JP2012058141A - Wheel bearing with sensor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、車輪の軸受部にかかる荷重を検出する荷重検出センサを内蔵したセンサ付車輪用軸受に関する。 The present invention relates to a sensor-equipped wheel bearing having a built-in load detection sensor for detecting a load applied to a bearing portion of the wheel.
自動車の各車輪にかかる荷重を検出する技術として、車輪用軸受の外輪に歪みゲージを貼り付け、外輪外径面の歪みから荷重を検出するようにした車輪用軸受が提案されている(例えば特許文献1)。しかし、特許文献1に開示の技術では、車輪用軸受に作用する荷重を検出する場合、荷重に対する固定輪変形量が小さいため歪み量も小さく、検出感度が低くなり、荷重を精度良く検出できない。
As a technique for detecting a load applied to each wheel of an automobile, a wheel bearing has been proposed in which a strain gauge is attached to the outer ring of a wheel bearing and the load is detected from the distortion of the outer surface of the outer ring (for example, a patent) Reference 1). However, in the technique disclosed in
この課題を解決するものとして、以下の構成としたセンサ付車輪用軸受が提案されている(特許文献2)。同文献のセンサ付車輪用軸受における車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、上記転走面と対向する転走面が外周に形成された内方部材と、両部材の対向する転走面間に介在した複列の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する。上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材の外径面には、その固定側部材の円周方向における180度の位相差をなす位置に配置された2つのセンサユニットからなるセンサユニット対を少なくとも1対設ける。各センサユニットは、前記固定側部材の外径面に接触して固定される2つ以上の接触固定部を有する歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられて歪み発生部材の歪みを検出するセンサを有するものとする。 As a solution to this problem, a sensor-equipped wheel bearing having the following configuration has been proposed (Patent Document 2). The wheel bearing in the sensor-equipped wheel bearing of the same document includes an outer member in which a double row rolling surface is formed on the inner periphery, and an inner member in which the rolling surface opposite to the rolling surface is formed on the outer periphery. A member and a double row rolling element interposed between the opposing rolling surfaces of both members are provided, and the wheel is rotatably supported with respect to the vehicle body. A sensor unit comprising two sensor units arranged on the outer diameter surface of the fixed side member of the outer member and the inner member at a position that forms a phase difference of 180 degrees in the circumferential direction of the fixed side member. At least one pair is provided. Each sensor unit has a strain generating member having two or more contact fixing portions fixed in contact with the outer diameter surface of the fixed side member, and detects the strain of the strain generating member attached to the strain generating member. It shall have a sensor.
この構成において、前記センサユニット対における2つのセンサユニットのセンサ出力信号の差分を基に、径方向荷重推定手段で、車輪用軸受の径方向に作用する径方向荷重を推定する。また、前記センサユニット対における2つのセンサユニットのセンサ出力信号の和を基に、軸方向荷重推定手段で、車輪用軸受の軸方向に作用する軸方向荷重を推定する。そして、少なくとも1対のセンサユニット対の2つのセンサユニットは、タイヤ接地面に対して上下位置となる前記固定側部材の外径面の上面部と下面部に配置する。このセンサユニット対のセンサの出力信号振幅を基に、軸方向荷重方向判別手段で、前記軸方向荷重の方向を判別する。この場合の荷重推定処理の概略を図22にブロック図で示す。 In this configuration, based on the difference between the sensor output signals of the two sensor units in the sensor unit pair, the radial load estimating means estimates the radial load acting in the radial direction of the wheel bearing. Further, based on the sum of the sensor output signals of the two sensor units in the sensor unit pair, the axial load acting means estimates the axial load acting in the axial direction of the wheel bearing. Then, the two sensor units of at least one pair of sensor units are arranged on the upper surface portion and the lower surface portion of the outer diameter surface of the fixed side member that is in the vertical position with respect to the tire ground contact surface. Based on the output signal amplitude of the sensor of the sensor unit pair, the axial load direction determining means determines the direction of the axial load. An outline of the load estimation process in this case is shown in a block diagram in FIG.
前記センサユニットにおける歪み発生部材の接触固定部を、車輪用軸受における固定側部材の転走面付近に配置すると、車輪の回転に伴ってセンサ出力信号に図23のような正弦波に近い変動が見られる。これは、転動体の通過による歪みの変化が検出されたものである。上記構成では、上下に配置した2つのセンサユニットのセンサ出力信号における振幅値(転動体の公転運動に伴う振動成分)の差分により、軸方向荷重を判別し、軸方向荷重の正負に応じて、それぞれに適した荷重推定パラメータを用いて荷重を演算するので、荷重を感度良く推定できる。 When the contact fixing portion of the strain generating member in the sensor unit is disposed in the vicinity of the rolling surface of the fixed member in the wheel bearing, the sensor output signal is fluctuated close to a sine wave as shown in FIG. 23 as the wheel rotates. It can be seen. This is a change in distortion due to the passage of rolling elements. In the above configuration, the axial load is determined based on the difference between the amplitude values (vibration components accompanying the revolution motion of the rolling elements) in the sensor output signals of the two sensor units arranged above and below, and depending on whether the axial load is positive or negative, Since the load is calculated using load estimation parameters suitable for each, the load can be estimated with high sensitivity.
しかし、特許文献2の構成の場合、最適な荷重推定パラメータを選択するために、センサ出力信号の振幅値を算出する必要があり、振幅値を算出できない場合に対応できない。すなわち、回転が静止している状態、あるいは極低速回転状態においては、転動体荷重による信号変化がないか、または非常にゆっくりとした変化しかない状態となる。この場合には、センサ出力信号の変動から振幅の大きさを求めることはできない。
However, in the case of the configuration of
一方、転動体荷重によるセンサ出力信号の振幅値を静止状態においても検出する手段として、転動体荷重の影響を観測するのに十分な領域(転動体の配置ピッチに相当する周方向長さ)に複数のセンサを配置して、歪みの分布を直接測定する手段もある。しかしながら、この場合、センサ個数が増加し、検出回路が複雑化するため、コストアップと信頼性確保が新たな課題となる。 On the other hand, as a means for detecting the amplitude value of the sensor output signal due to the rolling element load even in a stationary state, in a region sufficient to observe the influence of the rolling element load (the circumferential length corresponding to the arrangement pitch of the rolling elements) There is also a means for directly measuring the strain distribution by arranging a plurality of sensors. However, in this case, the number of sensors increases, and the detection circuit becomes complicated, so that cost increases and reliability are new issues.
