JP2006064650A - 車輪荷重検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両にコンパクトに荷重センサを設置できて、車輪にかかる荷重を感度良く安定して検出できる車輪荷重検出装置を提供する。
【解決手段】 車輪用軸受装置１８における等速ジョイント１３と結合される回転側輪２のインボード側端面２ｃと、前記等速ジョイント１３の外輪１３ａのアウトボード側端面１３ｃとの間に磁歪材９を介在させる。この磁歪材９に対向する位置に、前記磁歪材９の応力変化を検出する検出部１０を設ける。これにより、車両のコーナリング時に車輪に曲げモーメント荷重等の軸力が加わって前記磁歪材９が応力変化を受けると、その応力変化を前記検出部１０が検出し、その応力変化の変化量から車輪にかかる荷重を検出できる。【選択図】 図１

Description

この発明は、車輪にかかる荷重を検出する車輪荷重検出装置に関する。

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回転センサを車輪用軸受に設けたものがある。このような車輪用軸受において、温度センサ、振動センサ等のセンサを設置し、回転速度の他に、自動車の運行に役立つ他の状態を検出できるようにしたものも提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００３−３３６６５２号公報

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での制御を可能とする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偏るなど、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。
特許文献１に示した荷重センサを内蔵した車輪用軸受では、車体取付けフランジに固定支持された変位センサで外方部材の表面との隙間を測定することで荷重検出を行っているが、検出部が外部に露出しており耐久性に課題を残している。また、外方部材の変形量はわずかであり、検出精度にも限界がある。

この発明の目的は、このような課題を解消し、車両にコンパクトに荷重センサを設置できて、車輪にかかる荷重を安定して検出できる車輪荷重検出装置を提供することである。

この発明の車輪荷重検出装置は、車輪用軸受装置における等速ジョイントと結合される回転側輪のインボード側端面と、前記等速ジョイントの外輪のアウトボード側端面との間に磁歪材を介在させ、この磁歪材に対向する位置に、前記磁歪材の応力変化を検出する検出部を設けたものである。
この構成によると、車輪用軸受装置と等速ジョイント外輪のアウトボード側端面との間に磁歪材が介在しているため、車両のコーナリング動作等により、車輪用軸受装置に曲げモーメント荷重等による軸力が加わると、磁歪材の軸方向応力が変化し、磁歪特性により磁歪材の磁気的特性が変化する。その磁気的変化を前記検出部が検出することで、その変化量から車輪にかかる荷重を安定して検出することができる。前記磁歪材と検出部とで荷重センサが構成される。また、車輪用軸受装置と等速ジョイント外輪の間に磁歪材を介在させ、この磁歪材に対向する位置に前記検出部を配置した構成であるため、車輪用軸受装置の軸受としての諸元を変更することなく、荷重センサを設置することができ、車両にコンパクトに荷重センサを設置することができる。

前記磁歪材は、前記回転側輪と同心のリング状の部材であっても良い。磁歪材がリング状の部材であると、磁歪材を等速ジョイント外輪のステム部またはその近傍に嵌合して設置できて、車輪用軸受装置と等速ジョイント外輪のアウトボード側端面との間に介在するよう設置することが簡単に行える。
前記検出部は、例えばコイル巻線とされる。コイル巻線であると、磁歪材の磁気的特性の変化が感度良く検出できる。

この発明において、前記検出部のハウジング内に、前記磁歪材の応力変化を検出する荷重検出部と、前記回転側輪または前記等速ジョイント外輪に設けられた回転被検出部に対向して回転を検出する回転信号検出部とを設けても良い。
この構成の場合、荷重センサの出力と回転センサの出力を１本のケーブルから外部に取り出すことができ、配線処理を簡単にできる。また、荷重センサおよび回転センサの各検出部を１つのハウジング内に組み込むことから、検出部の車輪用軸受装置への組付け作業が容易になると共に、検出部を環境的に経年変化の無い位置に収容でき、耐久性を向上させることができる。

この発明の車輪荷重検出装置は、車輪用軸受装置における等速ジョイントと結合される回転側輪のインボード側端面と、前記等速ジョイントの外輪のアウトボード側端面との間に磁歪材を介在させ、この磁歪材に対向する位置に、前記磁歪材の応力変化を検出する検出部を設けたため、車両にコンパクトに荷重センサを設置できて、車輪にかかる荷重を安定して検出できる。

