JP4925625B2

JP4925625B2 - センサ付車輪用軸受

Info

Publication number: JP4925625B2
Application number: JP2005240909A
Authority: JP
Inventors: 孝美尾崎; 智海石河; 健太郎西川
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2025-08-23
Also published as: JP2007057300A

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、前記外方部材が車体に取付けるフランジを軸方向の中間に位置して外周に有する固定側部材となり、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、前記外方部材のアウトボード側の転走面よりもアウトボード側となる端部付近に脆弱部を形成する円周溝を設け、この円周溝内に、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配し、前記センサ取付部材は、前記外方部材の前記円周溝の底面に沿う細長い略円弧状とされて両端に接触固定部が形成されこれら接触固定部で前記円周溝の底面に固定されて接触固定部以外の箇所では前記円周溝の底面および側壁面との間に隙間を生じており、前記両端の接触固定部の間で外周側の面または内周側の面の少なくとも１箇所に切欠部を有し、前記センサ取付部材における前記切欠部の背面に前記歪みセンサを配置したもの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出来る。
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のように、センサユニットの取付箇所を固定側部材の端部付近に設けた剛性の低い脆弱部としておけば、固定側部材の歪みに対して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。脆弱部はタイヤ支持に関係のない固定側部材の端部付近に設けられているので、この部分の剛性を下げても、タイヤ支持に支障が生じない。
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。

前記脆弱部は、前記外方部材に円周溝を形成した部分であり、この円周溝内に前記センサユニットを配したものとする。この脆弱部は加工が容易であり、またタイヤ支持に支障をきたすことなく脆弱部の剛性を低下させることができる。

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、前記外方部材が車体に取付けるフランジを軸方向の中間に位置して外周に有する固定側部材となり、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、前記外方部材のアウトボード側の転走面よりもアウトボード側となる端部付近に脆弱部を形成する円周溝を設け、この円周溝内に、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配し、前記センサ取付部材は、前記外方部材の前記円周溝の底面に沿う細長い略円弧状とされて両端に接触固定部が形成されこれら接触固定部で前記円周溝の底面に固定されて接触固定部以外の箇所では前記円周溝の底面および側壁面との間に隙間を生じており、前記両端の接触固定部の間で外周側の面または内周側の面の少なくとも１箇所に切欠部を有し、前記センサ取付部材における前記切欠部の背面に前記歪みセンサを配置したものであるため、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、センサユニットの取付箇所が周囲よりも剛性の低い脆弱部とされているので、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（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１４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９ａを有するハブ輪９と、このハブ輪９の軸部９ｂのインボード側端の外周に嵌合した内輪１０とでなる。これらハブ輪９および内輪１０に、前記各列の転走面４が形成されている。ハブ輪９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１０が嵌合している。ハブ輪９の中心には貫通孔１１が設けられている。ハブフランジ９ａには、周方向複数箇所にハブボルト（図示せず）の圧入孔１５が設けられている。ハブ輪９のハブフランジ９ａ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１３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内周で、密封手段７と転走面３との間の軸方向位置に、周囲よりも剛性の低い脆弱部としての円周溝２０が形成され、その円周溝２０の適所にセンサユニット２１が設けられている。外方部材１のアウトボード側端部分はタイヤ支持に直接関与していないので、この部分の剛性を下げてもタイヤ支持に格別の支障が生じない。センサユニット２１は、円周溝２０の底面に固定されるセンサ取付部材２２と、このセンサ取付部材２２に貼り付けられてセンサ取付部材２２の歪みを測定する歪みセンサ２３とでなる。

センサ取付部材２２は、円周溝２０の底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外周側および横幅方向に張り出した接触固定部２２ａ，２２ｂが形成されている。また、センサ取付部材２２の中央部には円弧の外周側に開口する切欠部２２ｃが形成され、この切欠部２２ｃの背面に位置する円弧の内周側の面に歪みセンサ２３が貼り付けられている。センサ取付部材２２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２１は、センサ取付部材２２の接触固定部２２ａ，２２ｂによって円周溝２０の底面に固定される。これら接触固定部２２ａ，２２ｂの円周溝２０の底面への固定は、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２２の接触固定部２２ａ，２２ｂ以外の箇所では、円周溝２０の底面および円周溝２０の側壁面との間に隙間を生じている。
この実施形態の場合、一方の接触固定部２２ａ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２２ｂが真上位置から数十度下方の位置の位置するように、センサユニット２１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、また真上位置から数十度下方の位置は、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２２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２２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１６が設けられている。磁気エンコーダ１６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２１の出力を処理する手段として、外力計算手段３１、路面作用力計算手段３２、軸受予圧量計算手段３３、および異常判定手段３４が設けられている。これら各手段３１〜３４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９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２２に伝わり、センサ取付部材２２が変形する。このセンサ取付部材２２の歪みを、歪センサ２３により測定する。この際、センサ取付部材２２は外方部材１におけるセンサ取付部材２２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２２が取付けられている箇所は周囲よりも剛性の低い脆弱部であるので、センサ取付部材２２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２１で検出できる。さらに、外方部材１と比べてセンサ取付部材２２は円弧状であり、かつ切欠部２２ｃが設けられてこの切欠部２２ｃ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２２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２３で正確に検出することができる。

また、センサ取付部材２２の２箇所の接触固定部２２ａ，２２ｂのうち、一方の接触固定部２２ａ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２２ｂ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数十度下方の位置に位置しているため、接触固定部２２ｂを支点にして接触固定部２２ａが大きく変形するときに、センサ取付部材２２の歪みセンサ２３の取付部分が一層大きな歪みを生じることとなり、歪みセンサ２３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３１および路面作用力計算手段３２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２３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３４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出来る。
また、外力計算手段３１および路面作用力計算手段３２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、車輪用軸受は内輪１０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２２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出来る。軸受予圧量計算手段３３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２３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３３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。

上記第１の実施形態ではセンサユニット２１が配置される脆弱部である円周溝２０が外方部材１の内周に形成されているが、図５および図６に示すように、円周溝２０を外方部材１の外周に形成し、その円周溝２０にセンサユニット２１を配置しても良い。
いずれの実施形態についても、センサ取付部材２２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。同車輪用軸受の外方部材の上半分を示す正面図である。図２におけるIII ―III 断面図である。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み合わせて示す説明図である。この発明の第２の実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の外方部材の上半分を示す正面図である。図５におけるVI―VI断面図である。

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
７，８…密封手段
２０…円周溝（脆弱部）
２１…センサユニット
２２…センサ取付部材
２２ａ，２２ｂ…接触固定部
２２ｃ…切欠部
２３…歪みセンサ
２４…軸方向溝（脆弱部）

Claims

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、前記外方部材が車体に取付けるフランジを軸方向の中間に位置して外周に有する固定側部材となり、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、
前記外方部材のアウトボード側の転走面よりもアウトボード側となる端部付近に脆弱部を形成する円周溝を設け、この円周溝内に、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配し、前記センサ取付部材は、前記外方部材の前記円周溝の底面に沿う細長い略円弧状とされて両端に接触固定部が形成されこれら接触固定部で前記円周溝の底面に固定されて接触固定部以外の箇所では前記円周溝の底面および側壁面との間に隙間を生じており、前記両端の接触固定部の間で外周側の面または内周側の面の少なくとも１箇所に切欠部を有し、前記センサ取付部材における前記切欠部の背面に前記歪みセンサを配置したものであることを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
請求項１において、前記センサ取付部材の２箇所の接触固定部のうち、一方の接触固定部が、外方部材に作用する荷重により外方部材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数十度下方の位置に位置しているセンサ付車輪用軸受。