JP5147254B2 - センサ付車輪用軸受 - Google Patents

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、外輪に歪みゲージを貼り付け、転動体が通過するときの外輪の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１，２）。
特表２００３−５３０５６５号公報 ＷＯ０５１２１７３１Ａ１号公報

しかし、上記構成のセンサ付車輪用軸受の場合、転動体通過時に外輪に生じる歪みは小さく、歪みゲージによる検出が困難である。これを克服するためには、高感度の歪みゲージが必要になり、コストが高くなるというという問題がある。

この発明の目的は、軸受に作用する荷重、または車輪と路面間に作用する荷重を簡単で正確に検出できるセンサ付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、この転走面と対向する転走面を外周に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、前記外方部材および内方部材のうちの固定側の部材に、前記転動体が通過するときに生じる固定側部材の歪みを拡大する歪み拡大機構を設け、この歪み拡大機構で拡大される歪みを検出する歪みセンサ素子を設け、この歪みセンサ素子の出力から軸受に作用する荷重、または前記車輪と路面間に作用する荷重を推定する推定手段を設け、かつ次の構成としたことを特徴とする。
車輪用軸受や、車輪と路面間に荷重が作用すると、車輪用軸受の固定側部材にも歪みが生じるが、その歪みは歪みゲージなどで直接検出するには小さい。このセンサ付車輪用軸受では、外方部材および内方部材のうちの固定側部材に、転動体が通過するときに生じる固定側部材の歪みを拡大する歪み拡大機構を設け、この歪み拡大機構で拡大される歪みを検出する歪みセンサ素子を設けることで歪みの検出感度を上げている。このように設けた歪みセンサ素子の出力から、軸受に作用する荷重、または車輪と路面間に作用する荷重を推定手段で推定するようにしているので、軸受に作用する荷重、または車輪と路面間に作用する荷重を簡単で正確に検出することができる。

前記固定側部材は外方部材であって、この外方部材に外周面にアウトボード側端からインボード側端に渡って軸方向に延びる溝を形成してこの溝の底を周辺部よりも肉厚を薄くした薄肉部とする。この歪み拡大機構は、前記溝を横切るように配置され両端が前記溝の両開口縁部に固定される帯状の架橋片部と、この架橋片部の下面中央部から突出して前記溝の底面に固定もしくは接触させた突出部を有する一体の部材とされ、前記架橋片部の一部に切欠部が形成され、この歪み拡大機構で拡大される歪みを検出する前記歪みセンサ素子を前記架橋片部の前記切欠部内に設ける。
このように薄肉部を設けた場合、転動体が通過するときに、他の部位に比べて外方部材の歪みが大きくなる部位での歪みを、歪み拡大機構で拡大することになり、歪みの検出感度をそれだけ高めることができる。

前記外方部材の前記溝の底面は平坦面であっても良い。また、前記歪み拡大機構は、前記外方部材における軸方向の各列の転走面の近傍部にそれぞれ設けられても良い。

前記薄肉部は、前記外方部材の上下左右の４箇所に設けても良い。歪み拡大機構が設けられる薄肉部を、このように外方部材の上下左右の４箇所に設けた場合、様々な方向の荷重を検出することができる。

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固定側部材である外方部材と、この転走面と対向する転走面を外周に形成した回転側部材である内方部材と、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、
前記外方部材の外周面にアウトボード側端からインボード側端に渡って軸方向に延びる溝を形成してこの溝の底を周辺部よりも肉厚を薄くした薄肉部とし、前記外方部材に、前記転動体が通過するときに生じる固定側部材の歪みを拡大する歪み拡大機構を設け、この歪み拡大機構は、前記溝を横切るように配置され両端が前記溝の両開口縁部に固定される帯状の架橋片部と、この架橋片部の下面中央部から突出して前記溝の底面に固定もしくは接触させた突出部を有する一体の部材とされ、前記架橋片部の一部に切欠部が形成され、この歪み拡大機構で拡大される歪みを検出する歪みセンサ素子を前記架橋片部の前記切欠部内に設け、この歪みセンサ素子の出力から軸受に作用する荷重、または前記車輪と路面間に作用する荷重を推定する推定手段を設けたため、軸受に作用する荷重、または車輪と路面間に作用する荷重を簡単で正確に検出することができる。

