JP2005035486A

JP2005035486A - 車両懸架装置

Info

Publication number: JP2005035486A
Application number: JP2003276771A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Hashimoto; 直幸橋本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】簡略な構成で車両のバネ下とバネ上の間の相対変位を精度良く検出する技術を提供する。
【解決手段】車両のバネ下に設けられたボールねじナットと螺合する、車両のバネ上に設けられたボールねじを、回転モータにより回転させることにより、車両のバネ上とバネ下の間の減衰力を発生するアブソーバを備える車両において、車両に搭載されたＥＣＵは、回転角センサにより検出されたモータの回転角を取得し（Ｓ１０）、回転角からボールねじのストロークを算出する（Ｓ１２）。さらに、ストロークの時間微分により相対速度を算出し（Ｓ１４）、相対速度の時間微分により相対加速度を算出する（Ｓ１６）。ＥＣＵは、これらの値に基づいて、車体の姿勢を制御する（Ｓ１８）。
【選択図】図４

Description

本発明は、車両懸架装置に関し、特に、ボールねじを回転モータにより回転させることにより減衰力を発生するアブソーバを備える車両懸架装置に関する。

車両懸架装置として、減衰力特性を複数段階に変更可能なショックアブソーバを備えた車両懸架装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された車両懸架装置では、油圧式のショックアブソーバのシリンダ内に、流路断面積を変更するための調整子が、パルスモータにより回動自在に設けられており、コントロールユニットがパルスモータに駆動制御信号を出力して調整子を回転させ、減衰力特性を変更する。各車輪位置には、それぞれのばね上上下加速度を検出するばね上上下加速度センサが設けられ、各車輪と車体との間には、ばね上−ばね下間相対変位を検出するストロークセンサが設けられており、コントロールユニットは、これらのセンサからの入力信号に基づいて減衰力特性制御を行う。

また、別の方式の車両懸架装置として、電気モータ式サスペンションが提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示された車両懸架装置では、サスペンションアームの前端を枢支する枢軸が、車体に固定された電気モータにより回転可能に設けられている。電子制御装置は、電気モータの出力軸の回転角を回転角センサから取得し、回転角から時間微分などの演算により回転角速度および回転角加速度を算出し、これらの値に基づいて、反力トルク、減衰トルク、慣性力補償トルクを算出して、電気モータの駆動電流を制御する。
特開２０００−２７２３１８号公報特開平７−１４９１３０号公報

新しい車両懸架技術として、車両のバネ下に設けられたボールねじナットと螺合する、車両のバネ上に設けられたボールねじを、回転モータにより回転させることにより、車両のバネ上とバネ下の間の減衰力を発生する電磁式アブソーバが提案されている。この電磁式アブソーバを備えた車両において、減衰力を制御するために、車両のバネ上とバネ下の間の相対変位や相対加速度を検出するには、特許文献１のように、ストロークセンサ、加速度センサなどの構成が必要であった。特許文献２では、回転角センサにより検出された電気モータの回転角を用いて、回転角速度や回転角加速度を得ることが開示されているが、特許文献２に開示された電気モータ式サスペンションは、上述の電磁式アブソーバとは構成および方式を全く異にするものであり、電磁式アブソーバを用いた車両懸架装置において、車両のバネ上とバネ下の間の相対変位や相対加速度を検出する技術を開示するものではない。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡略な構成で車両のバネ下とバネ上の間の相対変位を精度良く検出する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様は、車両のバネ上またはバネ下のうちの一方に設けられたボールねじナットと螺合する、車両のバネ上またはバネ下のうちの他方に設けられたボールねじを、回転モータにより回転させることにより、車両のバネ上とバネ下の間の減衰力を発生するアブソーバを備える車両懸架装置において、回転モータの回転角度関連量を検出する回転角度関連量検出手段と、回転角度関連量から車両のバネ上とバネ下の間の相対変位量を検出する相対変位量検出手段と、を備えることを特徴とする。

回転角度関連量は、回転角そのものであってもよいし、回転角を算出するためのパラメータなどであってもよい。この構成によれば、車両のバネ下とバネ上の間の相対変位を検出するために、ストロークセンサなどの構成を別に設ける必要がなく、簡略な構成で、回転モータの回転角とボールねじのリードから、上下方向の相対変位を精度良く検出することができる。

