JP4864441B2 - センサ付車輪用軸受 - 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センサ付車輪用軸受に関する。

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。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の制御が可能な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片寄るなど、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。

また、今後ステアバイワイヤが導入されて、車軸とステアリングが機械的に結合しないシステムになってくると、車軸方向荷重を検出して運転手が握るハンドルに路面情報を伝達することが求められる。

このような要請に応えるものとして、車輪用軸受の外輪に歪みゲージを貼り付け、歪みを検出するようにした車輪用軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
特表２００３−５３０５６５号公報

車輪用軸受の外輪は、転走面を有し、強度が求められる部品であって、塑性加工や、旋削加工、熱処理、研削加工などの複雑な工程を経て生産される軸受部品である。そのため特許文献１のように外輪に歪みゲージを貼り付けるのでは、生産性が悪く、量産時のコストが高くなるという問題点がある。また、特許文献１のものに代表される従来の車輪用軸受は、軸受各部の剛性が高く、固定側部材の歪が小さいため、車輪にかかる荷重を感度良く検出することが難しいという問題点もある。

この発明の目的は、車両にコンパクトに荷重検出用のセンサを設置できて、車輪にかかる荷重を感度良く検出でき、量産時のコストが安価となる車輪用軸受を提供することである。

この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材が有する車体への車体取付け孔のうち、隣合う２つの車体取付け孔の位相差を８０°以上とし、この位相差を８０°以上とした車体取付け孔の間に、円弧状のセンサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた歪みセンサからなるセンサユニットを取付け、前記センサ取付部材は、固定側部材に対して少なくとも２箇所の接触固定部を有し、隣合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠部を有し、これら接触固定部の以外の箇所では固定側部材との間に隙間が生じ、隣合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠部を有していてこの切欠部で薄肉となって剛性が低下しており、この切欠部に前記歪みセンサを配置したものである。例えば、外方部材が固定側部材、内方部材が回転側部材の場合、外方部材に前記センサユニットを取付ける。
上記位相差を８０°以上としてその間にセンサユニットを取付ける車体取付け孔は、路面側の隣合う２個の車体取付け孔であっても良く、また反路面側の隣合う２個の車体取付け孔であっても良い。また、路面側および反路面側との両方における、隣合う２個の車体取付け孔の位相差を８０°以上としても良い。前記路面側のセンサ取付部材は、接触固定部の一つが前記固定側部材の全周における真下の位置であり、他の接触固定部が前記真下の位置から周方向に離れた位置である。前記反路面側のセンサ取付部材は、前記接触固定部の一つが前記固定側部材の全周における真上の位置であり、他の接触固定部が前記真上の位置から周方向に離れた位置であることを特徴する。

車両走行に伴い回転側部材に荷重が加わると、転動体を介して固定側部材が変形し、その変形はセンサユニットに歪みをもたらす。センサユニットに設けられた歪みセンサは、センサユニットの歪みを検出する。歪みと荷重の関係を予め実験やシミュレーションで求めておけば、歪みセンサの出力から車輪にかかる荷重等を検出することができる。すなわち、前記歪みセンサの出力によって、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力、または車輪用軸受の予圧量を推定することができる。また、この検出した荷重等を自動車の車両制御に使用することができる。
このセンサ付車輪用軸受は、固定側部材に取付けられるセンサ取付部材に歪みセンサを取付けるので、車両にコンパクトに荷重センサを設置できる。センサ取付部材は固定側部材に取付けられる簡易な部品であるため、これに歪みセンサを取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。
一般的に、車輪用軸受はその性能確保のために、各部の剛性は高い。このため、固定側部材の歪みが小さく、センサユニットでのタイヤと路面間の作用力検出が難しい場合が多い。その点、この発明にかかるセンサ付車輪用軸受は、固定側部材が有する車体への車体取付け孔のうち、路面側または反路面側の隣合う２つの車体取付け孔の位相差を８０°以上とし、その８０°以上の位相差とした車体取付け孔の間にセンサユニットを取付けるため、センサ取付部材の歪みが大きくなり、固定側部材のわずかな歪みもセンサユニットで検出可能となる。
また、センサユニットのセンサ取付部材は、固定側部材に対して少なくとも２箇所の接触固定部を有し、隣合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠部を有するものとされ、この切欠部に歪みセンサが配置されているので、センサ取付部材の歪みセンサの配置箇所が、その剛性の低下により、固定側部材よりも大きな歪みを生じ、固定側部材の歪みを精度良く検出することができる。