この発明の一実施形態を図１ないし図３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、車両に取り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。

このセンサ付車輪用軸受における軸受は、図１（Ａ）に断面図で示すように、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、ボール接触角が背面合わせ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、密封装置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。
図２は、この車輪用軸受のインボード側から見た正面図を示す。なお、図１（Ａ）は、図２におけるＩ−Ｏ−Ｉ矢視断面図を示す。

固定側部材である外方部材１の外周面には、外方部材１の歪みを検出するセンサユニット２０が設けられている。このセンサユニット２０は、転動体５が通過するときに生じる外方部材１の歪みを拡大する歪み拡大機構２１と、この歪み拡大機構２１で拡大される歪みを検出する歪みゲージ等の歪みセンサ素子２２とでなる。

図２に示すように、センサユニット２０は、外方部材１の上下左右の４箇所に設けられる。図２のＤ部を拡大して示す図３のように、外方部材１の各センサユニット２０の設置箇所は、外方部材１の外周面に底面２３ａが平坦面となった軸方向に延びる溝２３を加工することにより、周辺部よりも肉厚を薄くした薄肉部１ｂとされている。すなわち、外方部材１の上下左右の４箇所は薄肉部１ｂとされている。溝２３の両開口縁部２３ｂも、底面２３ａと平行な平坦面とされている。図１（Ａ）、および同図の矢印Ｃ方向から見た前記溝２３の平面図を図１（Ｂ）に示す。同図のように、溝２３が外方部材１のアウトボード側端からインボード側端にわたって加工されている。

歪み拡大機構２１は、前記溝２３を横切るように配置され両端が溝２３の両開口縁部２３ｂ，２３ｂにボルト等で固定される帯状の架橋片部２１ａと、この架橋片部２１ａの下面中央部から突出して溝２３の底面２３ａに固定もしくは接触させた突出部２１ｂを有する一体の部材とされている。すなわち、この歪み拡大機構２１は、外方部材１の薄肉部１ｂ（溝２３の底面２３ａ）とこの薄肉部１ｂの近傍部（溝２３の両側の開口縁部２３ｂ）とを連結する歪み発生部材とされていて、外方部材１の薄肉部１ｂの歪みが、歪み拡大機構２１の架橋片部２１ａに拡大されて発生する。この歪み拡大機構２１を構成する歪み発生部材は、例えば鋼材等の金属材からなる。

歪み拡大機構２１の架橋片部２１ａの例えば上面には、その前記突出部２１ｂに対応する中央部位から両端部までの各中間部位に切欠部２１ｃが設けられ、これら各切欠部２１ｃに前記歪みセンサ素子２２がそれぞれ固定して設けられる。

歪み拡大機構２１は、外方部材１の薄肉部１ｂにおける軸方向の各列の転走面３の近傍部にそれぞれ設けられる。具体的には、各列の転走面３を転動する転動体５が外方部材１の薄肉部１ｂを通過するとき、転動体５の接触角の方向（図１（Ａ）に符号Ｐで示す）が溝２３の底面２３ａと交差する部位に、歪み拡大機構２１の前記突出部２１ｂが位置するように、軸方向に並べて一対の歪み拡大機構２１，２１が配置される。ここでは、外方部材１の薄肉部１ｂを転動体５が通過するとき、外方部材１の薄肉部１ｂに生じる歪みが歪み拡大機構２１に効果的に拡大されて発生するように、歪み拡大機構２１を上記位置に配置したが、これに限らず転動体５の通過時に大きい歪みが生じる部位が別の位置にあれば、その部位に前記突出部２１ｂが位置するように歪み拡大機構２１を配置しても良い。

図１（Ａ）に示すように、センサユニット２０の歪みセンサ素子２２は推定手段２４に接続される。推定手段２４は、歪みセンサ素子２２の出力から、軸受に作用する荷重、または車輪と路面間に作用する荷重を推定する手段である。推定手段２４は、マイクロコンピュータまたはその他の電子回路からなり、回路基盤または回路チップとして設けられ、あるいは自動車の電気制御ユニット（ＥＣＵ）等に設けられる。推定手段２４は、歪みセンサ素子２２の出力と荷重との関係を設定したテーブルや演算式等の関係設定手段（図示せず）を有していて、この関係設定手段を用い、歪みセンサ素子２２の出力から荷重の推定値を出力する。

