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JP4840153B2 - Rolling bearing device with sensor - Google Patents
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Description

本発明はセンサ付き転がり軸受装置に関する。さらに詳しくは、軸受装置を構成する固定軌道輪(外輪)に配設されたセンサにより車輪に作用する荷重を検出するセンサ付き転がり軸受装置に関する。   The present invention relates to a rolling bearing device with a sensor. More specifically, the present invention relates to a sensor-equipped rolling bearing device that detects a load acting on a wheel by a sensor disposed on a fixed race (outer ring) constituting the bearing device.

近年、自動車において、走行の際の運転制御を行うために車輪に作用する荷重や車輪の回転速度などといった種々の情報が必要とされている。そして、このような情報を得るために、自動車の車輪が取り付けられる車輪用転がり軸受装置にセンサ装置を付設することが提案されている。   2. Description of the Related Art In recent years, various information such as a load acting on a wheel and a rotation speed of a wheel is required in an automobile in order to perform operation control during traveling. In order to obtain such information, it has been proposed to attach a sensor device to a wheel rolling bearing device to which a vehicle wheel is attached.

かかるセンサ装置としては、例えば固定軌道輪に設けられた磁気インピーダンスセンサと、回転軌道輪において前記磁気インピーダンスセンサと対向するように設けられた着磁部とからなるものが提案されている(例えば、特許文献1)が、このセンサ装置では、磁気インピーダンスセンサによる検知が、被検知部の材料、形状などの影響を受けるため、転がり軸受の材料の選択に制約があったり、着磁部の加工や別部材の追加が被検知部に要求されるという問題があった。   As such a sensor device, for example, a magnetic impedance sensor provided in a fixed raceway and a magnetized portion provided in a rotating raceway so as to face the magnetic impedance sensor have been proposed (for example, In this sensor device, the detection by the magnetic impedance sensor is affected by the material, shape, etc. of the detected part, so there are restrictions on the selection of the material of the rolling bearing, the machining of the magnetized part, There is a problem that the addition of another member is required for the detected part.

そこで、このような材料選択の制約が少なく、追加の加工が不要になるものとして、固定軌道輪に超音波センサを配設して、転動体と固定軌道輪との間に作用する力をエコー比として検知することが提案されている(例えば、特許文献2)。
この特許文献2記載のセンサ付き転がり軸受装置は、固定側軌道部材の周方向に所定間隔を置いた少なくとも2カ所に設けられかつ転動体荷重をエコー比として検知する超音波センサと、各超音波センサの出力から転がり軸受に作用する荷重の3方向成分のうち少なくとも上下方向成分及び左右方向成分を求める処理手段とからなるセンサ装置を備えている。そして、3方向成分だけでなく、X軸、Y軸、及びZ軸回りのモーメントを求めることも可能とされている。
Therefore, as there are few restrictions on material selection and no additional processing is required, an ultrasonic sensor is installed on the fixed raceway to echo the force acting between the rolling elements and the fixed raceway. Detection as a ratio has been proposed (for example, Patent Document 2).
The rolling bearing device with sensor described in Patent Document 2 is provided with ultrasonic sensors that are provided at at least two locations spaced apart in the circumferential direction of the fixed-side raceway member and detect the rolling element load as an echo ratio, and each ultrasonic wave A sensor device is provided that includes processing means for obtaining at least a vertical component and a horizontal component among the three components of the load acting on the rolling bearing from the output of the sensor. In addition to the three-direction component, it is also possible to obtain moments about the X axis, the Y axis, and the Z axis.

特開2004−45370号公報JP 2004-45370 A 特開2006−177932号公報JP 2006-177932 A

しかしながら、超音波エコーによる転動体荷重、すなわちタイヤ接地荷重の検出方法においては、超音波センサ設置箇所を転動体が通過することで前記エコー比の検出が可能になることから、センサ装置による荷重算出の応答性は、軸受装置の内輪の回転による転動体の外輪通過周波数に依存している。換言すれば、荷重算出の応答性は軸受装置が搭載される車両の速度に依存しているので、低速時には応答性が低下することがある。   However, in the detection method of the rolling element load by the ultrasonic echo, that is, the tire ground contact load, since the rolling element passes through the ultrasonic sensor installation location, the echo ratio can be detected. Is dependent on the outer ring passing frequency of the rolling element due to the rotation of the inner ring of the bearing device. In other words, since the load calculation response depends on the speed of the vehicle on which the bearing device is mounted, the response may decrease at low speeds.

一方、車両運動制御のためのタイヤ接地荷重検出の応答性は、一般的なラジアルタイヤの固有振動数が90〜110Hzであることから遅くとも100Hzが必要であり、従来の超音波センサを用いた方法では、低速時における荷重検出の応答性に課題を残していた。   On the other hand, the response of tire ground contact load detection for vehicle motion control requires at least 100 Hz since the natural frequency of a typical radial tire is 90 to 110 Hz, and a method using a conventional ultrasonic sensor However, the problem remains in the load detection response at low speed.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、低速時における荷重検出の応答性を向上させることができるセンサ付き転がり軸受装置を提供することを目的としている。   This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the rolling bearing apparatus with a sensor which can improve the responsiveness of the load detection at the time of low speed.