車両懸架装置は、相対変位量に基づき、車両のバネ上とバネ下の間の相対加速度を検出する相対加速度検出手段をさらに備えてもよい。この構成によれば、加速度センサを別に設ける必要がなく、簡略な構成で、上下方向の相対変位量から上下方向の相対加速度を精度良く検出することができる。

車両懸架装置は、相対変位量または相対加速度に基づいて、車体の姿勢を制御する姿勢制御手段をさらに備えてもよい。姿勢制御手段は、回転モータによりボールねじを回転させることにより、車体の姿勢を変更してもよい。ボールねじを回転させることにより、バネ上とバネ下の間の相対変位量を能動的に変化させることができるので、減衰力制御のためのアブソーバを、車体の姿勢を制御するために利用することができる。

本発明によれば、簡略な構成で車両のバネ下とバネ上の間の相対変位を精度良く検出することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る車両１の構成を示す。車両１は、車体２と、左前輪である車輪３ａ、右前輪である車輪３ｂ、左後輪である車輪３ｃおよび右後輪である車輪３ｄ（以下、適宜「車輪３」と総称する）を備える。車輪３はホイールとゴムタイヤから構成される。車体２と車輪３は、車両１のバネ上とバネ下の減衰力をモータを用いて発生するアブソーバを備えた電磁サスペンションを介して接続される。なお、電磁サスペンションのコイルスプリングにより支えられる部材の位置を「バネ上」と呼び、コイルスプリングにより支えられていない部材の位置を「バネ下」と呼ぶ。すなわち、バネ上は車体２側であり、バネ下は車輪３側である。この例では、車輪３ａが電磁サスペンション４ａに、車輪３ｂが電磁サスペンション４ｂに、車輪３ｃが電磁サスペンション４ｃに、車輪３ｄが電磁サスペンション４ｄにそれぞれ取り付けられる。以下、各電磁サスペンション４ａ、４ｂ、４ｃおよび４ｄを総称する場合には、「電磁サスペンション４」と呼ぶ。各電磁サスペンション４は、電子制御装置（以下、電子制御装置を「ＥＣＵ」と表記する）１０により独立に制御される。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えて構成される。

電磁サスペンション４のモータに流れる電流は、電流センサにより検出される。電磁サスペンション４ａに対して電流センサ５ａ、電磁サスペンション４ｂに対して電流センサ５ｂ、電磁サスペンション４ｃに対して電流センサ５ｃ、電磁サスペンション４ｄに対して電流センサ５ｄがそれぞれ設けられる。以下、電流センサ５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄを総称する場合には「電流センサ５」と呼ぶ。各電流センサ５の検出結果は、ＥＣＵ１０に伝達される。なお電流センサ５による電流検出機能は、ＥＣＵ１０により実現されてもよい。

電磁サスペンション４を車輪３ごとに設けることにより、ＥＣＵ１０が、各車輪３の状態に応じて電磁サスペンション４のモータに印加する電流をそれぞれ独立して制御することが可能となる。また、電磁サスペンション４を採用することで、エアサスペンションや油圧式ショックアブソーバを利用する場合よりも、応答性の優れた制御を実現できる。

図２は、電磁サスペンション４の構成を示す。電磁サスペンション４は、モータ２０、コイルスプリング２２、ボールねじ２４、ボールねじナット２６、ロッド２８、アウターシェル３０、軸受３２、３４、３６、ダストシール３８および回転角センサ４４を備える。軸受３２はロッド２８内部においてボールねじ２４を回動可能に支持し、また軸受３４および３６は、アウターシェル３０内部においてロッド２８を摺動可能に支持する。ダストシール３８は、アウターシェル３０内にゴミなどの異物が入り込むのを防止する。回転角センサ４４は、回転角度関連量検出手段の一例であり、モータ２０の回転量を検出する。回転角センサ４４の検出結果は、ＥＣＵ１０に伝達される。回転角センサ４４は、モータ２０の外部に設けられてもよく、またモータ２０の内部に設けられてもよい。この電磁サスペンション４は、第１取付部４０において車体２側の構成に取り付けられ、また第２取付部４６において車輪３側の構成に取り付けられる。コイルスプリング２２は、第１取付部４０近傍の車体面とスプリングシート４２の間に縮設され、予め所定の荷重を与えられる。

