JP4887754B2 - Rolling bearing device with sensor - Google Patents
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Description
この発明は、転がり軸受とその各種情報を検出するセンサ装置とが一体化された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 in which a rolling bearing and a sensor device for detecting various information thereof are integrated.
自動車においては、その制御を行うために種々の情報が必要であることから、車体側に固定される固定側軌道部材、車輪が取り付けられる回転側軌道部材、および両部材の間に配置された二列の転動体を有するハブユニット(転がり軸受)に、センサ装置を設けることが提案されている。たとえば、特許文献1には、固定側軌道部材に磁気インピーダンスセンサを設けるとともに、回転側軌道部材に、同センサに対向する環状の着磁部を設けることにより、接地荷重を精度よく求めることが開示されている。
上記特許文献1のセンサ付き転がり軸受装置によると、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、加工精度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必要となるという問題があった。
According to the rolling bearing device with a sensor of the above-mentioned
この発明の目的は、被検知部の材料選択に制約が少なく、被検知部への追加の加工が必要でないセンサ付き転がり軸受装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a sensor-equipped rolling bearing device in which there are few restrictions on the material selection of the detected part and no additional processing is required for the detected part.
この発明によるセンサ装置は、固定側軌道部材、回転側軌道部材および転動体を有する転がり軸受と、センサ装置とを備えているセンサ付き転がり軸受装置において、転がり軸受は、自動車用ハブユニットであり、センサ装置は、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および左右方向成分を求める処理手段とを備えており、転動体荷重からハブユニットに作用する荷重を求める式として、処理手段に下記式(1)が設けられていることを特徴とするものである。
f1=a+bFy+cFz+dMx
f2=a+bFy+cFx+dMz
f3=a+bFy−cFz−dMx
f4=a+bFy−cFx−dMz ……… 式(1)
f5=a−bFy+cFz−dMx
f6=a−bFy+cFx−dMz
f7=a−bFy−cFz+dMx
f8=a−bFy−cFx+dMz
ただし、a:ハブユニットの予圧による転動体荷重、b,c,d:外力に依存しない係数、Fx,Fy,Fz:荷重の前後(x軸)方向成分、左右(y軸)方向成分および上下(z軸)方向成分、Mx,Mz:x軸、z軸回りのモーメント、f1〜f8:各センサ位置での転動体荷重。
The sensor device according to the present invention is a rolling bearing device with a sensor comprising a rolling bearing having a stationary race member, a rotating race member and rolling elements, and a sensor device, wherein the rolling bearing is a hub unit for an automobile, The sensor device is provided in at least two places with a predetermined interval in the circumferential direction of the fixed-side track member, and detects the rolling element load as an echo ratio, and acts on the rolling bearing from the output of each ultrasonic sensor. Processing means for determining at least the vertical and horizontal components of the three directional components of the load, and the following formula (1) is provided in the processing means as an expression for determining the load acting on the hub unit from the rolling element load. It is characterized by being.
f1 = a + bFy + cFz + dMx
f2 = a + bFy + cFx + dMz
f3 = a + bFy-cFz-dMx
f4 = a + bFy−cFx−dMz Equation (1)
f5 = a−bFy + cFz−dMx
f6 = a−bFy + cFx−dMz
f7 = a−bFy−cFz + dMx
f8 = a−bFy−cFx + dMz
Where a: rolling element load due to preload of the hub unit, b, c, d: coefficients not depending on external force, Fx, Fy, Fz: front-rear (x-axis) direction component, left-right (y-axis) direction component, and upper and lower (Z-axis) direction component, Mx, Mz: x-axis, moment about z-axis, f1-f8: rolling element load at each sensor position.
超音波センサは、例えば、外周におねじ部が形成された筒状のケースおよびケース内に配置された振動子を有しており、固定側軌道部材に設けられた有底のめねじ部に、ケースのおねじ部がねじ込まれることで、ケース先端に所定の予荷重が設定されていることが好ましい。超音波センサで得られる反射エコーの強度は、センサの取付方、取付面の粗さ、接触媒質の相違、センサの押し付け力によって変化するので、おねじ部のねじ込み量を変化させることによって、所定箇所におけるエコー強度を所定値に設定することができ、これにより、荷重検出の精度を向上させることができる。超音波センサは、エコー強度を所定値に設定することができる種々の方法により取付け可能であり、例えば、超音波センサは、固定側軌道部材に取り付けるためのフランジ部を有する筒状のケースおよびケース内に配置された振動子を有しており、固定側軌道部材に設けられた有底のめねじ部に、フランジ部に設けられたボルト挿通孔から挿通されたボルトがねじ込まれることで、ケース先端に所定の予荷重が設定されているようにしてもよい。 The ultrasonic sensor has, for example, a cylindrical case having a threaded portion formed on the outer periphery and a vibrator disposed in the case, and has a bottomed female threaded portion provided on the fixed-side track member. It is preferable that a predetermined preload is set at the tip of the case by screwing the male thread portion of the case. The intensity of the reflected echo obtained by the ultrasonic sensor varies depending on the sensor mounting method, mounting surface roughness, contact medium difference, and sensor pressing force. The echo intensity at the location can be set to a predetermined value, thereby improving the accuracy of load detection. The ultrasonic sensor can be attached by various methods capable of setting the echo intensity to a predetermined value. For example, the ultrasonic sensor has a cylindrical case and a case having a flange portion for attaching to the fixed-side track member. The case has a vibrator arranged inside, and a bolt inserted through a bolt insertion hole provided in a flange portion is screwed into a bottomed female screw portion provided in a fixed race member. A predetermined preload may be set at the tip.
超音波センサのケースのおねじ部の基端側部分に、ケースの回り止めのためのナット)がねじ合わされ、ナットと固定側軌道部材との間に、めねじ部への水の浸入を防止するOリングが介在させられていることがより好ましい。このようにすると、自動車用ハブユニットのように、振動が大きくかつ外部からの水が浸入しやすい箇所に設置してもその性能を維持することができる。 The nut of the case of the ultrasonic sensor case is screwed to the base end of the screw part of the case, preventing water from entering the female thread part between the nut and the fixed raceway member. More preferably, an O-ring is interposed. If it does in this way, even if it installs in the place where a vibration is large and the water from the outside tends to enter like a hub unit for cars, the performance can be maintained.
転がり軸受が自動車用ハブユニットである場合に、転動体荷重から転がり軸受に作用する荷重を求める式として、処理手段に下記式(1)が設けられていることが好ましい。 When the rolling bearing is an automobile hub unit, the following formula (1) is preferably provided in the processing means as an expression for obtaining a load acting on the rolling bearing from the rolling element load.
f1=a+bFy+cFz+dMx
f2=a+bFy+cFx+dMz
f3=a+bFy−cFz−dMx
f4=a+bFy−cFx−dMz ……… 式(1)
f5=a−bFy+cFz−dMx
f6=a−bFy+cFx−dMz
f7=a−bFy−cFz+dMx
f8=a−bFy−cFx+dMz
ただし、a:ハブユニットの予圧による転動体荷重、b,c,d:外力に依存しない係数、Fx,Fy,Fz:荷重の前後(x軸)方向成分、左右(y軸)方向成分および上下(z軸)方向成分、Mx,Mz:x軸、z軸回りのモーメント、f1〜f8:各センサでの転動体荷重。
f1 = a + bFy + cFz + dMx
f2 = a + bFy + cFx + dMz
f3 = a + bFy-cFz-dMx
f4 = a + bFy−cFx−dMz Equation (1)
f5 = a−bFy + cFz−dMx
f6 = a−bFy + cFx−dMz
f7 = a−bFy−cFz + dMx
f8 = a−bFy−cFx + dMz
Where a: rolling element load due to preload of the hub unit, b, c, d: coefficients not depending on external force, Fx, Fy, Fz: front-rear (x-axis) direction component, left-right (y-axis) direction component, and upper and lower (Z-axis) direction component, Mx, Mz: x-axis, moment about z-axis, f1-f8: rolling element load at each sensor.
