JP2005238895A

JP2005238895A - タイヤ異常検出装置

Info

Publication number: JP2005238895A
Application number: JP2004048528A
Authority: JP
Inventors: Hideki Ohashi; 秀樹大橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】車輪にセンサを設けることなくタイヤの異常を検出する。
【解決手段】車体と各車輪の間に配設されるアブソーバの一端には、該アブソーバの減衰力を調整するモータが備えられている。モータ制御部１０２は、前記モータを制御する。モータ関連量算出部１０４は、前記モータの制御に関連する量であるモータ関連量を算出する。異常判定部１０６は、すべてのモータのモータ回転数から算出される異常判定値が予め定められたしきい値以上であるときタイヤに異常が発生したと判定する。抑制指令部１１０は、異常判定部１０６によりタイヤに異常が発生したと判定されたとき、車両を駆動するエンジンの出力を抑制するとともに、各車輪のブレーキ力を抑制する。
【選択図】図３

Description

本発明は、車輪に空気圧センサ等の検出装置を設けることなくタイヤの異常を検出可能なタイヤ異常検出装置に関する。

車両の走行性能を維持するためには、タイヤの空気圧を基準レベルに保つことが必要不可欠である。車両の走行に伴ってタイヤの空気圧は徐々に低下していくので、車両の走行中に各タイヤの空気圧を常に監視し、異常を検出したときには早期にドライバーに警告する技術が望まれている。一般に、タイヤ空気圧警報システムには、空気圧センサを用いてタイヤの空気圧を直接検出する直接式タイヤ空気圧警報システムと、タイヤの車輪速度などの状態量に基づいて間接的にタイヤの空気圧を推定する間接式タイヤ空気圧警報システムとがある。

タイヤに発生する異常には、低タイヤ圧以外にも例えばタイヤゴムの温度上昇や過荷重などがあるため、従来のタイヤ空気圧警報システムではタイヤの異常を検出できない場合がある。そこで、特許文献１には、タイヤ空気室内の温度を検出する温度検出装置を設け、検出された温度情報を演算処理してタイヤバーストの発生を予測する技術が開示されている。
特開２００２−１０３９３１号公報

しかしながら、上記特許文献１のようにタイヤ空気室内に温度センサ等の検出装置を設置することはコストがかかる。また、上記特許文献１では、タイヤ内周面の温度でなくタイヤ空気室の温度を用いていることから、異常検出の精度が低下するという問題がある。

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、車輪に検出装置を設けることなく精度の高いタイヤ異常検出が可能な技術を提供することにある。

本発明のある態様は、車体と各車輪の間にそれぞれ配設されるアブソーバと、前記アブソーバの一端に接続され、該アブソーバの減衰力を調整するモータと、前記モータを制御する制御手段と、前記モータの制御に関連する量であるモータ関連量に基づいてタイヤに異常が発生したか否かを判定する異常判定手段と、を備えることを特徴とするタイヤ異常検出装置を提供する。

ここで、「タイヤの異常」には、タイヤの空気圧低下、温度上昇、過荷重などが含まれる。この態様によれば、アブソーバの減衰力発生用のモータに関連するモータ関連量に基づいてタイヤに異常が発生したか否かを判定するので、車輪に空気圧センサや温度センサ等の検出装置を設けることなくタイヤの異常を検出することができる。

前記モータ関連量は、一例ではモータ回転数である。モータ関連量の他の例としては、モータの回転により発生するトルク、モータの電圧値または電流値などがある。

前記異常判定手段は、すべてのモータのモータ回転数から算出される異常判定値が予め定められたしきい値以上であるときタイヤに異常が発生したと判定してもよい。

タイヤ異常検出装置は、前記異常判定手段によりタイヤに異常が発生したと判定されたとき、車両を駆動するエンジンの出力を抑制する抑制手段をさらに備えてもよい。あるいは、タイヤ異常検出装置は、前記異常判定手段によりタイヤに異常が発生したと判定されたとき、前記各車輪のブレーキ力を抑制する抑制手段をさらに備えてもよい。これによると、タイヤに異常が発生したときにその異常の状態に応じてエンジンやブレーキの出力が制御されるので、車両の走行安定性を確保することができる。

