JP2008039711A - トルク計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の回転時に、歪センサの検出信号を送信する信号送信手段などに作用する遠心力を低く抑えて、安価に製造可能なトルク計測装置を提供すること。
【解決手段】車両に設けられた中空のプロペラシャフト１に生じる歪を検出する歪センサ４１と、プロペラシャフト１に設けられ、歪センサ４１の検出値を外部に送信するテレメータ送信機４２と、を備え、歪センサ４１の出力に基づいてプロペラシャフト１の回転方向のトルクを検出するトルク計測装置であって、テレメータ送信機４２を、プロペラシャフト１の内部に設置したことを特徴とするトルク計測装置とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロペラシャフトなどの回転軸の回転トルクを計測するトルク計測装置に関する。

従来、プロペラシャフトの外周に歪センサを設け、この歪センサでプロペラシャフトの捻れ量を検出し、検出信号を、歪センサと共に設けられた信号送信手段から、外部の受信装置へ送信し、検出した捻れ量に基づいてプロペラシャフトの回転トルクを計測するトルク計測装置が知られている（特許文献１参照）。

このような従来技術にあっては、信号送信手段や歪センサを駆動させる電源などは、プロペラシャフトの回転軸と同軸で、プロペラシャフト外周を覆うように設置された円筒形状の樹脂製のケースの中に格納されている。
特開２００４−０７７１７２号公報

しかしながら、従来のトルク計測装置は、信号送信手段が、プロペラシャフトの外周に設置されているため、自動車のプロペラシャフトが高速で回転したときに、信号送信手段を構成する電気部品や回路などに大きな遠心力が作用する。
このため、信号送信手段を構成する電気部品や回路などを、大きな遠心力を受けても破損や故障が生じにくい耐高遠心力構造とする必要があり、その分、高価となるという問題があった。

本発明は、上述の従来の問題に着目して成されたもので、回転軸の回転時に、歪センサの検出信号を送信する信号送信手段などに作用する遠心力を低く抑えることで、製造コストを低減可能なトルク計測装置を提供することを目的とするものである。

上述の目的を達成するために、本発明は、歪センサの出力に基づいて回転軸の回転方向のトルクを検出するトルク計測装置であって、歪センサの検出値を送信する信号送信手段を、回転軸の内部に設置したことを特徴とするトルク計測装置とした。

請求項１の発明によれば、信号送信手段を回転軸の内部に設置したため、回転軸の外周に設置した場合に比べて、信号送信手段に作用する遠心力を低く抑えることができる。

したがって、信号送信手段を構成する部品や配線などを、回転軸の外周に設置した場合ほど耐高遠心力構造とする必要が無くなり、その分、製造コストを低く抑えることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
この実施の形態のトルク計測装置は、回転軸（１）に取り付けられ、この回転軸（１）に生じる歪を検出する歪センサ（４１）と、回転軸（１）に設けられ、歪センサ（４１）の検出値を外部に送信する信号送信手段（４２）と、を備え、歪センサ（４１）の出力に基づいて回転軸（１）の回転方向のトルクを検出するトルク計測装置であって、信号送信手段（４２）を、回転軸（１）の内部に設置したことを特徴とするトルク計測装置である。

図１〜図４に基づいて本発明の最良の実施の形態の実施例１のトルク計測装置Ａについて説明する。

まず、構成について説明する。
この実施例１のトルク計測装置Ａは、図３に示す自動車ＭＢを走行させたときの各種データを収集するデータ収集装置ＤＣに適用されている。

このデータ収集装置ＤＣは、少なくとも、プロペラシャフト（回転軸）１の回転速度を検出する回転速度センサ２と、プロペラシャフト１の回転トルクを検出する実施例１のトルク計測装置Ａとが検出するデータを収集する。

プロペラシャフト１は、自動車ＭＢの前部に設けられたエンジンＥＧを備えたパワーユニットＰＵのトランスミッションＴＭから後輪ＲＷの車軸ＲＡへ動力伝達を行う周知のもので、その中間部がベアリング３を介して車体に支持されている。

