JP5018667B2 - 回転トルク検出装置 - Google Patents

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本発明は回転トルク検出装置に関する。さらに詳しくは、荷重を負荷した状態での回転トルクを検出することができる回転トルク検出装置に関する。
近年、自動車の低燃費化及びCO2排出量低減化の観点から、当該自動車の車輪を回転自在に支持する軸受装置に対しても低トルク化の要求が高まっている。
低トルク化の指標としては、運転中の回転トルクが一般に使用されるが、かかる回転トルクの測定方法として、従来、様々な方法が提案されている。
最も一般的な方法は、内輪(内軸)を回転させたときの外輪の連れ回り力を各種センサ(ロードセル、歪ゲージ、トルク計など)で測定する方法である。ところで、実際の車両走行時には軸受装置に荷重が作用することから、かかる方法において荷重を負荷した状態で回転トルクを測定しようとしても、荷重によるロスや、サポート軸受などを用いたときには当該サポート軸受のトルクによるロスが発生し、ロスをなくすことは困難である。
そこで、比較的ロスが少ない方法として、主軸をサポートするのに静圧軸受(油や空気で軸を浮かせて支持する軸受)を使用することが考えられるが、この場合でも、負荷可能な荷重はラジアル荷重に限定されており、合成荷重やモーメント荷重(ラジアル荷重とアキシャル荷重の同時負荷)では、回転トルクを正確に検出することは非常に困難であった。
自動車の実際の走行時には、例えば旋回時のように、ラジアル荷重とともにアキシャル荷重が軸受装置に作用する場合があり、実効性を高めるためには、両荷重が作用しているモーメント荷重下での回転トルクは不可欠なデータであるが、かかるデータを正確に取得する方法は未だ提案されていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、少なくともアキシャル荷重が作用している軸受装置の回転トルクを正確に測定することができる回転トルク検出装置を提供することを目的としている。
本発明の回転トルク検出装置(以下、単に「検出装置」ともいう)は、外輪と、この外輪の内方に当該外輪と同軸に配設された内輪とを有する転がり軸受装置の回転トルクを検出する装置であって、
前記転がり軸受装置に、少なくともアキシャル荷重を含む外部荷重を作用させる荷重負荷手段と、
前記外輪及び内輪のうちの固定軌道輪側に設けられた複数の歪ゲージと、
前記荷重負荷手段により転がり軸受装置に荷重を負荷した状態で回転軌道輪を回転させたときの、前記複数の歪ゲージからの出力を用いて合成マトリックス演算することで当該転がり軸受装置の回転トルクの大きさを算出する回転トルク算出手段と
を備え
前記複数の歪ゲージが、前記転がり軸受装置に作用する6分力を算出可能なように固定軌道輪側に設けられていることを特徴としている。
本発明の検出装置では、少なくともアキシャル荷重を含む外部荷重を作用させた状態において、固定軌道輪側に設けられた複数の歪ゲージからの出力を用いて合成マトリックス演算することで当該転がり軸受装置の回転トルクの大きさを算出することができ、例えば、自動車用軸受装置のモーメント荷重条件下での回転トルクを正確に測定することができる。こうして、実際の車両走行時と同じ条件下におけるデータを取得することで、軸受装置の低トルク化を効果的に達成することが可能となる。
また、複数の歪ゲージが、前記転がり軸受装置に作用する6分力を算出可能なように固定軌道輪側に設けられているので、得られた6分力のうち、回転トルクの計測に必要な成分だけを抜き出して測定値として使用することができる。
また、本発明の検出装置は、外輪と、この外輪の内方に当該外輪と同軸に配設された内輪とを有する転がり軸受装置の回転トルクを検出する装置であって、
前記転がり軸受装置に、少なくともアキシャル荷重を含む外部荷重を作用させる荷重負荷手段と、
前記外輪及び内輪のうちの固定軌道輪側に設けられた複数の歪ゲージと、
