JP2015104966A - 車両のサスペンション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡略化した構成により、バネ上部材における中周波応答を低減できる車両のサスペンション装置を提供すること。
【解決手段】 サスペンションＥＣＵ２１は、バネ上部材ＨＡに設けられたバネ上加速度センサ２２から入力したバネ上加速度x_b''を検出する。そして、サスペンションＥＣＵ２１は、バネ上加速度x_b''の周波数変化すなわちバネ上部材ＨＡの振動周波数のうちの８Ｈｚ前後となる特定周波数域に重み付けしてバネ上部材ＨＡの振動を減衰する要求減衰力を演算する。これにより、乗員が腹圧迫感を知覚しやすい中周波域でのバネ上部材ＨＡの振動を制御する制御ゲインを増大させて要求減衰力を計算することができる。従って、インホイールモータＩＷＭを有してバネ下部材ＬＡの重量が増加する場合であっても、バネ上部材ＨＡの中周波応答を低減させて、乗員に良好な乗り心地を提供することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車輪にモータの組み込まれた車両のサスペンション装置に関する。

この種の車両のサスペンション装置として、例えば、下記特許文献１には、ナックルに対してモータを弾性支持することにより、ダイナミックダンパ効果を発揮させるようにしたインホイールモータシステムが示されている。

特開２００７−１８６０５２号公報

車輪にモータを組み込んだ車両では、各モータの駆動力を制御することにより、車両運動性能が向上する。しかし、車輪にモータを組み込むことによって車両のバネ下重量が増加するため、バネ上共振とバネ下共振の間の中周波性能として乗員が知覚できる乗り心地（腹圧迫感）が悪化する。

具体的に、車輪にモータを組み込んだ車両（ＩＷＭ有）と車輪にモータを組み込まない車両（ＩＷＭ無）とにおいて、路面からのランダムな入力があった場合におけるバネ上加速度ＰＳＤ（Power Spectral Density：パワースペクトル密度）を比較したシミュレーション結果を図７に示す。この比較において、車両のバネ下重量が増加するＩＷＭ有（実線）の場合は、ＩＷＭ無（破線）の場合に比して、路面入力によるバネ上加速度の中周波応答（例えば、８Ｈｚ前後の周波数の応答）が大きくなって腹圧迫感が悪化する傾向にある。尚、ＩＷＭ有の場合は、ＩＷＭ無の場合に比して、バネ下共振周波数よりも高周波側の応答が小さくなる傾向にある。

一方、人間の知覚感度に関しては、図８に示すように、中周波域（例えば、８Ｈｚ前後の周波数）において、前後左右方向の知覚感度（一点鎖線）に比して、上下方向の知覚感度（実線）が高く（敏感）になる。従って、ＩＷＭ有の車両に乗車する乗員は、中周波域で発生する腹圧迫感をより敏感に知覚する。従って、バネ下部材に対するバネ上部材の振動において中周波応答を低減することが必要となる。

ところで、上記特許文献１に示されたインホイールモータシステムでは、車輪に組み込まれるインホイールモータの非回転側ケース内に緩衝機構を配置し、モータ自体をダイナミックダンパのウエイトとして作用させる構造である。このため、サスペンション装置の構造が複雑になるとともに緩衝機能の配置に伴う更なるバネ下重量の増加を招き、応用しにくいという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡略化した構成により、バネ下部材に対するバネ上部材の振動における中周波応答を低減できる車両のサスペンション装置を提供することにある。

上記目的を達成するための請求項１に係る車両のサスペンション装置によれば、減衰力変更制御手段は、バネ上部材の振動状態を表すパラメータ（具体的には、バネ上部材に発生する加速度（バネ上加速度））を取得し、このパラメータを用いて表されるバネ上部材の振動周波数のうちの特定周波数域に重み付けすることができる。ここで、減衰力変更制御手段は、バネ上部材の振動周波数のうちの特定周波数域に重み付けする際には、ローパスフィルタとバンドパスフィルタとを合わせた周波数重み関数を用いることができる。このため、特定周波数域として、バネ上部材の振動（以下、バネ上振動とも称呼する。）において乗員が腹圧迫感を知覚する中周波域（例えば、８Ｈｚ前後の周波数）を設定することにより、中周波域でのバネ上部材の振動状態（バネ上加速度）を制御するための制御ゲインを増大させて、減衰力発生手段が発生する要求減衰力を計算することができる。従って、車輪にモータを組み込むことによってバネ下部材の重量が増加する場合であっても、バネ上振動の中周波応答を適切に低減させることによって腹圧迫感を効果的に改善することができ、乗員に良好な乗り心地を提供することができる。

