JP2007116860A - 車両駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】車輪がスリップしても、すばやくグリップを回復することができる車両駆動装置を提供する。
【解決手段】スリップ状態の時、もしくはスリップ状態になりそうな時は、車輪に与えるトルクを脈動させることで、車輪の角速度Ｗを変動させて、スリップ率Ｓを変動させ、スリップ率Ｓを摩擦係数が最大になるスリップ率に近づけることで摩擦係数μの平均を大きくし、車輪が生み出す車両推進力Ｆの平均を大きくする。車両推進力が大きくなることで、車両が加速してグリップしやすくなる。また、グリップ状態の時、もしくは高速走行時は、トルク脈動を無くす、もしくはトルク脈動の変動幅を小さくして、振動や騒音を抑える。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車などの車両の駆動装置に関し、特に、車輪への動力の与え方およびこの動力を与えるための構成に関する。
雪道や氷結路面のように摩擦係数が小さい路面を走行する際に、走行性能を確保するための駆動方式としては、例えば、特許文献１に開示されている方式がある。この方式では、モータで車輪を駆動して走行しつつ、車輪がスリップしているかどうかを判定し、スリップ有りと判定されれば、モータへのトルク指令値を少し下げるという処理を行う。この処理を繰り返し、スリップ判定でスリップ無しと判定されるまで、モータへのトルク指令値を下げ続ける。
特開平８−１８２１１８号公報
しかし、上記駆動方式のようにスリップ判定を行いながら、グリップするまでモータトルクを少しずつ減らす方法では、グリップするまで時間がかかる。そのため運転フィーリングが悪化するし、タイヤがスリップし続けると雪や氷が解けて水膜が形成されるため、その水膜によって摩擦係数が小さくなり、生み出せる車両推進力が小さくなり、登坂性能や加速性能が悪化する。
本発明の目的は、車輪がスリップしても、すばやくグリップを回復することができる車両駆動装置を提供することにある。
本発明の車両駆動装置は、発生するトルクを脈動させることができる動力源、もしくは車輪に伝えるトルクを脈動させることができる動力伝達手段を備える。
さらに、本発明の車両駆動装置は、走行中、もしくは走行毎に、発生するトルク脈動の変動幅を変更することができる動力源、もしくは車輪に伝えるトルク脈動の変動幅を変更することができる動力伝達手段を備える。
さらに、本発明の車両駆動装置は、車輪がスリップした時に車輪に与えるトルク脈動の変動幅を大きくするため、スリップ検出手段を備える。
さらに、本発明の車両駆動装置は、車両発進時に車輪に与えるトルク脈動の変動幅を大きくするため、車両発進検出手段を備える。
さらに、本発明の車両駆動装置は、車輪のトルク脈動の変動幅を大きくした状態から、車輪がグリップした後に車輪に与えるトルク脈動の変動幅を小さくするため、グリップ検出手段を備える。
さらに、本発明の車両駆動装置は、車輪のトルク脈動の変動幅を大きくした状態から、車両もしくは車輪が所定速度を超えた後に車輪に与えるトルク脈動の変動幅を小さくするため、車両速度検出手段もしくは車輪速度検出手段を備える。
さらに、本発明の車両駆動装置は、車輪のトルク脈動の変動幅を大きくしてから一定時間経過した後に車輪に与えるトルク脈動の変動幅を小さくするため、経過時間の計算手段を備える。
さらに、本発明の車両駆動装置は、運転者が車輪に与えるトルク脈動の変動幅を変更するため、運転席などにトルク脈動変更スイッチを備える。
さらに、本発明の車両駆動装置は、駆動波形を変更することで車輪に与えるトルク脈動の変動幅を変更することができる交流モータの動力源を備える。
さらに、本発明の車両駆動装置は、電流を流す固定子の数を変更することで車輪に与えるトルク脈動の変動幅を変更することができる電気モータの動力源を備える。
