JP2007030864A - 操舵応答車輪駆動システム - Google Patents

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Abstract

【課題】被駆動後輪と、被駆動操舵可能前輪と、前輪および後輪を制御可能な速度で駆動するパワートレインとを有する車両用の車両駆動速度制御システムを提供する。
【解決手段】 制御ユニットは、前／後輪速度比が、検知した操舵角度信号の非線形三角関数となるように、パワートレインを制御する。前／後輪速度比は、操舵角度が増大するに連れて高くなる。前／後輪速度比の操舵角度に対する関係は、速度比の軸の上昇する方向に対して凹となる曲線によって表される。モード選択スイッチにより、操作者は、選択的に、第１の通常な既定の関係または第２の一層積極的な既定の関係にしたがって、制御ユニットに前／後速度比を制御させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、四輪駆動車両用操舵応答車輪駆動システムに関する。
２つの操舵車輪(steered wheels)を有する四輪駆動車両上では、２つの操舵車輪は、車両が曲がるときには、被操舵車輪よりも移動する距離が長い。このような車両が有する駆動システムにおいて、前後の車軸が共にギアおよび軸と接続され、前後の車軸間の駆動比が一定となるようにする場合、操舵車輪が十分速く走行していないと、これらからの抗力が車両の操舵および車両の牽引能力を妨げることになる。この問題を解消するために、車両が曲がるときには駆動システムを切断するように設計した車両もある。しかしながら、これでは、車両の牽引能力が劇的に減少してしまう。
アッカーマン型操舵機構(Ackerman-type steering mechanism)を有する従来の機械式四輪駆動トラクタでは、車両を推進する際に操舵車輪が確実に補助するために、アッカーマン操舵幾何学的配置 (Ackerman steering geometry)が必要とする速度よりも５％または６％だけ一定して前輪の速度を上げることが知られている。
この問題を解消するに当たり、他の公知の車両では、操舵角度が所定点に達したときに自動的にギアを進ませることによって、急激な旋回の間操舵車輪を被操舵車輪よりも速く回転させている。例えば、１９８８年１２月２０日に発行され、Kubota, Ltdに譲渡された米国特許第４，７９２，００９号は、前輪速度変化機構を有する四輪駆動車両を開示しており、前輪の操舵角度が所定の角度を超過したときに、前輪を加速して、高速状態を生成するようにこの機構を制御する。１９８８年２月９日に発行され、同様にKubota, Ltdに譲渡された米国特許第４，７２３，６２３号は、前輪駆動トランスミッションを備えた四輪駆動車両を開示しており、前輪操舵動作に応答して、加速モードに切り換えて前輪の平均速度を後輪の平均速度よりも高くする。しかし、これらのシステムでは、急激な段階的車速変化が生じ、動作状態にあるときには、かなりのタイヤのすり減りや、土壌の移動(soil displacement)を起こす可能性がある。
米国特許第５，３４３，９７１号および第５，４６５，８０６号は、車両のいずれの側にもモータを備えたシステムについて記載しており、検知した操舵角度の関数として差動操舵(differential steering)を行うように、モータを制御する。しかし、これらのシステムでは、後輪の速度よりも高い前輪の速度を得ることができない。
米国特許第４，７９２，００９号 米国特許第４，７２３，６２３号 米国特許第５，３４３，９７１号 米国特許第５，４６５，８０６号
したがって、本発明の目的の１つは、前輪／後輪速度比を、前輪操舵角度の関数として実質的に連続的に制御する、車両駆動システムを提供することである。
本発明の別の目的は、前輪操舵角度の増大に対して非線形に前輪／後輪速度比が上昇する車両駆動システムを提供することである。
本発明の別の目的は、異なる前輪／後輪速度比対前輪操舵角度の関係を操作者が選択し実施することができる、車両駆動システムを提供することである。
