JP4812270B2 - 車輪用軸受装置 - Google Patents

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。このような車輪用軸受において、温度センサ、振動センサ等のセンサを設置し、回転速度の他に、自動車の運行に役立つ他の状態を検出できるようにしたものも提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００３−２７９４２５号公報

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での制御を可能とする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偏るなど、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。

特許文献１に示した荷重センサを内蔵した車輪用軸受では、ハブ輪の車輪取付フランジと、このフランジに車輪と重ねてボルトで締結されるブレーキロータとに互いに対面する環状凹部を形成し、これら両凹部間に圧電素子を設置することで、車輪に作用するトルクや路面反力等を前記圧電素子により測定している。しかし、このようにハブ輪の車輪取付フランジに環状凹部を形成すると、切り欠き効果によりハブ輪の耐久性が低下するという問題が有る。特に、通常の第３世代型の車輪用軸受装置では、強度上で最も弱い部位がハブ輪の車輪取付フランジであることが多いため、上記したように車輪取付フランジに圧電素子取付けのための環状凹部を形成する設計は極力回避しなければならない。また、圧電素子が取付けられるハブ輪は回転側部材であるため、圧電素子からの出力を外部に取り出すために、構造上の工夫が必要になり、コストアップの原因にもなる。

この発明の目的は、このような課題を解消し、強度上に問題を残すことなく、安価な構造で車輪にかかる荷重を精度良く測定できる車輪用軸受を提供することである。

この発明の車輪用軸受装置は、内周に複列の軌道面を有し外周にナックルに固定するための車体取付フランジを有する外方部材と、これら軌道面に対向する複列の軌道面を有する内方部材と、対向する軌道面間に介在した複列の転動体とを備え、接触角が背面合わせとなる複列のアンギュラ玉軸受型であり、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、前記転動体の負荷域の分布状態を測定する複数個の負荷域測定手段と、これら負荷域測定手段の測定値から車輪用軸受装置に負荷される荷重を推定する荷重推測手段とを備え、前記各負荷域測定手段を、外方部材の外径面における前記車体取付フランジよりもインボード側であってかつインボード側の転動体列と対応する軸方向位置の円周方向の等配位置にそれぞれ設け、前記荷重推測手段は、前記複数個の負荷域測定手段の測定値から得られる負荷域の分布状態から前記荷重を推測するものとしたことを特徴とする。
車輪用軸受装置に負荷される荷重が変化すると、転動体荷重の負荷域の分布も変化する。この負荷域を負荷域測定手段が測定し、その測定値から荷重推測手段が車輪用軸受装置に負荷される荷重を推定する。負荷域の測定は、例えば外方部材の外径面で行える。これらのため、強度上に問題を残すことなく、安価な構造で車輪にかかる荷重を精度良く測定できる。

この発明において、前記負荷域測定手段が、外方部材の変形を測定する歪みゲージにより構成されていても良い。
外方部材は転動体荷重により変形するので、負荷域測定手段である歪みゲージにより外方部材の変形を測定することにより、転動体荷重の負荷域の分布を測定できる。

この発明において、前記負荷域測定手段が、外方部材の変形を測定する圧電素子により構成されていても良い。この構成の場合も、負荷域測定手段である圧電素子が外方部材の変形を測定することで、転動体荷重の負荷域の分布を測定できる。

この発明において、前記負荷域測定手段が、車輪用軸受装置に生じる振動値を検出する振動検出手段であっても良い。
転動体は回転中に荷重非負荷域から負荷域に入ると、衝撃荷重を受け微小振動が発生する。この振動源を負荷域測定手段である振動検出手段で測定することにより負荷域を知ることができる。