さらに、本発明の車両駆動装置は、２つ以上のそれぞれの電気モータが持つコギングトルクを互いに強め合わせて１つの出力軸を駆動したり、コギングトルクを互いに打ち消し合わせて１つの出力軸を駆動したりすることで、車輪に与えるトルク脈動の変動幅を変更するため、２つ以上の電気モータの動力源と、少なくとも１つの電気モータの出力軸に対する位相を変更する手段を備える。
さらに、本発明の車両駆動装置は、車輪の速度を脈動させることができる動力源もしくは動力伝達手段を備える。
本発明によれば、スリップ状態において、車輪に与えるトルクを脈動させることで、車両推進力を大きくすることができる。そして、車両推進力が大きくなることで、車両が加速してグリップしやすくなるという効果もある。また、グリップ状態、もしくは高速走行時においては、振動や騒音を抑えることができる。
本発明を適用する車両の一例を図１に示す。以下、図１の車両について説明する。エンジン１が発生した動力は、トランスミッション２および発電機３に伝えられる。トランスミッション２に伝えられた動力は、左右に分配されて前輪４ａ、４ｂに伝えられる。発電機３は、エンジン１から伝えられた動力を用いて発電を行い、電力線５を介して、モータ６に電力を供給する。モータ６は、発電機３から供給された電力によって動力を発生する。モータ６で発生した動力は、リアディファレンシャル７に伝えられる。リアディファレンシャル７に伝えられた動力は、左右に分配されて後輪４ｃ、４ｄに伝えられる。モータ制御器８は、車輪４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの速度に応じて後述する方法でモータ６を制御する。
乾いた路面のように摩擦係数が十分に大きい路面では、ほとんどの場合、車輪と路面の間にはほとんどすべりが生じない（以下、この状態をグリップ状態と呼ぶ）。グリップ状態では、各車輪４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに伝えられた動力は、ほとんどが車両を推進させる力（以下、車両推進力と呼ぶ）に変換される。
しかしながら、雪道や氷結路面のように摩擦係数が小さい路面では、車輪と路面の間にすべりが生じる（以下、この状態をスリップ状態と呼ぶ）場合がある。スリップ状態では、各車輪４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに伝えられた動力は、各車輪と路面との最大摩擦力までしか車両推進力に変換されず、残りの動力は車輪を空転させるために使われる。そのため、スリップ状態では、登坂性能や加速性能が悪化する。
車輪と路面との摩擦係数μは、スリップ率Ｓによって変化することが知られている。スリップ率Ｓは、車輪の動半径をＲ、車輪の角速度をＷ、車両全体の速度をＶとすると、Ｓ＝（Ｒ×Ｗ−Ｖ）／（Ｒ×Ｗ）で表される。車輪と路面との摩擦係数μとスリップ率Ｓとの関係の一例を図２に示す。
図２に示したように、摩擦係数μは、あるスリップ率Ｓ０で最大となり、スリップ率ＳがＳ０よりも大きくなると、ほぼ一定となる場合が多い。この摩擦係数が最大になるスリップ率Ｓ０は、車輪と路面の状態によって異なるが、おおよそ０．１〜０．２の範囲にあることが知られている。
車両の登坂性能や加速性能を最大にするためには、各車輪のスリップ率がＳ０となるように、各車輪に伝える動力を調整し、各車輪の角速度Ｗを調整すれば良い。しかしながら、Ｓ０の値は車輪と路面の状態によって異なるため、正確には分からない。また、車両速度Ｖも、一般的な車両では車輪速度や動力伝達軸の回転速度を元に推定しているため、車輪がスリップして空転している状態では正確には分からない場合が多い。
そこで本発明では、スリップ状態の時、もしくはスリップ状態になりそうな時は、モータ制御器８がモータ６をトルクが脈動するように制御し、後輪４ｃ、４ｄに与えるトルクを脈動させることで、後輪４ｃ、４ｄの角速度Ｗを変動させて、スリップ率Ｓを変動させ、スリップ率Ｓを摩擦係数が最大になるスリップ率Ｓ０に近づけることで摩擦係数μの平均を大きくし、後輪４ｃ、４ｄが生み出す車両推進力Ｆの平均を大きくする。以下、摩擦係数が小さい坂道を登る場合を例にして、この現象を説明する。
