JP2008232621A

JP2008232621A - 軸受の荷重測定装置

Info

Publication number: JP2008232621A
Application number: JP2007064374A
Authority: JP
Inventors: Koichi Morita; 耕一森田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: JP5098379B2

Abstract

【課題】軸受の回転速度が一定でなくても、高精度且つ正確に位相差比を演算することで、軸受に加わる荷重を高精度且つ正確に測定することが可能な荷重測定装置を提供する
【解決手段】回転輪に固定され且つ周方向に沿って特性を変化させた被検出面を有するエンコーダと、被検出面の特性の変化を検出する検出器と、検出器からの検出信号に所定の演算処理を施して軸受に加わる荷重を算出する演算器とを備える。検出器には、被検出面に対向する複数の回転速度センサが軸方向に沿って配設され、各回転速度センサは、エンコーダの回転に伴う被検出面の特性の変化に対応した検出信号(Ａ相信号、Ｂ相信号)を出力する。演算器は、検出信号相互の位相差の時間(x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4…)を計測し、その計測結果に基づいて異なる経過時間における複数の位相差比Ｐ,Ｑを演算し、その平均Ｒ＝(Ｐ＋Ｑ)／２をとることで軸受に加わる荷重を算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば自動車の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持するために用いられる軸受の荷重測定装置に関し、特に軸受に対して軸方向に加わる荷重を測定する技術の改良に関する。

従来、自動車などの各種車両の車輪(例えば、ディスクホイール)を車体(例えば、懸架装置(サスペンション))に対して回転自在に支持するための各種の軸受が知られている。なお、軸受としては、駆動輪用と従動輪用とがあるが、図１(ａ)には、一例として従動輪用の軸受が示されている。

かかる軸受は、車体側に固定されて常時非回転状態に維持される静止輪(外輪)２と、静止輪２の内側に対向して配置され且つ車輪側に接続されて車輪と共に回転する回転輪(内輪)４とを備えており、静止輪２と回転輪４との間には、複数の転動体6,8が複列(例えば２列)で組み込まれている。なお、静止輪２の内周には、周方向に連続した環状の軌道溝２ｓが複列(例えば２列)で形成され、一方、回転輪４の外周には、静止輪２の各軌道溝２ｓに対向して軌道溝４ｓが複列(２列)形成されている。そして、複数の転動体6,8は、静止輪２と回転輪４の軌道溝2s,4s間にそれぞれ転動自在に組み込まれている。

また、静止輪２と回転輪４との間には、軸受内部を軸受外部から密封するためのシール部材(例えば、車輪側のリップシール１０ａ、車体側のカバー１０ｂ)が設けられている。なお、リップシール１０ａは、静止輪２の車輪側に固定された状態で回転輪４に対して摺動自在に位置決めされている。一方、カバー１０ｂは、静止輪２の車体側全体を覆うように密封可能な円板形状を成しており、その周縁が静止輪２の車体側に固定されている。なお、転動体6,8として図面では、玉を例示しているが、軸受の構成や種類に応じて、コロが適用される場合もある。

また、静止輪２には、その外周面から外方に向って突出した固定フランジ２ａが一体成形されている。この場合、固定フランジ２ａの固定孔２ｂに固定用ボルト(図示しない)を挿入し、これを車体側に締結することで、外輪２を図示しない懸架装置(ナックル)に固定することができる。一方、回転輪４には、例えば自動車のディスクホイール(図示しない)を支持しつつ共に回転する略円筒形状のハブ１２が設けられており、ハブ１２には、ディスクホイールが固定されるハブフランジ１２ａが突設されている。

ハブフランジ１２ａは、静止輪２を越えて外方(ハブ１２の半径方向外側)に向って延出しており、その延出縁付近には、周方向に沿って所定間隔で配置された複数のハブボルト１４が設けられている。この場合、複数のハブボルト１４をディスクホイールに形成されたボルト孔(図示しない)に差し込んでハブナット(図示しない)で締付けることにより、当該ディスクホイールをハブフランジ１２ａに位置決め固定することができる。このとき、ハブ１２の車輪側に突設されたパイロット部１２ｄによって車輪の径方向の位置決めが成される。

