JP2008216017A - Rotation angle calculating device and displacement amount calculating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、外側回転体の内側回転体に対する相対回転角又は相対変位量を算出する回転角度算出装置又は変位量算出装置に関する。 The present invention relates to a rotation angle calculation device or a displacement amount calculation device that calculates a relative rotation angle or a relative displacement amount of an outer rotating body with respect to an inner rotating body.
車輪に用いられるホイールなどの回転体では、その回転体に働く力、例えば、路面の摩擦力による路面に平行なx軸方向の力,車両の荷重による路面からの垂直反力による鉛直方向(z軸方向)の力、x及びz軸に垂直なy軸回りのトルクMy等に基づいて、車両のアンチロックブレーキシステム(ABS)やトラクションコントロールシステム(TCS)などの車両の旋回挙動を安定化させるビークルスタビリティアシストシステム(VSA)などにおいて、車両の制動制御が行われている。 In a rotating body such as a wheel used for a wheel, a force acting on the rotating body, for example, a force in the x-axis direction parallel to the road surface due to a frictional force on the road surface, a vertical direction (z Stabilize the turning behavior of the vehicle such as anti-lock brake system (ABS) and traction control system (TCS) of the vehicle based on the axial force and the torque My around the y axis perpendicular to the x and z axes. In a vehicle stability assist system (VSA) or the like, vehicle braking control is performed.
回転体のx,y,z軸方向に加わる力Fx,Fy,Fz及びこれらの軸回りに働くトルクMx,My,Mzの推定に係る先行技術としては、以下の特許文献があった。 Prior art relating to estimation of forces Fx, Fy, Fz applied to the rotating body in the x, y, and z-axis directions and torques Mx, My, Mz acting around these axes includes the following patent documents.
特許文献1には、リムとホイールディスクの境界部分に接線方向変位センサと垂直方向変位センサをそれぞれ周上に点対称に4箇所設け、4個の接線方向変位センサの出力に基づいて、リムのホイールディスクに対する接線方向の相対変位量αを算出し、4個の垂直方向変位センサの出力に基づいて、リムの軸心のホイールディスクの軸心に対する垂直方向の偏心量Dを算出することが記載されている。
In
特許文献2には、ホイールのリム取り付け枠とハブ取り付け枠との間で十文状に配置された4本のT字型アームのそれぞれを構成する第1及び第2受感ビームのそれぞれに設けられた8個の歪みゲージの出力に基づいて、力Fx,Fy,Fz及びこれらの軸回りに働くトルクMx,My,Mzを推定することが記載されている。
しかしながら、特許文献1では、8個のセンサを用いて、リムのディスクに対する接線方向の相対変位量α及び垂直方向Dの偏心量を算出し、これらから、力の接線方向成分及び垂直方向成分を推定していることから、多くのセンサにコストがかかるという問題点があった。また、特許文献1では、リムの軸心がディスクの中心に対してz軸方向に変位するがx軸方向には変位しないことを前提として、リムのディスクに対する接線方向の相対変位量α及び垂直方向Dの偏心量を算出しているが、リムとディスクとの境界に設けられた弾性体がx軸方向に変位すると、誤差が生じるという問題点がある。更に、リムとディスクの狭い境界部分に接線方向変位センサと垂直方向変位センサを設けていることから、変位量の検出精度に問題がある。
However, in
特許文献2では、少なくとも3本のT字型アームのそれぞれを構成する第1及び第2受感ビームのそれぞれに設けられた8個の歪みゲージ、合計、少なくとも48(3×8×2)個の出力に基づいて、力Fx,Fy,Fz及びこれらの軸回りに働くトルクMx,My,Mzを推定することから、多くのセンサにコストがかかるという問題点があった。更に、Fz,Mz以外のFx,Fy及びMx,Mzについては、角度検出部が検出したホイールの回転角に基づいて補正する必要があり、処理が複雑になるという問題点があった。
In
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、回転補正が不要、且つより少ないセンサで内側回転体の外側回転体に対する相対回転角および相対変位量を算出し、相対回転角及び相対変位量に基づき、力Fx,Fy,Myを推定する回転角度及び変位量算出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and does not require rotation correction and calculates the relative rotation angle and relative displacement amount of the inner rotating body with respect to the outer rotating body with fewer sensors, and calculates the relative rotation angle and relative An object of the present invention is to provide a rotation angle and displacement amount calculation device that estimates forces Fx, Fy, and My based on displacement amounts.