本発明のセンサ付き転がり軸受装置は、車体側に固定される外輪と、この外輪と同心に且つタイヤ側に固定される内輪と、これらの内外輪の間に転動自在に配設される転動体と、前記外輪側に配設され前記転動体に作用する荷重を検出するセンサ装置と、を有するセンサ付き転がり軸受装置であって、
前記転動体の数が奇数個であり、
前記センサ装置は、前記軸受装置の軸心に関して互いに対向する位置に配設された一対の超音波センサを少なくとも含んでおり、
Aを定数、nを転動体数、Vを車速、rをタイヤ半径、Daを転動体直径、θを接触角、dmをピッチ円径としたときに、fo=A・n・V/r(1−Da・cosθ/dm)で表される転動体外輪通過周波数foが、V≦40(km/h)において50Hz以上であり、且つ、
前記センサ装置は、一対の超音波センサのうち、荷重増加側の超音波センサの出力と荷重減少側の超音波センサの出力とを千鳥状に用いて荷重演算をするように構成されていることを特徴としている。
The rolling bearing device with a sensor according to the present invention includes an outer ring fixed to the vehicle body side, an inner ring fixed concentrically with the outer ring and fixed to the tire side, and a rolling roller disposed between these inner and outer rings. A rolling bearing device with a sensor having a moving body and a sensor device that detects a load that is disposed on the outer ring side and that acts on the rolling body,
The number of rolling elements is an odd number,
The sensor device includes at least a pair of ultrasonic sensors disposed at positions facing each other with respect to the axis of the bearing device,
When A is a constant, n is the number of rolling elements, V is a vehicle speed, r is a tire radius, Da is a rolling element diameter, θ is a contact angle, and dm is a pitch circle diameter, fo = A · n · V / r ( The rolling element outer ring passing frequency fo represented by 1-Da · cos θ / dm) is 50 Hz or more at V ≦ 40 (km / h), and
The sensor device is configured to perform a load calculation using the output of the ultrasonic sensor on the load increase side and the output of the ultrasonic sensor on the load decrease side in a staggered manner among the pair of ultrasonic sensors. It is characterized by.

本発明のセンサ付き転がり軸受装置では、転動体外輪通過周波数fo、すなわち転動体が、超音波センサが配設された外輪部分を通過する周波数foがV≦40(km/h)において50Hz以上となるようにされている。また、転動体の数が奇数個であり、且つ、軸受装置の軸心に関して互いに対向する位置に配設された一対の超音波センサのうち、荷重増加側の超音波センサの出力と荷重減少側の超音波センサの出力とを千鳥状に用いて荷重演算をするように構成されている。転動体の数が奇数個とすることで、前記一対の超音波センサの出力を交互に現出させることができ、この出力を後述するように千鳥状に用いると荷重演算の機会を各超音波センサの出力数(転動体外輪通過周波数fo)の2倍にすることができる。したがって、V≦40(km/h)においても、演算応答性を50Hz×2=100Hz以上とすることができ、低速時における応答性を向上させることができる。   In the rolling bearing device with a sensor of the present invention, the rolling element outer ring passing frequency fo, that is, the frequency fo at which the rolling element passes the outer ring portion where the ultrasonic sensor is disposed is 50 Hz or more at V ≦ 40 (km / h). It is supposed to be. The output of the ultrasonic sensor on the load increasing side and the load decreasing side of the pair of ultrasonic sensors arranged at positions opposite to each other with respect to the shaft center of the bearing device having an odd number of rolling elements The outputs of the ultrasonic sensors are used in a staggered manner to calculate the load. When the number of rolling elements is an odd number, the outputs of the pair of ultrasonic sensors can appear alternately, and when these outputs are used in a staggered manner as will be described later, the opportunity of load calculation is given to each ultrasonic wave. The output number of the sensor (the rolling element outer ring passing frequency fo) can be doubled. Therefore, even when V ≦ 40 (km / h), the calculation response can be 50 Hz × 2 = 100 Hz or more, and the response at low speed can be improved.

転動体数n及び転動体直径Da(mm)が、
Da=5.6、
Da=an+b、及び
Da=cn+dn+e
で表される直線又は曲線により囲まれる範囲内で選定されるのが好ましい。この範囲内で、転動体数n及び転動体直径Daを選定することにより、軸受のサイズを所定範囲内に保つとともに当該軸受の規定寿命を確保しつつ、転動体外輪通過周波数foを、V≦40(km/h)において50Hz以上とすることができる。
The number n of rolling elements and the diameter Da (mm) of rolling elements are
Da = 5.6,
Da = an + b, and Da = cn 2 + dn + e
Is preferably selected within a range surrounded by a straight line or a curve represented by Within this range, by selecting the number of rolling elements n and the rolling element diameter Da, the rolling element outer ring passing frequency fo is set to V ≦ V while keeping the bearing size within a predetermined range and ensuring the specified life of the bearing. It can be set to 50 Hz or more at 40 (km / h).