また、内輪４(ハブ１２)には、その車体側に環状の回転輪構成体１６(ハブ１２と共に回転輪４を構成する別体内輪)が固定されるようになっている。この場合、回転輪構成体１６の固定方法の一例としては、静止輪２と回転輪４との間に複数の転動体6,8を保持器１８で保持した状態で、回転輪構成体１６をハブ１２に形成された段部１２ｂまで嵌合する。次に、回転輪構成体１６の周端部１６ｓに例えば固定用間座２０をセットした後、ハブ１２の車体側に一体成形されたハブ軸１２ｃにナット２２を螺合する。そして、当該ナット２２で固定用間座２０を回転輪構成体１６の周端部１６ｓ方向に締め込む。これにより、回転輪構成体１６を固定用間座２０とハブ１２との間に挟持した状態で回転輪４に固定することができる。

このとき、軸受には所定の予圧が付与された状態となり、この状態において、各転動体6,8は、互いに所定の接触角を成して静止輪２と回転輪４の軌道溝2s,4sにそれぞれ接触して回転可能に組み込まれる。この場合、２つの接触点を結んだ作用線(図示しない)は、各軌道溝2s,4sに直交し且つ各転動体6,8の中心を通り、軸受の中心線上の１点(作用点)で交わる。これにより背面組合せ形(ＤＢ)軸受が構成される。

ところで、上述したような構成において、自動車走行中に車輪に作用した力は、全てディスクホイールから軸受(ハブ１２)を通じて懸架装置に伝達され、その際、軸受(ハブ１２)には、各種の荷重(ラジアル荷重、アキシアル(軸方向)荷重、モーメント荷重など)が加わる。この場合、自動車の走行安定性を確保するために、軸受に加わる各種の荷重が荷重測定装置により測定されている。

ここで、荷重測定装置としては、例えば特許文献１に開示されたものをはじめとして種々の装置が知られているが、その一例として図１(ａ),(ｂ)に示された荷重測定装置は、静止輪２と回転輪４との間の相対的な変位量に基づいて、軸受(ハブ１２)に加わる荷重を測定している。具体的に説明すると、荷重測定装置は、ハブ１２(回転輪４)の外周に同心円状に固定され且つ周方向に沿って所定間隔で特性を変化させた被検出面２４ｓを有する中空円筒状のエンコーダ２４と、被検出面２４ｓに対向して静止輪２に固定され且つ当該被検出面２４ｓの特性の変化を検出する検出器２６と、検出器２６から出力された検出信号に所定の演算処理を施して軸受(ハブ１２)に加わる荷重を算出する演算器(図示しない)とを備えている。

エンコーダ２４には、その被検出面２４ｓに、スリット状(例えば、長楕円形状)を成す複数の貫通孔(符号化情報)24a,24bが周方向に沿って等間隔で且つ軸方向に２列を成して形成されている。この場合、各列相互の貫通孔24a,24bは、互いに等しい傾斜角度で且つその傾斜方向が互いに逆向きに設定されている。なお、各貫通孔24a,24bの大きさや形状は、例えばエンコーダ２４の大きさや形状に応じて任意に設定されるため、ここでは特に限定しない。また、貫通孔24a,24bに代えて、例えば被検出面２４ｓを窪ませて形成した凹溝形状の符号化情報をエンコーダ２４の被検出面２４ｓに形成しても良い。また、エンコーダ２４の材質は、検出を行うセンサの種類、軸受の使用目的や使用環境に応じて例えば磁性又は非磁性の金属材料や、樹脂材料などを任意に適用することができるため、ここでは特に限定しない。

