(57)【要約】【課題】  温度変化に伴う予圧変化を抑えて、玉８ａ、８ｂの公転速度、延ては外輪１とハブ１１との間に作用する荷重の大きさを正確に求められる構造を実現する。【解決手段】  各玉８ａ、８ｂの転動面と両内輪軌道１３、１３との転がり接触部に存在する接触楕円の中心点に関して、上記ハブ１１の軸方向に関する距離をＬa とする。又、上記各内輪軌道１３、１３に関する複数の接触楕円の中心同士を結ぶ仮想円弧の直径をＬr とする。又、上記各玉の直径をｄ、上記両列の玉の接触角をα、使用に伴う上記外輪１及び上記ハブ１１の温度上昇量をそれぞれ△Ｔ1 、△Ｔ2 とする。そして、０．９５｛（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）／△Ｔ1 ｝＜２ｄ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）＜１．０５｛（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）／△Ｔ1 ｝を満たす様に、各部の寸法等を規制する。【選択図】  図１
2006105350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に互いに同径である複列の外輪軌道を有する外輪相当部材と、この外輪相当部材の内径側にこの外輪相当部材と同心に配置された、外周面に互いに同径である複列の内輪軌道を有する内輪相当部材と、これら両内輪軌道と上記両外輪軌道との間に、両列同士の間で互いに逆方向で同じ大きさの接触角を付与されると共に予圧を付与された状態で、これら両列毎に複数個ずつ設けられた転動体とを備えた転がり軸受ユニットに於いて、上記外輪相当部材を構成する材料の線膨張率と上記内輪相当部材を構成する材料の線膨張率とは同じであり、上記各転動体の転動面と上記両内輪軌道との転がり接触部に存在する接触面の中心点に関して、これら両内輪軌道に関する接触面の中心点の上記内輪相当部材の軸方向に関する距離をＬa とし、各内輪軌道に関する複数の接触面の中心同士を結ぶ仮想円弧の直径をＬr とし、上記各転動体の直径をｄとし、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に荷重が加わらない状態での上記両列の転動体の接触角をαとし、使用に伴う上記外輪相当部材及び上記内輪相当部材の温度上昇量をそれぞれ△Ｔ1 、△Ｔ2 とした場合に、０．９５｛（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）／△Ｔ1 ｝＜２ｄ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）＜１．０５｛（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）／△Ｔ1 ｝を満たす事を特徴とする転がり軸受ユニット。
【請求項２】
０．９８｛（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）／△Ｔ1 ｝＜２ｄ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）＜１．０２｛（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）／△Ｔ1 ｝を満たす、請求項１に記載した転がり軸受ユニット。
【請求項３】
転がり軸受ユニットが、懸架装置に対して車輪を回転自在に支持する為の車輪支持用転がり軸受ユニットであり、外輪相当部材が、制動時に摩擦材との摩擦によって発熱する制動用回転体に対向する状態で使用される、請求項１〜２の何れか１項に記載した転がり軸受ユニット。
【請求項４】
△Ｔ1 ≒２△Ｔ2 であり、２ｄ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）≒０．５である、請求項３に記載した転がり軸受ユニット。
【請求項５】
両列のうちの少なくとも一方の列の転動体の公転速度を検出可能とし、検出した各転動体の公転速度を、外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用する荷重を算出する為に使用する、請求項１〜４のうちの何れか１項に記載した転がり軸受ユニット。
【請求項６】
外輪相当部材と内輪相当部材との相対変位量を検出可能とし、検出した相対変位量を、これら外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用する荷重を算出する為に使用する、請求項１〜４のうちの何れか１項に記載した転がり軸受ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明に係る転がり軸受ユニットは、自動車、鉄道車両等の車両の車輪を支持する為に利用する。特に本発明は、上記車両の走行安定性確保を図る為に、転がり軸受ユニットに負荷される荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）を測定可能とした構造と組み合わせて実施する事が有効である。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車の車輪は懸架装置に対し、複列アンギュラ型の玉軸受ユニット等の転がり軸受ユニットにより回転自在に支持する。又、自動車の走行安定性を確保する為に、例えば非特許文献１に記載されている様な、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）やトラクションコントロールシステム（ＴＣＳ）、更には、エレクトリックスタビリティコントロールシステム（ＥＳＣ）等の車両用走行安定化装置が使用されている。この様な各種車両用走行安定化装置を制御する為には、車輪の回転速度、車体に加わる各方向の加速度等の信号が必要になる。そして、より高度の制御を行なう為には、車輪を介して上記転がり軸受ユニットに加わる荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）の大きさを知る事が好ましい場合がある。