請求項1記載の発明によれば、無負荷で内側回転軸と外側回転軸が同心に配置され、少なくとも前記内側回転軸に直交する面内で相対変位可能に負荷に応じて変形する弾性部材によって連結された内側回転体及び外側回転体を有する回転体と、前記内側回転体及び前記外側回転体のいずれか一方と一体的に回転し、該回転する前記内側回転体又は前記外側回転体の周方向の複数の異なる箇所に設けられた被測定部と、他方の前記内側回転体又は前記外側回転体と一体的に回転し、該他方の回転体の異なる複数の箇所に配置され、前記他方の回転体の周方向に対向して配置された前記被測定部の被測定部位までの距離を検出する複数の変位センサと、前記複数の変位センサにより検出された前記複数の距離に基づいて、前記内側回転体と前記外側回転体との間の相対回転角を算出する演算手段とを具備したことを特徴とする変位量算出装置が提供される。 According to the first aspect of the present invention, the inner rotary shaft and the outer rotary shaft are arranged concentrically with no load, and at least by an elastic member that is deformable according to the load so as to be relatively displaceable in a plane orthogonal to the inner rotary shaft. A rotating body having an inner rotating body and an outer rotating body connected to each other, and one of the inner rotating body and the outer rotating body, and rotates around the inner rotating body or the outer rotating body. Rotate integrally with the part to be measured provided at a plurality of different locations in the direction and the other inner rotating body or the outer rotating body, and are arranged at different locations on the other rotating body, Based on the plurality of displacement sensors that detect the distance to the measurement site of the measurement target portion that is arranged facing the circumferential direction of the rotating body, and the plurality of distances detected by the plurality of displacement sensors, Inside rotating body and outside Displacement amount calculation apparatus characterized by comprising a calculating means for calculating the relative rotation angle between the rotating member is provided.
請求項1記載の発明によると、回転体がトルクを受けたときに、該トルクが外側回転体を介して弾性部材に伝達され、弾性部材がトルクに応じて変形し、外側回転体が内側回転体に対して相対回転する。内側回転体及び外側回転体のいずれか一方の回転体の複数の異なる箇所に、内側回転体又は外側回転体と一体的に回転し、該他方の回転体の異なる複数の箇所に被測定部を設け、他方の回転体に、周方向に対向して配置された被測定部の被測定部位までの距離を検出する複数の変位センサを設けたので、内側回転体と外側回転体との間の相対回転角を算出することができ、その結果、少ない変位センサにより相対回転角を算出することができる。 According to the first aspect of the present invention, when the rotating body receives torque, the torque is transmitted to the elastic member via the outer rotating body, the elastic member is deformed according to the torque, and the outer rotating body rotates inward. Rotates relative to the body. Rotate integrally with the inner rotator or the outer rotator at a plurality of different locations on either the inner rotator or the outer rotator, and place the measurement target at different locations on the other rotator. Since the plurality of displacement sensors for detecting the distance to the measurement site of the measurement target portion arranged opposite to each other in the circumferential direction are provided on the other rotary body, the gap between the inner rotary body and the outer rotary body is provided. The relative rotation angle can be calculated. As a result, the relative rotation angle can be calculated with a small number of displacement sensors.
図1は、本発明の実施形態による荷重算出装置1を含むブロック図である。図1に示すように、荷重算出装置1は、変位検出装置2#FL,2#FR,2#RL,2#RR及び変位−荷重変換演算手段4を含む。変位検出装置2#FLは、左前輪について変位を検出する。変位検出装置2#FRは、右前輪について変位を検出する。変位検出装置2#RLは、左後輪について変位を検出する。変位検出装置2#RRは、右後輪について変位を検出する。尚、変位検出手段2は、左前輪、右前輪、左後輪、右後輪の少なくとも1つの車輪について設けられていれば良い。
FIG. 1 is a block diagram including a
図2は、図1中の変位検出装置2#FL,2#FR,2#RL,2#RRのブロック図である。変位検出装置2#FL,2#FR,2#RL,2#RRは、実質的に同一であることから、変位検出装置を符号2で表わしている。図2に示すように、変位検出装置2は、変位検出手段10#1,10#2,11#1、11#2、フィルタ12#1,12#2,12#3,12#4及びデータ送信部14を有する。
FIG. 2 is a block diagram of the