前記荷重負荷手段により転がり軸受装置に荷重を負荷した状態で回転軌道輪を回転させたときの、前記複数の歪ゲージからの出力を用いて合成マトリックス演算することで当該転がり軸受装置の回転トルクの大きさを算出する回転トルク算出手段と
を備え、
複数の歪ゲージからの出力の荷重変化による変動を、予め求めておいた検量線により補正する荷重補正部を有していることを特徴としている。
複数の歪ゲージからの出力の荷重変化による変動を、予め求めておいた検量線により補正する荷重補正部を有しているので、装置の取り付け誤差や、回転軌道輪の振れ、回転変動に伴い荷重が変動したとしても、検量線により補正することで、より正確な回転トルク値を得ることができる。
複数の歪ゲージからの出力の温度変化による変動を、予め求めておいた検量線により補正する温度補正部を有しているのが好ましい。この構成によれば、測定時の温度条件が変化した場合であっても、検量線により補正することで、より正確な回転トルク値を得ることができる。
本発明の検出装置によれば、少なくともアキシャル荷重が作用している軸受装置の回転トルクを正確に測定することができる。
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の検出装置の実施の形態を詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る検出装置の使用状態を説明する図であり、この検出装置1は、外輪11と、この外輪11の内方に当該外輪11と同軸に配設された内輪12と、両輪11、12の間の環状空間に転動自在に配設された複数個の玉からなる転動体13とを備えた転がり軸受装置10の回転トルクを検出するものである。
検出装置1は、前記転がり軸受装置10に外部荷重を作用させる荷重負荷手段2と、前記転がり軸受装置10における外輪11に固定された分力検出部3と、この分力検出部3に設けられた複数の歪ゲージ(詳細は後述する)からの出力信号に基づいて転がり軸受装置10の回転トルクを算出する制御ユニット4とで主に構成されている。
荷重負荷手段2は、短円筒形状の分力検出部3の軸方向一端面(図1において右側の端面)に固定された第1垂直アーム21と、この第1垂直アーム21の上端に接続された水平アーム22と、この水平アーム22の端部であって、前記第1垂直アーム21が接続された側と反対側の端部に接続されたベース部23と、このベース部23上に立設された第2垂直アーム24と、この第2垂直アーム24の上端付近に設けられた伝達軸25とを備えている。この伝達軸25には、当該伝達軸25に対して、図1において上下方向、左右方向及び前後方向(紙面貫通方向)の荷重を作用させることができる移動機構の出力軸(図示せず)が連結されている。この移動機構を移動させることにより、前記第2垂直アーム24、水平アーム22、第1垂直アーム21及び分力検出部3を介して、当該分力検出部3に固定された外輪11に対して、ラジアル荷重、アキシャル荷重、及び両荷重を同時に負荷したときのモーメント荷重などの合成荷重を適宜与えることができる。
前記伝達軸25の軸心に垂直な水平直線Lと、転がり軸受装置10の軸心Oとの垂直方向の距離rは、当該転がり軸受装置10に装着される一般的なタイヤの半径に等しくなるように、前記第1垂直アーム21や第2垂直アーム24のサイズが設定されている。これにより、実際の車両走行に近い状態で転がり軸受装置10に外部荷重を作用させることができる。
内輪12の軸方向一端の外周面に形成されたフランジ部14には、当該内輪12に対し回転力を伝達するための回転軸体5が固定されている。この回転軸体5は、前記フランジ部14に形成されたボルト孔に挿通されるボルト15により、内輪12に固定されている。回転軸体5には、図示しないモータなどの回転手段の出力軸が、必要に応じて減速機構を介して連結される。そして、回転手段を回転させることにより、回転軸体を介して内輪12を回転させることができる。
