JP5140853B2

JP5140853B2 - 軸荷重計測装置

Info

Publication number: JP5140853B2
Application number: JP2007145055A
Authority: JP
Inventors: 真悟植田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: JP2008298583A

Description

本発明は、軸荷重計測装置に関し、特に、軸に対する作用力を計測するのに好適な軸荷重計測装置に関する。

従来から軸に対する回転体の作用力を計測する回転体作用力測定装置が知られている。車輪が回転体である場合、例えば、車体の荷重バランス等を検出するために車輪の作用力が計測される。特開平１１−１７３９２９号公報には、車輪を回転自在に支承して懸架装置で固定的に支持される車軸を、多分力ロードセルとして構成した車輪作用力測定装置が提案されている。この装置はスリップリング等を用いずにロードセルを構成するストレインゲージから歪み検出値を取り出すようにしているので構造を簡素化することができるという利点を有する。
特開平１１−１７３９２９号公報

特許文献１に開示された車輪作用力測定装置は、スリップリング等を必要としない点では有用である。しかし、ロードセルに力を伝達するための伝達部や伝達部を支持する枠部および基部の体積が大きいので全体的に大型となりやすく、装着スペースを確保するために既存部品の設計変更個所が多くなるおそれがある。また、装置重量が大きいために計測値自体に影響を及ぼすことも考えられる。

本発明の目的は、装置の装着スペースを最小限にし、かつ大幅な設計変更を伴わずに回転体の作用力を計測することができる軸荷重計測装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明は、固定的に支持される軸と、前記軸に設けられ、回転体を外輪で回転自在に支持する軸受と、前記軸の外周面と前記軸受の内輪との間に配置され、前記軸に対する前後および上下方向の荷重を検出する薄膜センサと、前記薄膜センサの外周に配置された保護リング（１８）とを具備を、前記薄膜センサが、絶縁膜の上に歪みセンサ蒸着させて作成されるものであって、加熱した前記保護リング（１８）を該薄膜センサ（１７）の外周に被せ、その後冷却させることによって前記軸（５）に固定された点に第１の特徴がある。

また、本発明は、固定的に支持される軸と、前記軸の長手方向複数個所に設けられ、回転体を外輪で回転自在に支持する軸受と、前記軸の外周面と前記複数の軸受の内輪との間にそれぞれ配置され、前記軸に対する前後および上下方向の荷重を検出する薄膜センサと、前記薄膜センサの外周に配置された保護リングとを具備し、前記薄膜センサが、絶縁膜の上に歪みセンサ蒸着させて作成されるものであって、加熱した前記保護リングを該薄膜センサの外周に被せ、その後冷却させることによって前記軸に固定された点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記軸が筒状中空体であって、該軸の外周面から軸内周面に向けて貫通する孔が前記薄膜センサの近傍に設けられている点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記薄膜センサの外周に保護リングが配置され、前記軸受の内輪が該保護リングの外周に対向している点に第４の特徴があり、前記薄膜センサおよび前記保護リングが、前記前後および上下方向の荷重検出位置に対応する部分のみで互いに当接するように、該薄膜センサおよび保護リングのいずれか一方側に突部分が形成されている点に第５の特徴がある。

また、本発明は、左右一対の懸架装置に固定的に支持される車軸と、前記車軸の長手方向２個所に設けられ、車輪を外輪で回転自在に支持する軸受と、前記車軸の外周面と前記複数の軸受の内輪との間にそれぞれ配置され、前記車軸に対する前後および上下方向の荷重を検出する薄膜センサと、前記薄膜センサの外周に配置された保護リングとを具備し、前記軸受の内輪が該保護リングの外周に対向しているとともに、前記薄膜センサが、絶縁膜の上に歪みセンサ蒸着させて作成されるものであって、加熱した前記保護リングを該薄膜センサの外周に被せ、その後冷却させることによって前記軸に固定された点に第６の特徴がある。

また、本発明は、前記車輪または回転体が自動二輪車の車輪であって、前記薄膜センサの検出出力が、軸の並進３成分力と該並進分力の軸に関するモーメントの演算に用いられる点に第７の特徴がある。

