JP2010137768A - サスペンション挙動推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サスペンション機構の挙動を正確に把握する。
【解決手段】サスペンション挙動評価システムにおいて、解析条件取得部は、車両本体に対する鉛直方向への車輪の変位、および車輪の転舵角度を取得する。挙動推定部は、取得した車輪の変位および転舵角度を利用して、第１ボールジョイント２４の基準スタッド軸ｚ回りの第１揺動角θ１と、第１ボールジョイント２４の基準垂直軸ｘ回りの第３揺動角θ３と、を算出する。挙動推定部は、算出された第３揺動角θ３を利用して、第１ボールジョイント２４の基準タイロッド軸ｙ回りの第２揺動角θ２を算出する。挙動推定部は、算出された第１揺動角θ１、第２揺動角θ２、および第３揺動角θ３を利用してサスペンション機構の挙動を推定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、サスペンション挙動推定方法に関し、特に、車輪を支持するステアリングナックルと、端部の各々がボールジョイントを介してステアリングナックルおよび車両本体の双方に連結されるタイロッドと、を有するサスペンション機構の挙動を推定するサスペンション挙動推定方法に関する。

車輪が路面の凹凸に乗り上げたときに車両本体に対する鉛直方向への車輪の変位をある程度許容すべく、一般に、車両の車輪周辺にはサスペンション機構が設けられている。ここで、高い安全性を確保しながら軽量化を図るべく、サスペンション部品の発生応力の計算や形状の更新を行う自動車用サスペンション部品の設計方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１４７４４号公報

車両を旋回させるために、例えば前輪など所定の車輪は転舵可能に設けられている。したがって、車輪が変位しまたは転舵された場合においても、車輪周辺の部品同士が互いに干渉しないよう充分な隙間が存在するかを評価する隙間評価を適切に実施する必要がある。近年、このような干渉が発生しないよう、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）によるシミュレーションによって試作前にサスペンション機構１０の構成を充分に確認する技術の開発が進められている。昨今における車両の小型化、開発期間短縮の要求に適切に応じるため、このようなＣＡＥによる干渉評価の精度向上に対するニーズが益々高まっている。

ここで、一般的なサスペンション機構は、ステアリングナックルや、車輪を転舵させるためのタイロッドを含む。このため、このステアリングナックルとタイロッドは通常ボールジョイントを介して連結され、タイロッド軸とボールジョイントのスタッド軸とは、互いに揺動可能に設けられている。一方、車両本体とタイロッドとの間もボールジョイントで連結されている場合、タイロッドも自身のタイロッド軸を中心に揺動可能となり、正確な隙間評価のためにはさらにこの点も考慮する必要がある。

そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、サスペンション機構の挙動を正確に把握することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のサスペンション挙動推定方法は、車輪を支持するステアリングナックルと、ステアリングナックルにボールジョイントを介して一端が連結されるタイロッドと、を有するサスペンション機構の挙動を推定するサスペンション挙動推定方法において、車両本体に対する鉛直方向への車輪の変位、および車輪の転舵角度を取得するステップと、車輪が転舵されておらず車両本体に対して車輪の鉛直方向の位置が基準位置にあるときのステアリングナックルに連結されるボールジョイントのスタッドの中心軸を基準スタッド軸としタイロッドの両端を結ぶ直線を基準タイロッド軸とし基準タイロッド軸と基準スタッド軸の双方に直交する軸を基準垂直軸としたとき、取得した車輪の変位および転舵角度を利用して、ボールジョイントの基準スタッド軸回りの第１揺動角θ１と、ボールジョイントの基準垂直軸回りの第３揺動角θ３と、を算出するステップと、算出された第３揺動角θ３を利用して、ボールジョイントの基準タイロッド軸回りの第２揺動角θ２を算出するステップと、算出された第１揺動角θ１、第２揺動角θ２、および第３揺動角θ３を利用してサスペンション機構の挙動を推定するステップと、を備える。

この態様によれば、第２揺動角θ２を利用してサスペンション機構の挙動を推定することができる。このため、タイロッドやステアリングナックルなどの部品の挙動を正確に把握することが可能となり、サスペンション機構の挙動を正確に推定することができる。

