JP2008020355A - ドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な測定が可能でドライブシャフトの軽量化する、ドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置を提供する。
【解決手段】各等速ジョイントの外輪にはそれぞれ第１および第２のセンサーターゲット１，２が取付けられ、これら各センサーターゲット１，２に対向して、回転パルス信号を出力する第１および第２のセンサ３，４が設けられる。軸トルク演算手段６は、第１および第２のセンサ３，４により検出した回転パルス信号から、ドライブシャフト１１に生じたねじれを演算して軸トルクを求める。作用力演算手段１０は、ブレーキの制動力、および軸トルク演算手段６で求めた軸トルクから、路面とタイヤ間の作用力を推定する。ブレーキの制動力は、制動力演算手段９によって、ブレーキの構成部品と懸架装置の構成部品との相対変位の検出信号から求める。
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車のエンジンの動力を車輪に伝達する役目を持つドライブシャフトにおいて、その軸トルクと、路面とタイヤ間の作用力とを測定するドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置に関する。

独立懸架方式のサスペンションを採用する自動車のドライブシャフトでは、サスペンションの動きに追随しながら駆動力を伝達する必要がある。このため、ドライブシャフトの一端は等速ジョイントを介してディファレンシャルに連結され、他端は等速ジョイントを介して車軸（アクスル）に連結される。このようにして、ドライブシャフトはエンジンの動力を車輪まで伝える駆動系統に組み込まれ、エンジンの動力は最終的にドライブシャフトによって車輪に伝えられる。

また、最近の自動車はあらゆる部分に電子制御技術が導入されており、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、トラクションコントロールシステム（ＴＣＳ）、ノンスリップデフ（ＬＳＤ）などの走行制御では、車輪速信号が利用されている。このために、通常、ドライブシャフトのアウトボード側（アクスル側）にＡＢＳ制御用のパルサーリングが設けられ、車輪の回転に伴い歯車状のパルサーリングが回転すると、パルサーリングに近接して車体側に設置された電磁ピックアップに車輪回転数に比例した周波数のパルスが発生するようになっている。

例えば特許文献１には、両端に等速ジョイントを連結した自動車のドライブシャフトにおいて、インボード側およびアウトボード側のそれぞれの等速ジョイントの外輪にパルサーリングを取付け、これらパルサーリングによって発生する回転信号を検出し、ドライブシャフトに生じたねじれに対応する回転信号の位相差を演算処理して軸トルクを求めるドライブシャフトの軸トルク測定方法が示されている。
また、同特許文献には、求めた軸トルク信号に基づいてエンジンの出力を制御することにより過大トルクの発生を防止し、この過大トルクの発生防止によって、ドライブシャフトの軸径および等速ジョイントのサイズダウンによる軽量化を図ることが開示されている。
特開平７−６３６２８号公報

自動車に使用されるドライブシャフトの等速ジョイントには、自動車の急発進や急加速時等において過大トルクが発生しても、これに十分耐えられる強度が要求される。そのため、ジョイント軸径やジョイント外径は大きくなり、重量も重くならざるを得ない。
一方、自動車の燃費改善には車体の軽量化が非常に効果的であり、このためドライブシャフトも軽量化の必要にせまられている。ドライブシャフトの軽量化を図るには、ドライブシャフトに作用する軸トルクを正確に測定し、上記した特許文献１に開示されるように、求めた軸トルクでエンジン出力を制御し、過大トルクの発生を防止することが効果的である。
また、低μ（摩擦係数）路での走行では、タイヤのスリップが発生しやすいが、タイヤ進行方向における路面−タイヤ間作用力を測定できれば、この測定データを利用した車体制御により、タイヤスリップを事前に防止することもできる。そのため、この路面−タイヤ間作用力を測定する方法の確立についても望まれている。

この発明の目的は、ドライブシャフトに作用する軸トルクの正確な測定が可能でドライブシャフトの軽量化に貢献できると共に、路面−タイヤ間の作用力を推定できるドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置を提供することである。

