JP4879529B2

JP4879529B2 - センサ付車輪用軸受

Info

Publication number: JP4879529B2
Application number: JP2005250576A
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: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: JP2007064337A

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、歪みゲージ等の荷重検出用のセンサの出力信号は、例えば自動車の電気制御ユニットに設けられたセンサ信号処理回路に送信されて、車輪用軸受に作用する外力およびタイヤと路面の作用力の算出や、各種車両制御に利用されるが、従来、荷重検出用のセンサとセンサ信号処理回路とを結ぶ配線が複雑で、その配線作業が容易でないという問題点があった。
車輪用軸受は、さまざまな過酷な状況下で使用される自動車の構成要素である。このため、自動車の各種制御や車軸寿命、保守必要性の判定等を適正に行うには、車軸用軸受の状態を正確に把握しておく必要がある。車軸用軸受の状態の把握しておくべき事項としては、例えば回転の加速度の値はいくらであるか、どの程度振動しているか、軸受空間に水が浸入していないか等が挙げられる。加速度が分かれば、自動車の制御をより適正に行える。振動は、軸受寿命を判断するうえで、最も重要な要因の一つである。水の浸入は、グリースの劣化に大きく影響する。これら車軸用軸受の状態を検出する手段を、検出系を複雑にすることなく低コストで設けることができれば好ましいものとなる。

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および車輪用軸受の状態を検出する各種センサを設置でき、しかもこれらセンサとセンサ信号処理回路とを結ぶ配線が簡略であり、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、前記センサ取付部材は、固定側部材の周面に沿う周方向に延びる略円弧状とされ、この略円弧状のセンサ取付部材の両端部に、固定側部材側に張り出した接触固定部がそれぞれ形成され、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取付けたものであり、前記固定側部材における前記センサユニットの近傍に、前記歪みセンサの出力信号を処理するセンサ信号処理回路ユニットを設け、このセンサ信号処理回路ユニットに、加速度センサ、振動センサ、および水分検出センサのうちの少なくとも一つを設けたことを特徴する。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、歪みセンサの出力信号をセンサ信号処理回路ユニットで処理することにより、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。
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。

また、センサ信号処理回路ユニットに設けられた各種センサ、すなわち加速度センサ、振動センサ、および水分検出センサのうちの少なくとも一つのセンサにより、車軸用軸受の状態が検出される。各種センサの出力信号は、必要に応じてセンサ信号処理回路ユニットで処理される。そして、歪みセンサによって検出された荷重等と共に、自動車の車両制御に使用される。

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、同じく固定側部材に取付けられるセンサ信号処理回路ユニットに各種センサを取付けるので、車両にコンパクトに歪みセンサおよび各種センサを設置できる。センサ取付部材およびセンサ信号処理回路ユニットはいずれも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、各種センサ（加速度センサ、振動センサ、および水分検出センサのうちの少なくとも一つ）をそれぞれ個別に取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。
センサ信号処理回路ユニットをセンサユニットの近傍に設けたので、歪みセンサとセンサ信号処理回路とを結ぶ配線が簡略化され、その配線の配線作業が容易になる。また、車軸用軸受の状態を検出する各種センサ（加速度センサ、振動センサ、および水分検出センサのうちの少なくとも一つ）をセンサ信号処理回路ユニットに取付けたので、各種センサとセンサ信号処理回路ユニットを結ぶ配線が不要である。しかも、センサ信号処理回路ユニットに各種センサ（加速度センサ、振動センサ、水分検出センサ）を設けることにより、荷重と車輪用軸受の状態を１箇所で測定することが可能となる。したがって、車軸用軸受以外にセンサ信号処理回路が設けられている場合に比べて、検出系全体がコンパクトで、配線を簡略にできる。

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、また前記固定側部材における前記センサユニットの近傍に、前記歪みセンサの出力信号を処理するセンサ信号処理回路ユニットを設け、このセンサ信号処理回路ユニットに、加速度センサ、振動センサ、および水分検出センサのうちの少なくとも一つを設けたものであるため、車両にコンパクトに荷重センサおよび各種センサを設置できる。また、センサ取付部材およびセンサ信号処理回路ユニットは、いずれも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、各種センサをそれぞれ個別に取付けることで、量産性に優れたものとでき、コスト低下が図れる。
センサ信号処理回路ユニットをセンサユニットの近傍に設けたので、歪みセンサとセンサ信号処理回路とを結ぶ配線が簡略で、その配線作業が容易であり、また、前記各種センサをセンサ信号処理回路ユニットに取付けたので、各種センサとセンサ信号処理回路ユニットを結ぶ配線が不要である。しかも、センサ信号処理回路ユニットに各種センサ（加速度センサ、振動センサ、水分検出センサ）を設けることにより、荷重と車輪用軸受の状態を１箇所で測定することが可能となる。このため、車軸用軸受以外にセンサ信号処理回路が設けられている場合に比べて、検出系全体がコンパクトで、配線を簡略にできる。
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、前記センサ取付部材は、固定側部材の周面に沿う周方向に延びる略円弧状とされ、この略円弧状のセンサ取付部材の両端部に、固定側部材側に張り出した接触固定部がそれぞれ形成され、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取付けたものであり、また、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取付けたものであるため、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、これら各転送面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。上記転送面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、２個のセンサユニット２１およびこれらセンサユニット２１に電気的に接続されたセンサ信号処理回路ユニット２５が設けられている。各ユニット２１，２１，２５の軸方向位置は、互いに同じ位置とされ、またアウトボード側の転走面３よりもアウトボード側、さらに詳しくはアウトボード側転走面３と密封手段７との間とされる。

