JP4847444B2 - 4つの歪みゲージを有する変形検知ベアリング - Google Patents

4つの歪みゲージを有する変形検知ベアリング Download PDF

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Description

本発明は、固定即ち「静止」リングと、回転リングと、前記リング間に形成されこれらが互いに対して回転できるようにした軌道内に配置された少なくとも1列の転動体とを備えているベアリングに関する。
これは、通例、自動車両の車輪用ベアリングに適用され、静止リングは前記車両の車体に固着され、車輪が回転リングと連動する。
車輪と車輪が回転している表面との間の界面に加えられる力を判定することが望ましい場合、タイヤまたは車体において前記力を測定可能であることが知られている。生憎、タイヤにおける測定では、タイヤの回転基準フレームと静止計算基準フレームとの間の信号伝達に関して重大な問題が生じ、前記回転基準フレームを前記静止基準フレームに対して連続的に位置決めし、計算を実行可能とするようにしなければならない。車体における測定については、車輪を前記車体に接続する種々の部材間における力の分散によって困難となる。
したがって、文献FR−2 839 553およびFR−2 812 356において提案されているように、車輪と車体との間の第1接続部材である静止リングを、特に、車両が移動している間に車輪と表面との間の界面において生ずる力を判定するための支持部として用いる。
即ち、このような力は、過ぎ行く転動体によって誘発される静止リングの変形を測定することによって判定することができる。このような変形の振幅が、判定する力を表す。
このような力判定方法に伴って生ずる問題の1つに、変形信号が回転速度に依存することがあげられる。即ち、低速における測定品質は不十分であり、転動体が少なくとも2回連続して通過することによって誘発される変形の測定後でないと、力を判定することができない。
したがって、この問題は、例えば、アンチロック制動システム(ABS:Antilock Braking System )または電子安定性プログラム(ESP)のような、車両の動力学を制御するシステムに必要なように、力測定をリアル・タイムで行わなければならない場合、またはできるだけ遅れを短くして行わなければならない場合には一層重大となる。
本発明の特定的な目的は、静止リングの変形の振幅を判定するシステムを備えたベアリングを提案することによって、この問題を解消することである。前記システムは、変形信号に対して空間補間を行い、いずれの時点においても回転速度には依存せずに、変形の測定値を有し、したがって力を判定できるように構成されている。
このために、本発明は、固定即ち「静止」リングと、回転リングと、前記リング間に形成されこれらが互いに対して回転できるようにした軌道内に配置された少なくとも1列の転動体とを備えているベアリングを提供する。前記転動体は、角度間隔λで軌道内に均一に分散されており、前記ベアリングには、回転中に誘発される静止リングのゾーンの疑似正弦波状変形の振幅Aを判定するために、少なくとも1つの判定システムが設けられており、前記ベアリングは、前記判定システムが、
4つの歪みゲージであって、各々、当該ゲージが受ける変形の関数として信号を送出し、前記ゾーン全域にわたって均一に分散されている、ゲージと、
4つの信号Vを測定する測定デバイスであって、各信号は、回転中にそれぞれのゲージが発生する信号の時間変動の関数であり、4つの信号Vを組み合わせて同一角度および同一振幅の2つの信号SINおよびCOSを形成し、前記振幅がAの関数である、測定デバイスと、
前記ゾーン(7)の変形の振幅Aを時間の関数として計算する計算デバイス(10)であって、式SIN+COSを計算し、これから前記振幅Aを推論するように構成されている、計算デバイスと、
を備えていることを特徴とする。
本発明のその他の目的および利点は、添付図面を参照しながら進められる以下の説明を読むことにより明らかとなろう。