この発明のドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置は、両端で等速ジョイント（１２），（１３）を介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフト（１１）の各等速ジョイント（１２），（１３）の外輪（１２ａ），（１３ａ）にそれぞれ取付けられた第１および第２のセンサーターゲット（１），（２）と、これら各センサーターゲット（１），（２）に対向して設けられて、対向するセンサーターゲット（１），（２）の検出により発生する回転パルス信号を出力する第１および第２のセンサ（３），（４）と、これら第１および第２のセンサ（３），（４）により検出した回転パルス信号から、ドライブシャフト（１）に生じたねじれに対応する回転信号の位相差を演算処理して軸トルクを求める軸トルク演算手段（６）と、ブレーキ（８）の構成部品と懸架装置の構成部品との相対変位の検出信号からブレーキ（８）の制動力を求める制動力演算手段（９）と、この制動力演算手段（９）で求めた制動力、および前記軸トルク演算手段（６）で求めた軸トルクから、路面とタイヤ間の作用力を推定する作用力演算手段（１０）とを備える。
この構成によると、軸トルク演算手段（６）で求めた軸トルク信号に基づいてエンジンの出力を制御し、過大トルクの発生を防止することにより、ドライブシャフト（１１）の軸（１１ａ）および等速ジョイント（１２），（１３）のサイズダウンを実現でき、車両の軽量化に貢献できる。この軽量化により、自動車の燃費が向上する。
自動車のブレーキング時には、タイヤホイールとハブ輪フランジ面間に設けられたブレーキロータ（１６）と、ハブを固定する懸架装置であるナックル（２０）に設置されているブレーキキャリパ（２１）に設けられたブレーキパット（１５）との摩擦力によって、タイヤホイールとブレーキパット（１５）の間でトルクが発生する。そのため、ドライブシャフト（１１）の軸トルクを検出するだけでは、タイヤ進行方向における路面とタイヤ間の作用力を測定できない。
しかし、この発明の軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置では、ブレーキ（８）の構成部品と懸架装置の構成部品との相対変位の検出信号からブレーキ（８）の制動力を求める制動力演算手段（９）と、この制動力演算手段（９）で求めた制動力、および前記軸トルク演算手段（６）で求めた軸トルクから、路面とタイヤ間の作用力を推定する作用力演算手段（１０）を備えているので、より正確なタイヤ進行方向における路面−タイヤ間作用力を推定できる。
その結果、ドライブシャフト（１１）に作用する軸トルクの正確な測定が可能で、ドライブシャフト（１１）の軽量化に貢献できると共に、路面−タイヤ間の作用力を推定できる。

この発明において、前記相対変位を求めるブレーキ（８）の構成部品がキャリパ（２１）であっても良い。また、前記相対変位を求める懸架装置の構成部品がナックル（２０）であっても良い。
ブレーキ（８）が作動し制動力が発生すると、ブレーキ（８）の構成部品であるキャリパ（２１）、あるいは懸架装置の構成部品であるナックル（２０）、あるいはキャリパ（２１）をナックル（２０）に固定するボルト等の固定部材が変形し、キャリパ（２１）とナックル（２０）との間に相対変位が生じる。そこで、前記制動力演算手段（９）は、キャリパ（２１）とナックル（２０）との相対変位の検出信号からブレーキ（８）の制動力を正確に求めることができる。

この発明の自動車の走行制御方法は、この発明のドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置によって求めた路面とタイヤ間の作用力の信号を、車両走行制御に用いることを特徴とする。
自動車のブレーキング時には、ブレーキロータとブレーキパットとの摩擦力によって、タイヤホイールとブレーキパットの間でトルクが発生し、低μ路での走行ではタイヤのスリップが発生し易い。この発明のドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置によって求めた路面とタイヤ間の作用力の信号を、車両走行制御に用いると、より正確なタイヤ進行方向における路面−タイヤ間の作用力を推定して把握でき、車体制御によって低μ路での走行におけるブレーキング時のタイヤスリップを事前に防止できる。