図３は、後輪４ｃ、４ｄに与えるトルクを脈動させた時の、後輪４ｃ、４ｄの角速度Ｗ、スリップ率Ｓ、摩擦係数μ、後輪４ｃ、４ｄが生み出す一輪あたりの車両推進力Ｆの一例である。なお、この例では、すべての車輪から生み出された車両推進力の合計が、重力によって車両が坂の下方向に押し戻される力とほぼ釣り合っており、車両速度Ｖがほぼ一定となる状況を想定している。
図３を見ると、角速度Ｗの変動と同じようにスリップ率Ｓが変動し、スリップ率ＳがＳ０（この例では０．１５）に近づいた時に、摩擦係数μおよび車両推進力Ｆが大きくなっていることが分かる。図３での車両推進力Ｆの平均値は約２１４Ｎである。
参考に、車輪の角速度Ｗの平均と車両速度Ｖが図３と同じで、後輪４ｃ、４ｄに与えるトルクを脈動させない場合の例を図４に示す。図４を見ると、角速度Ｗが変動しないためスリップ率Ｓも変動せず、摩擦係数μおよび一輪あたりの車両推進力Ｆも一定となっていることが分かる。図４での車両推進力Ｆの平均値は約２０６Ｎであり、図３での値よりも小さくなっている。
以上のように、スリップ状態において、後輪に与えるトルクを脈動させて、後輪の角速度を変動させることで、車両推進力を大きくすることができる。そして、車両推進力が大きくなることで、車両が加速してグリップしやすくなるという効果もある。
また、グリップ状態となったら、もしくは高速走行時など振動や騒音が大きくなりやすい状況になったら、トルク脈動を無くす、もしくはトルク脈動の変動幅を小さくして、振動や騒音を抑えても良い。
また、トルク脈動の変動幅を大きくしなくても、車輪の速度脈動の変動幅を大きくすることができれば、車両推進力が大きくなる。例えば、トルク脈動が正弦波に近い波形であれば、振幅を変えなくても周期を大きくすれば、速度の振幅が大きくなり、同様の効果が得られる。
なお、図１は、前輪をエンジンから機械的に伝達した動力で駆動し、後輪をモータにより駆動する車両の例であるが、本発明は、他の駆動形式の車両に適用できる。すなわち、前輪をモータにより駆動し、後輪をエンジンから機械的に伝達した動力で駆動する車両や、全ての車輪をモータで駆動する車両や、全ての車輪をエンジンから機械的に伝達した動力で駆動する車両や、前２輪もしくは後２輪のみをエンジンもしくはモータで駆動し、残り２輪には動力を伝達しない車両などにも、本発明を適用できる。
次に、車輪に与えるトルク脈動の変動幅を変更する方法について説明する。
車輪をモータによって駆動する場合は、モータのトルク脈動の変動幅を変更すれば良い。そのためには、モータの回転子コイルもしくは固定子コイルに流れる電流を変更すれば良い。また、モータのコギングトルクを利用しても良い。
例えば、直流モータであれば、図５に示すように、回転子コイルに流す電流の変動幅を変更することでトルク脈動の変動幅を変更できる。回転子コイルに流す電流の変動幅を大きくすれば、トルク脈動の変動幅が大きくなる。
また、交流モータであれば、図６に示すように、駆動波形を変更することでトルク脈動の変動幅を変更できる。例えば各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の駆動電圧を矩形波にすれば、駆動電圧が正弦波もしくは正弦波と同等なＰＷＭの場合に比べて、トルク脈動の変動幅が大きくなる。
また、直流、交流のどちらのモータでも、電流を流す固定子の数を変更することでトルク脈動の変動幅を変更できる。トルクの平均値を同じにしたままトルク脈動の変動幅を大きくする場合は、電流を流す固定子の数を減らし、残りの固定子に流す電流を大きくすれば良い。
