JP2007292230A - センサ付車輪用軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両にコンパクトに荷重検出用のセンサを設置できて、車輪にかかる荷重を感度良く検出でき、量産時のコストが安価となるセンサ付車輪用軸受を提供する。
【解決手段】 外方部材１と内方部材２の間に複列の転動体３を介在させ、懸架装置のナックル１６に取付けられて車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、前記外方部材１および内方部材２のうちの固定側部材と前記ナックル１６とを締結するボルト１８にセンサユニット２１を取付ける。例えば、固定側部材が外方部材１とする。センサ取付部材２２は、前記ボルト１８に対して少なくとも１箇所の接触固定部２２ａを有するものとする。変位センサ２３は、外方部材１の表面の変位を測定するものとする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、車輪の軸受部にかかる荷重を検出する荷重センサを内蔵したセンサ付車輪用軸受に関する。

従来、自動車の安全走行のために、各車輪の回転速度を検出するセンサを車輪用軸受に設けたものがある。従来の一般的な自動車の走行安全性確保対策は、各部の車輪の回転速度を検出することで行われているが、車輪の回転速度だけでは十分でなく、その他のセンサ信号を用いてさらに安全面の制御が可能なことが求められている。

そこで、車両走行時に各車輪に作用する荷重から姿勢制御を図ることも考えられる。例えばコーナリングにおいては外側車輪に大きな荷重がかかり、また左右傾斜面走行では片側車輪に、ブレーキングにおいては前輪にそれぞれ荷重が片寄るなど、各車輪にかかる荷重は均等ではない。また、積載荷重不均等の場合にも各車輪にかかる荷重は不均等になる。このため、車輪にかかる荷重を随時検出できれば、その検出結果に基づき、事前にサスペンション等を制御することで、車両走行時の姿勢制御（コーナリング時のローリング防止、ブレーキング時の前輪沈み込み防止、積載荷重不均等による沈み込み防止等）を行なうことが可能となる。しかし、車輪に作用する荷重を検出するセンサの適切な設置場所がなく、荷重検出による姿勢制御の実現が難しい。

また、今後ステアバイワイヤが導入されて、車軸とステアリングが機械的に結合しないシステムになってくると、車軸方向荷重を検出して運転手が握るハンドルに路面情報を伝達することが求められる。

このような要請に応えるものとして、車輪用軸受の外輪に歪みゲージを貼り付け、歪みを検出するようにした車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
特表２００３−５３０５６５号公報

車輪用軸受の外輪は、転走面を有し、強度が求められる部品であって、塑性加工や、旋削加工、熱処理、研削加工などの複雑な工程を経て生産される軸受部品であるため、特許文献１のように外輪に歪みゲージを貼り付けるのでは、生産性が悪く、量産時のコストが高くなるという問題点がある。また、車輪にかかる荷重を感度良く検出することが難しく、その検出結果を車両走行時の姿勢制御に利用した場合、制御の精度が問題となる。

この発明の目的は、車両にコンパクトに荷重検出用のセンサを設置できて、車輪にかかる荷重を感度良く検出でき、量産時のコストが安価となるセンサ付車輪用軸受を提供することである。

この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体とを備え、懸架装置のナックルに取付けられて車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けられた変位センサからなるセンサユニットを、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材と前記ナックルとを締結するボルトに取付け、前記センサ取付部材は、前記ボルトに対して少なくとも１箇所の接触固定部を有し、前記変位センサは、固定側部材の表面の変位を測定するものとしたことを特徴とする。

