JP4239758B2

JP4239758B2 - センサ付きハブユニット

Info

Publication number: JP4239758B2
Application number: JP2003306053A
Authority: JP
Inventors: 健一上月; 桂小八木; 昌弘井上
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: CN1842700A; JP2005076700A; CN100520327C

Description

この発明は、自動車を構成するハブユニットと自動車の各種情報を検出するセンサ装置とが一体化されたセンサ付きハブユニットに関する。

自動車においては、その制御を行うために種々の情報が必要であることから、車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、および両部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットに、センサ装置を設けることが提案されている。例えば、特許文献１には、車体側軌道部材の内端面に環状の支持部材を取り付け、この環状支持部材に歪みセンサを貼り付けたセンサ付きハブユニットが開示されている。

近年、自動車の制御手段として、ＡＢＳ制御（アンチロックブレーキシステム）に加えて、発進時や加速時に駆動輪をスピンさせない駆動力制御やコーナリング時の横滑りを抑制するブレーキ力制御などが実施されているが、より精度のよい制御を行うために、これらの制御に有効に使用できるデータの検出が重要となっている。このような実情に鑑み、本発明者らは、タイヤ（車輪）にかかる接地荷重を精度よく測定して、車両制御の向上を図るという課題を創出した。

これに対し、特許文献１のセンサ付きハブユニットでは、環状支持部材の歪みを測定するものであるので、この歪みからタイヤ接地荷重を求める場合に、誤差が大きくなり、歪みセンサの測定値から精度よくタイヤ接地荷重を得ることができないという問題があった。そこで、本発明者は、磁歪センサを利用してタイヤ接地荷重を精度よく求めることを提案した（特許文献２）。
特開平３−２０９０１６号公報特願２００２−１４２４１７

上記特許文献２のセンサ付きハブユニットによると、磁歪センサを取り付ける箇所が適切である場合には、期待通りの効果が得られるが、磁歪センサを取り付ける箇所が不適切であると、検知される逆磁歪効果が小さくなり、その結果、得られるタイヤ接地荷重の誤差が大きくなることがあった。また、車両制御に好適なデータとして、タイヤ接地荷重のうち左右方向成分だけを取り出すことが要望されているが、磁歪センサを取り付ける箇所が不適切であると、この左右方向タイヤ接地荷重を精度よく求めることができないという問題もあった。

この発明の目的は、センサ（磁歪センサだけでなく、変位センサを含む）を取り付けるに際し、ハブユニットにおける逆磁歪効果または変位量が大きくなる箇所を特定することにより、センサの取付け位置を適正化し、これにより、センサを使用してタイヤ接地荷重を精度よく求めることができるようにするとともに、左右方向タイヤ接地荷重だけを取り出して求めることも可能としたセンサ付きハブユニットを提供することにある。

この発明によるセンサ付きハブユニットは、車体側に固定される車体側軌道部材、車輪取付け用のフランジを有する内軸および内軸に嵌められた内輪を有し車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、ならびに両軌道部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットと、センサ装置とを備えているセンサ付きハブユニットにおいて、センサ装置は、変位センサを有し、変位センサは、車体側に近い内輪の最上部または最下部において最大となる径方向変位を測定可能なように、車体側軌道部材に取り付けられ、センサ出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係式を予め求めておくことにより、変位センサの出力から左右方向タイヤ接地荷重が検出されることを特徴とするものである。

変位センサとしては、渦電流式のもの、レーザー式のもの、ＰＳＤを使用した光学式のもの、超音波式のもの、磁気式のもの、磁歪式のものなどのいずれであってもよく、また、非接触式でなく接触式であってもよい。

走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴って、各タイヤに掛かる接地荷重が変動するが、この際、車輪側軌道部材（特に内輪）および車体側軌道部材の変位がタイヤ接地荷重に応じて変化する。この変位の変化を変位センサで検知して逆算することにより、タイヤ接地荷重の変動量を求めることができる。