転動体荷重とハブユニットに作用する外力との関係は、軸受計算理論に基づいて計算可能であり、転動体荷重とハブユニットに作用する外力との関係は、ほぼ線形関係を有している。上記式(1)は、この理論計算結果を基に多重解析を行うことにより、得られたものである。 The relationship between the rolling element load and the external force acting on the hub unit can be calculated based on the bearing calculation theory, and the relationship between the rolling element load and the external force acting on the hub unit has a substantially linear relationship. The above equation (1) is obtained by performing multiple analysis based on the theoretical calculation result.
なお、荷重の各軸方向の成分(3方向分力)および各軸回りのモーメント(3方向モーメント)を合わせたものを、以下では「6分力」と称す。 In addition, what combined the component (3-direction component force) of each axial direction of a load and the moment (3-direction moment) around each axis is called "6 component force" below.
上記の式(1)の関係を利用することにより、荷重の6分力を精度よく求めることができる。センサの数および処理手段の構成については、センサの数の増加に伴うコスト増も考慮して種々の対応が可能である。特に、この発明のセンサ付き転がり軸受装置を自動車用ハブユニットに適用する場合は、車輪に関して成り立つ式を加えて、次のような処理手段の構成が可能である。 By utilizing the relationship of the above formula (1), the 6 component force of the load can be obtained with high accuracy. Regarding the number of sensors and the configuration of the processing means, various measures can be taken in consideration of the cost increase accompanying the increase in the number of sensors. In particular, when the rolling bearing device with a sensor according to the present invention is applied to a hub unit for an automobile, the following processing means can be configured by adding a formula that holds for the wheel.
例えば、センサの数が2つとされ、処理手段は、式(1)のうちの適宜な2つの式と下記式(2)とから転がり軸受に作用する荷重の上下方向成分および左右方向成分を求めるものとされる。 For example, the number of sensors is two, and the processing means obtains the vertical component and the horizontal component of the load acting on the rolling bearing from two appropriate equations of the equation (1) and the following equation (2). It is supposed to be.
Mx=r×Fy+e×Fz ……… 式(2)
ただし、r:車輪転がり半径、e:y軸方向におけるFzの作用点とハブユニット中心のずれ。
Mx = r × Fy + e × Fz (2)
However, r: Wheel rolling radius, e: Deviation between the action point of Fz and the hub unit center in the y-axis direction.
また、センサの数が4つとされ、処理手段は、式(1)のうちの適宜な4つの式、式(2)および下記式(3)から転がり軸受に作用する6分力を求めるものとされる。 Further, the number of sensors is four, and the processing means obtains six component forces acting on the rolling bearing from the appropriate four expressions of the expression (1), the expression (2), and the following expression (3). Is done.
My=r×Fx ……… 式(3)
ただし、My:y軸回りのモーメント。
My = r × Fx ……… Formula (3)
However, My: moment about the y-axis.
なお、上記式(1)は、転動体荷重とハブユニットに作用する外力との関係を示す式であるので、転動体荷重と超音波センサで得られるエコー比との関係とを求めることにより、ハブユニットに作用する外力とエコー比との関係を求めるようになっている。すなわち、2つの相関関係を求める必要があり、誤差が大きくなる可能性がある。そこで、これに代えて、超音波センサで測定されたエコー比を用いて転がり軸受に作用する荷重が求められており、そのための式として、処理手段に下記式(4)〜式(6)が設けられているようにしてもよい。 In addition, since said Formula (1) is a formula which shows the relationship between rolling-element load and the external force which acts on a hub unit, by calculating | requiring the relationship between rolling-element load and the echo ratio obtained with an ultrasonic sensor, The relationship between the external force acting on the hub unit and the echo ratio is obtained. That is, it is necessary to obtain two correlations, and the error may increase. Therefore, instead of this, the load acting on the rolling bearing is calculated using the echo ratio measured by the ultrasonic sensor, and the following formulas (4) to (6) are given as processing formulas for the processing means. It may be provided.
j1=k+lFy+mFz+nMx
j2=k+lFy+mFx+nMz
j3=k+lFy−mFz−nMx
j4=k+lFy−mFx−nMz ……… 式(4)
j5=k−lFy+mFz−nMx
j6=k−lFy+mFx−nMz
j7=k−lFy−mFz+nMx
j8=k−lFy−mFx+nMz
Mx=r×Fy+e×Fz ……… 式(5)
My=r×Fx ……… 式(6)
ただし、k:ハブユニットの予圧によるエコー比、l,m,n:外力に依存しない係数、Fx,Fy,Fz:荷重の前後(x軸)方向成分、左右(y軸)方向成分および上下(z軸)方向成分、Mx,My,Mz:x軸、y軸、z軸回りのモーメント、j1〜j8:各センサ位置でのエコー比、r:車輪転がり半径、e:y軸方向におけるFzの作用点とハブユニット中心のずれ。
j1 = k + lFy + mFz + nMx
j2 = k + lFy + mFx + nMz
j3 = k + lFy-mFz-nMx
j4 = k + lFy−mFx−nMz Equation (4)
j5 = k−1Fy + mFz−nMx
j6 = k−1Fy + mFx−nMz
j7 = k−1Fy−mFz + nMx
j8 = k-1Fy-mFx + nMz
Mx = r × Fy + e × Fz (5)
My = r × Fx Equation (6)
Where k: echo ratio due to hub unit preload, l, m, n: coefficients independent of external force, Fx, Fy, Fz: longitudinal (x-axis) direction component, lateral (y-axis) direction component and vertical ( z-axis) direction component, Mx, My, Mz: x-axis, y-axis, moment about z-axis, j1 to j8: echo ratio at each sensor position, r: wheel rolling radius, e: Fz in y-axis direction Deviation between the operating point and the hub unit center.
この発明のセンサ転がり軸受装置によると、被検知部の材料選択に制約が少なく、また、被検知部への追加の加工も必要でないものとすることができる。 According to the sensor rolling bearing device of the present invention, there are few restrictions on the material selection of the detected part, and no additional processing on the detected part is required.
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1から図3までは、この発明のセンサ付き転がり軸受装置の1実施形態を示している。以下の説明において、左右は図1の左右をいうものとする。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。 1 to 3 show an embodiment of a rolling bearing device with a sensor according to the present invention. In the following description, the left and right refer to the left and right in FIG. Note that the left is inside the vehicle and the right is outside the vehicle.
このセンサ付き転がり軸受装置は、自動車用のセンサ付きハブユニットとして使用されるもので、自動車用ハブユニット(1)と、タイヤの接地荷重を検出するセンサ装置(2)とを備えている。 The sensor-equipped rolling bearing device is used as a sensor-equipped hub unit for an automobile, and includes an automobile hub unit (1) and a sensor device (2) that detects a ground contact load of a tire.