本発明のセンサ付き転がり軸受装置によれば、低速時における荷重検出の応答性を向上させることができる。   According to the rolling bearing device with a sensor of the present invention, it is possible to improve the load detection response at low speed.

以下、添付図面を参照しつつ、本発明のセンサ付き転がり軸受装置(以下、単に「軸受装置」ともいう)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軸受装置Hの軸方向断面説明図である。なお、図1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。
Embodiments of a rolling bearing device with a sensor according to the present invention (hereinafter also simply referred to as “bearing device”) will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an axial cross-sectional explanatory view of a bearing device H according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the right side is the vehicle outer side (the outside of the vehicle), and the left side is the vehicle inner side (the inside of the vehicle).

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、前記外輪1に設けられたセンサ装置4と、周方向に並ぶ複数の玉(ボール)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。   As shown in FIG. 1, the bearing device H of the present embodiment includes a cylindrical outer ring 1, an inner shaft 2 that is rotatably inserted into the outer ring 1, and a vehicle inner of the inner shaft 2. An inner ring member 3 fitted on the side end portion, a sensor device 4 provided on the outer ring 1, and a double row rolling elements 5, 5 composed of a plurality of balls arranged in the circumferential direction. These constitute a double-row angular contact ball bearing portion. The balls in each row as the rolling elements 5 and 5 are held by the holder 6 at a predetermined interval in the circumferential direction.

なお、本明細書において、軸受装置Hの中心線Cに沿った方向をY軸方向とし、これに直交する紙面貫通方向の水平方向をX軸方向とし、Y軸方向及びX軸方向に直交する鉛直方向をZ軸方向と定義している。従って、X軸方向は車輪の前後水平方向となり、Y軸方向は車輪の左右水平方向(軸方向)となり、Z軸方向は上下方向となる。   In the present specification, the direction along the center line C of the bearing device H is defined as the Y-axis direction, the horizontal direction perpendicular to the paper surface is defined as the X-axis direction, and is orthogonal to the Y-axis direction and the X-axis direction. The vertical direction is defined as the Z-axis direction. Accordingly, the X-axis direction is the front-rear horizontal direction of the wheel, the Y-axis direction is the left-right horizontal direction (axial direction) of the wheel, and the Z-axis direction is the vertical direction.

本実施の形態の軸受装置Hにおいて、前記外輪1は車体側に固定される固定軌道輪とされている。他方、前記内軸2と内輪部材3とが車輪側の回転軌道輪(内輪)とされており、この固定軌道輪(外輪)と回転軌道輪(内輪)との間において前記複列の転動体5、5が転動自在に介在されている。これにより、固定軌道輪と回転軌道輪とは互いに同軸状に配置され、固定軌道輪に対して回転軌道輪が車輪(図示せず)とともに回転自在となっている。   In the bearing device H of the present embodiment, the outer ring 1 is a fixed race that is fixed to the vehicle body side. On the other hand, the inner shaft 2 and the inner ring member 3 are wheel-side rotating race rings (inner rings), and the double row rolling elements between the fixed race rings (outer rings) and the rotating race rings (inner rings). 5 and 5 are movably interposed. Thereby, the fixed raceway and the rotary raceway are arranged coaxially with each other, and the rotary raceway is rotatable with the wheel (not shown) with respect to the fixed raceway.

回転軌道輪を構成する内軸2は、径方向外方へ延びるフランジ部7を車両アウタ側に有しており、このフランジ部7が車輪のタイヤホイールやブレーキディスクの取付部分となっている。このタイヤホイールなどは取付ボルト14によって当該フランジ部7に取り付けられる。内輪部材3は内軸2の車両インナ側に形成された段差部分に外嵌され、内軸2の車両インナ側端部に螺合したナット8によって内軸2に固定されている。そして、内軸2の外周面と内輪部材3の外周面とに、転動体5、5の内側軌道面9、9がそれぞれ形成されている。   The inner shaft 2 constituting the rotating raceway has a flange portion 7 extending radially outward on the vehicle outer side, and this flange portion 7 serves as a mounting portion of a wheel tire wheel or a brake disk. The tire wheel and the like are attached to the flange portion 7 by means of attachment bolts 14. The inner ring member 3 is externally fitted to a step portion formed on the vehicle inner side of the inner shaft 2, and is fixed to the inner shaft 2 by a nut 8 that is screwed to an end portion of the inner shaft 2 on the vehicle inner side. The inner raceway surfaces 9 and 9 of the rolling elements 5 and 5 are formed on the outer peripheral surface of the inner shaft 2 and the outer peripheral surface of the inner ring member 3, respectively.