本発明は、固定即ち「静止」リング1と、回転リングと、前記リング間に形成されこれらが互いに対して回転できるようにした軌道3内に配置された少なくとも1列の転動体2とを備えているベアリングに関する。
静止リング1は、固定即ち「静止」構造と連動するように設計されており、回転リングは回転部材と連動するように設計されている。具体的な用途の1つでは、ベアリングは自動車両の車輪用ベアリングであり、静止構造は車両の車体であり、回転部材は車輪である。
図1から図3を参照すると、このような車輪ベアリングが記述されており、静止外側リング1と回転内側リングとの間に設けられたそれぞれの軌道3における共通軸を中心に配されている2列のボール2を備えている。加えて、静止リング1には車体に締結するための締結手段が設けられており、締結手段は、4つの放射状突起5を備えたフランジ4によって形成され、突起の各々において、軸孔6が設けられており、ボルトで締めることによって締結を行うことができる。
図7および図8に示すように、ボール2は、角度間隔λを置いて軌道3内に均一に分散されている。角度間隔λを「空間周期」と呼ぶこともある。既知の構成では、ボール2間の間隔は、これらをケージ内に配することによって維持されている。
本発明は、静止リング1の少なくとも1つのゾーン7の変形の振幅を判定することを可能とし、車輪と前記車輪が回転している表面との間の界面において加えられる力を、振幅から推論可能とすることを目的とする。
軌道3に沿って転動するボール2は、静止リング1の圧縮および緩和を誘発する。このため、回転中、静止リング1には、正弦波で近似することができる周期的な変形が生じる。以下の説明では「疑似正弦波状変形」という用語を用いて、回転中における静止リング1の変形を示すことにする。
疑似正弦波状変形は、ベアリングにかかる負荷、したがって界面に加わる力、更には回転リングの回転速度およびボール2の個数の双方に比例する周波数に依存する振幅によって特徴付けられる。
この説明は、変形の振幅が独立して判定される2列のボール2を備えている車輪ベアリングを参照しながら行うが、前記説明は、当業者によって、他のいずれの種類のベアリング、および/または静止リング1の少なくとも1つのゾーン7の疑似正弦波状変形の振幅を判定することが望ましいその他のいずれの用途にも直接適用可能である。
本発明によれば、ベアリングには、回転中に誘発される静止リング1のゾーン7の疑似正弦波状変形の振幅Aを判定するために、少なくとも1つのシステムが備えられている。前記システムは、4つの歪みゲージ8を備えている。
ゲージ8の各々は、それが受ける変形の関数として信号を伝達するのに適している。図1から図3に示すように、ゲージ8は、ゾーン7全域にわたり、概略的に回転方向に延びる線に沿って均一に分散されている。
判定システムは、更に、4つの信号Vを測定する測定デバイス9を備えており、各信号は、回転中にゲージ8のそれぞれが発生する信号の時間変動の関数であり、前記デバイスは、4つの信号Vを組み合わせることにより、同じ角度および同じ振幅の2つの信号SINおよびCOSを形成するのに適している。前記振幅はAの関数である。
前記2つの信号SINおよびCOSから、例えば、プロセッサによって形成された計算デバイス10によって、式SIN+COSを計算することによって、振幅Aを推論することができる。
このように、振幅が回転速度とは独立して計算されるので、特に、変形の時間的判定に内在する遅延または品質の問題を克服することが可能となる。
図4から図6を参照して、本発明の判定システムの第1および第2実施形態の説明に進む。ゲージ8は、抵抗エレメント、具体的には、ピエゾ抵抗または磁歪エレメントに基づいているので、これらの各々は、前記歪み8が受ける変形の関数として変化する電気抵抗Rを有する。即ち、ゲージ8の各々は、単一の抵抗器、または単一の抵抗を意味する、ブロックの位置における抵抗を表す平均抵抗を得るために組み合わされた複数の抵抗器のブロックから成ることができる。
