JP2019181992A - 制動システム - Google Patents

Abstract

【課題】ばね下制動手段により効果的な制動を行う。【解決手段】ホイール１４がばねを介して車体に取り付けられる車両についての制動システムであって、ばね下に設けられ、対応するホイールを制動するばね下制動手段（ホイールブレーキ３０）と、ばね上に設けられ、ホイールへ動力を伝達する動力伝達機構を制動するばね上制動手段（高負荷ブレーキ３４）と、車両走行時に必要な制動量を算出し、算出された制動量をばね下制動手段とばね上制動手段とに分配する制御装置と、を含む。前記ばね下制動手段は、ホイールを回生制動してエネルギーを発生する回生制動部１２４と、ホイールを摩擦制動する摩擦制動部１２６と、回生制動部および摩擦制動部の制動量を制御するホイール制御器を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、ホイールがばねを介して車体に取り付けられる車両についての制動システムに関する。

車両は、その減速、停止のために制動手段（ブレーキ）を有する。制動手段には、駆動用モータを利用した回生制動手段や、ホイールにブレーキパッドなどを押し付ける摩擦制動手段などがある。ホイールは、通常ショックアブソーバなどのばねを介し車体に取り付けられるため、モータを利用した回生制動手段はばね上制動手段、摩擦制動手段はばね下制動手段となる。

ここで、ホイールに駆動用のモータを組み込むインホイールモータを利用する電動車両も提案されている。このような場合、インホイールモータにより回生制動を行うことができ、ばね下に回生制動手段が設けられることになる。

特許文献１には、インホイールモータ（ＩＷＭ）などの電動車両で回生制動するものにおいて、バッテリが満充電に近い際の対策が示されている。すなわち、制動する時にバッテリが満充電に近いと十分に回生制動の能力を発揮できない。そのため、電気抵抗で放電するなどしてバッテリの残量を調整することが必要となるが、特許文献１では、短絡電流制御手段を用いて放電プロセス無しで回生制動を可能にしている。

特許文献２には、インホイールモータ（ＩＷＭ）などの電動車両で制動する時に、摩擦ブレーキ無しでも完全停止できるようにする制御について記載されている。低速から停止に至る過程では、モータ（発電機）による回生だけでは不十分であり、回生制動から摩擦制動に切り替えるプロセスが必要であった。特許文献２では、力行と回生に対して同相励磁制御を行い、摩擦ブレーキ無しでも完全停止できるようにしている。

特許文献３には、４輪インホイールモータ（ＩＷＭ）などの電動車両で制動する時に、主電源系の失陥（故障）に備えて、各ホイール近傍に補助電源を置いて、不測の事態に備えることが記載されている。

特許第５８０８９２３号公報 特許第５８８７９１８号公報 特許第６０５４４６３号公報

特許文献１では、電動車両の電池が満充電に近い状態で制動する時に、「短絡電流制御手段」を用いて回生制動を行う。この際、モータには通常使用範囲を超える電流が流れるため、モータの発熱量が大きくなる。従って、熱容量が大きい体格の大きなモータにして高温になるのを防いだり、温度上昇を防ぐ冷却機能を併設するなどの対策が必要になる。

特許文献２では、低速から停止に至る過程で、モータの「同相励磁制御」を行い、摩擦ブレーキ無しでも完全停止できるようにした。この場合、常にモータの電流状態を把握して制御し続けることが求められる。そのため、路面の凹凸や局所的な勾配などの外乱要素が入ると完全停止が難しくなったり、停止のために要する電力消費が増加する。

特許文献３では、主電源系の万一の失陥に備えて「補助電源」をホイール近傍に配置する。しかし、ホイールから回収される電力を一旦主電源系に蓄電し、そこから各ホイール近傍の補助電源に送電する。このため、制動システムのエネルギー循環効率が悪くなる。

本発明は、ホイールがばねを介して車体に取り付けられる車両についての制動システムであって、ばね下に設けられ、対応するホイールを制動するばね下制動手段と、ばね上に設けられ、ホイールへ動力を伝達する動力伝達機構を制動するばね上制動手段と、車両走行時に必要な制動量を算出し、算出された制動量をばね下制動手段とばね上制動手段とに分配する制御装置と、を含み、前記ばね下制動手段は、ホイールを回生制動してエネルギーを発生する回生制動部と、ホイールを摩擦制動する摩擦制動部と、回生制動部および摩擦制動部の制動量を制御するホイール制御器を有する。

また、前記ばね下制動手段の回生制動部は、対応するホイールの回転に同期して回転する回転同期部と、回転同期部の回転からエネルギーを発生する動力変換部と、を含み、前記ホイール制御器が、動力変換部における回生制動量を制御するとよい。

