JP4888074B2 - 車輪用転がり軸受装置 - Google Patents
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Description
このような車輪用転がり軸受装置として従来から知られているものに、車体側に固定される筒状の固定軌道輪と、この固定軌道輪の径方向内方に設けられ車輪が取り付けられる回転軌道輪と、これらの軌道輪の間に転動自在に設けられている複列の転動体とを備えた軸受装置があり、この軸受装置において、前述したセンサを固定軌道輪に設け、このセンサで回転軌道輪の情報を得るように構成されているものがある(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1に記載されている車輪用転がり軸受装置は、センサを固定軌道輪に複数設けるために当該固定軌道輪に貫通孔を複数形成する必要がある。この場合、固定軌道輪の製造工程において別の孔開け作業が必要となり、また、それぞれの貫通孔に対してセンサの取り付けが必要であり、組み立て作業が煩雑となる。さらに、センサと回転軌道輪との間のギャップ調整が、それぞれのセンサにおいて必要であり、組み立て工数が多くなるという問題点を有している。
この第1の提案に係る車輪用転がり軸受装置は、車体側に固定される筒状の固定軌道輪と、この固定軌道輪の内部に回転自在に挿通されかつ車輪の取付部分をアウタ側に有する回転軌道輪と、これらの軌道輪の間に転動自在に設けられている複列の転動体とを備えた車輪用転がり軸受装置であって、前記回転軌道輪のインナ側端部の外周面とのギャップを検出する複数の変位センサを周方向に所定間隔おきに有するケース部材が設けられ、このケース部材が前記固定軌道輪のインナ側端部に取り付けられていることを特徴としている。
また、変位センサは、車輪に作用した径方向の荷重により生じた回転軌道輪のインナ側端部の外周面とのギャップの変化を検出することができる。さらに、回転軌道輪が固定軌道輪に対して傾くような変位をした場合(モーメントが作用した場合)、前記ギャップの変化は、軸方向中央部よりもインナ側端部において大きくなるため、そのインナ側端部の外周面を変位センサが計測することで、検出精度を高めることができる。
また、本出願人は、前記第1又は第2の提案に係る車輪用転がり軸受装置において振動によりセンサが破損したりセンサとして機能しなくなったりするのを防止するとともに、結露によりセンサ回路がショートするのを防止して、センサの信頼性を高めるために、前記変位センサを合成樹脂又はゴム系材料で被覆して前記センサハウジングと一体化した車輪用転がり軸受装置を提案している(特願2006−181956。以下、第3の提案という)。
前記回転軌道輪の車両インナ側端部の外周面とのギャップを検出する複数の変位センサを周方向に有する円環状のセンサハウジングの車両アウタ側端部が、前記固定軌道輪の車両インナ側端部内周面に圧入されており、且つ
前記変位センサが合成樹脂又はゴム系材料で被覆されて前記センサハウジングと一体化されていることを特徴としている。
図1は本発明の軸受装置の一実施の形態の軸方向断面説明図であり、図2は図1に示される軸受装置の部分拡大図である。なお、図1〜2及び後述する図15において、右側が車両アウタ側(車両の外側)であり、左側が車両インナ側(車両の内側)である。
図1に示されるように、本実施の形態の軸受装置Hは、筒状の外輪1と、この外輪1の内部に回転自在に挿通されている内軸2と、この内軸2の車両インナ側端部に外嵌された内輪部材3と、この内輪部材3の車両インナ側端部に外嵌されたセンサターゲット4と、周方向に並ぶ複数の玉からなる複列の転動体5、5とを備えたものであり、これらにより複列アンギュラ玉軸受部が構成されている。転動体5、5としての各列の玉は保持器6によって周方向に所定間隔で保持されている。
前記センサハウジング16の内周側に、内軸2のインナ側端部に取り付けられたセンサターゲット4の外周側面とのギャップを検出するための前記センサ装置14が搭載されている。