タイヤに接地荷重が作用すると、ハブユニット各部には圧縮または引張りの歪みが生じる。通常、ハブユニットの二列の転動体間の中央を通る鉛直線は、タイヤの中心を通る鉛直線よりも軸方向外側にあり、内軸および内輪からなる車輪側軌道部材を有しているハブユニットでは、車体側に近い内輪に相対的に大きな歪み（変位）が生じる。この内輪の変位は、接地中心の反対側である最上部および接地中心側の最下部において最大となる。したがって、この内輪の最上部または最下部における変位を検知するように変位センサを配置することにより、より大きな変位を検知することができる。しかも、この変位を検知して得られる変位センサの出力は、左右方向タイヤ接地荷重との相関が極めて高く、したがって、センサ出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係式を予め求めておくことにより、内輪の変位から左右方向タイヤ接地荷重を求めることができる。

この発明によるセンサ付きハブユニットにおいて、変位センサは、内輪の径方向の変位を測定可能なように、内輪の肩部端面に臨まされていることがあり、変位センサは、車体側軌道部材に径方向外方から臨まされていることがあり、変位センサは、車体側軌道部材のフランジに軸方向内方から臨まされていることがある。いずれの場合でも、変位センサは、大きな変位を検知することができる。

この発明のセンサ付きハブユニットによると、変位センサが内輪または車体側軌道部材の最大変位量部分の変位を検出するので、変位が大きい箇所での測定となり、したがって、タイヤ接地荷重を精度よく検出することができる。こうして得られたタイヤ接地荷重は、ＡＢＳ制御におけるスリップ率の代替えデータとして使用されるほか、駆動力制御やブレーキ力制御などにおいて使用され、車両制御の精度向上に資することができる。しかも、内輪および車体側軌道部材の変位のいずれを検知する場合でも、変位センサの出力は、左右方向タイヤ接地荷重との相関が極めて高く、したがって、変位から左右方向タイヤ接地荷重を求めることができる。こうして、得られた左右方向タイヤ接地荷重は、車両旋回時等の制御に重要なデータとなり、車輪がスリップを起こす前の制御が可能となる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は、第１の発明のセンサ付きハブユニットの第１実施形態を示している。以下の説明において、左右は図１の左右をいうものとする。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。

このセンサ付きハブユニットは、ハブユニット(1)と、その回転およびタイヤ接地荷重を検出するセンサ装置(2)とを備えている。

ハブユニット(1)は、車体側に固定される車体側軌道部材(3)、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材(4)、両部材(3)(4)の間に２列に配置された複数の転動体である玉(5)、および各列の玉(5)をそれぞれ保持する保持器(6)を備えている。

車体側軌道部材(3)は、軸受の外輪（固定輪）機能を有しているもので、内周面に２列の外輪軌道が形成されている円筒部(12)と、円筒部(12)の左端部近くに設けられて懸架装置（車体）にボルトで取り付けられるフランジ部(13)とを有している。

車輪側軌道部材(4)は、第１の軌道溝(15a)を有する大径部(15)および第１の軌道溝(15a)の径よりも小さい外径を有する小径部(16)を有している内軸(14)と、内軸(14)の小径部(16)外径に嵌め止められて右面が内軸(14)の大径部(15)左面に密接させられている内輪(17)とからなる。内軸(14)の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト(19)が固定されたフランジ部(18)が設けられている。内輪(17)の右部には、内軸(14)の軌道溝(15a)と並列するように、軌道溝(17a)が形成されており、内輪(17)の左部に肩部(17b)が形成されている。車体側軌道部材(3)の右端部と内軸(14)との間には、シール装置(20)が設けられている。内軸(14)の小径部(16)の左端部には、おねじ部が設けられており、このおねじ部にねじ合わされたナット(21)によって、内輪(17)が内軸(14)に固定されている。車体側軌道部材(3)の左端部には、カバー(22)が被せ止められている。

センサ装置(2)は、車体側軌道部材(3)に取り付けられた支持部材(7)と、支持部材(7)に取り付けられた磁歪センサ(8)と、磁歪センサ(8)の出力を処理する処理手段（図示略）とを備えている。そして、磁歪センサ(8)は、磁気インピーダンスセンサとされており、そのセンシング面は、車輪側軌道部材(4)の内輪(17)の最上部の左端面における引張り歪みを測定するように、内輪(17)の最上部左端面に径方向外方から臨まされている。