前記異常判定手段は、前記モータ回転数の共振周波数が初期値より所定値以上変化したときタイヤに異常が発生したと判定してもよい。これによると、各車輪独立してタイヤの異常を検出することができる。

前記タイヤ異常検出装置は、前記共振周波数と前記所定値との差分である余裕度を各モータについて算出する余裕度算出手段をさらに備えてもよい。この場合、前記制御手段は前記余裕度に基づいて前記モータの制御量を修正することができる。これによって、タイヤの異常が発生した車輪のサスペンション機能を正常な車輪で分担するような制御を実行することができる。

本発明によるタイヤ異常検出装置によれば、車輪に空気圧センサや温度センサ等の検出装置を設けることなくタイヤの異常を検出することができる。

第１の実施形態．
この実施形態では、車体と各車輪の間に設けられる電磁サスペンションのショックアブソーバの減衰力を調整するモータの物理量から算出される異常判定値に基づいて、タイヤが異常か否かを判定する。そして、タイヤに異常がある場合には、各種車両制御システムによるエンジンやブレーキの制御を抑制する指令を発する。

図１は、第１の実施形態に係る車両１の構成を示す。車両１は、車体２と、右前輪（ＦＲ）である車輪３ａ、左前輪（ＦＬ）である車輪３ｂ、右後輪（ＲＲ）である車輪３ｃ及び左後輪（ＲＬ）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により調整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バネにより支えられる部材の位置を「バネ上」と呼び、バネ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及び４ｄを、適宜「電磁サスペンション４」と総称する。各電磁サスペンション４は、電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」と表記する）１００により独立に制御される。ＥＣＵ１００の構成については後述する。

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及び５ｄを総称して「電流センサ５」と呼ぶ。各電流センサ５の検出結果は、ＥＣＵ１００に送られる。

図１に示すように、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、ＥＣＵ１００は、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。このような電磁サスペンション４を採用することで、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の鉛直方向の断面を模式的に示した図である。電磁サスペンション４は、モータ２０、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及び回転角センサ４４を備えたショックアブソーバ８０と、バネ下をバネ上に弾性支持するコイルスプリング２２と、ショックアブソーバ８０を車体２に結合するアッパーサポート７０とを備える。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及び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、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、ＥＣＵ１００に送られる。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。ショックアブソーバ８０は、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。ショックアブソーバ８０に備えられたモータ２０によって、車両１のバネ上とバネ下の間の減衰力が発生する。

ボールねじ２４、ロッド２８及びアウターシェル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、複数のボールを介してボールねじナット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、ＥＣＵ１００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、ＥＣＵ１００に送る。ＥＣＵ１００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。ＥＣＵ１００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。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、ショックアブソーバ８０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。

ショックアブソーバ８０は、モータ２０の回転により制御されるが、モータ２０のロータには慣性力が働くため、高周波の振動が路面から入力されたときに、制御が追随できず、車体２に振動が伝わって乗り心地が悪くなる場合がある。そのため、ショックアブソーバ８０は、高周波の振動を吸収するために、ゴムなどの弾性体により構成された振動吸収手段５０を含むアッパーサポート７０を介して車体２に結合される。

本実施形態では、上記のショックアブソーバ８０の減衰力を調整するモータ２０の制御量、例えば、モータ回転数やモータ電流などの値からタイヤ異常判定値を算出し、この値に基づいてタイヤの異常を検出する。これによって、空気圧センサや温度センサ等の検出装置を各車輪３に設けることなくタイヤに発生した異常を検出することができる。また、異常が発生したタイヤが装着されている車輪３に過度の負荷がかからないように、エンジン出力やブレーキ出力の出力抑制を行うことで、車両１の走行安定性を確保することができる。

