JP2013117405A - センサ付車輪用軸受装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 車輪用軸受100に、この軸受に加わる荷重を検出する1つ以上のセンサ20を設け、これらセンサ20の出力信号を処理して信号ベクトルを生成する信号処理手段31と、前記信号ベクトルから車輪に加わる荷重を演算する荷重演算処理手段32を設ける。荷重演算処理手段32は、例えばブレーキが軸受に与える影響をブレーキ変換係数として算出し、ブレーキOFF状態の演算係数行列からブレーキON状態の演算係数行列を求めて、ブレーキON時の荷重を演算する機能を有する。これとは別に、荷重演算処理手段32による演算結果をチェックする校正モード実行手段33を設ける。
【選択図】 図1
Description
このように4つのセンサを配置することで、車輪用軸受に作用する垂直方向荷重Fz 、前後方向の荷重Fx 、軸方向荷重Fy を推定することができる。
この構成の場合、2つの歪検出素子22A,22Bの信号は略180度の位相差を有することになり、それら信号の和から求めた平均値は転動体通過による変動成分をキャンセルした値となる。また、前記2つの歪検出素子の信号の差分から求めた振幅値は温度の影響やナックル・フランジ面などの滑りの影響をより確実に排除した正確なものとなる。
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、車輪および制動部品(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。
Fxb=Fx −FB ・sin θ ……(1−1)
Fzb=Fz +FB ・cos θ ……(1−2)
ただし、
Fx ,Fz :路面反力(路面からタイヤに作用する荷重)
Fxb,Fzb:軸受作用力(軸受回転輪に作用する荷重でブレーキの干渉分を含む)
ここで、駆動軸から入力される駆動トルクをTdrive 、ブレーキ動作によるブレーキトルクをFB ・RB とすると、車輪に作用するトルク関係式は次式(2)のように表現される。
Fx ・Rw =Tdrive −FB ・RB ……(2)
この関係式から、ブレーキ力FB は、次式(3)のように表現される。
FB =(Tdrive −Fx ・Rw )/RB ……(3)
この実施形態で用いる補正方法では、できる限り簡単な構成でブレーキの影響を最小限にして、ブレーキ動作中であっても路面荷重を正確に検出することが可能になる。
前述の式(3)と式(1−1),(1−2)から、検出したい路面荷重は次のようになる。
Fx =Fxb/(1+α・sin θ)+(Tdrive /RB )・sin θ/(1+α・sin θ ) ……(4−1)
Fz =Fzb+Fxb・α・cos θ/(1+α・sin θ)−(Tdrive /RB )・α・cos θ/(1+α・sin θ) ……(4−2)
ただし、α=Rw /RB :半径比
ここで、Fdrive =Tdrive /RB ……(4−3)
A=1/(1+α・sin θ) ……(4−4)
B=A・sin θ ……(4−5)
C=A・α・cos θ ……(4−6)
と置くと、式(4−1),(4−2)は次のようになる。
Fx =A・Fxb+B・Fdrive ……(5−1)
Fz =Fzb+C・Fxb−C・Fdrive ……(5−2)
ブレーキOFFの状態で、センサ信号ベクトルSを入力とし、演算係数行列MとオフセットMo を用いて、軸受荷重Fxb,Fzbが次のように算出できるとする。
Fxb=Mx ・S+Mox ……(6−1)
Fzb=Mz ・S+Moz ……(6−2)
すると、ブレーキONの演算式(5−1),(5−2)は、
Fx =A・Mx ・S+A・Mox+B・Fdrive =Mx ’・S+Mox’+B・Fdrive ……(7−1)
Fz =(Mz +C・Mx )・S+(Moz+C・Mox)−C・Fdrive
=Mz ’・S+Moz’−C・Fdrive ……(7−2)
となる。
Mx ’=A・Mx ……(8−1)
Mox’=A・Mox ……(8−2)
Mz ’=Mz +C・Mx ……(8−3)
Moz’=Moz+C・Mox ……(8−4)
校正モード実行手段33の動作は、荷重演算処理手段32の動作から切り替えて行われる。校正モード実行手段33への動作の切替えは、車両静止状態において、車両側の上位ECU98から直接センサECU30へ指令を出して行っても良いし、ブレーキON状態で駆動トルクを印加した場合に自動的に切り替えるようにしても良い。また、校正モード実行手段33は、センサECU30に接続されている上位ECU98などの機器に対して、校正モードの検出結果を提示し、センサ動作・出力トルクに異常が見られる場合に検出した異常を知らせる異常報知部33aを有する。さらに、校正モード実行手段33は、校正モードの検出結果によって、必要があればセンサECU30に保存されているブレーキ変換係数のパラメータを更新する機能も有する。
Fxb=−Fdrive ・sin θ ……(9−1)
Fzb=Fdrive ・cos θ ……(9−2)
ここで、Fdrive =Tdrive /RB ……(4−3)
であるから、駆動トルクを負荷したときの軸受荷重の変位量をΔFxb,ΔFzbとすると、これらの値は下式で表すことができる。
ΔFxb=−Fdrive ・sin θ ……(10−1)
ΔFzb=Fdrive ・cos θ ……(10−2)
よって、ブレーキ変換係数を構成するパラメータθ,αは下式を用いて求めることができる。
tan θ=−ΔFxb/ΔFzb ……(11−1)