分力検出部3は、図2に示されるように、短円筒体からなるセンサ取付部30と、このセンサ取付部30の軸方向両端に形成されたフランジ部31、32とで主に構成されており、外輪11に作用する6分力を計測するために、ジュラルミンなどの高剛性材料で作製されている。なお、「6分力」とは、図7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軸方向とする直交座標系を想定した場合に、各軸方向に作用する力をFx、Fy、Fzとし、また各軸廻りのトルクをMx、My、Mzとしたときに、これらの6つの力またはトルクのことである。
前記両フランジ部31、32のうち転がり軸受装置10側のフランジ部31は、外輪11の軸方向一端付近の外周面に形成されたフランジ部16に形成されたボルト孔に挿通されるボルト(図示せず)により、当該外輪11に固定されている。フランジ部31には、転がり軸受装置10を当該フランジ部31に固定さたときにフランジ部31側に突出する前記外輪11や内輪12などの一部を収容することができる凹所33が形成されている。
センサ取付部30の外周面には周方向に沿って等間隔で複数個(本実施の形態では8個)の凹部34が形成されている。この凹部34は略角形形状を呈しており、その底面部34aは、図3に示されるように、薄肉になっている。各底面部34aの内面側には、直交せん断歪ゲージA〜Hがそれぞれ貼付されている。
直交せん断歪ゲージA〜Hは、底面部34aに軸力や回転力が加えられた際に、当該底面部34aの歪を検出するものであり、図4に示されるように、それぞれが4個の抵抗素子A1、A2、A3、A4(歪ゲージAの場合。歪ゲージBの場合は、抵抗素子B1〜B4)を備えている。これらの抵抗素子A1、A2、A3、A4は、フレキシブル基板上に形成され、図6に示されるように、8個のブリッジ回路B1〜B8が形成される。
直交せん断歪ゲージA〜Hは、周方向に隣接する底面部34aの内面側に、2つの異なった形態で貼付されている。すなわち、歪ゲージの中心軸C(図4参照)が、分力検出部3の軸と一致する形態のもの(A、C、E、G)と、中心軸COが分力検出部3の軸に対して45度傾斜させた状態のもの(B、D、F、H)とを交互に配置している。図5は、その配置形態を展開図として示している。
前述したブリッジ回路B1〜B8では、歪ゲージA、C、E、Gは、分力検出部3の軸を中心とする前述した直交座標系の軸方向に作用する力Fx、Fy、及び軸廻りに作用するトルクMzを検出し、歪ゲージB、D、F、Hは、軸方向に作用する力Fz、及び軸廻りに作用するトルクMx、Myを検出する。
8個のブリッジ回路B1〜B8からの出力信号はAD変換され、このAD変換された出力信号はデータ変調されて、制御ユニット4の受信部40に送信される。変調されて送られてきた出力信号は、制御ユニット4の処理部41に含まれるデータ復調回路(図示せず)により復調され、この復調された出力信号が、同じく処理部41に含まれる、回転トルク算出手段である座標変換回路(図示せず)により直交座標系の6分力に変換される。この変換は、以下に示される行列演算により行うことができる。
Figure 0005018667
ここで、Fx〜Mzは直交座標系のxyz軸方向に作用する力Fx、Fy、Fz、及びこれらの軸廻りに作用するトルクMx、My、Mzの6分力であり、A〜Hは、8個のブリッジ回路B1〜B8の出力信号である。また、K1168は変換のためのマトリックス(変換行列)である。
この変換行列は、前記分力検出部3に対し既知の6分力を加えて、そのときのブリッジ回路B1〜B8からの出力信号A〜Hを測定し、これらの相関関係を求めることにより得ることができ、求められた変換行列は、制御ユニット4の記憶部42に記憶させておく。
転がり軸受装置10の回転トルクの計測に必要なのはMyであるので、得られた6分力からMy成分だけを抜き出して測定値として使用する。歪ゲージA〜Hからの出力信号は、当該歪ゲージA〜Hの温度により変動するが、この温度と出力信号との関係に表す検量線を予め求めておき、この検量線により出力信号を補正するのが好ましい。検量線は、前記記憶部42に記憶させておくことができ、処理部41に含まれる温度補正回路(温度補正部)により、かかる温度補正を行うことができる。温度補正を行うことにより、測定時の温度条件が変化した場合でも、より正確な回転トルクを得ることができる。