また、２つ以上のモータが発生した動力を合わせて１つの出力軸を駆動し、この出力軸に与えられた動力を車輪に伝える方式の場合は、互いのモータ軸の位相関係を変更することでトルク脈動の変動幅を変更できる。それぞれのモータが持つコギングトルクを強め合う位相にそれぞれのモータ軸を配置すれば、トルク脈動の変動幅が大きくなる。ヘリカルギアなどを用いて互いのモータ軸の位相関係を変更すれば、コギングトルクを強め合わせたり、打ち消し合わせたりすることができ、トルク脈動の変動幅を変更できる。
車輪をエンジンから機械的に伝達した動力で駆動する場合は、エンジンのトルク脈動の変動幅を変更すれば良い。例えば、各気筒の点火時期を変更したり、点火しない気筒を設定したり、気筒毎に燃料噴射量を変えれば、トルク脈動の変動幅を変更できる。
また、車輪をエンジン、モータのどちらで駆動する場合でも、その動力の伝達経路にクラッチ（オートマチックトランスミッションのロックアップクラッチも含む）を入れれば、そのクラッチの押し付け力（結合力）を細かく変動させることで、トルク脈動の変動幅を大きくできる。
また、動力の伝達経路にブレーキを入れるか、車輪に付いているブレーキを用いれば、小さな制動力を細かく加えることで、トルクを脈動させることができる。
なお、トルク脈動の変動幅は、あらかじめ設定した２つ以上の大きさを切り替える方式でも良いし、徐々に変更する方式でも良い。
次に、スリップ状態を検知する方法について説明する。
Ｇセンサなどを搭載してスリップ状態でも車両速度Ｖが分かる場合は、車輪の角速度Ｗと車輪の動半径Ｒの積、Ｒ×Ｗが、車両速度Ｖをある程度上回っている場合に、その車輪がスリップ状態にあると判定できる。Ｒ×ＷがＶをどれだけ上回った場合にスリップ状態と判定するかは、車両速度や車輪速度などを測定するセンサの精度や、車両旋回時の内外輪速度差を考慮して決めれば良い。
車両速度Ｖが分からない場合は、前２輪に与えるトルクの合計値Ｔｆ、後２輪に与えるトルクの合計値Ｔｒと、各車輪の角速度Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄの関係から、スリップ状態を検知できる（前２輪のみを駆動する車両の場合はＴｒ＝０となり、後２輪のみを駆動する車両の場合はＴｆ＝０となる）。前２輪の動半径をＲｆ、後２輪の動半径をＲｒ、車両総重量をＭとすると、全ての車輪がグリップ状態にある時の車両加速度は、下り坂など前方向に力が加わる場合を除いて、（Ｔｆ／Ｒｆ＋Ｔｒ／Ｒｒ）／Ｍよりも小さくなり、前輪の角加速度は（Ｔｆ／Ｒｆ＋Ｔｒ／Ｒｒ）／Ｍ／Ｒｆよりも小さくなり、後輪の角加速度は（Ｔｆ／Ｒｆ＋Ｔｒ／Ｒｒ）／Ｍ／Ｒｒよりも小さくなる。よって、前輪の場合は、角加速度が（Ｔｆ／Ｒｆ＋Ｔｒ／Ｒｒ）／Ｍ／Ｒｆよりもある程度大きい場合に、その車輪がスリップ状態にあると判定でき、後輪の場合は、角加速度が（Ｔｆ／Ｒｆ＋Ｔｒ／Ｒｒ）／Ｍ／Ｒｒよりもある程度大きい場合に、その車輪がスリップ状態にあると判定できる。車輪の角加速度がこれらの基準値をどれだけ上回った場合にスリップ状態と判定するかは、トルクや車輪速度などを測定するセンサの精度や、車両旋回時の内外輪速度差や、車輪の動半径Ｒｆ、Ｒｒの変動や、車両総重量Ｍの変動や、下り坂など前方向に力が加わる場合の影響を考慮して決めれば良い。
また、車輪の角加速度があらかじめ設定した閾値よりも大きい場合に、その車輪がスリップ状態にあると判定しても良い。
前２輪もしくは後２輪のみをエンジンもしくはモータで駆動する車両の場合は、駆動しない側の２輪は、車両全体の動きに合わせて回転するだけであり、スリップすることはほとんどない。よって、駆動する側の車輪の角速度が、駆動しない側の車輪の角速度よりもある程度上回った場合に、スリップ状態であると判定できる。駆動する側の車輪の角速度が駆動しない側の車輪の角速度をどれだけ上回った場合にスリップ状態と判定するかは、車輪速度を測定するセンサの精度や、車両旋回時の内外輪速度差を考慮して決めれば良い。
また、全ての車輪を駆動する車両でも、前２輪もしくは後２輪に与えるトルクが、他の２輪に与えるトルクよりも大きい場合は、大きいトルクの車輪の角速度が、小さいトルクの車輪の角速度よりもある程度上回った場合に、スリップ状態であると判定しても良い。
