JP2007064298A

JP2007064298A - センサ付き転がり軸受装置

Info

Publication number: JP2007064298A
Application number: JP2005249424A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Kajiwara; 一寿梶原; Takaaki Onizuka; 高晃鬼塚; Kenichi Hasegawa; 賢一長谷川
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-03-15

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る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の各軌道面間に転動自在に介装された転動体７と、この転動体７を周方向において所定間隔で保持する保持器１２と、各列の保持器１２に対応して前記外輪部材４に設けられた一対のセンサ１６、１７とを備えたセンサ付き転がり軸受装置。前記保持器１２のうち前記センサ１６、１７の検知面と対向する部分が着磁されている。
【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：ＶｅｈｉｃｌｅＳｔａｂｉｌｉｔｙＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ）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、この転動体を周方向において所定間隔で保持する保持器と、各列の保持器に対応して前記外輪部材に設けられた一対のセンサと、を備えたセンサ付き転がり軸受装置であって、
前記保持器のうち前記センサの検知面と対向する部分が着磁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、この転動体を周方向において所定間隔で保持する保持器と、各列の保持器に対応して前記内輪部材に設けられた一対のセンサと、を備えたセンサ付き転がり軸受装置であって、
前記保持器のうち前記センサの検知面と対向する部分が着磁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、車両旋回時に軸受装置に横方向加速度が作用した場合において、車両インナ側の転動体と車両アウタ側の転動体とでは接触角の変化の程度が相異し、転動体の公転速度も車両インナ側と車両アウタ側とでは相異することに着目し、前記転動体の公転速度の差をセンサで検知することで車両に付加される荷重の大きさを求めるようにしている。より詳細には、前記転動体を周方向において所定間隔で保持し、実質的に転動体と等速で公転する保持器の公転速度の差を検知しているが、この保持器は、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いため、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。

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、軸受装置の構成部材である保持器１２を被検出部材とし、複列の転動体に対応して配設された一対の保持器の公転速度の差を検出するセンサを固定輪に設けたことである。本実施の形態では、車両アウタ側の保持器１２ａの車両インナ側の側周面に磁性体１５ａが設けられており、一方、車両インナ側の保持器１２ｂの車両アウタ側の側周面にも磁性体１５ｂが設けられている。前記磁性体１５ａ、１５ｂは、Ｓ極とＮ極が円周方向に多極着磁されている。

外輪部材４と内輪部材６との間の環状空間であって車両アウタ側の列のボール７ａと車両インナ側の列のボール７ｂとの間には、一対のセンサ１６、１７が配設されている。一対のセンサ１６、１７は、外輪部材４の内周面に固定された断面略Ｔ字状の支持部材１８に設けられている。センサ１６は、そのセンサ素子１６ａが磁性体１５ａと所定の間隔を隔てて対向するように、前記支持部材１８の長辺部１８ａの車両アウタ側の面に設けられている。また、センサ１７は、そのセンサ素子１７ａが磁性体１５ｂと所定の間隔を隔てて対向するように、前記支持部材１８の長辺部１８ａの車両インナ側の面に設けられている。前記保持器１２に設けられた磁性体１５がボール７とともに公転すると、前記センサ素子１６ａ、１７ｂがリング状の磁性体１５ａ、１５ｂからの公転に応じた磁界の変化を検出することで、当該磁性体１５ａ、１５ｂの公転速度を検知することができる。

そして、車両旋回時には、軸受装置１に横方向加速度が作用し、保持器１２の公転速度は車両インナ側と車両アウタ側とでは異なってくるが、本実施の形態では、予め求めておいた横方向加速度と両保持器の公転速度の差（回転数の差）との関係（この関係は車両姿勢制御システムのメモリに記憶される）に基づいて、検知された回転数の差から横方向加速度を求めている。

図２は一対の保持器の回転速度差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、前記保持器の回転速度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、玉軸受における一対の保持器の回転速度差は、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）（ｋｇｆ）
Ｇ_３：旋回時の横方向負荷倍数
Ｗ：車両総重量（積載時）（ｋｇｆ）
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：キャンバー角（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（ｋｇｆ）、スラスト荷重Ｆ_ａ（ｋｇｆ）及びモーメントＭ（ｋｇｆ・ｍｍ）が作用したとき、転動体荷重をＱ（ｋｇｆ）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ｉ：ｉ列側（スラスト負荷時）
添字ｉｉ：ｉｉ列側（反スラスト側）
である。

また、転動体荷重をＱ（ｋｇｆ）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）
である。

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、各ボールの接触角αが明らかになる。
ここで、図３に示されるｌ_１はつぎの式（１６）で表わされる。

ここに、ｇ_ｒ０：外輪曲率
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。

（４）ボールと軌道輪とのすべりが小さく無視できる場合、軸受装置の保持器の回転速度ｎ_ｍは幾何学的につぎの式（１７）〜（１８）により求めることができる。

ここに、ｎ：軸受装置の回転輪の回転速度
Ｄ_Ｗ：玉径
ｄ_ｍ：玉ピッチ円径
α：接触角
である。符号は、内輪回転の場合「−」、外輪回転の場合「＋」である。
ただし、式（１７）〜（１８）はボールの接触角が一様であると仮定しているので、ハブユニット軸受装置のように各ボールの接触角が一様でない場合は簡易的に接触角の平均値をαに用いる。

［計算例］
つぎに、具体的な計算例を示す。表２に示される諸元の車両に表３に示される諸元の軸受装置を装着し、この車両に下方向に１Ｇ、左旋回０．５Ｇが作用するとき、右フロントの軸受装置の各ボールの接触角分布は表４〜５のようになる。表４において、「−」は接触していないボールであり、平均値算出時には考慮しない。

表４〜５から接触していないボールを除いて平均接触角を求めると、車両内側の軸受で４０．４７０ｄｅｇ、車両外側の軸受で４４．２９６ｄｅｇとなる。したがって、前記式（１７）〜（１８）より車両内側の軸受の保持器回転速度は１２５．６ｍｉｎ^−１、同様に外側の軸受の保持器回転速度は１２７．０ｍｉｎ^−１と計算される。
同様の条件で、左旋回加速度をパラメータとして０〜１．０Ｇまで０．１Ｇ刻みで計算して結果を図４に示す。そして、この図４に基づいて内側と外側の保持器の回転速度差を縦軸にしたものが図２である。加速度と回転速度差の関係は右肩上がりになっている。

本発明の軸受装置の一実施の形態の断面説明図である。一対の保持器の回転速度差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。ボールの接触角を計算するための符号を説明する図である。保持器の回転速度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。

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）
１２保持器
１６、１７センサ

Claims

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、この転動体を周方向において所定間隔で保持する保持器と、各列の保持器に対応して前記外輪部材に設けられた一対のセンサと、を備えたセンサ付き転がり軸受装置であって、
前記保持器のうち前記センサの検知面と対向する部分が着磁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。
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、この転動体を周方向において所定間隔で保持する保持器と、各列の保持器に対応して前記内輪部材に設けられた一対のセンサと、を備えたセンサ付き転がり軸受装置であって、
前記保持器のうち前記センサの検知面と対向する部分が着磁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。