JP5110293B2 - 車輪軸受における反作用力を求める方法 - Google Patents

Description

本発明は、車輪軸受における反作用力を求める方法であって、車輪軸受における反作用力が、走行運転中に車輪のタイヤに作用する力から生じるものに関する。

最近の車両の安全性及び乗り心地を一層改善するため、車両における走行運転用電子制御システムは、現在の走行状況についてますます多くの情報を必要としている。機関、変速機の現在のデータ及び個々の車輪の回転数に加えて将来は、個々のタイヤに作用する現在の力および力の方向（車輪接地力）も、走行運転の制御に一緒に利用されるようにする。これらの力を検出するため、種々の解決の試みがある。即ちタイヤにおける力を測定するか又はリムと受入れフランジとの間に測定アダプタを挿入する（ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６２７３８５号明細書又は測定輪″Ｖｅｌｏｓ″による複数の軸線方向走行運転負荷の検出″Ａ． Ｒｕｐｐ，Ｗ Ｄｉｅｆｅｎｂａｃｈ，Ｖ．Ｇｒｕｂｉｓｉｃ，ＡＴＺ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｚｅｉｔｕｎｇ ９６（１９９４）″．これらの解決の試みはすべて、力が回転している部分から伝達されねばならないという問題を持っている。そのため遠隔データ伝送装置の使用又は滑り接触子の使用のように、付加的な費用が必要である。

車輪接地力を検出するため、この場合特に車輪軸受が用いられる。なぜならば、車輪軸受は、タイヤに作用するすべての力を車両の枠に伝達するからである。

欧州特許第０４３２１２２号明細書に示されている車輪軸受装置では、静止している環の種々の個所にセンサが設けられている。車輪軸受の静止している環において測定される力から、直進走行の際又は曲線走行の際、タイヤに作用する力を求めることができる。この測定装置の問題は、多くの測定個所にもかかわらず、車両の制動機が操作される瞬間に生じる。実験の結果、制動の際車輪接地力をもはや精確に求めることができないことがわかった。

本発明の基礎になっている課題は、制動過程においても車輪と道路との間に作用する力を求めることができる方法を提供することである。

この課題の解決は、請求項１の特徴によって行われる。

本発明では、道路とタイヤとの間に作用する力を求めるため、制動されない走行においては、センサの測定結果から、道路とタイヤとの間に作用する力を直接推論することができるけれども、制動過程においては、車輪軸受において測定される力から制動円板の支持力を算出せねばならないことがわかった。
従って本発明によれば、少なくとも１つの別のセンサにより、制動過程においてキャリパに作用する制動力が求められ、生じる軸受力から、軸受力への制動力の影響が算出される。
こうしてのみ、極端な走行状況においても、タイヤと道路表面との間の精確な力関係を求めることができる。

タイヤと路面との間に作用する力は、反作用力を介して車輪軸受で間接に測定される。このため車輪軸受の静止している軸受輪例えば外輪にセンサ（例えばひずみ計、薄層ひずみ計）が設けられ、これらのセンサにより車輪軸受の静止している軸受輪における反作用力（応力変化）を求めることができる。制動なしの走行の際、これらの負荷から直接車輪接地力を求めることができる。しかし制動過程の際車輪軸受における反作用力は、円板制動機を介して導入される力により、車輪接地力をもはや精確に求めることができないほど、強い影響を受ける。制動過程の際現在作用する力の位置及び大きさを知ることによりはじめて、車輪軸受の静止している軸受輪においてセンサにより検出される全部の力から、路面とタイヤとの間の力及び現在の摩擦係数を推論することができる。

フランジ結合されるキヤリパの懸架点又は担体における力の永続的な測定により、制動過程における制動力の重心の空間的位置を継続的に求めることができる（制動力の重心―制動円板又は制動ライニングにおける制動力のベクトルの計算による作用点）。制動力の重心の位置は、導入される制動力、現在の摩擦係数、及び制動ライニングと円板制動機との間の接触状態に関係する。従って制動力の現在の重心は、制動過程においても運転時間にわたっても移動することができる。車輪軸受において測定される力を制動力の影響だけ減少した後、それから生じる車輪接地力により、従来技術におけるより一層よく制動過程を実施することができる。