本発明の実施形態に係る車両のサスペンション装置の全体概略図である。 図１のサスペンションＥＣＵによって実行されるコンピュータプログラム処理を機能的に表す機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る周波数重み関数を説明するための周波数と制御ゲインとの関係を示すグラフである。 従来の周波数重み関数を説明するための周波数と制御ゲインとの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係り、周波数とバネ上加速度ＰＳＤとの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係り、中周波のＰＳＤ面積と低周波のＰＳＤ面積との関係を示す図である。 従来のサスペンション装置における周波数とバネ上加速度ＰＳＤとの関係を示すグラフである。 人間の周波数に対する振動感度を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態に係る車両のサスペンション装置について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本実施形態の車両のサスペンション装置Ｓの全体概略図である。この車両のサスペンション装置Ｓは、車両上下振動を吸収及び減衰するものであり、モデル化して示すサスペンション機構１０と、この機構１０の作動を制御する電気制御装置２０とを備えている。ここで、車両の車輪Ｗには、図１に示すように、ホイール内部にモータ（以下、インホイールモータＩＷＭと称呼する。）が組み込まれており、車輪Ｗに回転力を伝達可能に連結されている。尚、各車輪Ｗに組み込まれたインホイールモータＩＷＭに発生させる駆動力又は制動力を独立して制御することにより、車両の運動性能を向上させることができる。

サスペンション機構１０は、サスペンションスプリング１１と減衰力発生手段としてのショックアブソーバ１２とを備えている。サスペンションスプリング１１及びショックアブソーバ１２の一端（下端）はバネ下部材ＬＡ（具体的に、ナックル、ロアアーム、タイロッド等）に接続され、他端（上端）はバネ上部材ＨＡ（具体的に、マウント、車体等）に接続されている。サスペンションスプリング１１は路面から車輪Ｗ及びバネ下部材ＬＡを介してバネ上部材ＨＡに伝達される振動を吸収し、ショックアブソーバ１２は前記振動を減衰する。

更に、サスペンション機構１０は、減衰力変更制御手段を構成する可変絞り機構１３を備えている。可変絞り機構１３は、ショックアブソーバ１２内に形成されたオリフィスの開度ＯＰを複数段階に渡り切り替えることにより、アブソーバ１２の減衰力の大きさに対応する減衰係数を段階的に変更する。尚、可変絞り機構１３は、例えば、特開２００１−１４８２０８号公報に開示された電気アクチュエータと同様に、ステップモータ又は超音波モータ等を主要部品として構成される。従って、その作動については、例えば、特開２００１−１４８２０８号公報に開示されているため説明を省略する。

電気制御装置２０は、図１に示すように、可変絞り機構１３を動作させる電気アクチュエータの作動を制御するサスペンション電子制御ユニット２１（以下、単に、サスペンションＥＣＵ２１と称呼する。）を備えている。減衰力変更制御手段を構成するサスペンションＥＣＵ２１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を主要構成部品とするマイクロコンピュータである。そして、サスペンションＥＣＵ２１は、プログラムの実行により、可変絞り機構１３の電気アクチュエータの作動を制御して、ショックアブソーバ１２が発生する減衰力（より詳しくは、減衰係数）を変更制御する。このため、サスペンションＥＣＵ２１には、図１に示すように、バネ上加速度センサ２２と、バネ下加速度センサ２３と、ストロークセンサ２４と、タイヤ変位量センサ２５と、車速センサ２６とが接続されている。更に、サスペンションＥＣＵ２１には、減衰力変更制御手段を構成して、可変絞り機構１３の電気アクチュエータを駆動制御する駆動回路２７が接続されている。