図3は車輪側面図である。図4はホイール32を車軸ハブ34に取り付けた状態における図3のA−A線断面図である。図3乃至図4に示すように、ホイール32は、ホイールディスク20、弾性部材22、リム24、並びに変位検出装置10#1,10#2,10#3,10#4を構成する変位センサ26#1,26#2,26#3,26#4及び被測定部(被測定部材)28#1,28#2,28#3,28#4を有する。
FIG. 3 is a wheel side view. 4 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 3 in a state where the wheel 32 is attached to the
ホイールディスク(内側回転体)20は、ホイール32の中心に配置され、車軸ハブ34、ブレーキディスク40及びホイールディスク20のそれぞれに設けられた貫通穴にスタッドボルト38を貫通し、ホイールナット36で締結することより、ホイールディスク20及びブレーキディスク40が車軸42と一体回転する車軸ハブ34に取り付けられる。
The wheel disc (inner rotating body) 20 is disposed at the center of the wheel 32, passes through
ホイールディスク20は、車軸ハブ34の中心軸を回転軸(内側回転軸)として回転可能であるが、車軸ハブ34に固定されていることから、路面に平行なx軸、車軸42の回転軸(y軸)、x軸及びy軸に垂直なz軸方向への移動が規制されている。ホイールディスク20は、例えば、アルミニウム合金を素材とする鋳造成形品である。
The
リム(外側回転体)24は、ホイールディスク20の外周側に配置され、タイヤ30が装着されて、該タイヤ30を支承するものであり、無負荷状態では、その回転軸(外側回転軸)がホイールディスク20の回転軸と同心にある。その形状はリング状である。リム24は、例えば、アルミニウム合金を素材とする鋳造成形品である。
The rim (outer rotating body) 24 is disposed on the outer peripheral side of the
弾性部材22は、ホイールディスク20とリム24との間に配置され、ホイールディスク20とリム24とを連結し、タイヤ30よりリム24を通して伝達される、x軸,y軸,z軸方向の力Fx,Fy,Fz及びy軸回りのトルクMyの大きさ及び力の方向に応じて変形するものである。
The
力Fxは、ブレーキ力などに起因する路面からのタイヤ30への路面に水平な方向の摩擦力によるものであり、タイヤ30からリム24を通して弾性部材22に伝達される。力(荷重)Fzは、車体からの荷重の路面からの反作用によるものであり、路面からタイヤ30及びリム24を通して弾性部材22に伝達される。トルクMyは、力Fxによるリム24の中心P2回りのモーメントがタイヤ30及びリム24を通して弾性部材22に伝達される。
The force Fx is due to a frictional force in a direction horizontal to the road surface from the road surface to the
即ち、弾性部材22は、力Fx,Fzに応じてx軸方向,z軸方向に伸長/収縮(変形)し、また、y軸に平行な軸回りのトルクMyにより、リム24の回転とともに、弾性部材22の各点とリム24の回転中心P2とを結ぶ直線に直角方向(周方向)に伸長するものであり、例えば、リングゴムやリング状にホイールディスク20の半径方向に重ねて形成された板ばねなどからなる。力Fx,Fzの伝達経路は、タイヤ30→リム24→弾性部材22→ホイールディスク20→スタッドボルト44→車軸ハブ34→車軸42となる。
That is, the
弾性部材22は、ホイールディスク20及びリム24に、弾性ゴムの場合は加硫接着等により、板ばねの場合は溶接等により固定されている。力Fx,Fz及びトルクMyに応じてホイールディスク20に対して相対変位することにより、その相対変位量により、力Fx,Fz及びトルクMyを推定するためのものである。形状は、リング形状である。尚、弾性部材22は、ホイールディスク20及びリム24を両者が接触しない程度の弾性を有しつつ両者を連結していればよく、その具体的形状は任意に定めてよい。
The
リム24は、弾性部材22が力Fx,Fzに応じてx軸、z軸方向に変位及びトルクMyに応じてリム24の中心P2を中心とする円の円周方向に変位することにより、ホイールディスク20に対してx軸,z軸方向に相対移動するとともに、ホイールディスク20に対して相対回転する。
The
変位センサ26#1,26#2,26#3,26#4は、被測定部材28#1,28#2,28#3,28#4までの距離D1,D2,D3,D4を測定し、その距離に応じた電気信号を出力するものであり、例えば、渦電流式、静電容量式、レーザ式などの非接触式の変位センサや、リニアポテンショメータなどの接触式の変位センサである。
The
図5は、車輪に負荷がかかっていない(無負荷)状態における車軸42に垂直なx軸及びz軸を含む平面上に位置する変位センサ26#1,26#2,26#3,26#4並びに被測定部材28#1,28#2,28#3,28#4の配置を示す図である。本実施形態では、変位センサ26#1,26#2,26#3,26#4は、同一平面上にある例を示しているが、必ずしも、同一平面上にある必要はない。図6は変位センサ26#1及び被測定部材28#1の配置を示す図である。
FIG. 5 shows
変位センサ26#i(i=1〜4)は、距離測定の中心点がホイールディスク20の回転軸中心から一定距離r離間し、例えば、中心P1から距離r離間した周上(例えば、ホイールディスク20の外周上)の90°ずれた位置に、距離測定方向がホイールディスク20の中心P1からリム24側に向かう方向(ホイールディスク20の半径方向)Li(i=1〜4)と直角方向(周方向)となるように配置されている。尚、本実施形態では、変位センサ26#i(i=1〜4)はホイールディスク20の回転軸中心P1から等距離r離間した位置に配置した例を示したがこれに限定されない。
The
x軸,z軸は静止座標系である。尚、変位センサ26#1,26#2,26#3,26#4は、リム24の回転軸から一定距離r離間、例えば、中心P2から距離rの周上(例えば、リム24の内周上)に、距離測定方向が無負荷状態で周方向に配置しても良い。
The x-axis and z-axis are stationary coordinate systems. The
被測定部材28#i(i=1〜4)は、リム24に取り付けられ、変位センサ26#i(i=1〜4)の測定方向の対向面が被測定面28a#i(i=1〜4)であり、リム24と一体的に変位する。被測定部材28#i(i=1〜4)の材質は、変位センサ26#i(i=1〜4)が距離Di(i=1〜4)を検出できるものであれば良い。
The member to be measured 28 # i (i = 1 to 4) is attached to the
被測定部材28#i(i=1〜4)には、リム24やホイールディスク20の一部を加工して形成したものも含まれる。形状は、被測定面28a#i(i=1〜4)が以下のものであれば、それ以外については、問わない。
The members to be measured 28 # i (i = 1 to 4) include those formed by processing a part of the
被測定部材28#i(i=1〜4)は、無負荷状態において被測定面28a#i(i=1〜4)の変位センサ26#i(i=1〜4)の距離測定の中心による被測定部位Si(i=1〜4)とホイールディスク20の中心P1とを結ぶ直線Mi(i=1〜4)と直線Li(i=1〜4)のなす角度α(α>0)が一定、且つ直線Mi(i=1〜4)が直線Li(i=1〜4)に対して一定方向、例えば、反時計回りとなるように被測定部材28#i(i=1〜4)がリム24に配置されている。
