JP2007057301A - センサ付車輪用軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 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検出でき、量産時のコストが安価となるセンサ付車輪用軸受を提供する。
【解決手段】 外方部材１と内方部材２の間に複列の転動体３を介在させた車輪用軸受において、センサユニット２１を取付ける。センサユニット２１は、固定側部材である外方部材１の内周面に取付けられるセンサ取付部材２２と、このセンサ取付部材２２の歪みを測定する複数の歪みセンサ２３とでなる。センサ取付部材２２は、外方部材１に対して少なくとも２箇所の接触固定部２２ａ，２２ｂ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２４ｃを有し、この切欠部２４ｃに歪みセンサ２３を配置したものとする。センサ取付部材２２の２箇所の接触固定部２２ａ，２２ｂ間の部分は、２枚の平行な平板２４と両平板を連結する円弧板２５からなる形状とする。
【選択図】 図１

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。
この問題点に対し、歪みセンサをセンサ取付部材に取付けてセンサユニットとし、このセンサユニットを外輪に取付けることを試みた。この場合、センサ取付部材の加工にコストがかかりすぎると、コスト低化を実現することができない。そこで、センサ取付部材を加工が容易なものとすることで、量産時のコスト低下を図ることが望まれる。

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センサ付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た歪みセンサからなるセンサユニットを前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に取付け、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前記接触固定部間の部分が、２枚の平行な平板と両平板を連結する円弧板からなる形状であり、前記切欠部は前記平板に設けられたものであることを特徴する。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。

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。
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。
上記センサ取付部材の構造、すなわち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構造は、前記接触固定部間の部分を、切欠部が形成された２枚の平行な平板と、両平板を連結する円弧板とを断面コ字形に組み合わせて成形することにより、容易に得られる。このように成形されたセンサ取付部材は、切欠部を除く部分が断面コ字形であるため、全体の剛性を高くしながら切欠部のある部分の剛性を低くして大きな歪みを生じさせる形状に簡単に製作できるという利点、ならびに軽量に製作できるため、このセンサ取付部材を車輪用軸受に取付けた場合に、車輪用軸受の重量バランスに悪影響を与えないという利点がある。平板および円弧板は、鋼板のプレス加工による打抜き品とすることにより、容易かつ安価に製作することができる。それぞれ個別に製作された２枚の平行な平板および円弧板を組み合わせる場合、２枚の平行な平板と円弧板とはいかなる方法で接合しても良く、例えば溶接やロウ付けにより接合する。

前記センサ取付部材がプレス品であり、前記２枚の平行な平板と両平板を連結する円弧板とが一体であるようにすると、加工工程が少なくて済むので、センサ取付部材をさらに安価に提供することができる。

前記センサ取付部材における前記平板の前記切欠部以外の部分に補強材を接合してもよい。前記切欠部以外の部分に補強材を接合すると、切欠部の箇所の剛性は低いままで、センサ取付部材全体の剛性をより一層高めることができる。

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、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前記外方部材および内方部材のうちの固定側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、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。
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。
また、前記センサ取付部材の前記接触固定部間の部分が、２枚の平行な平板と両平板を連結する円弧板からなる形状であり、前記切欠部は前記平板に設けられたものであるとすることにより、全体の剛性を高くしながら切欠部のある部分の剛性は低くして大きな歪みを生じさせる形状であり、しかも軽量であるセンサ取付部材を安価に製作することができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図５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に、センサユニット２１が設けられている。センサユニット２１の軸方向位置は、密封手段７と転走面３との間とされる。このセンサユニット２１は、外方部材１に取付けら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、図３に示す２枚の平板２４と、図４に示す円弧板２５とを組み合わせてなる。平板２４は、概略形状が車軸用軸受の回転軸の軸心を中心とする２本の同心円弧を外周縁および内周縁とする周方向に細長い板材で、その両端部２４ａ，２４ｂが外周側に若干張り出して形成されているとともに、その中央部に内周側に開口する切欠部２４ｃが形成されている。円弧板２５は、平板２４の外周縁に対応する円弧状に湾曲した板材で、その両端部２５ａ，２５ｂは平板２４の両端部２４ａ，２４ｂに対応して段差が設けられている。