上記第１〜５の特徴を有する発明によれば、軸受と軸との間、または軸受と該軸受を支持する軸受支持部材との間にわずかな隙間を形成するだけで薄膜センサを介在させることができ、これにより、回転体、例えば車輪の軸受構造を大幅に設計変更することなく、軸、例えば車軸に対して前後および上下方向に作用する圧力を測定することができる。特に、薄膜センサ自体は軽量であり、薄膜センサの重量が軸に及ぼす影響を排除できる。また、保護リングで薄膜センサを保護することができる。

第２の特徴を有する本発明によれば、薄膜センサの出力を、軸の貫通孔を通すことができるリード線等によって、スリップリングなどの複雑な電気接続手段を用いることなく薄膜センサの出力を外部に引き出すことができる。

第５の特徴を有する本発明によれば、軸受と薄膜センサとの間に作用する力を所望の部分のみに集中させることにより、薄膜センサの感度を向上させ、より高い検出精度を得ることが可能である。

そして、第７の特徴を有する本発明によれば、検出された圧力値が、自動二輪車の車軸に対する並進３成分力やモーメントの演算に供され、自動二輪車の走行中の挙動解析の分野に貢献することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図３は本発明の一実施形態に係る軸荷重計測装置を装着した自動二輪車の前車輪の分解斜視図である。図３において、回転体である前車輪１は、ホイール２と、ホイール２の外周面に取り付けられるタイヤ３と、ホイール２の両側面にそれぞれ取り付けられるブレーキディスク４Ｌ、４Ｒと、中空筒状の車軸５とを備える。さらに、前車輪１の構成要素には、車軸５を支持する軸受６Ｌ、６Ｒと、軸受６Ｌ、６Ｒ間の間隔や軸受６Ｌ、６Ｒと車軸５やフロントフォークとの位置関係を決定するディスタンスカラー８、ならびにダストシール９Ｌ、９Ｒ、ホイールカラー１０Ｌ、１０Ｒおよび車軸ボルト１１等が含まれる。

図３には前車輪１を挟んで左右に一対設けられる前車輪１の懸架装置としてのフロントフォークの下部分であるフロントフォークケースが示されている。ここでは左側のフロントフォークケース１２Ｌを示すが、右側も同様に形成される。フロントフォークケース１２Ｌは上端が開放されている筒状体であり、図示しないフロントフォークパイプやダンパーを収容する。フロントフォークケース１２Ｌの下端には、前記車軸５の先端を挿入させて支持する車軸孔１３Ｌが設けられる。なお、車軸５の両端のうち前記突き出させた先端と反対側は大径に形成されているので、この大径部を支持する左側のフロントフォークケース１２Ｌの車軸孔１３Ｌ（いずれも図４を参照して後述する）は、右側のフロントフォークケース１２Ｒより大径に設定される。

図４は、前車輪およびフロントフォークケースを組み立てた状態の要部断面図であり、車体の前部から見た図である。図４において、ホイール２のハブ１４の一側部には軸受６Ｌが配置され、ハブ１４の他側部には軸受６Ｒが配置される。軸受６Ｌおよび６Ｒの外側にはそれぞれダストシール９Ｌ、９Ｒが配置される。軸受６Ｌ、６Ｒの内輪間にはこれら軸受６Ｌ、６Ｒ間の距離を決定するディスタンスカラー８が配置される。また、軸受６Ｌの外側と軸受６Ｒの外側にはそれぞれホイールカラー１０Ｌ、１０Ｒが配置される。

車軸５は長い小径部と短い大径部とを有しており、小径部はホイールカラー１０Ｌ、軸受６Ｌ、ディスタンスカラー８、軸受６Ｒ、およびホイールカラー１０Ｒを貫通させており、先端をホイールカラー１０Ｒから突出させている。ホイールカラー１０Ｒから突出させている車軸５の先端はフロントフォークケース１２Ｒの車軸孔１３Ｒに挿通されている。車軸５の端部には雌ねじが形成され、この雌ねじには車軸ボルト１１がねじ込まれている。車軸５の大径部と小径部との段差面はホイールカラー１０Ｌの端部に当接しており、車軸ボルト１１を車軸５先端の雌ねじにねじ込むことによってフロントフォークケース１２Ｒの内側側面とホイールカラー１０Ｒとの当接部、および車軸５の前記段差面とホイールカラー１０Ｌの端面との当接部は緊密し、各部の位置関係が定まる。車軸５の大径部はフロントフォークケース１２Ｌに形成されている車軸孔１３Ｌに嵌挿されている。ブレーキディスク４Ｌ、４Ｒはハブ１４の端面周囲にボルト１５を使用して取り付けられる。軸受６Ｌ、６Ｒの内輪と車軸５との間に薄膜センサが設けられる。

