JP2007024074A - センサ付き転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 転がり軸受装置の構成部材を利用した簡単な構成により車両に付加される荷重を検出することができセンサ付き転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】 懸架装置に固定されるとともに、その内周面に複列の軌道面３を有する外輪部材４と、この外輪部材４の内径側において当該外輪部材４と同心に配置されるとともに、その外周面に複列の軌道面５を有する内輪部材６と、前記外輪部材４及び内輪部材６の各軌道面３、５間に転動自在に介装された転動体７と、前記外輪部材４に設けられた変位センサ１５、１７とを備えたセンサ付き転がり軸受装置１。前記変位センサ１５、１７は、前記転動体７の変位を検知し得るように当該転動体７と対向して配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明はセンサ付き転がり軸受装置に関する。さらに詳しくは、車両の挙動を制御するために当該車両に付加される荷重を検知するセンサを備えた転がり軸受装置に関する。

車両の走行安定性を高めるために、車輪の回転情報に加えて、走行時に車両に付加される荷重を測定し、その情報を車両の挙動制御に用いることが行われている。例えば、車体安定制御機構（ＶＳＣ：Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を搭載した車では、走行時に車両に付加される荷重を車両本体に設置されたヨーレートセンサ等で検知し、車両の挙動制御を行っている。しかしながら、このシステムは、車両に変化が生じた後に当該変化を検知して車両の制御をしているため、データ検出までのタイムラグを避けることができず、予防安全の観点からは充分なシステムとはいえない面がある。

そこで、路面からの荷重を最初に受けるタイヤに最も近い位置にある車輪用転がり軸受装置に加わる荷重を測定することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１記載の車輪支持用転がり軸受ユニットは、ハブの中間部に、円筒部と折れ曲がり部とを備えた円環状の被検出リングを外嵌し、この被検出リングと、外輪の円周方向４箇所に支持された変位センサユニットとによって、前記４箇所位置での、外輪に対するハブのラジアル方向変位及びスラスト方向変位を検出している。そして、各部の検出値と、予め求めておいた転がり軸受ユニットに付与された与圧に基づいて、前記ハブに加わる荷重の方向及び大きさを求めている。

特許２００４−４５２１９号公報

しかしながら、特許文献１記載の車輪支持用転がり軸受ユニットは、外輪の円周方向４箇所に変位センサユニット設置する必要があり、構造が複雑になるとともにコストアップの要因となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、転がり軸受装置の構成部材を利用した簡単な構成により車両に付加される荷重を検出することができるセンサ付き転がり軸受装置を提供することを目的としている。

本発明のセンサ付き転がり軸受装置は、懸架装置に固定されるとともに、その内周面に複列の軌道面を有する外輪部材と、この外輪部材の内径側において当該外輪部材と同心に配置されるとともに、その外周面に複列の軌道面を有する内輪部材と、前記外輪部材及び内輪部材の各軌道面間に転動自在に介装された転動体と、前記外輪部材に設けられた変位センサとを備えたセンサ付き転がり軸受装置であって、
前記変位センサが、前記転動体の変位を検知し得るように当該転動体と対向して配置されていることを特徴としている。
また、懸架装置に固定されるとともに、その外周面に複列の軌道面を有する内輪部材と、この内輪部材の外径側において当該内輪部材と同心に配置されるとともに、その内周面に複列の軌道面を有する外輪部材と、前記外輪部材及び内輪部材の各軌道面間に転動自在に介装された転動体と、前記内輪部材に設けられた変位センサとを備えたセンサ付き転がり軸受装置であって、
前記変位センサが、前記転動体の変位を検知し得るように当該転動体と対向して配置されていることを特徴としている。

本発明のセンサ付き転がり軸受装置では、当該軸受装置に荷重が作用した場合における、転動体の変位（転動体の中心の移動距離）と、前記荷重の大きさとの間に一定の関係が存在することに着目し、前記転動体の変位を変位センサで検知することで荷重の大きさを求めるようにしている。前記転動体は、転がり軸受装置の構成部材であり、従来のように被検出部材を別途設ける必要がなく、また１つの変位センサの検出値で荷重の大きさを求めることが可能であるため、検出に要する機構を簡略化することができる。したがって、最小限のコストで車両制御に必要な情報を得ることができる。

