JP2006292154A - 複列転がり軸受ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 転動体から加わる接触荷重によって生じる外輪の歪変化を磁歪変動量として検出して、転がり軸受ユニットに加わる外部アキシアル荷重を精度良く求める。
【解決手段】 外輪１の軸方向両端寄り部分で外輪軌道７、７に隣接する部分に１対の磁歪センサ１４ａ、１４ｂを設け、転がり接触に基づく上記外輪１の歪みを検知自在とする。これら両磁歪センサ１４ａ、１４ｂの検出信号から求まる、この外輪１の両端部の歪みの値の差に基づいて、上記外部アキシアル荷重を求める。この為、予圧やラジアル荷重の変動の影響を除去して、この外部アキシアル荷重を精度良く求められる。
【選択図】 図１

Description

この発明に係る複列転がり軸受ユニットは、例えば車両（自動車）の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持すると共に、この車輪に加わる荷重の大きさを測定して、車両の安定運行の確保に利用する。或は、各種工作機械の主軸を支持する為の転がり軸受ユニットに組み込んで、この主軸に加わる荷重を測定し、工具の送り速度等を適切に調節する為に利用する。

例えば、車両の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する為に、転がり軸受ユニットを使用する。又、車両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）等の車両の走行状態安定化装置が広く使用されている。これらＡＢＳやＴＣＳ等の走行状態安定化装置によれば、制動時や加速時に於ける車両の走行状態を安定させる事はできるが、より厳しい条件でもこの安定性の確保を図る為には、車両の走行安定性に影響するより多くの情報を取り入れて、ブレーキやエンジンの制御を行なう事が必要になる。

即ち、上記ＡＢＳやＴＣＳ等の従来の走行状態安定化装置の場合には、タイヤと路面との滑りを検知してブレーキやエンジンを制御する、所謂フィードバック制御を行なっている為、これらブレーキやエンジンの制御が一瞬とは言え遅れる。言い換えれば、厳しい条件下での性能向上を図るべく、所謂フィードフォワード制御により、タイヤと路面との間に滑りが発生しない様にしたり、左右の車輪の制動力が極端に異なる所謂ブレーキの片効きを防止する事はできない。

この様な問題に対応すべく、上記フィードフォワード制御等を行なう為には、懸架装置に対して車輪を支持する為の転がり軸受ユニットに、この車輪に加わるアキシアル荷重を測定する為の荷重測定装置を組み込む事が考えられる。この様な場合に使用可能な荷重測定装置付車輪支持用転がり軸受ユニットとして従来から、特許文献１〜３に記載されたものが知られている。

このうちの特許文献１に記載された従来構造の第１例の場合、外輪の外周面に設けた固定側フランジの内側面複数個所で、この固定側フランジをナックルに結合する為のボルトを螺合する為のねじ孔を囲む部分に、それぞれ荷重センサを添設している。上記外輪を上記ナックルに支持固定した状態でこれら各荷重センサは、このナックルの外側面と上記固定側フランジの内側面との間で挟持される。こ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の場合、車輪と上記ナックルとの間に加わるアキシアル荷重は、上記各荷重センサにより測定される。

又、特許文献２には、外輪の円周方向４個所位置に支持した変位センサユニットとハブに外嵌固定した断面Ｌ字形の被検出リングとにより、上記４個所位置での、上記外輪に対する上記ハブの、ラジアル方向及びアキシアル方向の変位を検出し、各部の検出値に基づいて、このハブに加わる荷重の方向及びその大きさを求める構造が記載されている。

又、特許文献３には、一部の剛性を低くした外輪相当部材に動的歪みを検出する為のストレンゲージを設け、このストレンゲージが検出する転動体の通過周波数から転動体の公転速度を求め、この公転速度から、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。