本発明の別の驚くべき利点は、接線方向に車輪力が導入される際、制動力及び路面からの影響を計算により区別できることである。車両が軟らかい路床（雪、砂利、軟らかい地面、たまり水）上を走行すると、タイヤの前に、押しのけねばならない材料集積が生じる。この押しのけは、制動力と同じ効果を持つ接線力をタイヤに生ぜしめる。現在の制動力の検出により、これらの水平に作用する力を、制動力と路面からタイヤに作用する力とに明白に分割することができる。この利点は一層重要である。なぜならば、リムの範囲又はタイヤの範囲で測定を行うすべての測定システムは、これらの力を区別できないからである。軟らかい路床における制動過程は、この可能性によって最適化される。

更に駆動される車輪による制動過程において、制動円板に作用する力と、動力伝達系統を介して導入される従動力（又は従動トルク）とを、区別することができる。この区別は、クラツチが踏まれない制動の際（即ちエンジンブレーキの際）、これらの車輪を最適に制動できるために必要である。動力伝達系統の従動力における力と制動力のこの区別は、リム又はタイヤにおいて測定するすべてのシステムにおいて不可能である。

図１は、力Ｆ_ｘ，Ｆ_ｙ，Ｆ_ｚ及びトルクＭ_ｘ，Ｍ_ｙ，Ｍ_ｚを持つタイヤを示している。本発明による測定システムの役割は、タイヤ７と道路との間に作用するこれらの力又はトルクを検出することである。

図２には、制動の際の車輪が示されている。力の矢印による図示を煩雑にしないようにするため、直進走行を基礎にした。曲線走行の際における公知の車輪接地力Ｆｙ_Ｒは図示されない。この概略図において、タイヤ７、制動円板８、キヤリパ４（又は制動ライニング）、及び車輪軸受１の静止している軸受輪部分即ち外輪１ａにあるキヤリパの取付け部６が示されている。制動力Ｆｔａｎ_Ｂは、車輪軸受１の内輪１ｂに結合されてタイヤを制動する制動円板に作用する。測定装置のセンサ２は、静止している外輪１ａに設けられている。センサ３はキヤリパ担体における力を検出して、制動力の現在の作用点５（重心）及び制動力Ｆｔａｎ_Ｂの大きさを決定する。車輪の運動方向はｖで示されている。制動力Ｆｔａｎ_Ｂ及びＦｘ_Ｒ１は、制動力の現在の重心に対するタイヤのてこ比によって生じる。力Ｆｔａｎ_Ｂ及びＦｘ_Ｒ１は、車輪軸受の内輪と外輪との間に支持される。そこでこれらの力は、Ｆｔａｎ_Ｌ及びＦｘ_Ｌ１の形の反作用力を生じる。タイヤ７と路面１０との間の重量力Ｆｚ_Ｒは、車輪軸受１に力Ｆｚ_Ｌを生じる。

従って車輪軸受の内輪１ｂと静止している外輪１ａとの間には、制動される直進走行の際常に３つの力成分（Ｆｘ_Ｌ１，Ｆｚ_Ｌ，Ｆｔａｎ_Ｌ）が作用する。

Ｍｙ（Ｆｔａｎ_Ｂ）又はＭｙ（Ｆｘ_Ｒ１）は、制動の際作用するトルクである。

図３の（ａ）には、車輪軸受１の内輪１ｂと外輪１ａとの間に作用する力が幾何学的に加算されて、センサ２を介して測定される合成軸受力Ｆｒｅｓ_Ｌを求める。車輪接地力（Ｆｘ_Ｌ１，Ｆｚ_Ｌ）を求めるため、測定される軸受力Ｆｒｅｓ_Ｌから制動力Ｆｔａｎ_Ｌの影響が算出される。タイヤと路面との間の現在の摩擦係数は比Ｆｘ_Ｌ１及びＦｚ_Ｌを介して求められる。他のすべての詳細において図３の（ａ）は図２に相当している。

図３の（ｂ）には、キヤリパ４ａの配置が合成軸受力Ｆｒｅｓ_Ｌへの原則的な影響を持っていることが示されている。図３の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ同じ車輪接地力９で示されている。この図から、キヤリパ４ａ従って重心５ａの位置が測定結果Ｆｒｅｓ_Ｌにどんな影響を及ぼすかが明らかになる。