The member to be measured 28 # i (i = 1 to 4) is the center of the distance measurement of the
例えば、被測定部材28#i(i=1〜4)は、無負荷状態において、被測定面28a#i(i=1〜4)のx軸及びz軸を含む平面による断面がホイールディスク20の中心P1を通る直線Mi(i=1〜4)となるように加工され、リム24に配置されている。
For example, the member to be measured 28 # i (i = 1 to 4) has a
被測定面28a#i(i=1〜4)は、例えば、単一平面である。図7は被測定部材28#i(i=1〜4)の一例を示す図である。被測定部材28#i(i=1〜4)は、例えば、取り付けや製作が容易であることの観点から、直方体からなり、面28a#i(i=1〜4)が周方向に直角となり、面28a#i(i=1〜4)に直角な面28b#i(i=1〜4)半径方向に直角となるように、面28b#i(i=1〜4)をリム24に取り付ける。
The measured
尚、変位センサ26#i(i=1〜4)をリム24に設ける場合は、被測定部材28#i(i=1〜4)をホイールディスク20の回転軸中心から半径方向に距離r離間し、距離測定方向がリム24の半径方向に直角な周方向になるよう配置する。また、被測定面28a#i(i=1〜4)は、無負荷状態において被測定面28a#i(i=1〜4)の変位センサ26#i(i=1〜4)の距離測定の中心による被測定部位Si(i=1〜4)とホイールディスク20の中心P1とを結ぶ直線Mi(i=1〜4)と直線Li(i=1〜4)のなす角度α(α>0)が一定、且つ直線Mi(i=1〜4)が直線Li(i=1〜4)に対して一定方向となるよう被測定部材28#i(i=1〜4)をホイールディスク20に配置する。
When the
図2中のフィルタ12#i(i=1〜4)は、変位検出手段10#i(i=1〜4)の各変位センサ26#i(i=1〜4)から出力される距離Di(i=1〜4)を示す電気信号から高周波成分を削除し、ノイズをカットする。データ送信部14は、フィルタ12#i(i=1〜4)から出力される電気信号を無線などにより変位−荷重変換演算手段4に送信する。
The
図1中の変位−荷重変換演算手段4は、各変位検出装置2#FL,2#FR,2#RL,2#RRより送信された距離D1,D2,D3,D4から後で詳述するように、リム24のホイールディスク20に対する相対回転角θを算出(演算手段)し、相対回転角θから力Fx,Fz,トルクMyを算出して、VSAシステム6に出力する。変位−荷重変換演算手段4は、例えば、CPUやメモリなどを有するECU(エレクトリック コントロール ユニット)上を動作するプログラムにより構成する。
The displacement-load conversion calculating means 4 in FIG. 1 will be described in detail later from the distances D1, D2, D3, D4 transmitted from the
VSAシステム6は、変位−荷重変換演算手段4より出力された車輪WFL,WFR,WRL,WRRについての、力Fx,Fz及びトルクMy、並びに図示しない横加速度センサ、前後加速度センサ、ヨーレートセンサ及びピッチレートセンサなどの出力に基づいて、ABS制御及びTCS制御などのVSA制御を行う。
The
図8乃至図11は変位−荷重変換演算手段4の動作説明図であり、ホイール32が車軸ハブ34に取り付けられて、矢印Aの方向に回転しながら路面を運動している状態を示している。図8及び図9中のx軸,z軸は図5と同様である。ここでは、例えば、運転者がブレーキペダルを踏み込むことにより、路面からタイヤ30を通してリム24に力Fxが加えられたものとする。
FIGS. 8 to 11 are explanatory views of the operation of the displacement-load conversion calculating means 4 and show a state in which the wheel 32 is attached to the
ブレーキペダルが踏み込まれると、ブレーキペダルからの液圧に基づき車軸ハブ34と一体回転するブレーキディスク40にブレーキ力が作用し、タイヤ30と路面との間の摩擦力により、タイヤ30を通してリム24に力Fxが加えられる。力Fxがリム24から弾性部材22に伝達されて、弾性部材22がx軸方向に伸縮する。その結果、リム24の中心P2はx軸方向に変位量aだけホイールディスク20の中心P1に対して変位するともに、力Fxにより回転体としてのリム24に作用するトルクMyにより、リム24が回転角θだけホイールディスク20に対して相対回転する。
When the brake pedal is depressed, a braking force acts on the
一方、車両からの荷重よる路面からのタイヤ30への垂直反力Fzにより、リム24がz軸方向に力Fzを受け、弾性部材22がz軸方向に伸縮し、リム24がz軸方向に変位量bだけ変位する。これにより、リム24の中心P2の座標は(a,b)となる。
On the other hand, the
変位センサ26#i(i=1〜4)は、点P1を中心として、ホイールディスク20と一体回転することから、観測時点において、変位センサ26#1は、x軸からφ反時計回りに回転しているものとする。x軸,z軸を(a,b)平行移動した軸をx’軸,z’軸とする。変位センサ26#1の観測中心点をQ1とする。リム24の変位後の変位センサ26#1による被測定面28a#1の観測点をS1とする。
Since the
点P1と点Q1を結ぶ直線(以下、直線P1Q1)を(a,b)平行移動した直線を直線P2Q2とする。リム34はホイールディスク20に対してθだけ反時計回りに回転していることから、直線P2Q2をP2を中心にθ反時計回りに回転した直線をP2Q3とすると、変位センサ26#1と被測定部材28#1の配置より、直線P2Q3と直線P2S1とのなす角度はαである。
A straight line obtained by translating a straight line connecting the points P1 and Q1 (hereinafter, straight line P1Q1) by (a, b) is defined as a straight line P2Q2. Since the
点P2から直線P1Q1への垂線の足をV1とする。点P2と点V1の距離は、(bcosφ−asinφ)となる。座標(a,0)からの直線P1V1への垂線の足と点P1の距離が(acosφ)であり、座標(a,0)から直線P2V1の距離が(bsinφ)であることから、点P1と点V1の距離は(acosφ+bsinφ)となる。 A perpendicular foot from the point P2 to the straight line P1Q1 is defined as V1. The distance between the point P2 and the point V1 is (b cos φ−asin φ). Since the distance between the foot of the perpendicular line from the coordinate (a, 0) to the straight line P1V1 and the point P1 is (acosφ), and the distance from the coordinate (a, 0) to the straight line P2V1 is (bsinφ), the point P1 The distance of the point V1 is (acosφ + bsinφ).