この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の端部付近に、センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた歪みセンサからなるセンサユニットを取付けたものであるため、車両にコンパクトに荷重センサを設置できる。また、センサ取付部材は、固定側部材に取付けられる簡易な部品であるため、これに歪みセンサを取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。
また、固定側部材が有する車体への車体取付け孔の内、路面側または反路面側の隣合う２つの車体取付け孔の位相差を８０°以上とし、その８０°以上の位相差とした車体取付け孔の間にセンサユニットを取付けるため、センサ取付部材の歪みが大きくなり、固定側部材のわずかな歪みもセンサユニットで検出可能である。さらに、前記センサ取付部材は、固定側部材に対して少なくとも２箇所の接触固定部を有し、隣合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠部を有し、この切欠部に前記歪みセンサを配置したものであるため、センサ取付部材の歪みセンサの配置箇所が、その剛性の低下により、固定側部材よりも大きな歪みを生じ、固定側部材の歪みを精度良く検出することができる。

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。この実施形態は、第３世代型の内輪回転タイプで、駆動輪支持用の車輪用軸受に適用したものである。なお、この明細書において、車両に取付けた状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。
この車輪用軸受は、内周に複列の転走面３を形成した外方部材１と、これら各転走面３に対向する転走面４を形成した内方部材２と、これら外方部材１および内方部材２の転走面３，４間に介在した複列の転動体５とで構成される。この車輪用軸受は、複列のアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体５はボールからなり、各列毎に保持器６で保持されている。上記転走面３，４は断面円弧状であり、各転走面３，４は接触角が外向きとなるように形成されている。外方部材１と内方部材２との間の軸受空間の両端は、密封手段７，８によりそれぞれ密封されている。

外方部材１は固定側部材となるものであって、車体の懸架装置を構成するナックル２５に取付けるフランジ１ａを外周に有し、全体が一体の部品とされている。フランジ１ａには、周方向の複数箇所にねじ孔である車体取付け孔９が設けられている。外方部材１をアウトボード側から見た正面図を図２に示す。同図のように、車体取付け孔９のうち、反路面側の２つの車体取付け孔９の位相差αおよび路面側の２つの車体取付け孔９の位相差βは、共に８０°以上とされている。前記フランジ１ａのナックル２５への固定は、ナックル２５のボルト挿通孔２５ａを貫通し前記車体取付け孔９にねじ込まれるナックルボルト２６により行われる。なお、フランジ１ａの車体取付け孔９は単純なボルト挿通孔として、この車体取付け孔９を貫通したナックルボルト２６にナットを螺合させることで、フランンジ１ａをナックル２５に締め付け固定しても良い。
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１０ａを有するハブ輪１０と、このハブ輪１０の軸部１０ｂのインボード側端の外周に嵌合した内輪１１とでなる。これらハブ輪１０および内輪１１に、前記各列の転走面４が形成されている。ハブ輪１０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１１が嵌合している。ハブ輪１０の中心には貫通孔１３が設けられている。ハブフランジ１０ａには、周方向複数箇所にハブボルト（図示せず）の圧入孔１４が設けられている。ハブ輪１０のハブフランジ１０ａの根元部付近には、ホイールおよび制動部品（図示せず）を案内する円筒状のパイロット部１５がアウトボード側に突出している。

外方部材１のアウトボード側の端部における内周にはセンサユニット１６が設けられている。このセンサユニット１６の設置位置は、図２のように、８０°以上の位相差αとなる反路面側の隣合う２つの車体取付け孔９の位相間、つまりこれら２つの車体取付け孔９で挟まれる周方向位置に相当する位置とされている。センサユニット１６は、外方部材１の内周に固定されるセンサ取付部材１７と、このセンサ取付部材１７に貼り付けられてセンサ取付部材１７の歪みを測定する歪みセンサ１８とでなる。