なお、図２に示すように、プロペラシャフト１に沿って、エンジン排気管５およびパーキングブレーキリンケージ６が車両前後方向に延在されている。

実施例１のトルク計測装置Ａは、プロペラシャフト１が伝達する回転トルクを、プロペラシャフト１に生じる歪みにより検出するもので、図１に示すように、歪センサ４１と、テレメータ送信機（信号送信手段）４２と、電源４３と、風車装置（送風手段）４４と、テレメータ受信機４５（図３参照）と、を備えている。

歪センサ４１は、図２にも示しているように、プロペラシャフト１の外周に設置されている。なお、歪センサ４１は、周知のように、ホイートストンブリッジ回路を構成し、ブリッジ電圧を印加することにより、プロペラシャフト１に生じた歪みに応じて抵抗値が変化することで、出力電圧を変化させるものである。

また、歪センサ４１は、接続回路４１ａを介してテレメータ送信機４２に接続されており、検出値としての出力電圧変化をテレメータ送信機４２により送信するようになっている。なお、接続回路４１ａの途中には、スイッチ４６が設けられている。このスイッチ４６は、歪センサ４１およびテレメータ送信機４２を作動状態と非作動状態に切り換えるスイッチである。
また、テレメータ送信機４２から出力された信号は、図３に示すように、プロペラシャフト１の近傍に設置されたアンテナ４５ａを介してテレメータ受信機４５により受信され、そのデータがデータ収集装置ＤＣに記録される。

図１に戻り、テレメータ送信機（信号送信手段）４２、電源４３、風車装置４４は、プロペラシャフト１の内部に設けられたケース４７内に収容されている。

すなわち、プロペラシャフト１は、軸方向に分かれた中空円筒形状のシャフト部材１１，１２を、回転軸ａを中心として同軸に配置し、その端部に形成されたフランジ１１ｆ，１２ｆを重ねて締結することで結合して形成されている。

また、フランジ１１ｆ，１２ｆの間に、テレメータ送信機４２および電源４３を収容するケース４７を支持する円盤状の支持板（支持部材）４８が、挟持状態で共締めされている。なお、ケース４７は、円筒状を成し、回転軸ａと同軸に支持されている。
また、テレメータ送信機４２および電源４３は、ケース４７の内部において回転軸ａ上に設置されている。

ケース４７の先端（図１において、左側の端部）に、風車装置４４が設置されている。すなわち、ケース４７の先端に支持軸としての細軸４７ａが回転軸ａと同軸に設けられ、この細軸４７ａに風車装置４４の翼部材４４ａが軸受４４ｂを介して、細軸４７ａを中心に回転可能に支持されている。
翼部材４４ａには、あらかじめ設定された回転慣性質量が与えられており、かつ、軸受４４ｂには、あらかじめ設定されたフリクションが与えられている。これら回転慣性質量およびフリクション（プリロード）は、プロペラシャフト１が回転したときに、翼部材４４ａが連れ周りするように設定されている。

また、プロペラシャフト１には、複数の空気穴１３ａ，１３ｂが穿設されている。これらの空気穴１３ａ，１３ｂは、テレメータ送信機４２などを収容したケース４７を挟んで軸方向に離れた位置において、プロペラシャフト１の内外を連通するようプロペラシャフト１を貫通して形成されている。具体的には、空気穴１３ａは、支持板４８よりも図中右側の位置に形成されており、空気穴１３ｂは、風車装置４４の外径方向位置に形成されている。さらに、支持板４８には、プロペラシャフト１の内部を通る空気の流れ（送風）を形成可能に貫通穴４８ａが複数穿設されている。
なお、空気穴１３ａ，１３ｂは、プロペラシャフト１において計測するトルクに影響を与えない大きさおよび数に設定されている。