さらに、回転同期部と動力変換部との間の動力伝達を制御する接続・遮断部を有するとよい。

また、接続・遮断部は、回生制動力が必要、または回生による動力貯蔵が必要な時に接続され、空走時、または低負荷制動手段への衝撃を回避したい時に遮断するとよい。

また、前記ばね下制動手段の摩擦制動部は、前記回生制動部で発生したエネルギーを貯蔵する動力貯蔵部と、前記回生制動部で発生したエネルギーを利用して摩擦材駆動力を発生する摩擦材駆動部と、摩擦材駆動部により発生された並進駆動力によってホイールに押し付けられてホイールを摩擦制動する摩擦材とを含み、前記ホイール制御器が、動力貯蔵部と摩擦材駆動部へのエネルギーの分配を制御するとよい。

また、ばね下制動手段における、回生制動分と摩擦制動分の振り分けには回生係数を用い、回生係数はホイールの角速度、減速度、および動力貯蔵率によって決定されるとよい。

また、ばね下制動手段における、回生制動部においてモータを用い、このモータによりホイールを駆動させることができるとよい。

本発明によれば、低負荷制動手段として、ホイール近傍に回生と摩擦の両制動手段を備えることで、回生された電力を即座に摩擦制動に消費できる。このため、回生に求められる制動容量を小さく抑え、摩擦との併用により、高減速度や高速条件での制動も可能になる。

減速度・車速の領域マップにおける制動分担の概念図である。 全体構成の概略模式図である。 制動ＥＣＵの構成例を示す図である。 ホイールブレーキの概略構成を示す図である。 ホイールブレーキの概略配設例を示す図である。 ホイールブレーキの構成ブロック図である 蓄圧式における動力変換部と貯蔵部の構造例を示す図である。 蓄圧式の機能ブロック図である。 動力接続・遮断部の構造例（電磁式クラッチ）を示す図である。 摩擦制動部の構造例（ねじ式押圧軸）を示す図である。 摩擦制動部の構造例（直動式押圧軸）を示す図である。 回生制動部に摩擦制動部を付加する構造例（電磁式ブレーキ）を示す図である。 ホイールブレーキの設置例（分離配置）を示す図である。 ホイールブレーキにおける回生と摩擦の配分を説明する図である。 実施形態における減速度・車速の領域マップを示す図である。 ホイールブレーキの領域マップにおける回生係数ｋｒｇを示す図である。 ホイールブレーキの機能ブロック図である。 ホイールブレーキの回生と摩擦の動作概要を示す図である。 ホイールブレーキの条件による機能分離を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「制動システムについての課題」
電動車両（ＨＶ，ＥＶ，ＦＣＶ）が広く普及してきている。電動車両においては、駆動用モータによる回生ブレーキと、ホイールについての摩擦力を利用する摩擦式ホイールブレーキ（ホイールブレーキ）を有する。これらブレーキについての減速度・車速の領域マップにおける制動力の分担の概念について、図１に示す。

このように、電動車両では、駆動用モータの回生（発電）機能を車両の制動に活かすことが要求されており、電動車両における通常制動の大半は回生制動で占められる。

一方、低速時、特に車両を停止させる際には、回生ブレーキは使用しにくいため摩擦ブレーキが使用される。さらに、緊急時の高負荷制動に対して車両を安全に停止させることが求められるので、摩擦ブレーキが使用される。従って、各ホイールのホイールブレーキについては、最も厳しい高減速度・高速の高負荷条件にも耐えうる設計が行われている。

このように、制動システムのほとんどが軽負荷の領域で活用されているにも関わらず、高負荷制動に対応するために、ホイール側（ショックアブソーバ（懸架装置）のばね下）に設けられる摩擦ブレーキに能力の高いものが要求される。従って、ホイールブレーキの重量は重く、ばね下に位置するブレーキの軽量化を図ることを困難にしている。

そこで、本出願人は、特願２０１７−２２９５６１号において、使用頻度が少ない高負荷制動専用の手段（高負荷制動手段）を新たに設け、低負荷制動手段と高負荷制動手段の分離と協調を図ることで、制動装置全体の軽量化を可能にすることを提案した。特に、この提案によれば、通常の制動を行う高負荷制動手段を懸架装置（ショックアブソーバ）の上（ばね上）に配置することで、ばね下重量を大幅に軽量化し、路面の凹凸による振動入力に対する車体の揺れを低減し、快適性を向上させることができる。

「制動システムの全体的構成」
図２は、本実施形態に係る制動システムの全体構成を示す模式図である。この例において、駆動システムは、バッテリ電気自動車（ＢＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ）など駆動用モータによる回生制動を利用することができる車両に搭載することが好適である。