図３は、ＥＣＵ１００のうち、タイヤの異常判定に関与する部分の構成を示す機能ブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描かれている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

モータ制御部１０２は、所定のアルゴリズムにしたがってモータ２０に印可する電流を調整することによって、ショックアブソーバ８０の減衰力を制御する。

モータ関連量算出部１０４は、電流センサ５の出力、回転角センサ４４の出力に基づいて、モータ回転数、発生するトルク、電圧値または電流値を算出する。以下、これらをまとめて「モータ関連量」と呼ぶ。

異常判定部１０６は、モータ関連量算出部１０４で算出されたモータ関連量を使用して、異常判定値を演算する。そして、演算された異常判定値と、予め設定されているしきい値とを比較することで、タイヤに異常が発生したか否かを判定する。

抑制指令部１１０は、異常判定部１０６によりタイヤに異常が発生したと判定された場合に、ＥＦＩシステム９０やＶＳＣシステム９２などに対し、正常時よりも制御量を抑制するよう指令を発する。例えば、ＥＦＩシステム９０に対しては、エンジン出力を抑制するように指令し、ＶＳＣシステム９２に対しては、制御範囲を限定するように指令する。このとき、図１に示す警報器８を用いてドライバーにタイヤ異常の警報を行ってもよい。

図４は、第１の実施形態におけるタイヤ異常判定のフローチャートである。まず、モータ関連量算出部１０４は、モータ関連量を算出する（Ｓ１０）。上述のように、モータ関連量には種々のものがあるが、以下では説明を簡単にするために、モータ関連量としてモータ回転数Ｎ_ｍを採用した場合について述べる。

異常判定部１０６は、式（１）で算出された異常判定値Ｄと、予め定められたしきい値Ｗ_１とを比較する（Ｓ１４）。このしきい値Ｗ_１は、車体の重量やタイヤの種類に応じて異なるので、車体とタイヤの組合せ毎に実験を通して求めておく。そして、異常判定値Ｄがしきい値Ｗ_１より小さい場合（Ｓ１４のＮＯ）、このルーチンを終了する。異常判定値Ｄがしきい値Ｗ_１以上である場合（Ｓ１４のＹＥＳ）、異常判定部１０６はタイヤに異常が発生したと判定し、抑制指令部１１０は、他の車両制御システムへ指令を出したり、または警報器８を用いてドライバーに異常を警報する（Ｓ１６）。

ここで、異常判定値Ｄとしきい値とを比較することでなぜタイヤに異常が発生したと判定できるのかについて説明する。ある車輪のタイヤに異常が発生すると、その車輪は他の正常圧の車輪に比べて振動が大きくなると考えられる。すると、ショックアブソーバ８０の上下変動量も大きくなり、これに伴ってショックアブソーバ８０に備えられたモータ２０のモータ関連量の絶対値も大きくなる。したがって、上述のようにして算出される異常判定値Ｄが予め定められたしきい値以上のときは、いずれかの車輪のタイヤに異常が発生していると判定できるのである。

抑制指令部１１０による車両制御システムへの抑制指令には、例えば、以下のものがある。車両１がＥＦＩ（燃料噴射制御）システム９０を備えている場合、抑制指令部１１０は、燃料の噴射量を抑制する指令を発してエンジン出力を低下させ、車両１の車速を低下させる。これによって、タイヤの異常による走行安定性の低下の影響が最小限になるようにする。ただし、車両１が高速走行をしている場合は、急激な減速を回避するべく、抑制指令部１１０は所定のロジックに従ってエンジン出力を徐々に低下させる。

車両１がＶＳＣ（車両安定性制御）システム９２を備えている場合、エンジン出力と各車輪のブレーキ力の制御範囲を正常時よりも制限することによって、車両１の走行安定性を確保する。これは、本来の制御を行うと、異常の発生したタイヤが要求された性能を発揮することができず、かえって車両の走行安定性を低下させてしまうおそれがあるからである。