そこで、本発明者等は、センサ付車輪用軸受におけるさらに新たな荷重推定手段として、図24にブロック図で示す構成のものを開発した。ここで,Aは後述するように、転動体信号が180°位相差となる位置に近接して配置した2つのセンサ出力の平均値を示すものとする。この構成では、荷重推定演算式として、変数としてセンサ出力信号の平均値Aのみを用いる式と、変数としてセンサ出力信号の平均値Aと振幅値Bとを用いる式とを用意し、回転速度によって荷重演算処理を切り替えるようにしている。すなわち、通常走行状態では、センサ出力信号の平均値Aと振幅値Bを用いた演算式による荷重推定演算を行い、低速あるいは停止状態においては前記平均値Aだけを用いた演算式による荷重推定演算を行う。この構成の場合、回転速度の判定に、回転速度情報を用いる。 Accordingly, the present inventors have developed a new load estimating means in the sensor-equipped wheel bearing having the configuration shown in the block diagram of FIG. Here, as will be described later, A represents an average value of two sensor outputs arranged close to a position where the rolling element signal has a phase difference of 180 °. In this configuration, as the load estimation calculation formula, there are prepared a formula using only the average value A of the sensor output signal as a variable, and a formula using the average value A and the amplitude value B of the sensor output signal as variables. The load calculation process is switched. That is, in the normal running state, the load estimation calculation is performed by an arithmetic expression using the average value A and the amplitude value B of the sensor output signal, and the load estimation calculation by the arithmetic expression using only the average value A is performed at a low speed or in a stop state. I do. In the case of this configuration, rotation speed information is used to determine the rotation speed.
特許文献2の構成のものや、本発明者等が新たに提案した上記構成のもののように、検出されたセンサ出力信号の状態や推定された荷重の状態に応じて、複数の荷重推定パラメータの中から最適なものを選択し、推定荷重を演算する構成とした場合、センサの非線形特性などが補正された誤差の小さな検出結果を得ることができる。
According to the state of the detected sensor output signal and the state of the estimated load, such as the configuration of
しかし、この場合、複数の条件によって荷重推定パラメータを選択すると、演算の結果得られる推定荷重値が、パラメータの切り替えによって不連続となる場合がある。このような不連続な変化は、検出した推定荷重値に基づいて各種の操作を実行する自動車などにおける制御システムにとっては好ましくない。 However, in this case, when the load estimation parameter is selected according to a plurality of conditions, the estimated load value obtained as a result of the calculation may become discontinuous due to the parameter switching. Such a discontinuous change is not preferable for a control system in an automobile or the like that executes various operations based on the detected estimated load value.
この発明の目的は、センサの非線形特性を補正して荷重推定誤差を低減させつつ、様々な入力荷重状態に応じて連続的な推定荷重を得ることができるセンサ付車輪用軸受を提供することである。 An object of the present invention is to provide a sensor-equipped wheel bearing capable of obtaining a continuous estimated load according to various input load states while correcting a nonlinear characteristic of the sensor to reduce a load estimation error. is there.
この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材1と、前記転走面と対向する転走面が外周に形成された内方部材2と、両部材の対向する転走面間に介在した複列の転動体5とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、上記外方部材1および内方部材2のうちの固定側部材に複数の荷重検出用センサユニット20を設け、前記センサユニット20は、前記固定側部材に接触して固定される2つ以上の接触固定部21aを有する歪み発生部材21、およびこの歪み発生部材21に取付けられてこの歪み発生部材21の歪みを検出する1つ以上のセンサ22,22A,22Bを有し、これら複数のセンサユニット20のセンサ22,22A,22Bの出力信号から車輪に加わる荷重を推定する荷重推定手段30を設けたセンサ付車輪用軸受であって、
前記荷重推定手段30は、前記各センサユニット20のセンサ22の出力信号を定められた推定演算式に当て嵌めて車輪用軸受に作用する荷重を演算する荷重推定演算部35と、前記複数のセンサユニット20のセンサ22の出力信号から前記推定演算式のパラメータの切り替えの指標となる1つ以上の評価値Ei を算出する評価値算出部32と、前記評価値Ei を定められたしきい値Ci と比較し、その比較結果により前記推定演算式のパラメータを切り替えるパラメータ切替部34とを備え、前記荷重推定演算部35は、前記評価値Ei が前記しきい値Ci を含む定められた領域内にあるとき、しきい値Ci を挟む両側の評価値領域でのパラメータを用いて前記推定演算式で演算された2つの荷重推定結果を合成することにより演算結果を補正する演算補正部35aを有するものとしたことを特徴とする。
The sensor-equipped wheel bearing according to the present invention includes an
The load estimation means 30 includes a load
この構成によると、各センサユニット20のセンサ出力信号を定められた推定演算式に当て嵌めて車輪用軸受に作用する荷重を演算する荷重演算部35を有する荷重推定手段30では、複数のセンサユニット20のセンサ出力信号から前記推定演算式のパラメータの切り替えの指標となる1つ以上の評価値Ei を評価値算出部32で算出し、またパラメータ切替部34でその評価値Ei を定められたしきい値Ci と比較し、その比較結果により前記パラメータを切り替える。さらに荷重演算部35では、評価値Ei がしきい値Ci を挟む定められた領域内にあるとき、補正演算部35aが、しきい値Ci を挟む両側の評価値領域でのパラメータを用いて前記推定演算式で演算された2つの荷重推定結果を合成することにより演算結果を補正する。このため、センサ22の非線形特性を補正して荷重推定誤差を低減させつつ、様々な入力荷重状態に応じて連続的な推定荷重を得ることができる。