固定軌道輪を構成する外輪1は、転動体5、5の外側軌道面10、10が内周面に形成された円筒状の本体筒部11と、この本体筒部11の外周面から径方向外方へ伸びるフランジ部12とを有している。このフランジ部12は、車体側部材である懸架装置が有するナックル(図示せず)に固定され、これによって当該軸受装置Hが車体側に固定されるようになっている。
外輪1の車両アウタ側端部内周面と、これと対向する内軸2の外周面との間にはシール装置20が設けられており、また、外輪1の車両インナ側端部の内周面には、カバー21が圧入されている。
The outer ring 1 constituting the fixed raceway includes a cylindrical main body cylinder portion 11 in which the outer raceway surfaces 10 and 10 of the rolling elements 5 and 5 are formed on the inner peripheral surface, and a radial direction from the outer peripheral surface of the main body cylinder portion 11. And a flange portion 12 extending outward. The flange portion 12 is fixed to a knuckle (not shown) of a suspension device that is a vehicle body side member, whereby the bearing device H is fixed to the vehicle body side.
A seal device 20 is provided between the inner peripheral surface of the outer side of the outer ring 1 and the outer peripheral surface of the inner shaft 2 facing this, and the inner peripheral surface of the end of the outer ring 1 on the inner side of the vehicle. A cover 21 is press-fitted in.

前記センサ装置4は、外輪1と転動体5との間に作用する力を検出する超音波センサ41と、この超音波センサ41と図示しないリード線により接続されており当該超音波センサ41の出力を処理する処理手段(図示せず)とを備えている。
超音波センサ41は、図1に示される外輪1の最上部(頂部)及び最下部(底部)のほかに、外輪1の上下の中間部の前側及び後側にもそれぞれ設けられている。換言すれば、外輪1の周方向において90°間隔で配設されており、軸受装置Hの軸心に関して互いに対向する位置に配設された対の超音波センサ41が2対配設されている。
The sensor device 4 is connected to an ultrasonic sensor 41 that detects a force acting between the outer ring 1 and the rolling element 5, and the ultrasonic sensor 41 through a lead wire (not shown). And processing means (not shown).
In addition to the uppermost part (top) and the lowermost part (bottom) of the outer ring 1 shown in FIG. 1, the ultrasonic sensors 41 are also provided on the front side and the rear side of the upper and lower intermediate parts of the outer ring 1, respectively. In other words, two pairs of ultrasonic sensors 41 that are disposed at 90 ° intervals in the circumferential direction of the outer ring 1 and that are disposed at positions facing each other with respect to the axis of the bearing device H are disposed. .

前記超音波センサ41は、外周面に雄ねじ部が形成された筒状のケース及び当該ケース内に配設された振動子を有しており、転動体5と外側軌道面10との接触面に垂直の方向から臨まされている。外輪1には、有底の雌ねじ部が形成されており、前記ケースのねじ込み量が調整できるようになっている。ケースの先端面と雌ねじ部の底面との間には、超音波センサ41の先端面を保護するためのゴム製クッションシート42が介在させられている。また、ケースの雄ねじ部の基端側部分には、当該ケースの回り止めのためのナット43が螺合されている。   The ultrasonic sensor 41 has a cylindrical case having an external thread formed on the outer peripheral surface and a vibrator disposed in the case, and is provided on a contact surface between the rolling element 5 and the outer raceway surface 10. It faces from the vertical direction. The outer ring 1 is formed with a bottomed female screw portion so that the screwing amount of the case can be adjusted. Between the front end surface of the case and the bottom surface of the female screw portion, a rubber cushion sheet 42 for protecting the front end surface of the ultrasonic sensor 41 is interposed. Further, a nut 43 for preventing rotation of the case is screwed to a proximal end portion of the male screw portion of the case.

前記超音波センサ41は、転動体5と外側軌道面10との接触部に向けて送受信面から超音波を発信し、かつ当該接触部で反射した反射波を送受信面で受信することで、転動体5に作用する力を以下に示すエコー比として検知する。
エコー比=100×(H0−H1)/H0
H0:転動体5が超音波センサ41から半ピッチ離れて位置するときのエコー強度
H1:転動体5が超音波センサ41の直下に位置するときのエコー強度
このエコー比は、転動体5に作用する力と比例関係を有しており、この関係を利用して当該エコー比から転動体5に作用する力を求めることができる。転動体5に作用する力が大きくなると、転動体5と外側軌道面10との接触面積が大きくなってエコー強度が小さくなる。従って、転動体5に作用する力が大きい場合には大きいエコー比が出力される。
The ultrasonic sensor 41 emits ultrasonic waves from the transmission / reception surface toward the contact portion between the rolling element 5 and the outer raceway surface 10 and receives the reflected wave reflected by the contact portion at the transmission / reception surface. The force acting on the moving body 5 is detected as an echo ratio shown below.
Echo ratio = 100 × (H0−H1) / H0
H0: Echo intensity when the rolling element 5 is located a half pitch away from the ultrasonic sensor 41 H1: Echo intensity when the rolling element 5 is located directly below the ultrasonic sensor 41 This echo ratio acts on the rolling element 5 The force acting on the rolling element 5 can be obtained from the echo ratio using this relationship. When the force acting on the rolling element 5 increases, the contact area between the rolling element 5 and the outer raceway surface 10 increases and the echo intensity decreases. Accordingly, when the force acting on the rolling element 5 is large, a large echo ratio is output.