以上説明したように、本実施形態では、モータ回転数等のモータ関連量を利用してタイヤに異常が発生したか否かを判定するので、タイヤに空気圧センサや温度センサ等の検出装置を設ける必要がない。また、タイヤに異常が発生したときには、各種車両制御システムに対して制御出力を抑制するように指令するので、車両の安定性が損なわれることがない。この実施形態は例示であり、以下、本実施形態の変形例について述べる。

第２の実施形態．
この実施形態では、ショックアブソーバの減衰力を調整するモータのモータ関連量に対して周波数解析を実行し、これによって求められた共振周波数に基づいて、各車輪独立でタイヤの異常を検出する。本実施形態における車両及び電磁サスペンションの構成は、図１に示した第１の実施形態の車両１及び電磁サスペンション４の構成と同様である。従って、以下では第１の実施形態と異なる点について説明する。

図５は、第２の実施形態におけるＥＣＵ１００の機能ブロック図である。モータ制御部１０２及びモータ関連量算出部１０４については、第１の実施形態と同様である。異常判定部１０６は、モータ関連量算出部１０４で算出された各車輪についてのモータ関連量の値に対して周波数解析を実行し、モータ関連量の共振周波数を演算する。そして、共振周波数の初期値からの変動量に基づいて、タイヤに異常が発生したか否かを判定する。余裕度算出部１０８は、共振周波数としきい値との差分である余裕度を算出する。抑制指令部１１０は、モータ２０に対して、余裕度に基づいて正常時よりも制御量を抑制するよう指令を発する。

図６は、第２の実施形態におけるタイヤ異常判定のフローチャートである。まず、モータ関連量算出部１０４は、モータ関連量を算出する（Ｓ２０）。ここでも、説明を簡単にするために、モータ関連量としてモータ回転数Ｎ_ｍを採用した場合について述べる。次に、異常判定部１０６は、フーリエ解析などの既知の周波数解析手法によって、モータ回転数Ｎ_ｍの周波数成分を演算し、共振周波数ｆ(Ｎ_ｍ)を求める（Ｓ２２）。そして、当該共振周波数ｆの初期値ｆ_０との差分が予め定められたしきい値Ｗ_２より大きいか否か、すなわち以下の式を満たすか否かを判定する（Ｓ２４）。
｜ｆ−ｆ_０｜≧Ｗ_２（３）

共振周波数ｆの初期値ｆ_０との差分がしきい値Ｗ_２より小さい場合は（Ｓ２４のＮＯ）、このルーチンを終了する。しきい値Ｗ_２以上の場合（Ｓ２４のＹＥＳ）、すなわち、モータ関連量の共振周波数ｆが初期値ｆ_０に対して大きく変動した場合、異常判定部１０６は、タイヤに異常が発生したと判定する。そして、余裕度算出部１０８は、共振周波数ｆとしきい値Ｗ_２の差分を余裕度Δｆ＝ｆ−Ｗ_２として算出する（Ｓ２６）。なお、共振周波数が初期値から変動した場合にタイヤに異常が発生したと判定できるのは、タイヤに異常が発生すると、タイヤの変形のためにショックアブソーバ８０の減衰特性が変動すると考えられるからである。

抑制指令部１１０は、全てのモータ２０についての余裕度Δｆに基づいて、各車輪の制御分担を決定する（Ｓ２８）。
Ｐ＝ｇ(Δｆ_ＦＲ、Δｆ_ＦＬ、Δｆ_ＲＲ、Δｆ_ＲＬ) （４）
ここで、添え字ＦＲ、ＦＬ、ＲＲおよびＲＬは、それぞれ右前輪３ａ、左前輪３ｂ、右後輪３ｃ及び左後輪３ｄに接続された電磁サスペンション４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのモータ２０についての余裕度であることを示す。この関数ｇは、車両の運動特性、サスペンションの動作特性などを考慮して設定される関数である。そして、モータ制御部１０２は、この結果Ｐに基づき、ショックアブソーバ８０の各モータ２０に制御指令を発する（Ｓ３０）。例えば、ある車輪の余裕度が他の車輪に比べて小さいような場合は、その車輪に対するアブソーバの減衰力を低下させたりする。