この発明のドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置は、両端で等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトの各等速ジョイントの外輪にそれぞれ取付けられた第１および第２のセンサーターゲットと、これら各センサーターゲットに対向して設けられて、対向するセンサーターゲットの検出により発生する回転パルス信号を出力する第１および第２のセンサと、これら第１および第２のセンサにより検出した回転パルス信号から、ドライブシャフトに生じたねじれに対応する回転信号の位相差を演算処理して軸トルクを求める軸トルク演算手段と、ブレーキの構成部品と懸架装置の構成部品との相対変位の検出信号からブレーキの制動力を求める制動力演算手段と、この制動力演算手段で求めた制動力、および前記軸トルク演算手段で求めた軸トルクから、路面とタイヤ間の作用力を推定する作用力演算手段とを備えるため、ドライブシャフトに作用する軸トルクの正確な測定が可能でドライブシャフトの軽量化に貢献できると共に、路面−タイヤ間の作用力を推定できる。
この発明の自動車の走行制御方法は、この発明のドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置によって求めた路面とタイヤ間の作用力の信号を、車両走行制御に用いることとしたため、低μ路での走行におけるブレーキング時のタイヤスリップを事前に防止できる。

この発明の一実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図２に示すように、ドライブシャフト１１は、中間軸１１ａの両端に等速ジョイント１２，１３を設けたものであり、各等速ジョイント１２，１３を介して自動車の駆動系統に接続される。ドライブシャフト１１のアウトボード側端（同図の左側）は、等速ジョイント１２を介して図示しない車軸に連結され、インボード側端（同図の右側）は、等速ジョイント１３を介して図示しないディファレンシャルに連結される。ディファレンシャルからプロペラシャフトを介してエンジンに接続される。

このドライブシャフト１１の両端の等速ジョイント１２，１３に、回転検出用のセンサーターゲット１，２が取付けられ、これらセンサーターゲット１，２と対向してセンサ３，４が設けられる。すなわち、アウトボード側の等速ジョイント１２の外輪１２ａに第１のセンサーターゲット１が取付けられ、インボード側の等速ジョイント１３の外輪１３ａに第２のセンサーターゲット２が取付けられる。これらセンサーターゲット１，２には、例えば歯車状のパルサーリング、またはリング状の磁気エンコーダが用いられる。
各センサ３，４は、対向するセンサーターゲット１，２の検出により、図３のように回転に比例した周波数の回転パルス信号を出力するものである。これらセンサ３，４は、対向するセンサーターゲット１，２に近接した車体側の各位置にそれぞれ設置される。

図１は、この実施形態のドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置の概略構成をブロック図で示したものである。この測定装置は、前記第１および第２のセンサーターゲット１，２と、これら各センサーターゲット１，２に対向して設けられた第１および第２のセンサ３，４と、第１のセンサ３により検出した回転パルス信号から、ＡＢＳ制御用の信号を演算して出力するＡＢＳ信号演算手段５と、第１および第２のセンサ３，４により検出した２つの回転パルス信号から、ドライブシャフト１１の軸トルクを求める軸トルク演算手段６とを備える。

この軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置３０は、さらに、ブレーキの構成部品と懸架装置の構成部品との相対変位を検出する相対変位検出センサ７と、この相対変位検出センサ７の検出信号からブレーキの制動力を求める制動力演算手段９と、この制動力演算手段９で求めた制動力と前記軸トルク演算手段６で求めた軸トルクとから、路面−タイヤ間の作用力を推定する作用力演算手段１０とを備える。

