JP4385706B2 - 車輪荷重検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両の車輪荷重を検出する装置に関し、特に、ダブルウイッシュボーン形式の車輪懸架機構が設けられている車両における車輪荷重検出装置に関する。

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、車輪に作用する応力を測定することが提案されている。

例えば、特許文献１には、車両の車軸に孔を設け、これに応力センサを埋設した車輪作用力測定装置が開示されている。
特開平８−１５２３７０号公報

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、本願発明者は、車輪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。

しかしながら、上記従来の検出装置では、車軸に孔を設けることから、加工のための手間の増加や加工による車軸の強度低下などの問題があった。また、応力センサを設置するに際し、車輪懸架機構がマクファーソンストラット形式であるかダブルウイッシュボーン形式であるかについては、上記特許文献を含め、従来は全く考慮されていなかった。

この発明の目的は、ダブルウイッシュボーン形式の車輪懸架機構に着目し、これを有する車両において、強度を低下させずに、車輪荷重を精度よく求めることができる車輪荷重検出装置を提供することにある。

この発明による車輪荷重検出装置は、車輪を回転可能に支持するハブユニットと、外端部がハブユニットに回動可能に支持されかつ内端部が車体に回動可能に支持されているロアアームと、下端部がロアアームに回動可能に支持されかつ上端部が車体に回動可能に支持されているショックアブソーバと、ショックアブソーバに巻装されたコイルばねとを有しているダブルウイッシュボーン形式の車輪懸架機構が設けられている車両の車輪荷重を検出する装置であって、ロアアームに取り付けられた少なくとも２つの応力センサと、応力センサの出力から車輪が受ける荷重を求める処理手段とを備えており、応力センサは、キングピン角度に沿うように設けられている縦荷重検出用センサと、ロアアーム長さ方向に沿うように設けられている横荷重検出用センサとを有していることを特徴とするものである。

応力センサとしては、圧電素子（ピエゾ素子）、ＳＩセンサ（応力インピーダンスセンサ）、薄膜圧力センサなどの比較的安価な接触式高感度センサが適している。圧電素子は、圧縮されると印加圧力に比例した電圧が発生する特性を有する物質を利用したもので、圧電素子としては、プラスチック製（圧電効果を有するＰＶＤＦから作られたもの）やチタン酸ジルコン酸鉛などの結晶質セラミック製などのものが例示される。ＳＩセンサは、アモルファス磁性ワイヤに高周波電流を通電すると、表皮効果により外部印加張力に対してワイヤ両端電圧が敏感に変化することを利用したもので、歪み当たりの電圧変化率であるゲージ率は、約１２００で、半導体歪みゲージのゲージ率の６倍以上に達する。薄膜圧力センサは、アルミニウム箔表面に形成した高Ｃ軸配向性窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の薄膜の圧電性を圧力検出の原理に用いたフレキシブルな圧力センサである。

縦荷重検出用センサおよび横荷重検出用センサは、１カ所だけに設けられてもよく、複数カ所に設けられてもよい。複数カ所に設けて、検知方向毎に出力を加算することにより、精度良く歪み量を検知することができ、精度の良い荷重を得ることができる。

応力センサは、キングピン角度に沿うように設けられている縦荷重検出用センサと、ロアアーム長さ方向に沿うように設けられている横荷重検出用センサとを有していることにより、キングピン角度に沿うように設けられた縦荷重検出用センサによって、車輪にかかる縦荷重（上下方向荷重）が横荷重の変化による誤差を最小にして求められ、ロアアーム長さ方向に沿うように設けられた横荷重検出用センサによって、車輪にかかる横荷重の大きさが縦荷重の変化による誤差を最小にして求められる。こうして得られた縦荷重および横荷重は、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。