【０００３】
この様な事情に鑑みて、特許文献１には、ラジアル荷重を測定自在な、荷重測定装置付転がり軸受ユニットが記載されている。この従来構造の第１例の場合には、非接触式の変位センサにより、回転しない外輪と、この外輪の内径側で回転するハブとの径方向に関する変位を測定する事により、これら外輪とハブとの間に加わるラジアル荷重を求める様にしている。求めたラジアル荷重は、ＡＢＳを適正に制御する他、積載状態の不良を運転者に知らせる為に利用する。
【０００４】
又、特許文献２には、転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重を測定する構造が記載されている。この特許文献２に記載された従来構造の第２例の場合、外輪の外周面に設けた固定側フランジの内側面複数個所で、この固定側フランジをナックルに結合する為のボルトを螺合する為のねじ孔を囲む部分に、それぞれ荷重センサを添設している。上記外輪を上記ナックルに支持固定した状態でこれら各荷重センサは、このナックルの外側面と上記固定側フランジの内側面との間で挟持される。この様な従来構造の第２例の転がり軸受ユニットの場合、車輪と上記ナックルとの間に加わるアキシアル荷重は、上記各荷重センサにより測定される。更に、特許文献３には、一部の剛性を低くした外輪相当部材に動的歪みを検出する為のストレンゲージを設け、このストレンゲージが検出する玉の通過周波数から玉の公転速度を求め、更に、転がり軸受に加わるアキシアル荷重を測定する方法が記載されている。
【０００５】
前述の特許文献１に記載された従来構造の第１例の場合、変位センサにより、外輪とハブとの径方向に関する変位を測定する事で、転がり軸受ユニットに加わる荷重を測定する。但し、この径方向に関する変位量は僅かである為、この荷重を精度良く求める為には、上記変位センサとして、高精度のものを使用する必要がある。高精度の非接触式センサは高価である為、荷重測定装置付転がり軸受ユニット全体としてコストが嵩む事が避けられない。
【０００６】
又、特許文献２に記載された従来構造の第２例の場合、ナックルに対し外輪を支持固定する為のボルトと同数だけ、荷重センサを設ける必要がある。この為、荷重センサ自体が高価である事と相まって、転がり軸受ユニット全体としてのコストが相当に嵩む事が避けられない。又、特許文献３に記載された方法は、外輪相当部材の一部の剛性を低くする必要があり、この外輪相当部材の耐久性確保が難しくなる可能性がある他、十分な測定精度を得る事が難しいと考えられる。
【０００７】
この様な事情に鑑みて考えられた発明として、複列アンギュラ型の玉軸受ユニットである転がり軸受ユニットを構成する１対の列の玉の公転速度に基づいて、この転がり軸受ユニットに加わるラジアル荷重又はアキシアル荷重を測定する、転がり軸受ユニットに関する発明（第一の先発明）がある（特願２００４−７６５５号）。図３は、この第一の先発明の転がり軸受ユニットを示している。
【０００８】
この第一の先発明に係る構造の場合、外輪１（外輪相当部材、静止側軌道輪部材）の軸方向中間部で複列アンギュラ型の外輪軌道２、２の間部分に形成した取付孔３にセンサユニット４を挿通し、このセンサユニット４の先端部５を、上記外輪１の内周面から突出させている。この先端部５には、１対の公転速度検出用センサ６ａ、６ｂと、１個の回転速度検出用センサ７とを設けている。
【０００９】
そして、このうちの各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂの検出部を、複列に配置された、各玉８ａ、８ｂを回転自在に保持した各保持器９ａ、９ｂに設けた、公転速度検出用エンコーダ１０ａ、１０ｂに近接対向させて、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度を検出自在としている。又、上記回転速度検出用センサ７の検出部を、内輪相当部材であり回転側軌道輪部材であるハブ１１の中間部に外嵌固定した回転速度検出用エンコーダ１２に近接対向させて、このハブ１１の回転速度を検出自在としている。この様な構成を有する第一の先発明に係る転がり軸受ユニットによれば、上記ハブ１１の回転速度の変動に拘らず、上記外輪１とこのハブ１１との間に加わる荷重（ラジアル荷重及びアキシアル荷重）を求められる。
【００１０】
即ち、上述の様な第一の先発明に係る転がり軸受ユニットの場合、図示しない演算器が、上記各センサ６ａ、６ｂ、７から送り込まれる検出信号に基づいて、前記外輪１と上記ハブ１１との間に加わるラジアル荷重とアキシアル荷重とのうちの一方又は双方の荷重を算出する。例えば、このラジアル荷重を求める場合に上記演算器は、上記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂが検出する上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度の和を求め、この和と、上記回転速度検出用センサ７が検出する上記ハブ１１の回転速度との比に基づいて、上記ラジアル荷重を算出する。又、上記アキシアル荷重は、上記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂが検出する上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度の差を求め、この差と、上記回転速度検出用センサ７が検出する上記ハブ１１の回転速度との比に基づいて算出する。或は、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度の比によっても、上記アキシアル荷重を求められる。この点に就いて、図４を参照しつつ説明する。尚、以下の説明は、アキシアル荷重Ｆｙが加わらない状態での、上記各列の玉８ａ、８ｂの接触角αa 、αb が互いに同じであるとして行なう。