バネ上加速度センサ２２は、バネ上部材ＨＡ（具体的には車体）に組み付けられていて、バネ上部材ＨＡの上下方向のバネ上加速度x_b''を表す信号をサスペンションＥＣＵ２１に出力する。バネ下加速度センサ２３は、バネ下部材ＬＡ（具体的にはロワーアーム）に組み付けられていて、バネ下部材ＬＡの上下方向のバネ下加速度x_w''を表す信号をサスペンションＥＣＵ２１に出力する。ストロークセンサ２４は、バネ上部材ＨＡとバネ下部材ＬＡとの間に配置されていて、バネ下部材ＬＡの基準位置からの上下方向の変位量x_wとバネ上部材ＨＡの基準位置からの上下方向の変位量x_bとの差であるバネ上−バネ下相対変位量x_w−x_bを表す信号をサスペンションＥＣＵ２１に出力する。タイヤ変位量センサ２５は、路面の基準位置からの変位量x_rとバネ下部材ＬＡの基準位置からの上下方向の変位量x_wとの差であるバネ下相対変位量x_r−x_wを表す信号をサスペンションＥＣＵ２１に出力する。車速センサ２６は、車両の車速Vを表す信号をサスペンションＥＣＵ２１に出力する。

次に、上記のように構成した実施形態の動作について、サスペンションＥＣＵ２１内にてコンピュータプログラム処理により実現される減衰力制御を表す図２の機能ブロック図を用いて説明する。

サスペンションＥＣＵ２１は、各車輪Ｗに設けられたショックアブソーバ１２の減衰力、すなわち、減衰係数Ｃを演算し、演算した減衰係数Ｃを実現するようにショックアブソーバ１２内に形成されたオリフィスの開度ＯＰを複数段階に渡り切り替える。尚、ショックアブソーバ１２の減衰係数Cは、図１に示したように、線形減衰係数Coと非線形減衰係数Cvとの合計（Co＋Cv）によって表され、以下の説明においては線形減衰係数Coを定数とする。

サスペンションＥＣＵ２１は、例えば、特開２００１−１４８２０８号公報に開示された周知の非線形Ｈ∞制御理論に従って非線形減衰係数Cvを演算する。すなわち、非線形減衰係数Cvの演算に際しては、制御入力、外乱入力、評価出力及び観測出力の４つの入出力を有するとともに評価出力と制御入力とに周波数重みを加えるような一般化プラントを想定する。そして、サスペンションＥＣＵ２１は、一般化プラントを用いて設計された非線形Ｈ∞状態フィードバック制御系（以下、Ｈ∞設計とも称呼する。）に従って、非線形減衰係数Cvを演算する。

ここで、本実施形態においても、例えば、特開２００１−１４８２０８号公報に開示された周知の非線形Ｈ∞制御理論と同様に、一般化プラントを想定する際には、図１に示したような単輪モデルの運動方程式を用いる。この単輪モデルの運動方程式は、例えば、下記式（１）〜（５）によって表すことができる。尚、本実施形態においては、制御入力uを非線形減衰係数Cvとし、外乱入力W_rを路面の上下変位速度x_r'とし、評価出力z_pをバネ上加速度x_b''とし、観測出力を比較的検出しやすいバネ上加速度x_b''及びストローク量すなわちバネ上−バネ下相対変位量x_w−x_bとする。そして、Ｈ∞設計では、下記式（１）〜（５）により表される運動方程式が状態空間表現されて、図２に示すように、状態方程式及び出力方程式が導出される。

更に、本実施形態におけるＨ∞設計では、パラメータとして取得されたバネ上加速度x_b''の時間変化によって表されるバネ上部材ＨＡの振動周波数のうちの特定周波数域に重み付けするために、評価出力z_pであるバネ上加速度x_b''（振動周波数）に対して下記式（６）によって表される線形減衰重み関数w_fが乗算される。この線形減衰重み関数w_fは、ローパスフィルタとバンドパスフィルタとを合わせた周波数重み関数である。

具体的に、前記式（６）によって表される線形減衰重み関数w_fは、バネ上部材ＨＡ（車体）のバネ上振動を適切に抑制するためにバネ上共振周波数域（例えば、０．５〜４Ｈｚ程度）の振動を制御するローパスフィルタ機能を発揮する。又、前記式（６）によって表される線形減衰重み関数w_fは、バネ上共振とバネ下共振の間の中周波応答（例えば、８Ｈｚ前後の特定周波数域）が大きくなって腹圧迫感が悪化すること、すなわち、乗り心地が悪化することを抑制するバンドパスフィルタ機能を発揮する。