第２揺動角θ２を算出するステップは、第２揺動角θ２がとり得る最大値を許容揺動角θｍａｘとして、

によって第２揺動角θ２を算出するステップを含んでもよい。

この態様によれば、許容揺動角θｍａｘを利用することによって第３揺動角θ３から第２揺動角θ２を簡易に算出することが可能となる。このため、簡易な演算でサスペンション機構の挙動を正確に推定することができる。

サスペンション機構の挙動を推定するステップは、算出されたボールジョイントの第１揺動角θ１、第２揺動角θ２、および第３揺動角θ３を利用して、ボールジョイントにステアリングナックルを介して連結される車輪の向きを推定するステップを含んでもよい。

この態様によれば、推定された車輪の向きを利用して、例えば車輪周辺の部品と車輪との隙間評価を実施することも可能となり、サスペンション機構を円滑に設計することが可能となる。

本発明によれば、サスペンション機構の挙動を正確に把握することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、「実施形態」という。）について詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係るサスペンション挙動評価システム（図示せず）による挙動推定の対象となるサスペンション機構１０の構成を模式的に示す図である。サスペンション機構１０は、車輪１２、ステアリングナックル１４、アッパーコントロールアーム１６、ロアコントロールアーム１８、ラックバー２０、タイロッド２２、第１ボールジョイント２４、および第２ボールジョイント２６を備える。

ステアリングナックル１４は、ステアリングハブ（図示せず）などを介して回転可能に車輪１２を支持する。アッパーコントロールアーム１６は、一端がステアリングナックル１４の上部に連結され、他端が車両本体（図示せず）に連結される。ロアコントロールアーム１８は、一端がステアリングナックル１４の下部に連結され、他端が車両本体に連結される。アッパーコントロールアーム１６およびロアコントロールアーム１８は、車両本体に対して鉛直方向に変位可能となるようステアリングナックル１４を支持する。

タイロッド２２の一端は、第１ボールジョイント２４を介してステアリングナックル１４に連結される。タイロッド２２の他端は、第２ボールジョイント２６を介してラックバー２０に連結される。以下、タイロッド２２と第１ボールジョイント２４との揺動中心、およびタイロッド２２と第２ボールジョイント２６との揺動中心を結ぶ直線をタイロッド軸２２ａとする。

ラックバー２０は、ラック機構（図示せず）、およびステアリングシャフト（図示せず）を介して車両客室内に設けられたステアリングホイールに連結されており、このステアリングホイールが運転者によって回されることによって、車両左右方向に推進する。これにより、タイロッド２２も車両左右方向に推進され、ステアリングナックル１４が回動されて車輪１２が転舵される。

図２は、ステアリングナックル１４とタイロッド２２との連結部分の断面図である。第１ボールジョイント２４は、球状のボール部２４ａと円錐台状に伸びるスタッド２４ｂが一体的に結合した形状に形成される。スタッド２４ｂは、中心軸であるスタッド軸２４ｃがボール部２４ａの中心を通るよう設けられている。このボール部２４ａがタイロッド２２の一端に所定範囲内で回転可能となるよう連結される。スタッド２４ｂは、ステアリングナックル１４の取付孔に挿通され固定される。なお、図２に示すθｍａｘは、第１ボールジョイント２４の許容揺動角を示す。タイロッド２２に対する第１ボールジョイント２４の揺動角度は、この許容揺動角θｍａｘ以内に規制される。

図３は、タイロッド２２と第１ボールジョイント２４との関係を模式的に示す図である。本実施形態において、車両が停車中における車両本体に対する車輪１２の鉛直方向の位置を基準位置とする。ここで、車輪１２が転舵されていない、すなわち転舵角度がゼロ度であり、且つ車両本体に対して車輪１２の鉛直方向の位置が基準位置にあるときの、ステアリングナックル１４に連結される第１ボールジョイント２４のスタッド２４ｂの中心軸を基準スタッド軸ｚとする。また、このときのタイロッドの両端を結ぶ直線を基準タイロッド軸ｙとする。さらに基準タイロッド軸ｙと基準スタッド軸ｚの双方に直交する軸を基準垂直軸ｘとする。

また、基準スタッド軸ｚ回りの第１ボールジョイント２４の揺動角を第１揺動角θ１とし、基準タイロッド軸ｙ回りの第１ボールジョイント２４の揺動角を第２揺動角θ２とし、基準垂直軸ｘ回りの第１ボールジョイント２４の揺動角を第３揺動角θ３とする。基準スタッド軸ｚとスタッド軸２４ｃとが成す角度が第１ボールジョイント２４の揺動角θとなる。