図3及び図5に示されるように、本実施の形態におけるセンサ装置14は、センサターゲット4の外周側面における軸方向で離れた位置のギャップをそれぞれ検出する第一センサ部材21と第二センサ部材22とを備えている。なお、本明細書において、センサ装置14及びセンサターゲット4に関して、「第一」は車両インナ側を意味し、「第二」は車両アウタ側を意味する。
すなわち、車両インナ側の第一センサ部材21は、回転軌道輪の前後に配置された第一前センサ24f及び第一後センサ24rと、回転軌道輪の上下にそれぞれ配置された第一上センサ24t及び第一下センサ24bとを備えている。また、車両アウタ側の第二センサ部材22も、回転軌道輪の前後に配置された第二前センサ24f及び第二後センサ24rと、回転軌道輪の上下にそれぞれ配置された第二上センサ24t及び第二下センサ24bとを備えている。
また、センサハウジング16に組み込まれた各変位センサ24は、回転軌道輪の軸方向中央部(図1に示す軸受中心Oに近い部分)よりも外力に対する変形挙動が大きい回転軌道輪のインナ側端部に位置するセンサターゲット4の変形挙動に伴うギャップを検出することになるので、当該ギャップの検出精度が高まるという利点がある。
L=A×μ×N2/x ・・・(a)
従って、センサターゲット4までのギャップxが変化すると、変位センサ24のインダクタンスLが変化して出力電圧が変化するので、この出力電圧の変動を検出することにより、変位センサ24の検出面からセンサターゲットまでの径方向のギャップを検出することができる。
図1〜2に示されるように、前記センサターゲット4は、内輪部材3の車両インナ側端部に外嵌して取り付けられた円筒部材よりなる。このセンサターゲット4の外周面には、車両インナ側の第一センサ部材21の検出面(磁極28の先端面)に対向する第一被検出部34と、車両アウタ側の第二センサ部材22の検出面に対向する第二被検出部35とが設けられている。本実施の形態では、これらの被検出部34、35は、センサターゲット4の周方向に沿って形成された第一及び第二環状溝により構成されている。
このため、回転軌道輪のセンサターゲット4が軸方向の例えば車両インナ側に距離δだけ変位したとすると、車両インナ側においては、第一センサ部材21と第一環状溝34との軸方向のラップ長が減少して、第一センサ部材21によるギャップの検出値が減少し、車両アウタ側においては、第二センサ部材22と第二環状溝35との軸方向のラップ長が増加して、第二センサ部材22によるギャップの検出値が増加する。
このように、本実施の形態におけるセンサターゲット4は、回転軌道輪が軸方向における同じ向きに変位した場合には、第一及び第二センサ部材21、22が検出する検出値に差を生じさせる、軸方向に離れた一対の環状溝34、35を外周側面に備えている。
従って、後述の制御装置における検出値の演算方法でも明らかな通り、車両インナ側の第一センサ部材21の検出値と車両アウタ側の第二センサ部材22の検出値の差を取ることにより、回転軌道輪の軸方向への単位並進量に対する検出値が増幅され、これによってセンサ装置全体としての軸方向変位の検出感度を高めることができる。
前記第一及び第二センサ部材21、22を構成する各変位センサ24は、前記蓋部材53を貫通する信号線36(図5参照)を介して例えば車体側のECUなどからなる制御装置37に接続されている。各センサから得られた出力電圧(検出値)は、その制御装置37において以下に述べる演算方法で演算され、これによって車輪に作用する各方向のモーメント荷重及び並進荷重が求められる。
以下、図7〜14を参照しつつ、制御装置37で行われる荷重の演算方法について説明する。なお、図12は当該制御装置37での演算方法を示すブロック図である。
図14に示されるように、車輪の前後水平方向をx軸方向、車輪の左右水平方向(軸方向)をy軸方向、車輪の上下方向をz軸方向と定義する。
また、図7に示されるように、車両インナ側(第一センサ部材21)のセンサの検出値に添え字「i」を使用し、車両アウタ側(第二センサ部材22)のセンサに添え字「o」を使用する。更に、前側のセンサの検出値を「f(front)」と定義し、後側のセンサの検出値を「r(rear)」定義し、上側のセンサの検出値を「t(top)」と定義し、下側のセンサの検出値を「b(bottom)」と定義する。