センサ取付部材１７は、図３（Ａ），（Ｂ）に側面図および背面図で示すように、外方部材１に沿う周方向に細長い略円弧状とされ、その両端部に円弧の外周側および横幅方向に張り出した接触固定部１７ａ，１７ｂが形成されている。また、センサ取付部材１７の中央部には円弧の外周側に開口する切欠部１７ｃが形成され、この切欠部１７ｃの背面に位置する円弧の内周側の面に歪みセンサ１８が貼り付けられている。センサ取付部材１７の横断面形状は、例えば矩形状とされるが、この他の各種の形状とすることができる。

このセンサユニット１６は、センサ取付部材１７の接触固定部１７ａ，１７ｂによって外方部材１に固定される。これら接触固定部１７ａ，１７ｂの外方部材１への固定は、ボルトによる固定や、接着剤による接着等で行われる。センサ取付部材１７の接触固定部１７ａ，１７ｂ以外の箇所では、外方部材１との間に隙間が生じている。
この実施形態の場合、図２のように一方の接触固定部１７ａが外方部材１の全周における真上の位置に位置し、もう一方の接触固定部１７ｂが真上位置から周方向に数１０°下方の位置に位置するように、センサユニット１６が配置されている。外方部材１の全周における真上の位置は、外方部材１に作用する軸方向荷重により外方部材１がラジアル方向に最も大きく変形する箇所であり、また真上位置から周方向に数１０°度下方の位置は、真上位置よりもラジアル方向の変形が少ない箇所である。

センサ取付部材１７は、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力の予想される最大値において、塑性変形しないものであることが好ましい。センサ取付部材１７の材質としては、鋼材の他、銅、黄銅、アルミニウム等の金属材料を用いることができる。

なお、インボード側の密封手段８は、外方部材１の内周面に取付けられた芯金付きのゴム等の弾性体からなるシール８ａと、内輪１０の外周面に取付けられて前記シール８ａが接触するスリンガ８ｂとでなり、スリンガ８ｂに、円周方向に交互に磁極を有する多極磁石からなる回転検出用の磁気エンコーダ１９が設けられている。磁気エンコーダ１９に対向して、外方部材１に磁気センサ２０が取付けられる。

図４に示すように、センサユニット１６の出力を処理する手段として、外力計算手段２１、路面作用力計算手段２２、軸受予圧量計算手段２３、および異常判定手段２４が設けられている。これら各手段２１〜２４は、この車輪用軸受の外方部材１等に取付けられた回路基板等の電子回路装置（図示せず）に設けられたものであっても、また自動車の電気制御ユニット（ＥＣＵ）に設けられたものであっても良い。

上記構成のセンサ付車輪用軸受の作用を説明する。ハブ輪１０に荷重が印加されると、転動体５を介して外方部材１が変形し、その変形は外方部材１の内周に取付けられたセンサ取付部材１７に伝わり、センサ取付部材１７が変形する。このセンサ取付部材１７の歪みを、歪センサ１８により測定する。この際、センサ取付部材１７は外方部材１におけるセンサ取付部材１７の固定箇所のラジアル方向の変形に従って変形するが、センサ取付部材１７はラジアル方向に最も大きく変形する個所に取付けられているので、センサ取付部材１７の歪みが大きくなり、固定側部材である外方部材１のわずかな歪みもセンサユニット１６で検出できる。さらに、センサ取付部材１７には切欠部１７ｃが設けられ、この切欠部１７ｃの箇所の剛性が低下しているので、外方部材１の歪みよりも大きな歪みがセンサ取付部材１７に現れることとなり、より一層外方部材１のわずかな歪みを歪みセンサ１８で正確に検出することができる。