走行する車両の速度変化や姿勢変化に伴ってタイヤに作用する荷重が変動すると、この荷重の変動に応じて内軸2に対する外力が変わり、転動体5に作用する力の大きさが変化する。また、タイヤに作用する荷重のうち前後方向、左右方向、及び垂直方向の成分ごとに内軸2に対する力の加わり方が異なる。そのため、各方向の成分ごとに、各超音波センサ41が検知する転動体5に作用する力への影響度が異なっている。   When the load acting on the tire fluctuates in accordance with the speed change or posture change of the traveling vehicle, the external force applied to the inner shaft 2 changes according to the change in the load, and the magnitude of the force acting on the rolling element 5 changes. In addition, the manner in which the force is applied to the inner shaft 2 is different for each component in the front-rear direction, the left-right direction, and the vertical direction of the load acting on the tire. Therefore, the influence degree to the force which acts on the rolling element 5 which each ultrasonic sensor 41 detects for every component of each direction differs.

従って、タイヤに前後方向の荷重が作用した際の転動体5に作用する力及びこれに対応する各超音波センサ41で出力されるエコー比、左右方向の荷重が作用した際の転動体5に作用する力及びこれに対応する各超音波センサ41で出力されるエコー比、及び垂直方向の荷重が作用した際の転動体5に作用する力及びこれに対応する超音波センサ41で出力されるエコー比を求めておくことにより、各超音波センサ41で得られたエコー比によりタイヤに作用している荷重の三方向の成分を求めることができる。なお、センサ装置4の処理手段には、前記のエコー比を求める式や同エコー比から各超音波センサ41の位置に対応する転動体5に作用する力を求める式、転動体5に作用する力からタイヤに作用する前後荷重、左右荷重、及び垂直荷重を求める式等が記憶された記憶部、これらの式を演算する演算部等が設けられている。   Therefore, the force acting on the rolling element 5 when a load in the front-rear direction is applied to the tire, the echo ratio output from each ultrasonic sensor 41 corresponding thereto, and the rolling element 5 when a load in the left-right direction is applied. The acting force and the echo ratio output from each ultrasonic sensor 41 corresponding thereto, the force acting on the rolling element 5 when a vertical load is applied, and the corresponding ultrasonic sensor 41 output By obtaining the echo ratio, the components in three directions of the load acting on the tire can be obtained from the echo ratio obtained by each ultrasonic sensor 41. Note that the processing means of the sensor device 4 acts on the rolling element 5, an equation for obtaining the echo ratio, an equation for obtaining a force acting on the rolling element 5 corresponding to the position of each ultrasonic sensor 41 from the echo ratio, and the rolling element 5. There are provided a storage unit that stores formulas for obtaining front and rear loads, left and right loads, and vertical loads that act on the tire from force, a calculation unit that calculates these formulas, and the like.

本発明の特徴は、荷重検出、特に車両が低速走行しているときの荷重検出の応答性を向上させるために、fo=A・n・V/r(1−Da・cosθ/dm)で表される転動体外輪通過周波数foが、V≦40(km/h)において50Hz以上となるようにしたことである。前記式において、Aは定数、nは転動体数、Vは車速、rはタイヤ半径、Daは転動体直径、θは接触角、dmはピッチ円径である。定数Aは10/(120・π)である。 The feature of the present invention is expressed by fo = A · n · V / r (1−Da · cos θ / dm) in order to improve the load detection, particularly when the vehicle is traveling at a low speed. The rolling element outer ring passing frequency fo is 50 Hz or more when V ≦ 40 (km / h). In the above formula, A is a constant, n is the number of rolling elements, V is a vehicle speed, r is a tire radius, Da is a rolling element diameter, θ is a contact angle, and dm is a pitch circle diameter. The constant A is 10 6 / (120 2 · π).