この発明の第１の実施形態を図１と共に説明する。図１は、この実施形態の車輪荷重検出装置を備えた車輪用軸受装置の断面図を示す。この車輪用軸受装置は、第３世代型の内輪回転タイプで、かつ駆動輪支持用の車輪用軸受に適用した例である。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外側寄りとなる側をアウトボード側と言い、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。図１では左側がアウトボード側、右側がインボード側となる。
図１において、この車輪用軸受装置１８は、内周に複列の転走面４を有する外方部材１と、これら転走面４にそれぞれ対向する転走面５を有する内方部材２と、これら複列の転走面４，５間に介在させた複列の転動体３とを備える。この車輪用軸受装置１８は、複列のアンギュラ玉軸受とされていて、上記各転走面４，５は断面円弧状であり、各転走面４，５は接触角が背面合わせとなるように形成されている。転動体３はボールからなり、各列毎に保持器６で保持されている。

外方部材１は固定側輪となるものであって、ナックル（図示せず）に固定するための車体取付フランジ１ａを外周に有し、全体が一体の部材とされている。車体取付フランジ１ａは、車体（図示せず）に設置されたナックルに周方向複数箇所のボルト（図示せず）で締結される。車体取付フランジ１ａのボルト挿通孔１２はねじ加工されており、上記ボルトは、ナックルに設けられた貫通孔を貫通し、上記ボルト挿通孔１２に先端の雄ねじ部分が螺合する。ボルト挿通孔１２をねじ孔とする代わりに、単にボルトが挿通される孔としし、ナット（図示せず）でボルトを締め付けるようにしても良い。

内方部材２は回転側輪となるものであって、車輪取付フランジ２ａを有するハブ輪２Ａと、このハブ輪２Ａのインボード側の端部外径面に嵌合した別体の内輪２Ｂとからなり、ハブ輪２Ａおよび内輪２Ｂに、各列の転走面５がそれぞれ形成される。ハブ輪２Ａには等速ジョイント１３の外輪１３ａが連結されている。詳しくは、ハブ輪２Ａの中央孔１７には、等速ジョイント１３の外輪１３ａに一体に形成されたステム部１４が挿通され、そのステム部１４の先端の雄ねじ部分１５にナット１６をねじ込むことで、外輪１３ａがハブ輪２Ａに連結される。ハブ輪２Ａの中央孔１７にはスプライン溝２ｂが形成されており、ステム部１４のスプライン溝１４ｂとスプライン嵌合する。内輪２Ｂは、ハブ輪２Ａのインボード側端部に設けられた加締部２ｃにより、ハブ輪２Ａに対して軸方向に締め付け固定される。内外の部材２，１間に形成される環状空間のアウトボード側は、密封装置である接触式のシール７で密封されている。また、インボード側の端部は、密封装置である接触式のシール８のシールリップ８ａが等速ジョイント１３の外輪１３ａの段面１３ｂに摺接することでシール性が確保される。

ハブ輪２Ａのインボード側端部に設けられた加締部２ｃと、等速ジョイント１３の外輪１３ａのアウトボード側を向く端面１３ｃとの間には、磁歪材からなり内方部材２と同心のリング状の荷重被検出部９を介在させ、前記加締部２ｃと外輪端面１３ｃとで挟持している。このリング状の荷重被検出部９は、等速ジョイント外輪１３ａに前記端面１３に隣接して設けられた円筒状外径面部に嵌合して設置されている。荷重被検出部９には、例えばＦｅ−Ａｌ合金からなる磁歪層９ａと、ＳＣ材からなる母材層９ｂの２層構造のクラッド鋼が用いられる。この荷重被検出部９は、焼入れ処理を施した後、Ｆｅ−Ａｌ合金の表面を研削してから表面をショットピーニングすることにより、残留応力を高めるようにしても良い。なお、荷重被検出部９の材料としては、このほかＳＮＣＭ鋼などの磁歪材料を用いても良い。

外方部材１のインボード側端部の前記荷重被検出部９に対して径方向に対向する位置には、荷重被検出部９の応力変化を検出する荷重検出部１０が設けられている。この荷重検出部１０は、ヨーク１０ａと、このヨーク１０ａに巻回したコイル巻線１０ｂと、ヨーク１０ａとコイル巻線１０ｂの間に介在させたボビン１０ｃとからなり、外方部材１の内径面に嵌合させたハウジング３０内に、回転信号検出部２９と共に組み込まれている。

前記回転信号検出部２９は、内方部材２に取付けられた回転被検出部２８に対して軸方向に対向する位置に配置される。回転信号検出部２９は磁気センサからなり、例えばホールＩＣやＭＲ素子などが用いられる。回転被検出部２８は磁気エンコーダからなり、断面Ｌ字状の環状の芯金の側板部に円周方向に交互に磁極Ｓ，Ｎを着磁してなる多極磁石を設けたものとされる。この回転被検出部２８は、芯金の円筒部を内輪２Ｂの外径面に圧入することにより、内方部材２に取付けられている。