図示する2つの実施形態では、測定デバイス9は、4つのゲージ8間に電流ループ回路を備えている。更に、回路は、調節可能な利得Gを有する4つの差動増幅器11を備えている。加えて、測定デバイス9は、更に、信号フィルタ段(図示せず)も備えることができる。
このように、測定デバイス9は、増幅器11の出力において、以下の信号を送出する。
Figure 0004847444
ここで、R0iは抵抗器Rの非動作抵抗(resistance at rest)、ΔRはゲージ8の抵抗のばらつき、ω=2π/T(Tは時間期間)、φはゲージ8間の空間位相ずれ、そしてiはループにおける電流である。
サンプリングする関数の正弦波状の特質(時間に対して)は、以下の計算を簡略化するのに用いられるのであるが、限定ではない。この仮説は、ベアリングが一定速度(ω一定)で回転していることを想定している。
図4に示す実施形態では、測定デバイス9は、更に、差動増幅器11の段を備えており、以下の差を得るように配置されている。
Figure 0004847444
=G=G=G=GとなるようにGを調節することにより、R01=R02=R03=R04となるように非動作時における抵抗器の抵抗を設定することにより、そしてΔR=ΔR=ΔR=ΔR=ΔRであると仮定することにより、差(1)および(2)は次のようになる。
Figure 0004847444
即ち、ゲージ8が軌道から等距離にあるときに、ΔRに等しい値を得ることができる。
φ=π/2となる特定的な場合、即ち、ゲージ8がλ/4に等しい距離だけ離間されている場合、差(3)および(4)は以下のように書くことができる。
Figure 0004847444
したがって、この特定的な場合では、図4に示す測定デバイス9は、信号COS=V−VおよびSIN=V−Vを直接求めることを可能にする。
つまり、式SIN+COSを計算することによって、
Figure 0004847444
を得ることができ、これによって、計算デバイス10の出力において、時間の関数として、ΔRの関数である振幅Aを求めることができる。
図5および図6を参照して、ゲージ8間の空間位相ずれφの値には関係なくSINおよびCOS信号を得ることを可能にする測定デバイス9の説明に進む。
この目的のため、測定デバイス9は、更に、2段の差動増幅器11を備えており、第1段は図4の第1実施形態の増幅器段と類似しており、したがって、デバイスは、前述の関係(3)および(4)を用いて信号V−VおよびV−Vを送出するだけでなく、同様に信号V−VおよびV−Vも送出するように構成されている(図6)。
第2段は、2つの差動増幅器11を備えており、これらは、図5および図6においてそれぞれ、明確化の理由のために、以下の信号を送出するように示されている。
U=[(V−V)−(V−V)],および
V=[(V−V)−(V−V)]
即ち、関係(3)および(4)に基づいて、
Figure 0004847444
このように、U=SINおよびV=COSが求められるので、先に説明したように、計算デバイス10において式SIN+COSを計算することによって、ΔRの関数である振幅Aを求めることができる。
尚、φがπ/2と異なる場合、信号UおよびVの振幅は異なることを注記しておく。前記振幅を等しくするためには、第2段の少なくとも1つの差動増幅器11が調節可能な利得を有するように構成することができる。即ち、信号Uを形成する増幅器11の利得を次のように調節することができる。
Figure 0004847444
図5および図6に示す実施形態の変形では、測定デバイス9の第2段は、図5に示すような増幅器11と、信号V=2(V−V)を送出するように構成された第2増幅器11とを含む。したがって、測定デバイス9によって送出される信号は次のようになる。
U=[(V−V)−(V−V)],および
V=2(V−V
この変形は、信号Vの振幅が同一であると見なすことができないとき、即ち、ゲージが同じ振幅Aの正弦波を検出しない場合にとくに適している。4つのゲージ8の間に線形の負荷分布があると仮定すると、信号Vは、次のように記述することができる。
Figure 0004847444