一方、検出器２６には、軸方向に２列を成した複数の貫通孔24a,24bのそれぞれに対向する２つの回転速度センサSa,Sbが軸方向に沿って配設されている。この場合、各回転速度センサSa,Sbは、軸受(ハブ１２)の回転に伴ってエンコーダ２４が回転した状態において、当該回転速度センサSa,Sbの直前を複数の貫通孔24a,24bが通過した際に生じる被検出面２４ｓの特性の変化(貫通孔24a,24bの有無による被検出面２４ｓの形状変化)に対応した検出信号(Ａ相信号、Ｂ相信号：図２(ａ))を出力する。

なお、各回転速度センサSa,Sbは、軸受(ハブ１２)に荷重が加わっていない初期状態において、必ずしもそれぞれの検出信号の位相が互いに一致している必要はない。また、図面上では、各回転速度センサSa,Sbを軸方向に沿って一列に配置した構成例を示したが、特に軸方向に整列させる構成に限定されることは無い。

また、各回転速度センサSa,Sbとしては、市販されている光学センサや磁気センサなどを適用することができる。この場合、例えば光学センサであれば、被検出面２４ｓの特性の変化に伴う当該被検出面２４ｓからの反射光の光学的特性(例えば、光量、波長、周波数など)の変化を検出し、その検出信号を出力する。一方、例えば磁気センサであれば、被検出面２４ｓの特性の変化に伴う当該被検出面２４ｓの磁気特性(例えば、磁束密度、磁場など)の変化を検出し、その検出信号を出力する。

ここで、上述したような荷重測定装置において、静止輪２と回転輪４との間の相対的な変位量を測定する方法について説明する。
軸受(ハブ１２)に荷重が加わっていない初期状態において、各回転速度センサSa,Sbの検出信号の位相差(図２のｘ又はｙ)はある一定値となるが、(被検出面の特性変化が周方向に等配されている場合)軸受(ハブ１２)にアキシアル(軸方向)への荷重が加わると、静止輪２と回転輪４とが相対的に軸方向へ変位することで、各回転速度センサSa,Sbから出力された検出信号(Ａ相信号、Ｂ相信号)の位相差(図２のｘ又はｙ)に変化が発生する。

このとき、演算器(図示しない)は、各回転速度センサSa,Sbから出力された検出信号(Ａ相信号、Ｂ相信号)の位相差比を演算し、その演算結果である位相差比に基づいて、軸受(ハブ１２)に加わる荷重を算出する。なお、図２(ａ)には、Ａ相信号及びＢ相信号のパルス波形が模式的に示されている。Ａ相信号の立ち下りからＢ相信号の立ち下りまでの位相差(時間ｘ１)と、Ｂ相信号の立ち下りからＡ相信号の立ち下りまでの位相差(時間ｙ１)を計測し、Ｐ＝ｘ１／(ｘ１＋ｙ１)を計算し、Ａ相信号を基準とした位相差比を求める。なお、ここでｘ１＋ｙ１はＡ相信号の周期を示している。

しかしながら、自動車走行中の車輪の回転は常時一定ではなく、加速や減速が繰り返され、これに伴って軸受(ハブ１２)の回転状態も変化するため、かかる状態も考慮に入れて更に高精度且つ正確な位相差比を演算するための技術が求められている。前述した位相差比Ｐは、回転軸(回転輪)の回転速度が一定である場合には一定値を示すが、加減速時においては、Ａ相の１周期の期間においても速度が一定でないため、軸受に加わる荷重が一定であっても、位相差比Ｐが変化する。一例として、位相差比Ｐ＝０.５００のとき(荷重一定のとき)、加速度１００rpm/s(１２.５ｋｍ/h/s)とした場合の位相差比の変化を計算したものが図２(ｂ)である。図２(ｂ)に示すように、回転速度が約４００rpm以下において位相差比に変化(誤差)が生じていることが分かる。