【００１１】
図４は、上述の図３に示した車輪支持用の転がり軸受ユニットを模式化し、荷重の作用状態を示したものである。複列アンギュラ型の内輪軌道１３、１３と複列アンギュラ型の外輪軌道２、２との間に複列に配置された玉８ａ、８ｂには予圧Ｆ0 、Ｆ0 を付与している。又、使用時に上記転がり軸受ユニットには、車体の質量等により、ラジアル荷重Ｆｚが加わる。更に、旋回走行時に加わる遠心力等により、アキシアル荷重Ｆｙが加わる。これら予圧Ｆ0 、Ｆ0 、ラジアル荷重Ｆｚ、アキシアル荷重Ｆｙは、何れも上記各玉８ａ、８ｂの接触角α（αa 、αb ）に影響を及ぼす。そして、この接触角αa 、αb が変化すると、これら各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎc が変化する。これら各玉８ａ、８ｂのピッチ円直径をＤとし、これら各玉８ａ、８ｂの直径をｄとし、上記両内輪軌道１３、１３を設けたハブ１１の回転速度をｎi とし、上記両外輪軌道２、２を設けた外輪１の回転速度をｎo とすると、上記公転速度ｎc は、次の（１）式で表される。
ｎc ＝｛１−（ｄ・cos α／Ｄ）・（ｎi ／２）｝＋｛１＋（ｄ・cos α／Ｄ）・（ｎ  o ／２）｝  −−−  （１）
【００１２】
この（１）式から明らかな通り、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度ｎc は、これら各玉８ａ、８ｂの接触角α（αa 、αb ）の変化に応じて変化するが、上述した様にこの接触角αa 、αb は、上記ラジアル荷重Ｆｚ及び上記アキシアル荷重Ｆｙに応じて変化する。従って上記公転速度ｎc は、これらラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙに応じて変化する。本例の場合、上記ハブ１１が回転し、上記外輪１が回転しない為、具体的には、上記ラジアル荷重Ｆｚに関しては、図５に示す様に、大きくなる程上記公転速度ｎc が遅くなる。又、上記アキシアル荷重Ｆｙに関しては、図６に示す様に、このアキシアル荷重Ｆｙを支承する列の公転速度が速くなり、このアキシアル荷重Ｆｙを支承しない列の公転速度が遅くなる。従って、この公転速度ｎc に基づいて、上記ラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙを求められる事になる。
【００１３】
但し、上記公転速度ｎc の変化に結び付く上記接触角αは、上記ラジアル荷重Ｆｚと上記アキシアル荷重Ｆｙとが互いに関連しつつ変化するだけでなく、上記予圧Ｆ0 、Ｆ0 によっても変化する。又、上記公転速度ｎc は、上記ハブ１１の回転速度ｎi に比例して変化する。尚、上記図５中、実線イは、ラジアル荷重Ｆｚを支承する割合の大きい側の玉８ｂ、８ｂに関する、破線ロは同じくラジアル荷重Ｆｚを支承する割合の小さい側の玉８ａ、８ａに関する、それぞれの公転速度（とハブ１１の回転速度との比）とラジアル荷重Ｆｚとの関係を示している。又、上記図６中、破線ハは、上記アキシアル荷重Ｆｙとこのアキシアル荷重Ｆｙを支承する列の玉８ａ、８ａの公転速度との関係を、実線ニは、このアキシアル荷重Ｆｙとこのアキシアル荷重Ｆｙを支承しない列の玉８ｂ、８ｂの公転速度との関係を、それぞれ示している。この様な図５、６から、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎc に基づいて、上記ラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙを求められる事が分かる。
【００１４】
但し、上記公転速度ｎc の変化に結び付く上記接触角αは、上述した様に、上記ラジアル荷重Ｆｚと上記アキシアル荷重Ｆｙとが互いに関連しつつ変化するだけでなく、上記予圧Ｆ0 、Ｆ0 によっても変化する。又、上記公転速度ｎc は、上記ハブ１１の回転速度ｎi に比例して変化する。この為、これらラジアル荷重Ｆｚ、アキシアル荷重Ｆｙ、予圧Ｆ0 、Ｆ0 、ハブ１１の回転速度ｎi を総て関連させて考えなければ、上記公転速度ｎc から上記ラジアル荷重Ｆｚや上記アキシアル荷重Ｆｙを求める事はできない。このうちの予圧Ｆ0 、Ｆ0 は、運転状態に応じて変化するものではないので、初期設定等によりその影響を排除する事は容易である。これに対して上記ラジアル荷重Ｆｚ、アキシアル荷重Ｆｙ、ハブ１１の回転速度ｎi は、運転状態に応じて絶えず変化するので、初期設定等によりその影響を排除する事はできない。
【００１５】
この様な事情に鑑みて第一の先発明では、前述した様に、ラジアル荷重Ｆｚを求める場合には、前記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂが検出する各列の玉８ａ、８ｂの公転速度の和を求める事により、上記アキシアル荷重Ｆｙの影響を少なくしている。又、アキシアル荷重Ｆｙを求める場合には、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度の差を求める事で、上記ラジアル荷重Ｆｚの影響を少なくしている。更に、何れの場合でも、上記和又は差と、前記回転速度検出用センサ７が検出する上記ハブ１１の回転速度ｎi との比に基づいて上記ラジアル荷重Ｆｚ又は上記アキシアル荷重Ｆｙを算出する事により、上記ハブ１１の回転速度ｎi の影響を排除している。但し、上記アキシアル荷重Ｆｙを、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度の比に基づいて算出する場合には、上記ハブ１１の回転速度ｎi は、必ずしも必要ではない。