車両１０は、車体１２を有し、その車体１２に４つのホイール１４（前輪１４ｆ、後輪１４ｒ）がばねを含む緩衝装置としての懸架装置（図示せず）を介し、取り付けられている。ここで、緩衝装置より車体１２側をばね上、ホイール１４側をばね下と呼ぶ。

車両１０には、駆動モータを含むパワーユニット２０が搭載されており、このパワーユニット２０からの駆動力がドライブシャフト２２に伝達される。この例では、１つのパワーユニット２０からの出力が左右２つの前輪用のドライブシャフト２２に伝達されるので、パワーユニット２０とドライブシャフト２２は動力伝達機構としてのデファレンシャルギヤを介して接続される。そして、２つの前輪用のドライブシャフト２２は対応する２つのホイール（前輪）１４に接続されて、ドライブシャフト２２の回転がホイール（前輪）１４に伝えられ、車両１０が走行する。なお、パワーユニット２０などへの電力供給のため、車両蓄電器５０が搭載される。車両蓄電器５０には、通常リチウムイオン電池などの二次電池が採用される。

また、この例では、後輪側にサブパワーユニット２４が設けられており、ここからの駆動力が後輪用の２つのドライブシャフト２２を介しホイール（後輪）１４に伝えられる。従って、車両１０は、４輪駆動である。

そして、各ホイール１４には、最大制動量の小さな低負荷制動手段としてのホイールブレーキ３０がそれぞれ設けられている。このホイールブレーキ３０は、対応するホイール１４を制動するものであり、懸架装置よりホイール１４側のホイールを軸支する非回転側に固定され、回転側であるホイール１４の制動を行う。従って、ホイールブレーキ３０はばね下の部材である。なお、ホイール（後輪）１４には、電動パーキングブレーキ（ＥＰＢ）３２も設けられ、ばね下の部材である。ＥＰＢ３２は、基本的に停止状態で利用されるが、坂道での後退防止や、自動駐車時にも用いることができる。

また、各ドライブシャフト２２には、最大制動量が大きな高負荷制動手段としての高負荷ブレーキ３４が配置される。すなわち、ホイール１４のホイールハブからジョイントを介して伸展されるドライブシャフト２２とパワーユニット２０またはサブパワーユニット２４の間の適切な位置に配置される。この高負荷ブレーキ３４は、大きな減速力を発揮するもので、摩擦摺動面積の大きなブレーキなどが採用される。この高負荷ブレーキ３４は、懸架装置より車体１２側にあり、ばね上の部材である。なお、パワーユニット２０、サブパワーユニット２４は、回生制動手段であり、これらはばね上の制動手段である。

車両１０には、搭載各種機器の制御を行うための制御装置が搭載されており、車両制御部４０は、車両１０に搭載されている各種センサからの信号を受け取り、必要な車両の動作制御を管理する。駆動ＥＣＵ（電子制御ユニット）４２は、車両制御部４０を介し供給されるアクセルセンサの信号などから算出した要求トルクに応じて、パワーユニット２０、サブパワーユニット２４の出力を制御する。また、制動ＥＣＵ４４は、車両制御部４０からの各種信号に応じて、必要制動量を算出し、ホイールブレーキ３０、ＥＰＢ３２、高負荷ブレーキ３４、およびパワーユニット２０、サブパワーユニット２４における回生の分担を決定し、これらの制動量を制御する。

図３は、制動ＥＣＵ４４の具体的構成例である。センサとして、車輪速センサ６０、前後Ｇセンサ６２、ジャイロセンサ６４、左右Ｇセンサ６６、気象情報センサ６８を有し、車輪速センサ６０の信号により車速推定部７０が車速を推定し、前後Ｇセンサ６２からの信号により坂道勾配推定部７２が道路勾配を算出し、気象情報センサ６８からの信号により路面μ推定部７４が路面の摩擦を計算する。また、ジャイロセンサ６４と左右Ｇセンサ６６からの信号により車両姿勢推定部７６が車両姿勢を推定する。

車速推定部７０からの車速、坂道勾配推定部７２からの勾配、路面μ推定部７４からの路面μ、車両姿勢推定部７６からの車両姿勢に加え、ＧＰＳ（グローバルポジショニングシステム）８０からの地図・位置情報、ブレーキ操作検出部８２からのブレーキ操作情報、周囲情報検出部８４からの車間距離、接近速度（相対速度）などの周囲情報が目標減速度推定部９０に供給される。