そこで、軸受(ハブ１２)の回転状態を問わず、高精度且つ正確に位相差比を演算することで、軸受に対して軸方向に加わる荷重を高精度且つ正確に測定することが可能な技術の開発が望まれているが、現在そのような技術は知られていない。
特開２００６−２２６９３７号公報

本発明は、このような要望に応えるためになされており、その目的は、加減速時などの軸受の回転速度変動時においても、正確な位相差比を得られる演算方法により、軸受に加わる荷重を高精度且つ正確に測定することが可能な荷重測定装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、静止輪に対して相対回転可能に対向配置された回転輪を備えた軸受の荷重測定装置であって、荷重測定装置は、回転輪に対して同心円状に固定され且つ周方向に沿って所定間隔で特性を変化させた被検出面を有するエンコーダと、被検出面に対向して静止輪に固定され且つ当該被検出面の特性の変化を検出する検出器と、検出器から出力された検出信号に所定の演算処理を施して軸受に加わる荷重を算出する演算器とを具備している。

この場合、検出器には、エンコーダの被検出面に対向する複数の回転速度センサが軸方向に沿って配設されており、各回転速度センサは、軸受の回転に伴ってエンコーダが回転した状態において、被検出面の特性の変化に対応した検出信号を出力する。また、演算器は、各回転速度センサから出力された検出信号相互の位相差を時間として計測すると共に、その計測結果に基づいて異なる経過時間における複数の位相差比を演算し、これら複数の位相差比の平均をとることで、軸受に加わる荷重を算出する。

本発明においては、第一段階としてＡ相信号の立ち下りからＢ相信号の立ち下りまでの位相差(時間ｘ１)と、Ｂ相信号の立ち下りからＡ相信号の立ち下りまでの位相差(時間ｙ１)を計測し、Ｐ＝ｘ１／(ｘ１＋ｙ１)を計算し、位相差比Ｐを求める。次に、第二段階として、次のＡ相信号の立ち下りからＢ相信号の立ち下りまでの位相差(時間ｘ２)を計測し、Ｑ＝ｘ２／(ｙ１＋ｘ２)を計算し、位相差比Ｑを求める。第三段階として、位相差比Ｒ＝(Ｐ＋Ｑ)／２を求め、このＲを求める位相差比とし、軸受に加わる荷重を算出する。

また、本発明において、各回転速度センサは、軸受に荷重が加わっていない初期状態において、それぞれの検出信号の位相が必ずしも互いに一致していなくてもよい。なお、エンコーダには、その被検出面に、所定形状を成す複数の符号化情報が周方向に沿って等間隔で且つ軸方向に複数列を成して形成されている。また、本発明の軸受は、各種車両の車輪を車体に対して回転自在に支持するように構成されており、静止輪は、車体側に固定されて常時非回転状態に維持され、回転輪は、車輪側に接続されて車輪と共に回転する。

本発明の荷重測定装置によれば、加減速時などの軸受の回転速度変動時においても、正確な位相差比を得られる演算方法により、軸受に加わる荷重を高精度且つ正確に測定することができる。

以下、本発明の一実施の形態に係る軸受の荷重測定装置について、添付図面を参照して説明する。本実施の形態は、上述した軸受の荷重測定装置(図１(ａ),(ｂ))の演算器における演算処理の改良であるため、以下では改良部分の説明にとどめる。この場合、本実施の形態に適用する軸受は、図１(ａ)の軸受と同一であるため、その説明は省略する。

図３(ａ),(ｂ)に示すように、本実施の形態の荷重測定装置では、演算器(図示しない)において、検出器２６の各回転速度センサSa,Sbから出力された検出信号(Ａ相信号、Ｂ相信号)相互の位相差の時間(x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4…)を計測すると共に、その計測結果に基づいて異なる経過時間における複数の位相差比を演算し、これら複数の位相差比の平均をとることで、軸受に加わる荷重を算出する。