図４の（ａ）及び（ｂ）には、制動重心５ｂ，５ｃが制動過程において制動ライニング４内で移動できるという問題が示されている。制動力Ｆｔａｎ_Ｂの重心に応じて、車輪軸受１における合成軸受力Ｆｒｅｓ_Ｌの異なる値が生じる。制動過程において現在作用する車輪接地力（Ｆｘ_Ｌ１，Ｆｚ_Ｌ）に達するため、合成軸受力Ｆｒｅｓ_Ｌから、（担体６にあるセンサ３を介して測定される）制動力Ｆｔａｎ_Ｌの現在の影響を持続的に計算せねばならない。

図５の（ａ）及び（ｂ）には、タイヤにおける公知の測定輪及び測定方法に対する驚くべき利点が示されている。図５の（ａ）には、タイヤが軟らかい路床中を動く時、問題点が示されている。この軟らかい路床はタイヤ接地力の移動を生じる。軟らかい路床では、この路床を押しのけるために、力Ｆｘ_Ｒ２を生じなければならない。この力Ｆｘ_Ｒ２は車輪軸受に対応する力Ｆｘ_Ｌ２を生じる。この図には、制動介入なしの力の状態が示されている。測定される制動力（Ｆｔａｎ_Ｂ＝０）の評価は、水平力が外部からタイヤへ作用し、制動力によっては生じないことを明らかにする。担体６及びセンサ３は、わかり易くするためこの図には示してない。

図５の（ｂ）には図５の（ａ）からの状況が示され、今や軟らかい路床１１上で制動が行われる。タイヤ７へ水平に作用する力は、この図では、２つの力ベクトル力Ｆｘ_Ｒ２及び力Ｆｘ_Ｒ１により示されている。Ｆｘ_Ｒ２は軟らかい路床１１によりタイヤへ作用する力に相当し、力Ｆｘ_Ｒ１は制動機により水平方向に生じる力に相当している。残りの力の矢印は、前記の図の表示に一致している。制動力Ｆｔａｎ_Ｂ及びてこ腕を介して制動力に比例する力Ｆｘ_Ｒ１を精確に知ることによって、合成軸受力Ｆｒｅｓ_Ｌを計算で力Ｆｔａｎ_Ｌ及びＦｘ_Ｒ１だけ減少することができる。それにより現在作用する車輪接地力のすべての大きさがわかる。公知の測定輪及びアダプタのシステムでは、タイヤへ接線方向に作用する力のこの分離は不可能である。なぜならば、このシステムは制動力を知ることができないからである。センサ２，３を車輪軸受１の静止している外輪１ａ及びキヤリパ４の担体６に本発明により設けることによって、極端な走行状態においても、タイヤと路面との間の精確な力状態を求めることができる。

図６には車輪軸受１が示され、その外輪１ａのハウジング１ｄに２つの担体６ａが統合されて、キヤリパを受入れている。キヤリパ、制動ライニング及び制動円板はこの図には示していない。リム又は制動円板を受入れるフランジ１３は、内輪１ｂに結合されている。制動力を測定するセンサ３は、担体６ａの両方の腕に設けられている。外輪１ａのハウジング１ｄには、力を測定するセンサ２ａが取付けられている。

図７及び８には、キヤリパを設けられた車輪軸受装置が示されている。図７には、回転するフランジ部分１３及び静止している外輪１ａを持つ車輪軸受装置が示されている。外輪１ａにはセンサ２ｂが設けられている。この図では、車両の曲線走行の際傾倒力も測定できるようにするため、センサ２ｂは２つの面に設けられている。静止している外輪１ａのフランジ１ｅには、揺動軸受（揺動軸受は図９に示されている）を受入れるための取付け穴１４、及びキヤリパ担体６を受入れるための別個の穴１５が示されている。穴１５のところには、フランジ範囲１ｅにあるセンサ３ａが設けられ、これらのセンサ３ａにより制動力及び制動重心が測定される。センサ２ｂ，３ａの空間的近さにより、取扱い及び組立ての際利点が生じる。なぜならば、すべてのセンサ２ｂ，３ａは静止している部分に設けられているからである。

図８は、担体６を介して取付けられるキヤリパ１８を持つ図７の構成を示している。この図では、斜視図のためセンサ２ｂ，３ａは見えない。穴１５を介してキヤリパ１８がキヤリパ担体６により取付けられている。穴１４を介して車輪軸受装置が揺動軸受に結合されている。制動力及び重心を求めるためキヤリパ１８の担体６へのセンサ３ｂの配置を、別の変形例が示している。