点P1と点Q1の距離がr,点P1と点V1の距離が(acosφ+bsinφ)であることから、点V1と点Q1の距離はr−(acosφ+bsinφ)となる。点P1と点Q1の距離がrであり、直線V1Q1は直線P2T1に平行、直線V2P2は直線Q1T1に平行であることから、点P2と点T1の距離はr−(acosφ+bsinφ)となる。 Since the distance between the point P1 and the point Q1 is r and the distance between the point P1 and the point V1 is (acos φ + bsin φ), the distance between the point V1 and the point Q1 is r− (acos φ + bsin φ). Since the distance between the point P1 and the point Q1 is r, the straight line V1Q1 is parallel to the straight line P2T1, and the straight line V2P2 is parallel to the straight line Q1T1, the distance between the point P2 and the point T1 is r− (acosφ + bsinφ).
点P2と点T1の距離はr−(acosφ+bsinφ)、角S1P2T1は(θ+φ)、角S1Q1P1が90°、直線V1Q1は直線P2T1に平行であることから、点S1と点T1の距離は、{r−(acosφ+bsinφ)}tan(θ+α)となる。直線P2V1と直線T1Q1が平行、直線V1Q1と直線P2T1が平行であることから、点T1と点Q1の距離は(bcosφ−asinφ)となる。距離D1は点S1と点T1の距離と点T1と点Q1の距離の和であることから、次式(1)が成り立つ。 Since the distance between the point P2 and the point T1 is r− (acos φ + bsin φ), the angle S1P2T1 is (θ + φ), the angle S1Q1P1 is 90 °, and the straight line V1Q1 is parallel to the straight line P2T1, the distance between the point S1 and the point T1 is {r − (Acosφ + bsinφ)} tan (θ + α). Since the straight line P2V1 and the straight line T1Q1 are parallel, and the straight line V1Q1 and the straight line P2T1 are parallel, the distance between the point T1 and the point Q1 is (b cos φ−asin φ). Since the distance D1 is the sum of the distance between the points S1 and T1 and the distance between the points T1 and Q1, the following equation (1) is established.
D1=(bcosφ−asinφ)+{r−(acosφ+bsinφ)}tan(θ+α)
・・・ (1)
D2については、式(1)において、φに(φ+π/2)を代入すればよいことから、式(2)が成り立つ。
D1 = (b cos φ−asin φ) + {r− (acos φ + b sin φ)} tan (θ + α)
(1)
For D2, since (φ + π / 2) should be substituted for φ in equation (1), equation (2) holds.
D2=(bcos(φ+π/2)−asin(φ+π/2))+{r−(acos(φ+π/2)+bsin(φ+π/2)}tan(θ+α)
=−(bsinφ+acosφ)+{r−(−asinφ+bcosφ)}tan(θ+α)
・・・ (2)
D3については、式(1)において、φに(φ+π)を代入すればよいことから、式(3)が成り立つ。
D2 = (bcos (φ + π / 2) −asin (φ + π / 2)) + {r− (acos (φ + π / 2) + bsin (φ + π / 2)} tan (θ + α)
=-(Bsinφ + acosφ) + {r − (− asinφ + bcosφ)} tan (θ + α)
(2)
With respect to D3, since (φ + π) has only to be substituted for φ in equation (1), equation (3) holds.
D3=(bcos(φ+π)−asin(φ+π))+{r−(acos(φ+π)+bsin(φ+π)}tan(θ+α)
=−(bcosφ−acosφ)+{r+(acosφ+bsinφ)}tan(θ+α)
・・・ (3)
D4については、式(1)において、φに(φ+3π/2)を代入すればよいことから、式(4)が成り立つ。
D3 = (bcos (φ + π) −asin (φ + π)) + {r− (acos (φ + π) + bsin (φ + π)} tan (θ + α)
= − (B cos φ−cos φ) + {r + (cos φ + b sin φ)} tan (θ + α)
(3)
As for D4, since (φ + 3π / 2) is substituted into φ in the formula (1), the formula (4) is established.