ハブユニット(1)は、車体側に固定される固定側軌道部材(3)、車輪が取り付けられる回転側軌道部材(4)、両部材(3)(4)の間に2列に配置された複数の転動体である玉(5)、および各列の玉(5)をそれぞれ保持する保持器(6)を備えている。 The hub unit (1) is arranged in two rows between the fixed side track member (3) fixed to the vehicle body side, the rotary side track member (4) to which the wheel is attached, and both members (3) and (4). A ball (5), which is a plurality of rolling elements, and a cage (6) for holding each row of balls (5) are provided.
固定側軌道部材(3)は、軸受の外輪(固定輪)機能を有しているもので、内周面に2列の外輪軌道が形成されている円筒部(12)と、円筒部(12)の左端部近くに設けられて懸架装置(車体側部分)にボルトで取り付けられるフランジ部(13)とを有している。 The fixed-side raceway member (3) has a bearing outer ring (fixed ring) function, and includes a cylindrical portion (12) in which two rows of outer ring raceways are formed on the inner peripheral surface, and a cylindrical portion (12 ) And a flange portion (13) attached to the suspension device (vehicle body side portion) with a bolt.
回転側軌道部材(4)は、第1の軌道溝(15a)を有する大径部(15)および第1の軌道溝(15a)の径よりも小さい外径を有する小径部(16)を有している内軸(14)と、内軸(14)の小径部(16)外径に嵌め止められて右面が内軸(14)の大径部(15)左面に密接させられている内輪(17)とからなる。内軸(14)の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト(19)が固定されたフランジ部(18)が設けられている。内輪(17)の右部には、内軸(14)の軌道溝(15a)と並列するように、軌道溝(17a)が形成されており、内輪(17)の左部に肩部(17b)が形成されている。固定側軌道部材(3)の右端部と内軸(14)との間には、シール装置(20)が設けられている。内軸(14)の小径部(16)の左端部には、おねじ部が設けられており、このおねじ部にねじ合わされたナット(21)によって、内輪(17)が内軸(14)に固定されている。固定側軌道部材(3)の左端部には、カバー(22)が被せ止められている。 The rotation side raceway member (4) has a large diameter portion (15) having a first raceway groove (15a) and a small diameter portion (16) having an outer diameter smaller than the diameter of the first raceway groove (15a). The inner ring (14), and the inner ring (14), the inner ring (14), which has a small diameter part (16) and is fitted to the outer diameter, and the right side is in close contact with the left side of the large diameter part (15) of the inner axis (14) (17) Near the right end of the inner shaft (14), a flange portion (18) to which a plurality of bolts (19) for attaching a wheel is fixed is provided. A raceway groove (17a) is formed in the right part of the inner ring (17) so as to be parallel to the raceway groove (15a) of the inner shaft (14), and a shoulder part (17b ) Is formed. A sealing device (20) is provided between the right end portion of the fixed-side track member (3) and the inner shaft (14). A male screw is provided at the left end of the small diameter portion (16) of the inner shaft (14), and the inner ring (17) is connected to the inner shaft (14) by a nut (21) screwed to the male screw. It is fixed to. A cover (22) is covered with the left end portion of the fixed race member (3).
センサ装置(2)は、固定側軌道部材(3)と内列の玉(5)との間に作用する力(以下「転動体荷重」と称す)を検出する超音波センサ(Sti)(Sbi)と、外列の玉(5)の転動体荷重を検出する超音波センサ(Sto)(Sbo)と、これらの超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の出力を処理する処理手段(図7参照)とを備えている。 The sensor device (2) is an ultrasonic sensor (Sti) (Sbi) that detects the force (hereinafter referred to as “rolling element load”) acting between the fixed side raceway member (3) and the inner row of balls (5). ) And the ultrasonic sensors (Sto) (Sbo) that detect the rolling element load of the ball (5) in the outer row, and the output of these ultrasonic sensors (Sti) (Sto) (Sbi) (Sbo) And processing means (see FIG. 7).
超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、図1に示されている固定側軌道部材(3)の最上部=頂部(Sti)(Sto)(図2にAで示す位置)および固定側軌道部材(3)の最下部=底部(Sbi)(Sbo)(図2にDで示す位置)のほかに、固定側軌道部材(3)の上下の中間部の後側=後部(図2にBで示す位置)および固定側軌道部材(3)の上下の中間部の前側=前部(図2にCで示す位置)にもそれぞれ設けられている。ただし、超音波センサの個数および配置は、これに限定されるものではない。 The ultrasonic sensors (Sti), (Sto), (Sbi), and (Sbo) are located at the top of the fixed-side track member (3) shown in FIG. 1 = the top (Sti) (Sto) (the position indicated by A in FIG. 2). ) And the lowermost portion of the fixed race member (3) = bottom (Sbi) (Sbo) (position indicated by D in FIG. 2) (Position indicated by B in FIG. 2) and the front side of the upper and lower intermediate portions of the fixed-side track member (3) = front part (position indicated by C in FIG. 2). However, the number and arrangement of the ultrasonic sensors are not limited to this.
超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、振動子から出力された超音波の反射波を受信部で受けることにより、図4に示すような反射エコーを求めるもので、その出力は、以下に示すエコー比として求められる。 The ultrasonic sensors (Sti), (Sto), (Sbi), and (Sbo) obtain the reflected echo as shown in FIG. 4 by receiving the reflected wave of the ultrasonic wave output from the transducer at the receiving unit. The output is obtained as an echo ratio shown below.
エコー比=100×(H0−H1)/H0
H0:転動体が超音波センサから半ピッチ離れたときのエコー強度
H1:転動体が超音波センサ直下に位置するときのエコー強度
このエコー比は、転動体荷重と図6に示す関係を有しており、これを利用してエコー比から転動体荷重を求めることができる。玉(5)に作用する荷重が大きいと、接触面積が大きくなって反射波が小さくなることから、転動体荷重が大きい場合には、大きいエコー比が出力される。
Echo ratio = 100 × (H0−H1) / H0
H0: Echo intensity when the rolling element is separated from the ultrasonic sensor by a half pitch H1: Echo intensity when the rolling element is located directly below the ultrasonic sensor This echo ratio has the relationship shown in FIG. By using this, the rolling element load can be obtained from the echo ratio. If the load acting on the ball (5) is large, the contact area becomes large and the reflected wave becomes small. Therefore, when the rolling element load 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、タイヤに掛かる接地荷重が変動し、このタイヤ接地荷重変動に応じて、転動体荷重が変化する。複数のセンサを設置した場合、タイヤに作用する前後荷重、左右荷重および垂直荷重の成分ごとにそれぞれセンサへの影響度が異なっており、予め、前後荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するエコー比、左右荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するエコー比、ならびに垂直荷重がかかった場合の転動体荷重およびこれに対応するエコー比を求めておくことにより、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)で得られたエコー比よりタイヤ接地荷重の3方向分力を求めることができる。 The ground load applied to the tire varies with changes in speed and posture of the traveling vehicle, and the rolling element load varies according to the tire ground load variation. When multiple sensors are installed, the degree of influence on the sensor differs depending on the components of the longitudinal load, left and right load, and vertical load acting on the tire. By obtaining the corresponding echo ratio, rolling element load when left and right load is applied and the corresponding echo ratio, and rolling element load when vertical load is applied and the corresponding echo ratio, ultrasonic waves are obtained. From the echo ratio obtained by the sensors (Sti), (Sto), (Sbi), and (Sbo), the three-way component force of the tire contact load can be obtained.