また、本発明では、転動体の数を奇数個にするとともに、軸受装置Hの軸心に関して互いに対向する位置に配設された一対の超音波センサのうち、荷重増加側の超音波センサの出力と荷重減少側の超音波センサの出力とを千鳥状に用いて荷重演算をするように構成されている。荷重増加側とは、荷重が相対的に増加している側のことであり、荷重減少側とは、荷重増加側と比べて相対的に荷重が減少している側のことである。例えば、内軸2に上向き(Z軸方向)の荷重が作用している場合、外輪1の最上部(頂部)が荷重増加側となり、最下部(底部)が荷重減少側となる。同様にして、走行時にブレーキをかけ、内軸2に車体後ろ向き(X軸方向)の荷重が作用している場合、外輪1の上下の中間部の前側が荷重減少側となり、中間部の後側が荷重増加側となる。   In the present invention, the number of rolling elements is an odd number, and the output of the ultrasonic sensor on the load increasing side among the pair of ultrasonic sensors disposed at positions facing each other with respect to the axis of the bearing device H. And the output of the ultrasonic sensor on the load reduction side are used in a staggered manner to calculate the load. The load increasing side is the side where the load is relatively increased, and the load decreasing side is the side where the load is relatively decreasing compared to the load increasing side. For example, when an upward load (Z-axis direction) is applied to the inner shaft 2, the uppermost part (top) of the outer ring 1 is on the load increasing side, and the lowermost part (bottom) is on the load decreasing side. Similarly, when the vehicle is braked during traveling and a vehicle body rearward (X-axis direction) load is applied to the inner shaft 2, the front side of the upper and lower intermediate portions of the outer ring 1 is the load reducing side, and the rear side of the intermediate portion is The load increases.

図2は、超音波センサにより検出されるエコー比の時間変化の例を示しており、(a)は転動体の数が偶数個の場合、(b)は転動体の数が奇数個の場合である。前述したように、転動体に作用する荷重は、予め求めておいた式により、荷重増加側及び荷重減少側のそれぞれについて検出されたエコー比を用いて求めることができる。また、超音波センサを軸受装置Hの上下に配置する場合、荷重増加側のエコー比h1及び荷重減少側のエコー比h2の2つのエコー比を用いて、軸受装置Hに作用する荷重分力のうち、左右荷重と垂直荷重を求めることができ、さらにタイヤに作用する左右荷重と垂直荷重は当該軸受装置Hに作用する荷重分力との幾何学的関係から求めることができる。すなわち、左右荷重Fy=a(h1+h2)+bで求まり、垂直荷重Fz=a´h1+b´h2+c´で求めることができる。ここで、a、bは軸受諸元によって定まる定数であり、a´、b´、c´はタイヤ接地面座標と軸受装置座標の変換係数である。
なお、エコー比を2つ用いる場合、2分力しか演算することができず、軸受装置Hの上下に配置するときは、前記2分力(左右荷重及び垂直荷重)が求められ、軸受装置Hの前後に配置するときは、前後荷重と左右荷重を求めることができる。換言すれば、前後、左右及び上下の3分力を検出するためには、4つのエコー比が必要となる。
転動体の数が偶数個の場合、図2の(a)に示されるように、荷重増加側の超音波センサと荷重減少側の超音波センサとを同時に転動体が通過し、その結果、同時にエコー比のピークが検出される。そして、図において上下のエコー比を用いてタイヤに作用する荷重が演算される。以下同様にして、これに隣接する上下のエコー比を用いてタイヤに作用する荷重が順次演算される。しかしながら、転動体数が偶数個の場合の荷重演算は、荷重増加側(荷重減少側)の超音波センサ近傍を次の転動体が通過するまで行うことができず、転動体の移動が遅くなる車両の低速走行時においては、応答性の低下が問題になる。
FIG. 2 shows an example of the time change of the echo ratio detected by the ultrasonic sensor, where (a) shows an even number of rolling elements and (b) shows an odd number of rolling elements. It is. As described above, the load acting on the rolling element can be obtained by using the echo ratio detected for each of the load increasing side and the load decreasing side, according to a formula obtained in advance. Further, when the ultrasonic sensors are arranged above and below the bearing device H, the load component force acting on the bearing device H is calculated using two echo ratios, that is, the echo ratio h1 on the load increase side and the echo ratio h2 on the load decrease side. Among them, the left and right loads and the vertical load can be obtained, and the left and right loads and the vertical load acting on the tire can be obtained from a geometric relationship with the load component acting on the bearing device H. That is, it can be obtained by the left-right load Fy = a (h1 + h2) + b and can be obtained by the vertical load Fz = a′h1 + b′h2 + c ′. Here, a and b are constants determined by bearing specifications, and a ′, b ′ and c ′ are conversion coefficients between the tire contact surface coordinates and the bearing device coordinates.
When two echo ratios are used, only two component forces can be calculated. When the two echo ratios are arranged above and below the bearing device H, the two component forces (left and right loads and vertical loads) are obtained. When arranged before and after, the longitudinal load and the lateral load can be obtained. In other words, four echo ratios are required in order to detect front / rear, left / right, and upper / lower three component forces.
When the number of rolling elements is an even number, as shown in FIG. 2A, the rolling elements simultaneously pass through the ultrasonic sensor on the load increasing side and the ultrasonic sensor on the load decreasing side, and as a result, The peak of the echo ratio is detected. In the figure, the load acting on the tire is calculated using the upper and lower echo ratios. Similarly, the load acting on the tire is sequentially calculated using the upper and lower echo ratios adjacent thereto. However, the load calculation when the number of rolling elements is an even number cannot be performed until the next rolling element passes in the vicinity of the ultrasonic sensor on the load increasing side (load decreasing side), and the movement of the rolling elements becomes slow. When the vehicle runs at a low speed, a decrease in responsiveness becomes a problem.