ここで、aは、測定する振幅Aの線形変動である。
計算を簡略化するためにφ=π/2と仮定すると、この変形における解はφのいずれの値にも適用可能であるが、以下の式が得られる。
Figure 0004847444
こうして、U=SINおよびV=COSが求められ、式SIN+COSの二乗根は、次の式に等しくなる。
Figure 0004847444
したがって、一次(a<<A)の展開(development) に限定することにより、
Figure 0004847444
が求められ、したがって、ゲージ8が分散するゾーンの中央において誘発される振幅である振幅Aが求められる。
図7および図8は、λ/4に等しい距離だけ離間されているゲージ8を示す。前記ゲージは、実質的に平面である変形ゾーンに配置されている。図8に示すように、ゲージ8は、軌道からそれぞれ距離d,d,d,dだけ離間するように、前記ゾーンを中心に位置する。ここで、d=dおよびd=dである。
ゲージ8のこの特定的な構成では、以下の関係を記述することができる。
ΔR=kΔR,ここでk>1。何故なら、Rは軌道からRよりも離れており、したがってRの変形による信号は、Rによる信号よりも小さいからである。
そして、変形ゾーン7におけるゲージ8の構成の対称性のために、以下の式が得られる。
ΔR=kΔR=ΔR=kΔR
更に、GΔR=GΔR=GΔR=GΔRとなるように利得を調節する。
したがって、前述の関係から、次の式が得られる。
=kG=G=kG
つまり、この特定的な構成では、非動作時における各抵抗器の抵抗は、以下のようにならなければならない。
02=kR01
03=kR04,および
02=R03
したがって、図7および図8のゲージ8の構成では、利得値および抵抗器の非動作抵抗値に対する条件は、振幅Aを求めることができるように規定される。
ゲージ8が外側リング1の円筒状外周上に位置する一般的な場合では、ゲージ−軌道間距離は全て等しいので、k=1となる。したがって、全ての場合において、利得は等しく、非動作時における抵抗器の抵抗も等しくなるはずである。
図1および図2を参照して、図示のようなベアリングの構成の説明に進む。ゲージ8は、静止リング1の変形ゾーン7に締結されている基板12上に配置されている。基板12は、例えば、接着剤によって、または溶接型の接合によって、静止リング1にしっかりと締結されているので、基板は静止リング1およびゲージ8間で変形を伝達する役割も果たす。
前述のゲージ8は抵抗性エレメントに基づいているが、他のゲージ8、例えば、表面弾性波センサおよび磁界センサから選択したセンサであっても、これらが変形の関数である信号を送出するのであれば、本発明に関して用いることもできる。即ち、磁界センサは、以下の種類の感応エレメントに基づくことができる。磁気抵抗、巨大磁気抵抗、ホール効果、トンネル効果磁気抵抗、および磁歪層。
図示の実施形態では、ゲージ8は、例えば、セラミックで作成した基板12上の厚い層にスクリーン・プリントする。即ち、混合型技術により、測定デバイス9および計算デバイス10を基板12上に集積することが可能となる(図2の実施形態参照)。加えて、スクリーン・プリントによって、抵抗器の抵抗を正しく測定することが可能となり、変形に対する高い感度を得ることができ、一方基板12上の抵抗器の正確な位置決めを保証することができる。
変形ゾーン7は、実質的に平面となるように、そして2列のボール12の上方に延びるように加工する。この実施形態では、ゲージ8は軌道3から等距離ではないので、測定される変形の振幅は問題となるゲージ8の関数となる(図7および図8参照)。
図3に示す実施形態では、ゲージ8を直接静止リング1の湾曲面に締結するように構成することができる。例えば、ゲージ8は、薄膜歪みゲージ型とすることができ、その構造により、ゲージ8および軌道3間の距離を全て等しくすることができる。
図1および図2に示す実施形態では、2つの判定システムのゲージが同じ基板12上に集積されているので、各軌道3の近傍では少なくとも1つの判定システムが、ゾーン7の変形の振幅を判定するために設けられる。