According to this configuration, the load estimation means 30 having the
この発明において、前記評価値算出部32が算出する評価値Ei は車両走行速度を示すものであっても良い。この構成の場合、荷重推定演算部35で用いられる推定演算式のパラメータを車輪の回転速度領域に応じたものに切り替えて、車輪に加わる荷重を信頼性良く推定することができる。
In the present invention, the evaluation value Ei calculated by the evaluation
また、この発明において、前記評価値算出部32は、タイヤ接地面に対して上下位置となる前記固定側部材の外径面の上面部および下面部に設けられたセンサユニット20のセンサ22の出力信号の振幅値の差分を前記評価値Ei として算出するものであっても良い。この構成の場合、上下荷重に応じたより精度の良い荷重推定が行える。
Moreover, in this invention, the said evaluation
また、前記評価値算出部32は、タイヤ接地面に対して左右位置となる前記固定側部材の外径面の左面部および右面部に設けられたセンサユニット20のセンサ22の出力信号の振幅値の差分を前記評価値Ei として算出するものであっても良い。この構成の場合、車両推進方向の荷重に応じたより精度の良い荷重推定が行える。
Further, the evaluation
さらには、前記評価値算出部32は、車両走行速度を示す評価値、タイヤ接地面に対して上下位置となる前記固定側部材の外径面の上面部および下面部に設けられたセンサユニット20のセンサ22の出力信号の振幅値の差分として求められる評価値、およびタイヤ接地面に対して左右位置となる前記固定側部材の外径面の左面部および右面部に設けられたセンサユニット20のセンサ22の出力信号の振幅値の差分として求められる評価値のいずれか2つ以上の評価値を複合したものを評価値Ei として算出するものであっても良い。この構成の場合、各方向の荷重に応じたより精度の良い荷重推定が行える。
Further, the evaluation
この発明において、前記荷重推定演算部35の演算補正部35aが演算結果を補正する前記評価値Ei の前記しきい値Ci を含む定められ領域は、しきい値Ci を超える所定幅mの領域と、しきい値Ci に至る所定幅mの領域を合わせた領域であっても良い。この領域とすることで、安定した補正が簡単な演算で行える。
In the present invention, the predetermined area including the threshold value Ci of the evaluation value Ei for which the
この発明において、前記荷重推定演算部35の演算補正部35aが前記評価値Ei の前記しきい値Ci を含む定められた領域で前記2つの荷重推定結果を合成して行う演算結果の補正は、前記2つの荷重推定結果の線形和を求めるものであっても良い。この構成の場合、簡単な演算でより精度の良い荷重推定が行える。
In this invention, the
この発明において、前記荷重推定演算部35の演算補正部35aが前記評価値Ei の前記しきい値Ci を含む定められた領域で前記2つの荷重推定結果を合成して行う演算結果の補正は、前記2つの荷重推定結果の合成を2次以上の関数を用いて行うものであっても良い。この構成の場合、より精度の良い荷重推定が行える。
In this invention, the
この発明において、前記センサユニット20を3つ以上設け、前記荷重推定手段30は、前記3つ以上のセンサユニット20のセンサ20の出力信号から、車輪用軸受の径方向に作用する上下方向および左右方向の2つの径方向荷重と、軸方向に作用する一つの軸方向荷重との3方向の荷重を推定するものとしても良い。この構成とすることで、各方向の荷重の推定が可能となる。
In the present invention, three or more of the
この発明において、前記センサユニット20を、タイヤ接地面に対して上下位置および左右位置となる前記固定側部材の外径面の上面部、下面部、右面部、および左面部に円周方向90度の位相差で4つ等配しても良い。このように4つのセンサユニット20を配置することで、車輪用軸受に作用する垂直方向荷重Fz 、駆動力や制動力となる荷重Fx 、軸方向荷重Fy を、より精度良く推定することができる。
In the present invention, the
この発明において、前記荷重推定手段30は、上下位置に対向して配置される2つのセンサユニット20のセンサ22の出力信号の振幅値の差分を用いて、軸方向荷重の方向を判別する方向判別部33を有し、前記パラメータ切り替え部34は、前記方向判別部33の判別結果に対応して前記荷重推定演算部35の推定演算式のパラメータの切り替えを行う方向対応命令部34aを有するものとしても良い。この構成により、車輪用軸受に作用する軸方向荷重の方向に応じた精度のより優れた荷重推定を行うことができる。
In the present invention, the load estimating means 30 determines the direction of the axial load by using the difference between the amplitude values of the output signals of the
この発明において、前記荷重推定手段30は前記各センサユニットにおける各センサの出力信号の一定時間内の平均値と振幅値を算出する前処理部31を有し、前記荷重推定演算部35の推定演算式は、前記平均値のみ、または振幅値のみ、または前記平均値と振幅値の両方の、いずれかを用いて荷重を演算処理するものとしても良い。
In the present invention, the load estimation means 30 has a
この発明において、前記センサユニット20は3つ以上の接触固定部21aと2つのセンサ22を有し、隣り合う第1および第2の接触固定部21aの間、および隣り合う第2および第3の接触固定部21aの間に各センサ22をそれぞれ取付け、隣り合う接触固定部21aもしくは隣り合うセンサ22の前記固定側部材の円周方向についての間隔を、転動体5の配列ピッチの{1/2+n(n:整数)}倍とし、前記荷重推定手段30は前記2つのセンサ22の出力信号の和を平均値として用いるものとしても良い。
この構成の場合、2つのセンサ22の出力信号は略180度の位相差を有することになり、その平均値は転動体通過による変動成分をキャンセルした値となる。また、振幅値は温度の影響やナックル・フランジ面間などの滑りの影響をより確実に排除した正確なものとなる。
In the present invention, the
In the case of this configuration, the output signals of the two
この発明において、前記各センサユニット22に温度センサ36を設け、この温度センサ36の出力信号に基づき、センサユニット22のセンサ出力信号を補正するものとしても良い。この構成の場合、センサユニット22のセンサ出力信号の温度ドリフトを補正することができ、より一層精度良く、荷重の推定が行える。
In the present invention, each