図４は、本実施形態に係るサスペンション挙動評価システム５０の構成を示す機能ブロック図である。サスペンション挙動評価システム５０は、ＰＣ５２およびＰＣ５２に接続されるディスプレイ５４を有する。ＰＣ５２は、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭを有する。

ＰＣ５２には、サスペンション機構１０を構成する各部品の挙動を推定する挙動推定ソフトウェアが組み込まれている。図４においてＰＣ５２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのハードウェア、およびこの挙動推定ソフトウェアとの連携によって実現される機能ブロックが描かれている。なお、これらの機能ブロックはハードウェアおよびソフトウェアの組合せによって様々な形で実現することができる。

ＰＣ５２は、モデル構築部５６、解析条件取得部５８、挙動推定部６０、および表示制御部６２を有する。モデル構築部５６は、サスペンション機構１０の解析モデルを構築する。解析条件取得部５８は、マウスやキーボードなどの入力装置を用いてユーザによって入力されたサスペンション機構１０の挙動解析に必要な挙動解析条件を取得する。挙動推定部６０は、サスペンション機構１０を構成する各部品の挙動を推定する。表示制御部６２は、推定されたサスペンション機構１０の挙動をディスプレイ５４に表示させる。

図５は、本実施形態に係る挙動推定システムによる、サスペンション機構１０の挙動を推定するサスペンション挙動推定手順を示すフローチャートである。まず、例えばアッパーコントロールアーム１６やロアコントロールアーム１８とステアリングナックル１４との連結点や、ゴムブッシュの特性など、各部品の大きさ、位置、材質を含むサスペンション機構１０の諸元を特定する様々なデータが、ユーザによってＰＣ５２に入力される。モデル構築部５６は、これらのデータを利用してサスペンション機構１０の解析モデルを構築する（Ｓ１０）。このとき、ユーザは、第１ボールジョイント２４の許容揺動角θｍａｘも入力する。

さらに、バウンド挙動やステアリング挙動など挙動解析条件がユーザによって入力されると（Ｓ１２）、解析条件取得部５８は、その挙動解析条件を取得する。ここで、バウンド挙動とは、基準位置からの車両本体に対するサスペンション機構１０の鉛直方向の変位をいう。また、ステアリング挙動とは、車輪１２の転舵角度をいう。

こうして解析モデルが構築され、挙動解析条件を取得すると、挙動推定部６０は、構築された解析モデルおよび取得した挙動解析条件を利用して、サスペンション機構１０の挙動解析を実行する（Ｓ１４）。

ここで、挙動推定部６０は、この挙動解析において、取得した車輪１２の変位、および転舵角度を利用して、第１ボールジョイント２４の基準スタッド軸ｚ回りの第１揺動角θ１と、第１ボールジョイント２４の基準垂直軸ｘ回りの第３揺動角θ３とをまず算出する。これら第１揺動角θ１および第３揺動角θ３の算出方法は公知であることから説明を省略する。第１揺動角θ１および第３揺動角θ３が算出されると、挙動推定部６０は、算出された第３揺動角θ３を利用して、第１ボールジョイント２４の基準タイロッド軸ｙ回りの第２揺動角θ２を算出する。

具体的には、挙動推定システムは、

によって第２揺動角θ２を算出する。この式は、基準スタッド軸ｚに対するスタッド軸２４ｃの揺動角θを第２揺動角θ２および第３揺動角θ３を用いて表し、これを変形することによって導くことができる。

このように、本実施形態に係るサスペンション挙動評価システム５０では、第２揺動角θ２も考慮してサスペンション機構１０の挙動を推定する。これにより、タイロッド２２やステアリングナックル１４などの部品の挙動を正確に把握することが可能となり、サスペンション機構１０の挙動をより正確に把握することが可能となる。

さらに、挙動推定部６０は、算出された第１ボールジョイント２４の第１揺動角θ１、第２揺動角θ２、および第３揺動角θ３を利用して、第１ボールジョイント２４にステアリングナックル１４を介して連結される車輪１２の向きおよび位置を推定する。このように推定された車輪１２の向きおよび位置を利用して、例えば車輪１２周辺の部品と車輪１２とが干渉しないよう充分な隙間が設けられているかについての隙間評価を実施することが可能となる。