この発明の車輪用軸受装置は、内周に複列の軌道面を有し外周にナックルに固定するための車体取付フランジを有する外方部材と、これら軌道面に対向する複列の軌道面を有する内方部材と、対向する軌道面間に介在した複列の転動体とを備え、接触角が背面合わせとなる複列のアンギュラ玉軸受型であり、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、前記転動体の負荷域の分布状態を測定する複数個の負荷域測定手段と、これら負荷域測定手段の測定値から車輪用軸受装置に負荷される荷重を推定する荷重推測手段とを設け、前記各負荷域測定手段を、外方部材の外径面における前記車体取付フランジよりもインボード側であってかつインボード側の転動体列と対応する軸方向位置の円周方向の等配位置にそれぞれ設け、前記荷重推測手段は、前記複数個の負荷域測定手段の測定値から得られる負荷域の分布状態から前記荷重を推測するものとしたため、強度上に問題を残すことなく、安価な構造で車輪にかかる荷重を精度良く測定することができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。この実施形態の車輪用軸受装置は第３世代型の内輪回転タイプで、かつ駆動輪支持用の車輪用軸受に適用した例である。なお、この発明において、車両に取付けた状態で車両の車幅方向外側寄りとなる側をアウトボード側と言い、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。図１では、左側がアウトボード側、右側がインボード側となる。
図１において、この車輪用軸受装置は、内周に複列の軌道面４を有する外方部材１と、これら軌道面４にそれぞれ対向する軌道面５を外周に有する内方部材２と、これら複列の軌道面４，５間に介在させた複列の転動体３とを備える。この軸受装置は、複列のアンギュラ玉軸受とされていて、上記各軌道面４，５は断面円弧状であり、各軌道面４，５は接触角が背面合わせとなるように形成されている。転動体３はボールからなり、各列毎に保持器６で保持されている。

外方部材１は固定側の部材となるものであって、図２のようにナックル（図示せず）に固定するための車体取付フランジ１ａを外周に有し、全体が一体の部材とされている。前記車体取付フランジ１ａは、車体（図示せず）に設置されたナックルに周方向複数箇所のボルト（図示せず）で締結される。なお図１は、図２におけるＡ−Ａ矢視断面図を示す。

内方部材２は回転側の部材となるものであって、車輪取付フランジ２ａを外周に有するハブ輪２Ａと、このハブ輪２Ａのインボード側の端部外径面に嵌合した別体の内輪２Ｂとからなり、ハブ輪２Ａおよび内輪２Ｂに、各列の軌道面５がそれぞれ形成される。ハブ輪２Ａには軸継手の継手部材である等速ジョイント１３の外輪１３ａが連結されている。ハブ輪２Ａは中央穴９を有し、この中央穴９に等速ジョイント外輪１３ａに一体に形成されたステム部１４が挿通される。このステム部１４の先端の雄ねじ部にナット１２を螺合させ、ハブ輪２Ａの中央穴９におけるアウトボード側に形成された段面２ｂにナット１２を押し当てることで、等速ジョイント外輪１３ａがハブ輪２Ａに対してアウトボード側に押し付けられて連結される。また、ステム部１４はハブ輪２Ａの中央穴９にスプライン嵌合される。

内輪２Ｂは、等速ジョイント外輪１３ａにおけるステム部１４の基端の段面１３ａａが、ナット１２の締め付けで内輪２Ｂのインボード側幅面に押し当てられることにより、ハブ輪２Ａに対して軸方向に締め付け固定される。内外の部材２，１間に形成される環状空間のアウトボード側およびインボード側の各開口端部は、密封装置である接触式のシール７，８で密封されている。

外方部材１の外径面におけるインボード側の転動体列と対応する軸方向位置であって、周方向の等配位置の上位置（反路面側位置）および下位置（路面側位置）には、転動体列における転動体３の負荷域を測定する負荷域測定手段１０がそれぞれ設けられている。ここでは負荷域測定手段１０として、外方部材１の変形を測定する歪みゲージが用いられている。負荷域測定手段１０の設置位置は外方部材１の外径面であり、その設置によって車輪用軸受装置に強度上の問題が残ることはない。これとは別に、この２つの負荷域測定手段１０の測定値から車輪用軸受装置に負荷される荷重を推測する荷重推測手段１１が設けられている。また、負荷域測定手段１０は固定側の部材である外方部材１に設けられることから、負荷域測定手段１０の出力を荷重推測手段１１に送信するために構造上の工夫が要らず、コストアップを招くことはない。