この発明のセンサ付車輪用軸受は、複列の転走面が内周に形成された外方部材と、前記転走面と対向する転走面が外周に形成された内方部材と、両部材の対向する転走面間に介在した複列の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受において、上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に複数の荷重検出用センサユニットを設け、前記センサユニットは、前記固定側部材に接触して固定される2つ以上の接触固定部を有する歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出する1つ以上のセンサを有し、これら複数のセンサユニットのセンサの出力信号から車輪に加わる荷重を推定する荷重推定手段を設けたセンサ付車輪用軸受であって、前記荷重推定手段は、前記各センサユニットのセンサの出力信号を定められた推定演算式に当て嵌めて車輪用軸受に作用する荷重を演算する荷重演算部と、前記複数のセンサユニットのセンサの出力信号から前記推定演算式のパラメータの切り替えの指標となる1つ以上の評価値を算出する評価値算出部と、前記評価値を定められたしきい値と比較し、その比較結果により前記推定演算式のパラメータを切り替えるパラメータ切替部とを備え、前記荷重演算部は、前記評価値が前記しきい値を含む定められた領域内にあるとき、しきい値を挟む両側の評価値領域でのパラメータを用いて前記推定演算式で演算された2つの荷重推定結果を合成することにより演算結果を補正する演算補正部を有するものとしたため、センサの非線形特性を補正して荷重推定誤差を低減させつつ、様々な入力荷重状態に応じて連続的な推定荷重を得ることができる。 The sensor-equipped wheel bearing according to the present invention includes an outer member having a double-row rolling surface formed on the inner periphery, an inner member having a rolling surface opposed to the rolling surface formed on the outer periphery, A wheel bearing comprising a double row rolling element interposed between opposing rolling surfaces of the member and rotatably supporting the wheel with respect to the vehicle body, wherein the fixed side member of the outer member and the inner member A plurality of load detecting sensor units, and the sensor unit is provided with a strain generating member having two or more contact fixing parts fixed in contact with the fixed side member, and attached to the strain generating member. A sensor-equipped wheel bearing having one or more sensors for detecting strain of a strain generating member and provided with load estimation means for estimating a load applied to the wheel from the output signals of the sensors of the plurality of sensor units, The load estimating means includes A load calculation unit that calculates the load acting on the wheel bearing by fitting the output signal of the sensor of the sensor unit to a predetermined estimation calculation formula, and the parameters of the estimation calculation formula from the output signals of the sensors of the plurality of sensor units An evaluation value calculation unit that calculates one or more evaluation values that serve as an index of switching, and a parameter switching unit that compares the evaluation value with a predetermined threshold value and switches a parameter of the estimation arithmetic expression according to the comparison result And when the evaluation value is within a predetermined region including the threshold value, the load calculation unit uses the parameters in the evaluation value regions on both sides sandwiching the threshold value to Since the calculation correction unit corrects the calculation result by combining the two calculated load estimation results, the nonlinear characteristic of the sensor is corrected to reduce the load estimation error. , It is possible to obtain a continuous estimation load in response to various input load state.
この発明の一実施形態を図1ないし図16と共に説明する。この実施形態は、第3世代型の内輪回転タイプで、駆動輪支持用の車輪用軸受に適用したものである。なお、この明細書において、車両に取付けた状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment is a third generation inner ring rotating type and is applied to a wheel bearing for driving wheel support. In this specification, the side closer to the outer side in the vehicle width direction of the vehicle when attached to the vehicle is referred to as the outboard side, and the side closer to the center of the vehicle is referred to as the inboard side.
このセンサ付車輪用軸受における軸受は、図1に断面図で示すように、内周に複列の転走面3を形成した外方部材1と、これら各転走面3に対向する転走面4を外周に形成した内方部材2と、これら外方部材1および内方部材2の転走面3,4間に介在した複列の転動体5とで構成される。この車輪用軸受は、複列のアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体5はボールからなり、各列毎に保持器6で保持されている。上記転走面3,4は断面円弧状であり、ボール接触角が背面合わせとなるように形成されている。外方部材1と内方部材2との間の軸受空間の両端は、一対のシール7,8によってそれぞれ密封されている。
As shown in the sectional view of FIG. 1, the bearing for this sensor-equipped wheel bearing includes an
外方部材1は固定側部材となるものであって、車体の懸架装置(図示せず)におけるナックル16に取付ける車体取付用フランジ1aを外周に有し、全体が一体の部品とされている。フランジ1aには周方向複数箇所にナックル取付用のねじ孔14が設けられ、インボード側よりナックル16のボルト挿通孔17に挿通したナックルボルト(図示せず)を前記ねじ孔14に螺合することにより、車体取付用フランジ1aがナックル16に取付けられる。