次に、トルク脈動の変動幅を変更するタイミングについて説明する。
図７は、トルク脈動の変動幅を決定するフローの一例である。このフローでは、ステップ１０の車両発進の後、ステップ１１でスリップ状態の判定を行い、スリップ状態であるならばステップ１２で車両速度の判定を行い、車両が所定速度を下回っていればステップ１３で変動幅の大きいトルク脈動を車輪に与える。スリップ状態でないか、車両が所定速度を超えていれば、ステップ１４で変動幅の小さいトルク脈動を車輪に与える。
なお、ステップ１０の車両発進の後、ステップ１１やステップ１２の判定を行わずにステップ１３へ進んで変動幅の大きいトルク脈動を車輪に与え、その後、ステップ１１に進むようにしても良い。
また、ステップ１１では、現在のスリップ状態だけでなく、スリップ状態と判定される値に車輪の角速度もしくは角加速度が近づいてきて、スリップ状態になりそうな時もステップ１２に進むようにしても良い。また、車輪や路面の状態を検知するセンサを設けて、車輪や路面が濡れている時など摩擦係数が低くスリップする可能性が高い時もステップ１２に進むようにしても良い。
また、前のサイクルでスリップ状態と判定しており、ステップ１１でグリップ状態に移行したかどうかを判定する場合は、車輪の角速度もしくは角加速度が、スリップ状態と判定される値よりもある程度下回った場合に、グリップ状態と判定しても良い。スリップ状態の判定とグリップ状態の判定を異なる基準にすることによって、スリップ状態とグリップ状態のチャタリングを防止することができる。
また、前のサイクルでスリップ状態と判定しており、ステップ１１でグリップ状態に移行したかどうかを判定する場合は、グリップ状態が所定時間続いてから、ステップ１４に進むようにしても良い。
また、ステップ１２では、車両の速度を判定する替わりに、車輪の速度を判定しても良い。
また、前のサイクルで車両もしくは車輪が所定速度を下回っていると判定しており、ステップ１２で車両もしくは車輪が所定速度を超えたかどうかを判定する場合は、所定速度を超えている状態が所定時間続いてから、ステップ１４に進むようにしても良い。
また、トルク脈動の変動幅が小さい状態からステップ１３のトルク脈動の変動幅が大きい状態へ移行してから所定時間は、ステップ１４へ進まないようにしても良いし、トルク脈動の変動幅が大きい状態からステップ１４のトルク脈動の変動幅が小さい状態へ移行してから所定時間は、ステップ１３へ進まないようにしても良い。こうすることによって、スリップ状態とグリップ状態のチャタリングを防止することができる。
また、ステップ１２を省いて、ステップ１１のみでトルク脈動の変動幅の大小を決定しても良いし、また、ステップ１１を省いて、ステップ１２のみでトルク脈動の変動幅の大小を決定しても良い。
また、トルク脈動の変動幅を大きくしてから一定時間経過したら、トルク脈動の変動幅を小さくするようにしても良い。
また、運転席などにスイッチを設けて、トルク脈動の変動幅を運転者が変更できるようにしても良い。
また、トルク脈動を大きくすることによって、発生できるトルクの最大値が大きくなる場合は、スタック脱出など瞬時トルクが必要な時に、トルク脈動を大きくしても良い。トルク脈動を大きくすることによって、発生できるトルクの最大値が大きくなる場合とは、例えば、交流モータの駆動波形を矩形波にした場合や、２つ以上のモータが発生した動力を合わせて１つの出力軸を駆動する方式において、互いのモータが持つコギングトルクを強め合う位相に各モータ軸を配置する場合や、各気筒の点火時期を変更した場合や、気筒毎に燃料噴射量を変更した場合などである。
以上のように、本実施例によれば、スリップ状態において、車両推進力を大きくすることができる。そして、車両推進力が大きくなることで、車両が加速してグリップしやすくなるという効果もある。また、グリップ状態、もしくは高速走行時においては、振動や騒音を抑えることができる。