これらおよびその他の目的は、本発明によって達成され、被駆動後輪と、被駆動操舵可能前輪と、前輪および後輪を制御可能な速度で駆動するパワートレインとを有する車両用の車両駆動速度制御システムを提供する。制御ユニットは、前／後輪速度比が、検知した操舵角度信号の非線形三角関数となるように、パワートレインを制御する。前／後輪速度比は、操舵角度が増大するに連れて高くなる。前／後輪速度比の操舵角度に対する関係は、速度比の軸の上昇する方向に対して凹となる曲線によって表される。モード選択スイッチにより、操作者は、選択的に、第１の通常な既定の関係または第２の一層積極的な既定の関係にしたがって、制御ユニットに前／後速度比を制御させることができる。
図１を参照すると、車両電気駆動システム１０は、電子エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）１３によって制御する内燃エンジン１２を含む。エンジン１２は、三相電動機／発電機１４を駆動し、三相電動機／発電機１４は、高電圧ＤＣバス１８に結合された双方向インバータ／整流器１６に電力を供給し、且つこれから電力を受け取る。バス１８は、電力を双方向インバータ／整流器２０および２２に供給し、且つこれらから電力を受け取る。インバータ／整流器２０は、主電動機／発電機２４に結合されており、主電動機／発電機２４は、左前輪２５および右前輪２６に接続された前差動装置２７を駆動し、これからの動力を受け取る。前輪２５および２６は、対応する従来の左および右キングピン２９および３１を中心にして操舵可能であり、キングピン２９および３１は、キングピン分離距離ＫＳだけ離間されている。
好ましくは、車両は、アッカーマン操舵を近似した、従来の前車軸操舵機構（図示せず）を有する。アッカーマン操舵とは、旋回の間、車両上の全ての車輪の車軸を通過するように引いた直線が共通点、即ち、車両の旋回中心において交差するという幾何学的配置である。
インバータ／整流器２２は、減速機３４を介し車軸３２を介して後輪３０を駆動し、これからの動力を受け取る、主電動機／発電機２８に結合されている。前輪２５、２６は、ホイールベース距離ＷＢだけ、後輪３０から離間されている。減速機３４は、高／低レンジ・ボックス選択レバー３７によって制御する、高／低レンジ・ボックス(range box)３５を含む。各インバータ／整流器１６、２０および２２は、対応するマイクロコントローラ１７、２１および２３によってそれぞれ制御する。電動機２４および２８は、前輪２５、２６および後輪３０を制御可能に駆動することができる駆動列の一部をなす。
電動機２４および２８は、好ましくは、ＤＣブラシレス永久磁石電動機である。好ましくは、後電動機２８は、二速機械式シフト・ギア・ボックスを介して、後車軸を駆動する。二速伝達によって効率的な電動機動作が得られる。何故なら、高ギアは輸送速度(transport speed)のために必要な速度を車軸に供給し、一方低ギアは低速での重量牽引のために必要なトルクを車軸に供給するからである。
電子車両制御ユニットＶＣＵ４０が動作的にエンジンＥＣＵ１３、マイクロコントローラ２１および２３に接続されている。回転子位置センサ４４、４６および４８が、電動機／発電機１４、２４および２８の各々に結合されており、回転位置信号を対応するマイクロコントローラ１７、２１および２３に供給し、マイクロコントローラ１７、２１および２３は、これらから速度信号を得る。インバータ／整流器２０、２２は、速度制御部（図示せず）を介して操作者が指令した速度で車輪を駆動するために、ＤＣバス電流を、ある周波数の三相ＡＣ電流に反転(invert)および変換する。回転子位置センサ４６、４８、およびマイクロコントローラ２１、２３は、電気駆動電動機２４および２８の各々に対して、閉速度制御ループを形成し、マイクロコントローラ２１、２３は、速度制御部（図示せず）からの指令速度と、センサ４６、４８から得られる実際の速度との間の差から、速度誤差を計算し、速度誤差の関数として、電流を電動機に印加する。
本発明によれば、操作者制御モード選択スイッチ５０がＶＣＵに接続されている。電子車両制御ユニットＶＣＵ４０は、動作的に右キングピン３１に接続されている操舵角度センサ５２から、操舵角度信号α２を受け取る。モード選択スイッチ５０は、操作者が選択可能な第１の、即ち、「通常」状態（ＮＯＲＭ）と、第２の、即ち、「積極的」状態（ＡＧＧＲ：aggressive state）とを有し、以下で説明する、２種類の前／後速度差比対操舵角度制御関数、即ち、関係に対応する。