内方部材2は回転側部材となるものであって、車輪取付用のハブフランジ9aを有するハブ輪9と、このハブ輪9の軸部9bのインボード側端の外周に嵌合した内輪10とでなる。これらハブ輪9および内輪10に、前記各列の転走面4が形成されている。ハブ輪9のインボード側端の外周には段差を持って小径となる内輪嵌合面12が設けられ、この内輪嵌合面12に内輪10が嵌合している。ハブ輪9の中心には貫通孔11が設けられている。ハブフランジ9aには、周方向複数箇所にハブボルト(図示せず)の圧入孔15が設けられている。ハブ輪9のハブフランジ9aの根元部付近には、車輪および制動部品(図示せず)を案内する円筒状のパイロット部13がアウトボード側に突出している。
The
The
図2は、この車輪用軸受の外方部材1をアウトボード側から見た正面図を示す。なお、図1は、図2におけるI−I矢視断面図を示す。前記車体取付用フランジ1aは、図2のように、各ねじ孔14が設けられた円周方向部分が他の部分よりも外径側へ突出した突片1aaとされている。
FIG. 2 shows a front view of the
固定側部材である外方部材1の外径面には、4つのセンサユニット20が設けられている。ここでは、これらのセンサユニット20が、タイヤ接地面に対して上下位置および前後位置となる外方部材1の外径面における上面部、下面部、右面部および左面部に設けられている。
Four
これらのセンサユニット20は、図3および図4に拡大平面図および拡大断面図で示すように、歪み発生部材21と、この歪み発生部材21に取付けられて歪み発生部材21の歪みを検出する2つの歪みセンサ22A,22Bとでなる。歪み発生部材21は、鋼材等の弾性変形可能な金属製で2mm以下の薄板材からなり、平面概形が全長にわたり均一幅の帯状で両側辺部に切欠き部21bを有する。切欠き部21bの隅部は断面円弧状とされている。また、歪み発生部材21は、外方部材1の外径面にスペーサ23を介して接触固定される3つの接触固定部21aを有する。3つの接触固定部21aは、歪み発生部材21の長手方向に向け1列に並べて配置される。2つの歪みセンサ22A,22Bは、歪み発生部材21における各方向の荷重に対して歪みが大きくなる箇所に貼り付けられる。具体的には、歪み発生部材21の外面側で隣り合う接触固定部21aの間に配置される。つまり、図4において、左端の接触固定部21aと中央の接触固定部21aとの間に1つの歪みセンサ22Aが配置され、中央の接触固定部21aと右端の接触固定部21aとの間に他の1つの歪みセンサ22Bが配置される。切欠き部21bは、図3のように、歪み発生部材21の両側辺部における前記歪みセンサ22の配置部に対応する2箇所の位置にそれぞれ形成されている。これにより、歪みセンサ22A,22Bは歪み発生部材21の切欠き部21b周辺における長手方向の歪みを検出する。なお、歪み発生部材21は、固定側部材である外方部材1に作用する外力、またはタイヤと路面間に作用する作用力として、想定される最大の力が印加された状態においても、塑性変形しないものとするのが望ましい。塑性変形が生じると、外方部材1の変形がセンサユニット20に伝わらず、歪みの測定に影響を及ぼすからである。
These
前記センサユニット20は、その歪み発生部材21の3つの接触固定部21aが、外方部材1の軸方向について同じ位置で、かつ各接触固定部21aが互いに円周方向に離れた位置に来るように配置され、これら接触固定部21aがそれぞれスペーサ23を介してボルト24により外方部材1の外径面に固定される。前記各ボルト24は、それぞれ接触固定部21aに設けられた径方向に貫通するボルト挿通孔25からスペーサ23のボルト挿通孔26に挿通し、外方部材1の外周部に設けられたねじ孔27に螺合させる。このように、スペーサ23を介して外方部材1の外径面に接触固定部21aを固定することにより、薄板状である歪み発生部材21における切欠き部21bを有する各部位が外方部材1の外径面から離れた状態となり、切欠き部21bの周辺の歪み変形が容易となる。接触固定部21aが配置される軸方向位置として、ここでは外方部材1のアウトボード側列の転走面3の周辺となる軸方向位置が選ばれる。ここでいうアウトボード側列の転走面3の周辺とは、インボード側列およびアウトボード側列の転走面3の中間位置からアウトボード側列の転走面3の形成部までの範囲である。外方部材1の外径面へセンサユニット20を安定良く固定する上で、外方部材1の外径面における前記スペーサ23が接触固定される箇所には平坦部1bが形成される。
In the
このほか、図5に断面図で示すように、外方部材1の外径面における前記歪み発生部材21の3つの接触固定部21aが固定される3箇所の各中間部に溝1cを設けることで、前記スペーサ23を省略し、歪み発生部材21における切欠き部21bが位置する各部位を外方部材1の外径面から離すようにしても良い。
In addition, as shown in a cross-sectional view in FIG. 5,
歪みセンサ22としては、種々のものを使用することができる。例えば、歪みセンサ22A,22Bを金属箔ストレインゲージで構成することができる。その場合、通常、歪み発生部材21に対しては接着による固定が行なわれる。また、歪みセンサ22A,22Bを歪み発生部材21上に厚膜抵抗体にて形成することもできる。
センサユニット20の歪みセンサ22A,22Bは、図1に示すように、その出力信号から車輪に加わる荷重を推定する荷重推定手段30に接続される。ここでは、車輪の軸方向に作用する軸方向荷重Fy と、垂直方向に作用する垂直方向荷重Fz と、駆動力や制動力となる前後方向に作用する荷重Fx が推定される。この荷重推定手段30は、前処理部31と、評価値算出部32と、Fy 方向判別部33と、パラメータ切替部34と、荷重推定演算部35とを有する。
As shown in FIG. 1, the
前処理部31では、センサユニット20における2つの歪みセンサ22A,22Bの出力信号から、その平均値Aと振幅値Bとを算出する。具体的には、前処理部31は図14のように加算器からなる平均値演算部31aと、減算器からなる振幅演算部31bとを備え、平均演算部31aでは2つの歪みセンサ22A,22Bの出力信号の和を演算して、その和を平均値として取り出す。振幅演算部31bでは、2つの歪みセンサ22A,22Bの出力信号の差分を演算して、その差分値を振幅値Bとして取り出す。
The preprocessing
センサユニット20は、外方部材1のアウトボード側列の転走面3の周辺となる軸方向位置に設けられるので、歪みセンサ22A,22Bの出力信号a,bは、図6のようにセンサユニット20の設置部の近傍を通過する転動体5の影響を受ける。また、軸受の停止時においても、歪みセンサ22A,22Bの出力信号a,bは、転動体5の位置の影響を受ける。すなわち、転動体5がセンサユニット20における歪みセンサ22A,22Bに最も近い位置を通過するとき(または、その位置に転動体5があるとき)、歪みセンサ22A,22Bの出力信号a,bの振幅は最大値となり、図6(A),(B)のように転動体5がその位置から遠ざかるにつれて(または、その位置から離れた位置に転動体5があるとき)低下する。軸受回転時には、転動体5は所定の配列ピッチPで前記センサユニット20の設置部の近傍を順次通過するので、歪みセンサ22A,22Bの出力信号a,bは、その振幅が転動体5の配列ピッチPを周期として図6(C)に実線で示すように周期的に変化する正弦波に近い波形となる。また、歪みセンサ22A,22Bの出力信号a,bの振幅は、温度の影響やナックル16と車体取付用フランジ1a(図1)の面間などの滑りによるヒステリシスの影響を受ける。この実施形態では、前処理部31において、各センサユニット20における2つの歪みセンサ22A,22Bの出力信号a,bの振幅の和を上記した平均値Aとし、振幅の差分(絶対値)|a−b|を時間平均して、上記した振幅値Bとして求める。これにより、平均値Aは転動体5の通過による変動成分をキャンセルした値となる。また、振幅値Bは、2つの歪みセンサ22A,22Bの各出力信号a,bに現れる温度の影響やナックル・フランジ面間などの滑りの影響を相殺した値となる。したがって、この平均値Aと振幅値Bを用いることにより、車輪用軸受やタイヤ接地面に作用する荷重を正確に検出することができる。
Since the
図6では、固定側部材である外方部材1の外径面の円周方向に並ぶ3つの接触固定部21aのうち、その配列の両端に位置する2つの接触固定部21aの間隔を、転動体5の配列ピッチPと同一に設定している。この場合、隣り合う接触固定部21aの中間位置にそれぞれ配置される2つの歪みセンサ22A,22Bの間での前記円周方向の間隔は、転動体5の配列ピッチPの略1/2となる。その結果、2つの歪みセンサ22A,22Bの出力信号a,bは略180度の位相差を有することになり、上記した前処理部31で2つの歪みセンサ22A,22Bの出力信号a,bの和として求められる平均値Aは転動体5の通過による変動成分をキャンセルしたものとなる。また、その差分として求められる振幅値Bは温度の影響やナックル・フランジ面間などの滑りの影響を相殺した値となる。