図９には、揺動軸受１６が示されている。車輪軸受は揺動軸受の穴１７にはまり、穴１９を介して取付けられている。この図では、車輪軸受は示されていない。この図ではキヤリパ１８はその担体を揺動軸受１６に取付けられている。重心で制動力を求めるセンサ３ｃは図示されている。

原理的に求めるべき力及びトルクを示す。 制動過程において制動円板と車輪軸受と路面との間に生じる力の状態を示す。 （ａ）及び（ｂ）は制動過程においてキヤリパの位置が作用する車輪軸受の力へ及ぼす影響を示す。 （ａ）及び（ｂ）は制動過程において制動ライニング内における制動重心の位置の移動によって生じる車輪軸受への影響を示す。 （ａ）及び（ｂ）は軟らかい路床における制動過程において車輪軸受に作用する力の状態を示す。 静止している環に統合されてキヤリパ及びセンサを受入れる担体を持つ車輪軸受を示す。 車輪軸受の静止している外輪にあるキヤリパの担体及びセンサを受入れる付加的な取付け装置を持つ車輪軸受を示す。 車輪軸受の静止している外輪にあるキヤリパの担体及びセンサを受入れる付加的な取付け装置を持つ車輪軸受を示す。 揺動軸受に取付けられるキヤリパ担体及びセンサを持つ車輪軸受を示す。

符号の説明

１ 車輪軸受
２，２ａ，３，３ａ，３ｂ，３ｃ センサ
１８ キヤリパ

Claims (8)

1. 車輪軸受における反作用力を求める方法であって、車輪軸受における反作用力が、走行運転中に車輪のタイヤに作用する力から生じるものにおいて、
   センサ（２，２ａ）により、車輪軸受（１）に生じる軸受力（Ｆｒｅｓ_Ｌ）が求められ、その際生じる軸受力（Ｆｒｅｓ_Ｌ）が車輪軸受における反作用力と制動反作用力（Ｆｔａｎ_Ｌ）から合成され、制動反作用力（Ｆｔａｎ_Ｌ）が制動力（Ｆｔａｎ_Ｂ）から生じ、
   少なくとも１つの別のセンサ（３，３ａ，３ｂ，３ｃ）により、制動過程においてキャリパ（１８）に作用する制動力（Ｆｔａｎ_Ｂ）が求められ、
   生じる軸受力（Ｆｒｅｓ_Ｌ）から、生じる軸受力（Ｆｒｅｓ_Ｌ）への制動力（Ｆｔａｎ_Ｂ）の影響（Ｆｔａｎ_Ｌ）が算出され、
   制動力（Ｆｔａｎ _Ｂ ）の重心の空間的位置も求められ、その際制動力の重心が制動力のベクトルの計算による作用点である
   ことを特徴とする、方法。
2. 車輪軸受（１）の静止している軸受輪部分（１ａ）に生じる力（Ｆｒｅｓ_Ｌ）が、この軸受輪部分（１ａ）に設けられるセンサ（２，２ａ）により求められることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 車輪軸受（１）の静止している軸受輪部分（１ａ）の静止しているハウジング（１ｄ）に生じる力（Ｆｒｅｓ_Ｌ）が、ハウジングに設けられるセンサ（２，２ａ）により求められることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 制動力（Ｆｔａｎ_Ｂ）が、車輪軸受（１）とキャリパ（１８）との間にある別のセンサ（３，３ａ，３ｂ，３ｃ）により求められることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 制動力（Ｆｔａｎ_Ｂ）が、車輪軸受（１）とキャリパ（１８）との間でキャリパ（１８）の懸架点にある別のセンサ（３，３ａ，３ｂ，３ｃ）により求められることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 制動力（Ｆｔａｎ_Ｂ）が、車輪軸受（１）とキャリパ（１８）との間でキャリパ（１８）の担体にある別のセンサ（３，３ａ，３ｂ，３ｃ）により求められることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
7. 生じる軸受力（Ｆｒｅｓ _Ｌ ）から反作用力を求めるため、制動反作用力（Ｆｔａｎ _Ｌ ）が永続的に算出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 少なくとも２つのセンサ（２ｂ）により、曲線走行から車輪軸受（１）における 傾倒力が求められ、その際センサ（２ｂ）が、互いに離れた面に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

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