軸トルク演算手段６は、次のように軸トルクを求める。自動車の急発進、急加速時においては、駆動系統の中でクラッチ部を除く最も剛性の低いドライブシャフト１１にねじれが生じる。前記軸トルク演算手段６は、このねじれに対応して前記センサ３，４からの回転パルス信号の間に生じる位相差を演算処理して軸トルクを求める。
すなわち、軸トルクが発生していない場合はドライブシャフト１１の両端間にねじれはなく、インボード側のセンサ４が検出する回転パルス信号（図３（Ａ））と、アウトボード側のセンサ３が検出する回転パルス信号（図３（Ｂ））とは位相が合っている。しかし、軸トルクが発生すると、ドライブシャフト１１の両端間にねじれが生じるため、インボード側のセンサーターゲット２を検出する第２のセンサ４からの回転パルス信号（図３（Ａ））よりも、アウトボード側のセンサーターゲット１を検出する第１のセンサ３からの回転パルス信号が図３（Ｃ）のように遅れるため、両回転パルス信号間に位相差ｔ’が生じる。軸トルク演算手段６は、この位相差ｔ’に基づいて軸トルクＴを以下のように演算する。
周期ｔ，位相差ｔ’の区間でのクロックカウント数をｎ，ｎ’、クロックをａとすると、ｔ＝ｎａ，ｔ’＝ｎ’ａであるから、軸トルクＴは、
Ｔ≒Ｊｋ・２πｎ’／ｎ
として求められる。ここで、Ｊは慣性モーメント、ｋは剛性係数である。
なお、第１のセンサ３からの回転パルス信号はＡＢＳ信号演算手段５にも入力され、ＡＢＳ演算手段５で演算されてＡＢＳ制御用の信号として出力される。

図４にブレーキ８の概略構成を示す。ブレーキペダル１７の踏力は、マスタシリンダ１８によりブレーキパイプ（あるいはブレーキホース）１９を通路とするブレーキ液の液圧に変換される。ブレーキパイプ１９はブレーキキャリパ２１に接続され、このブレーキキャリパ２１は、ハブを固定する懸架装置の構成部品であるナックル２０に設置されている。ブレーキキャリパ２１は一対のブレーキピストン１４，１４と、これら各ブレーキピストン１４で押される一対のブレーキパット１５，１５とを有する。これら一対のブレーキパッ１５，１５は、タイヤホイールとハブ輪フランジ面（いずれも図示せず）間に設けられるブレーキロータ１６を挟むように配置され、前記ブレーキ液の液圧でブレーキピストン１４を介してブレーキロータ１６に押し付けられる。

ブレーキ８が作動し制動力が発生すると、ブレーキ８の構成部品であるブレーキキャリパ２１、あるいは懸架装置の構成部品であるナックル２０、あるいはブレーキキャリパ２１をナックル２０に固定するボルト等の固定部材（図示せず）が変形し、ブレーキキャリパ２１とナックル２０との間に相対変位が生じる。そこで、前記相対変位検出センサ７は、例えば図４の一部を拡大して図５に示すように、ナックル２０の上に設置されて、前記相対変位を測定する。このほか、前記相対変位検出センサ７は、例えば図６に示すように、ブレーキキャリパ２１の上に設置して、前記相対変位を測定するようにしても良い。この場合、測定する相対変位の方向は、図示しないタイヤあるいはブレーキロータ１６の回転方向とする。

前記制動力演算手段９は、実験やシュミレーションにより予め求めておいた前記相対変位と制動力の関係に、前記相対変位検出センサ７の検出する相対変位量を当てはめることにより制動力を演算する。
前記作用力演算手段１０は、軸トルク演算手段６で求めた軸トルクと、制動力演算手段９で求めた制動力とを組み合わせることによって、タイヤ進行方向における路面−タイヤ間の作用力を推定する。

このように、このドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置３０では、ドライブシャフト１１の両端に連結される各等速ジョイント１２，１３の外輪１２ａ，１３ａにそれぞれ取付けられた第１および第２のセンサーターゲット１，２に対向して、第１および第２のセンサ３，４が設けられ、これらセンサ３，４が対向するセンサーターゲット１，２の検出により発生する両回転パルス信号から、ドライブシャフト１１に生じたねじれに対応する回転パルス信号の位相差ｔ’を演算処理して軸トルクを求める軸トルク演算手段６を備えている。そのため、求めた軸トルク信号に基づいてエンジンの出力を制御し、過大トルクの発生を防止することにより、ドライブシャフト１１の軸および等速ジョイント１２，１３のサイズダウンを実現でき、車両の軽量化に貢献できる。この軽量化により、自動車の燃費が向上する。

