JP2008203119A - センサ付車輪用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受性能に悪影響を与えることなく荷重センサを搭載できて、軸受に作用する荷重を正確に検出できるセンサ付車輪用軸受装置を提供する。
【解決手段】 車輪用軸受装置Ａは、内輪１と外輪２との間に複列の転動体５が介在し、前記内輪１の内周にハブ９を嵌合させる転がり軸受からなる車輪用軸受１０と、前記外輪２が嵌合したハウジング１４とを備える。前記外輪２の外径面２ａとハウジング１４の内径面１４ａとの間に、車輪用軸受装置に作用する荷重を検出する荷重センサ２１Ａ，２１Ｂを設ける。
【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装置に関する。

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、例えば固定輪である外輪の内部の転走面の近傍や、外輪の外周に歪みゲージなどの荷重センサを設けて、転動体が通過するときの外輪の歪みを検出するようにした車輪用軸受装置が提案されている（例えば特許文献１，２）。
特開２００６−２５８５７１号公報 国際公開第２００５／３１２１７３１Ａ１号パンフレット

しかし、特許文献１のように荷重センサを外輪の内部の転走面の近傍に埋設するのでは、荷重センサがある程度の大きさを有する部品であるため、外輪強度など軸受性能に悪影響を与えるという問題がある。

また、特許文献１，２に開示されるいずれの車輪用軸受装置も、外輪に荷重センサを設置する場合に外輪に追加工する必要があるので、この点でも外輪強度が低下するという問題がある。

この発明の目的は、軸受性能に悪影響を与えることなく荷重センサを搭載できて、軸受に作用する荷重を正確に検出できるセンサ付車輪用軸受装置を提供することである。

この発明のセンサ付車輪用軸受装置は、内輪と外輪との間に複列の転動体が介在し、前記内輪の内周にハブを嵌合させる転がり軸受からなる車輪用軸受と、前記外輪の外径面が嵌合した内径面を有するハウジングとを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置において、前記外輪の外径面とハウジングの内径面との間に、この軸受装置に作用する荷重を検出する荷重センサを設けたことを特徴とする。
軸受装置に作用する荷重により外輪外径面とハウジング間に作用する力が変わるため、この力により生じる歪みや圧力を検出することによって、軸受装置に作用する荷重を検出することができる。荷重センサは、結果として上記荷重が検出できるものであれば良く、歪みを検出するものであっても、圧力を検出するものであっても良い。外輪をハウジングに嵌合させる形式の軸受であるため、ハウジングに対応する部分を外輪に一体化させた軸受、例えば外輪に車体への取付用のフランジを設けたような軸受の外輪の外径面に荷重センサを設ける場合に比べて、外輪の肉厚が薄くて、より転動体に近い部分に荷重センサを配置できる。そのため荷重を感度良く検出できて、正確な検出が行える。また、荷重センサは、外輪の外径面とハウジングの内径面との間に介在させるため、荷重センサの取付けのために、固定輪となる外輪に溝加工等の加工を施す必要がなく、外輪の強度低下を伴うことがない。

この発明において、車輪用軸受が、両列の転走面が互いに背面合わせとなる複列のアンギュラ玉軸受であって、外輪の各列の転走面における接触角を成す直線上に前記荷重センサをそれぞれ配置したものであっても良い。
車輪に作用する荷重は、内輪および転動体を介して外輪に伝わり、転動体と外輪との間の力は、接触角を成す直線上で大きく作用する。そのため、接触角を成す直線上に荷重センサを配置することが、最も感度良く検出でき、正確な検出につながる。

この発明において、前記荷重センサを前記外輪の外径面における上下左右の４箇所に対応して設けても良い。このように上下左右の４箇所に荷重センサを配置すると、様々な方向の荷重を検出することができる。

この発明において、前記内輪に回転検出用の被検出体を設け、この被検出体を検出する回転センサを前記外輪またはハウジングに設置しても良い。この構成の場合、荷重センサの検出信号により外輪に作用する荷重を検出でき、被検出体を検出する回転センサの検出信号により内輪の回転速度を検出できるので、これらの検出結果を車両走行時の姿勢制御に有効に利用できる。

この発明のセンサ付車輪用軸受装置は、内輪と外輪との間に複列の転動体が介在し、前記内輪の内周にハブを嵌合させる転がり軸受からなる車輪用軸受と、前記外輪の外径面が嵌合した内径面を有するハウジングとを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置において、前記外輪の外径面とハウジングの内径面との間に、この軸受装置に作用する荷重を検出する荷重センサを設けたため、軸受性能に悪影響を与えることなく荷重センサを搭載できて、軸受に作用する荷重を正確に検出することができる。

この発明の一実施形態を図１と共に説明する。この実施形態は、第１世代型の内輪回転タイプで、駆動輪支持用の車輪用軸受装置に適用したものである。なお、この明細書において、車両に取り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装置における車輪用軸受１０は、図１に断面図で示すように、外周に複列の転走面３を形成した内輪１と、これら各転走面３に対向する転走面４をそれぞれ形成した一体部品の外輪２と、これら複列の転走面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１０は、複列のアンギュラ玉軸受型とされた転がり軸受であって、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、両列の転走面３，４が互いに背面合わせとなるように、つまり接触角が外向きとなるように形成されている。内外輪１，２間に形成される軸受空間の両端は、一対のシール７，８でそれぞれ密封されている。