RB =Tdrive /Fdrive ……(11−2)
(1) センサ動作の異常をチェックする。
駆動トルクTdrive を印加したときの荷重センサの出力値が、印加トルクに見合った値となっているかチェックして、センサの異常の有無を判断する。この場合のチェック手段は、センサ出力の値を予め設定されている基準値と比較するものでも良いし、センサECU30の荷重演算手段32で算出した軸受荷重FB と予め設定されている基準値とを比較するものでも良い。
校正モード実行手段33の異常報知部33aでは、トルクセンサ96がない場合、上位ECU98からの駆動トルク期待値と、検出された軸受荷重を比較することにより、正常なトルクが出力されているかチェックを行い、必要があれば結果を提示する。上位ECU98からの出力トルク期待値としては、駆動エンジン99に電動機を用いている場合には、駆動トルク指令値、もしくは駆動電流の値から推定した値を用いることができる。駆動エンジン99が内燃機関の場合には、アクセル開度と回転数から推定された値を用いることができる。この期待値の信頼度によって、以降のチェックにおける許容範囲を適切に設定すれば良い。この場合のチェック手段は、ブレーキ変換係数と、そのとき算出した軸受荷重変位量ΔFb を利用して駆動トルクTdrive を推定し、上位ECU98から入力された駆動トルク情報Tdrive と比較するものであれば良い。チェックの結果、想定される軸受荷重として設定された範囲の荷重が検出されない場合、異常報知部33aは、何らかの異常があるものと判断して警告情報を出力する。
ブレーキの磨耗や経年劣化等の状態によって、ブレーキ変換係数RB ,θが変化していないかチェックを行い、必要があれば係数を更新する。ブレーキ変換係数の更新では、校正モード実施時に算出した係数RB ,θと、既にセンサECU30に保存されている既知の係数値とを比較し、変化が基準範囲を超えたときに、算出結果を提示した上でブレーキ変換係数の更新を選択できるようにすると、校正の信頼性が向上する。
・ 校正モード実行手段33により、ブレーキON時の荷重算出パラメータの値を、簡単な操作で検出できる。
・ 従来は測定装置がないと難しかった荷重センサの動作・出力トルクのチェックを、車両を移動させずに簡単な方法で実施できる。
・ 校正モード実行手段33で検出した結果を荷重演算処理手段32へフィードバックして、現在のブレーキの状態に合わせた荷重推定を行うことができ、荷重推定精度を向上させることができる。
・ 従動輪についても、従動輪にブレーキをかけた状態で駆動輪から前後方向荷重Fx を加えることで、ブレーキによる影響を検出できる。
この場合に、2つの歪検出素子22A,22Bの前記円周方向の間隔を、転動体5の配列ピッチPの{1/2+n(n:整数)}倍、またはこれらの値に近似した値としても良い。この場合にも、両歪検出素子22A,22Bの信号a,bの加算値として求められる平均値は転動体5の通過による変動成分をキャンセルした値となり、差分値を用いて求められる振幅値は温度の影響やナックル・フランジ面間などの滑りの影響を相殺した値となる。
また、この実施形態では第3世代型の車輪用軸受100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装置は、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。
2…内方部材
3,4…転走面
5…転動体
20…センサユニット
21…歪み発生部材
21a…接触固定部
22,22A,22B…歪検出素子
30…センサECU
31…信号処理手段
32…荷重演算処理手段
33…校正モード実行手段
33a…異常報知部
34…ON/OFF情報入力手段
35…駆動トルク情報入力手段
40…温度センサ
96…トルクセンサ
98…上位ECU
100…車輪用軸受
Claims (19)
- 複列の転走面が内周に形成された外方部材、前記転走面と対向する転走面が外周に形成された内方部材、および両部材の対向する転走面間に介在した複列の転動体を有し、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受と、
軸受に加わる荷重を検出する1つ以上のセンサと、前記各センサの出力信号を処理して信号ベクトルを生成する信号処理手段と、前記信号ベクトルから前記車輪に加わる荷重を演算する荷重演算処理手段とを備えたセンサ付車輪用軸受装置において、
前記荷重演算処理手段による演算結果をチェックする校正モード実行手段を設けたことを特徴とするセンサ付車輪用軸受装置。 - 請求項1において、前記荷重演算処理手段は、ブレーキが軸受に与える影響をブレーキ変換係数として算出し、ブレーキOFF状態の演算係数行列からブレーキON状態の演算係数行列を求めて、ブレーキON時の荷重を演算する機能を有するセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項2において、前記校正モード実行手段は、既に保存されているブレーキ変換係数を、前記演算結果のチェックにより求めたブレーキ変換係数に書き換える機能を有するセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項2または請求項3において、前記ブレーキ変換係数のパラメータが、タイヤ半径/ブレーキキャリパ取付位置の半径比(α)と、ブレーキキャリパx軸からのブレーキキャリパ取付位置の角度(θ)であるセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか1項において、前記校正モード実行手段は、車両が静止状態でブレーキをONにして駆動トルクを印加したとき、検出した荷重値を用いて校正を実行するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項5において、車両が従動輪を持つとき、前記校正モード実行手段は、測定対象の従動輪のブレーキをONにして駆動輪から駆動トルクを印加することで、従動輪のブレーキの影響を求めるものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項5において、前記校正モード実行手段は、校正に用いるブレーキ情報および駆動トルク情報を、車両側に搭載されている上位ECUから入力するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項7において、前記車両が電動車両であり、前記駆動トルク情報が電動車両の駆動源である電動機の駆動回路に出力する指令値から推定されるもの、または前記電動機の入力電流値から推定されるものであるセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項1ないし請求項8のいずれか1項において、前記校正モード実行手段は、校正モードの実行により、センサ動作の異常を検出する機能を有するセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項1ないし請求項8のいずれか1項において、前記校正モード実行手段は、校正モードの実行により、出力トルクの異常を検出する機能を有するセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項10において、前記校正モード実行手段は、車両が静止状態でブレーキをONにして印加した駆動トルクと、前記荷重演算処理手段による演算結果から推定される入力トルクとの差分を評価値とし、この評価値を予め設定されたしきい値と比較して異常検出を行うものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項1ないし請求項11のいずれか1項において、軸受に加わる荷重を検出する前記センサを3つ以上設け、前記荷重演算処理手段は、前記3つ以上のセンサの出力信号から、車輪用軸受に作用する垂直方向荷重Fz 、前後方向の荷重Fx 、および軸方向荷重Fy を演算するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項1ないし請求項12のいずれか1項において、前記センサを、タイヤ接地面に対して上下位置および左右位置となる前記固定側部材の外径面の上面部、下面部、右面部および左面部に円周方向90度の位相差で4つ等配したセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項1ないし請求項13のいずれか1項において、前記各センサ上に温度センサを設け、前記信号処理手段は、前記温度センサの検出した温度に応じて各センサの出力信号を補正するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項1ないし請求項14のいずれか1項において、前記信号処理手段は、各センサの一定時間内の出力信号を用いてそれらの平均値を算出し、この平均値から前記信号ベクトルを生成し、荷重演算処理手段はその信号ベクトルから車輪に加わる荷重を演算するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項1ないし請求項14のいずれか1項において、前記信号処理手段は、各センサの一定時間内の出力信号を用いてそれらの平均値と振幅値を算出し、それらの値から前記信号ベクトルを生成し、荷重演算処理手段はその信号ベクトルから車輪に加わる荷重を演算するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項15または請求項16において、前記荷重演算処理手段は、前記信号ベクトルと所定の荷重推定パラメータとを用いた演算式で荷重を演算するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項1ないし請求項17のいずれか1項において、前記センサは、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の外径面に設けたセンサユニットであり、このセンサユニットは、前記固定側部材の外径面に接触して固定される3つ以上の接触固定部を有する歪み発生部材と、この歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出する2つ以上の歪検出素子を有するセンサ付車輪用軸受装置。
- 請求項18において、前記歪検出素子を、前記歪み発生部材の隣り合う第1および第2の接触固定部の間、および隣り合う第2および第3の接触固定部の間にそれぞれ設け、それらの歪検出素子の出力信号の位相差が転動体の配列ピッチの{n+1/2(n:整数)}倍となるように、隣り合う前記接触固定部の間隔、もしくは隣り合う前記歪検出素子の間隔を設定し、前記信号処理手段は、前記2つの歪検出素子の出力信号の和から平均値を求め、それらの値から前記信号ベクトルを生成し、荷重演算処理手段はその信号ベクトルから車輪に加わる荷重を演算するものとしたセンサ付車輪用軸受装置。
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