次に、実施例１の作用を説明する。
実施例１のトルク計測装置Ａによりトルクの測定を行う場合、まず、スイッチ４６を投入し、装置Ａに電源供給可能な状態とした上で、自動車ＭＢを走行させて各種データを収集する。
なお、このときの排気・動力性能試験などの車両実験は、加減速を含む走行パターンで実施される。図４は、その走行時の一部を示しており、同図（ｄ）に示すように、自動車ＭＢが、停車（ｔ０）から発進して加速し、ｔ１の時点から一定速走行に移行した後、ｔ２の時点で減速を開始して、ｔ３の時点で停止した場合を例に挙げて説明する。
自動車ＭＢが発進して車速が上昇すると、プロペラシャフト１の回転数も（ｃ）に示すように上昇する。

このときプロペラシャフト１内の空気は、慣性質量が小さいため、プロペラシャフト１と略同速度となり、プロペラシャフト１に対して相対的に停止した状態となっている。

一方、ケース４７の細軸４７ａに取り付けられた風車装置４４では、翼部材４４ａがケース４７に遅れて回転を始める。すなわち、翼部材４４ａが回転慣性を持っているため、ケース４７が回転を開始した際に、翼部材４４ａは直ぐに回転せずに、当初の位置に留まろうとする。しかし、軸受４４ｂがフリクションを有しているため、翼部材４４ａの回転数がケース４７（＝プロペラシャフト１）の回転数に遅れて上昇する。

そこで、風車装置４４の翼部材４４ａの周速度と周りの空気とで相対速度差が生じ、翼部材４４ａの作用により、図１および図２において、矢印ＡＩＲで示すような送風が形成される。すなわち、空気が空気穴１３ａからプロペラシャフト１内に取り入れられ、支持板４８の貫通穴４８ａを通って、プロペラシャフト１内を移動し、さらに空気穴１３ｂを通ってプロペラシャフト１外へ排出される送風が形成される。
この送風により、ケース４７およびその収容物のテレメータ送信機４２と電源４３が冷却される。すなわち、プロペラシャフト１は、車体下部の図示を省略したフロアトンネル内に配置され、かつ、プロペラシャフト１の近傍には、エンジン排気管５が配置されている。このため、高速走行時などには、エンジン排気管５からの発熱でプロペラシャフト１が加熱される。

しかし、本実施例１では、上記のように、ケース４７の周囲では風車装置４４により送風が形成されるため、エンジン排気管５により加熱された熱がプロペラシャフト１にこもることが無く、ケース４７内外が高温になるのを抑制できる。
したがって、ケース４７に収容されたテレメータ送信機４２や電源４３が、高温になるのを抑制することができる。

その後、自動車ＭＢが定速走行状態に移行すると（ｔ１の時点）、翼部材４４ａの回転速度が、次第にプロペラシャフト１の回転速度に近付き、等速回転状態になる（ｔ１１）。この状態では、風車装置４４の翼部材４４ａの周速度と周りの空気との相対速度が小さくなり、風車装置４４による送風量は、徐々に低下する。

すなわち、風車装置４４の送風量は、（ａ）に示すように、定速走行に移行した時点ｔ１を最大値として、徐々に低下し、翼部材４４ａの回転数がプロペラシャフト１の回転数と等しくなった時点で、風量が０になる。

その後、ｔ２の時点で、減速走行が開始されると、プロペラシャフト１の回転数減少に対し、翼部材４４ａの慣性により回転数減少が遅れるため、再び、翼部材４４ａの周速度と周りの空気とで相対速度差が生じ、風車装置４４による送風量が上昇する。

以上のように、自動車ＭＢで加減速が行われるたびに、プロペラシャフト１内において風車装置４４による送風が生じ、ケース４７の内外が冷却され、テレメータ送信機４２および電源４３の加熱が抑制される。

また、プロペラシャフト１が回転したときには、上述したようにプロペラシャフト１内のケース４７も同期回転し、その収容物であるテレメータ送信機４２および電源４３も同期回転する。