車両走行に伴い回転側部材に荷重が加わると、転動体を介して固定側部材が変形し、その変形は固定側部材とセンサユニットとの距離に変化をもたらす。センサユニットに設けられた変位センサは、固定側部材とセンサユニットとの距離を検出する。その検出結果から、固定側部材の変位が求められる。変位と荷重の関係を予め実験やシミュレーションで求めておけば、変位センサの出力から車輪にかかる荷重を検出することができる。また、この検出した荷重を自動車の車両制御に使用することが出来る。
この車輪用軸受は、センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた変位センサからなるセンサユニットを固定側部材とナックルとを締結するボルトに取付ける構成としたため、荷重検出用のセンサを車両にコンパクトに設置できる。センサ取付部材は前記ボルトに取付けられる簡易な部品であるため、これに変位センサを取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。
また、センサ取付部材は、接触固定部によりボルトに取付けることで、懸架装置のナックルに一体化されるため、回転側部材に荷重が加わった場合でも、車体に対してほとんど変位しない。このセンサ取付部材に取付けた変位センサで、固定側部材の表面の変位を測定するため、上記変位の測定精度が高く、この測定値から検出される車体にかかる荷重の検出精度も高くなる。

前記変位センサは、外方部材および内方部材のうちの固定側部材の表面の変位を測定することにより、固定側部材の変形を測定するものとすることができる。その場合、前記固定側部材の外周面が前記固定側部材に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力によって、固定側部材の他の箇所と比べてラジアル方向に大きく変形する箇所の変位を測定するのが好ましい。
ラジアル方向に大きく変形する箇所の変位を測定すると、感度良く荷重を変位として測定することができる。

前記固定側部材を外方部材とすることができる。その場合、センサユニットの変位センサにより外方部材の外周面の変位を測定する。

前記変位センサの出力によって、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を推定する作用力推定手段を設けると良い。
作用力推定手段によって得られる車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を自動車の車両制御に使用することにより、きめ細かな車両制御が可能となる。

前記センサユニットは複数とすることができる。センサユニットを複数設けると、前記固定側部材の複数箇所の変位を測定することができるため、精度の高い荷重の検出が可能になる。

前記センサ取付部材に温度センサを設けても良い。
車輪用軸受およびナックルは使用中に温度が変化するため、その温度変化がセンサ取付部材の変形、または変位センサの動作に影響を及ぼす。また、周囲の環境温度の変化に対しても同様の影響を及ぼす。温度センサの出力により変位センサの温度特性を補正することで、精度の高い荷重検出を行なうことが可能となる。

前記センサ取付部材に加速度センサおよび振動センサのうち少なくとも一つを設けても良い。
センサ取付部材に、変位センサの他に加速度センサ、振動センサ等の各種センサを取付けると、荷重と車輪用軸受の状態を１箇所で測定することができ、配線等を簡略なものとすることができる。

前記変位センサとしては、渦電流式、磁気式、光学式、超音波式、接触式等のセンサを用いることができる。変位を検出できるものであれば、上記以外の形式のセンサであってもよい。各種条件に合わせて、適当なセンサを選択すれば良い。

前記センサユニットの近傍に、前記変位センサの出力信号を処理するセンサ信号処理回路を有するセンサ信号処理回路ユニットを設けても良い。
センサユニットの近傍にセンサ信号処理回路ユニットを設けると、センサユニットからセンサ信号処理回路ユニットへの配線の手間が簡略化できる。また、車輪用軸受以外の場所にセンサ信号処理回路ユニットを設ける場合よりも、センサ信号処理回路ユニットをコンパクトに設置できる。

この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体とを備え、懸架装置のナックルに取付けられて車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けられた変位センサからなるセンサユニットを、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材と前記ナックルとを締結するボルトに取付け、前記センサ取付部材は、前記ボルトに対して少なくとも１箇所の接触固定部を有し、前記変位センサは、固定側部材の表面の変位を測定するものとしたため、車両にコンパクトに荷重検出用のセンサを設置でき、かつ車輪にかかる荷重を感度良く検出できる。センサ取付部材は固定側部材に取付けられる簡易な部品であるため、これに変位センサを取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。

この発明の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。この実施形態は、第３世代型の内輪回転タイプで、駆動輪支持用の車輪用軸受に適用したものである。なお、この明細書において、車両に取付けた状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。

このセンサ付車輪用軸受は、内周に複列の転走面３を形成した外方部材１と、これら各転走面３に対向する転走面４を形成した内方部材２と、これら外方部材１および内方部材２の転走面３，４間に介在した複列の転動体５とで構成される。この車輪用軸受は、複列のアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体５はボールからなり、各列毎に保持器６で保持されている。上記転走面３，４は断面円弧状であり、各転走面３，４は接触角が外向きとなるように形成されている。外方部材１と内方部材２との間の軸受空間の両端は、密封装置７，８によりそれぞれ密封されている。

