるトルクを軽減する制御によって等速自在継手１２に負荷される過大トルクを未然に防止でき、等速自在継手１２の折れ角の大きさに応じて最適な制御を実現することが容易となる。また、通常走行時との差を検出することによって、等速自在継手１２の異常を速やかに検知することができる。さらに、実車走行時の角度を知ることによって精度のよい等速自在継手１２の試験条件を設定することもできる。

なお、以上の実施形態では、軸ベクトルＯ，Ｓに基づく折れ角の算出は、等速自在継手１２および中間軸１４の外表面に付設されたそれぞれの軸と平行な線の座標ベクトルに基づいて実行したが、ターゲット１９，２０の軸ベクトルＯ，Ｓとしては、図３に示すように等速自在継手１２および中間軸１４の各軸に垂直な平面２４，２５を構成する三点２４ａ〜２４ｃ，２５ａ〜２５ｃの座標からこの三点２４ａ〜２４ｃ，２５ａ〜２５ｃを通る平面２４，２５の法線ベクトルに基づいて、折れ角の演算処理を実行することも可能である。平面２４，２５を構成する三点２４ａ〜２４ｃ，２５ａ〜２５ｃは、ＣＣＤカメラ２１の視野範囲内に収まる位置となるように配設すればよい。

また、前述した実施形態においては、ターゲット１９，２０（または２４ａ〜２４ｃ，２５ａ〜２５ｃ）を等速自在継手１２の継手外輪１２ａの外表面および中間軸１４の軸端部１４ａの外表面にそれぞれ設けたが、これ以外に、図４に示すように等速自在継手１２と中間軸１４間に配設されたブーツ１７の締め付けバンド１７ａ，１７ｂの外表面にそれぞれ設けることも可能である。

特に、前述した実施形態のように等速自在継手１２の継手外輪１２ａおよび中間軸１４の軸端部１４ａの外表面にターゲット１９，２０をそれぞれ設ける場合には、両者の外表面を加工することになることから、ターゲット２６，２７をブーツ１７の締め付けバンド１７ａ，１７ｂの外表面にそれぞれ設ける方が安価となり、また、等速自在継手１２の形式や自動車以外の鉄道車両用や産業機械用などのドライブシャフトに適用する場合に有効である。

さらに、前述した実施形態における検出手段としては、等速自在継手１２のターゲット１９と中間軸１４のターゲット２０のそれぞれを撮像する撮像素子、例えばＣＣＤカメラ２１からの映像信号を画像処理する画像処理装置２２で構成したものを使用したが、これ以外に、ターゲットとして、例えば、図５に示すように等速自在継手１２の継手外輪１２ａおよび中間軸１４の軸端部１４ａに発信器２８，２９を取り付け、検出手段として、その発信器２８，２９からの送信信号を受信する受信器３０で構成したものを使用することも可能である。この受信器３０は、ターゲット２８，２９が受信領域内に入るように等速自在継手１２および中間軸１４と相対する自動車のボディ側部位に装着すればよい。なお、前述の発信器２８，２９と受信器３０を、例えばＧＰＳで実現することが可能である。

なお、等速自在継手１２の折れ角検出は、インボード側の等速自在継手１２またはアウトボード側の等速自在継手１３のいずれか一方について行ってもよく、あるいは、両方の等速自在継手１２，１３について行ってもよい。両方の等速自在継手１２，１３についてその折れ角を検出する場合には、それぞれの折れ角を別々に同時に行うようにすればよい。

本発明の実施形態で、撮像手段および画像処理手段による検出手段を設けた例を示す構成図である。図１の等速自在継手と中間軸の連結部分で、両者の外表面に軸と平行な線によるターゲットを設けた例を示す拡大斜視図である。図１の等速自在継手と中間軸の連結部分で、両者の外表面に軸に垂直な平面を構成する三点によるターゲットを設けた例を示す拡大斜視図である。図１の等速自在継手と中間軸の連結部分で、ブーツバンドによる締め付け部分を示す拡大斜視図である。本発明の他の実施形態で、発信器および受信器による検出手段を設けた例を示す構成図である。ドライブシャフトの従来例を示す外観図である。

符号の説明

１１ドライブシャフト
１２，１３等速自在継手
１４中間軸
１５，１６ブーツ
１９，２０ターゲット
２１，２２検出手段
２３演算手段

Claims

一対の等速自在継手を中間軸によりトルク伝達可能に連結したドライブシャフトにおいて、少なくとも一方の等速自在継手の外表面および中間軸の外表面に、両者の軸線に対する姿勢を指標するターゲットを設け、前記等速自在継手のターゲットと中間軸のターゲットのそれぞれの座標位置を検出手段により検出し、その検出された前記両ターゲットの位置に基づく等速自在継手の軸ベクトルと中間軸の軸ベクトルによって、前記中間軸に対する等速自在継手の折れ角を演算手段により算出可能としたことを特徴とするドライブシャフト。
前記ターゲットは、等速自在継手の継手外輪の外表面および中間軸の軸端部の外表面にそれぞれ設けられている請求項１に記載のドライブシャフト。
前記ターゲットは、等速自在継手と中間軸間に配設されたブーツの締め付けバンドの外表面にそれぞれ設けられている請求項１に記載のドライブシャフト。
前記検出手段は、等速自在継手のターゲットと中間軸のターゲットのそれぞれを撮像する撮像素子からの映像信号を画像処理する画像処理装置で構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のドライブシャフト。
前記検出手段は、等速自在継手および中間軸のターゲットとして設けられた発信器からの送信信号を受信する受信器で構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のドライブシャフト。
前記演算手段は、等速自在継手および中間軸の外表面に付設されたそれぞれの軸と平行な線の座標ベクトルを前記軸ベクトルとして、等速自在継手に対する中間軸の折れ角を算出する請求項１〜４のいずれか一項に記載のドライブシャフト。
前記演算手段は、等速自在継手および中間軸のそれぞれの軸に垂直な平面を構成する三点の座標からこの三点を通る平面の法線ベクトルを前記軸ベクトルとして、等速自在継手に対する中間軸の折れ角を算出する請求項１〜４のいずれか一項に記載のドライブシャフト。
前記演算手段は、前記発信器からの送信信号に基づく位置情報を前記軸ベクトルとして、等速自在継手に対する中間軸の折れ角を算出する請求項１〜３，５のいずれか一項に記載のドライブシャフト。
一対の等速自在継手を中間軸によりトルク伝達可能に連結したドライブシャフトの少なくとも一方の等速自在継手の外表面および中間軸の外表面に、両者の軸線に対する姿勢を指標するターゲットを設け、前記等速自在継手のターゲットと中間軸のターゲットのそれぞれの座標位置を検出し、その検出された前記両ターゲットの位置に基づく等速自在継手の軸ベクトルと中間軸の軸ベクトルによって、前記中間軸に対する等速自在継手の折れ角を算出することを特徴とするドライブシャフトの折れ角検出方法。
前記等速自在継手および中間軸の外表面に付設されたそれぞれの軸と平行な線の座標ベクトルを前記軸ベクトルとして、等速自在継手に対する中間軸の折れ角を算出する請求項９に記載のドライブシャフトの折れ角検出方法。
前記等速自在継手および中間軸のそれぞれの軸に垂直な平面を構成する三点の座標からこの三点を通る平面の法線ベクトルを前記軸ベクトルとして、等速自在継手に対する中間軸の折れ角を算出する請求項９に記載のドライブシャフトの折れ角検出方法。