更に、特許文献４には、互いに逆方向の接触角を付与された状態で複列に配置された転動体の公転速度に基づいて、外輪相当部材とハブ等の内輪相当部材との間に作用する、ラジアル荷重或いはアキシアル荷重を測定する、荷重測定装置付転がり軸受ユニットに関する発明が記載されている。

上述の特許文献１に記載された従来構造の第１例の場合、ナックルに対し外輪を支持固定する為のボルトと同数だけ、荷重センサを設ける必要がある。この為、荷重センサ自体が高価である事と相まって、荷重測定装置付転がり軸受ユニット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２に記載された構造は、外輪の周方向４個所位置にセンサを設置する為、上記特許文献１に記載された構造よりも更にコストが嵩む。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。

更に、特許文献４に記載された構造の場合、比較的簡単で低コストで構成でき、実用的な精度で、転がり軸受ユニットに加わる荷重を求められる。但し、上記特許文献４に記載された従来構造の場合、転動体の公転速度に基づいて荷重を算出する為、各転動体の公転速度に比例する、ハブ等の内輪相当部材が、或る程度以上の速度で回転している状態でないと、上記荷重を算出する事が難しい。転がり軸受ユニットに加わる荷重からタイヤのグリップ力を求め、車両の走行安定性を確保する為の制御を行なう場合は、静止時乃至は低速走行時の荷重は必要とならないのであまり問題とはならない。但し、静止状態乃至は低速走行状態で各車輪に加わっている荷重の不均一性等を知る為に、各車輪に加わっている荷重を求める場合には、上記特許文献４に記載された構造では対応できない。

これに対して、特許文献５には、転がり軸受ユニットの静止側軌道輪である外輪に磁歪センサを設置し、この磁歪センサにより測定した、この静止側軌道輪に生じる歪みにより、上記転がり軸受ユニットに加わる荷重を求める構造が記載されている。この様な特許文献５に記載された構造によれば、回転側軌道輪が回転しているか否かに関係なく、上記転がり軸受ユニットに加わる荷重を求められる。但し、上記特許文献５に記載された発明の場合には、複列転がり軸受ユニットを構成する上記外輪に設けられた１対の外輪軌道のうちの一方の列の歪みのみを検出する構造を採用している。この為、上記特許文献５に記載された発明の場合には、上記荷重をより正確に求める面から、改良の余地がある。

即ち、転がり軸受ユニット内で、各転動体の転動面と静止側軌道との接触に基づいてアキシアル方向に作用する接触荷重は、検出対象である外部アキシアル荷重により変化するだけでなく、上記転がり軸受ユニット内部の予圧によっても変化する。従って、静止側軌道輪と回転側軌道輪との熱膨張又は熱収縮等により上記予圧が増減し、上記接触荷重が変化した場合に、この接触荷重の変化が、検出対象である外部アキシアル荷重の増減によるものか、検出対象外の予圧増減によるものかを判別できない。又、検出対象が、例えば外部アキシアル荷重であるとした場合に、上記予圧が一定であると仮定した場合でも、上記接触荷重はこの外部アキシアル荷重だけでなく、検出対象外の荷重である、外部ラジアル荷重によっても変化する。検出対象が外部ラジアル荷重の場合には、上記接触荷重が、検出対象外である外部アキシアル荷重によっても変化する。この為、検出対象が外部アキシアル荷重であるにしても、外部ラジアル荷重である場合にしても、外部荷重を正確に求められない。

特開平３−２０９０１６号公報 特開２００４−３９１８号公報 特公昭６２−３３６５号公報 特開２００５−３１０６３号公報 特開２００４−４５３７０号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、転動体からの静止側軌道に加わる接触荷重によって生じる静止側軌道輪の歪み変化を検出して転がり軸受ユニットに加わる荷重を求める構造で、外部アキシアル荷重と外部ラジアル荷重とのうちの少なくとも一方荷重を、精度良く求められる構造を実現すべく発明したものである。