タイヤに接地荷重（ラジアル荷重およびアキシアル荷重）が作用すると、ハブユニット(1)各部には圧縮または引張りの歪みが生じる。通常、ハブユニット(1)の二列の玉(5)間の中央を通る鉛直線(C)は、タイヤの中心(O)を通る鉛直線よりも軸方向外側にあり、内軸(14)および内輪(17)からなる車輪側軌道部材(4)を有している上記のハブユニット(1)では、車体側に近い内輪(17)に相対的に大きな歪みが生じる。この内輪(17)の歪みは、接地中心の反対側である最上部において最大となる引張り方向の歪みとなる。磁歪センサ(8)は、圧縮歪みに対しては、これに直交する方向から、また、引張り歪みに対しては、これと同じ方向から臨まされたときに最大の感度を示す。したがって、図１に示すように、この内輪(17)の左端面の引張り歪みを検知するように、磁歪センサ(8)を内輪肩部(17b)の最上部のすぐ外方に配置することにより、大きな逆磁歪効果が検知される。

図３は、上記の引張り方向の歪みを検知して得られる磁歪センサの出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係を調査した結果を示す。同図に示すように、歪み（ＭＩ出力電圧変化量）と横Ｇ（左右方向タイヤ接地荷重）とは、直線関係にあり、したがって、センサ出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係式（ｙ＝ａｘ＋ｂにおけるａとｂ）を予め求めておくことにより、内輪(17)の径方向引張り歪みから左右方向タイヤ接地荷重を求めることができる。

図２は、第１の発明のセンサ付きハブユニットの第２実施形態を示している。この第２実施形態のセンサ付きハブユニットは、センサ装置の構成が第１実施形態のものと異なっており、以下の説明においては、同じ構成には同じ符号を付しその説明を省略する。

第２実施形態のセンサ付きハブユニットのセンサ装置(2)は、車体側軌道部材(3)に取り付けられた支持部材(7)と、支持部材(7)に取り付けられた磁歪センサ(9)と、磁歪センサ(9)の出力を処理する処理手段（図示略）とを備えている。そして、磁歪センサ(9)は、磁気インピーダンスセンサとされており、そのセンシング面は、車輪側軌道部材(4)の内輪(17)の最上部の外周面における引張り歪みを測定するように、車輪側軌道部材(4)の内輪肩部(17b)の最上部の左端面に軸方向左方から臨まされている。こうして、内輪(17)の軸方向引張り歪みを検知するように、磁歪センサ(9)を内輪肩部(17b)の最上部のすぐ左方に配置することにより、大きな逆磁歪効果が検知される。

上記の引張り方向の歪みを検知して得られる磁歪センサの出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係は、図３と同様で、歪み（ＭＩ出力電圧変化量）と横Ｇ（左右方向タイヤ接地荷重）とは、直線関係にあり、したがって、センサ出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係式（ｙ＝ａｘ＋ｂにおけるａとｂ）を予め求めておくことにより、内輪(17)の軸方向引張り歪みから左右方向タイヤ接地荷重を求めることができる。

図４は、第１の発明のセンサ付きハブユニットの第３実施形態を示している。この第３実施形態のセンサ付きハブユニットは、センサ装置の構成が第１実施形態のものと異なっており、以下の説明においては、第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付しその説明を省略する。

センサ装置(2)は、車体側軌道部材(3)に取り付けられた支持部材(7)と、支持部材(7)に取り付けられた磁歪センサ(10)と、磁歪センサ(10)の出力を処理する処理手段（図示略）とを備えている。そして、磁歪センサ(10)は、磁気インピーダンスセンサとされており、そのセンシング面は、車体側軌道部材(3)の最下部の外周面に径方向外方から臨まされている。