図２、図３に示すように、センサ取付部材２２は、外方部材１の内周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によって外方部材１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との間に隙間を生じている。
センサ取付部材２２は、外方部材１に取付けた状態において、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。

この実施形態の場合、センサユニット２１が外方部材１の内周面の周方向２箇所に設けられている。第１のセンサユニット２１（１）は、一方の接触固定部２２ａが外方部材１の全周における真上に位置し、もう一方の接触固定部２２ｂが真上位置から数十度下方に位置するように配置されている。また、第２のセンサユニット２１（２）は、一方の接触固定部２２ａが外方部材１の全周における真下に位置し、もう一方の接触固定部２２ｂが真下位置から数十度上方に位置するように配置されている。外方部材１の全周における真上位置および真下位置は、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および真下位置から数十度上方の位置は、真上位置および真下位置よりもラジアル方向の変形が少ない箇所である。

図２、図４に示すように、センサ信号処理回路ユニット２５は、樹脂等で成形され外方部材１の内周面に沿う円弧状のハウジング２６を有し、そのハウジング２６の内部にガラスエポキシ等で製作された回路基板２７と、その回路基板２７上に配置した複数の電気、電子部品２８とが収容されている。複数の電気、電子部品２８は、歪みセンサ２３の出力信号を処理するオペアンプ、抵抗、マイコン等や歪みセンサ２３を駆動する電源用部品からなっている。回路基板２７および各電気、電子部品２８で、歪みセンサ２３の出力信号を処理するセンサ信号処理回路を構成している。そして、ハウジング２６の両端部に設けた接合部２９に、歪みセンサ２３に接続した配線３０の端部が接合される。また、ハウジング２６の中央部には、センサ信号処理回路に外部から電力を供給するとともに、センサ信号処理回路によって処理された信号を外部に出力するためのケーブル３１が接続されている。

さらに、センサ信号処理回路ユニット２５には、車輪用軸受の状態を検出するための各種センサ３２が一体に取付けられている。この各種センサ３２は、回転の加速度を検出する加速度センサ、外方部材１の振動を検出する振動センサ、軸受空間に水分が存在するか否かを検出する水分検出センサのうちの少なくとも一つとされる。

図５のブロック図に示すように、前記センサ信号処理回路は、外力計算手段４０、路面作用力計算手段４１、軸受予圧量計算手段４２、および異常判定手段４３からなる。これら各手段の働きについては後述する。

なお、インボード側のシール手段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。

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。センサユニット２１がアウトボード側の転走面３よりもアウトボード側の位置に配置されているので、外方部材１の歪みがセンサ取付部材２２に大きく現れる。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、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。このため、外方部材１のわずかな歪みも歪みセンサ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または真下に位置し、もう一方の接触固定部２２ｂが、真上および真下よりもラジアル方向の変形が少ない真上から数十度下方または真下から数十度上方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。このため、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。

歪みセンサ２３の出力信号をセンサ信号処理回路ユニット２５のセンサ信号処理回路で処理することにより、車軸用軸受に作用する外力等を検出する。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４０および路面作用力計算手段４１は、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４３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４０および路面作用力計算手段４１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４２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４２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。

また、各種センサ３２により、車輪用軸受の状態が検出される。検出された車輪用軸受の状態は、自動車の車両制御や、寿命判定、保守判定等に使用することが出来る。例えば、各種センサ３２として加速度センサを設けた場合、自動車の走行制御に使用できる。振動センサを設けた場合は、振動状況から軸受寿命の予測や管理が行える。水分検出センサを設けた場合は、密封手段７,８から軸受空間内に浸入した水分量が検出でき、浸入水分によるグリースの劣化状況がわかる。

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、センサユニットおよびセンサ信号処理回路ユニットを示す正面図である。（Ａ）はセンサユニットの正面図、（Ｂ）はその底面図である。センサ信号処理回路ユニットの正面図である。センサ信号処理回路ユニットのブロック図である。

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
２２ｃ…切欠部
２３…歪みセンサ
２５…センサ信号処理回路ユニット
３２…各種センサ

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、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、前記センサ取付部材は、固定側部材の周面に沿う周方向に延びる略円弧状とされ、この略円弧状のセンサ取付部材の両端部に、固定側部材側に張り出した接触固定部がそれぞれ形成され、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取付けたものであり、前記固定側部材における前記センサユニットの近傍に、前記歪みセンサの出力信号を処理するセンサ信号処理回路ユニットを設け、このセンサ信号処理回路ユニットに、加速度センサ、振動センサ、および水分検出センサのうちの少なくとも一つを設けた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、前記固定側部材が外方部材であるセンサ付車輪用軸受。