In FIG. 6, among the three
なお、図6では、接触固定部21aの間隔を、転動体5の配列ピッチPと同一に設定し、隣り合う接触固定部21aの中間位置に各1つの歪みセンサ22A,22Bをそれぞれ配置することで、2つの歪みセンサ22A,22Bの間での前記円周方向の間隔を、転動体5の配列ピッチPの略1/2となるようにした。これとは別に、直接、2つの歪みセンサ22A,22Bの間での前記円周方向の間隔を、転動体5の配列ピッチPの1/2に設定しても良い。
この場合に、2つの歪みセンサ22A,22Bの前記円周方向の間隔を、転動体5の配列ピッチPの{1/2+n(n:整数)}倍、またはこれらの値に近似した値としても良い。この場合にも、両歪みセンサ22A,22Bの出力信号a,bの和は転動体5の通過による変動成分をキャンセルした値となる。
In FIG. 6, the interval between the
In this case, the circumferential interval between the two
評価値演算部32では、前処理部31で算出された各センサ出力信号の一定時間内における例えば振幅値Bを用いて、後述する荷重推定演算部35で用いる推定演算式のパラメータの切り替えの指標となる1つ以上の評価値Ei を算出する。この場合の添え字iは、複数のパラメータ切り替え条件を識別するものである。例えば、評価値Ei として、車両走行速度を示すものを求める一例として、前記振幅値Bの総和を算出するようにしても良い。そのほか、評価値Ei として、タイヤ接地面に対して上下位置となる前記外方部材1の外径面の上面部および下面部に設けられたセンサユニット20のセンサ出力信号から求められる振幅値Bの差分を算出するようにしても良い。また、評価値Ei として、タイヤ接地面に対して左右位置となる前記外方部材1の外径面の左面部および右面部に設けられたセンサユニット20のセンサ出力信号から求められる振幅値Bの差分を算出するようにしても良い。さらには、上記した複数の評価値Ei の中から2つ以上の評価値を選択して複合したものを評価値として算出するようにしても良い。
In the evaluation
パラメータ切替部34では、前記評価値Ei を定められたしきい値Ci と比較し、その比較結果により前記推定演算式のパラメータを切り替える。
In the
Fy 方向判別部33では、以下のようにして軸方向荷重Fy の方向を判別する。上記したように、車輪用軸受の回転中には、センサユニット20のセンサ出力信号の振幅には、正弦波に近い周期的な変化が生じるが、その振幅値は軸方向荷重(モーメント力)Fy の大きさによって変化する。図15(A)は外方部材1の外径面の上面部に配置されたセンサユニット20のセンサ出力を示し、図15(B)は外方部材1の外径面の下面部に配置されたセンサユニット20のセンサ出力を示している。これらの図において、横軸は軸方向荷重Fy を表し、縦軸は外方部材1の歪み量つまりセンサ出力信号を表し、最大値および最小値は信号の最大値および最小値を表す。これらの図から、軸方向荷重Fy が+方向の場合、個々の転動体5の荷重は外方部材1の外径面上面部で小さくなり(つまり振幅の最大値と最小値の差が小さくなる)、外方部材1の外径面下面部で大きくなる(つまり振幅の最大値と最小値の差が大きくなる)ことが分かる。これに対して、軸方向荷重Fy が−方向の場合には逆に、個々の転動体5の荷重は外方部材1の外径面上面部で大きくなり、外方部材1の外径面下面部で小さくなることが分かる。図16は、これら上下のセンサユニット20のセンサ出力信号の振幅の差分と軸方向荷重Fy の方向の関係をグラフで示している。
The Fy
そこで、Fy 方向判別部33では、外方部材1の外径面上面部および外径面下面部に配置されたセンサユニット20のセンサ出力信号の振幅の上記差分を求め、これらの値を比較することで、軸方向荷重Fy の方向を判別する。すなわち、外方部材1の外径面上面部のセンサ出力信号の最大値と最小値の差分が小さく、外方部材の外径面下面部のセンサユニット20のセンサ出力信号の最大値と最小値の差分が大きいとき、Fy 方向判別部33では、軸方向荷重Fy の方向が+方向であると判別する。逆に、外方部材1の外径面上面部のセンサユニット20のセンサ出力信号の最大値と最小値の差分が大きく、外方部材1の外径面下面部のセンサユニット20のセンサ出力信号の最大値と最小値の差分が小さいとき、Fy 方向判別部33では、軸方向荷重Fy の方向が−方向であると判別する。これに対応して、前記パラメータ切り替え部34は、荷重演算部35において軸方向荷重Fy の演算が行われるときに、前記Fy 方向判別部33の判別結果を反映させて演算推定式のパラメータを選択する等の命令を荷重演算部35に与える方向対応命令部34aを有する。
Therefore, the Fy
荷重推定演算部35では、各センサユニット20のセンサ出力信号を定められた推定演算式に当て嵌めて、車輪用軸受に作用する各荷重Fz ,Fx ,Fy を演算・推定する。この場合の推定演算式の変数としては、前記前処理部31で求められる平均値Aのみ、または振幅値Bのみを用いても良し、平均値Aと振幅値Bの両方を用いても良い。この荷重演算部35は、前記評価値Ei が前記しきい値Ci を含む定められた領域内にあるとき、しきい値Ci を含む両側の評価値領域でのパラメータを用いて前記推定演算式で演算された2つの荷重推定結果を合成することにより演算結果を補正する演算補正部35aを有する。
The load
ところで、パラメータ切替部34において、複数の条件に応じて荷重推定演算部35で用いられる推定演算式のパラメータを切り替えると、演算の結果から得られる推定荷重値は図7のように、切り替えによって不連続となる場合がある。なお、図7では、横軸をパラメータの切り替えに使用する評価値Ei とし、縦軸を演算した推定荷重値としている。この状態では、時系列の荷重推定結果は図8のようになり、不連続な部分が生じる。なお、図8では、横軸を時間軸とし、縦軸を演算した推定荷重値としている。
By the way, when the
自動車における制御システムのように、推定した荷重値に基づいて各種の操作を実行する制御システムにおいては、上記したように推定荷重値が不連続に変化するのは好ましくない。
そこで、この不連続性を解消する対策として、荷重推定演算部35に設けられた演算補正部35aでは、以下のような処理を行う。
先ず、評価値Ei における推定演算式のパラメータを切り替えるしきい値Ci 付近に、例えば図9のように幅2×mの境界領域[Ci-m ,Ci+m ]を設ける。この領域内では、評価値Ei におけるしきい値Ci を挟む両側での推定荷重値の不連続性を考慮した推定荷重を算出する処理を行う。
例えば、しきい値Ci の左側の領域での推定演算式のパラメータをM1とし、右側の領域での推定演算式のパラメータをM2とする。それぞれのパラメータで演算した荷重推定値をF(M1)とF(M2)であるとすると、前記領域内では両方の推定演算結果を次式のように合成して補正推定演算式Fを生成する。
F=αF(M1)+βF(M2) ……(1)
α+β=1 ……(2)
ここで、αとβは式(2)の関係を満たし、それぞれ推定荷重F(M1)の割合と推定荷重F(M2)の割合を示す。例えばαとβは、図10のように、前記境界領域内で直線状に変化するものとしても良い。この場合には、前記境界領域内における推定荷重値は、図9に示すように折れ線状に変化する。ここで、しきい値Ci からの増分をxとすると、αとβの関係は次式のようになる。
α/β=(m−x)/(m+x) ……(3)
このほか、推定荷重F(M1),F(M2)の割合を図13のように二次曲線で表した合成割合としても良い。この場合には、前記境界領域内における推定荷重値は、図12に示すように滑らかに変化する。演算補正部35aでのこのような処理により、荷重演算部35で演算される推定荷重値は、図11に時系列変化として示すように連続性を有するものとなる。これにより、荷重演算部35で使用する推定演算式のパラメータを車両の走行状態に適するように切り替えを行いながらも、演算される推定荷重値には不連続な部分がなくなるため、荷重推定精度が向上し、推定した荷重に基づいて各種の操作を実行する制御システムにも適合しやすいものとなる。
In a control system that performs various operations based on an estimated load value, such as a control system in an automobile, it is not preferable that the estimated load value changes discontinuously as described above.