センサ装置(2)の処理手段には、エコー比の式、各超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)から得られたエコー比からそのセンサ位置の転動体荷重を求める式、これらの転動体荷重からタイヤ接地荷重の上下方向成分、前後方向成分および左右方向成分を求める式などが蓄えられている。 The processing means of the sensor device (2) includes an equation for an echo ratio, an equation for obtaining a rolling element load at the sensor position from the echo ratio obtained from each ultrasonic sensor (Sti) (Sto) (Sbi) (Sbo), Formulas for obtaining the vertical component, the front-rear direction component, and the left-right component of the tire ground contact load from these rolling element loads are stored.
複数の箇所にセンサを設置して接地荷重の各分力をそれぞれ分離して求めようとした場合、他の分力の影響による誤差が生じやすいものとなるが、上記のように、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の設置箇所を固定側軌道部材(3)の頂部、底部、前部および後部のそれぞれ内側および外側の計8カ所とすることにより、3方向分力を精度よく求めることができるとともに、前後軸回りのモーメントおよび上下軸回りのモーメントを求めることもできる。 When sensors are installed at multiple locations and each component of the ground load is obtained separately, errors due to the effects of other components are likely to occur. (Sti) (Sto) (Sbi) (Sbo) is installed in a total of 8 locations on the inside, outside of the top, bottom, front and rear of the fixed-side track member (3). Can be obtained with high accuracy, and the moment about the longitudinal axis and the moment about the vertical axis can also be obtained.
超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、図3に示すように(頂部内側のものを図示)、外周におねじ部(51a)が形成された筒状のケース(51)およびケース(51)内に配置された振動子(52)を有しており、玉(5)と固定側軌道部材(3)の軌道溝(3a)との接触面に直角の方向から臨まされている。固定側軌道部材(3)には有底のめねじ部(3b)が設けられており、ケース(51)のおねじ部(51a)のねじ込み量が調整可能とされている。ケース(51)の先端面とめねじ部(3b)の底面と間には、超音波センサ(Sti)先端部を保護するためのゴム製クッションシート(53)が介在させられている。ケース(51)のおねじ部(51a)の基端側部分には、ケース(51)の回り止めのためのナット(54)がねじ合わされている。ナット(54)と固定側軌道部材(3)との間には、めねじ部(3b)への水の浸入を防止するOリング(55)が介在させられている。 The ultrasonic sensors (Sti), (Sto), (Sbi), and (Sbo) are shown in FIG. 3 (shown inside the top portion), and a cylindrical case (51a) having a threaded portion (51a) formed on the outer periphery. ) And a vibrator (52) disposed in the case (51), facing the contact surface between the ball (5) and the raceway groove (3a) of the stationary raceway member (3) from a direction perpendicular to the contact surface. Has been. The fixed-side raceway member (3) is provided with a bottomed female screw portion (3b), and the screwing amount of the male screw portion (51a) of the case (51) can be adjusted. A rubber cushion sheet (53) for protecting the tip of the ultrasonic sensor (Sti) is interposed between the tip of the case (51) and the bottom of the female thread (3b). A nut (54) for preventing rotation of the case (51) is screwed onto the proximal end portion of the male thread portion (51a) of the case (51). An O-ring (55) that prevents water from entering the female thread portion (3b) is interposed between the nut (54) and the fixed race member (3).
超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)で得られるエコーの強度(エコー振幅)は、センサの取付方、取付面の粗さ、接触媒質の相違により大きく変化する。図5は、取付面粗さとエコー振幅との関係を示しており、このグラフから、取付面が粗くなると、エコー振幅が小さくなることが分かる。また、エコーの強度は、センサの押し付け力によっても変化する。このため、エコー比と転動体荷重との関係が超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)ごとにばらつき、タイヤ接地荷重検出の精度が低下する可能性がある。 The intensity (echo amplitude) of the echo obtained by the ultrasonic sensors (Sti), (Sto), (Sbi), and (Sbo) varies greatly depending on the sensor mounting method, the roughness of the mounting surface, and the contact medium. FIG. 5 shows the relationship between the mounting surface roughness and the echo amplitude, and it can be seen from this graph that the echo amplitude decreases as the mounting surface becomes rough. In addition, the intensity of the echo varies depending on the pressing force of the sensor. For this reason, the relationship between the echo ratio and the rolling element load varies for each of the ultrasonic sensors (Sti), (Sto), (Sbi), and (Sbo), and there is a possibility that the accuracy of the tire contact load detection is lowered.
図3に示した超音波センサ(Sti)によると、ケース(31)のおねじ部(31a)のねじ込み量を変化させることによって、センサ(Sti)の押し付け力を変化させることが可能であり、したがって、図4に示すエコー波形を見ながら、ねじ込み量を微調整することによって、エコー強度H0を変化させ所定値に設定することができる。これにより、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)ごとのエコー比と転動体荷重との関係のばらつきが抑えられ、タイヤ接地荷重検出の精度を向上させることができる。 According to the ultrasonic sensor (Sti) shown in FIG. 3, it is possible to change the pressing force of the sensor (Sti) by changing the screwing amount of the male thread portion (31a) of the case (31). Therefore, the echo intensity H0 can be changed and set to a predetermined value by finely adjusting the screwing amount while viewing the echo waveform shown in FIG. Thereby, the dispersion | variation in the relationship between the echo ratio and rolling element load for every ultrasonic sensor (Sti) (Sto) (Sbi) (Sbo) is suppressed, and the precision of a tire ground contact load detection can be improved.
なお、上記において、センサの数が計8つとされているが、センサの数はこれに限定されるものではない。センサの数が多いと、これに伴ってコストが増加するので、センサの数を少なくして、できるだけ有用なデータを得ることの考慮も必要である。以下に、少ない数のセンサを使用した荷重検出方法(2つのセンサで2方向の荷重成分を得る場合と4つのセンサで3方向の荷重成分を得る場合)を示す(図7参照)。 In the above description, the total number of sensors is eight, but the number of sensors is not limited to this. If the number of sensors is large, the cost increases accordingly. Therefore, it is necessary to consider obtaining data as useful as possible by reducing the number of sensors. Hereinafter, a load detection method using a small number of sensors (when obtaining load components in two directions with two sensors and obtaining load components in three directions with four sensors) is shown (see FIG. 7).
まず、軸受計算理論に基づいて計算した負荷時の転動体荷重とハブユニットに作用する外力(荷重およびモーメント)の関係は、次式で表せる。 First, the relationship between the rolling element load under load calculated based on the bearing calculation theory and the external force (load and moment) acting on the hub unit can be expressed by the following equation.