内輪１は回転輪となるものであって、２つの個別内輪１Ａを軸方向に並べて構成され、その内周にハブ９が嵌合させられる。ハブ９は外周に車輪取付用のハブフランジ９ａを有し、その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。このハブ９の軸部９ｂ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１が嵌合している。ハブ９の中心には貫通孔１１が設けられている。ハブ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。このパイロット部１３に挿入されるホイールおよび制動部品が、ハブフランジ９ａの圧入孔１５に圧入するハブボルトによりハブフランジ９ａに取付けられる。

外輪２は固定輪となるものであって、その外径面２ａがハウジング１４の内周面１４ａに嵌合させられる。ハウジング１４のアウトボード側端の内周面１４ａは段差を持って大径となる外輪嵌合面とされ、この外輪嵌合面１４ａに前記外輪２が嵌合する。外輪２は、そのインボード側端が前記外輪嵌合面１４ａにおける段差面１４ａｂに係合し、アウトボード側端が前記外輪嵌合面１４ａに設けられた溝１４ａａに嵌合する止め輪１６に係合することで、軸方向に位置決めされる。このハウジング１４と、前記車輪用軸受１０と、前記ハブ９とで車輪用軸受装置Ａが構成される。このハウジング１４を、車体の懸架装置におけるナックル（図示せず）に組み付けることにより、車体に対して車輪が回転自在に支持される。

前記外輪２の外径面２ａとハウジング１４の内径面１４ａとの間の、外輪２の両列の転走面４，４間の軸方向中間位置には、この車輪用軸受装置Ａに作用する荷重を検出する一対の荷重センサ２１Ａ，２１Ｂが設けられている。これら一対の荷重センサ２１Ａ，２１Ｂは例えば歪みゲージや圧電センサからなり、ここでは上下の２箇所に設けられている。このように、一対の荷重センサ２１Ａ，２１Ｂを上下に分けて設けることにより、これら一対の荷重センサ２１Ａ，２１Ｂの検出信号は、上下方向に作用する荷重を反映したものとなる。また、荷重センサ２１Ａ，２１Ｂは、外輪２の加工を加えていない外径面２ａに設けられ、ハウジング１４の内径面１４ａに荷重センサ２１Ａ，２１Ｂを収容する凹部１７が加工される。
前記両荷重センサ２１Ａ，２１Ｂは推定手段２２に接続される。推定手段２２は、荷重センサ２１Ａ，２１Ｂで検出値から車輪用軸受１０に作用する荷重を推定する手段である。車輪用軸受１０に荷重が作用すると、外輪２の外径面とハウジング１４間に作用する力が変わるため、この力により生じる歪みや圧力の大きさも変わる。そこで、推定手段２２は、前記歪みや圧力の大きさを検出する荷重センサ２１Ａ，２１Ｂの出力信号つまり歪みや圧力の大きさから、車輪用軸受１０に作用する荷重を推定することができる。ここでは、一対の荷重センサ２１Ａ，２１Ｂがハウジング１４の上下に分けて設けられているので、これら一対の荷重センサ２１Ａ，２１Ｂの検出信号は、上下方向に作用する荷重を反映したものとなる。
推定手段２２は、歪みや圧力の大きさと作用荷重の関係を接したテーブルまたは演算式等の関係設定部（図示せず）を有していて、荷重センサ２１Ａ，２１Ｂで検出された歪みや圧力の大きさを前記関係設定部の設定内容と比較することで、前記荷重の推定値を出力する。

この構成のセンサ付車輪用軸受装置によると、この軸受装置Ａに作用する荷重により外輪２の外径面とハウジング１４間に作用する力が変わるため、推定手段２２は、この力により生じる歪みや圧力を荷重センサ２１Ａ，２１Ｂで検出することによって、軸受装置に作用する荷重を検出することができる。外輪２をハウジング１４に嵌合させる形式の軸受（第１世代型の軸受）であるため、ハウジング１４に対応する部分を外輪に一体化させた軸受（第２〜第４世代型の軸受）、例えば外輪２に車体への取付用のフランジを設けたような軸受の外輪の外径面に荷重センサを設ける場合に比べて、外輪２の肉厚が薄くて、より転動体に近い部分に荷重センサ２１Ａ，２１Ｂを配置できる。そのため、荷重を感度良く検出できて、正確な検出が行える。荷重センサ２１Ａ，２１Ｂは、外輪２の外径面とハウジング１４の内径面との間に介在させるため、荷重センサ２１Ａ，２１Ｂの取付けのために、固定輪となる外輪２に溝加工等の加工を施す必要がなく、外輪２の強度低下を伴うことがない。