以上説明したように、本実施形態では、モータ回転数等のモータ関連量の共振周波数に基づいてタイヤに異常が発生したか否かを判定する。本実施形態では、上記第１の実施形態と異なり、各車輪独立に異常を検出するので、どの車輪に異常が発生したのかを検出することができるため、ショックアブソーバ８０のモータ２０の制御を各車輪独立して指令することができる。したがって、タイヤに異常が発生した車輪のサスペンション機能を正常な車輪で分担するような制御を実行することができる。なお、第１の実施形態と同様に、異常判定した後の警報や車両制御システムへの制御抑制の指令を、モータへの指令と併せて実行することも可能である。

以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。これらの実施形態は例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そのような変形例を述べる。

第２の実施形態において、モータ関連量を用いる代わりに、オブザーバによりタイヤのバネ定数を推定し、このバネ定数としきい値を比較することによってタイヤの異常を判定してもよい。サスペンションと車輪からなるシステムにおいてタイヤの空気圧が変動すると、タイヤのバネ定数が変動するので、当該システムの各状態量は空気圧正常時とは異なった応答を示すことになる。この応答は、見方を変えれば、正常時の応答に空気圧の変動に対応した内部外乱が加わったものであると考えることができる。そこで、この外乱をオブザーバを用いて推定してやることで、タイヤの空気圧の変動、すなわちタイヤのバネ定数を推定することができる。外乱オブザーバは、周知の方法で構成することができる。

タイヤの空気圧とタイヤのバネ定数の間には線形関係があるので、推定されたタイヤのバネ定数に対して適切なしきい値を設定することで、タイヤの空気圧異常を検出することができる。

本発明によるタイヤ異常判定装置を搭載した車両を示す図である。電磁アブソーバの詳細な構成を示す図である。第１の実施形態におけるＥＣＵの機能ブロック図である。第１の実施形態によるタイヤ異常判定のフローチャートである。第２の実施形態におけるＥＣＵの機能ブロック図である。第２の実施形態によるタイヤ異常判定の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、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、５０振動吸収手段、７０アッパーサポート、８０ショックアブソーバ、９０ＥＦＩシステム、９２ＶＳＣシステム、１００ＥＣＵ、１０２モータ制御部、１０４モータ関連量算出部、１０６異常判定部、１０８余裕度算出部、１１０抑制指令部。

Claims

車体と各車輪の間にそれぞれ配設されるアブソーバと、
前記アブソーバの一端に接続され、該アブソーバの減衰力を調整するモータと、
前記モータを制御する制御手段と、
前記モータの制御に関連する量であるモータ関連量に基づいてタイヤに異常が発生したか否かを判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とするタイヤ異常検出装置。
前記モータ関連量がモータ回転数であることを特徴とする請求項１に記載のタイヤ異常検出装置。
前記異常判定手段は、すべてのモータのモータ回転数から算出される異常判定値が予め定められたしきい値以上であるときタイヤに異常が発生したと判定することを特徴とする請求項２に記載のタイヤ異常検出装置。
前記異常判定手段によりタイヤに異常が発生したと判定されたとき、車両を駆動するエンジンの出力を抑制する抑制手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のタイヤ異常検出装置。
前記異常判定手段によりタイヤに異常が発生したと判定されたとき、前記各車輪のブレーキ力を抑制する抑制手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のタイヤ異常検出装置。
前記異常判定手段は、前記モータ回転数の共振周波数が初期値より所定値以上変化したときタイヤに異常が発生したと判定することを特徴とする請求項２に記載のタイヤ異常検出装置。
前記共振周波数と前記所定値との差分である余裕度を各モータについて算出する余裕度算出手段をさらに備え、
前記制御手段は前記余裕度に基づいて前記モータの制御量を修正することを特徴とする請求項６に記載のタイヤ異常検出装置。