タイヤに接地荷重（ラジアル荷重およびアキシアル荷重）が作用すると、ハブユニット(1)各部には圧縮または引張りの歪みが生じる。通常、ハブユニット(1)の二列の玉(5)間の中央を通る鉛直線(C)は、タイヤの中心(O)を通る鉛直線よりも軸方向外側にあり、ハブユニット(1)の車体側軌道部材(3)では、２列の玉(5)間の中央を通る鉛直線の近傍で相対的に大きな歪みが生じる。この車体側軌道部材(3)の歪みは、接地中心側である最下部において最大となる圧縮方向の歪みとなり、また、接地中心の反対側である最上部においは、引張り方向で最大の歪みとなる。磁歪センサ(10)は、圧縮歪みに対しては、これに直交する方向から、また、引張り歪みに対しては、これと同じ方向から臨まされたときに最大の感度を示す。したがって、図４に示すように、この車体側軌道部材(3)の軸方向圧縮歪みを検知するように、磁歪センサ(10)を車体側軌道部材(3)の玉近傍部の外周面のすぐ外方に配置することにより、大きな逆磁歪効果が検知される。

図５は、上記の圧縮方向の歪みを検知して得られる磁歪センサの出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係を調査した結果を示す。同図に示すように、歪み（ＭＩ出力電圧変化量）と横Ｇ（左右方向タイヤ接地荷重）とは、直線関係にあり、したがって、センサ出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係式（ｙ＝ａｘ＋ｂにおけるａとｂ）を予め求めておくことにより、車体側軌道部材(3)の圧縮方向歪みから左右方向タイヤ接地荷重を求めることができる。

なお、第３実施形態において、磁歪センサ(10)は、左列の玉(5)の近傍に臨まされているが、この位置と二列の玉(5)間の中央を通る鉛直線(C)を介して対称位置となる右列の玉(5)の近傍位置に磁歪センサ(10)を設けても上記と同様の効果を得ることができる。

また、各実施形態において磁歪センサ(8)(9)(10)を支持する支持部材(7)については、取付け位置およびその形状は特に限定されるものではない。

上記第１から第３までの各実施形態において、車体側軌道部材(3)および車輪側軌道部材(4)は、鉄系磁性体である機械構造用炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）製、転動部材(5)は、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）またはセラミックス製、保持器(6)は、樹脂製（ポリアミド６６）とされている。ここで、転動部材(5)をセラミックス製とする場合、車体側軌道部材(3)および車輪側軌道部材(4)が磁性を有しているのに対し、転動部材(5)および保持器(6)が非磁性材料によって形成されていることから、内輪(17)および内軸(14)の回転に伴ってこれらが磁歪センサ(8)(9)(10)に対し近づいたり遠ざかったりしても、内輪(17)の肩部(17b)近傍および車体側軌道部材(3)の玉近傍部の磁場には影響を及ぼさないため、玉(5)および保持器(6)の回転に起因する誤差（ノイズ）が生じず、高感度の磁歪センサ(8)(9)(10)が検知するデータに含まれる誤差を非常に小さくすることができる。こうして、このセンサ付きハブユニットによると、磁歪センサ(8)(9)(10)によって、ハブユニット(1)の回転（回転数、回転速度、回転角度など）が求められるとともに、ハブユニット(1)にかかる力が精度よく検出される。

次いで、第２の発明（この発明）によるセンサ付きハブユニットについて説明する。

第２の発明のセンサ付きハブユニットの第１実施形態を図６に示す。この実施形態では、図１ではセンサが磁歪センサ(8)とされているのに対し、磁歪センサに代えて変位センサ(11)が使用されている。そして、この変位センサ(11)により、内輪(17)肩部(17b)の外周面の径方向変位が検知されるようになされている。なお、図６において、センサ(11)以外は、図１に示したものと同じであり、同じ構成には同じ符号を付してその説明を省略する。

図７は、上記の径方向の変位を検知して得られる変位センサ(11)の出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係を調査した結果を示す。同図に示すように、変位と横Ｇ（左右方向タイヤ接地荷重）とは、直線関係にあり、したがって、センサ出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係式（ｙ＝ａｘ＋ｂにおけるａとｂ）を予め求めておくことにより、内輪肩部の径方向の変位から左右方向タイヤ接地荷重を求めることができる。

なお、第２の発明のセンサ付きハブユニットの第１実施形態においては、変位センサ(11)を図６に示した位置から１８０°ずらし、最下部における内輪(17)肩部(17b)の外周面の変位を測定するようにしてもよく、この場合でも上記と同様の効果を得ることができる。