ここで、軸受に加わる荷重を算出する動作について具体的に説明する。
この場合、軸受回転中に軸受(ハブ１２)にアキシアル(軸方向)への荷重が加わって、図３(ｂ)に示すように、各回転速度センサSa,Sbから出力された検出信号(Ａ相信号、Ｂ相信号)に位相差が生じた状態を想定する。なお、同図(ｂ)には、Ａ相信号及びＢ相信号のパルス波形が模式的に示されている。

本実施の形態において、演算器は、各回転速度センサSa,Sbから出力された検出信号(Ａ相信号、Ｂ相信号)の位相差比を異なる経過時間毎に複数算出する。また、かかる算出処理では一例として、一方の検出信号(例えば、Ａ相信号)のパルスの立下りを基準として経過時間をカウントする。なお、時間経過のカウント方法としては、例えば演算器やマイクロコンピュータに内蔵されたＣＰＵの既存の周期測定機能を利用しても良いし、或いは、時間経過カウンタを別途増設するようにしても良い。

このとき、演算器は、第一段階としてＡ相信号の立ち下りからＢ相信号の立ち下りまでの位相差(時間ｘ１)と、Ｂ相信号の立ち下りからＡ相信号の立ち下りまでの位相差(時間ｙ１)を計測し、Ｐ＝ｘ１／(ｘ１＋ｙ１)を計算し、位相差比Ｐを求める。

続いて、第二段階として、次のＡ相信号の立ち下りからＢ相信号の立ち下りまでの位相差(時間ｘ２)を計測し、Ｑ＝ｘ２／(ｙ１＋ｘ２)を計算し、位相差比Ｑを求める。

第三段階として、位相差比Ｒ＝(Ｐ＋Ｑ)／２を求め、このＲを求める位相差比とし、軸受に加わる荷重を算出する。この場合、例えば自動車走行中に加速や減速が繰り返され、これに伴って軸受(ハブ１２)の回転加速度が変化した状態において、２つの位相差比Ｐ,Ｑは、互いに加速度の変化に対して相反する特性を示すため、その平均Ｒをとることで、軸受(ハブ１２)の回転加速度の影響を低減することができる。
なお、以上の説明において位相差(時間)をＡ相、Ｂ相の立ち下りから立ち下りとし、説明したが、立ち上りから立ち上りでもよいし、立ち上りから立ち下り、又は、立ち下りから立ち上りでもよい。

ここで一例として、位相差比Ｐ＝０.５００のとき、１００rpm/s(１２.５ｋｍ/h/s)の回転加速度における位相差比Ｐ,Ｑ,Ｒの変化について考察すると、図３(ａ)に示すように、回転速度が約４００rpm以下において２つの位相差比Ｐ,Ｑの加速度による誤差が相反して対称的であることが分かる。これに対して、２つの位相差比Ｐ,Ｑの平均をとった位相差比Ｒは、２つの位相差比Ｐ,Ｑの加速度による誤差が相殺され、その結果、回転速度が約４００rpm以下における位相差比の誤差が解消されていることが分かる。

これにより、軸受(ハブ１２)の回転速度が一定している状態のみならず、その回転加速度が変化した状態においても、位相差比を高精度且つ正確に演算することができる。この結果、軸受の回転状態を問わず、軸受に加わる荷重を高精度且つ正確に測定することが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、互いに隣接(連続)した位相差比Ｒ＝(Ｐ＋Ｑ)／２に基づいて回転加速度の影響を相殺したが、当該加速度が小さい場合には、必ずしも隣接(連続)した位相差比をとらなくても良い。この場合、互いに対称的に相反する特性を示す２つの位相差比Ｐ,Ｑを演算し、これの平均をとれば良い。

例えば図３(ｂ)のＡ相信号及びＢ相信号のパルス波形において、互いに隣接(連続)した時間ｘ１,ｘ２と、これと離れた時間ｙ３,ｘ４とをカウントし、そのカウント結果に基づいて、Ｐ＝ｘ１／(ｘ１＋ｙ１)、Ｑ＝ｘ４／(ｙ３＋ｘ４)をそれぞれ演算する。そして、２つの位相差比Ｐ,Ｑの平均Ｒ＝(Ｐ＋Ｑ)／２をとり、かかる平均Ｒを位相差比として、軸受に加わる荷重を測定する。