横荷重検出用センサを複数カ所に設けるに際しては、横荷重検出用センサは、２つとされて、タイヤ４輪の路面との接地点を結ぶ平面に平行にかつロアアームの同一円周上の１８０°対角位置にそれぞれ１つずつ設けられているようにすることが好ましい。このようにすると、例えば制動時には、ロアアームの前面に設置された圧力センサには圧縮歪みが生じ、ロアアームの後面に設置された圧力センサには引張り歪みが生じ、これらの出力の差動を監視することにより前後方向荷重を精度良く検知することができる。こうして、横荷重として左右荷重および前後荷重の両方を別個に求めることができまた、出力の差動を求めることにより、センサ毎の温度変化による出力変化も打ち消すことができる。

また、応力センサは、ロアアームの上面、下面、前面および後面の計４カ所に設けられていることがある。このようにすると、ロアアームの上面および下面に設けられた応力センサによって縦荷重が検出され、ロアアームの前面および後面に設けられた応力センサによって前後方向荷重が検出され、左右方向荷重については、４個のセンサのうちの１個のみあるいは４個の出力合計のいずれから求められる。こうして得られた縦荷重および横荷重は、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。

この発明の車輪荷重検出装置によると、ロアアームに生じる応力が応力センサによって検知される。ダブルウイッシュボーン形式の車輪懸架機構は、車輪の荷重を支持する部分として横荷重も負担するようになされており、得られた応力は、車輪（タイヤ）が受ける荷重と相関が高く、この応力を使用することにより、車輪荷重を精度よく検出することができる。

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、この発明の車輪荷重検出装置の第１実施形態を示している。以下の説明において、車の進行方向を前、この逆方向を後といい、左右は、進行方向に向かっていうものとし、左右および上下は、図の左右および上下をいうものとする。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。

この車輪荷重検出装置は、ダブルウイッシュボーン形式の車輪懸架機構が設けられている車両の車輪荷重を検出する装置であって、ロアアーム(3)に取り付けられた少なくとも１つの応力センサ(11)(12)と、応力センサ(11)(12)の出力から車輪が受ける荷重を求める処理手段（図示略）とを備えている。

ダブルウイッシュボーン形式の車輪懸架機構は、車輪を回転可能に支持するハブユニット(2)と、外端部がハブユニット(2)に回動可能に支持されかつ内端部が車体(1)に回動可能に支持されているロアアーム(3)と、下端部がロアアーム(3)に回動可能に支持されかつ上端部が車体(1)に回動可能に支持されているショックアブソーバ(4)と、ショックアブソーバ(4)に巻装されたコイルばね(5)とを有している。

応力センサ(11)(12)は、キングピン角度に沿うように設けられている縦荷重検出用応力センサ(11)と、ロアアーム(3)の長さ方向に沿うように設けられている横荷重（左右荷重および前後荷重）検出用応力センサ(12)とを有している。縦荷重検出用応力センサ(11)によって、車輪にかかる縦荷重の大きさが求められ、横荷重検出用応力センサ(12)によって、車輪にかかる横荷重（左右荷重および前後荷重）の大きさが求められる。

各センサ(11)(12)の出力値と荷重値との関係は、ロアアームなど車輪懸架機構の構造に依存するが、相関性は高いので、センサ(11)(12)の出力値から縦荷重および横荷重を求める式を予め求めておき、この式が処理手段に蓄えられる。処理手段では、４輪すべての車輪荷重（縦荷重および横荷重）を求めることができる。

図１では、車を後方から見たと考え、ロアアーム(3)の後面に各センサ(11)(12)が１つずつ設けられている例を図示しているが、各センサ(11)(12)の数および設置位置は、図示したものに限られるものではない。

例えば、横荷重センサ(12)をロアアーム(3)の前面にも後面と同じ箇所に設けることにより、前後方向荷重の検知が可能となる。すなわち、制動時にはタイヤが停止しようとすることから、車体は慣性で前に進もうとし、結果として、ロアアーム(3)の前面に設置された圧力センサ(12)には圧縮歪みが生じ、ロアアーム(3)の後面に設置された圧力センサ(12)には引張り歪みが生じる。そこで、これらの出力の差動を監視することにより前後方向荷重が精度良く検知できる。