D4=(bcos(φ+3π/2)−asin(φ+3/2π))+{r−(acos(φ+3π/2)+bsin(φ+3π/2)}tan(θ+α)
=(bsinφ+acosφ)+{r+(−asinφ+bcosφ)}tan(θ+α)
・・・ (4)
式(1)〜(4)より、式(5)が成り立つ。
D4 = (bcos (φ + 3π / 2) −asin (φ + 3 / 2π)) + {r− (acos (φ + 3π / 2) + bsin (φ + 3π / 2)} tan (θ + α)
= (Bsinφ + acosφ) + {r + (− asinφ + bcosφ)} tan (θ + α)
(4)
Expression (5) is established from Expressions (1) to (4).
tan(θ+α)=(D1+D3)/2r=(D2+D4)/2r=(D1+D2+D3+D4)/4r
・・・ (5)
ここで、α,rは既知であることから、式(5)より、α,r及び測定値D1,D2,D3,D4より、ホイール32の回転角φに依存することなく回転角θを算出できる。
tan (θ + α) = (D1 + D3) / 2r = (D2 + D4) / 2r = (D1 + D2 + D3 + D4) / 4r
(5)
Here, since α and r are known, the rotation angle θ is calculated from α, r and the measured values D1, D2, D3, and D4 without depending on the rotation angle φ of the wheel 32 from the equation (5). it can.
Xi=Di−rtan(θ+α)(i=1〜4)とおくと、次式(6),(7),(8),(9)が成り立つ。 When Xi = Di-rtan (θ + α) (i = 1 to 4), the following expressions (6), (7), (8), and (9) are established.
X1=(a2+b2)1/2cos(A+φ+θ+α)/cos(θ+α) ・・・(6)
X2=−(a2+b2)1/2sin(A+φ+θ+α)/cos(θ+α)・・・(7)
X3=−(a2+b2)1/2cos(A+φ+θ+α)/cos(θ+α)・・・(8)
X4=(a2+b2)1/2sin(A+φ+θ+α)/cos(θ+α) ・・・(9)
但し、tanA=a/bである。
X 1 = (a 2 + b 2 ) 1/2 cos (A + φ + θ + α) / cos (θ + α) (6)
X 2 = − (a 2 + b 2 ) 1/2 sin (A + φ + θ + α) / cos (θ + α) (7)
X 3 = − (a 2 + b 2 ) 1/2 cos (A + φ + θ + α) / cos (θ + α) (8)
X 4 = (a 2 + b 2 ) 1/2 sin (A + φ + θ + α) / cos (θ + α) (9)
However, tanA = a / b.
式(6)〜(9)より、式(10)が成り立つ。 Expression (10) is established from Expressions (6) to (9).
a2+b2=−(X1X3+X2X4)cos2(θ+α)
=(X1 2+X2 2)cos2(θ+α) ・・・(10)
式(1)〜(4)のように、aとbはディスクホイール32の回転角度φに依存していることから、このままだと、ホイール回転角φを検出する角度検知センサが必要となる。しかし、Fx=Ka×a(Kaは弾性部材22のx軸方向の伸びと力Fxにより決まる定数)、My=Kθ×θ(Kθは弾性部材22のリム24の中心P2を中心とする円周方向の伸びとトルクMyにより決まる定数)という関係と、My=Fx×R0(R0:回転体の動半径)という関係があるため、回転体の動半径が既知R0であれば、
a=Fx/Ka=My/(Ka×R0)=Kθ×θ/(Ka×R0) ・・・(11)
より、aを求めることができる。
a 2 + b 2 = − (X 1 X 3 + X 2 X 4 ) cos 2 (θ + α)
= (X 1 2 + X 2 2 ) cos 2 (θ + α) (10)
As in equations (1) to (4), a and b depend on the rotation angle φ of the disc wheel 32. Therefore, an angle detection sensor for detecting the wheel rotation angle φ is required. However, Fx = K a × a (K a is a constant determined by the elongation in the x-axis direction of the
a = Fx / K a = My / (K a × R 0) = K θ × θ / (K a × R 0) ··· (11)
Thus, a can be obtained.
式(5)より、tan(θ+α)が得られており、式(11)よりaが得られていることから、式(10)より、式(12)に示すbが求められる。 Since tan (θ + α) is obtained from Equation (5) and a is obtained from Equation (11), b shown in Equation (12) is obtained from Equation (10).
b={−(X1X3+X2X4)cos2(θ+α)−a2}1/2
={(X1 2+X2 2)cos2(θ+α)−a2}1/2 ・・・(12)
a,θ,α,X1,X2,X3,X4を式(12)に代入して、bを算出する。
b = {− (X 1 X 3 + X 2 X 4 ) cos 2 (θ + α) −a 2 } 1/2
= {(X 1 2 + X 2 2 ) cos 2 (θ + α) −a 2 } 1/2 (12)
b is calculated by substituting a, θ, α, X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 into Equation (12).
演算に使用する動半径R0は一定値を用いても良いし、ホイールディスク20の回転速度や荷重Fzによって補正された値を用いても良い。
A constant value may be used as the moving radius R 0 used for the calculation, or a value corrected by the rotational speed of the
変位−荷重変換演算手段4は、車輪WFL,WFR,WRL,WRRについての変位量a,b、相対回転角度θ、及び次式(13),(14),(15)より、車輪WFL,WFR,WRL,WRRについてのFx,Fz,Myを算出する。 The displacement-load conversion calculating means 4 calculates the wheels WFL, WFR from the displacements a, b, the relative rotation angle θ and the following equations (13), (14), (15) for the wheels WFL, WFR, WRL, WRR. , WRL, and WRR, Fx, Fz, and My are calculated.
