JP4911967B2 - センサ付き車輪用軸受 - 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き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ゲージを貼り付け、歪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。

この発明の目的は、車両にコンパクトに荷重センサを設置できて、車輪にかかる荷重を検出でき、量産時のコストが安価となるセンサ付き車輪用軸受を提供することである。

この発明のセンサ付き車輪用軸受は、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、前記外方部材が固定側部材、前記内方部材が回転側部材であり、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、
センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けられた変位センサからなるセンサユニットを、前記外方部材の外周面または内周面に取付け、前記センサ取付部材は、前記外方部材の外周面または内周面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内周側または外周側、および横幅方向に張り出した接触固定部が形成され、前記センサ取付部材の中央部に変位センサが径方向に貫通した状態で取付けられ、前記センサ取付部材は、前記外方部材に対して前記両端部の接触固定部で固定されたものであることを特徴とする。変位センサとしては、渦電流式、磁気式、光学式、接触式、超音波式などのセンサを用いることができる。

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である外方部材が変形し、その変位をセンサユニットの変位センサが検出する。固定側部材の変位と荷重との関係を予め実験やシミュレーションで求めておけば、変位センサの出力から車輪にかかる荷重を検出することができる。すなわち、前記変位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。
このセンサ付き車輪用軸受は、固定側部材に取付けられるセンサ取付部材に変位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、これに変位センサを取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低減が図れる。
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２箇所の接触固定部を有し、隣合う接触固定部間で変位センサが配されているので、固定側部材の変形に伴い、センサ取付部材における変位センサの配置箇所でラジアル方向の変形が生じ、この変位を変位センサで検出することにより固定側部材の変位を精度良く検出することができる。
前記センサユニットは固定側部材の周面に設けたため、センサ取付部材に固定側部材の変形が伝わり易く、固定側部材の変位をより感度良く検出することができる。

前記センサ取付部材の接触固定部は、前記固定側部材に作用する外力、またはタイヤと路面間の作用力によって、固定側部材の他の箇所と比べてライジアル方向に変形しない箇所に取付けられていることが好ましい。また、変位センサは、上記外力や作用力によって、固定側部材の他の箇所と比べてラジアル方向に変形する箇所に取付けられていることが好ましい。
固定側部材は、円周方向の各部によって、上記外力や作用力によるラジアル方向の変形の程度が異なる。解析結果によると、タイヤと路面との接触点に作用する軸方向力による固定側部材のラジアル方向の変形は、反路面側である真上位置および路面側である真下位置で最も大きくなる。センサ取付部材の接触固定部が、上記のような固定側部材における他の箇所と比べてラジアル方向に変形しない箇所に取付けられ、変位センサが固定側部材の他の箇所と比べてラジアル方向に変形する箇所に取付けられていると、固定側部材の変形に伴いセンサ取付部材における変位センサの取付部分がラジアル方向に大きく変形することになり、変位センサにより、固定側部材の変位をさらに感度良く検出することができる。

前記センサユニットは複数としても良い。センサユニットが複数であると、固定側部材の複数箇所の変位が複数の変位センサによって検出され、その複数の変位センサの出力から車輪にかかる荷重等を検出することになるので、車輪にかかる荷重等の検出精度が向上する。

前記センサユニットは、前記固定側部材のアウトボード側部分に配するのが好ましい。 解析および試験結果によると、固定側部材のラジアル方向歪みおよび周方向歪みとも、前記外力あるいは作用力等の荷重の正負によって歪みに正負の方向性を持つのは、固定側部材におけるアウトボード側の部分のみであった。したがって、荷重の正負の方向を検出するには、センサユニットを固定側部材におけるアウトボード側部分に配することが必要である。

前記固定側部材に作用する外力、またはタイヤと路面間に作用する想定される最大の作用力が印加された状態においても、前記センサユニットのセンサ取付部材は塑性変形しないものであることが好ましい。
塑性変形が生じると固定側部材の変形がセンサ取付部材に正確に伝わらず、変位センサによる変位検出に影響を与えるが、前記外力、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と、固定側部材の変形がセンサ取付部材に正確に伝わり、固定側部材の変位を精度良く検出することができる。

この発明のセンサ付き車輪用軸受は、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、前記外方部材が固定側部材、前記内方部材が回転側部材であり、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けられた変位センサからなるセンサユニットを、前記外方部材に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、外方部材に取付けられる簡易な部品であるため、これに変位センサを取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低減が図れる。
センサユニットのセンサ取付部材は、外方部材に対して２箇所の接触固定部を有し、隣合う接触固定部間で１箇所に前記変位センサが配されているので、センサ取付部材における変位センサの配置箇所で、固定側部材の変形に伴う大きな変形が生じ、固定側部材の変位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（図示せず）におけるナックル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車体取付孔９が設けられている。
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のアウトボード側端の外周面に、センサユニット１６が設けられている。センサユニット１６の軸方向位置は、外方部材１におけるアウトボード側の転走面４よりもアウトボード側で、アウトボード側の密封手段７よりもインボード側の位置とされる。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、前記センサユニット１６は、外方部材１の外周面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に取付けられてセンサ取付部材１７と固定側部材との相対変位を測定する変位センサ１８とでなる。変位センサ１８には、渦電流式、磁気式、光学式、超音波式、接触式などのセンサを用いることができる。