(ａ)は、荷重測定装置が組み込まれた軸受の断面図、(ｂ)は、荷重測定装置のエンコーダの斜視図。 (ａ)は、従来の荷重測定方法に用いられる検出器の検出信号のパルス波形を模式的に示す図、(ｂ)は、検出信号の位相差比を示す図。 (ａ)は、本発明の一実施の形態に係る荷重測定装置で演算された位相差比を示す図、(ｂ)は、本実施の形態の荷重測定方法に用いられる検出器の検出信号のパルス波形を模式的に示す図。

符号の説明

x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4… 位相差の時間
Ｐ,Ｑ位相差比
Ｒ位相差比Ｐ,Ｑの平均

Claims

静止輪に対して相対回転可能に対向配置された回転輪を備えた軸受の荷重測定装置であって、
荷重測定装置は、回転輪に対して同心円状に固定され且つ周方向に沿って所定間隔で特性を変化させた被検出面を有するエンコーダと、被検出面に対向して静止輪に固定され且つ当該被検出面の特性の変化を検出する検出器と、検出器から出力された検出信号に所定の演算処理を施して軸受に加わる荷重を算出する演算器とを具備しており、
検出器には、エンコーダの被検出面に対向する複数の回転速度センサが軸方向に沿って配設されており、各回転速度センサは、軸受の回転に伴ってエンコーダが回転した状態において、被検出面の特性の変化に対応した検出信号を出力し、
演算器は、各回転速度センサから出力された検出信号相互の位相差の時間を計測すると共に、その計測結果に基づいて異なる経過時間における複数の位相差比を演算し、軸受に加わる荷重を算出することを特徴とする軸受の荷重測定装置。
２つの回転速度センサの出力信号Ａ相とＢ相における、一方の検出信号の変化(立ち下り又は立ち上り)から他方の検出信号の変化(立ち下り又は立ち上り)までの時間ｘ１(位相差)と、この変化点から一方の検出信号の次の変化(立ち下り又は立ち上り)までの時間をｙ１(位相差)として、位相差比Ｐ＝ｘ１／(ｘ１＋ｙ１)を計算し、位相差比Ｐを求めると共に、
次の一方の検出信号の変化(立ち下り又は立ち上り)から他方の信号の変化(立ち下り又は立ち上り)までの時間ｘ２(位相差)を計測し、Ｑ＝ｘ２／(ｙ１＋ｘ２)を計算し、位相差比Ｑを求め、
更に、位相差比Ｒ＝(Ｐ＋Ｑ)／２を求め、このＲを求める位相差比とすることを特徴とする請求項１に記載の軸受の荷重測定装置。
位相差比Ｑの計算において、隣接したパルスでなく離れたパルスを使用し、他方の検出信号の変化(立ち下り又は立ち上り)から一方の検出信号の変化(立ち下り又は立ち上り)の時間ｙ３(位相差)を計測し、一方の検出信号の変化(立ち下り又は立ち上り)から他方の検出信号の変化(立ち下り又は立ち上り)の時間ｘ４(位相差)を計測し、Ｑ＝ｘ４／(ｙ３＋ｘ４)を計算し、位相差比Ｑを求めることを特徴とする請求項２に記載の軸受の荷重測定装置。
エンコーダには、その被検出面に、所定形状を成す複数の符号化情報が周方向に沿って等間隔に形成され且つ軸方向に複数列を成して形成され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受の荷重測定装置。
軸受は、各種車両の車輪を車体に対して回転自在に支持するように構成されており、静止輪は、車体側に固定されて常時非回転状態に維持され、回転輪は、車輪側に接続されて車輪と共に回転することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の軸受の荷重測定装置。