Fx=Ka×a ・・・(13)
Fz=Kb×b ・・・(14)
My=Kθ×θ ・・・(15)
但し、Kaは弾性部材22のx軸方向の弾性力に基づく値であり、Kbは弾性部材22のz軸方向の弾性力に基づく値である。
Fx = Ka × a (13)
Fz = Kb × b (14)
My = K θ × θ (15)
However, Ka is a value based on the elastic force of the
式(5)より、式(16)が成り立つ。 From equation (5), equation (16) holds.
D1+D2+D3+D4=4rtan(θ+α) ・・・(16)
図10は式(16)に基づき、r=200mmであるときの、(θ+α)と(D1+D2+D3+D4)の関係を示す図であり、横軸に(θ+α)(単位°)、縦軸に(D1+D2+D3+D4)(単位mm)を示している。図11は図10中のB部拡大図である。例えば、α=5°であるとき、θが−3°〜+3°の範囲で変化すると、θが+3°のときの(D1+D2+D3+D4)と−3°のときの(D1+D2+D3+D4)の差が84.5mmとなり、検出される変位量が大きい。これは、tan(θ+α)がθの変化量に対して変化量が大きいので、距離Di(i=1〜4)の変化量が大きくなるからである。
D1 + D2 + D3 + D4 = 4rtan (θ + α) (16)
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between (θ + α) and (D1 + D2 + D3 + D4) when r = 200 mm based on the equation (16), with the horizontal axis representing (θ + α) (unit degrees) and the vertical axis representing (D1 + D2 + D3 + D4). (Unit: mm). FIG. 11 is an enlarged view of a portion B in FIG. For example, when α = 5 ° and θ changes in the range of −3 ° to + 3 °, the difference between (D1 + D2 + D3 + D4) when θ is + 3 ° and (D1 + D2 + D3 + D4) when −3 ° is 84.5 mm. Thus, the detected displacement amount is large. This is because tan (θ + α) has a large change amount with respect to the change amount of θ, and thus the change amount of the distance Di (i = 1 to 4) becomes large.
以上説明したように、本実施形態によれば、ホイールディス20の中心P1を対称として、90°ずれた4箇所に配置された変位センサ26#i(i=1〜4)により被測定面28a#i(i=1〜4)までの周方向の距離Di(i=1〜4)を測定することにより、リム24のホイールディスク20に対する相対回転角θ及びa,bを算出することができる。θ及びa,bより、Fx,Fz,Myを求めることができる。
As described above, according to the present embodiment, the measured
尚、本実施形態では、(D1,D2,D3)、(D1,D2,D4),(D2,D4,D1),(D2,D4,D3)の3個の変位センサの出力により、θ(トルクMy)、a(力Fx)及びb(力Fz)を算出することができることは明らかである。 In this embodiment, the output of the three displacement sensors (D1, D2, D3), (D1, D2, D4), (D2, D4, D1), (D2, D4, D3) gives θ ( It is clear that torque My), a (force Fx) and b (force Fz) can be calculated.
変形例
式(1)〜(4)に示すように、距離Di(i=1〜4)を一部又は全てを加算し、角度φに依存するsin,cosの項をキャンセルすることにより、tan(θ+α)を算出し、相対回転角θを算出することができる。相対回転角θを算出するには、ホイールディスク20の中心P1を対称に、180°ずれた位置に二つの被測定部及び変位センサを配置し、被測定部までの周方向の距離をこの二つの変位センサにより計測し、これら変位センサが計測した二つの距離を加算すれば良い。従って、θ(トルクMy)及びa(力Fx)のみを求める場合は最低2つ必要となる。
As shown in the modification formulas (1) to (4), by adding a part or all of the distance Di (i = 1 to 4) and canceling the terms of sin and cos depending on the angle φ, tan By calculating (θ + α), the relative rotation angle θ can be calculated. In order to calculate the relative rotation angle θ, the center P1 of the
また、ホイールディス20の中心P1を中心して、120°ずつずれた位置に配置した周方向の距離を測定する3つの変位センサが計測した3つの距離D1,D2,D3は式(17)〜(19)となり、式(17)〜(19)を加算すると、式(20)のように、位相が120°ずれた3つのsin,cosの項の和が0となるので、sin,cosの項をキャンセルすることができ、式(21)に示すように、相対回転角度θを算出することができる。
Further, the three distances D1, D2, and D3 measured by the three displacement sensors that measure the distance in the circumferential direction arranged at positions shifted by 120 ° about the center P1 of the
D1=(bcosφ−asinφ)+{r−(acosφ+bsinφ)}tan(θ+α)
・・・(17)
D2=(bcos(φ+2π/3)−asin(φ+2π/3))+{r−(acos(φ+2π/3)+bsin(φ+2π/3)}tan(θ+α)
・・・(18)
D3=(bcos(φ+4π/3)−asin(φ+4π/3))+{r−(acos(φ+4π/3)+bsin(φ+4π/3)}tan(θ+α)
・・・ (19)
D1+D2+D3=3rtan(θ+α) ・・・ (20)
tan(θ+α)=(D1+D2+D3/3r) ・・・ (21)
更に、(a2+b2)より、b(力Fz)を算出するには、θ(トルクMy)及びa(力Fx)のみを算出するための変位センサ以外に最低一つの変位センサが必要となる。このとき、実施形態では、90°ずれた位置に配置された2つの(X1,X2)又は(X3,X4)をそれぞれ2乗して加算し、φに依存する三角関数sin又はcosをキャンセルしているが、他の配置の場合でも(a2+b2)を算出することができる。
D1 = (b cos φ−asin φ) + {r− (acos φ + b sin φ)} tan (θ + α)
... (17)
D2 = (bcos (φ + 2π / 3) −asin (φ + 2π / 3)) + {r− (acos (φ + 2π / 3) + bsin (φ + 2π / 3)} tan (θ + α)
... (18)
D3 = (bcos (φ + 4π / 3) −asin (φ + 4π / 3)) + {r− (acos (φ + 4π / 3) + bsin (φ + 4π / 3)} tan (θ + α)
(19)
D1 + D2 + D3 = 3rtan (θ + α) (20)
tan (θ + α) = (D1 + D2 + D3 / 3r) (21)
Further, in order to calculate b (force Fz) from (a 2 + b 2 ), at least one displacement sensor is required in addition to the displacement sensor for calculating only θ (torque My) and a (force Fx). Become. At this time, in the embodiment, the two (X1, X2) or (X3, X4) arranged at positions shifted by 90 ° are squared and added to cancel the trigonometric function sin or cos depending on φ. However, (a 2 + b 2 ) can be calculated even in other arrangements.