即ち、ゲージ8は、静止リング1の外周上に配置され、測定する信号の強度を高めるように、軌道3の各々と実質的に面している。このため、ゲージ8を支持する基板12は、同じ軸面において本質的に1列のボール2によってそれぞれ誘発される変形の振幅を判定することを可能とする。
ベアリングには、変形の振幅を判定するシステムを少なくとも3つ(図1に示す実施形態では8つ。4つが見えており、4つはベアリングの他方側に対称に配置されている)、静止リングのそれぞれのゾーン7に設けることができ、前記システムは静止リング1および/または回転リングに固着または一体化したエレメント上に回転中に加えられる力を、判定した振幅の関数として計算するのに適したコンピュータに接続されているか、または接続されるように設計されている。具体的には、このようなコンピュータは、本出願人の文献FR−2 839 553に記載されている。
疑似正弦波状変形の振幅を判定する4つのシステムのゲージを示し、前記ゲージが静止リングの各ゾーンに配置されている、ベアリングの3つの実施形態の1つの斜視図。 疑似正弦波状変形の振幅を判定する4つのシステムのゲージを示し、前記ゲージが静止リングの各ゾーンに配置されている、ベアリングの3つの実施形態の1つの斜視図。 疑似正弦波状変形の振幅を判定する4つのシステムのゲージを示し、前記ゲージが静止リングの各ゾーンに配置されている、ベアリングの3つの実施形態の1つの斜視図。 本発明の判定システムの第1実施形態の回路図。 本発明の判定システムの第2実施形態の回路図。 本発明の判定システムの第2実施形態の回路図。 図1のベアリングの静止リング上における、転動体間の角度間隔に対するゲージの個々の位置決めの線図。 ゲージと軌道との間の距離を示す、図7と類似した図。

Claims (20)

  1. 固定即ち「静止」リング(1)と、回転リングと、前記リング間に形成されこれらが互いに対して回転できるようにした軌道(3)内に配置された少なくとも1列の転動体2とを備えているベアリングであって、前記転動体(2)は、角度間隔λで前記軌道(3)内に均一に分散されており、前記ベアリングには、回転中に誘発される前記静止リング(1)のゾーン(7)の疑似正弦波状変形の振幅Aを判定するために、少なくとも1つの判定システムが設けられており、前記ベアリングは、前記判定システムが、
    4つの歪みゲージ(8)であって、それぞれのエレメントに基づき、前記4つの歪みゲージの各々が受ける変形の関数として変動する電気抵抗R を示し、前記ゾーン全域にわたって均一に分散されている、前記4つの歪みゲージと、
    前記4つの歪みゲージ(8)の間に電流ループ回路を含み、該回路は、調節可能な利得G を有する4つの差動増幅器(11)を含み、4つの信号V生成する測定デバイス(9)であって、各信号は、回転中に前記4つの歪みゲージ(8)のそれぞれの前記抵抗R の時間変動の関数であり、4つの信号Vを組み合わせて同一角度および同一振幅の2つの信号SINおよびCOSを形成し、前記振幅がAの関数である、前記測定デバイスと、
    前記ゾーン(7)の変形の振幅Aを時間の関数として計算する計算デバイス(10)であって、式SIN+COSを計算し、これから前記振幅Aを推論するように構成されている、前記計算デバイスと、
    を備えていることを特徴とするベアリング。
  2. 請求項1記載のベアリングにおいて、前記4つの差動増幅器(11)の各々は、前記ゲージ(8)のうちの対応する1つの前記ゲージ(8)の端子に接続される、ベアリング。
  3. 請求項1または2記載のベアリングにおいて、前記測定デバイス(9)は、信号フィルタ段をさらに備えることを特徴とするベアリング。
  4. 請求項1〜のいずれか1項に記載のベアリングにおいて、前記ゲージ(8)はλ/4に等しい距離ずつ離間されていることを特徴とするベアリング。
  5. 請求項4記載のベアリングにおいて、前記測定デバイス(9)は、更に、差V−V=COSおよびV−V=SINを求めるように構成された1段の差動増幅器(9)を備えていることを特徴とするベアリング。