これに対し、転動体数が奇数個の場合、図2の(b)に示されるように、荷重増加側のエコー比のピークと、荷重減少側のエコー比のピークとが交互に検出される。したがって、荷重増加側のエコー比Aと、荷重減少側のエコー比aとを用いてタイヤに左右する荷重を演算し、つぎに荷重減少側のエコー比aと、荷重増加側のエコー比Bとを用いてタイヤに左右する荷重を演算するというように、荷重増加側のエコー比と荷重減少側のエコー比を「千鳥状」に演算することができる。その結果、荷重演算間の時間間隔Ibを転動体数が偶数個の場合の時間間隔Iaに比べて、半分にすることができる。このことと、前述した、転動体外輪通過周波数foをV≦40(km/h)において50Hz以上にすることにより、V≦40(km/h)においても、演算応答性を50Hz×2=100Hz以上とすることができ、低速時における応答性を向上させることができる。   On the other hand, when the number of rolling elements is an odd number, as shown in FIG. 2B, the peak of the echo ratio on the load increase side and the peak of the echo ratio on the load decrease side are detected alternately. . Therefore, the load that depends on the tire is calculated using the echo ratio A on the load increase side and the echo ratio a on the load decrease side, and then the echo ratio a on the load decrease side and the echo ratio B on the load increase side The echo ratio on the load increase side and the echo ratio on the load decrease side can be calculated in a “staggered” manner. As a result, the time interval Ib between load calculations can be halved compared to the time interval Ia when the number of rolling elements is an even number. By setting the rolling element outer ring passing frequency fo to 50 Hz or more when V ≦ 40 (km / h) as described above, the calculation response is 50 Hz × 2 = 100 Hz even when V ≦ 40 (km / h). Thus, the response at low speed can be improved.

なお、外輪通過周波数foを表す式fo=A・n・V/r(1−Da・cosθ/dm)より、当該外輪通過周波数foを大きくするためには、例えば転動体の数を増やしたり、転動体の直径を小さくしたりすればよいが、軸受のサイズや寿命などを考慮すると、転動体の数や直径にも好ましい範囲が存在する。図3は転動体(ボール)の数と転動体の直径の好ましい範囲の例を示す図であり、3つの直線又は曲線で囲まれた範囲で転動体の数や直径を選定すると、軸受のサイズを所定範囲内に保つとともに当該軸受の規定寿命を確保しつつ、転動体外輪通過周波数foを、V≦40(km/h)において50Hz以上とすることができる。図3において、転動体数をX、転動体直径をYとすると、直線Lは、軸受の規定寿命を確保する接触面圧以下となる転動体直径(約5.6mm)を表すY=5.6を示している。また、直線Mは、任意の転動体数における、PCD(ピッチ円径)が現行の車両用軸受装置のPCD(最大約70mm)以下となる転動体直径の最大値(限界値)を示している。さらに、曲線Nは、任意の転動体数における、車速40km/hでのタイヤ接地荷重の計測周波数が100Hz以上となる転動体直径の最大値(限界値)を示している。以上の3つの直線又は曲線で囲まれる略三角形の範囲内で転動体の数及び転動体の直径を選定すると、軸受の規定寿命を確保する接触面圧以下となり、PCDが現行の車両用軸受装置のPCD(最大約70mm)以下となり、車速40km/hでのタイヤ接地荷重の計測周波数が100Hz以上となる。   In order to increase the outer ring passing frequency fo from the expression fo = A · n · V / r (1−Da · cos θ / dm) representing the outer ring passing frequency fo, for example, the number of rolling elements is increased, The diameter of the rolling element may be reduced, but considering the size and life of the bearing, there are preferable ranges for the number and diameter of the rolling elements. FIG. 3 is a diagram showing an example of a preferable range of the number of rolling elements (balls) and the diameter of the rolling elements. When the number and diameter of the rolling elements are selected within a range surrounded by three straight lines or curves, the size of the bearing is selected. The rolling element outer ring passing frequency fo can be set to 50 Hz or more at V ≦ 40 (km / h) while keeping the bearing within a predetermined range and ensuring the specified life of the bearing. In FIG. 3, when the number of rolling elements is X and the rolling element diameter is Y, the straight line L represents the rolling element diameter (about 5.6 mm) that is equal to or less than the contact surface pressure ensuring the specified life of the bearing. 6 is shown. The straight line M indicates the maximum value (limit value) of the rolling element diameter at which the PCD (pitch circle diameter) is equal to or less than the PCD (maximum of about 70 mm) of the current vehicle bearing device at an arbitrary number of rolling elements. . Further, the curve N indicates the maximum value (limit value) of the rolling element diameter at which the measurement frequency of the tire contact load at a vehicle speed of 40 km / h is 100 Hz or more at an arbitrary number of rolling elements. When the number of rolling elements and the diameter of the rolling elements are selected within the range of the approximate triangle surrounded by the above three straight lines or curves, the contact surface pressure is ensured to ensure the specified life of the bearing, and the PCD is the current vehicle bearing device. PCD (maximum of about 70 mm) or less, and the tire contact load measurement frequency at a vehicle speed of 40 km / h is 100 Hz or more.