【００１６】
尚、上記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂの信号に基づいて上記ラジアル荷重Ｆｚとアキシアル荷重Ｆｙとのうちの一方又は双方の荷重を算出する方法は、他にも各種存在するが、この様な方法に就いては、前述の特願２００４−７６５５号に詳しく説明されているし、本発明の要旨とも関係しないので、詳しい説明は省略する。
【００１７】
又、図３に示した構造は、上記各公転速度検出用センサ６ａ、６ｂと上記回転速度検出用センサ７とを、単一のセンサユニット４の先端部５に保持した構造であるが、これら各センサ６ａ、６ｂ、７は、別々に設置しても良い。又、例えば、図７に示す様に、１対の公転速度検出用センサ６ａ、６ｂを、センサユニット４ａの先端部５ａに保持し、回転速度検出用センサ７ａを、外輪１の内端部に嵌合固定したカバー１４に保持しても良い。この場合、回転速度検出用エンコーダ１２ａは、ハブ１１の内端部に嵌合固定する。
【００１８】
更に、図示は省略するが、特願２００４−２７９１５５号には、円周方向に関してエンコーダの特性が変化するピッチを、このエンコーダの被検出面の幅方向に関して変化させる事で、外輪相当部材と内輪相当部材との相対的変位量を測定する発明（第二の先発明）が記載されている。この第二の先発明の場合には、この相対的変位量に基づいて、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に作用する荷重を求める。
【００１９】
何れにしても、上述の様な転がり軸受ユニットにより測定した荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重との一方又は双方）は、路面（地面）と車輪（タイヤ）との接触面で生じている荷重と等価である。従って、上記測定した荷重に基づいて車両の走行状態を安定化させる為の制御を行なえば、車両の姿勢が不安定になる事を予防できてフィードフォワード制御が可能になる等、車両の走行安定性確保の為の高度な制御が可能になる。
【００２０】
前述した様な第一の先発明、或いは上述した様な第二の先発明に係る転がり軸受ユニットの荷重測定装置により、上記外輪１と上記ハブ１１との間に加わる荷重を求める為には、ハブ１１の回転速度ｎi 及び上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbと上記ラジアル荷重Ｆｚ又は上記アキシアル荷重Ｆｙとの関係（ゲイン特性並びに零点）を正確に把握しておく必要がある。この点に関し、基本的には、転がり軸受ユニットを工場から出荷するのに先立ち、無負荷状態（荷重零の状態）で回転させて、公転速度の零点、即ち、上記ラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙが零である場合に於ける上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbを把握しておく。
【００２１】
又、上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbの変化量と上記ラジアル荷重Ｆｚ及びアキシアル荷重Ｆｙとの関係である荷重ゲインに関しても、工場から出荷するのに先立って求めておく。この場合、例えば、上記転がり軸受ユニットに既知の荷重を負荷させた状態で上記ハブ１１を回転させて上記公転速度ｎca、ｎcbを計測し、これら荷重と公転速度ｎca、ｎcbとの関係（荷重ゲイン）を予め把握しておく。或は、荷重を負荷しない状態での公転速度ｎca、ｎcbから接触角αa 、αb の初期値を算出し、この初期値から、転がり軸受ユニットの分野で広く知られているヘルツの理論等を利用して、上記公転速度ｎca、ｎcbの変化量と転がり軸受ユニットに加わる荷重Ｆｚ、Ｆｙとの関係（荷重ゲイン：荷重に基づく公転速度の変化特性：ゲイン特性）を、予め設計的に規定しておく。更には、上述の様な方法により求めた、荷重ゲイン（ゲイン特性）と零点とが予め設定しておいた範囲に納まっている転がり軸受ユニットだけを選別して出荷する。
【００２２】
何れの方法を採用した場合でも、転がり軸受ユニットが設計通り組み付けられ、且つ、荷重が加わらない状態での接触角αa 、αb が工場で出荷に先立って計測されたままであれば、上記公転速度ｎca、ｎcbに基づいて上記荷重Ｆｚ、Ｆｙを、自動車の安定性確保の為の制御に必要な精度で求められる。但し、自動車の転がり軸受ユニットの場合、上記荷重が加わらない状態での接触角αa 、αb は、温度変化に基づく予圧変化に伴って変化する可能性がある。そして、この予圧変化に伴って上記各接触角αa 、αb が変化し、その時点でのゲイン特性並びに零点が、初期に把握していたゲイン特性並びに零点と異なると、上記転がり軸受ユニットに加わる荷重を正確には求められなくなる。
【００２３】
この様な原因でのゲイン特性並びに零点の変化に拘らず、上記転がり軸受ユニットに加わる荷重を正確に求める為の方法として、特願２００３−３３６７０１号に開示された発明（第三の先発明）或いは特願２００４−１３７９９５号に開示された発明（第四の先発明）がある。
このうちの第三の先発明の場合には、車両の安定走行時に、車体に加わる横加速度、走行速度、ヨーレート、或は前輪に付与された舵角等から荷重を推定して、この推定値と前記各公転速度検出用センサの検出信号から算出した荷重とを比較し、算出の為のゲイン特性や零点の自己学習及び補正を行なう。
【００２４】