一般的に、車輪用軸受はその性能確保のために、各部の剛性は高い。このため、外方部材１の歪みが小さく、センサユニット１６でのタイヤと路面間の作用力検出が難しい場合が多い。その点、この実施形態では、外方部材１が有する各車体取付け孔９のうち、路面側の隣合う２つの車体取付け孔９の位相差αを８０°以上とし、この２つの車体取付け孔９の間にセンサユニット１６を取付けたため、センサ取付部材７の歪みが大きくなり、外方部材１のわずかな歪みもセンサユニット１６で検出可能となる。

また、センサ取付部材１７の２箇所の接触固定部１７ａ，１７ｂのうち、一方の接触固定部１７ａが、外方部材１に作用する荷重により外方部材１がラジアル方向に最も大きく変形する箇所である全周における真上の位置に位置し、もう一方の接触固定部１７ｂが、真上位置よりもラジアル方向の変形が少ない真上位置から周方向に数１０°下方の位置に位置しているため、接触固定部１７ｂを支点にして接触固定部１７ａが大きく変形するときに、センサ取付部材１７の歪みセンサ１８の取付部分で一層大きな歪みが生じることとなり、歪みセンサ１８によって外方部材１の歪みを感度良く検出することができる。

このようにして検出される歪みの値から、車軸用軸受に作用する外力等を検出することができる。荷重の方向や大きさによって歪みの変化が異なるため、予め歪みと荷重の関係を実験やシミュレーションにて求めておけば、車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を算出することができる。外力演算手段２１および路面作用力計算手段２２は、それぞれ、このように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた歪みと荷重の関係から、歪センサ１８の出力により、車輪用軸受に作用する外力およびタイヤと路面間の作用力をそれぞれ算出する。

異常判定手段２４は、このように算出した車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力が、設定された許容値を超えたと判断される場合に、外部に異常信号を出力する。この異常信号を、自動車の車両制御に使用することができる。
また、外力計算手段２１および路面作用力計算手段２２により、リアルタイムで車輪用軸受に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力を出力すると、よりきめ細やかな車両制御が可能となる。

また、車輪用軸受には内輪１１によって予圧が付加されるが、その予圧によってもセンサ取付部材１７は変形する。このため、予め歪みと予圧の関係を実験やシミュレーションにて求めておけば、車輪用軸受の予圧の状態を知ることができる。軸受予圧量計算手段２３は、上記のように実験やシミュレーションにより予め求めて設定しておいた歪みと予圧の関係から、歪センサ１８の出力により、軸受予圧量を出力する。また、軸受予圧量計算手段２３から出力される予圧量を用いることで、車輪用軸受の組立時における予圧の調整が容易になる。

上記した実施形態では、外方部材１の反路面側の隣合う２つの車体取付け孔９の位相差αとなる位相間における内周にセンサユニット１６を配置しているが、外方部材１の路面側の隣合う２つの車体取付け孔９の位相差βとなる位相間における内周にセンサユニット１６を配置しても良い。
さらには、図５のように、反路面側の隣合う２つの車体取付け孔９の位相差αとなる位相間における内周、および路面側の隣合う２つの車体取付け孔９の位相差βとなる位相間における内周の両方に、センサユニット１６をそれぞれ配置しても良い。
また、図５における各センサユニット１６を、図６に示すように３箇所の接触固定部１７ａ、１７ｂ、１７ｄと、各接触固定部１７ａ、１７ｂ、１７ｄ間の中央部における円弧の外周側に開口する切欠部１７ｃ、１７ｅとを有する構造のものとしても良い。
また、センサユニット１６は、図７および図８に示すように、外方部材１の外周に配置しても良い。この場合、センサ取付部材１７の接触固定部１７ａ，１７ｂは、円弧の内周側および横幅方向に張り出して形成され、切欠部１７ｃは円弧の内周側に開口するように形成される。
いずれの実施形態についても、センサ取付部材１７は車輪用軸受に予想される最大の荷重が印加された場合でも、塑性変形を起こさない形状とする必要がある。