スイッチ５０がそのＮＯＲＭ状態にある場合、ＶＣＵ４０は、前電動機２４および後電動機２８を、図２の曲線Ａで示す関係にしたがって制御し、この場合、前／後電動機速度比は、操舵角度α２の非線形関数となり、この比は、操舵角度α２の大きさが増大するに連れて高くなる。曲線Ａは、上昇する速度比の軸に対して平行な方向に凹となっている。前電動機２４および後電動機２８をこの関係にしたがって制御すると、操舵車輪は、トラクタが一直線に駆動しているときとほぼ同じように、後輪が発生する牽引力に比例して、牽引力を発生するような速度で動作する。車輪のスリップは、車両を駆動している地面上における土壌／芝生に対する危害と同様、最少である。
この関係は、以下の非線形三角方程式によって実現することができる。
Figure 2007030864
ここで、R(ms)は、前電動機の速度の後電動機の速度に対する比であり、ＫＳはキングピン分離距離、ＷＢはホイールベースＷＢ、そしてＣは定数である。好ましくは、Ｃは、操舵角度α２がゼロとなる直線前方走行においても、前電動機速度が後電動機速度よりも速くなり、車両を引くのを操舵前輪２５、２６が常に補助するように、０．０３ないし０．０６というような小さな値とする。
式（１）は、前輪および後輪が同じ直径を有することを想定している。前輪および後輪が異なる直径を有する場合、以下の式を用いるとよい。
Figure 2007030864
ここで、R(wd)は、後輪の直径の前輪の直径に対する比である。
スイッチ５０がその積極的状態にある場合、ＶＣＵ４０は、図２の曲線Ｂで表される積極性の高い関係にしたがって、操舵角度α２の関数として、前／後電動機速度比を制御することが好ましい。曲線Ｂは、前／後電動機速度比が、同じく、操舵角度α２の非線形関数であること、およびこの比が、同じく、操舵角度α２の大きさが増大するに連れて高くなることにおいて、曲線Ａに類似している。しかしながら、図２から明らかなように、曲線Ｂの前／後電動機速度比は、少なくともある大きさよりも大きな操舵角度の範囲では、操舵角度α２の関数として、曲線Ａのそれよりも速く上昇する。ある大きさ未満の操舵角度では、曲線Ｂは曲線Ａに密接に一致してもよい。第２の関係は、操舵車輪の速度をかなりの量だけ高めるので、駆動される操舵車輪は、それ以外の場合に操舵幾何学的配置から得られるよりも小さい旋回半径に車両を引き込み、その結果、車輪のスリップが増加し、車両を駆動している地面上における土壌／芝生に対する危害が増大する。
このため、スイッチ５０がその第１の、即ち、通常状態ＮＯＲＭにあるとき、ＶＣＵ４０は、曲線Ａおよび式（１）によって表される、第１の既定の関係にしたがって前／後速度比を制御する。スイッチ５０がその第２の、即ち、積極的状態ＡＧＧＲにあるとき、ＶＣＵ４０は、曲線Ｂによって表される第２の既定の関係にしたがって、前／後速度比を制御する。
実際上の問題として、車両制御ユニットの限られた計算資源を保存するために、これらの非線形式または関係を車両制御ユニット５０内に実装するには、既知のプログラミング技法を用いて、段階的な線形近似を用いることが好ましい。
旋回中において前の操舵車輪の駆動速度を高くすることにより、車両のコーナ牽引定数(corner pulling capacity)が増加し、旋回の間中フロント・エンドを引っ張るのを補助する。電子駆動車輪を有する車両では、単に操舵角度センサを追加し、前および後速度を制御する制御アルゴリズムを修正するだけで、この機能を実現することができる。その結果、性能が向上し、速度変化が気付かれずに行われるので、操作者は、駆動に何か特別なことがあったことを殆ど知らずにいる。操舵車輪駆動の積極性は、新たなギア・セットを備えるのではなく、ソフトウェアを変更することによって修正することができる。芝生の上で動作させるとき、即ち、ゴルフ・コースにおいて芝刈りするときや、どろんこ状態での現場動作、あるいは操作者が土壌に対する危害を最少に抑えたいその他のいずれの状態においても、旋回半径が大きくなることを犠牲にしてでも、通常動作モードを選択するとよい。操作者は、スイッチ５０を用いて、現在の動作および現場条件にとって最も相応しい前輪過剰速度のレベルを選択することができる。
以上、具体的な実施形態に関連付けて本発明を説明したが、多くの代替物、変更物、および変形物も、前述の説明を参照すれば、当業者には明白であろう。したがって、本発明は、添付した特許請求の範囲の精神および範囲に該当するような代替物、変更物、変形物の全てを包含するものとする。
図１は、本発明を適用可能な四輪駆動車両の簡略模式図である。 図２は、本発明にしたがって実施した、２種類の前／後輪速度比対操舵角度の関数を表すグラフである。