又、第四の先発明の場合には、演算器が、各玉に加わる予圧を推定する。この予圧の推定は、例えば、外輪相当部材と内輪相当部材との間にアキシアル荷重が作用していない状態での、各玉の公転速度と、これら外輪相当部材と内輪相当部材の一方である回転側軌道輪部材の回転速度との関係に基づいて行なう。或いは、車両が直進走行中に測定した、各玉の公転速度と上記回転側軌道輪部材の回転速度との関係に基づいて、上記予圧の推定を行なう。何れにしても、予圧の推定値に基づいて、上記外輪相当部材と内輪相当部材との間に加わる荷重を算出する際の零点及びゲイン特性を補正する。
【００２５】
上述した様な第三、第四の先発明によって、温度変化に伴う予圧変化が、ハブ１１の回転速度ｎi 及び上記各列の玉８ａ、８ｂの公転速度ｎca、ｎcbと上記ラジアル荷重Ｆｚ又は上記アキシアル荷重Ｆｙとの関係（ゲイン特性並びに零点）に及ぼす影響を排除して、これら各荷重Ｆｚ、Ｆｙを正確に求める事ができる。
但し、上記第三、第四の先発明の場合、演算器の処理回路が複雑になる事が避けられず、自動車の走行安定性確保の為の制御装置の低廉化を図る面からは改良が望まれる。又、何れの発明の場合も、零点及びゲイン特性を補正する為の処理は、車両が直進走行していて横加速度やアキシアル荷重が作用していない状態で行なう。従って、旋回走行中に制動を行なう等により、直進走行状態を経る事なく、外輪相当部材と内輪相当部材との間に温度差が生じ、この結果予圧が変化した様な場合には、上記零点及びゲイン特性を補正する為の処理を行なえない。この事を考えた場合には、これら零点及びゲイン特性を補正する為の処理回路を備えた場合でも、温度変化に伴う予圧変化を抑えられる転がり軸受ユニットを実現する事が好ましい。
【００２６】
【特許文献１】特開２００１−２１５７７号公報
【特許文献２】特開平３−２０９０１６号公報
【特許文献３】特公昭６２−３３６５号公報
【非特許文献１】青山元男著、「レッドバッジスーパー図解シリーズ／クルマの最新メカがわかる本」、ｐ．１３８−１３９、ｐ．１４６−１４９、株式会社三推社／株式会社講談社、平成１３年１２月２０日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明は、上述の様な事情に鑑み、温度変化に伴う予圧変化を抑えて、転動体（玉或は円すいころ）の公転速度、延ては外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用する荷重の大きさを正確に求められる転がり軸受ユニットを実現すべく発明したものである。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の転がり軸受ユニットは、外輪相当部材と、内輪相当部材と、複数個の転動体とを備える。
このうちの外輪相当部材は、内周面に互いに同径である複列の外輪軌道を有する。
又、上記内輪相当部材は、上記外輪相当部材の内径側にこの外輪相当部材と同心に配置されたもので、外周面に互いに同径である複列の内輪軌道を有する。
又、上記各転動体は、これら両内輪軌道と上記両外輪軌道との間に、両列同士の間で互いに逆方向で同じ大きさの接触角を付与されると共に予圧を付与された状態で、これら両列毎に複数個ずつ設けられている。
特に、本発明の転がり軸受ユニットに於いては、各部の性状、寸法或いは角度を、次の様に規制している。
先ず、上記外輪相当部材を構成する材料の線膨張率と上記内輪相当部材を構成する材料の線膨張率とは同じとする。この為に一般的には、上記外輪相当部材を構成する材質と、上記内輪相当部材を構成する材質とを同じとする。
又、上記寸法或いは角度を規制する前提として、上記各転動体の転動面と上記両内輪軌道との転がり接触部に存在する接触面の中心点に関して、これら両内輪軌道に関する接触面の中心点の上記内輪相当部材の軸方向に関する距離をＬa とし、各内輪軌道に関する複数の接触面の中心同士を結ぶ仮想円弧の直径をＬr とし、上記各転動体の直径（玉の場合には外径、円すいころの場合には軸方向中央部の外径）をｄとする。
又、上記外輪相当部材と上記内輪相当部材との間に荷重が加わらない状態での上記両列の転動体の接触角をαとする。
更に、使用に伴う上記外輪相当部材及び上記内輪相当部材の温度上昇量をそれぞれ△Ｔ1 、△Ｔ2 とする。
この場合に、０．９５｛（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）／△Ｔ1 ｝＜２ｄ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）＜１．０５｛（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）／△Ｔ1 ｝を満たす様に、上記各部の寸法或いは角度（接触角）を規制する。
【発明の効果】
【００２９】
上述の様に構成する本発明の転がり軸受ユニットは、温度変化に伴う予圧変化を抑えて、転動体の公転速度、延ては外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用する荷重の大きさを正確に求められる。この点に就いて、転動体として玉を使用した構造を示す、図１〜２を参照しつつ説明する。これら図１〜２中の図１は、前述の図３に示した、第一の先発明の転がり軸受ユニットと実質的に同じものである。又、図２は、図１の右上の玉８ｂの転動面と外輪軌道２及び内輪軌道１３との接触状態を示す模式図である。この様な図２で、実線α1 、α2 で示した外輪軌道２及び内輪軌道１３は、上記転がり軸受ユニットが常温の状態での位置を示している。又、破線β1 、β2 で示した外輪軌道２及び内輪軌道１３は、上記転がり軸受ユニットの軸方向寸法が温度上昇に伴って大きくなった状態での位置を示している。更に、鎖線γ1 、γ2 で示した外輪軌道２及び内輪軌道１３は、上記転がり軸受ユニットの径方向寸法が温度上昇に伴って大きくなった状態での位置を示している。