fi:第一前センサの検出値
ri:第一後センサの検出値
ti:第一上センサの検出値
bi:第一下センサの検出値
fo:第二前センサの検出値
ro:第二後センサの検出値
to:第二上センサの検出値
bo:第二下センサの検出値
図8(b)に示されるように、車輪にy軸方向の並進荷重Fyが作用した場合、回転軌道輪はその荷重の向きに変位し、前記各環状溝34、35の位置が軸方向にずれる。このため、前記した通り、車両インナ側の各センサの検出値(本実施の形態では出力電圧)fi、ri、ti、biは軸方向の移動量δの増大に伴っていずれも減少し、車両アウタ側の各センサの検出値fo、ro、to、boは軸方向の移動量δの増大に伴っていずれも増加する。
そこで、図8(b)に示されるように、次の式(1)で算出されるsFyをy軸方向の並進荷重Fyに対応する独立変数として採用する(図12の演算ブロックB1参照)。
sFy=(fi+ri+ti+bi)−(fo+ro+to+bo) ・・・(1)
このように、車両インナ側の各センサの検出値と車両アウタ側の各センサの検出値の差を取ることで、回転軌道輪の軸方向への単位並進量に対するsFyが増幅されるので、センサ装置14全体としての軸方向変位の検出感度を高めることができる。
図12の演算ブロックB2に示されるように、x軸方向については、前センサの検出値fと後センサの検出値rの差によってx軸方向変位の検出値とし、z軸方向については、上センサの検出値tと下センサの検出値bの差によってz軸方向変位の検出値とする。
前後のセンサの出力同士及び上下のセンサの出力同士では、それぞれ同じ方向に同じ量だけ温度の影響が出ることから、前記のように差を取ることによって温度ドリフトが取り除かれる。
車両インナ側でのx軸方向変位の検出値 xi=fi−ri
車両インナ側でのz軸方向変位の検出値 zi=−ti+bi
車両アウタ側でのx軸方向変位の検出値 xo=fo−ro
車両アウタ側でのz軸方向変位の検出値 zo=−to+bo
〔z軸回りのモーメント荷重Mzに対応する独立変数(sMz)〕
次に、図9に示されるように、z軸回りのモーメント荷重Mzのみが作用する純モーメントの状態を仮定する。
この場合、軸受中心Oから車両インナ側センサ(第一センサ部材21)の検出位置までの軸方向距離をLi、軸受中心Oから車両アウタ側センサ(第二センサ部材22)の検出位置までの軸方向距離をLoとすると、z軸回りのモーメント荷重Mzに対応する検出値は、理論的には次の式で算出されるmzで求めることができ、このmzは、θが十分に小さい場合にはxiと一致する筈である。
mz=Li×tanθ
=Li×tan((xi−xo)/(Li−Lo))
しかし、実際には、センサターゲット4に環状溝34、35が形成されているため、図11(a)に示されるように、mzはxiとは一致しない。この図11(a)は、z軸回りのモーメント荷重Mzのみを作用させた場合における、そのMzとmz及びxiの検出値との関係を示す直線グラフであり、このように、mzとxiの検出値の直線グラフは傾きが一致しない。
sMz=−mz×kz ・・・(2)
x軸方向とz軸方向とは90度だけ座標変換した関係にある。従って、x軸回りのモーメント荷重Mxに対応する独立変数sMxは、前記sMzの場合と同様の考え方により、次の式(3)によって算出することができる。
sMx=mx×kx ・・・(3)
なお、前記式(3)におけるkxは、kzと同じ趣旨で導入した補正係数であり、zi直線の傾きをmx直線の傾きで除算して得られる補正係数である(図11(b)及び図11(c)参照)。
〔x軸方向の並進荷重Fxに対応する独立変数(sFx)〕
次に、図10に示されるように、z軸回りのモーメント荷重Mzとともにx軸方向の並進加重Fxが作用する状態を仮定する。
この場合、車両インナ側でのx軸方向変位の検出値xiには、z軸回りのモーメント荷重Mzに対応する独立変数sMzの成分と、x軸方向の並進加重Fxに対応する独立変数sFxの成分が含まれている。従って、x軸方向の並進加重Fxに対応する独立変数sFxは、前記xiからsMzを差し引くことによって求めることができる。
なお、このことは、z軸方向の並進荷重Fzに対応する独立変数であるsFzの場合にも、同様に当てはまる。