f1=a+bFy+cFz+dMx
f2=a+bFy+cFx+dMz
f3=a+bFy−cFz−dMx
f4=a+bFy−cFx−dMz ……… 式(1)
f5=a−bFy+cFz−dMx
f6=a−bFy+cFx−dMz
f7=a−bFy−cFz+dMx
f8=a−bFy−cFx+dMz
ただし、a:ハブユニットの予圧による転動体荷重、b,c,d:外力に依存しない係数、Fx,Fy,Fz:荷重の前後(x軸)方向成分、左右(y軸)方向成分および上下(z軸)方向成分、Mx,Mz:x軸、z軸回りのモーメント、f1〜f8:超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の出力から得られる転動体荷重であり、f1は、頂部内側のセンサ(Sti)の出力によるもの、f2は、後部内側のセンサの出力によるもの、f3は、底部内側のセンサ(Sbi)の出力によるもの、f4は、前部内側のセンサの出力によるもの、f5は、頂部外側のセンサ(Sto)の出力によるもの、f6は、後部外側のセンサの出力によるもの、f7は、底部外側のセンサ(Sbo)の出力によるもの、f8は、前部外側のセンサの出力によるもの。
f1 = a + bFy + cFz + dMx
f2 = a + bFy + cFx + dMz
f3 = a + bFy-cFz-dMx
f4 = a + bFy−cFx−dMz Equation (1)
f5 = a−bFy + cFz−dMx
f6 = a−bFy + cFx−dMz
f7 = a−bFy−cFz + dMx
f8 = a−bFy−cFx + dMz
Where a: rolling element load due to preload of the hub unit, b, c, d: coefficients not depending on external force, Fx, Fy, Fz: front-rear (x-axis) direction component, left-right (y-axis) direction component, and upper and lower (Z-axis) direction component, Mx, Mz: moments around the x-axis and z-axis, f1 to f8: rolling element loads obtained from the outputs of the ultrasonic sensors (Sti) (Sto) (Sbi) (Sbo) f1 is based on the output of the sensor (Sti) inside the top part, f2 is based on the output of the sensor inside the rear part, f3 is based on the output of the sensor (Sbi) inside the bottom part, and f4 is a sensor inside the front part. F5 is due to the output of the sensor outside the top (Sto), f6 is due to the output of the sensor outside the rear, f7 is due to the output of the sensor (Sbo) outside the bottom, and f8 is By the output of the sensor outside the front.
式(1)の関係を用いることは、従来全く知られておらず、この関係を利用することで、転動体荷重から転がり軸受に作用する外力を簡易に求めることができる。 The use of the relationship of formula (1) has not been known at all, and the external force acting on the rolling bearing can be easily obtained from the rolling element load by using this relationship.
一方、車輪(タイヤ)の場合は、次式が成立する。 On the other hand, in the case of a wheel (tire), the following equation is established.
Mx=r×Fy+e×Fz ……… 式(2)
ただし、r:車輪転がり半径、e:y軸方向におけるFzの作用点とハブユニット中心のずれ。
Mx = r × Fy + e × Fz (2)
However, r: Wheel rolling radius, e: Deviation between the action point of Fz and the hub unit center in the y-axis direction.
My=r×Fx ……… 式(3)
ただし、My:y軸回りのモーメント。
My = r × Fx ……… Formula (3)
However, My: moment about the y-axis.
上記式から分かるように、式(1)のf1およびf3と式(2)を用いれば、左右方向成分Fyおよび上下方向成分Fzを求めることができる。すなわち、f1+f3とすることにより、Fyが求まり、f1−f3とすることにより、FzとMxとが含まれる一次式が得られ、式(2)のうちのFyが求まっているので、Fyを代入することで、式(2)もFzとMxとが含まれる一次式となり、これら2つの一次式を連立させることで、FzとMxとが求まる。 As can be seen from the above equation, the left-right direction component Fy and the up-down direction component Fz can be obtained by using f1 and f3 of the equation (1) and the equation (2). That is, by setting f1 + f3, Fy is obtained, and by setting f1-f3, a linear expression including Fz and Mx is obtained, and Fy in Expression (2) is obtained. As a result, Equation (2) also becomes a linear equation including Fz and Mx, and Fz and Mx are obtained by combining these two linear equations.
こうして、2つのセンサで、車輪に作用する荷重の上下方向成分および左右方向成分(付随的にx軸回りのモーメントも)を求めることができる。車輪に作用する荷重の上下方向成分および左右方向成分は、車両のコーナリング状態を知る上で重要な要素であり、これらを少ない数のセンサ(計2つのセンサ)で求めることで、コストパフォーマンスに優れたセンサ付き転がり軸受装置を得ることができる。 Thus, the two sensors can determine the vertical component and the horizontal component of the load acting on the wheel (and the moment about the x axis incidentally). The vertical and horizontal components of the load acting on the wheel are important factors in knowing the cornering state of the vehicle. By obtaining these with a small number of sensors (two sensors in total), cost performance is excellent. A rolling bearing device with a sensor can be obtained.
なお、上記においては、f1とf3とを用いたが、この組合せ以外のもの(例えばf1とf5など)を使用することも可能である。 In the above description, f1 and f3 are used. However, it is also possible to use a combination other than this combination (for example, f1 and f5).
また、f1+f7とすることにより、Mxを求め、f1−f7とすることにより、FyおよびFzの一次式を求め、これらと式(3)とを組み合わせることにより、Mx,FyおよびFzを求めることができる。そして、f2−f8とすることにより、FyおよびFxの一次式が求まるので、この一次式に既に求まっているFyを代入することにより、残るFxを求めることができる。Fxが求まればMxも求まる。また、f2+f8とすることで、Mzを求めることができる。 Further, Mx can be obtained by setting f1 + f7, and linear expressions of Fy and Fz can be obtained by setting f1-f7, and Mx, Fy, and Fz can be obtained by combining these with Expression (3). it can. Since the primary expressions of Fy and Fx are obtained by setting to f2-f8, the remaining Fx can be obtained by substituting Fy that has already been obtained for this primary expression. If Fx is obtained, Mx is also obtained. Further, Mz can be obtained by setting f2 + f8.
こうして、4つのセンサで、車輪に作用する6分力全てを求めることができ、コストパフォーマンスに優れたセンサ付き転がり軸受装置を得ることができる。 In this way, all six component forces acting on the wheels can be obtained with four sensors, and a sensor-equipped rolling bearing device with excellent cost performance can be obtained.
なお、上記においては、f1,f2,f7およびf8を用いたが、この組合せ以外のもの(例えば、f1,f2,f3およびf6)を使用することも可能である。 In the above description, f1, f2, f7, and f8 are used. However, it is also possible to use a combination other than this combination (for example, f1, f2, f3, and f6).
上記(1)から(3)までの式は、ハブユニットに作用する外力とエコー比との関係を求めるに際して、転動体荷重と外力との相関関係および転動体荷重とエコー比との相関関係を使用して2段階で求めていることになり、誤差が大きくなるおそれがある。 The equations (1) to (3) above show the correlation between the rolling element load and the external force and the correlation between the rolling element load and the echo ratio when determining the relationship between the external force acting on the hub unit and the echo ratio. Since it is used and obtained in two stages, there is a risk that the error will increase.
そこで、エコー比とハブユニットに作用する外力との関係を直接求めておくことが好ましい。この関係は、kをハブユニットの予圧によるエコー比とし、l、m、nを外力に依存しない係数とし、Fx,Fy,Fzは、それぞれ、荷重の前後(x軸)方向成分、左右(y軸)方向成分および上下(z軸)方向成分とし、Mx,My,Mzは、それぞれ、x軸、y軸、z軸回りのモーメントとし、j1〜j8は、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)の出力から得られるエコー比(j1は、頂部内側のセンサ(Sti)の出力によるもの、j2は、後部内側のセンサの出力によるもの、j3は、底部内側のセンサ(Sbi)の出力によるもの、j4は、前部内側のセンサの出力によるもの、j5は、頂部外側のセンサ(Sto)の出力によるもの、j6は、後部外側のセンサの出力によるもの、j7は、底部外側のセンサ(Sbo)の出力によるもの、j8は、前部外側のセンサの出力によるもの)として、次のようになる。 Therefore, it is preferable to directly obtain the relationship between the echo ratio and the external force acting on the hub unit. This relationship is such that k is an echo ratio due to the preload of the hub unit, l, m, and n are coefficients that do not depend on external force, and Fx, Fy, and Fz are the front and rear (x-axis) direction components and left and right (y Axis) direction component and vertical (z-axis) direction component, Mx, My, and Mz are moments around the x-axis, y-axis, and z-axis, respectively, and j1 to j8 are ultrasonic sensors (Sti) (Sto) The echo ratio obtained from the output of (Sbi) (Sbo) (j1 is due to the output of the sensor (Sti) inside the top, j2 is due to the output of the sensor inside the rear, and j3 is the sensor inside the bottom (Sbi) ), J4 is due to the output of the sensor inside the front part, j5 is due to the output of the sensor (Sto) outside the top part, j6 is due to the output of the sensor outside the rear part, and j7 is the bottom part. According to the output of the outer sensor (Sbo), j8 is the front outer sensor. The output is as follows.