前記複列の転動体の各列に対応して変位センサを配置することができる。２個のセンサを設置した場合、両センサの検出変位から得られる荷重値を平均したり、又は各センサから得られる荷重値に所定値（しきい値）を超える差がある場合に、少なくとも一方のセンサに異常があるものとして両センサによる検出を停止する（検出値のリジェクト）等の措置が可能であり、検出の精度を向上させることができる。

また、本発明のセンサ付き転がり軸受装置は、懸架装置に固定される固定輪と、転動体を介して前記固定輪と同心に配設される回転輪と、前記固定輪に設けられた変位センサとを備えたセンサ付き転がり軸受装置であって、
前記変位センサが、前記転動体の変位を検知し得るように当該転動体と対向して配置されていることを特徴としている。

本発明のセンサ付き転がり軸受装置によれば、転がり軸受装置の構成部材を利用した簡単な構成により車両に付加される荷重を検出することができる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明のセンサ付き転がり軸受装置（以下、単に軸受装置ともいう）の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る軸受装置１の断面説明図である。この軸受装置１は、車両における従動輪側の車軸用軸受装置であり、車体取付フランジ２を介して車体側の懸架装置（図示せず）に固定されるとともに、その内周面に複列の軌道面３を有する固定輪である外輪部材４と、この外輪部材４の内径側において当該外輪部材４と同心に配置されるとともに、その外周面に複列の軌道面５を有する回転輪である内輪部材６と、前記外輪部材４及び内輪部材６の各軌道面３、４間に転動自在に介装された転動体であるボール７とを備えている。前記内輪部材６は、ハブ輪８と、このハブ輪８の車両インナ側端部（図１において右側の端部）外径に嵌合された別体の内輪構成部材９とで構成されている。内輪部材６は、複列のボール７を介して前記外輪部材４に回転自在に支持されている。ハブ輪８の車両アウタ側端部付近の外周には、車輪取付フランジ１０が形成されており、ホイールやブレーキのロータ等の車輪側部材（図示せず）がボルト１１によって当該車輪取付フランジ１０に取り付けられる。なお、１２及び１３は、それぞれボール７を周方向において所定間隔で保持するための保持器、及び外輪部材４と内輪部材６との間の環状空間の車両アウタ側端部を密封するためのシールである。また、１４は、外輪部材４の車両インナ側端部の開口を覆うカバーであり、例えば鉄等の金属をプレス成形することで作製されている。

本発明の特徴は、軸受装置１に荷重が付加されたときの前記ボール（転動体）７の変位量を検知するために、当該ボール７に対向する位置に変位センサを設けたことである。本実施の形態では、車両インナ側（インボード）の列のボール７ｂに対向して、外輪部材４と内輪部材６との間の環状空間であって前記ボール７ｂと車両アウタ側（アウトボード）の列のボール７ａとの間に変位センサ１５が配設されている。この変位センサ１５は、外輪部材４の内周面に固定された断面略Ｌ字状の支持部材１６に設けられている。

また、車両アウタ側（アウトボード）の列のボール７ａに対向して、外輪部材４と内輪部材６との間の環状空間であって前記シール１３よりも車両インナ側の部分にも変位センサ１７が配設されている。この変位センサ１７も、前記変位センサ１５と同様に、外輪部材４の内周面に固定された断面略Ｌ字状の支持部材１８に設けられている。

変位センサ１５、１７は、軸受装置１に荷重が付加された場合に、ボール７の接触角が変化してその中心が移動したときに当該移動の大きさを検知するものである。ボール７の変位量と荷重の大きさとの間には一定の関係があるので、軸受装置の仕様及び当該軸受装置が用いられる車体の重量等の条件に基づいて予め両者の関係を求めておき、車両姿勢制御システムのメモリに記憶させておく。そして、得られた変位の検出値から荷重の大きさを求め、その情報が前記車両姿勢制御システムで姿勢制御のために用いられる。

変位センサ１５、１７としては、例えばギャップセンサ、赤外ＬＥＤ、超音波センサ等の測距センサを用いることができるが、測定精度の点より、ギャップセンサを用いるのが好ましい。
本発明では、ボール７を被検出部材としているが、このボール７は軸受装置１の構成部材である。したがって、従来のように被検出部材を別途設ける必要がなく、検出に要する機構を簡略化することができる。そして、最小限のコストで車両制御に必要な情報を得ることができる。