【００３０】
実際の場合に上記転がり軸受ユニットの温度上昇に伴って上記外輪軌道２及び内輪軌道１３の位置は、上記破線β1 、β2 と上記鎖線γ1 、γ2 とを合成した状態で（軸方向と径方向とに関して同時に）変化する。但し、図２には、説明の為に、軸方向の変位と径方向の変位とを、互いに独立して記載している。尚、各玉８ａ、８ｂに関しても、温度上昇に基づいて直径が変化するが、これら各玉８ａ、８ｂの温度上昇量自体、上記外輪１及びハブ１１に比べて低いだけでなく、これら各玉８ａ、８ｂの直径が小さく、熱膨張量の絶対値が小さい為、予圧変化に及ぼす影響は無視できる程に小さい。従って、以下の説明は、上記各玉８ａ、８ｂの直径は一定として行なう。
【００３１】
又、各玉８ａ、８ｂの転動面と両内輪軌道１３、１３との転がり接触部に存在する、接触面である接触楕円の中心点に関して、これら両内輪軌道１３、１３に関する接触楕円の中心点の上記ハブ１１の軸方向に関する距離をＬa とする。又、これら両内輪軌道１３、１３に関する複数の接触楕円の中心同士を結ぶ仮想円弧の直径をＬr とする。又、上記各玉８ａ、８ｂの転動面と両外輪軌道２、２との転がり接触部に存在する接触楕円の中心点に関して、これら両外輪軌道２、２に関する接触楕円の中心点の上記外輪１の軸方向に関する距離をＬA とする。又、これら両外輪軌道２、２に関する複数の接触楕円の中心同士を結ぶ仮想円弧の直径をＬR とする。又、上記各玉８ａ、８ｂの直径をｄとする。又、上記外輪１（外輪相当部材）と上記ハブ１１（内輪相当部材）との間に荷重が加わらない状態での上記両列の玉８ａ、８ｂの接触角をα（両列同士の間で同じ）とする。更に、使用に伴う上記外輪１及び上記ハブ１１の温度上昇量をそれぞれ△Ｔ1 、△Ｔ2 とする。
【００３２】
先ず、外輪１にのみ温度入力がある場合、即ち、ハブ１１の温度が上昇せず、この外輪１の温度のみが△Ｔ1 だけ上昇する場合に就いて考える。この場合には、この外輪１の熱膨張に伴って、上記図２に示した外輪軌道２の位置は、軸方向に関してはδA だけ右方に変位し、径方向に関してはδR だけ上方（径方向外方）に変位する。そして、上記軸方向に関するδA 分の変位に伴って、上記玉８ｂの予圧が△Ｕ分だけ上昇する傾向になり、上記径方向に関するδR 分の変位に伴って、この予圧が△Ｄ分だけ減少する傾向になる。従って、上記△Ｔ1 分の温度上昇に伴う、上記玉８ｂの予圧の変化量は、△Ｕ＋△Ｄとなる。この事から明らかな通り、｜△Ｕ｜＝｜△Ｄ｜とすれば、上記外輪１のみが温度上昇した場合に於ける、上記玉８ｂの予圧の変化を０にできる。以上の説明は、軸方向内側（図１の右側）の列の玉８ｂに就いて行なったが、軸方向外側（図１の左側）の列の玉８ａに就いても同様である。
【００３３】
そこで、｜△Ｕ｜＝｜△Ｄ｜を実現できる条件に就いて考察する。先ず、上記△Ｔ1 分の温度上昇に伴う、上記外輪軌道２の軸方向及び径方向の変位量δA 、δR は、上記外輪１を構成する材料（炭素鋼）の線膨張係数をｋ1 とした場合に、それぞれ次の（１）（２）式で表される。
δA ＝ＬA ×△Ｔ1 ×ｋ1   −−−  （１）
δR ＝ＬR ×△Ｔ1 ×ｋ1   −−−  （２）
次に、上記玉８ｂの予圧の変化量△Ｕ、△Ｄは、それぞれ次の（３）（４）式で表される。
△Ｕ＝δA × sinα  −−−  （３）
△Ｄ＝−δR × cosα  −−−  （４）
上記外輪１の温度上昇に拘らず、上記玉８ｂの予圧が変化しない条件（｜△Ｕ｜＝｜△Ｄ｜）として、上記（１）〜（４）式から、次の（５）〜（７）式が導かれる。
δA × sinα＝δR × cosα  −−−  （５）
ＬA ×△Ｔ1 ×ｋ1 × sinα＝ＬR ×△Ｔ1 ×ｋ1 × cosα  −−−  （６）
ＬR ／ＬA ＝ sinα／ cosα＝ tanα  −−−  （７）
この（７）式が、外輪１にのみ温度入力がある場合に於ける、上記玉８ｂの予圧が変化しない条件である。ハブ１１にのみ温度入力がある場合、即ち、上記外輪１の温度が上昇せず、このハブ１１の温度のみが上昇する場合に於ける、上記玉８ｂの予圧が変化しない条件に就いては、上述の外輪１の温度のみが上昇する場合と同様に考えて、次の（８）式で表される。
Ｌr ／Ｌa   ＝ sinα／ cosα＝ tanα  −−−  （８）
【００３４】
次に、上記外輪１と上記ハブ１１とが何れも温度上昇するが、これら外輪１とハブ１１との間に温度差が存在する（温度上昇量が互いに異なる）場合に就いて説明する。この場合には、上記外輪１の熱膨張に伴う予圧の上昇分△Ｕ及び減少分△Ｄと、上記ハブ１１の熱膨張に伴う予圧の上昇分△ｄ及び減少分△ｕとの合計が０になる、即ち、次の（９）式が成り立てば、温度上昇に拘らず、上記玉８ｂの予圧が変化しない。
△Ｕ＋△Ｄ＋△ｕ＋△ｄ＝０  −−−  （９）
前記（１）〜（４）式から明らかな通り、この（９）式は、次の（１０）式に置き換えられる。この（１０）式中の△Ｔ2 は上記ハブ１１の温度上昇量を、ｋ2 はこのハブ１１を構成する材料（炭素鋼）の線膨張係数を、それぞれ表している。
ＬA ×△Ｔ1 ×ｋ1 × sinα＋（−ＬR ×△Ｔ1 ×ｋ1 × cosα）＋（−Ｌa ×△Ｔ2 ×ｋ2 × sinα）＋Ｌr ×△Ｔ2 ×ｋ2 × cosα＝０  −−−  （１０）
この（１０）式を整理すると、次の（１１）式が得られる。
（ＬA × sinα−ＬR × cosα）×△Ｔ1 ×ｋ1 ＝（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）×△Ｔ2 ×ｋ2   −−−  （１１）
更に、この（１１）式を整理すると、次の（１２）式が得られる。
（ＬA × sinα−ＬR × cosα）×ｋ1 ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）×ｋ2 ＝△Ｔ2 ／△Ｔ1   −−−  （１２）