外方部材１は固定側部材となるものであって、全体が一体の部品とされている。外方部材１は、車体の懸架装置（図示せず）から延びるナックル１６に取付けるためのフランジ１ａを外周部に有し、そのフランジ１ａの周方向複数箇所に内周に雌ねじが切られた車体取付孔１４が設けられている。一方、ナックル１６における前記車体取付孔１４と対応する位置には、段付きのナックルボルト挿入孔１７が設けられている。ナックルボルト挿入孔１７側から挿入したナックルボルト１８を車体取付孔１４に螺着することで、外方部材１とナックル１６とが締結により互いに固定一体化される。

内方部材２は回転側部材となるものであって、車輪取付用のハブフランジ９ａを有するハブ輪９と、このハブ輪９の軸部９ｂのインボード側端の外周に嵌合した内輪１０とでなる。これらハブ輪９および内輪１０に、前記各列の転走面４が形成されている。ハブ輪９のインボード側端の外周には段差を持って小径となる内輪嵌合面１２が設けられ、この内輪嵌合面１２に内輪１０が嵌合している。ハブ輪９の中心には貫通孔１１が設けられている。ハブフランジ９ａには、周方向複数箇所にハブボルト（図示せず）の圧入孔１５が設けられている。ハブ輪９のハブフランジ９ａの根元部付近には、ホイールおよび制動部品（図示せず）を案内する円筒状のパイロット部１３がアウトボード側に突出している。

前記ナックルボルト１８には、図３に示すセンサユニット２１が取付けられている。センサユニット２１は、鉤形をしたセンサ取付部材２２の一端に変位センサ２３を取付けたもので、センサ取付部材２２の他端はナックルボルト１８へ取付けるための接触固定部２２ａとなっている。図１および図２に示すように、センサ取付部材２２の接触固定部２２ａを接着剤等でナックルボルト１８の先端面に固定することにより、センサユニット２１がナックルボルト１８に取付けられる。この実施形態の場合、変位センサ２３は例えば渦電流式等の非接触型のセンサであり、外方部材１の外周面の径方向の変位を測定するように、変位センサ２３が外方部材１の外周面に対して所定の間隔を開けてセンサユニット２１に取り付けられている。センサ取付部材２２は、センサユニット２１の取付状態において、外力によって変形しない剛性をもつ材質で構成されている。
変位センサ２３を対向させる外方部材１の軸方向位置は、例えばアウトボード側列の転走面３の付近、または転走面３よりもアウトボード側の位置とされる。外方部材１における転走面３よりもアウトボード側の部分は、他の部分に比べて荷重に対するラジアル方向の変形が比較的大きくなる。

変位センサ２３としては、渦電流式の他に、磁気式、光学式、超音波式、接触式等のセンサや、あるいはこれら以外の形式の変位を検出可能なセンサを用いることができる。各種条件に合わせて、適当なセンサを選択すれば良い。

図１に示すように、変位センサ２３の出力を処理する手段として、作用力推定手段３１および異常判定手段３２が設けられている。これらの手段３１，３２は、この車輪用軸受の外方部材１等に取付けられた回路基板等に電子回路装置（図示せず）に設けられたものであっても、また自動車の電気制御ユニット（ＥＣＵ）に設けられたものであっても良い。

上記構成のセンサ付車輪用軸受の作用を説明する。ハブ輪９に荷重が印加されると、転動体５を介して外方部材１が変形し、その変形による外方部材外周面のラジアル方向の変位を、ナックルボルト１８に取付けられたセンサ取付部材２２に設けた変位センサ２３により測定する。この際、変位センサ２３の測定対象となる外方部材１の外周面は周囲と比較してラジアル方向に大きく変位する部位であるため、外方部材１の変位を感度良く測定できる。