センサ取付部材１７は、固定により塑性変形を起こさない形状や材質とされる。この実施形態では、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内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。このセンサ取付部材１７の中央部に、変位センサ１８が径方向に貫通した状態で取付けられている。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の長手方向が外方部材１の周方向を向くように、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の外周面に固定される。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の外周面との間に隙間が生じている。
この実施形態の場合、図２のように両接触固定部１７ａ，１７ｂが、外方部材１の全周における真上の位置（反路面側位置）から左右の周方向に数１０°下方の位置にそれぞれ位置し、センサ取付部材１７における変位センサ１８の配置箇所が前記真上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、外方部材１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も、塑性変形しないものであることが好ましい。塑性変形が生じると、外方部材１の変形がセンサ取付部材１７に正確に伝わらず、変位センサ１８による外方部材１の変位測定に影響を及ぼすためである。また、センサ取付部材１７の材質を外方部材１と同じ材質とした場合には、温度による検出精度の影響をより小さくすることができる。

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（図示せず）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き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の外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。これにより外方部材１とセンサ取付部材１７との径方向距離が変化し、この距離変化を変位センサ１８により測定する。この際、外方部材１におけるセンサ取付部材１７の各接触固定部１７ａ，１７ｂの固定箇所（真上位置から左右の周方向に数１０°下方に偏った各位置）ではラジアル方向に変形しないが、変位センサ１８の配置部分に対向する真上位置ではラジアル方向に大きく変形するので、その変形に伴い外方部材１の外周面とセンサ取付部材１７における変位センサ１８の配置箇所との径方向距離が大きく変化することになり、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。

センサユニット１６を外方部材１に取付ける軸方向位置は、実施形態におけるように外方部材１のアウトボード側の転走面３よりもアウトボード側位置としても、両列の転走面３，３間の位置としても、またインボード側の転走面３よりもインボード側位置としても良いが、アウトボード側の転走面３よりもアウトボード側位置であると、荷重の方向に応じて歪みに正逆の方向性が生じ、荷重の正逆の方向を検出することができる。
ＦＥＭ解析および試験結果によると、外方部材１のラジアル方向歪みおよび周方向歪みとも、前記外力あるいは作用力等の荷重の正負によって歪みに正負の方向性を持つのは、外方部材１における前記３箇所に区分した位置のうち、アウトボード側の部分のみであった。したがって、荷重の正負の方向を検出するには、センサユニット１６を外方部材１におけるアウトボード側の位置に配置することが必要である。

このようにして測定される外方部材１の変位（外方部材１とセンサ取付部材１７との径方向距離）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前記変位量が異なるため、予め変位量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変位量と荷重の関係から、変位センサ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、予め前記変位量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変位量と予圧の関係から、変位センサ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の反路面側の外周面にセンサユニット１６を配置しているが、外方部材１の路面側の外周面にセンサユニット１６を配置しても良い。
さらには、図５および図６のように、ラジアル方向の変形の度合いが異なる外方部材１の反路面側の外周面、および路面側の外周面の両方に、センサユニット１６をそれぞれ配置しても良い。このように、センサユニット１６を２箇所以上設けることにより、精度の高い荷重の検出が可能となる。
また、図５および図６における各センサユニット１６を、図７および図８の参考提案例に示すように３箇所の接触固定部１７ａ、１７ｂ、１７ｃを有するセンサ取付部材１７と、各接触固定部１７ａ、１７ｂ、１７ｃ間の中央部にそれぞれ取付けた２つの変位センサ１８とで構成しても良い。スペース上の理由等により複数のセンサユニット１６を設置することが困難な場合、センサ取付部材１７をこのような構造とすることにより、容易に複数のセンサユニット１６を設置することができ、より一層精度の高い荷重の検出が可能となる。
また、センサユニット１６は、図９および図１０に示すように、外方部材１の内周面に配置しても良い。この場合、センサ取付部材１７の接触固定部１７ａ，１７ｂは、円弧の外周側および横幅方向に張り出して形成される。
いずれの実施形態および提案例についても、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の実施形態に係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。 この発明の他の実施形態に係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。 提案例に係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。 この発明のさらに他の実施形態に係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
１６…センサユニット
１７…センサ取付部材
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ…接触固定部
１８…変位センサ

Claims (7)

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、前記外方部材が固定側部材、前記内方部材が回転側部材であり、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、
   センサ取付部材およびこのセンサ取付部材に取付けられた変位センサからなるセンサユニットを、前記外方部材の外周面または内周面に取付け、前記センサ取付部材は、前記外方部材の外周面または内周面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内周側または外周側、および横幅方向に張り出した接触固定部が形成され、前記センサ取付部材の中央部に変位センサが径方向に貫通した状態で取付けられ、前記センサ取付部材は、前記外方部材に対して前記両端部の接触固定部で固定されたことを特徴とするセンサ付き車輪用軸受。
2. 請求項１において、前記接触固定部が、前記固定側部材に作用する外力またはタイヤと路面間の作用力によって、外方部材の他の箇所と比べてラジアル方向に変形しない箇所に取付けられているセンサ付き車輪用軸受。
3. 請求項２において、変位センサが、前記固定側部材に作用する外力またはタイヤと路面間の作用力によって、固定側部材の他の箇所と比べてラジアル方向に変形する箇所に取付けられているセンサ付き車輪用軸受。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記センサユニットは複数であるセンサ付き車輪用軸受。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記センサユニットは固定側部材のアウトボード側部分に配置したセンサ付き車輪用軸受。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記固定側部材に作用する外力または前記タイヤと路面間に作用する想定される最大の作用力が印加された状態においても、前記センサユニットのセンサ取付部材は塑性変形しないものであるセンサ付き車輪用軸受。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、変位センサが渦電流式センサ、磁気式センサ、光学式センサ、接触式センサ、および超音波式センサのうちのいずれかであるセンサ付き車輪用軸受。

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