【００３５】
この（１２）式中のＬA 及びＬR は、それぞれ次の（１３）（１４）式で表す事ができる。
ＬA ＝Ｌa −２ｄ× sinα  −−−  （１３）
ＬR ＝Ｌr ＋２ｄ× cosα  −−−  （１４）
これら（１３）（１４）式を上記（１２）式に代入すると、次の（１５）式を得られる。
｛（Ｌa −２ｄ× sinα）× sinα−（Ｌr ＋２ｄ× cosα）× cosα｝／（Ｌa   × sinα−Ｌr × cosα）＝（△Ｔ2 ／△Ｔ1 ）×（ｋ2 ／ｋ1 ）  −−−  （１５）
この（１５）式の左辺を整理すると、次の（１６）（１７）式を得られる。
（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα−２ｄ）／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）＝（△Ｔ2 ／△Ｔ1 ）×（ｋ2 ／ｋ1 ）  −−−  （１６）
２ｄ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）＝１−（△Ｔ2 ／△Ｔ1 ）×（ｋ2 ／ｋ1 ）  −−−  （１７）
前記外輪１と前記ハブ１１とが何れも温度上昇する場合に、前記玉８ｂの予圧が変化しない条件の一般解は、次の（１８）式となる。
２ｄ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）＝（△Ｔ1 ×ｋ1 −△Ｔ2 ×ｋ2 ）／（△Ｔ1 ×ｋ1 ）  −−−  （１８）
車輪を懸架装置に対し回転自在に支持する為の、一般的な車輪支持用転がり軸受ユニットの場合には、上記外輪１と上記ハブ１１とは同じ材質により造り、従ってｋ1 ＝ｋ2 であるから、上記（１８）式は、次の（１９）式に置き換えられる。
２ｄ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）＝（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）／△Ｔ1   −−−  （１９）
或は、次の（２０）式でも表せる。
Ｌa ＝｛△Ｔ1 ／（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）｝×｛２ｄ／ sinα｝＋Ｌr ／ tanα  −−−  （２０）
これら（１９）式と（２０）式とは同じ事を表す式であるが、このうちの（１９）の左辺が、請求項１に記載した、本発明を規制する不等式中の中央の式、同じく右辺がこの不等式の両端の式から係数（０．９５或は１．０５）を除いた式である。
【００３６】
上記（２０）式が成立すれば、上記外輪１と上記ハブ１１との温度上昇の相違に拘らず、上記玉８ｂ（８ａも同様）の予圧変化をほぼ完全に防止できる。但し、上記２ｄ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）の値が、上記（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）／△Ｔ1 の値に対し５％程度変化しても、前述した先発明に係る様な、上記各玉８ａ、８ｂの公転速度を検出し、上記外輪１と上記ハブ１１との間に加わる荷重を求める用途に必要とされる精度を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した様に、０．９８｛（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）／△Ｔ1 ｝＜２ｄ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）＜１．０２｛（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）／△Ｔ1 ｝を満たす。
この様に、２ｄ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）の値を（△Ｔ1 −△Ｔ2 ）／△Ｔ1 の値に対し２％以内に収めれば、外輪１とハブ１１との間に加わる荷重の測定精度をより向上させる事ができる。
【００３８】
又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項３に記載した様に、転がり軸受ユニットを、懸架装置に対して車輪を回転自在に支持する為の車輪支持用転がり軸受ユニットとする。そして、外輪相当部材を、制動時にパッド或はシュー等の摩擦材（ライニング）との摩擦によって発熱する、ディスクロータ或はドラム等の制動用回転体に対向する状態で使用する。
この様な車輪支持用転がり軸受ユニットの場合、制動時に上記摩擦材との摩擦に伴って温度上昇した制動用回転体からの輻射熱により、上記外輪相当部材の温度が上昇する。ハブ等の内輪相当部材の場合、上記制動用回転部材を結合固定しているが、その温度上昇は外輪相当部材に比べて限られたものとなる。
従って、上記車輪支持用転がり軸受ユニットの場合、上記外輪相当部材の温度上昇量と上記内輪相当部材の温度上昇量との間には、明らかな差が生じる。この様な車輪支持用転がり軸受ユニットに本発明を適用する事は、転動体の予圧変動を抑えて、予圧変動に伴うこの転動体の公転速度の変化を抑える面から、大きな効果を期待できる。
【００３９】
尚、この様に本発明を車輪支持用転がり軸受ユニットに適用する場合に、請求項４に記載した様に、２ｄ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）≒０．５とする事が考えられる。この理由は、次の通りである。