このとき、テレメータ送信機４２および電源４３は、プロペラシャフト１の回転軸ａ上に配置されているため、これらをプロペラシャフト１の外周に設置した場合に比べて、作用する遠心力が小さくなる。

以上説明したように、実施例１のトルク計測装置Ａにあっては、テレメータ送信機４２と電源４３とをプロペラシャフト１内に設置しているため、これらをプロペラシャフト１の外周に設置した場合と比べて、遠心力の影響を抑えることができる。
これにより、テレメータ送信機４２および電源４３の構成部品や回路などの、耐高遠心力性能を下げることが可能となり、部品コストを抑えることができる。

しかも、実施例１のトルク計測装置Ａにあっては、ケース４７およびこれに収容するテレメータ送信機４２、電源４３をプロペラシャフト１の回転軸ａ上に設置しているため、これらをプロペラシャフト１内であっても、回転軸ａから離れた位置に設置した場合に比べて、遠心力の影響をいっそう抑えることができ、さらに部品コストを抑えることができる。

また、プロペラシャフト１内に風車装置４４を設け、かつ、プロペラシャフト１に空気穴１３ａ，１３ｂを形成し、プロペラシャフト１の内部を送風により冷却するようにしたため、テレメータ送信機４２および電源４３が加熱されるのを抑制することができる。
これにより、テレメータ送信機４２および電源４３として、耐高熱性能を下げることが可能となり、これによっても部品コストを抑えることができる。

しかも、テレメータ送信機４２が加熱されるのを抑制するようにしたため、テレメータ送信機４２の温度ドリフトが低減され、熱影響が大きいエンジン高負荷時のデータ計測精度が向上する。

加えて、風車装置４４は、翼部材４４ａの慣性質量と軸受４４ｂのフリクションとに基づいて、プロペラシャフト１の回転数の上下に伴って送風を発生させるようにしたため、モータなどの駆動手段を用いて翼部材４４ａを回転させるものに比べて、部品点数・部品コスト・重量を軽減させることができる。

さらに、ケース４７は、プロペラシャフト１に直接設置するのではなく、プロペラシャフト１内に設けた支持板４８に設置するようにしたため、ケース４７や、これに収容するテレメータ送信機４２および電源４３を回転軸ａと同軸に設置するのが容易となる。

また、支持板４８を設置するのにあたり、プロペラシャフト１を構成するシャフト部材１１，１２のフランジ１１ｆ，１２ｆと共締めするようにしたため、１本のシャフトの内部に設置するのに比べて、設置が容易となる。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態および実施例１を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態および実施例１に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

すなわち、実施例１では、回転軸として車両のプロペラシャフトを示したが、トルク計測対象の回転軸としては、これに限定されるものではなく、産業機械などにも適用することができる。また、回転軸の中空部分は、少なくとも信号送信手段の設置スペースおよび送風が通るスペースが有ればよい。

また、実施例１では、信号送信手段としてのテレメータ送信機４２を、プロペラシャフト１の回転軸ａ上に設置した例を示したが、回転軸内に設置するのであれば、回転軸ａ上でなくてもよい。

また、実施例１では、テレメータ送信機４２をケース４７の内部に設置した例を示したが、ケース４７内に設置しなくてもよい。例えば、ケース４７を設けずに、支持板４８に、テレメータ送信機４２および電源を直接設置するようにしてもよい。

また、ケース４７は、実施例１では、円筒状のものを示したが、円筒状のもの以外のものも使用できる。例えば、ケース４７をメッシュ状のもので形成して、送風による熱交換効率を高めるようにしてもよい。同様に、支持板４８も、メッシュ状、格子状、あるいは枠状のものを用いて、プロペラシャフト１内の送風の流通性を高めるようにしてもよい。