図６は、バウンド挙動とステア挙動を解析時間ｔに応じて変化させたときの第２揺動角θ２を示す図である。バウンド挙動では、例えば解析時間ｔが経過するにしたがって車両本体に対する車輪１２の鉛直方向の変位を段階的に複数回にわたって変化させることができる。図６に示す例では、解析時間ｔが経過するにしたがって、マイナスＡ、ゼロ、およびプラスＡまでの３段階にわたってバウンド挙動が増加されている。なお、図６では、バウンド挙動において、車両が凸部に乗り上げるなどして基準位置よりも車輪１２が上方に変位する方向をプラス方向としている。

また、ステアリング挙動では、例えば解析時間ｔが経過するにしたがって、車輪１２の転舵角度を段階的に複数回にわたって変化させることができる。図６に示す例では、バウンド挙動が一定となっている期間中において、マイナスＢからプラスＢまで車輪１２の転舵角度が１周期にわたって段階的に変化されている。なお、図６では、ステアリング挙動において、車両が右方向に旋回するときの車輪１２の転舵角度をプラス方向としている。

このようにバウンド挙動およびステアリング挙動が変化することにより、車両本体に対する車輪１２の鉛直方向の変位と車輪１２の転舵角度との組み合わせを周期的に変化させることができる。挙動推定部６０は、このように取得したバウンド挙動およびステアリング挙動を利用して、第２揺動角θ２を算出する。

図７は、図６に示す第２揺動角θ２を拡大表示した図である。挙動推定部６０は、バウンド挙動とステアリング挙動とがｉ番目（ｉは自然数）の組み合わせのときの第２揺動角θ２を算出する。図７では、このときの第２揺動角θ２を第２揺動角θ２ｉとして示している。具体的には、挙動推定部６０は、バウンド挙動とステアリング挙動とがｉ番目の組み合わせのときの第３揺動角θ３ｉを算出し、これを上述の式に当てはめて第２揺動角θ２ｉを算出する。

図５に戻る。挙動解析が実行されると、表示制御部６２は、ユーザによって入力された、解析モデルを構築するためのデータを利用して、車輪１２および車輪１２の周辺の部品の３Ｄ（３次元）形状を作成して配置した画像をディスプレイ５４に表示させる（Ｓ１６）。次に表示制御部６２は、挙動推定部６０による挙動解析の結果を、バウンド挙動とステアリング挙動との組み合わせの順であるｉを１から順に変化させながらディスプレイ５４においてアニメーション表示する（Ｓ１８）。このようなアニメーション表示方法は公知であるため説明を省略する。ユーザは、このアニメーション表示を見て、サスペンション機構１０干渉はあるか否かを判定する（Ｓ２０）。干渉がないと判定した場合（Ｓ２０のＮ）、ユーザは、サスペンション機構１０を構成する各部品の図面を作成するなどの次のステップへ移行する（Ｓ２２）。

このように本実施形態では干渉があるか否かの判定は、ユーザによる目視によって行われるが、これに限定されないことは勿論である。たとえば、挙動推定部６０は、サスペンション機構１０を構成する各部品の形状および位置と、推定した当該各部品の挙動を利用して、部品同士で干渉が生じているかを判定してもよい。このように目視によらずコンピュータによって干渉判定する技術は公知であるため説明を省略する。

干渉があると判定した場合（Ｓ２０のＹ）、本フローチャートにおける処理を終了し、再びＳ１０から処理を開始する。このとき、ユーザは、例えばＳ１０においてサスペンション機構１０の諸元を表すデータを再び入力し、例えばＳ１２においてバウンド挙動またはステアリング挙動を変更する。

以上、タイロッド２２と第１ボールジョイント２４との間の揺動角度を利用したサスペンション機構１０の挙動推定方法について説明した。しかし、タイロッド２２と第１ボールジョイント２４との間の揺動角度を利用したものに限られないことは勿論であり、例えばタイロッド２２と第２ボールジョイント２６との間の揺動角度を利用したサスペンション機構１０の挙動推定方法に、上述と同様の技術を用いてもよい。