図１は、軸荷重計測装置を示す要部拡大断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ矢視図である。いずれの図においても、図３、図４と同符号は同一部分を示す。なお、図２において、自動二輪車の前後方向および上下方向に対応する方向を、前、後、上、下の各符号を付した矢印で示している。軸荷重計測装置１６は、車軸５上の２個所、つまりハブ１４の両端に設けられるが、両方ともに同じ構造を有するのでハブ１４の左側に設けられるもので代表して説明する。軸荷重計測装置１６は軸受６Ｌを介してタイヤ３およびタイヤ３の接地面との間に作用する荷重を計測する。

軸荷重計測装置１６は、車軸５の外周面と軸受６Ｌの内輪との間に薄膜センサ１７と保護リング１８を嵌めこんだ構造を有する。薄膜センサ１７は印加された圧力に対応した検知信号を出力する周知のものを使用できる。例えば、薄い金属（ステンレス鋼など）の板の表面上にＡｌ_２Ｏ_３またはＳｉＯ_２等の絶縁膜をＰＶＤ蒸着させ、その上にＣｒＮ、ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒからなる歪みセンサをＰＶＤ蒸着させて作成したものが好ましい。しかし、本発明の機能つまり軸荷重を検知できる薄膜状のものであれば、周知のものから種々選択して使用することができる。

保護リング１８は金属製であり、薄膜センサ１７を車軸５と軸受６Ｌとの間に嵌めこむ際に薄膜センサ１７を保護する役目を果たす。車軸５は、薄膜センサ１７が格納されるスペースを確保するため、外周を削り込んで部分的に細径に形成している。なお、この車軸５の削り込み部分は形状の理解のため誇張して深く描いている。

薄膜センサ１７は図２から理解できるように、車軸５の外周に沿った環状の内周部分１７１とその外周に配置された上下および左右（車体の前後）４個所の突部分１７２、１７３、１７４、および１７５とからなる。このように上下左右に突部分１７２〜１７５を設けることにより上下左右方向からの荷重を確実に検出できる。

薄膜センサ１７を車軸５と軸受６Ｌとの間に固定する方法として、例えば、焼き嵌め処理を使用することができる。まず、薄膜センサ１７を車軸５の細径部に嵌め、続いて、加熱した保護リング１８を薄膜センサ１７の外周に被せ、その後、冷却させる。この操作により、一旦加熱された保護リング１７は冷却されることによって収縮して薄膜センサ１７の外周に密着し、薄膜センサ１７を車軸５の外周に密着させる。

こうして、車軸５と軸受６Ｌ間に設けられた薄膜センサ１７の各突部分１７２〜１７５は図示しないリード線を介して外部の信号処理装置に電気的に接続される。例えば、車軸５の壁部を貫通する孔２０を穿ち、この孔２０を経由してリード線を車軸５内に通して外部に引き出してもよいし、ホイールカラー１０Ｌを貫通させてリード線を外部に引き出してもよい。

なお、薄膜センサ１７は、４つの突部分１７２〜１７５と基部となる環状部分１７１とで構成した例を示したが、分離独立した４つの薄膜センサを上下左右に配置するようにしてもよい。つまり基部となる環状部分１７１は省略することができる。

このように車軸５と軸受６Ｌ間に設けられた薄膜センサ１７によって、タイヤ３の、接地部への作用力を測定することができる。作用力は６つの分力として検出される。つまり、３つの並進成分力とこの３つの並進成分力の各軸周りの３つのモーメントである。

図５は、車軸に作用する成分力およびモーメントを示す図である。図５において、自動二輪車の前後方向をｘ軸、車軸５の延伸方向をｙ軸、自動二輪車の上下方向をｚ軸とする。この場合、各軸に沿って並進成分力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚが作用し、各軸の周りにモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚがそれぞれ作用する。車軸５に設けられた左右の薄膜センサ１７の突部分１７２および１７４の出力によって並進成分力Ｆｘを検出し、上下の薄膜センサ１７の突部分１７３および１７５の出力によって並進成分力Ｆｚを検出する。そして、並進成分力Ｆｘ、Ｆｚに基づいてモーメントＭｘ、Ｍｚとを演算により求める。なお、車軸５は軸受６Ｌによって回転自在に支持されているので、車軸５に沿ったｙ軸方向の並進成分力Ｆｙとｙ軸周りのモーメントＭｙは演算できない。