j1=k+lFy+mFz+nMx
j2=k+lFy+mFx+nMz
j3=k+lFy−mFz−nMx
j4=k+lFy−mFx−nMz ……… 式(4)
j5=k−lFy+mFz−nMx
j6=k−lFy+mFx−nMz
j7=k−lFy−mFz+nMx
j8=k−lFy−mFx+nMz
上記式を用いた6分力の演算方法を以下に説明する。6分力を求めるに際しては、上記関係に加えて、車輪(タイヤ)の場合に、次式が成立することを利用する。
j1 = k + lFy + mFz + nMx
j2 = k + lFy + mFx + nMz
j3 = k + lFy-mFz-nMx
j4 = k + lFy−mFx−nMz Equation (4)
j5 = k−1Fy + mFz−nMx
j6 = k−1Fy + mFx−nMz
j7 = k−1Fy−mFz + nMx
j8 = k-1Fy-mFx + nMz
A method of calculating the 6 component force using the above formula will be described below. In obtaining six component forces, in addition to the above relationship, the fact that the following equation is established in the case of a wheel (tire) is used.
Mx=r×Fy+e×Fz ……… 式(5)
My=r×Fx ……… 式(6)
ここで、r:車輪転がり半径、e:y軸方向におけるFzの作用点とハブユニット中心のずれ
これらの2つの式を使用することで、j1〜j8の式のうちの4式を使えば、6分力を求めることができる。1例として、j1,j2,j3およびj6を使用した場合、次のようにして6分力が求められる。
Mx = r × Fy + e × Fz (5)
My = r × Fx Equation (6)
Here, r: wheel rolling radius, e: deviation of the Fz operating point and hub unit center in the y-axis direction By using these two equations, using four equations j1 to j8, 6 component force can be calculated. As an example, when j1, j2, j3 and j6 are used, six component forces are obtained as follows.
ステップ1:左右方向成分Fyを求める。式(4)から適宜な2つの式(ここでは、j1とj3)を選択し、2つの式の加算または減算(ここでは、加算)により、FzおよびMxを消去することにより求める。Fyは次式で求められる。 Step 1: A left-right direction component Fy is obtained. Two appropriate expressions (here, j1 and j3) are selected from the expression (4), and Fz and Mx are eliminated by addition or subtraction (here, addition) of the two expressions. Fy is obtained by the following equation.
Fy=(j1+j3−2k)/2l
ステップ2:上下方向成分Fzを求める。式(4)のうちの2つの式からFyを消去して得られるFzとMxとの1次式と、式(5)にFyを代入して得られるFzとMxとの1次式とから、Fzを求める。Fzは次式で求められる。
Fy = (j1 + j3-2k) / 2l
Step 2: The vertical direction component Fz is obtained. From the linear expression of Fz and Mx obtained by eliminating Fy from two expressions of Expression (4), and the linear expression of Fz and Mx obtained by substituting Fy into Expression (5) , Fz is obtained. Fz is obtained by the following equation.
Fz={(l−nr)j1−(l+nr)j3+2knr}/2l(m+ne)
ステップ3:x軸回りのモーメント(進行方向回りのモーメント)Mxを求める。ステップ1で得られたFyおよびステップ2で得られたFzを使用して、Mxを求める。Mxは次式で求められる。
Fz = {(l-nr) j1- (l + nr) j3 + 2knr} / 2l (m + ne)
Step 3: A moment around the x axis (moment around the traveling direction) Mx is obtained. Mx is obtained using Fy obtained in
Mx=rFy+eFz
ステップ4:前後方向成分Fxを求める。式(4)から適宜な2つの式(ここでは、j2とj6)を選択し、2つの式の加算または減算(ここでは、加算)により、FxおよびMzを消去することにより求める。Fxは次式で求められる。
Mx = rFy + eFz
Step 4: The front-rear direction component Fx is obtained. Two appropriate expressions (here, j2 and j6) are selected from the expression (4), and Fx and Mz are eliminated by addition or subtraction (here, addition) of the two expressions. Fx is obtained by the following equation.
Fx={j2+j6−2k}/2m
ステップ5:y軸回りのモーメント(車輪回転トルク)Myを求める。ステップ4で得られたFxを使用して、Myを求める。Myは次式で求められる。
Fx = {j2 + j6-2k} / 2m
Step 5: A moment (wheel rotation torque) My about the y-axis is obtained. My is determined using Fx obtained in
My=rFx
ステップ6:z軸(垂直方向)回りのモーメントMzを求める。式(4)から適宜な2つの式(ここでは、j1とj3)を選択し、2つの式の加算または減算(ここでは、減算)により、Fyを消去し、FxとMzの1次式を求めるとともに、式(4)から適宜な2つの式(ここでは、j2とj6)を選択し、2つの式の加算または減算(ここでは、減算)により、Fyを消去し、FxとMzの1次式を求める。2つの1次式からFxを消去することでMzが求まる。Mzは次式で求められる。
My = rFx
Step 6: A moment Mz about the z-axis (vertical direction) is obtained. Two appropriate expressions (here, j1 and j3) are selected from the expression (4), Fy is eliminated by addition or subtraction (here, subtraction) of the two expressions, and a linear expression of Fx and Mz is obtained. In addition, two appropriate expressions (here, j2 and j6) are selected from the expression (4), Fy is eliminated by adding or subtracting (here, subtraction) of the two expressions, and 1 of Fx and Mz is obtained. The following equation is obtained. Mz is obtained by erasing Fx from two linear equations. Mz is obtained by the following equation.
Mz={−j1+j2−j3−j6+2k}/2n
なお、図3に示す超音波センサの取付け構造は、一例であり、これに限定されるものではなく、図8に示すようなものとすることもできる。図8において、超音波センサ(Sti)は、固定側軌道部材(3)に取り付けるためのフランジ部(61a)が設けられた筒状のケース(61)およびケース(61)内に配置された振動子(62)を有しており、固定側軌道部材(3)のフランジ部(61a)が当てられる部分に、複数個のめねじ部(3c)が設けられており、フランジ部(61a)に設けられたボルト挿通孔から挿通されたボルト(63)がこのめねじ部(3c)にねじ合わされることにより、ケース先端に所定の予荷重が設定されて、超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)が固定側軌道部材(3)に取り付けられている。
Mz = {− j1 + j2−j3−j6 + 2k} / 2n
In addition, the attachment structure of the ultrasonic sensor shown in FIG. 3 is an example, and is not limited thereto, and may be as shown in FIG. In FIG. 8, the ultrasonic sensor (Sti) includes a cylindrical case (61) provided with a flange portion (61a) to be attached to the fixed-side track member (3), and a vibration disposed in the case (61). A plurality of internal thread portions (3c) are provided on the portion to which the flange portion (61a) of the stationary race member (3) is applied, and the flange portion (61a) The bolt (63) inserted from the provided bolt insertion hole is screwed into the female thread (3c), so that a predetermined preload is set at the tip of the case, and the ultrasonic sensor (Sti) (Sto) (Sbi) (Sbo) are attached to the fixed-side track member (3).