例えば、2つの変位センサを90°以外の角度ξ(ξ≠90°)で配置する場合にも、式(17)より、X1=(a2+b2)1/2cos(A+φ+θ+α)/cos(θ+α)、(X1=D1−rtan(θ+α))及びD2={bcos(φ+ξ)−asin(φ+ξ)}+{r−(acos(φ+ξ)+bsin(φ+ξ)}tan(θ+α)、またX2=(a2+b2)1/2(cos(A+φ+θ+α+ξ)/cos(θ+α)、(X2=D2−rtan(θ+α))であり、a2+b2=(X12−2X1X2cosξ+X22)cos2(θ+α)/sin2ξより、(a2+b2)を算出することができる。 For example, even when two displacement sensors are arranged at an angle ξ (ξ ≠ 90 °) other than 90 °, X1 = (a 2 + b 2 ) 1/2 cos (A + φ + θ + α) / cos ( θ + α), (X1 = D1−rtan (θ + α)) and D2 = {bcos (φ + ξ) −asin (φ + ξ)} + {r− (acos (φ + ξ) + bsin (φ + ξ)} tan (θ + α), and X2 = ( a 2 + b 2 ) 1/2 (cos (A + φ + θ + α + ξ) / cos (θ + α), (X2 = D2−rtan (θ + α)), and a 2 + b 2 = (X1 2 −2X1X2 cos ξ + X2 2 ) cos 2 (θ + α) / From sin 2 ξ, (a 2 + b 2 ) can be calculated.
2#FL,2#FR,2#RL,2#RR 変位検出装置
4 変位−荷重変換演算手段
20 ホイールディスク
22 弾性部材
24 リム
26#1,26#2,26#3,26#4 変位センサ
28#1,28#2,28#3,28#4 被測定部材
28a#1,28a#2,28a#3,28a#4 被測定面
30 タイヤ
34 車軸ハブ
2 # FL, 2 # FR, 2 # RL, 2 # RR
Claims (1)
前記内側回転体及び前記外側回転体のいずれか一方と一体的に回転し、該回転する前記内側回転体又は前記外側回転体の周方向の複数の異なる箇所に設けられた被測定部と、
他方の前記内側回転体又は前記外側回転体と一体的に回転し、該他方の回転体の異なる複数の箇所に配置され、前記他方の回転体の周方向に対向して配置された前記被測定部の被測定部位までの距離を検出する複数の変位センサと、
前記複数の変位センサにより検出された前記複数の距離に基づいて、前記内側回転体と前記外側回転体との間の相対回転角を算出する演算手段と、
を具備したことを特徴とする変位量算出装置。 An inner rotating body and an outer rotating body, which are arranged with no load, are arranged concentrically with each other and are elastically deformed according to the load so that they can be relatively displaced in a plane orthogonal to at least the inner rotating shaft. A rotating body having
A unit to be measured that rotates integrally with any one of the inner rotating body and the outer rotating body, and is provided at a plurality of different locations in the circumferential direction of the rotating inner or rotating body;
The device under test that rotates integrally with the other inner rotating body or the outer rotating body, is disposed at a plurality of different locations on the other rotating body, and is disposed opposite to the circumferential direction of the other rotating body. A plurality of displacement sensors for detecting the distance to the part to be measured;
An arithmetic means for calculating a relative rotation angle between the inner rotating body and the outer rotating body based on the plurality of distances detected by the plurality of displacement sensors;
Displacement amount calculation apparatus characterized by comprising:
Priority Applications (1)
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WO2012018031A1 (en) * | 2010-08-05 | 2012-02-09 | 株式会社トライフォース・マネジメント | Torque sensor |
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CN103080716A (en) * | 2010-08-05 | 2013-05-01 | 三角力量管理株式会社 | Torque sensor |
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