第２の発明のセンサ付きハブユニットの第２実施形態は、図４における磁歪センサ(10)を変位センサに置き換え、この変位センサにより、車体側軌道部材(3)の外周面の径方向変位を検知するようになされたものである。センサの内部構造は異なるが、この実施形態の図は、図４と同じであるので、その図示は省略する。

図９は、上記の車体側軌道部材(3)の径方向の変位を検知して得られる変位センサの出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係を調査した結果を示す。同図に示すように、変位と横Ｇ（左右方向タイヤ接地荷重）とは、直線関係にあり、したがって、センサ出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係式（ｙ＝ａｘ＋ｂにおけるａとｂ）を予め求めておくことにより、車体側軌道部材の径方向の変位から左右方向タイヤ接地荷重を求めることができる。

図８は、第２の発明のセンサ付きハブユニットの第３実施形態を示す。この第３実施形態のセンサ付きハブユニットは、変位センサ(11)により、車体側軌道部材(3)のフランジ(18)の軸方向変位を検知するようになされたものである。図８において、図６に示した第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付しその説明を省略する。

センサ装置(2)は、車体側軌道部材(3)に取り付けられた支持部材(7)と、支持部材(7)に取り付けられた変位センサ(11)と、変位センサ(11)の出力を処理する処理手段（図示略）とを備えている。そして、変位センサ(11)は、車体側軌道部材(3)のフランジ(18)の左側面に軸方向内方（左方）から臨まされている。

第３実施形態における変位センサ(11)の出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係は、図９と同様であり、したがって、センサ出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係式（ｙ＝ａｘ＋ｂにおけるａとｂ）を予め求めておくことにより、車体側軌道部材(3)のフランジ(18)の軸方向変位から左右方向タイヤ接地荷重を求めることができる。

なお、第２の発明のセンサ付きハブユニットの第２および第３実施形態においては、変位センサ(11)を図示した位置から１８０°ずらして、最上部における車体側軌道部材(3)の外径またはフランジ(18)の変位を測定してもよく、この場合でも上記と同様の効果を得ることができる。

また、各実施形態において変位センサ(11)を支持する支持部材(7)については、取付け位置およびその形状は特に限定されるものではないが、支持部材(7)の基部は、車体側軌道部材(3)の車体に固定される部分近傍に固定されることが好ましい。

第１の発明によるセンサ付きハブユニットの第１実施形態を示す縦断面図である。第１の発明によるセンサ付きハブユニットの第２実施形態を示す縦断面図である。第１の発明の第１および第２実施形態における磁歪センサの出力と横Ｇとの関係を示すグラフである。第１の発明によるセンサ付きハブユニットの第３実施形態を示す縦断面図である。第１の発明の第３実施形態における磁歪センサの出力と横Ｇとの関係を示すグラフである。第２の発明によるセンサ付きハブユニットの第１実施形態を示す縦断面図である。第２の発明の第１実施形態における変位センサの出力と横Ｇとの関係を示すグラフである。第２の発明によるセンサ付きハブユニットの第３実施形態を示す縦断面図である。第２の発明の第２および第３実施形態における変位センサの出力と横Ｇとの関係を示すグラフである。

符号の説明

(1) ハブユニット
(2) センサ装置
(3) 車体側軌道部材
(4) 車輪側軌道部材
(5) 玉（転動体）
(8) 径方向引張り歪み測定用磁歪センサ
(9) 軸方向引張り歪み測定用磁歪センサ
(10) 軸方向圧縮歪み測定用磁歪センサ
(11) 変位センサ
(17) 内輪
(17b) 内輪肩部

Claims

車体側に固定される車体側軌道部材、車輪取付け用のフランジを有する内軸および内軸に嵌められた内輪を有し車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、ならびに両軌道部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニットと、センサ装置とを備えているセンサ付きハブユニットにおいて、
センサ装置は、変位センサを有し、変位センサは、車体側に近い内輪の最上部または最下部において最大となる径方向変位を測定可能なように、車体側軌道部材に取り付けられ、センサ出力と左右方向タイヤ接地荷重との関係式を予め求めておくことにより、変位センサの出力から左右方向タイヤ接地荷重が検出されることを特徴とするセンサ付きハブユニット。
変位センサは、内輪の径方向の変位を測定可能なように、内輪の肩部端面に臨まされている請求項１のセンサ付きハブユニット。