図２は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、図１のセンサ付車輪用軸受装置における上下一対の荷重センサ２１Ａ，２１Ｂを、外輪２における両列の転走面４，４にそれぞれ対応させて２組設けると共に、各組の荷重センサ２１Ａ，２１Ｂを、対応する各列の転走面４，４における接触角を成す直線Ｐ上に配置している。荷重センサ２１Ａ，２１Ｂとしては、歪みゲージが用いられる。なお、この実施形態では、外輪２の外径面２ａに荷重センサ２１Ａ，２１Ｂの収容凹部１７を加工している。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様である。

この実施形態では、歪みゲージからなる荷重センサ２１Ａ，２２Ｂを外輪２の各列の転走面４，４における接触角を成す直線Ｐ上に配置しているので、感度良く、正確に検出できる。すなわち、車輪に作用する荷重は、内輪１および転動体５を介して外輪２に伝わり、転動体５と外輪２との間の力は、接触角を成す直線Ｐ上で大きく作用する。そのため、接触角を成す直線Ｐ上に荷重センサ２１Ａ，２１Ｂを配置することが、最も感度良く検出でき、正確な検出につながる。例えば各列の転動体５が荷重センサ２１Ａ，２１Ｂの近傍部を通過するとき、その近傍部の歪みが大きくなる。この場合に、接触角を成す直線Ｐ上での歪みが大きく、それだけ高精度の荷重検出が可能となる。
なお、転動体５の通過時に大きい歪みが生じる部位が別の位置にあれば、その部位に荷重センサ２１Ａ，２１Ｂを配置しても良い。

図３は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態では、図１のセンサ付車輪用軸受装置において、上下に配置される荷重センサ２１Ａ，２１Ｂのほかに、左右に配置される一対の荷重センサ２１Ｃ，２１Ｄを付加している。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様である。

この実施形態の場合、上下一対の荷重センサ２１Ａ，２１Ｂの検出信号が上下方向に作用する荷重を反映し、左右一対の荷重センサ２１Ｃ，２１Ｄの検出信号が左右方向に作用する荷重を反映したものとなるので、それらの検出信号から様々な方向の荷重を推定することができる。例えば、上下方向の荷重の他に、車両の前後方向の荷重や、車幅方向の荷重を推定することも可能となる。

図４は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態では、図１のセンサ付車輪用軸受装置において、内輪１の外周に回転検出用の被検出体１８を設け、この被検出体１８を検出する回転センサ１９Ａ，１９Ｂを外輪２の内周に設置している。ここでは、両列の転動体５，５間の軸方向中間位置に前記被検出体１８および回転センサ１９Ａ，１９Ｂを配置している。被検出体１８は、リング状の磁気エンコーダやパルサリング等からなり、回転センサ１９はホール素子等からなる。上記磁気エンコーダは、ＮＳの磁極が円周方向に交互に並んだものであり、パルサリングは歯車状に複数の歯を並べて設けたものである。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様である。

この実施形態の場合、荷重センサ２１Ａ，２１Ｂの検出信号により外輪２に作用する荷重を検出でき、被検出体１８を検出する回転センサ１９Ａ，１９Ｂの検出信号により内輪１の回転速度や回転方向を検出できるので、これらの検出結果を車両走行時の姿勢制御に有効に利用できる。

図５は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施部形態では、図４のセンサ付車輪用軸受装置において、回転検出用の被検出体１８を内輪１の外径面におけるシール７の位置よりもアウトボード側の位置に設け、ハウジング１４の内径面１４ａにおける前記被検出体１８に対して径方向に対向する位置に回転センサ１９Ａ，１９Ｂを設置している。その他の構成は図４の実施形態の場合と同様である。

この発明の一実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置の断面図である。 この発明の他の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置の荷重センサ設置部の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受装置の断面図である。

符号の説明

１…内輪
２…外輪
２ａ…外径面
５…転動体
９…ハブ
１０…車輪用軸受
１４…ハウジング
１４ａ…外輪嵌合面（内径面）
１８…回転検出用の被検出体
１９Ａ，１９Ｂ…回転センサ
２１Ａ〜２１Ｄ…荷重センサ

Claims (4)

1. 内輪と外輪との間に複列の転動体が介在し、前記内輪の内周にハブを嵌合させる転がり軸受からなる車輪用軸受と、前記外輪の外径面が嵌合した内径面を有するハウジングとを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置において、
   前記外輪の外径面とハウジングの内径面との間に、この軸受装置に作用する荷重を検出する荷重センサを設けたことを特徴とするセンサ付車輪用軸受装置。
2. 請求項１において、車輪用軸受が、両列の転走面が互いに背面合わせとなる複列のアンギュラ玉軸受であって、外輪の各列の転走面における接触角を成す直線上に前記荷重センサをそれぞれ配置したセンサ付車輪用軸受装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記荷重センサを前記外輪の外径面における上下左右の４箇所に対応して設けたセンサ付車輪用軸受装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記内輪に回転検出用の被検出体を設け、この被検出体を検出する回転センサを前記外輪またはハウジングに設置したセンサ付車輪用軸受装置。

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