  6. 請求項1〜のいずれか1項に記載のベアリングにおいて、前記測定デバイス(9)は、更に、2段の差動増幅器(11)を備えており、第1段は差V−V,V−V,V−V,およびV−Vを求めるように構成されており、第2段は、差[(V−V)−(V−V)]=SINおよび[(V−V)−(V−V)]=COSを求めるように構成されていることを特徴とするベアリング。
  7. 請求項3または請求項4記載のベアリングにおいて、前記測定デバイス(9)は、更に、2段の差動増幅器(11)を備えており、第1段は差V−V,V−Vを求めるように構成されており、第2段は、差[(V−V)−(V−V)]=SINおよび2(V−V)=COSを求めるように構成されていることを特徴とするベアリング。
  8. 請求項6または請求項7記載のベアリングにおいて、前記第2段の少なくとも1つの差動増幅器(11)は、調節可能な利得を有することを特徴とするベアリング。
  9. 請求項から8までのいずれか1項に記載のベアリングにおいて、前記ゲージは、互いに等しい非動作抵抗R01を有することを特徴とするベアリング。
  10. 請求項から8までのいずれか1項に記載のベアリングにおいて、前記変形ゾーン(7)は、実質的に平面となるように加工され、前記ゲージは、対となって、軌道(3)から等距離となるように前記ゾーンを中心に配置されており、前記ゲージ(8)は、R02=kR01,R03=kR04,およびR03=R02となるように、非動作抵抗R01を有することを特徴とするベアリング。
  11. 請求項1記載のベアリングにおいて、前記ゲージは、表面弾性波センサおよび磁気センサから選択したセンサである、または含むことを特徴とするベアリング。
  12. 請求項1から11までのいずれか1項に記載のベアリングにおいて、前記ゲージ(8)は、前記静止リング(1)の変形ゾーン(7)に締結されている基板(12)上に配置されていることを特徴とするベアリング。
  13. 請求項12記載のベアリングにおいて、前記ゲージ(8)は、前記基板(12)上の厚膜にスクリーン・プリントされていることを特徴とするベアリング。
  14. 請求項12または13記載のベアリングにおいて、前記測定デバイス(9)および前記計算デバイス(10)は基板(12)上に集積されていることを特徴とするベアリング。
  15. 請求項1から14までのいずれか1項に記載のベアリングにおいて、前記静止リング(1)の1つのゾーン(7)の変形の振幅をそれぞれ判定する少なくとも3つの判定システムが設けられていることを特徴とするベアリング。
  16. 請求項15記載のベアリングにおいて、前記判定システムは、回転中に前記静止リング(1)および/または前記回転リングに固着または一体化されたエレメント上に加えられる力を、前記決定した振幅の関数として、計算するのに適したコンピュータに接続される、または接続されるように設計されていることを特徴とするベアリング。
  17. 請求項1から16までのいずれか1項に記載のベアリングにおいて、前記ゲージ(8)は、概略的に回転の方向に延びる線に沿って前記ゾーン(7)上に配置されていることを特徴とするベアリング。
  18. 請求項1から17までのいずれか1項に記載のベアリングにおいて、前記ゲージ(8)は、軌道(3)の近傍に配置されていることを特徴とするベアリング。
  19. 請求項18記載のベアリングにおいて、前記ゲージは、前記静止リング(1)の外周上に、実質的に前記軌道(3)に面して配置されていることを特徴とするベアリング。
  20. 請求項18または請求項19記載のベアリングにおいて、それぞれ1つの軌道(3)内に配置されている2列の転動体(12)を有し、前記ベアリングにおいて、ゾーン(7)の変形の振幅を判定するために少なくとも1つの判定システムが、各軌道(3)の近傍に設けられていることを特徴とするベアリング。
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