従って、z軸方向の並進荷重Fzによる独立変数sFzと、x軸方向の並進荷重Fxによる独立変数sFxは、それぞれ次の式(4)及び式(5)で算出することができる(図12の演算ブロックB4参照)。
sFz=zi−mx×kx ・・・(4)
sFx=xi−mz×kz ・・・(5)
すなわち、車輪に対して実際に負荷したFx、Fy、Fz、Mx及びMzを入力とし、式(1)〜(5)によって得られる各独立変数sFx、sFy、sFz、sMx及びsMzを出力として、それらの変数間の直線グラフをマトリックス化したものである。
このため、それらの独立変数sFx、sFy、sFz、sMx及びsMzが求まれば、車輪に作用する5つの荷重Fx、Fy、Fz、Mx及びMzを未知数とした5元連立一次方程式を解くことにより、その各荷重Fx、Fy、Fz、Mx及びMzを演算することができる。
本実施の形態では、変位センサ24が単列であり、またセンサハウジング16の車両アウタ側端部の圧入長さが充分であることから、蓋部材42は、前記センサハウジング16の車両インナ側端部に外嵌されていないが、図1に示される実施の形態のように、センサハウジング16よりも高剛性の蓋部材42を当該センサハウジング16の車両インナ側端部に外嵌させることもできる。さらに、図15に示される実施の形態では、変位センサ24が単列であり、当該変位センサ24による被検出部の軸方向長さをあまり必要としないことから、センサターゲット4を省略しており、変位センサ24は内輪部材3の外周面とのギャップを検出するように構成されている。
変位センサ24は周方向に4箇所(上下の2箇所と前後の2箇所)設けられており、一方、軸方向変位センサ41は上下方向に2箇所設けられているものとする。
以上のようにセンサを配置した軸受装置において、作用する荷重(タイヤ力)と回転軌道輪の変位とを予め関連付けることによって、当該荷重を求めることができる。つまり、前記変位センサによって、回転軌道輪に作用した荷重のx軸、y軸、z軸についての各方向成分(Fsx、Fsy、Fsz、Msx、Msz)を算出することができる。
図16は、回転軌道輪に取り付けた車輪に力・モーメントを作用させた場合の各変位センサの出力値から求めた回転軌道輪の変位を示したものである。つまり、図16は、車輪に作用させた荷重として、x軸方向の荷重(Fx入力)、y軸方向の荷重(Fy入力)、z軸方向の荷重(Fz入力)、モーメントについて、x軸回りのモーメント(Mx入力)、z軸回りのモーメント(Mz入力)をそれぞれ作用させた場合の、前後の変位センサ、上下の軸方向変位センサ、上下の変位センサによる検出値(ギャップ)から求めた回転軌道輪の各変位をグラフとしてそれぞれ示したものである。
2 内軸
3 内輪部材
4 センサターゲット
5 転動体
7 フランジ部
8 内側軌道面
9 外側軌道面
14 センサ装置
16 センサハウジング
21 第一センサ部材
22 第二センサ部材
24 変位センサ
40 配線基板
41 軸方向変位センサ
42 蓋部材
53 蓋部材
H 軸受装置
Claims (3)
- 車体側に固定される筒状の固定軌道輪と、この固定軌道輪の内部に回転自在に挿通される回転軌道輪と、これらの軌道輪の間に転動自在に配設される複列の転動体とを備えた車輪用転がり軸受装置であって、
前記回転軌道輪の車両インナ側端部の外周面とのギャップを検出する複数の変位センサを周方向に有する円環状のセンサハウジングの車両アウタ側端部が、前記固定軌道輪の車両インナ側端部内周面に圧入されており、且つ
前記変位センサが合成樹脂又はゴム系材料で被覆されて前記センサハウジングと一体化されていることを特徴とする車輪用転がり軸受装置。 - 前記センサハウジングがアルミニウムで作製されており、前記合成樹脂又はゴム系材料中に粉末状のアルミナが混入されている請求項1に記載の車輪用転がり軸受装置。
- 前記センサハウジングの車両インナ側端部に、当該センサハウジングよりも高剛性の材料からなる蓋部材が外嵌されている請求項1〜2のいずれかに記載の車輪用転がり軸受装置。
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