車輪用軸受や、車輪と路面間に荷重が作用すると、車輪用軸受の固定側部材である外方部材１にも歪みが生じるが、その歪みは歪みゲージなどで直接検出するには小さい。このセンサ付車輪用軸受では、外方部材１に、転動体５が通過するときに生じる外方部材１の歪みを拡大する歪み拡大機構２１を設け、この歪み拡大機構２１で拡大される歪みを検出する歪みセンサ素子２２を設けて歪みの検出感度を上げ、この歪みセンサ素子２２の出力から軸受に作用する荷重、または車輪と路面間に作用する荷重を推定手段２４で推定するようにしているので、軸受に作用する荷重、または車輪と路面間に作用する荷重を簡単で正確に検出することができる。

また、この実施形態では、固定側部材となる外方部材１における転走面３が形成された軸方向箇所に、周辺部よりも肉厚を薄くした薄肉部１ｂを設け、この薄肉部１ｂに前記歪み拡大機構２１を設けているので、転動体５が通過するとき他の部位に比べて外方部材１の歪みが大きくなる部位での歪みを、歪み拡大機構２１で拡大することになり、歪みの検出感度をそれだけ高めることができる。

また、この実施形態では、歪み拡大機構２１が設けられる薄肉部１ｂを、外方部材１の上下左右の４箇所に設けているので、様々な方向の荷重、例えば車両の上下方向や前後方向、幅方向の荷重を検出することができる。

また、この実施形態では、外方部材１の薄肉部１ｂ（溝２３の底面２３ａ）とこの薄肉部１ｂの近傍部（溝２３の開口縁部２３ｂ）とを連結する歪み発生部材を歪み拡大機構２１とし、この歪み発生部材の一部に設けた切欠部２１ｃに歪みセンサ素子２２を設けてセンサユニット２０を構成しているので、歪みセンサ素子２２の設置部に外方部材１の歪みを効果的に拡大して伝達でき、それだけ検出感度を上げることができる。

（Ａ）はこの発明の一実施形態にかかるセンサ付車輪用軸受の断面図、（Ｂ）は（Ａ）における矢印Ｃの方向から見たセンサユニット設置部の平面図である。 同センサ付車輪用軸受をインボード側から見た正面図である。 図２におけるＤ部の拡大図である。

符号の説明

１…外方部材
１ｂ…薄肉部
２…内方部材
３，４…転走面
５…転動体
２０…センサユニット
２１…歪み拡大機構
２１ｃ…切欠部
２２…歪みセンサ素子
２４…推定手段

Claims (4)

1. 複列の転走面が内周に形成された固定側部材である外方部材と、この転走面と対向する転走面を外周に形成した回転側部材である内方部材と、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、
   前記外方部材の外周面にアウトボード側端からインボード側端に渡って軸方向に延びる溝を形成してこの溝の底を周辺部よりも肉厚を薄くした薄肉部とし、前記外方部材に、前記転動体が通過するときに生じる固定側部材の歪みを拡大する歪み拡大機構を設け、この歪み拡大機構は、前記溝を横切るように配置され両端が前記溝の両開口縁部に固定される帯状の架橋片部と、この架橋片部の下面中央部から突出して前記溝の底面に固定もしくは接触させた突出部を有する一体の部材とされ、前記架橋片部の一部に切欠部が形成され、この歪み拡大機構で拡大される歪みを検出する歪みセンサ素子を前記架橋片部の前記切欠部内に設け、この歪みセンサ素子の出力から軸受に作用する荷重、または前記車輪と路面間に作用する荷重を推定する推定手段を設けた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、前記溝の底面が平坦面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、前記歪み拡大機構は、前記外方部材における軸方向の各列の転走面の近傍部にそれぞれ設けられ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、前記薄肉部を、前記外方部材の上下左右の４箇所に設けたセンサ付車輪用軸受。

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