ハブ１１に制動用のディスクロータを固定する車輪支持用転がり軸受ユニットの場合、外輪１の温度上昇量△Ｔ1 がハブ１１の温度上昇量△Ｔ2 の凡そ２倍（△Ｔ1 ≒２△Ｔ2 ）になる事が経験的に知られている。そこで、前述の（１９）式に△Ｔ1 ≒２△Ｔ2 を当て嵌めれば、上記２ｄ／（Ｌa × sinα−Ｌr × cosα）≒０．５なる式を得られ、上記車輪支持用転がり軸受ユニットに関して、温度変化に伴う予圧変動を抑える為の設計を容易に行なえる。
【００４０】
又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項５に記載した様に、両列のうちの少なくとも一方の列の転動体の公転速度を検出可能とし、検出した各転動体の公転速度を、外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用する荷重を算出する為に使用する。
或は、請求項６に記載した様に、外輪相当部材と内輪相当部材との相対変位量を検出可能とし、検出した相対変位量を、これら外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用する荷重を算出する為に使用する。
この様な構成を採用すれば、自動車の走行安定性確保の為の制御等、上記荷重に基づく制御を効率良く行なえる。
【実施例】
【００４１】
本発明を実施する場合の設計値の１例に就いて説明する。尚、本実施例の特徴は、前述の図３、７に示した第一の先発明の構造の様に、複列に配置された各玉８ａ、８ｂの公転速度、延いては転がり軸受ユニットに加わる荷重を求められる、転がり軸受ユニットの荷重測定装置に関して、外輪１とハブ１１との温度差の影響を排除する点にある。その他の部分の構成及び作用は、前述の図３〜７で説明した第一の先発明の場合と同様であるから、同等部分に関する説明は省略し、以下、本実施例の特徴である、上記温度差の影響を排除する点に就いて説明する。
【００４２】
本実施例の場合、上記外輪１及び上記ハブ１１を、線膨張係数ｋ1 、ｋ2 が１．１５Ｅ−０５（ｋ1 ＝ｋ2 ＝１．１５Ｅ−０５）である炭素鋼により造る。又、上記外輪１と上記ハブ１１との間にラジアル荷重、アキシアル荷重、何れの荷重も加わらない状態での上記各玉８ａ、８ｂの接触角αを４０度とする。又、これら各玉８ａ、８ｂの直径ｄを１０mmとし、同じくピッチ円直径ＰＣＤを１００mmとする。
【００４３】
この条件では、前述した、両内輪軌道１３、１３に関する接触楕円の中心点の上記ハブ１１の軸方向に関する距離Ｌa 、これら各内輪軌道１３、１３に関する複数の接触楕円の
中心同士を結ぶ仮想円弧の直径Ｌr 、両外輪軌道２、２に関する接触楕円の中心点の上記外輪１の軸方向に関する距離ＬA 、これら両外輪軌道２、２に関する複数の接触楕円の中心同士を結ぶ仮想円弧の直径ＬR を次の値とすれば、上記温度差の影響を排除できる。
Ｌa ＝１７２．２７４９５mm
Ｌr ＝９２．３３９５５５６mm
ＬA ＝１５９．４１９１９８mm
ＬR ＝１０７．６６０４４４mm
この場合に、上記外輪１及び上記ハブ１１の軸方向に関する、両列の転動体８ａ、８ｂの中心同士の距離（列間スパン）は、１６５．８４７０７４mmとなる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
尚、上述の説明は、転動体が玉である場合を中心に説明したが、本発明は、転動体が円すいころである場合にも適用可能である。転動体として円すいころを使用した車輪支持用転がり軸受ユニットは、レジャー用四輪駆動車等、重量が嵩む自動車用として、広く使用されている。但し、転動体が円すいころである場合には、これら各円すいころの転動面と各外輪軌道及び各内輪軌道との転がり接触部に存在する接触面が（楕円ではなく）直線状となる。従って、上述した各接触面の中心点に関する距離Ｌa 、Ｌr 、ＬA 、ＬR は、直線状の接触面の中心位置（≒円すいころの軸方向中心位置）に関して規制する。又、各円すいころの直径ｄに就いても同様に、直線状の接触面の中心位置（≒円すいころの軸方向中心位置）に関して規制する。更に、接触角αは、円すいころの転動面と外輪軌道及び内輪軌道との接触面の中心同士を結ぶ仮想直線と、外輪相当部材及び内輪相当部材の中心軸に直交する仮想平面とのなす角度とする。この様に上記各距離Ｌa 、Ｌr 、ＬA 、ＬR 、直径ｄ、接触角αを規定し、前述の（１９）式、或は（２０）式を満たす様に車輪支持用転がり軸受ユニットを設計すれば、温度変化に伴う予圧変化を抑えて、転動体の公転速度、延ては外輪相当部材と内輪相当部材との間に作用する荷重の大きさを正確に求められる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明を説明する為の転がり軸受ユニットの断面図。
【図２】図１の右上の玉の転動面と外輪軌道及び内輪軌道との接触状態を示す模式図。
【図３】本発明の対象となる転がり軸受ユニットの第１例を示す断面図。
【図４】転がり軸受ユニットに加わる荷重を求められる理由を説明する為の模式図。
【図５】玉の公転速度と回転輪の回転速度との比と、ラジアル荷重との関係を示す線図。
【図６】玉の公転速度と回転輪の回転速度との比と、アキシアル荷重との関係を示す線図。
【図７】本発明の対象となる転がり軸受ユニットの第２例を示す断面図。
【符号の説明】
【００４６】
１    外輪
２    外輪軌道
３    取付孔
４、４ａ  センサユニット
５、５ａ  先端部
６ａ、６ｂ  公転速度検出用センサ
７、７ａ  回転速度検出用センサ
８ａ、８ｂ  玉
９ａ、９ｂ  保持器
１０ａ、１０ｂ  公転速度検出用エンコーダ
１１    ハブ
１２、１２ａ  回転速度検出用エンコーダ
１３    内輪軌道
１４    カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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