上記したように、荷重検出部１０と回転信号検出部２９とを同じハウジング３０内に組み込み、そのハウジング３０を介してこれらの検出部１０，２９を外方部材１に取付けることで、配線の本数を削減することができる。また、荷重センサおよび回転センサの各検出部１０，２９を１つのハウジング３０内に組み込むことから、検出部１０，２９の車輪用軸受装置１８への組付け作業が容易になると共に、検出部１０，２９を環境的に経年変化の無い位置に収容でき、防水対策にもなり耐久性を向上させることができる。

荷重検出部１０と回転信号検出部２９の各信号はケーブル１９を経て外部に出力される。このように、荷重センサの出力と回転センサの出力を１本のケーブル１９から外部に取り出すことで、配線処理を簡単にできる。このケーブル１９は外方部材１から外部に引き出されるが、図１（Ｂ）に平面図で示すように、外方部材１のインボード側端に設けたＵ字状切り欠き２０の位置にケーブル１９を合わせてから前記ハウジング３０を圧入することで、ケーブル１９に邪魔されることなくハウジング３０を外方部材１に容易に取付けることができる。

なお、Ｕ字状切り欠き２０を封止するために、Ｕ字状切り欠き２０の形状に合わせた弾性部材２１（例えばゴム材）にケーブル１９を挿通させた後、この弾性部材２１がＵ字状切り欠き２０に差し込まれる。Ｕ字状切り欠き２０の部分の密封性をより高めるために、さらに接着剤や熱固着剤を用いても良い。この処理の後で、シール８の金属環８ｂ（図１（Ｂ））が外方部材１の外周に圧入固着される。これにより、Ｕ字状切り欠き２０の上にシール金属環８ｂの一部が重なることになり、Ｕ字状切り欠き２０の防水性を高めることができる。また、弾性部材２１を、その表面が外方部材１の外径面からはみ出す厚みとした場合には、防水効果をより一層高めることができる。さらに他の防水対策として、シール８の金属環８ｂと外方部材１との接触部にゴム等の弾性部材を全周に渡って介在させても良い。なお、ケーブル１９の引き出し方法やシール処理はこれに限定されるものではない。

次に、この車輪用軸受装置１８における荷重検出動作および回転検出動作を説明する。車両のコーナリング時に車輪用軸受装置１８の車輪取付フランジ２ａに曲げモーメント荷重（コーナリングフォース）等の軸力が加わると、転動体３と転走面４，５との接触面が移動して、ハブ輪２Ａの軸心が傾斜し、あるいは軸方向の応力が変化する。このとき、ハブ輪２Ａの加締部２ｃと等速ジョイント外輪１３ａのアウトボード側端面１３ｃとで挟持される磁歪材からなる荷重被検出部９の磁歪層９ａに働く歪量が変化する。その変化を荷重検出部１０のコイル巻線１０ｂが磁気抵抗変化として検出し、その磁気抵抗変化量によって車輪用軸受装置１８にかかる荷重を検出することができる。
車輪の回転時には、磁気エンコーダからなる回転被検出部２８が内方部材２と一体に回転し、この回転被検出部２８の磁極変化を回転信号検出部２９が車輪の回転として検出する。回転被検出部２８がホール素子や磁気抵抗素子等の場合、回転停止時にも回転角度の検出が行える。

このように、この実施形態の車輪荷重検出装置では、内方部材２のインボード側端面（加締部２ｃ）と、等速ジョイント外輪１３ａのアウトボード側端面１３ｃとの間に磁歪材からなる荷重被検出部９を介在させ、この荷重被検出部９に対向する位置に、荷重被検出部９の応力変化を検出する荷重検出部１０を設けたため、車輪用軸受装置１８の軸受としての諸元を変更することなく、車両にコンパクトに荷重センサを設置できて、車輪にかかる荷重を感度良く安定して検出できる。

前記荷重検出部１０や回転信号検出部２９からの検出信号の電気的な処理は、外方部材１に設けた回路基板（図示せず）上で行っても良いし、ナックルに固定した回路基板上で行っても良い。さらには、自動車のＥＣＵ（電気制御ユニット）側に回路基板を内蔵しても良い。回路基板で処理された荷重情報や回転情報は、図示しない送信手段によって車体側の受信手段にワイヤレスで送信することも可能である。この場合、回路基板への電気供給もワイヤレスで行っても良い。ここで得られる荷重出力や回転信号は、情報としてＥＣＵに取込まれ、自動車の走行安定性制御やステアバイワイヤシステムでの路面情報伝達にも応用可能となる。