また、図9および図10に示すように、ハブユニットの構成を変更して、センサ設置に伴う強度低下をなくすようにすることができる。 Further, as shown in FIGS. 9 and 10, the configuration of the hub unit can be changed to eliminate the strength reduction accompanying the sensor installation.
図9および図10において、センサ付き転がり軸受装置は、自動車用ハブユニット(21)およびセンサ装置(22)からなる。 9 and 10, the sensor-equipped rolling bearing device includes an automobile hub unit (21) and a sensor device (22).
ハブユニット(21)は、車体側に固定される固定側軌道部材(23)、車輪が取り付けられる回転側軌道部材(24)、両部材(23)(24)の間に2列に配置された複数の転動体(玉)(25)、および各列の転動体(25)をそれぞれ保持する保持器(26)を備えている。 The hub unit (21) is arranged in two rows between a stationary race member (23) fixed to the vehicle body side, a rotary race member (24) to which wheels are attached, and both members (23) (24). A plurality of rolling elements (balls) (25) and a cage (26) for holding the rolling elements (25) in each row are provided.
固定側軌道部材(23)は、軸受の外輪(固定輪)機能を有しているもので、内周面に2列の外輪軌道が形成されている円筒部(31)と、円筒部(31)の左端部近くに設けられて懸架装置(車体側部分)にボルトで取り付けられるフランジ部(32)とを有している。 The fixed-side raceway member (23) has an outer ring (fixed ring) function of the bearing, and includes a cylindrical portion (31) in which two rows of outer ring raceways are formed on the inner peripheral surface, and a cylindrical portion (31 ) And a flange portion (32) attached to the suspension device (vehicle body side portion) with a bolt.
回転側軌道部材(24)は、第1の軌道溝(34a)を有する大径部(34)および第1の軌道溝(34a)の径よりも小さい外径を有する小径部(35)を有している内軸(33)と、内軸(33)の小径部(35)外径に嵌め止められて右面が内軸(33)の大径部(34)左面に密接させられている内輪(36)とからなる。内軸(33)の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト(38)が固定されたフランジ部(37)が設けられている。内輪(36)の右部には、内軸(33)の軌道溝(34a)と並列するように、軌道溝(36a)が形成されている。固定側軌道部材(23)の右端部と内軸(33)との間には、シール装置(39)が設けられている。内軸(33)の小径部(35)の左端部には、おねじ部が設けられており、このおねじ部にねじ合わされたナット(40)によって、内輪(36)が内軸(33)に固定されている。固定側軌道部材(23)の左端部には、カバー(41)が被せ止められている。内輪と内軸の固定方法としては、図示しないが、内軸の端部を塑性変形させて、かしめ止めしてもよい。 The rotating side raceway member (24) has a large diameter portion (34) having a first raceway groove (34a) and a small diameter portion (35) having an outer diameter smaller than the diameter of the first raceway groove (34a). The inner ring (33), and the inner ring (33), the inner ring (33), which has a small diameter part (35) and is fitted to the outer diameter, and the right side is in close contact with the left side of the large diameter part (34) of the inner shaft (33). (36) Near the right end of the inner shaft (33), there is provided a flange portion (37) to which a plurality of bolts (38) for mounting a wheel are fixed. A raceway groove (36a) is formed on the right side of the inner ring (36) so as to be parallel to the raceway groove (34a) of the inner shaft (33). A sealing device (39) is provided between the right end portion of the fixed race member (23) and the inner shaft (33). A male screw is provided at the left end of the small diameter portion (35) of the inner shaft (33), and the inner ring (36) is connected to the inner shaft (33) by a nut (40) screwed to the male screw. It is fixed to. A cover (41) is covered with the left end portion of the fixed-side raceway member (23). Although not shown in the drawings, the inner ring and the inner shaft may be fixed by plastically deforming the end of the inner shaft.
センサ装置(22)は、固定側軌道部材(23)と内列の転動体(25)との間に作用する力(転動体荷重)を検出する多振動子超音波センサ(Sti)(Sbi)と、外列の転動体(25)の転動体荷重を検出する超音波センサ(Sto)(Sbo)と、これらの超音波センサ(Sti)(Sbi)(Sto)(Sbo)の出力を処理する処理手段(図7参照)とを備えている。 The sensor device (22) is a multi-vibrator ultrasonic sensor (Sti) (Sbi) that detects the force (rolling element load) acting between the fixed side raceway member (23) and the inner row rolling elements (25). And the ultrasonic sensors (Sto) (Sbo) that detect the rolling element load of the rolling elements (25) in the outer row, and the output of these ultrasonic sensors (Sti) (Sbi) (Sto) (Sbo) And processing means (see FIG. 7).
超音波センサ(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo)は、図9に示されている固定側軌道部材(23)の最上部=頂部(Sti)(Sto)(図2にAで示す位置)および固定側軌道部材(23)の最下部=底部(Sbi)(Sbo)(図2にDで示す位置)のほかに、固定側軌道部材(23)の上下の中間部の後側=後部(図2にBで示す位置)および固定側軌道部材(23)の上下の中間部の前側=前部(図2にCで示す位置)にもそれぞれ設けられている。ただし、超音波センサの個数および配置は、これに限定されるものではない。 The ultrasonic sensors (Sti), (Sto), (Sbi), and (Sbo) are the uppermost portion of the fixed-side track member (23) shown in FIG. ) And the lowermost portion of the fixed race member (23) = bottom (Sbi) (Sbo) (position indicated by D in FIG. 2) (Position indicated by B in FIG. 2) and the front side of the upper and lower intermediate parts of the fixed-side track member (23) = front part (position indicated by C in FIG. 2). However, the number and arrangement of the ultrasonic sensors are not limited to this.
固定側軌道部材(23)には、断面が二等辺直角三角形状のセンサ設置用突出部(42)がその直角部分が突出部(42)先端に来るように設けられている。そして、この突出部(42)の直角部分を挟む二面に超音波センサ(Sti)(Sto)がそれぞれ取り付けられている。この取付け構造は、図3に拡大して示したものと同じであるので、図3と同じ構成に同じ符号を付してその説明は省略する。図3と同じ構成に代えて、図8の構成としたり、その他の構成としてもよいことはもちろんである。この実施形態によると、突出部(42)により、センサ設置箇所が補強されるため、センサ設置に伴う強度低下が防止される。突出部(42)は、センサ設置位置(固定側軌道部材(23)の最上部、最下部および上下の中間部)にだけ設けられてもよく、周方向に連続するように(断面形状が一定に限られるものではない)設けられてもよい。 The fixed-side track member (23) is provided with a sensor installation protrusion (42) having an isosceles right triangle shape in cross section so that the right-angled portion is at the tip of the protrusion (42). The ultrasonic sensors (Sti) and (Sto) are attached to two surfaces sandwiching the right angle portion of the projecting portion (42). Since this attachment structure is the same as that shown in FIG. 3 in an enlarged manner, the same components as those in FIG. Of course, instead of the same configuration as in FIG. 3, the configuration of FIG. According to this embodiment, the sensor installation location is reinforced by the projecting portion (42), so that strength reduction due to sensor installation is prevented. The protruding portion (42) may be provided only at the sensor installation position (the uppermost portion, the lowermost portion, and the upper and lower intermediate portions of the fixed-side track member (23)), and is continuous in the circumferential direction (the cross-sectional shape is constant) It may be provided).