本発明を適用する車両の一例である。 車輪と路面との摩擦係数とスリップ率との関係の一例である。 摩擦係数が小さい登坂路で車輪に与えるトルクを脈動させた時の、車輪の角速度、スリップ率、摩擦係数、車輪が生み出す車両推進力の一例である。 車輪の角速度の平均と車両速度が図３と同じで、車輪に与えるトルクを脈動させない場合の例である。 車輪に与えるトルク脈動の変動幅を変更する方法の一例である。 車輪に与えるトルク脈動の変動幅を変更する方法の別の一例である。 トルク脈動の変動幅を決定するフローの一例である。
符号の説明
１…エンジン、２…トランスミッション、３…発電機、４…車輪、５…電力線、６…モータ、７…リアディファレンシャル、８…モータ制御器。

Claims (12)

  1. 動力源と動力源が発生する動力を車輪に伝える動力伝達手段を備えた車両駆動装置であって、車輪に与えるトルクを脈動させることを特徴とする車両駆動装置。
  2. 請求項１に記載の車両駆動装置において、走行中もしくは走行毎に、前記車輪に与えるトルク脈動の変動幅を変更することを特徴とする車両駆動装置。
  3. 請求項２に記載の車両駆動装置において、前記車輪がスリップした時に、前記車輪に与えるトルク脈動の変動幅を大きくすることを特徴とする車両駆動装置。
  4. 請求項２に記載の車両駆動装置において、車両発進時に、前記車輪に与えるトルク脈動の変動幅を大きくすることを特徴とする車両駆動装置。
  5. 請求項２に記載の車両駆動装置において、前記車輪のトルク脈動の変動幅を大きくした状態から、前記車輪がグリップした後に、前記車輪に与えるトルク脈動の変動幅を小さくすることを特徴とする車両駆動装置。
  6. 請求項２に記載の車両駆動装置において、前記車輪のトルク脈動の変動幅を大きくした状態から、車両もしくは前記車輪が所定速度を超えた後に、前記車輪に与えるトルク脈動の変動幅を小さくすることを特徴とする車両駆動装置。
  7. 請求項２に記載の車両駆動装置において、前記車輪のトルク脈動の変動幅を大きくしてから一定時間経過した後に、前記車輪に与えるトルク脈動の変動幅を小さくすることを特徴とする車両駆動装置。
  8. 請求項２に記載の車両駆動装置において、トルク脈動変更スイッチを備え、このスイッチの操作に応じて、前記車輪に与えるトルク脈動の変動幅を変更することを特徴とする車両駆動装置。
  9. 請求項２に記載の車両駆動装置において、前記動力源として交流モータを備え、前記交流モータの駆動波形を変更することで、前記車輪に与えるトルク脈動の変動幅を変更することを特徴とする車両駆動装置。
  10. 請求項２に記載の車両駆動装置において、前記動力源として電気モータを備え、前記電気モータの電流を流す固定子の数を変更することで、前記車輪に与えるトルク脈動の変動幅を変更することを特徴とする車両駆動装置。
  11. 請求項２に記載の車両駆動装置において、前記動力源として２つ以上の電気モータを備えるとともに、前記動力伝達手段として２つ以上の前記電気モータが発生した動力を合わせて１つの出力軸を駆動し、この出力軸に与えられた動力を前記車輪に伝える手段を備え、少なくとも１つの前記電気モータの前記出力軸に対する位相を変更して、それぞれの前記電気モータが持つコギングトルクを互いに強め合わせて前記出力軸を駆動したり、前記コギングトルクを互いに打ち消し合わせて前記出力軸を駆動したりすることで、前記車輪に与えるトルク脈動の変動幅を変更することを特徴とする車両駆動装置。
  12. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の車両駆動装置であって、前記車輪に与えるトルクを脈動させる替わりに、前記車輪の速度を脈動させることを特徴とする車両駆動装置。
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