なお、この実施形態では、荷重検出部１０を荷重被検出部９の全周に渡って対向配置した構成例を示したが、これに限らず、例えば荷重検出部１０のコイル巻線１０ｂを、荷重被検出部９の周方向の上下の２箇所に分離して配置し、これら２つのコイル巻線１０ｂの出力差から車輪用軸受装置１８に加わる曲げモーメントを検出するようにしても良い。

図２および図３は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態の車輪荷重検出装置は、図１に示した第１の実施形態において、ハウジング３０における荷重検出部１０に対して軸方向横並び位置に、温度補償用検出部１１を等速ジョイント１３の外輪１３ａの外周部１３ｄに対して径方向に対向配置したものである。温度補償用検出部１１の構造は荷重検出部１０と同じものであり、ヨーク１１ａと、このヨーク１１ａに巻回したコイル巻線１１ｂと、ヨーク１１ａとコイル巻線１１ｂの間に介在させたボビン１１ｃとでなる。この実施形態では、前記荷重検出部１０と温度補償用検出部１１とで荷重検出が行われる。

図３は、この実施形態における荷重検出回路例を示す。この検出回路は、荷重検出部１０のコイル巻線１０ｂと抵抗とからなる第１の直列回路部２２と、温度補償用検出部１１のコイル巻線１１ｂと抵抗とからなる第２の直列回路部２３とを並列に接続したものからなる。第１の直列回路部２２とこれに並列に接続される第２の直列回路部２３とに、発信器２４から数十ｋＨｚの交流電圧が印加される。コイル巻線１０ｂにかかる分割電圧は、整流器２５およびローパスフィルタ２６で直流電圧に変換されて差動増幅器２７の第１入力端子に入力される。また、コイル巻線１１ｂにかかる分割電圧も、別の整流器２５およびローパスフィルタ２６で直流電圧に変換されて、差動増幅器２７の第２入力端子に入力される。差動増幅器２７はこれら２入力の差分を増幅して出力する。この出力は、荷重検出部１０の検出値から温度変化に起因する変動分を差し引いたものとなり、より精度の高い荷重検出が可能となる。その他の構成および作用は、第１の実施形態の場合と同じである。
なお、上記荷重検出回路において、直列回路部２２，２３に代えて、コンデサとコイル巻線との共振回路を用いても良い。

図４は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、図２に示す実施形態の車輪用軸受装置１８において、ハブ輪２Ａの加締部２ｃで内輪２Ｂを軸方向に締め付け固定していた構成に代えて、等速ジョイント外輪１３ａの外周の荷重被検出部９が設けられる部分のアウトボード側に向く端面１３と、等速ジョイント外輪１３ａのステム部１４の先端雄ねじ部分１５に螺合するナット１６とで、内輪２Ｂを軸方向に締め付け固定するようにしたものである。これにより、荷重被検出部９は、内輪２Ｂのインボード側に向く端面と等速ジョイント外輪１３ａのアウトボード側を向く端面１３ｃとで挟持される。その他の構成は図２の実施形態の場合と同じである。

（Ａ）はこの発明の第１の実施形態にかかる車輪荷重検出装置を備えた車輪用軸受の断面図、（Ｂ）は同軸受の一部平面図である。 この発明の他の実施形態にかかる車輪荷重検出装置を備えた車輪用軸受の断面図である。 同車輪荷重検出装置における荷重検出回路の概略構成図である。 同車輪荷重検出装置を備えた他の車輪用軸受の断面図である。

符号の説明

２…内方部材（回転側輪）
２ｃ…加締部（インボード側端面）
９…荷重被検出部（磁歪材）
１０…荷重検出部
１０ｂ…コイル巻線
１３…等速ジョイント
１３ａ…外輪
１３ｃ…外輪端面（外輪のアウトボード側端面）
２８…回転被検出部
２９…回転信号検出部
３０…ハウジング

Claims (4)

1. 車輪用軸受装置における等速ジョイントと結合される回転側輪のインボード側端面と、前記等速ジョイントの外輪のアウトボード側端面との間に磁歪材を介在させ、この磁歪材に対向する位置に、前記磁歪材の応力変化を検出する検出部を設けた車輪荷重検出装置。
2. 請求項１において、前記磁歪材は前記回転側輪と同心のリング状の部材である車輪荷重検出装置。
3. 請求項１または請求項２において、検出部はコイル巻線からなる車輪荷重検出装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記検出部のハウジング内に、前記磁歪材の応力変化を検出する荷重検出部と、前記回転側輪または前記等速ジョイント外輪に設けられた回転被検出部に対向して回転を検出する回転信号検出部とを設けた車輪荷重検出装置。

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