コイルスプリング２２は、車両１のバネ上部分の重量を支持し、また路面からの振動や衝撃が車輪３を通して車体２に伝わらないようにする。モータ２０およびボールねじ２４はショックアブソーバとして機能し、コイルスプリング２２による車体２の上下振動を減衰させる。このショックアブソーバは、モータ２０を用いて車両１のバネ上とバネ下の間の減衰力を発生することができ、制御応答性に優れている。

ボールねじ２４、ロッド２８およびアウターシェル３０は同軸に配置されている。アウターシェル３０には、雌ねじ部分を有するボールねじナット２６が内設される。ボールねじ２４は雄ねじ部分を有し、ボールねじナット２６に螺合した状態にある。モータ２０はボールねじ２４の一端を回動可能にセレーションで支持する。モータ２０を駆動すると、ボールねじ２４がボールねじナット２６に対して相対回転し、モータ２０に対してアウターシェル３０が下方に押し下げられ、又は上方に引き上げられる。なお、本実施の形態では、ボールねじ２４が車両のバネ上に、ボールねじナット２６が車両のバネ下に設けられる例について説明するが、逆に、ボールねじ２４が車両のバネ下に、ボールねじナット２６が車両のバネ上に設けられてもよい。

車両１が良路を走行している場合、ＥＣＵ１０はそれぞれの電磁サスペンション４のモータ２０に印加する電流値を、例えば０Ａである基準電流値に設定する。路面に凹凸があって、車輪３が上下動する場合、ロッド２８とアウターシェル３０との相対運動によりコイルスプリング２２が伸縮する。このとき、ボールねじ２４がボールねじナット２６に対して相対回転することにより、モータ２０が回転して発電機として作用し、このときに生じる抵抗力により減衰力が発生する。電流センサ５は、モータ２０内部で電磁誘導により発生した電流を検出し、ＥＣＵ１０に伝達する。ＥＣＵ１０は、コイルスプリング２２の伸縮を抑制する方向の電流、すなわち電磁誘導により生じた電流とは逆向きの電流をモータ２０に印加する。ＥＣＵ１０は、車体２の上下方向の加速度に応じてモータ２０に印加する電流を設定し、減衰力を調整する。このように、本実施の形態のショックアブソーバは、電磁式ショックアブソーバとして機能する。また、ボールねじ２４を回転させることにより、車体２を上下方向に変位させることができるので、本実施の形態のショックアブソーバは、車体２の姿勢を制御するために利用することができる。

従来、ＥＣＵ１０は、車体２に設けられた複数のストロークセンサまたは加速度センサから車体２の上下方向の変位または加速度を取得して減衰力を調整するために利用していた。本実施の形態では、ＥＣＵ１０は、電磁サスペンション４に設けられた回転角センサ４４が検出したボールねじ２４の回転角を取得し、車体２の上下方向の相対変位、相対速度、相対加速度を算出して、減衰力の調整や、車体２の姿勢制御に利用する。

ＥＣＵ１０は、相対変位量検出手段としての機能を有し、回転角センサ４４により検出されたボールねじ２４の回転角を取得して、ボールねじ２４のストローク量、すなわち車両１のバネ上とバネ下の間の相対変位量を検出する。ボールねじ２４の回転角をω（ｒａｄ）、リードをＬ（ｍｍ）、ストロークをＳｔ（ｍｍ）とすると、次式が成立する。

Ｓｔ＝２πω×Ｌ
ＥＣＵ１０は、上式を用いて相対変位量を算出する。ボールねじ２４のバックラッシは、通常数十μｍ程度であり、ショックアブソーバのストローク（１００ｍｍ以上）に対して十分小さいので、高い精度で相対変位量を検出することができる。

ＥＣＵ１０は、相対加速度検出手段の機能を更に有しており、相対変位量の時間軸波形を微分することにより相対速度を検出し、相対速度の時間軸波形を微分することにより相対加速度を検出する。図３（ａ）は、回転角センサ４４により検出されたボールねじ２４の回転角を示し、図３（ｂ）は、ボールねじ２４の回転角から算出された相対変位量を示し、図３（ｃ）は、相対変位量の時間軸波形を微分して得られた相対速度を示し、図３（ｄ）は、相対速度の時間軸波形を微分して得られた相対加速度を示す。