符号の説明
１０ 車両電気駆動システム
１２ 内燃エンジン
１３ 電子エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
１４ 三相電動機／発電機
１６ 双方向インバータ／整流器
１８ 高電圧ＤＣバス
２０、２２ 双方向インバータ／整流器
２４ 主電動機／発電機
２５ 左前輪
２６ 右前輪
２７ 前差動装置
２８ 主電動機／発電機
２９ 左キングピン
３０ 後輪
３１ 右キングピン
３２ 車軸
３４ 減速機
３５ 高／低レンジ・ボックス
３７ 高／低レンジ・ボックス選択レバー
４０ 電子車両制御ユニットＶＣＵ
４４、４６、４８ 回転子位置センサ
５０ 操作者制御モード選択スイッチ
５２ 操舵角度センサ

Claims (13)

  1. 被駆動後輪と、被駆動操舵可能前輪と、前記前輪および後輪を制御可能な速度で駆動するパワートレインとを有する車両用の車両駆動速度制御システムであって、
    前記前輪の操舵角度を表す操舵角度信号を発生する操舵角度センサと、
    前記前／後輪速度比が前記操舵角度信号の非線形近似連続関数となり、前記操舵角度が増大するに連れて前記前／後輪速度比が高くなるように、前記パワートレインを制御する制御ユニットと、
    を備えている、車両駆動速度制御システム。
  2. 請求項１記載の制御システムにおいて、
    前記前／後輪速度比は、前記操舵角度信号の非線形近似連続三角関数である、制御システム。
  3. 請求項１記載の制御システムにおいて、
    前記前／後輪速度比の前記操舵角度に対する関係が、曲線で表される、制御システム。
  4. 請求項１記載の制御システムにおいて、
    前記前／後輪速度比の前記操舵角度に対する関係は、速度比の軸の上昇する方向に対して凹である曲線によって表される、制御システム。
  5. 請求項１記載の制御システムであって、更に、
    前記制御ユニットに接続された操作者制御モード選択スイッチを備えており、該モード選択スイッチは、操作者が選択可能な第１および第２状態を有し、前記モード選択スイッチがその第１状態にあるとき、前記制御ユニットは第１の既定の関係にしたがって前記前／後速度比を制御し、前記モード選択スイッチがその第２状態にあるとき、前記制御ユニットは前記前／後速度比を第２の既定の関係にしたがって制御する、制御システム。
  6. 請求項５記載の制御システムにおいて、
    前記第２の既定の関係は、前記第１の既定の関係よりも積極的である、制御システム。
  7. 請求項５記載の制御システムにおいて、
    前記第２の既定の関係において、前記前／後速度比は、前記第１の既定の関係よりも、操舵角度に対して速く上昇する、制御システム。
  8. 請求項５記載の制御システムにおいて、
    前記前／後輪速度比は、前記操舵角度信号の非線形三角関数である、制御システム。
  9. 請求項５記載の制御システムにおいて、
    前記前／後輪速度比の前記操舵角度に対する関係が、曲線で表される、制御システム。
  10. 請求項５記載の制御システムにおいて、
    前記前／後輪速度比の前記操舵角度に対する関係は、速度比の軸の上昇する方向に対して凹である曲線によって表される、制御システム。
  11. 請求項１記載の制御システムにおいて、
    前記前輪および後輪は、ホイールベース距離ＷＢだけ分離されており、
    前記前輪は、各々対応する左および右キングピンの軸を中心に操舵可能な、左および右前輪を含み、前記左および右キングピンは、キングピン間隔ＫＳだけ分離されており、
    前記制御ユニットは、前記前／後輪速度比が、前記操舵角度信号、前記ホイールベース距離ＷＢ、および前記キングピン間隔ＫＳの非線形三角関数となるように、前記パワートレインを制御する、制御システム。
  12. 請求項６記載のシステムにおいて、
    前記三角関数は、
    Figure 2007030864
     から成り、ここで、Ｃは定数であり、α２は操舵角度である、システム。
  13. 請求項１記載の制御システムにおいて、
    前記前／後輪速度比の前記操舵角度に対する関係は、凹曲線を近似した階段状関数によって表される、制御システム。
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