上記２枚の平板２４，２４を平行に配置し、その間に上記円弧板２５を配し、両平板２４，２４の対向面の外周縁部と円弧板２５の端面とを接合することにより、図５に示すように２枚の平板２４，２４と円弧板２５とが断面コ字形に組み合わされたセンサ取付部材２２が得られる。２枚の平板２４の端部２４ａ，２４ｂと円弧板２５の端部２５ａ，２５ｂとで、センサ取付部材２２の接触固定部２２ａ，２２ｂとなる。２枚の平板２４，２４および円弧板２５は、例えば鋼板のプレス加工による打抜き品からなる。平板２４，２４と円弧板２５との接合方法は、特に限定しないが、例えば溶接やロウ付けが適している。そして、このように成形されたセンサ取付部材２２における円弧板２５の内周面の中央部、すなわち平板２４の切欠部２４ｃと円周方向同位置に歪みセンサ２３が貼り付けられる。

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。

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によって外方部材１の内周に固定される。これら接触固定部２２ａ，２２ｂ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２２の接触固定部２２ａ，２２ｂ以外の箇所では、外方部材１の内周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。

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６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における歪みセンサ２３の取付箇所は、平板２４，２４の切欠部２４ｃ，２４ｃと円周方向同位置の剛性の低い箇所であるので、外方部材１の歪みよりも大きな歪みがセンサ取付箇所に現れることとなり、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。

上記実施形態では、それぞれ個別に成形された２枚の平板２４，２４と円弧板２５とを接合して所望形状のセンサ取付部材２２としているが、全体をプレス加工によって一体に成型しても良い。センサ取付部材２２を全体が一体のプレス品とすると、加工工程が少なくて済むので、センサ取付部材２２を安価に提供することができる。

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。前記実施形態のセンサ取付部材２２は、断面コ字形で高い全体剛性を有しているが、それでもセンサ取付部材２２の全体剛性が不十分である場合は、図３に示す平板２４、および図４に示す円弧板２５とは別に、図７に示す補強材２６を組み合わせてセンサ取付部材２２を成形すると良い。補強材２６は、平板２４の内周縁に対応するように円弧状に湾曲した板材で、その円周方向の長さは、平板２４の内周縁端から切欠部２４ｃまでの長さとされる。なお、図７は２枚の補強材２６を並べて表示している。
図８に示すように、平行に配置した２枚の平板２４，２４の対向面の外周縁部と円弧板２５の端面とを接合するとともに、２枚の平板２４，２４の対向面の内周縁部と補強材２６，２６の端面とを接合して、２枚の平板２４，２４、１枚の円弧板２５、および２枚の補強材２６，２６を断面口字形に組み合わせる。このように成形されたセンサ取付部材２は、全体剛性が格段に向上したものとなる。

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とセンサユニットとを示す正面図である。 （Ａ）は平板の正面図、（Ｂ）はその平面図である。 （Ａ）は円弧板の正面図、（Ｂ）はその平面図である。 （Ａ）はセンサユニットの正面図、（Ｂ）はそのＶ−Ｖ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。 （Ａ）は補強材の正面図、（Ｂ）はその平面図である。 （Ａ）はセンサユニットの正面図、（Ｂ）はそのVIII−VIII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
２１…センサユニット
２２…センサ取付部材
２２ａ，２２ｂ…接触固定部
２３…歪みセンサ
２４…平板
２４ｃ…切欠部
２５…円弧板
２６…補強材

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センサ付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た歪みセンサからなるセンサユニットを前記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に取付け、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前記接触固定部間の部分が、２枚の平行な平板と両平板を連結する円弧板からなる形状であり、前記切欠部は前記平板に設けられたものであることを特徴とするセンサ付車輪用軸受。
2. 請求項１において、前記固定側部材が外方部材であるセンサ付車輪用軸受。
3. 請求項１または請求項２において、前記センサ取付部材がプレス品であり、前記２枚の平行な平板と両平板を連結する円弧板とが一体であるセンサ付車輪用軸受。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記センサ取付部材における前記平板の前記切欠部以外の部分に補強材を接合したセンサ付車輪用軸受。

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