また、上述のサスペンション機構１０の挙動推定方法では、第１揺動角θ１、第２揺動角θ２、および第３揺動角θ３を利用して第１ボールジョイント２４の揺動角θを算出したが、このような算出方法に限られないことは勿論である。例えば、第１揺動角θ１、第２揺動角θ２、第３揺動角θ３のいずれかに代えて、動きが数式で定義されたユーザ定義ジョイントを利用してもよい。このようなユーザ定義ジョイントは公知であるため、その詳細についての説明は省略する。

例えば、第１揺動角θ１、第２揺動角θ２、および第３揺動角θ３の各々に代えて、互いに異なるユーザ定義ジョイント１、ユーザ定義ジョイント２、およびユーザ定義ジョイント３を用いてもよい。または、第１揺動角θ１および第２揺動角θ２の各々に代えてユーザ定義ジョイント４を用い、第３揺動角θ３に代えてユーザ定義ジョイント５を用いるなど、共通のユーザ定義ジョイントを複数の軸回りのジョイントの各々に用いてもよい。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を本実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。

本実施形態に係るサスペンション挙動評価システムによる挙動推定の対象となるサスペンション機構の構成を模式的に示す図である。 ステアリングナックルとタイロッドとの連結部分の断面図である。 タイロッドと第１ボールジョイントとの関係を模式的に示す図である。 本実施形態に係るサスペンション挙動評価システムの構成を示す機能ブロック図である。 本実施形態に係る挙動推定システムによる、サスペンション機構の挙動を推定するサスペンション挙動推定手順を示すフローチャートである。 バウンド挙動とステア挙動を解析時間に応じて変化させたときの第２揺動角を示す図である。 図６に示す第２揺動角を拡大表示した図である。

符号の説明

１０ サスペンション機構、 １２ 車輪、 １４ ステアリングナックル、 １６ アッパーコントロールアーム、 １８ ロアコントロールアーム、 ２０ ラックバー、 ２２ タイロッド、 ２２ａ タイロッド軸、 ２４ 第１ボールジョイント、 ２４ａ ボール部、 ２４ｂ スタッド、 ２４ｃ スタッド軸、 ２６ 第２ボールジョイント、 ５０ サスペンション挙動評価システム、 ５２ ＰＣ、 ５４ ディスプレイ、 ５６ モデル構築部、 ５８ 解析条件取得部、 ６０ 挙動推定部、 ６２ 表示制御部。

Claims (3)

1. 車輪を支持するステアリングナックルと、前記ステアリングナックルにボールジョイントを介して一端が連結されるタイロッドと、を有するサスペンション機構の挙動を推定するサスペンション挙動推定方法において、
   車両本体に対する鉛直方向への前記車輪の変位、および前記車輪の転舵角度を取得するステップと、
   前記車輪が転舵されておらず前記車両本体に対して前記車輪の鉛直方向の位置が基準位置にあるときの前記ステアリングナックルに連結される前記ボールジョイントのスタッドの中心軸を基準スタッド軸とし前記タイロッドの両端を結ぶ直線を基準タイロッド軸とし基準タイロッド軸と基準スタッド軸の双方に直交する軸を基準垂直軸としたとき、取得した車輪の変位および転舵角度を利用して、前記ボールジョイントの基準スタッド軸回りの第１揺動角θ１と、前記ボールジョイントの基準垂直軸回りの第３揺動角θ３と、を算出するステップと、
   算出された第３揺動角θ３を利用して、前記ボールジョイントの基準タイロッド軸回りの第２揺動角θ２を算出するステップと、
   算出された第１揺動角θ１、第２揺動角θ２、および第３揺動角θ３を利用してサスペンション機構の挙動を推定するステップと、
   を備えることを特徴とするサスペンション挙動推定方法。
2. 第２揺動角θ２を算出するステップは、第２揺動角θ２がとり得る最大値を許容揺動角θｍａｘとして、
   

   

   によって第２揺動角θ２を算出するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載のサスペンション挙動推定方法。
3. 前記サスペンション機構の挙動を推定するステップは、算出された前記ボールジョイントの第１揺動角θ１、第２揺動角θ２、および第３揺動角θ３を利用して、前記ボールジョイントに前記ステアリングナックルを介して連結される前記車輪の向きを推定するステップを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のサスペンション挙動推定方法。

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