荷重の方向や大きさによって変位が異なるため、予め変位と荷重の関係を実験やシミュレーションにて求めておけば、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を算出することができる。前記作用力推定手段３１は、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた変位と荷重の関係から、変位センサ２３の出力により、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を算出する。前記異常判定手段３２は、作用力推定手段３１により算出された車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力が、許容値を超えたと判断される場合に、外部に異常信号を出力する。この異常信号を、自動車の車両制御に使用することができる。また、リアルタイムで車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を出力すると、よりきめ細かな車両制御が可能となる。

この実施形態は、センサユニット２１を１箇所にだけ設けた構成としているが、例えば図４に示すように、センサユニット２１を２箇所以上に設けた構成としても良い。センサユニット２１を２箇所以上に設けると、外方部材１の外周面の複数箇所の変位を測定することができるため、より一層精度の高い荷重の検出が可能となる。

図５はセンサユニットの異なる実施形態を示す。このセンサユニット２１は、変位センサ２３とは別に温度センサ２４が設けられている。センサ取付部材２２の形状は図３に示すものと同じであり、センサ取付部材２２における歪みセンサ２３の近傍に温度センサ２４が取付けられている。温度センサ２４としては、例えば白金測温抵抗または熱電対またはサーミスタを使用することができる。さらに、これら以外の温度を検出することが可能なセンサを使用することもできる。

このセンサユニット２１を設けた車軸用軸受も、変位センサ２３が外方部材１の変形を検出し、その変形により車輪に加わる荷重を測定する。ところで、車輪用軸受およびナックル１６は使用中に温度が変化し、その温度変化がセンサ取付部材２２の変形や、変位センサ２３の動作に影響を及ぼす。また、周囲の環境温度の変化に対しても同様の影響を及ぼす。そこで、センサ取付部材２２に配置した温度センサ２４にてセンサ取付部材２２の温度を検出し、その検出した温度により変位センサ２３の出力を補正することにより、変位センサ２３の温度による影響を除去することができる。これにより、精度の高い荷重検出を行なうことが可能となる。

図６はセンサユニットのさらに異なる実施形態を示す。このセンサユニット２１は、変位センサ２３とは別に各種センサ２５が設けられている。各種センサ２５は、加速度センサおよび振動センサのうちの少なくとも一つとする。センサ取付部材２２の形状は図３に示すものと同じであり、変位センサ２３の近傍に各種センサ２５が取付けられている。
このように、センサ取付部材２２に変位センサ２３および各種センサ２５を取付けると、荷重と車輪用軸受の状態を１箇所で測定することができ、配線等を簡略なものとすることができる。

図７ないし図９はさらに異なる実施形態を示す。この車輪用軸受は、センサユニット２１に設けられた変位センサや前述の各センサ（温度センサ、加速度センサ、振動センサ）の出力を処理するためのセンサ信号処理回路ユニット６０を組み込んだものである。このセンサ信号処理回路ユニット６０は外方部材１の外周面に取付けられている。

センサ信号処理回路ユニット６０は、樹脂等で製作されたハウジング６１内に、ガラスエポキシ等で製作された回路基板６２を有し、その回路基板６２上には、前記変位センサ２３の出力信号を処理するオペアンプ、抵抗、マイコン等や変位センサ２３を駆動する電源用の電気・電子部品６３が配置されている。また、変位センサ２３の配線と回路基板６２とを接合する接合部６４を有している。また、外部からの電源供給や外部へセンサ信号処理回路によって処理された出力信号を出力するケーブル６５を有している。センサユニット２１に前述の各センサ（温度センサ、加速度センサ、振動センサ）が設けられている場合、センサ信号処理回路ユニット６０にはそれぞれのセンサに対応した回路基板６２、電気・電子部品６３、接合部６４、ケーブル６５等が設けられる。

一般的には、車輪用軸受に設けられた各センサの出力を処理するセンサ信号処理回路ユニットは自動車の電気制御ユニット（ＥＣＵ）に設けられるが、この実施形態のように、車輪用軸受におけるセンサユニット２１の近傍にセンサ信号処理回路ユニット６０を設けることで、センサユニット２１からセンサ信号処理回路ユニット６０への配線の手間が簡略化でき、また車輪用軸受以外の場所にセンサ信号処理回路ユニット６０を設ける場合よりも、センサ信号処理回路ユニット６０をコンパクトに設置できる。