ＥＣＵ１０は、姿勢制御手段としての機能も有し、算出した相対変位量または相対加速度に基づいて、車体２の姿勢を制御する。たとえば、車体２の後輪側に荷重がかかり、後輪側が下方に沈んで傾斜しているときに、後輪の電磁サスペンション４のボールねじ２４を、車体２を上方に押し上げる方向に回転させて、車体２が水平になるように制御してもよい。本実施の形態では、４輪全ての相対変位量を検出することができるので、よりきめ細かい姿勢制御および減衰力制御が可能である。また、ショックアブソーバの位置で相対変位量を検出するので、高い精度で相対変位量を検出することができる。

特許文献２に開示された電気モータ式サスペンションでは、電気モータの回転角から回転角加速度を算出してモータの駆動量を決定していたが、本実施の形態では、上下方向の相対変位量、相対加速度を検出して、車体の姿勢制御に利用する点で、特許文献２に開示された技術と相違する。本実施の形態の電磁サスペンション４は、回転方向の変位量ではなく、上下方向の変位量を取得可能であるので、より高い精度で姿勢制御を行うことができる。

図４は、相対変位量および相対加速度を検出する方法を示すフローチャートである。ＥＣＵ１０は、回転角センサ４４により検出されたボールねじ２４の回転角を取得すると（Ｓ１０）、相対変位量検出機能により、上述した式を用いて相対変位量を算出する（Ｓ１２）。さらに、ＥＣＵ１０は、相対加速度検出機能により、相対変位量を時間微分して相対速度を算出し（Ｓ１４）、相対速度をさらに時間微分して相対加速度を算出する（Ｓ１６）。ＥＣＵ１０は、姿勢制御機能により、算出した相対変位量または相対加速度に基づいて、車体２の姿勢を制御する（Ｓ１８）。

以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。なお本発明はこの実施の形態に限定されることなく、そのさまざまな変形例もまた、本発明の態様として有効である。

実施の形態では、ＥＣＵ１０が相対変位量検出手段、相対加速度検出手段、姿勢制御手段の機能を担ったが、その他のＥＣＵ、たとえば電磁サスペンション用のＥＣＵなどがこれらの機能を有してもよい。いずれにせよ、従来の車両に既に搭載されているＥＣＵを、相対変位量検出手段、相対加速度検出手段、姿勢制御手段として利用することにより、新たな構成を追加する必要がないので、これらの機能を搭載することによる製造コストの増大を抑えることができる。

実施の形態に係る車両の構成を示す図である。電磁サスペンションの構成を示す図である。図３（ａ）は、回転角センサにより検出されたボールねじの回転角を示す図であり、図３（ｂ）は、ボールねじの回転角から算出された相対変位量を示す図であり、図３（ｃ）は、相対変位量の時間軸波形を微分して得られた相対速度を示す図であり、図３（ｄ）は、相対速度の時間軸波形を微分して得られた相対加速度を示す図である。実施の形態に係る相対変位量および相対加速度の検出方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・車両、２・・・車体、３・・・車輪、４・・・電磁サスペンション、５・・・電流センサ、１０・・・ＥＣＵ、２０・・・モータ、２２・・・コイルスプリング、２４・・・ボールねじ、２６・・・ボールねじナット、２８・・・ロッド、３０・・・アウターシェル、３２、３４、３６・・・軸受、３８・・・ダストシール、４０・・・第１取付部、４２・・・スプリングシート、４４・・・回転角センサ、４６・・・第２取付部。

Claims

車両のバネ上またはバネ下のうちの一方に設けられたボールねじナットと螺合する、車両のバネ上またはバネ下のうちの他方に設けられたボールねじを、回転モータにより回転させることにより、車両のバネ上とバネ下の間の減衰力を発生するアブソーバを備える車両懸架装置において、
前記回転モータの回転角度関連量を検出する回転角度関連量検出手段と、
前記回転角度関連量から前記車両のバネ上とバネ下の間の相対変位量を検出する相対変位量検出手段と、
を備えることを特徴とする車両懸架装置。
前記相対変位量に基づき、前記車両のバネ上とバネ下の間の相対加速度を検出する相対加速度検出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の車両懸架装置。
前記相対変位量または前記相対加速度に基づいて、車体の姿勢を制御する姿勢制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の車両懸架装置。
前記姿勢制御手段は、前記回転モータにより前記ボールねじを回転させることにより、前記車体の姿勢を変更することを特徴とする請求項３に記載の車両懸架装置。