図３は、この車輪用軸受装置に負荷される荷重と負荷域との関係を示す説明図である。車輪用軸受装置は、車両に組み込んだ時には一般的に予圧状態にある。外部荷重が無負荷の時には、転動体３は図３（Ａ）のように全周にわたり均一荷重となり（転動体荷重：小）、したがって負荷域は大きい。しかし、外部から荷重負荷されると、負荷域は全周にわたり均一分布ではなくなり、図３（Ｂ）のように上位置側に負荷域が偏る。そして、負荷荷重が大きくなるにつれて、転動体荷重の偏りも大きくなり、負荷域が上位置側に集中する。つまり負荷域が小さくなる。

次に、上記車輪用軸受装置での荷重推定動作について説明する。転動体荷重により外方部材１は変形するが、図３に示す負荷域が異なると外方部材１の変形も異なる。この車輪用軸受装置では、外方部材１の外径面に負荷域測定手段１０である歪みゲージを設けているので、この負荷域測定手段１０が外方部材１の変形を負荷域の変化として測定する。すなわち、この実施形態では、周方向の等配置位置、つまり上位置と下位置に分けて負荷域測定手段１０を配置しているので、これら２つの負荷域測定手段１０により、負荷域の分布状態を測定することができる。また、これらの負荷域測定手段１０の測定値は荷重推定手段１１に入力されて、荷重推定手段１１はその測定値に基づき車輪用軸受装置に負荷される荷重を推測する。すなわち、概略的に言えば、上記負荷域測定手段１０の測定する負荷域が例えば図３（Ｂ）のものである場合には、荷重推定手段１１は車輪用軸受装置に負荷される荷重が中程度のものと推定する。また、負荷域測定手段１０の測定する負荷域が例えば図３（Ｃ）のものである場合には、荷重推定手段１１は車輪用軸受装置に負荷される荷重が大であると推定する。

また、この実施形態では、転動体列（ここではインボード側の転動作体列）と対応する軸方向位置に負荷域測定手段１０を設けているので、負荷域の測定感度が向上する。なお、この実施形態では、２つの負荷域測定手段１０を周方向の等配位置に分配して設けているが、その数を３つ以上として周方向の等配位置に配置することにより、負荷域の測定精度をさらに向上させることができる。

このように、この車輪用軸受装置では、転動体３の負荷域を測定する負荷域測定手段１０と、この負荷域測定手段１０の測定値から車輪用軸受装置に負荷される荷重を推定する荷重推測手段１１とを設けているので、車輪用軸受装置に強度上の問題を残すことなく、安価な構造で車輪にかかる荷重を精度良く測定できる。測定した荷重データは、ＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）やＴＣＳ（トラクションコントロールシステム）等の車両安定化のための各種装置のデータに利用することにより、車両の安定走行制御に寄与できる。

図４および図５は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態の車輪用軸受装置は、図１ないし図３に示す第１の実施形態において、転動体３の負荷域を測定する負荷域測定手段１０として、外方部材１の変形を測定する圧電素子を用いている。なお、図４は、図５におけるＢ−Ｂ矢視断面図を示す。また、この実施形態では、外方部材１の外径面の周方向の上位置にのみ負荷域測定手段１０を設けているが、第１の実施形態のように上下に等配して２つ設けても、さらに等配数を増やしても良い。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

なお、上記各実施形態では、負荷域測定手段１０として歪みゲージや圧電素子を用いた場合を示したが、これに限らず負荷域測定手段１０は、車輪用軸受装置に生じる振動値を検出する振動検出手段であっても良い。
すなわち、第１の実施形態の車輪用軸受装置において、転動体３は回転中に荷重非負荷域から負荷域に入ると、衝撃荷重を受け微小振動が発生する。この振動源を振動検出手段で測定することにより負荷域を知ることができ、負荷域の検出により外部からの入力荷重を推測できる。この場合、負荷域測定手段１０である振動検出手段は、外方部材１における周方向の上位置（反路面側の位置）に設けるのが好ましい。
この場合の振動源は、図３の説明図において、負荷域が小さい程（例えば図３（Ｃ）の状態）、検出位置に近づくことになる。また、負荷域が小さい程、転動体荷重が大きくなり、負荷域に転動体３が入った時の振動が大きい。この２つの理由により、上記したように上位置（反路面側の位置）に負荷域測定手段（振動検出手段）１０を配置することで、負荷域が小さくなる程、負荷域測定手段（振動検出手段）１０の検出する振動値が大きくなる。