なお、前記各実施形態では、外方部材１が固定側部材である場合につき説明したが、この発明は、内方部材が固定側部材である車輪用軸受にも適用することができ、その場合、センサユニット２１は内方部材の内周となる周面に設ける。
また、前記各実施形態では第３世代型の車輪用軸受に適用した場合につき説明したが、この発明は、軸受部分とハブとが互いに独立した部品となる第１または第２世代型の車輪用軸受や、内方部材の一部が等速ジョイントの外輪で構成される第４世代型の車輪用軸受にも適用することができる。また、このセンサ付車輪用軸受は、従動輪用の車輪用軸受にも適用でき、さらに各世代形式のテーパころタイプの車輪用軸受にも適用することができる。

この発明の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図とその検出系の概念構成のブロック図とを組み合わせて示す図である。 同センサ付車輪用軸受の外方部材とセンサユニットとを示す正面図である。 （Ａ）は同センサユニットの側面図、（Ｂ）はその底面図である。 異なるセンサ付車輪用軸受の外方部材とセンサユニットとを示す正面図である。 （Ａ）は異なるセンサユニットの側面図、（Ｂ）はその底面図である。 （Ａ）はさらに異なるセンサユニットの側面図、（Ｂ）はその底面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図である。 同センサ付車輪用軸受の外方部材とセンサユニットとセンサ信号処理回路ユニットとを示す正面図である。 センサ信号処理回路ユニットの側面図である。

符号の説明

１…外方部材（固定側部材）
１ａ…フランジ
２…内方部材（回転側部材）
３，４…転走面
５…転動体
７，８…密封装置
１４…車体取付孔
１６…ナックル（懸架装置）
１７…ナックルボルト挿入孔
１８…ナックルボルト
２１…センサユニット
２２…センサ取付部材
２２ａ…接触固定部
２３…変位センサ
２４…温度センサ
２５…各種センサ
３１…作用力推定手段
３２…異常判定手段
６０…センサ信号処理回路ユニット
６１…ハウジング
６２…回路基板
６３…電気・電子部品
６４…接合部
６５…ケーブル

Claims (14)

1. 複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体とを備え、懸架装置のナックルに取付けられて車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、
   センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けられた変位センサからなるセンサユニットを、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材と前記ナックルとを締結するボルトに取付け、前記センサ取付部材は、前記ボルトに対して少なくとも１箇所の接触固定部を有し、前記変位センサは、固定側部材の表面の変位を測定するものとしたことを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
2. 請求項１において、前記変位センサは、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の変形を測定するものとしたセンサ付車輪用軸受。
3. 請求項１または請求項２において、前記変位センサは、前記固定側部材の外周面が前記固定側部材に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力によって、固定側部材の他の箇所と比べてラジアル方向に大きく変形する箇所の変位を測定するものとしたセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記固定側部材が外方部材であるセンサ付車輪用軸受。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記変位センサの出力によって、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を推定する作用力推定手段を設けたセンサ付車輪用軸受。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記センサユニットは複数であるセンサ付車輪用軸受。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記センサ取付部材に温度センサを設けたセンサ付車輪用軸受。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか1項において、前記センサ取付部材に加速度センサおよび振動センサのうち少なくとも一つを設けたセンサ付車輪用軸受。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記変位センサが渦電流式センサであるセンサ付車輪用軸受。
10. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記変位センサが磁気式センサであるセンサ付車輪用軸受。
11. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記変位センサが光学式センサであるセンサ付車輪用軸受。
12. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記変位センサが接触式センサであるセンサ付車輪用軸受。
13. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記変位センサが超音波式センサであるセンサ付車輪用軸受。
14. 請求項１ないし請求項１３のいずれか１項において、前記センサユニットの近傍に、前記変位センサの出力信号を処理するセンサ信号処理回路を有するセンサ信号処理回路ユニットを設けたセンサ付車輪用軸受。

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