Therefore, as a measure for eliminating this discontinuity, the
First, a boundary region [Ci-m, Ci + m] having a width of 2 × m is provided, for example, as shown in FIG. In this region, a process for calculating an estimated load in consideration of the discontinuity of the estimated load values on both sides of the evaluation value Ei across the threshold value Ci is performed.
For example, the parameter of the estimation formula in the left area of the threshold value Ci is M1, and the parameter of the estimation formula in the right area is M2. Assuming that the estimated load values calculated with the respective parameters are F (M1) and F (M2), the estimated estimation calculation formula F is generated by synthesizing both estimation calculation results in the region as shown in the following equation. .
F = αF (M1) + βF (M2) (1)
α + β = 1 (2)
Here, α and β satisfy the relationship of Expression (2), and indicate the ratio of the estimated load F (M1) and the ratio of the estimated load F (M2), respectively. For example, α and β may change linearly within the boundary region as shown in FIG. In this case, the estimated load value in the boundary region changes in a polygonal line as shown in FIG. Here, if the increment from the threshold value Ci is x, the relationship between α and β is as follows.
α / β = (mx) / (m + x) (3)
In addition, the ratio of the estimated loads F (M1) and F (M2) may be a combined ratio represented by a quadratic curve as shown in FIG. In this case, the estimated load value in the boundary region changes smoothly as shown in FIG. By such processing in the
なお、出力される推定荷重の種類は、上記した3方向の荷重Fx ,Fy ,Fz に限定するものではなく、荷重推定演算部35における推定演算式F1,F2のパラメータを追加して、ステアモーメントMz や、X軸回りのモーメントMX を演算するように構成することもできる。
The type of estimated load to be output is not limited to the above-described three-direction loads Fx, Fy, and Fz, but the parameters of the estimation calculation formulas F1 and F2 in the load
さらに、図3のようにセンサユニット20に温度センサ36を取付け、この温度センサ36の検出信号により、各センサ出力信号を補正するようにしても良い。図14では、前処理部31において、2つのセンサ22A,22Bの出力信号の和として算出した平均値Aを、温度センサ36の検出信号を用いて温度補正手段37により補正する構成例を示している。軸受回転による発熱や周辺環境などにより車輪用軸受の温度が変化すると、荷重が変化しなくても、センサユニット20のセンサ出力信号は熱膨張などにより変動するので、検出された荷重に温度の影響が残る。そこで、上記したように温度センサ36の検出信号により各センサ出力信号を補正すると、温度による検出荷重誤差を低減することができる。
Further, as shown in FIG. 3, a
車輪のタイヤと路面間に荷重が作用すると、車輪用軸受の固定側部材である外方部材1にも荷重が印加されて変形が生じる。ここではセンサユニット20における歪み発生部材21の3つの接触固定部21aが、外方部材1に接触固定されているので、外方部材1の歪みが歪み発生部材21に拡大して伝達され易く、その歪みが歪みセンサ22A,22Bで感度良く検出され、その出力信号に生じるヒステリシスも小さくなる。
When a load acts between the tire of the wheel and the road surface, the load is also applied to the
特に、各センサユニット20のセンサ出力信号を定められた推定演算式に当て嵌めて車輪用軸受に作用する荷重を演算する荷重演算部35を有する荷重推定手段30では、複数のセンサユニット20のセンサ出力信号から前記推定演算式のパラメータの切り替えの指標となる1つ以上の評価値Ei を評価値算出部32で算出し、またパラメータ切替部34でその評価値Ei を定められたしきい値Ci と比較し、その比較結果により前記パラメータを切り替える。さらに荷重演算部35では、評価値Ei がしきい値Ci を挟む定められた領域内にあるとき、補正演算部35aが、しきい値Ci を挟む両側の評価値領域でのパラメータを用いて前記推定演算式で演算された2つの荷重推定結果を合成することにより演算結果を補正する。このため、歪みセンサ22A,22Bの非線形特性を補正して荷重推定誤差を低減させつつ、様々な入力荷重状態に応じて連続的な推定荷重を得ることができる。
In particular, in the
図17ないし図21は、この発明の他の実施形態を示す。このセンサ付車輪用軸受では、図1〜図16に示す実施形態において、各センサユニット20を以下のように構成している。この場合、センサユニット20は、図20に拡大断面図に示すように、歪み発生部材21と、この歪み発生部材21に取付けられて歪み発生部材21の歪みを検出する1つの歪みセンサ22とでなる。歪み発生部材21は、外方部材1の外径面にスペーサ23を介して接触固定される2つの接触固定部21aを両端部に有する。このほか、図15に断面図で示すように、外方部材1の外径面における前記歪み発生部材21の2つの接触固定部21aが固定される2箇所の各中間部に溝1cを設けることで、前記スペーサ23を省略し、歪み発生部材21における切欠き部21bが位置する部位を外方部材1の外径面から離すようにしても良い。
17 to 21 show another embodiment of the present invention. In this sensor-equipped wheel bearing, each
各センサユニット20には1つの歪みセンサ22が取付けられているだけなので、荷重推定手段30の前処理部31では、各センサユニット20のおける1つの歪みセンサ22の出力信号を一定時間観測して、そのセンサ出力信号の平均値Aと振幅値Bとが求められる。その他の構成は、先の実施形態の場合と略同様である。
Since only one
なお、上記した各実施形態では,外方部材1が固定側部材である場合につき説明したが、この発明は、内方部材が固定側部材である車輪用軸受にも適用することができ、その場合、センサユニット20は内方部材の内周となる周面に設ける。