自動車のブレーキング時には、タイヤホイールとハブ輪フランジ面間に設けられたブレーキロータ１６と、ハブを固定する懸架装置の構成部品であるナックル２０に設置されているブレーキキャリパ２１のブレーキパット１５との摩擦力によって、タイヤホイールとブレーキパット１５の間でトルクが発生し、低μ路での走行ではタイヤのスリップが発生し易い。そのため、ドライブシャフト１１の軸トルクを検出するだけでは、タイヤ進行方向における路面−タイヤ間の作用力を測定できない。
しかし、このドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置３０では、ブレーキ８の構成部品と懸架装置の構成部品との相対変位の検出信号からブレーキ８の制動力を求める制動力演算手段９と、この制動力演算手段９で求めた制動力、および前記軸トルク演算手段６で求めた軸トルクから、路面−タイヤ間の作用力を推定する作用力演算手段１０を備えているので、より正確なタイヤ進行方向における路面タイヤ間作用力を推定して把握でき、車体制御によってタイヤスリップを事前に防止することができる。

また、求めた路面−タイヤ間の作用力の信号を、車両走行制御に利用することで、最適な制御が可能となる。例えば、図７にブロック図で示す車両走行制御装置のように、トラクションコントロールシステム（ＴＣＳ）３２に必要なエンジン制御用の駆動軸トルク信号として、このドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置３０で求められる路面−タイヤ間の作用力信号を利用することができる。ＡＴトランスミッションに駆動軸トルク制御を加えることにより、効率の向上が得られ、燃費が改善される。また、図６のように前記作用力信号を利用して電子制御ＬＳＤ３３に駆動軸トルク制御を加えることにより、最適なトルク配分が得られる。

このように、このドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置３０によると、ドライブシャフト１１に作用する軸トルクを正確に測定でき、ドライブシャフト１１の軽量化に貢献でき、さらにブレーキ８による制動力測定値を組み合わせることで、路面−タイヤ間の作用力をより正確に推定できる。

この発明の一実施形態にかかるドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置の概略構成を示すブロック図である。 同軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置が適用されるドライブシャフトの断面図である。 同軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置におけるセンサーターゲットの回転により対向するセンサから得られる回転パルス信号のタイムチャートである。 同軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置の測定対象となるブレーキ機構の断面図である。 図４のブレーキ機構における相対変位検出センサの設置位置の一例を示す部分拡大断面図である。 図４のブレーキ機構における相対変位検出センサの設置位置の他の例を示す部分拡大断面図である。 この発明の軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置を用いた車両走行制御装置の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…第１のセンサーターゲット
２…第２のセンサーターゲット
３…第１のセンサ
４…第２のセンサ
６…軸トルク演算手段
７…相対変位検出センサ
８…ブレーキ
９…制動力演算手段
１０…作用力演算手段
１１…ドライブシャフト
１２，１３…等速ジョイント
１２ａ，１３ａ…ジョイント外輪
２０…ナックル
２１…ブレーキキャリパ
３０…軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置

Claims (4)

1. 両端で等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトの各等速ジョイントの外輪にそれぞれ取付けられた第１および第２のセンサーターゲットと、これら各センサーターゲットに対向して設けられて、対向するセンサーターゲットの検出により発生する回転パルス信号を出力する第１および第２のセンサと、これら第１および第２のセンサにより検出した回転パルス信号から、ドライブシャフトに生じたねじれに対応する回転信号の位相差を演算処理して軸トルクを求める軸トルク演算手段と、ブレーキの構成部品と懸架装置の構成部品との相対変位の検出信号からブレーキの制動力を求める制動力演算手段と、この制動力演算手段で求めた制動力、および前記軸トルク演算手段で求めた軸トルクから、路面とタイヤ間の作用力を推定する作用力演算手段とを備えたドライブシャフトの軸トルク測定装置。
2. 請求項１において、前記相対変位を求めるブレーキの構成部品がキャリパであるドライブシャフトの軸トルク測定装置。
3. 請求項１において、前記相対変位を求める懸架装置の構成部品がナックルであるドライブシャフトの軸トルク測定装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のドライブシャフトの軸トルク・路面タイヤ間作用力測定装置によって求めた路面とタイヤ間の作用力の信号を、車両走行制御に用いることを特徴とする自動車の走行制御方法。
   

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