本発明の複列転がり軸受ユニットは、回転側軌道輪と、静止側軌道輪と、複数個の転動体と、それぞれが磁歪センサ等の、１対の歪センサとを備える。
このうちの回転側軌道輪は、回転側周面に複列の回転側軌道を有し、使用状態で回転する。
又、上記静止側軌道輪は、上記回転側周面と対向する静止側周面に複列の静止側軌道を有し、使用状態でも回転しない。
又、上記各転動体は、上記両回転側軌道と上記両静止側軌道との間に、１対の列に分けて、両列毎にそれぞれ複数個ずつ、これら両列同士の間で接触角の方向を互いに反対にした状態で、転動自在に設けられている。
更に、上記両歪センサは、上記静止側軌道輪の一部で、上記各転動体と上記両静止側軌道との転がり接触に基づくこの静止側軌道輪の歪みを検知できる位置に設置されている。

上述の様に構成する本発明の複列転がり軸受ユニットの場合には、１対の歪センサの検出信号に基づき、予圧の変化に基づく接触荷重の変化や、検出対象外の外部荷重の影響を除去できる。この為、検出対象となる外部荷重を精度良く測定できる。

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、回転側軌道輪を、使用状態で車輪を結合固定してこの車輪と共に回転するハブとし、静止側軌道輪を、使用状態で懸架装置に結合固定する。
そして、請求項３に記載した様に、１対の歪センサの検出信号に基づいて、回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に加わるアキシアル荷重とラジアル荷重とのうちの少なくとも一方の荷重を算出する演算器を備える。
この様に構成すれば、車輪を懸架装置に対し回転自在に支持する複列転がり軸受ユニットに加わる外部荷重を求めて、車両の走行安定性確保の為の制御に利用できる。

図１は、本発明の実施例を示している。懸架装置に支持される、静止側軌道輪である外輪１の内径側に、車輪を結合固定する、回転側軌道輪であるハブ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）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）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、それぞれが静止側軌道である複列の外輪軌道７、７と、上記ハブ２の外周面に形成した、それぞれが回転側軌道である複列の内輪軌道８、８との間に、それぞれ複数個ずつの転動体９、９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。これら各転動体９、９には、これら外輪１とハブ２との間に加わるアキシアル荷重に関する反負荷側でも喪失しない程度に、十分な予圧が付与されている。

又、上記ハブ２を構成する内輪６の内端部に、このハブ２の回転速度を検出する為の回転速度検出装置を構成する、エンコーダ１０を外嵌固定している。又、上記外輪１の内端開口部を塞いだカバー１１に支持した回転速度検出センサ１２の検出部を、上記エンコーダ１０の被検出面である内側面に、微小隙間を介して対向させている。以上の構成は、一般的な、ＡＢＳ制御用の回転速度検出装置を備えた、車輪支持用の複列転がり軸受ユニットと同様である。

更に、本実施例の複列転がり軸受ユニットの場合には、上記外輪１の軸方向両端寄り部分で、上記両外輪軌道７、７の近傍部分に取付孔１３ａ、１３ｂを、それぞれ上記外輪１の内外両周面同士を連通させる状態で形成している。そして、これら両取付孔１３ａ、１３ｂに、それぞれ磁歪センサ１４ａ、１４ｂを圧入固定して、上記外輪１の一部でこれら両取付孔１３ａ、１３ｂを形成した部分、即ち、上記両外輪軌道７、７の近傍部分の歪みを検出自在としている。そして、上記両磁歪センサ１４ａ、１４ｂのうちの一方又は双方の検出信号に基づいて、上記外輪１を組み込んだ複列転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定自在としている。