但し、タイヤの接地面では、車軸５および接地面の距離と薄膜センサ１７の検知信号とに基づいて並進成分力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚとこれらに基づいたモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを演算することができる。

薄膜センサによって直接または間接的に演算された車軸に対する成分力により自動二輪車の接地面に対する作用力を解析することができる。例えば、自動二輪車が右旋回しているとき、車体は右に傾斜させられる。このとき、重力と旋回部分の外側に向けて発生している遠心力との合力は車体の真下方向に生じている。したがって、この状態ではｚ軸方向の成分力Ｆｚが大きくなり、車重が増大したような検出結果が得られる。但し、旋回中の操舵によってタイヤ３はステアリング軸周り（つまりｚ軸周り）にモーメントＭｚを発生させる。また、これと同時に遠心力によってｙ軸方向の成分力Ｆｙが生じ、車軸５にはモーメントが作用して左右の薄膜センサ１７のそれぞれにおいて成分力ＦｚおよびＦｘに差が発生する。したがって、この成分力の差に基づいて生じたモーメントＴｘ、Ｔｚを演算することができる。

また、自動二輪車が道路の段差を乗り上げるとき、最初に前方からの力を受けるので、成分力Ｆｘが立ち上がり、その後、タイヤ３の変形やサスペンションの動きによって成分力Ｆｚに変化が生じる。

このような挙動を詳細にかつ精密に解析するための装置として本実施形態の車軸荷重計測装置は有用である。特に、本実施形態によれば、軸受６Ｌ、６Ｒのうち、固定側である内輪と車軸５との間に薄膜センサ１７を設けているので、車輪の回転にかかわらず薄膜センサ１７は固定しており、薄膜センサ１７の出力をスリップリング等を用いずに外部に引き出すことができる。

なお、本発明はこの実施形態に限定されない。例えば、軸受６Ｌ、６Ｒの外輪を固定して内輪を回転させる構造にも適用できる。図６は、第２実施形態に係る軸荷重計測装置の要部断面図である。同図において、軸受箱（軸受支持部材）２１に軸受２２が支持されており、この軸受２２によって、軸２３が回転自在に支持されている。軸受２２は外輪２２１と内輪２２１とからなり、外輪２２１の外周には薄膜センサ２４が配置され、薄膜センサ２４の外周には保護リング２５が配置されている。つまり、軸受の外輪の外周面に沿って保護リング２５を嵌めこみ、その外周に薄膜センサを嵌め込み、かつ、それら保護リング２５および薄膜センサ２４を介して軸受２２を軸受箱２１に収容する。自動二輪車の場合、軸受箱２１は図３に示したフロントフォークケース１３に設けることができる。この場合も、薄膜センサ２４には、図２に示したのと同様に保護リング側に向けた突部分が形成される。

また、薄膜センサ１７には車体の上下および前後方向で確実に圧力または荷重を検出できるように突部分１７２〜１７５を設けたが、これに代えて保護リング１８側に４方向の突部分を形成し、薄膜センサ１７側は均一な厚みのものとしてもよい。さらに、保護リング１７を省略して、車軸５と軸受６Ｌ、６Ｒとの間には薄膜センサ１７のみを配置する構造にしてもよい。

また、本発明は、前車輪の軸に作用する力に限らず、後輪に対する作用力も、同様に薄膜センサを使った軸荷重計測装置によって計測することができる。また、上記実施形態では、軸が自動二輪車の車軸である場合を説明したが、本発明はこれに限らず、軸は、エンジンのクランク軸や減速軸のカウンタ軸等であってもよい。

さらに、上述の実施形態では、２個の軸受で車軸を支持させる構造を例に挙げたが、これに限らず、さらに多くの軸受で単一の軸を支持する構造に適用することができるし、１個の軸受で軸を支持する構造にも適用できる。