また、装置の取り付け誤差や、回転軌道輪の振れ、回転変動に伴い荷重が変動することが考えられるが、温度補正の場合と同様に、荷重と出力信号との関係に表す検量線を予め求めておき、この検量線により出力信号を補正するのが好ましい。検量線は、前記記憶部42に記憶させておくことができ、処理部41に含まれる荷重補正回路(荷重補正部)により、かかる荷重補正を行うことができる。荷重補正を行うことにより、測定時の荷重条件が変化した場合でも、より正確な回転トルクを得ることができる。
なお、前述した実施の形態は内輪が回転するタイプの転がり軸受であるが、外輪が回転するタイプの転がり軸受にも、本発明の検出装置を適用することができる。また、図1に示される、いわゆる3世代ハブユニットに限らず、その他のホイール用軸受装置全般に適用することができる。
さらに、車両の車輪を支持する軸受装置だけでなく、モーメント荷重が負荷される装置において使用される軸受装置であれば、前述した荷重負荷手段や分力検出部の形状やサイズなどの仕様をかかる軸受装置に合わせて適宜設計することにより、本発明の検出装置を適用することができる。
本発明の検出装置の一実施の形態の使用状態説明図である。 図1に示される検出装置の側面説明図である。 図2のA−A線断面図である。 分力検出部に用いられる歪ゲージの平面説明図である。 図1に示される検出装置における歪ゲージの貼付位置の展開図である。 歪ゲージで形成するブリッジ回路の説明図である。 x軸方向、y軸方向及びz軸方向と各荷重の定義を示す斜視図である。
符号の説明
1 検出装置
2 荷重負荷手段
3 分力検出部
4 制御ユニット
10 転がり軸受装置
11 外輪
12 内輪
21 第1垂直アーム
22 水平アーム
23 ベース部
24 第2垂直アーム
25 伝達軸
30 センサ取付部
31 フランジ部
32 フランジ部
34 凹部
34a 底面部
40 受信部
41 処理部
42 記憶部
A〜H 歪ゲージ

Claims (3)

  1. 外輪と、この外輪の内方に当該外輪と同軸に配設された内輪とを有する転がり軸受装置の回転トルクを検出する装置であって、
    前記転がり軸受装置に、少なくともアキシャル荷重を含む外部荷重を作用させる荷重負荷手段と、
    前記外輪及び内輪のうちの固定軌道輪側に設けられた複数の歪ゲージと、
    前記荷重負荷手段により転がり軸受装置に荷重を負荷した状態で回転軌道輪を回転させたときの、前記複数の歪ゲージからの出力を用いて合成マトリックス演算することで当該転がり軸受装置の回転トルクの大きさを算出する回転トルク算出手段と
    を備え
    前記複数の歪ゲージが、前記転がり軸受装置に作用する6分力を算出可能なように固定軌道輪側に設けられていることを特徴とする回転トルク検出装置。
  2. 外輪と、この外輪の内方に当該外輪と同軸に配設された内輪とを有する転がり軸受装置の回転トルクを検出する装置であって、
    前記転がり軸受装置に、少なくともアキシャル荷重を含む外部荷重を作用させる荷重負荷手段と、
    前記外輪及び内輪のうちの固定軌道輪側に設けられた複数の歪ゲージと、
    前記荷重負荷手段により転がり軸受装置に荷重を負荷した状態で回転軌道輪を回転させたときの、前記複数の歪ゲージからの出力を用いて合成マトリックス演算することで当該転がり軸受装置の回転トルクの大きさを算出する回転トルク算出手段と
    を備え、
    複数の歪ゲージからの出力の荷重変化による変動を、予め求めておいた検量線により補正する荷重補正部を有していることを特徴とする回転トルク検出装置。
  3. 複数の歪ゲージからの出力の温度変化による変動を、予め求めておいた検量線により補正する温度補正部を有している請求項1〜2のいずれかに記載の回転トルク検出装置。
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