また、実施例１では、ケース４７を支持板４８に設けた例を示したが、プロペラシャフト１の内周に設置するようにしてもよい。この場合も、ケースに、回転軸ａ上の部分を形成し、収容物を回転軸ａ上に設置するようにするのが好ましい。

図５は、上述の構成要素を含む本発明実施の形態の他の例を示したもので、図外のプロペラシャフト１に支持される支持枠２４８の軸心に設けられた支持軸２４８ａに、テレメータ送信機２４２が設けられている。また、支持軸２４８ａの先端に風車装置４４の軸受４４ｂが取り付けられている。なお、テレメータ送信機２４２には、電源が内蔵されているものとする。この図５に示す例においても、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

また、実施例１では、送風手段として、細軸４７ａとのフリクションで翼部材４４ａが回転する風車装置４４を示したが、送風手段としては、これに限定されず、モータなどの駆動力で送風を発生させるものを用いてもよい。

また、実施例１では、翼部材４４ａを支持する支持軸として細軸４７ａを示したが、支持軸としては、このような細い軸に限定されるものではなく、例えば、翼部材としてシロッコファンを用いる場合には、その内周を支持可能な円筒状の支持軸を用いるようにしてもよい。

本発明の実施の形態の実施例１のトルク計測装置Ａの要部を示す断面図である。 本発明の実施の形態の実施例１のトルク計測装置Ａの要部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態の実施例１のトルク計測装置Ａの全体の概略を示す説明図である。 本発明の実施の形態の実施例１のトルク計測装置Ａの作動例を示すタイムチャートであって、（ａ）は風車装置４４において発生する風量の変化を示し、（ｂ）は翼部材４４ａの回転速度変化を示し、（ｃ）はプロペラシャフト１の回転数変化を示し、（ｄ）は車速変化を示している。 本発明の実施の形態の他の例のトルク計測装置の要部を示す斜視図である。

符号の説明

１ プロペラシャフト（回転軸）
１１ シャフト部材
１１ｆ フランジ（結合部分）
１２ シャフト部材
１２ｆ フランジ（結合部分）
１３ａ 空気穴
１３ｂ 空気穴
４１ 歪センサ
４２ テレメータ送信機（信号送信手段）
４４ 風車装置（送風手段）
４４ａ 翼部材
４７ ケース
４７ａ 細軸（支持軸）
４８ 支持板（支持部材）
ａ 回転軸
ＭＢ 自動車

Claims (7)

1. 回転軸に取り付けられ、この回転軸に生じる歪を検出する歪センサと、
   前記回転軸に設けられ、前記歪センサの検出値を送信する信号送信手段と、
   を備え、前記歪センサの出力に基づいて回転軸の回転方向のトルクを検出するトルク計測装置であって、
   前記信号送信手段が、前記回転軸の内部に設置されていることを特徴とするトルク計測装置。
2. 前記回転軸において前記信号送信手段を間に挟んで軸方向に離れた位置に、前記回転軸の内外を連通する空気穴が形成され、
   これら空気穴の間で送風する送風手段が前記回転軸の内部に設置されていることを特徴とする請求項１に記載のトルク計測装置。
3. 前記回転軸の内部に、前記信号送信手段を収容するケースが設置され、
   このケースに、前記回転軸の軸心と同軸に支持軸が設けられ、
   前記送風手段の翼部材が、前記支持軸との間に生じるフリクションにより支持軸を中心に回転可能に支持されていることを特徴とする請求項２に記載のトルク計測装置。
4. 前記回転軸が、軸方向で分かれたシャフト部材を結合して形成され、
   前記ケースを支持する支持部材が、両シャフト部材の結合部分に共締め状態で設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のトルク計測装置。
5. 前記支持部材に支持された前記ケースが、前記回転軸と同軸上に設置されていることを特徴とする請求項４に記載のトルク計測装置。
6. 前記ケースの収容物が、前記回転軸と同軸上に設置されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載のトルク計測装置。
7. 前記回転軸は、車両に搭載されたプロペラシャフトであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のトルク計測装置。

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