このため、前記式（６）中のw₁は、上述したローパスフィルタ機能を発揮するためのカットオフ周波数（例えば、w₁＝２×π×４）を表す。又、前記式（６）中のw₂及びw_n2は、それぞれ、上述したバンドパスフィルタ機能を発揮するためのカットオフ周波数（例えば、w₂＝２×π×７、w_n2＝２×π×１２）を表す。尚、カットオフ周波数w_n2は、バネ上共振周波数と一致させることができる。又、前記式（６）中のsはラプラス演算子を表す。

ここで、前記式（６）によって表される線形減衰重み関数w_fを採用した場合には、図３に示すように、周波数の変化に対して、バネ上共振周波数域（例えば、０．５〜４Ｈｚ程度）を含め、特に、８Ｈｚ前後（７Ｈｚ〜１２Ｈｚ）の特定周波数域における制御ゲインが増大するように変化する。これに対して、下記式（７）によって表されるようなローパスフィルタのみからなる従来の周波数重み関数w_tでは、図４に示すように、周波数の変化に対して、バネ上共振周波数域の制御ゲインを維持するもののカットオフ周波数である７Ｈｚを超えると急激に制御ゲインが減少するように変化する。

ここで、前記式（７）中のToは、例えば、To＝２×π×７と表される。尚、前記（７）中のｓはラプラス演算子を表す。

そして、Ｈ∞設計では、図２に示すように、リカッチ方程式を満たす解が演算される。このようにリカッチ方程式を満たす解に基づいて、制御入力u（コントローラゲイン）である減衰係数Cの非線形減衰係数Cvが演算される。

具体的に非線形減衰係数Cvの演算を説明すると、サスペンションＥＣＵ２１は、図２に示すように、車速Vで走行する車両（実車）に対して路面の凹凸によって発生する振動に起因する状態量x_pすなわちパラメータを取得する。具体的に、サスペンションＥＣＵ２１は、状態量x_pとして、バネ上加速度センサ２２によって検出されたバネ上加速度x_b''、バネ下加速度センサ２３によって検出されたバネ下加速度x_w''、ストロークセンサ２４によって検出されたストローク量であるバネ上−バネ下相対変位量x_w−x_b、及び、タイヤ変位量センサ２５によって検出されたバネ下相対変位量x_r−x_wを取得する。尚、図２においては、バネ下加速度センサ２３によって検出されたバネ下加速度x_w''とタイヤ変位量センサ２５によって検出されたバネ下相対変位量x_r−x_wとをまとめてホイール位置換算と示す。

続いて、サスペンションＥＣＵ２１は、取得したバネ上加速度x_b''からバネ上速度x_b'を演算するとともにストローク量であるバネ上−バネ下相対変位量x_w−x_bからストローク速度であるバネ上−バネ下相対速度x_w'−x_b'を演算する。そして、例えば、特開２００１−１４８２０８号公報によって開示されている計算手順と同様にして、前記式（６）によって表される線形減衰重み関数w_fを用いたリカッチ方程式を解き、制御入力uすなわち非線形減衰係数Cvを演算する。そして、サスペンションＥＣＵ２１は、非線形減衰係数Cvを演算すると、定数である線形減衰係数Coを加算して、減衰係数C（＝Co＋Cv）を演算する。

サスペンションＥＣＵ２１は、減衰係数Ｃを演算すると、減衰係数Ｃに対して上述したバネ上−バネ下相対速度x_w'−x_b'を乗算して目標減衰力Ｆを演算する。そして、サスペンションＥＣＵ２１は、特開２００１−１４８２０８号公報によって開示されているように、図示省略の相対速度−減衰力テーブルを参照することにより、目標減衰力Ｆ及びバネ上−バネ下相対速度x_w'−x_b'に対応する要求段数すなわちショックアブソーバ１２のオリフィスの開度ＯＰを決定する。