この様に、上記両磁歪センサ１４ａ、１４ｂのうちの一方又は双方の検出信号に基づいて上記荷重（アキシアル荷重とラジアル荷重とのうちの一方又は双方）を求める方法に就いては、基本的には、前述の特許文献５に記載された従来技術の場合と同様である。即ち、上記両外輪軌道７、７と前記各転動体９、９との接触荷重に基づき、上記外輪１の一部でこれら両外輪軌道７、７の近傍部分が歪むと、上記両磁歪センサ１４ａ、１４ｂの出力信号が変化する。この変化の振幅は、上記接触荷重が大きくなり、上記近傍部分の歪みが大きくなる程大きくなる。従って、上記両磁歪センサ１４ａ、１４ｂのうちの一方又は双方の検出信号の振幅から、上記荷重を求められる。

特に、本実施例の場合には、上記両磁歪センサ１４ａ、１４ｂの検出信号に基づき、予圧の変化に基づく接触荷重の変化や、検出対象外の外部荷重の影響を除去できる。この点に就いて、測定対象である外部荷重が、車両の旋回走行等により、車輪と懸架装置との間に加わる、外部アキシアル荷重である場合に就いて説明する。アキシアル荷重が外部から作用すると、上記両列の転動体９、９と外輪軌道７、７との間の接触荷重（に基づく外輪１両端寄り部分の歪み）は、一方の外輪軌道７の側で大きくなり、他方の外輪軌道７の側で小さくなる（逆方向に増減する）。これに対して、外部から作用するラジアル荷重が増減した場合には、両列の転動体９、９と上記両外輪軌道７、７との接触荷重は、これら両外輪軌道７、７に関して、同じ方向に増減する。上記両列の転動体９、９の予圧が変化した場合も、両列の転動体９、９と上記両外輪軌道７、７との接触荷重は、これら両外輪軌道７、７に関して、同じ方向に増減する。

従って、上記外部から作用するアキシアル荷重を精度良く検出する場合は、上記両磁歪センサ１４ａ、１４ｂの検出信号に基づいて求められる、上記外輪１の両端寄り部分の接触荷重を表す値の差に基づいて、上記アキシアル荷重を求めれば良い。即ち、一方の磁歪センサ１４ａ（又は１４ｂ）の検出信号からは、上記外部から作用するアキシアル荷重を支承する側の外輪軌道７部分に関する歪みに関する値が求められる。これに対して、他方の磁歪センサ１４ｂ（又は１４ａ）の検出信号からは、上記外部から作用するアキシアル荷重を支承しない側の外輪軌道７部分に関する歪みに関する値が求められる。そして、上記両磁歪センサ１４ａ、１４ｂの検出信号に基づいて求められる、上記外輪１の両端寄り部分の接触荷重を表す値の差は、上記外部から作用するアキシアル荷重のみによって増減し、ラジアル荷重や予圧変化の影響を受けない。従って、上記差からこのアキシアル荷重を算出すれば、このアキシアル荷重を精度良く求められる。

これに対して、複列転がり軸受ユニットに外部から作用するラジアル荷重を精度良く検出する場合は、上記両磁歪センサ１４ａ、１４ｂの検出信号に基づいて求められる、上記外輪１の両端寄り部分の接触荷重を表す値の和に基づいて、上記ラジアル荷重を求める。この和は、ラジアル荷重と予圧によって増減するが、アキシアル荷重の影響は受けない。このうちの予圧変化は、前述の様に主に熱膨張によって生じる他、複列転がり軸受ユニットの経時的変化によっても生じるが、何れの場合も、走行安定性に影響を及ぼす様なラジアル荷重の変化に比べて、長い時間の経過により変化する（予圧の変化に伴う荷重の変化は時間的に緩やかである）。従って、例えば車両の走行安定性確保の為に、複列転がり軸受ユニットに加わる荷重の変動成分のみを検出する場合には、上記外輪１の両端寄り部分の接触荷重を表す値の和の変動成分は、外部から加わるラジアル荷重の変動成分と等価であると看做せる。自動車の走行安定性を確保する為の制御に、車輪支持用の複列転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重を表す信号を用いる場合、必要となるのは、主として、このラジアル荷重の変動成分であるので、上記和から求めたラジアル荷重を表す信号を利用すれば、車両の走行安定性を確保する為の制御を行なえる。