また、本実施の形態では、各列のボール７に対応して変位センサ１５、１７を配置しているが、このように２個の変位センサ１５、１７を設置した場合、両センサ１５、１７の検出変位から得られる荷重値を平均したり、又は各変位センサ１５、１７から得られる荷重値に所定値（しきい値）を超える差がある場合に、少なくとも一方の変位センサに異常があるものとして両変位センサによる検出を停止する（検出値のリジェクト）等の措置が可能であり、検出の精度を向上させることができる。

図２は転動体（ボール）の変位量と軸受装置に作用する横方向加速度との関係を示す図であり、使用する軸受装置に応じて予めこのような図又はテーブルを作成しておき、前記変位センサの検出値より横方向加速度（この値から車両に作用する負荷を算出）を求めることができる。

なお、玉軸受における転動体（ボール）の変位量は、つぎのようにして求めることができる。
（１）まず、車両諸元（フロント軸重、リア軸重、フロントトレッド、リアトレッド、ホイールベース、重心高さ、キャンバー角及び軸受中心位置）と加速度（横Ｇ、上下Ｇ）から軸受にかかる荷重を算出する。
例えばフロントホイールが左旋回する場合、タイヤ反力Ｒ_ｆとスラスト力Ｔ_ａは、以下の式（１）及び（２）で表わされる。

ここに、ｎ_３：旋回時の上下方向負荷倍数
Ｒ_ｆｓ：静止時の前輪荷重（両輪当たり）（Ｎ）
Ｇ_３：旋回時の横方向負荷倍数
Ｗ：車両総重量（積載時）（Ｎ）
ｈ：重心高さ（ｍｍ）
ａ：重心から前輪軸までの距離（ｍｍ）
ｂ：重心から後輪軸までの距離（ｍｍ）
ｔ_ｒ：後輪トレッド（ｍｍ）
ｔ_ｆ：前輪トレッド（ｍｍ）
α：キャンバ角（度）
である。

また、軸受に作用するラジアル荷重Ｆ_ｒは以下の式（３）、（４）で表わすことができる。

ここに、Ｆ_ｒｉ：インナー軸受に作用するラジアル荷重
Ｆ_ｒｏ：アウター軸受に作用するラジアル荷重
ｒ ：タイヤ動半径（ｍｍ）
ｆ ：タイヤ中心からインナー軸受作用点までの距離（ｍｍ）
ｇ ：タイヤ中心からアウター軸受作用点までの距離（ｍｍ）
である。

（２）つぎに、算出された荷重値を用いて荷重負荷時の剛性解析を行う。
複列玉軸受に外力として、ラジアル荷重Ｆ_ｒ（Ｎ）、スラスト荷重Ｆ_ａ（Ｎ）及びモーメントＭ（Ｎ・ｍｍ）が作用したとき、転動体荷重をＱ（Ｎ）とすれば、つぎの式（５）〜（７）が成り立つ。

ここに、α ：接触角
τ ：転動体の位置角
Ｔ ：転動体荷重によるモーメント成分のうでの長さ（ｍｍ）
符号 上：軸受形式が外向き（ＤＢタイプ）
符号 下：軸受形式が内向き（ＤＦタイプ）
添字 １：１列側（スラスト負荷時）
添字 ２：２列側（反スラスト側）
また、転動体荷重をＱ（Ｎ）と弾性変位δ（ｍｍ）との関係はつぎの式（８）により与えられる。

ここに、Ｋｎ ：曲率によって決まる軸受固有の値
ｔ ：指数 ｔ＝１．５（玉軸受）

ここで、予圧又はすきま時の弾性変位δは、内外輪の相対変位とラジアル方向δ_ｒ、アキシアル方向δ_ａ、傾き角θとすると、軸受形式が外向き（ＤＢタイプ）のときは、つぎの式（９）〜（１２）が得られる。
予圧時