上記各実施形態は、外方部材が固定側部材である場合につき説明したが、この発明は、内方部材が固定側部材である車輪用軸受にも適用することができ、その場合、前記センサ取付部材１７は内方部材の外周または内周となる周面に取付ける。
また、上記各実施形態では第３世代型の車輪用軸受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、この車輪用軸受は、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。

この発明の第１の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図である。 同車輪用軸受における外方部材をアウトボード側から見た正面図である。 （Ａ）は同車輪用軸受におけるセンサユニットの側面図、（Ｂ）は同センサユニットの背面図である。 同車輪用軸受の断面図とその検出系の概念構成のブロック図とを組合せて示す説明図である。 外方部材へのセンサユニットの配置の他の例をアウトボード側から見た正面図である。 外方部材へのセンサユニットの配置のさらに他の例をアウトボード側から見た正面図である。 この発明の他の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図である。 同車輪用軸受における外方部材をアウトボード側から見た正面図である。

符号の説明

１…外方部材（固定側部材）
２…内方部材( 回転側部材)
３，４…転走面
５…転動体
９…車体取付け孔
１６…センサユニット
１７…センサ取付部材
１７ａ，１７ｂ，１７ｄ…接触固定部
１７ｃ，１７ｅ…切欠部
１８…歪みセンサ

Claims (4)

1. 複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、
   前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材が有する車体への車体取付け孔のうち、路面側の隣合う２つの車体取付け孔の位相差を８０°以上とし、この隣合う２つの車体取付け孔の間に、円弧状のセンサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた歪みセンサからなるセンサユニットを取付け、前記センサ取付部材は、固定側部材に対して少なくとも２箇所の接触固定部を有し、これら接触固定部の以外の箇所では固定側部材との間に隙間が生じ、隣合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠部を有していてこの切欠部で薄肉となって剛性が低下しており、この切欠部に前記歪みセンサを配置したものであり、前記センサ取付部材の接触固定部の一つが前記固定側部材の全周における真下の位置であり、他の接触固定部が前記真下の位置から周方向に離れた位置であることを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
2. 複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、
   前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材が有する車体への車体取付け孔のうち、反路面側の隣合う２つの車体取付け孔の位相差を８０°以上とし、この隣合う２つの車体取付け孔の間に、円弧状のセンサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた歪みセンサかなるセンサユニットを取付け、前記センサ取付部材は、固定側部材に対して少なくとも２箇所の接触固定部を有し、これら接触固定部の以外の箇所では固定側部材との間に隙間が生じ、隣合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠部を有していてこの切欠部で薄肉となって剛性が低下しており、この切欠部に前記歪みセンサを配置したものであり、前記センサ取付部材の接触固定部の一つが前記固定側部材の全周における真上の位置であり、他の接触固定部が前記真上の位置から周方向に離れた位置であることを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
3. 複列の転走面が内周に形成された外方部材と、この外方部材の転走面と対向する転走面を形成した内方部材と、両転走面間に介在した複列の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、
   前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材が有する車体への車体取付け孔のうち、路面側および反路面側の隣合う２つの車体取付け孔の位相差を共に８０°以上とし、これら各隣合う２つの車体取付け孔の間に、円弧状のセンサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けた歪みセンサからなるセンサユニットをそれぞれ取付け、前記センサ取付部材は、固定側部材に対して少なくとも２箇所の接触固定部を有し、これら接触固定部の以外の箇所では固定側部材との間に隙間が生じ、隣合う接触固定部の間で少なくとも１箇所に切欠部を有していてこの切欠部で薄肉となって剛性が低下しており、この切欠部に前記歪みセンサを配置したものであり、前記路面側のセンサ取付部材は、接触固定部の一つが前記固定側部材の全周における真下の位置であり、他の接触固定部が前記真下の位置から周方向に離れた位置であり、前記反路面側のセンサ取付部材は、接触固定部の一つが前記固定側部材の全周における真上の位置であって、他の接触固定部が前記真上の位置から周方向に離れた位置であることを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項１または請求項２または請求項３において、前記固定部材が外方部材であるセンサ付車輪用軸受。

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