サスペンションＥＣＵ２１は、オリフィスの開度ＯＰを決定すると、開度ＯＰを表す制御信号を駆動回路２７に出力する。駆動回路２７は、可変絞り機構１３の電気アクチュエータを駆動させ、ショックアブソーバ１２のオリフィスを開度ＯＰに設定する。これにより、ショックアブソーバ１２は、前記計算した目標減衰力Ｆを発生する。

ところで、ショックアブソーバ１２が発生する目標減衰力Ｆは、前記式（６）によって表される周波数重みである線形減衰重み関数w_fを適切に反映して、すなわち、図３に示したように増大させた制御ゲインを用いて演算される。従って、乗員が腹圧迫感の悪化を感じやすい８Ｈｚ前後の中周波領域の応答を極めて良好に抑制することができる。このことに関し、図５にランダム入力時のバネ上加速度x_b''ＰＳＤのシミュレーション結果を示すと、前記式（６）の線形減衰重み関数w_fを用いて制御ゲインを増大させた本実施形態の場合には、実線により示すように、ホイール内部にインホイールモータＩＷＭを組み込んだ場合であってもバネ上部材ＨＡにおけるＰＳＤが８Ｈｚ前後で確実に低下していることが理解できる。又、図６にランダム入力時の低周波（０〜２Ｈｚ）と中周波（２〜８Ｈｚ）のＰＳＤ面積を比較して示すと、本実施形態における中周波のＰＳＤ面積が小さくなり、中周波におけるバネ上部材ＨＡの振動を効果的に減衰している。従って、乗員が知覚する腹圧迫感の悪化を効果的に抑制して、良好な乗り心地を確保することができる。

以上の説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、ローパスフィルタ機能とバンドパスフィルタ機能とを合わせるように設定された前記式（６）によって表される周波数重みとしての線形減衰重み関数w_fを用いることにより、バンドパスフィルタ機能によってバネ下部材ＨＡにおけるバネ上加速度x_b''（振動周波数）に対して中周波領域の周波数重みを付与することができる。これにより、バネ上部材ＨＡの８Ｈｚ前後（近傍）の中周波域における制御ゲインを増大させて振動を積極的に低減（減衰）させることができる。従って、ホイール内部にインホイールモータＩＷＭを組み込んでバネ下部材ＬＡの重量が増加する場合であっても、バネ上部材ＨＡの振動における中周波応答を低減させて乗員が知覚する腹圧迫感を効果的に改善する（低減する）ことができ、良好な乗り心地を提供することができる。

本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態においては、前記式（６）によって表される線形減衰重み関数w_fによってバネ上部材ＨＡの振動周波数における特定周波数域（８Ｈｚ前後）の制御ゲインを増大させ、非線形Ｈ∞制御理論に基づき要求減衰力Ｆを計算するように実施した。この場合、非線形Ｈ∞制御理論に代えて、他の周知の計算方法に従って要求減衰力Ｆを計算するように実施することも可能であることは言うまでもない。

１０…サスペンション機構、１１…サスペンションスプリング、１２…ショックアブソーバ、１３…可変絞り機構、２０…電気制御装置、２１…サスペンションＥＣＵ、２２…バネ上加速度センサ、２３…バネ下加速度センサ、２４…ストロークセンサ、２５…タイヤ変位量センサ、２６…車速センサ、２７…駆動回路、ＨＡ…バネ上部材、ＬＡ…バネ下部材、ＯＰ…バルブ開度

Claims (1)

1. 車輪に対してモータが組み込まれる車両に適用され、前記車両のバネ下部材とバネ上部材との間に配設されて前記バネ下部材に対する前記バネ上部材の振動を減衰する減衰力を発生する減衰力発生手段と、この減衰力発生手段が発生する減衰力を変更制御する減衰力変更制御手段とを備えた車両のサスペンション装置であって、
   前記減衰力変更制御手段は、
   前記バネ上部材の振動状態を表すパラメータを取得し、
   前記取得したパラメータを用いて表される前記バネ上部材の振動周波数のうちの特定周波数域に重み付けし、前記特定周波数域における前記バネ上部材の振動を制御する制御ゲインを増大させ、前記制御ゲインを用いて前記バネ下部材に対する前記バネ上部材の振動を減衰する要求減衰力を演算し、
   前記減衰力発生手段が発生する減衰力を前記要求減衰力に変更するように構成された車両のサスペンション装置。

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