図６は、参考提案例を示す。この提案例の車輪用軸受装置は複列のアンギュラ玉軸受形式のものであって、第１世代型に分類されるものである。この車輪用軸受装置では、外方部材１および内方部材２は、共にフランジを有せず、内方部材２の内周に別体のハブの軸部が嵌合する。外方部材１は全体が一体のものとされ、内方部材２は、２つの内輪２Ｂ１，２Ｂ２を軸方向に並べたものとされている。外方部材１の外径面におけるインボード側の転動体列に対応する軸方向位置の上位置と下位置に負荷域測定手段１０が設けられている。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

図７は、この発明の車輪用軸受装置のさらに他の実施形態を示す。この車輪用軸受装置も複列のアンギュラ玉軸受形式のものであって、第２世代型に分類されるものであり、駆動輪支持用である。この車輪用軸受装置では、第１の実施形態において、内方部材２が、ハブ輪２Ａと、このハブ輪２Ａの外径面に嵌合される内輪２Ｂとからなり、内輪２Ｂは軸方向に並ぶ２つの内輪２Ｂ１，２Ｂ２からなる。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

図８は、この発明の車輪用軸受装置のさらに他の実施形態を示す。この車輪用軸受装置も複列のアンギュラ玉軸受形式のものであって、第４世代型に分類されるものであり、駆動輪支持用である。この車輪用軸受装置では、第１の実施形態において、内方部材２がハブ輪２Ａと等速ジョイント外輪１３ａとからなり、そのアウトボー側列の軌道面５がハブ輪２Ａの外径面に、インボード側列の軌道面５が等速ジョイント外輪１３ａの外径面にそれぞれ形成されている。また、インボード側のシール８は、外方部材１のインボード側端部と等速ジョイント外輪１３ａとの間の空間を密封する。その他の構成は第１の実施形態の場合と略同じである。

なお、前記各実施形態は、いずれもアンギュラ玉軸受形式の車輪用軸受装置に適用した場合につき説明したが、この発明は複列円すいころ軸受形式の車輪用軸受装置にも適用することができる。

この発明の第１の実施形態にかかる車輪用軸受装置の断面図である。 図１におけるＣ方向から見た車輪用軸受装置の正面図である。 車輪用軸受装置に負荷される転動体荷重と負荷域の関係を示す説明図である。 この発明の他の実施形態にかかる車輪用軸受装置の断面図である。 図４におけるＤ方向から見た車輪用軸受装置の正面図である。 参考提案例にかかる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車輪用軸受装置の断面図である。

符号の説明

１…外方部材
２…内方部材
３…転動体
４，５…軌道面
１０…負荷域測定手段
１１…荷重推定手段

Claims (4)

1. 内周に複列の軌道面を有し外周にナックルに固定するための車体取付フランジを有する外方部材と、これら軌道面に対向する複列の軌道面を有する内方部材と、対向する軌道面間に介在した複列の転動体とを備え、接触角が背面合わせとなる複列のアンギュラ玉軸受型であり、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、
   前記転動体の負荷域の分布状態を測定する複数個の負荷域測定手段と、これら負荷域測定手段の測定値から車輪用軸受装置に負荷される荷重を推定する荷重推測手段とを備え、前記各負荷域測定手段を、外方部材の外径面における前記車体取付フランジよりもインボード側であってかつインボード側の転動体列と対応する軸方向位置の円周方向の等配位置にそれぞれ設け、前記荷重推測手段は、前記複数個の負荷域測定手段の測定値から得られる負荷域の分布状態から前記荷重を推測するものとしたことを特徴とする荷重センサ付車輪用軸受装置。
2. 請求項１において、前記負荷域測定手段が、外方部材の変形を測定する歪みゲージにより構成される荷重センサ付車輪用軸受装置。
3. 請求項１において、前記負荷域測定手段が、外方部材の変形を測定する圧電素子により構成される荷重センサ付車輪用軸受装置。
4. 請求項１において、前記負荷域測定手段が、車輪用軸受装置に生じる振動値を検出する振動検出手段である荷重センサ付車輪用軸受装置。

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