図２は、この発明の車輪荷重検出装置の第２実施形態を示している。この実施形態は、第１実施形態とセンサ貼り付け位置が異なっているもので、応力センサ(13)(14)は、ロアアーム(3)のハブユニット側端部の上面、下面、前面および後面の計４カ所にそれぞれロアアーム(3)の長さ方向に沿うように設けられている。

ロアアーム(3)の上面および下面に設けられた応力センサＡ(13)および応力センサＢ(13)が左右方向荷重および上下方向荷重検出用であり、ロアアーム(3)の前面および後面に設けられた応力センサＣ(14)および応力センサＤ（図には現れず）が左右方向荷重および前後方向荷重検出用である。センサＡ(13)およびセンサＢ(13)によって直線走行時および車両旋回時の上下方向荷重の大きさが求められ、センサＣ(14)およびセンサＤによって、制動時および加速時の進行方向から受ける前後方向荷重の大きさが求められる。また、左右方向荷重については、４個のセンサ(13)(14)のうちの１個のみあるいは４個の出力合計のいずれからでも求めることができる。

各応力センサ(13)(14)の出力値と荷重値との関係は、ロアアームなど車輪懸架機構の構造に依存するが、相関性は高いので、応力センサ(13)(14)の出力値から縦荷重および横荷重を求める式を予め求めておき、この式が処理手段に蓄えられる。例えば、図に矢印で示す方向の上下方向荷重がかかると、下にあるセンサＡ(13)に引張り応力、上にあるセンサＢ(13)に圧縮応力がかかり、（センサＡ(13)の出力−センサＢ(13)の出力）＝上下方向荷重によるサスペンション部材(3)の曲げ歪みとなり、処理手段では、センサＡ(13)とセンサＢ(13)の出力値の差動で精度よく上下方向荷重を求めることができる。同様にして、センサＣ(14)およびセンサＤ(14)については、（センサＣ(14)の出力−センサＤ(14)の出力）＝前後方向荷重によるサスペンション部材(3)の曲げ歪みとなり、制動時および加速時の進行方向より受ける前後方向荷重を求めることができる。上下方向荷重および前後方向荷重については、出力の差動を求めることにより、センサ毎の温度変化による出力変化も打ち消される。左右方向荷重の温度変化による出力変化については、必要に応じて補正される。こうして、４輪すべての車輪荷重（上下方向荷重、左右方向荷重および前後方向荷重）を検知することができる。

この発明による車輪荷重検出装置の第１実施形態を示す斜視図である。 この発明による車輪荷重検出装置の第２実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

(1) 車輪懸架機構
(2) ショックアブソーバー
(3) ロアアーム
(11) 縦荷重検出用応力センサ
(12) 横荷重（左右荷重および前後荷重）検出用応力センサ
(13) 左右方向荷重および上下方向荷重検出用応力センサ
(14) 左右方向荷重および前後方向荷重検出用応力センサ

Claims (2)

1. 車輪を回転可能に支持するハブユニットと、外端部がハブユニットに回動可能に支持されかつ内端部が車体に回動可能に支持されているロアアームと、下端部がロアアームに回動可能に支持されかつ上端部が車体に回動可能に支持されているショックアブソーバと、ショックアブソーバに巻装されたコイルばねとを有しているダブルウイッシュボーン形式の車輪懸架機構が設けられている車両の車輪荷重を検出する装置であって、ロアアームに取り付けられた少なくとも２つの応力センサと、応力センサの出力から車輪が受ける荷重を求める処理手段とを備えており、応力センサは、キングピン角度に沿うように設けられている縦荷重検出用センサと、ロアアーム長さ方向に沿うように設けられている横荷重検出用センサとを有していることを特徴とする車輪荷重検出装置。
2. 横荷重検出用センサは、ロアアームの同一円周上の１８０°対角位置にそれぞれ設けられている請求項１の車輪荷重検出装置。

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