また、これらの実施形態では第3世代型の車輪用軸受に適用した場合につき説明したが、この発明は、軸受部分とハブとが互いに独立した部品となる第1または第2世代型の車輪用軸受や、内方部材の一部が等速ジョイントの外輪で構成される第4世代型の車輪用軸受にも適用することができる。また、このセンサ付車輪用軸受は、従動輪用の車輪用軸受にも適用でき、さらに各世代形式のテーパころタイプの車輪用軸受にも適用することができる。
In each of the above-described embodiments, the case where the
In these embodiments, the case where the present invention is applied to a third generation type wheel bearing has been described. However, the present invention is for a first generation or second generation type wheel in which the bearing portion and the hub are independent parts. The present invention can also be applied to a bearing or a fourth-generation type wheel bearing in which a part of the inner member is composed of an outer ring of a constant velocity joint. The sensor-equipped wheel bearing can also be applied to a wheel bearing for a driven wheel, and can also be applied to a tapered roller type wheel bearing of each generation type.
1…外方部材
2…内方部材
3,4…転走面
5…転動体
20…センサユニット
21…歪み発生部材
21a…接触固定部
22,22A,22B…歪みセンサ
30…荷重推定手段
31…前処理部
32…評価値算出部
33…Fy 方向判定部
34…パラメータ切替部
34a…方向対応命令部
35…荷重推定演算部
35a…演算補正部
36…温度センサ
DESCRIPTION OF
Claims (14)
上記外方部材および内方部材のうちの固定側部材に複数の荷重検出用センサユニットを設け、前記センサユニットは、前記固定側部材に接触して固定される2つ以上の接触固定部を有する歪み発生部材、およびこの歪み発生部材に取付けられてこの歪み発生部材の歪みを検出する1つ以上のセンサを有し、これら複数のセンサユニットのセンサの出力信号から車輪に加わる荷重を推定する荷重推定手段を設けたセンサ付車輪用軸受であって、
前記荷重推定手段は、前記各センサユニットのセンサの出力信号を定められた推定演算式に当て嵌めて車輪用軸受に作用する荷重を演算する荷重推定演算部と、前記複数のセンサユニットのセンサの出力信号から前記推定演算式のパラメータの切り替えの指標となる1つ以上の評価値を算出する評価値算出部と、前記評価値を定められたしきい値と比較し、その比較結果により前記推定演算式のパラメータを切り替えるパラメータ切替部とを備え、前記荷重推定演算部は、前記評価値が前記しきい値を含む定められた領域内にあるとき、しきい値を挟む両側の評価値領域でのパラメータを用いて前記推定演算式で演算された2つの荷重推定結果を合成することにより演算結果を補正する演算補正部を有するものとしたことを特徴とするセンサ付車輪用軸受。 An outer member having a double row rolling surface formed on the inner periphery, an inner member having a rolling surface facing the rolling surface formed on the outer periphery, and interposed between the opposing rolling surfaces of both members A double row rolling element, and a wheel bearing for rotatably supporting the wheel with respect to the vehicle body,
A plurality of load detection sensor units are provided on the fixed side member of the outer member and the inner member, and the sensor unit has two or more contact fixing portions fixed in contact with the fixed side member. A load that has a strain generating member and one or more sensors that are attached to the strain generating member and detect strain of the strain generating member, and that estimates a load applied to the wheel from the output signals of the sensors of the plurality of sensor units A wheel bearing with a sensor provided with an estimation means,
The load estimation means includes a load estimation calculation unit that calculates a load acting on the wheel bearing by fitting an output signal of the sensor of each sensor unit to a predetermined estimation calculation formula, and sensors of the plurality of sensor units. An evaluation value calculation unit that calculates one or more evaluation values that serve as an index for switching parameters of the estimation formula from the output signal, and the evaluation value is compared with a predetermined threshold value, and the estimation is performed based on the comparison result. A parameter switching unit that switches a parameter of the calculation formula, and the load estimation calculation unit is configured to perform evaluation in both evaluation value regions sandwiching the threshold value when the evaluation value is within a predetermined region including the threshold value. A sensor having a calculation correction unit that corrects a calculation result by combining two load estimation results calculated by the estimation calculation formula using the parameters of Wheel bearing.
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