又、以上の説明では、上記両磁歪センサ１４ａ、１４ｂの検出信号に基づいて求められる、上記外輪１の両端寄り部分の接触荷重を表す値の差又は和から、単純に、上記車輪支持用の複列転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重又はラジアル荷重を求める場合に就いて説明した。これに対して、上記差又は和のみからでは、これらアキシアル荷重又はラジアル荷重を必ずしも精度良く求められない場合には、これらアキシアル荷重とラジアル荷重との関連性を考慮した式を使用して、上記アキシアル荷重又はラジアル荷重を精度良く求める事も可能である。

即ち、上記アキシアル荷重とラジアル荷重とが複雑に絡み合って上記外輪１の両端寄り部分の接触荷重に影響を及ぼす為、これらアキシアル荷重とラジアル荷重とを分離演算できない場合には、このうちのアキシアル荷重に関する上記両部分の接触荷重の変化度合い（影響係数）と、ラジアル荷重に対するこれら両部分の接触荷重の変化度合い（影響係数）とを予め求めて、方程式を組んでおく。そして、上記両磁歪センサ１４ａ、１４ｂの検出信号から求められる、上記両部分の接触荷重の値を、上記方程式の解に代入すれば、上記アキシアル荷重とラジアル荷重との一方又は双方を精度良く求められる。

尚、以上に説明した実施例の場合には、上記外輪１等の静止側軌道輪の歪み量を測定する為の歪センサとして、磁場の変化を捉える磁歪センサ１４ａ、１４ｂを使用している。これら両磁歪センサ１４ａ、１４ｂは、磁性材製である上記静止側軌道輪が歪んだ場合に生じる磁力（逆磁歪効果）を測定して、この静止側軌道輪の歪み量を測定するものである。但し、本発明を実施する場合、上記外輪１等の静止側軌道輪の歪み量を測定できれば良いので、使用する歪センサは、磁歪センサに限定するものではなく、圧電素子等の歪ゲージを使用する事もできる。更に、複列転がり軸受ユニットを構成する複数個の転動体も、図示の様な玉に限らず、円すいころであっても良い。

本発明の実施例を示す断面図。

符号の説明

１ 外輪
２ ハブ
３ 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
９ 転動体
１０ エンコーダ
１１ カバー
１２ 回転速度検出センサ
１３ａ、１３ｂ 取付孔
１４ａ、１４ｂ 磁歪センサ

Claims (4)

1. 回転側周面に複列の回転側軌道を有し、使用状態で回転する回転側軌道輪と、この回転側周面と対向する静止側周面に複列の静止側軌道を有し、使用状態でも回転しない静止側軌道輪と、これら両静止側軌道と上記両回転側軌道との間に、１対の列に分けて、両列毎にそれぞれ複数個ずつ、これら両列同士の間で接触角の方向を互いに反対にした状態で転動自在に設けられた転動体と、上記静止側軌道輪の一部でこれら各転動体と上記両静止側軌道との転がり接触に基づくこの静止側軌道輪の歪みを検知できる位置に設置された１対の歪センサとを備えた複列転がり軸受ユニット。
2. 回転側軌道輪が使用状態で車輪を結合固定してこの車輪と共に回転するハブであり、静止側軌道輪が使用状態で懸架装置に結合固定される、請求項１に記載した複列転がり軸受ユニット。
3. １対の歪センサの検出信号に基づいて回転側軌道輪と静止側軌道輪との間に加わるアキシアル荷重とラジアル荷重とのうちの少なくとも一方の荷重を算出する演算器を備えた、請求項２に記載した複列転がり軸受ユニット。
4. 歪センサが磁歪センサである、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した複列転がり軸受ユニット。
   

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