なお、上記においては、センサ付きハブユニットについて説明したが、上記センサ装置は、ハブユニット以外の各種転がり軸受に一体化して使用することができる。 In addition, in the above, although the hub unit with a sensor was demonstrated, the said sensor apparatus can be integrated and used for various rolling bearings other than a hub unit.
(1) 転がり軸受
(2) センサ装置
(3) 固定側軌道部材
(3b) めねじ部
(3c) めねじ部
(4) 回転側軌道部材
(5) 玉(転動体)
(Sti)(Sto)(Sbi)(Sbo) 超音波センサ
(22) センサ装置
(23) 固定側軌道部材
(31) ケース
(31a) おねじ部
(32) 振動子
(61) ケース
(61a) フランジ部
(62) 振動子
(63) ボルト
(1) Rolling bearing
(2) Sensor device
(3) Fixed side raceway member
(3b) Female thread
(3c) Female thread
(4) Rotating track member
(5) Ball (rolling element)
(Sti) (Sto) (Sbi) (Sbo) Ultrasonic sensor
(22) Sensor device
(23) Fixed track member
(31) Case
(31a) Male thread
(32) Vibrator
(61) Case
(61a) Flange
(62) Vibrator
(63) Bolt
Claims (4)
転がり軸受は、自動車用ハブユニットであり、センサ装置は、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および左右方向成分を求める処理手段とを備えており、転動体荷重からハブユニットに作用する荷重を求める式として、処理手段に下記式(1)が設けられていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
f1=a+bFy+cFz+dMx
f2=a+bFy+cFx+dMz
f3=a+bFy−cFz−dMx
f4=a+bFy−cFx−dMz ……… 式(1)
f5=a−bFy+cFz−dMx
f6=a−bFy+cFx−dMz
f7=a−bFy−cFz+dMx
f8=a−bFy−cFx+dMz
ただし、a:ハブユニットの予圧による転動体荷重、b,c,d:外力に依存しない係数、Fx,Fy,Fz:荷重の前後(x軸)方向成分、左右(y軸)方向成分および上下(z軸)方向成分、Mx,Mz:x軸、z軸回りのモーメント、f1〜f8:各センサ位置での転動体荷重。 In a rolling bearing device with a sensor provided with a rolling bearing having a stationary race member, a rotating race member and rolling elements, and a sensor device,
The rolling bearing is an automotive hub unit, and the sensor device is provided at least at two locations spaced apart in the circumferential direction of the fixed-side raceway member, and an ultrasonic sensor that detects the rolling element load as an echo ratio, A processing means for obtaining at least a vertical component and a horizontal component among the three directions of the load acting on the rolling bearing from the output of the ultrasonic sensor, and an expression for obtaining the load acting on the hub unit from the rolling element load A rolling bearing device with a sensor , wherein the processing means is provided with the following formula (1) .
f1 = a + bFy + cFz + dMx
f2 = a + bFy + cFx + dMz
f3 = a + bFy-cFz-dMx
f4 = a + bFy−cFx−dMz Equation (1)
f5 = a−bFy + cFz−dMx
f6 = a−bFy + cFx−dMz
f7 = a−bFy−cFz + dMx
f8 = a−bFy−cFx + dMz
Where a: rolling element load due to preload of the hub unit, b, c, d: coefficients not depending on external force, Fx, Fy, Fz: front-rear (x-axis) direction component, left-right (y-axis) direction component, and upper and lower (Z-axis) direction component, Mx, Mz: x-axis, moment about z-axis, f1-f8: rolling element load at each sensor position.
Mx=r×Fy+e×Fz ……… 式(2)
ただし、r:車輪転がり半径、e:y軸方向におけるFzの作用点とハブユニット中心のずれ。 The number of sensors is two, and the processing means obtains the vertical component and the horizontal component of the load acting on the rolling bearing from two appropriate formulas of formula (1) and formula (2) below. The rolling bearing device with a sensor according to claim 1 .
Mx = r × Fy + e × Fz (2)
However, r: Wheel rolling radius, e: Deviation between the action point of Fz and the hub unit center in the y-axis direction.
My=r×Fx ……… 式(3)
ただし、My:y軸回りのモーメント。 The number of sensors is four, and the processing means uses four appropriate expressions in the expression (1), the expression (2), and the following expression (3), the vertical component and the longitudinal component of the load acting on the rolling bearing. The rolling bearing device with a sensor according to claim 1 , wherein the rolling bearing device with a sensor is used for obtaining a left-right component.
My = r × Fx ……… Formula (3)
However, My: moment about the y-axis.
センサ装置は、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および左右方向成分を求める処理手段とを備え、
超音波センサで測定されたエコー比を用いて転がり軸受に作用する荷重が求められており、そのための式として、処理手段に下記式(4)〜式(6)が設けられていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
j1=k+lFy+mFz+nMx
j2=k+lFy+mFx+nMz
j3=k+lFy−mFz−nMx
j4=k+lFy−mFx−nMz ……… 式(4)
j5=k−lFy+mFz−nMx
j6=k−lFy+mFx−nMz
j7=k−lFy−mFz+nMx
j8=k−lFy−mFx+nMz
Mx=r×Fy+e×Fz ……… 式(5)
My=r×Fx ……… 式(6)
ただし、k:ハブユニットの予圧によるエコー比、l,m,n:外力に依存しない係数、Fx,Fy,Fz:荷重の前後(x軸)方向成分、左右(y軸)方向成分および上下(z軸)方向成分、Mx,My,Mz:x軸、y軸、z軸回りのモーメント、j1〜j8:各センサ位置でのエコー比、r:車輪転がり半径、e:y軸方向におけるFzの作用点とハブユニット中心のずれ。 In a rolling bearing device with a sensor provided with a rolling bearing having a stationary race member, a rotating race member and rolling elements, and a sensor device,
The sensor device is provided in at least two places with a predetermined interval in the circumferential direction of the fixed-side track member, and detects the rolling element load as an echo ratio, and acts on the rolling bearing from the output of each ultrasonic sensor. Processing means for obtaining at least a vertical component and a horizontal component among the three directional components of the load,
The load acting on the rolling bearing is calculated using the echo ratio measured by the ultrasonic sensor, and the following formulas (4) to (6) are provided in the processing means as formulas for that purpose. and to Ruse capacitors rolling bearing device.
j1 = k + lFy + mFz + nMx
j2 = k + lFy + mFx + nMz
j3 = k + lFy-mFz-nMx
j4 = k + lFy−mFx−nMz Equation (4)
j5 = k−1Fy + mFz−nMx
j6 = k−1Fy + mFx−nMz
j7 = k−1Fy−mFz + nMx
j8 = k-1Fy-mFx + nMz
Mx = r × Fy + e × Fz (5)
My = r × Fx Equation (6)
Where k: echo ratio due to hub unit preload, l, m, n: coefficients independent of external force, Fx, Fy, Fz: longitudinal (x-axis) direction component, lateral (y-axis) direction component and vertical ( z-axis) direction component, Mx, My, Mz: x-axis, y-axis, moment about z-axis, j1 to j8: echo ratio at each sensor position, r: wheel rolling radius, e: Fz in y-axis direction Deviation between the operating point and the hub unit center.
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