本発明の一実施形態に係る車軸荷重計測装置の要部を示す拡大断面図である。図１のＡ−Ａ位置での断面図である。車軸荷重計測装置を搭載した自動二輪車の前車輪の斜視図である。車軸荷重計測装置を搭載した自動二輪車の前車輪の要部を示す断面図である。前車輪の車軸に対する成分力およびモーメントを示す図である。本発明の第２実施形態に係る軸荷重計測装置の要部断面図である。

符号の説明

１…自動二輪車、２…ホイール（回転体、車輪）、３…タイヤ、５、２３…車軸（軸）、６Ｌ、６Ｒ…軸受、８…ディスタンスカラー、１２Ｌ、１２Ｒ…フロントフォーク、１４…ハブ、１７…薄膜センサ、１８、２５…保護リング

Claims

固定的に支持される軸（５）と、
前記軸（５）に設けられ、回転体（２）を外輪で回転自在に支持する軸受（６Ｌ）と、
前記軸（５）の外周面と前記軸受（６Ｌ）の内輪との間に配置され、前記軸（５）に対する前後および上下方向の荷重を検出する円筒形の薄膜センサ（１７）と、
前記薄膜センサ（１７）の外周に配置された保護リング（１８）とを具備し、
前記薄膜センサ（１７）が、
絶縁膜の上に歪みセンサ蒸着させて作成されるものであって、加熱した前記保護リング（１８）を該薄膜センサ（１７）の外周に被せ、その後冷却させることによって前記軸（５）に固定されたことを特徴とする軸荷重計測装置。
固定的に支持される軸（５）と、
前記軸（５）の長手方向複数個所に設けられ、回転体（２）を外輪で回転自在に支持する軸受（６Ｌ、６Ｒ）と、
前記軸（５）の外周面と前記複数の軸受（６Ｌ、６Ｒ）の内輪との間にそれぞれ配置され、前記軸（５）に対する前後および上下方向の荷重を検出する円筒形の薄膜センサ（１７）と、
前記薄膜センサ（１７）の外周に配置された保護リング（１８）とを具備し、
前記薄膜センサ（１７）が、
絶縁膜の上に歪みセンサ蒸着させて作成されるものであって、加熱した前記保護リング（１８）を該薄膜センサ（１７）の外周に被せ、その後冷却させることによって前記軸（５）に固定されたことを特徴とする軸荷重計測装置。
前記軸（５）が筒状中空体であって、該軸（５）の外周面から軸内周面に向けて貫通する孔（２０）が前記薄膜センサ（１７）の近傍に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の軸荷重計測装置。
前記軸受（６Ｌ、６Ｒ）の内輪が該保護リング（１８）の外周に対向していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の軸荷重計測装置。
前記薄膜センサ（１７）および前記保護リング（１８）が、前記前後および上下方向の荷重検出位置に対応する部分のみで互いに当接するように、該薄膜センサ（１７）および保護リング（１８）のいずれか一方側に突部分（１７２〜１７４）が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の軸荷重計測装置。
左右一対の懸架装置（１２Ｌ、１２Ｒ）に固定的に支持される車軸（５）と、
前記車軸（５）の長手方向２個所に設けられ、車輪（２）を外輪で回転自在に支持する軸受（６Ｌ、６Ｒ）と、
前記車軸（５）の外周面と前記２個所に設けられた軸受（６Ｌ、６Ｒ）の内輪との間にそれぞれ配置され、前記車軸に対する前後および上下方向の荷重を検出する円筒形の薄膜センサ（１７）と、
前記薄膜センサ（１７）の外周に配置された保護リング（１８）とを具備し、
前記軸受（６Ｌ、６Ｒ）の内輪が該保護リング（１８）の外周に対向しているとともに、
前記薄膜センサ（１７）が、
絶縁膜の上に歪みセンサ蒸着させて作成されるものであって、加熱した前記保護リング（１８）を該薄膜センサ（１７）の外周に被せ、その後冷却させることによって前記軸（５）に固定されたことを特徴とする軸荷重計測装置。
前記回転体（２）が自動二輪車の車輪であって、前記薄膜センサ（１７）の検出出力が、軸の並進３成分力と該並進分力の軸に関するモーメントの演算に用いられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の軸荷重計測装置。
前記車輪（２）が自動二輪車の車輪であって、前記薄膜センサ（１７）の検出出力が、軸の並進３成分力と該並進分力の軸に関するモーメントの演算に用いられることを特徴とする請求項７記載の軸荷重計測装置。