図3に示されるような図を予め作成しておくと、転動体の数や直径を容易に選定することができる。なお、図3は一例にすぎず、軸受装置の仕様に応じて同様の図を適宜作成することができる。   If a diagram as shown in FIG. 3 is prepared in advance, the number and diameter of rolling elements can be easily selected. Note that FIG. 3 is merely an example, and a similar diagram can be appropriately created according to the specifications of the bearing device.

図4は実施例と比較例の演算応答性を示す図であり、実施例及び比較例に係る軸受装置の主な仕様は表1に示される通りであった。   FIG. 4 is a diagram showing the calculation responsiveness of the example and the comparative example, and the main specifications of the bearing device according to the example and the comparative example are as shown in Table 1.

Figure 0004840153
Figure 0004840153

図4より分かるように、同一車速に対して実施例は比較例の約2倍の演算応答性を示している。   As can be seen from FIG. 4, for the same vehicle speed, the example shows a calculation response that is about twice that of the comparative example.

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る。It is an axial section explanatory drawing of one embodiment of a bearing device of the present invention. 超音波センサにより検出されるエコー比の時間変化の例を示しており、(a)は転動体の数が偶数個の場合、(b)は転動体の数が奇数個の場合である。The example of the time change of the echo ratio detected by an ultrasonic sensor is shown, (a) is a case where the number of rolling elements is an even number, (b) is a case where the number of rolling elements is an odd number. 転動体の数と転動体の直径の好ましい範囲の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the preferable range of the number of rolling elements, and the diameter of a rolling element. 実施例と比較例の演算応答性を示す図である。It is a figure which shows the calculation responsiveness of an Example and a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1 外輪
2 内軸
3 内輪部材
4 センサ装置
5 転動体
10 外側軌道面
41 超音波センサ
Reference Signs List 1 outer ring 2 inner shaft 3 inner ring member 4 sensor device 5 rolling element 10 outer raceway surface 41 ultrasonic sensor

Claims (2)

車体側に固定される外輪と、この外輪と同心に且つタイヤ側に固定される内輪と、これらの内外輪の間に転動自在に配設される転動体と、前記外輪側に配設され前記転動体に作用する荷重を検出するセンサ装置と、を有するセンサ付き転がり軸受装置であって、
前記転動体の数が奇数個であり、
前記センサ装置は、前記軸受装置の軸心に関して互いに対向する位置に配設された一対の超音波センサを少なくとも含んでおり、
Aを定数、nを転動体数、Vを車速、rをタイヤ半径、Daを転動体直径、θを接触角、dmをピッチ円径としたときに、fo=A・n・V/r(1−Da・cosθ/dm)で表される転動体外輪通過周波数foが、V≦40(km/h)において50Hz以上であり、且つ、
前記センサ装置は、一対の超音波センサのうち、荷重増加側の超音波センサの出力と荷重減少側の超音波センサの出力とを千鳥状に用いて荷重演算をするように構成されていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
An outer ring fixed to the vehicle body side, an inner ring concentric with the outer ring and fixed to the tire side, a rolling element disposed between these inner and outer rings so as to be freely rotatable, and disposed on the outer ring side A sensor-equipped rolling bearing device having a sensor device that detects a load acting on the rolling element,
The number of rolling elements is an odd number,
The sensor device includes at least a pair of ultrasonic sensors disposed at positions facing each other with respect to the axis of the bearing device,
When A is a constant, n is the number of rolling elements, V is a vehicle speed, r is a tire radius, Da is a rolling element diameter, θ is a contact angle, and dm is a pitch circle diameter, fo = A · n · V / r ( The rolling element outer ring passing frequency fo represented by 1-Da · cos θ / dm) is 50 Hz or more at V ≦ 40 (km / h), and
The sensor device is configured to perform a load calculation using the output of the ultrasonic sensor on the load increase side and the output of the ultrasonic sensor on the load decrease side in a staggered manner among the pair of ultrasonic sensors. A rolling bearing device with a sensor characterized by
転動体数n及び転動体直径Da(mm)が、
Da=5.6、
Da=an+b、及び
Da=cn+dn+e
で表される直線又は曲線により囲まれる範囲内で選定される請求項1に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
The number n of rolling elements and the diameter Da (mm) of rolling elements are
Da = 5.6,
Da = an + b, and Da = cn 2 + dn + e
The rolling bearing device with a sensor according to claim 1, which is selected within a range surrounded by a straight line or a curved line represented by:
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