すきま時

以上は軸受形式が外向きの場合の弾性変形であるが、内向きの場合も同様にして求められる。

ここで、軸受形式が外向きと内向き、並びに予圧及びすきまの場合をまとめてつりあい方程式を表わすと以下の式（１３）〜（１５）のようになる。

ここに、上の符号は軸受形式が外向き、下の符号は軸受形式が内向きの場合を表わしている。また、各符号の意味は表１に示す。

したがって、外力としてラジアル荷重Ｆ_ｒ、スラスト荷重Ｆ_ａ及びモーメントＭが与えられると、式（１３）〜（１５）を満たすδ_ｒ、δ_ａ、θが求められる。
（３）以上の剛性計算により、各ボールの転動体荷重Ｑ、接触角α及びバネ定数Ｋｎが明らかになる。
ここで、図３に示されるｌ_１及びδ_０はつぎの式（１６）〜（１７）で表わされ、ボールの中心位置の変化はつぎの式（１８）で表わすことができる。

ここに、Ｏ_０：外輪曲率中心位置（初期位置）
ＯＯ´´：外輪曲率中心の変位量（荷重負荷後）
ｇ_ｒ０：外輪溝半径
Ｂ_ｄ：ボール径
α_０：呼び接触角
α：接触角（荷重負荷後）
である。

なお、前述した説明では、内輪部材が回転するタイプの軸受装置を例として用いているが、外輪部材が回転をするタイプの軸受装置にも本発明を適用することができる。すなわち、懸架装置に固定されるとともに、その外周面に複列の軌道面を有する内輪部材と、この内輪部材の外径側において当該内輪部材と同心に配置されるとともに、その内周面に複列の軌道面を有する外輪部材と、前記外輪部材及び内輪部材の各軌道面間に転動自在に介装された転動体と、前記内輪部材に設けられた変位センサとを備えた軸受装置にも本発明を適用することができ、この場合、前記変位センサは、前記転動体の変位を検知し得るように当該転動体と対向して配置される。かかる実施の形態でも、従来のように被検出部材を別途設ける必要がなく、検出に要する機構を簡略化することができ、したがって、最小限のコストで車両制御に必要な情報を得ることができる。

また、前述した実施の形態では、複列のボール列のそれぞれに対応して変位センサを設けているが、いずれか一方の列のボールだけに対応して変位センサを設けることもできる。この場合は、構造をさらに簡略化して、より少ないコストで車両制御に必要な情報を得ることができる。
また、前述した実施の形態は従動輪に用いられる軸受装置であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、駆動輪用の軸受装置にも適用することができる。

本発明の軸受装置の一実施の形態の断面説明図である。 転動体（ボール）の変位量と軸受装置に作用する横方向加速度との関係を示す図である。 ボールの変位量を計算するための符号を説明する図である。

符号の説明

１軸受装置
４外輪部材
６内輪部材
７ボール（転動体）
１５、１７変位センサ

Claims (4)

1. 懸架装置に固定されるとともに、その内周面に複列の軌道面を有する外輪部材と、この外輪部材の内径側において当該外輪部材と同心に配置されるとともに、その外周面に複列の軌道面を有する内輪部材と、前記外輪部材及び内輪部材の各軌道面間に転動自在に介装された転動体と、前記外輪部材に設けられた変位センサと、を備えたセンサ付き転がり軸受装置であって、
   前記変位センサが、前記転動体の変位を検知し得るように当該転動体と対向して配置されていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
2. 懸架装置に固定されるとともに、その外周面に複列の軌道面を有する内輪部材と、この内輪部材の外径側において当該内輪部材と同心に配置されるとともに、その内周面に複列の軌道面を有する外輪部材と、前記外輪部材及び内輪部材の各軌道面間に転動自在に介装された転動体と、前記内輪部材に設けられた変位センサと、を備えたセンサ付き転がり軸受装置であって、
   前記変位センサが、前記転動体の変位を検知し得るように当該転動体と対向して配置されていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
3. 前記複列の転動体の各列に対応して変位センサが配置されている請求項１〜２のいずれかに記載のセンサ付き転がり軸受装置。
4. 懸架装置に固定される固定輪と、転動体を介して前記固定輪と同心に配設される回転輪と、前記固定輪に設けられた変位センサと、を備えたセンサ付き転がり軸受装置であって、
   前記変位センサが、前記転動体の変位を検知し得るように当該転動体と対向して配置されていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。

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