目標減速度推定部９０は、供給される各種情報に基づいて、目標減速度を算出する。基本的には、ブレーキ操作量に応じて減速度を決定するが、車間、相対速度などから衝突危険性を判定し、衝突危険性に応じた制動量も算出する。道路勾配、路面μなどはブレーキの効き具合に基づく制動量の修正に用いられ、車両姿勢は４輪の制動量の調整による車両姿勢制御に用いられる。

算出された目標減速度は制動負荷判定部９２に供給される。制動負荷判定部９２は、供給されてくる目標減速度が設定閾値を超えた場合には、高負荷ブレーキ３４が駆動することの判定を行う。また、制動負荷判定部９２の判定結果と目標減速度は制動配分設定部９４に供給され、制動配分設定部９４は、高負荷ブレーキ３４、回生ブレーキ３６、ＥＰＢ３２、ホイールブレーキ３０の配分を決定し、その指示を出力する。なお、回生ブレーキ３６は、パワーユニット２０、サブパワーユニット２４における回生によって発生する制動力である。

さらに、ＡＢＳ（アンチロック・ブレーキ・システム）作動判定部９６において、スリップ防止のための制動が必要と判断された場合には、通常のＡＢＳと同様にホイールブレーキ３０を制御する。さらに、姿勢制御が必要な場合には、ＥＳＣ（横滑り防止装置）作動判定部９８がホイールブレーキ３０を個別に制御して車両姿勢を制御する。

「ばね下制動システム（ホイールブレーキ３０）の構成」
本実施形態に係る制動システムにおいては、ばね下にホイールブレーキ（回生・摩擦複合ブレーキ）を有する。このばね下の制動システム（ホイールブレーキ３０）の構成について図４に基づいて説明する。

ホイール１４の内側に動力回生用の歯車付き円環状のブレーキディスク１２０を設ける。なお、ホイールの外側にタイヤ１６が取り付けられる。ブレーキディスク１２０の内周には、平歯やはす歯などのディスクギア１２０ｂが形成されている。そして、ディスクギア１２０ｂにピニオン１２２が噛み合っており、ホイール１４の回転に伴い、ピニオン１２２が回転する。ピニオン１２２の軸（ピニオン軸１２２ａ）は、ホイール１４の回転軸と平行した配置になっている。ここでは、ギヤのかみ合いで動力伝達をしているが、摩擦係数が大きくなる表面加工をしたローラを接触させて動力を伝えるようにしても良い。

ピニオン軸１２２ａは、回生制動部１２４に入力されており、ここにおいて回生制動エネルギー（動力）を発生することで、ホイール１４を回生制動する。

回生制動部１２４には、摩擦制動部１２６が接続されており、回生制動部１２４で発生する動力が供給されている。摩擦制動部１２６は、回生制動部１２４から供給される動力を用いて、押圧軸１２６ｂを往復動させる。摩擦制動部１２６によって押圧軸１２６ｂの先端にあるパッド摩擦材１２６ａをブレーキディスク１２０のディスク摩擦材１２０ａに車両内側から押し当てることでホイール１４を摩擦制動することができる。

このように、回生制動部１２４によってホイールの回転を減速させるとともに、回生で得た動力を用いて摩擦制動部１２６を駆動する。特に、摩擦制動部１２６において、動力を蓄える手段を設けることで、回生で得た動力を蓄え、蓄えた動力あるいは回生している動力を用いて必要に応じた摩擦制動を行うことができる。これによって、ホイールの減速度を高めたり、完全停止までの制動を行うことができる。このとき、ばね上の蓄電装置（例えば、車載メインバッテリなどの車両蓄電器５０）の外部からの動力供給を必要としない。

図５に、図４のＡ−Ａ断面から見た回生・摩擦式のホイールブレーキ３０の概略構成図を示す。また、各部の要素構成と相互の関連を図６のブロック図に示す。

このように、この例では、回生制動部１２４について、動力接続・遮断部（クラッチ）１３０と、動力変換部１３２を含み、これらはマウント１２８に組み付けられる。ホイール１４の回転をブレーキディスク１２０のディスクギア１２０ｂとピニオン１２２を介してピニオン軸１２２ａに伝え、このピニオン軸１２２ａの回転がクラッチ１３０を介して動力変換部に伝える。クラッチ１３０により、ピニオン軸１２２ａの動力変換部１３２との接続が必要に応じてオンオフ（接続・遮断）される。回生制動が必要な状況ではクラッチ１３０を接続し、回生制動の必要がない状況ではクラッチ１３０を切断し、空走状態にする。そして、動力変換部１３２に発生された動力が摩擦制動部１２６に供給される。

摩擦制動部１２６は、供給される動力を貯蔵する動力貯蔵部１３４と、パッド摩擦材１２６ａを押圧軸１２６ｂを介しブレーキディスク１２０のディスク摩擦材１２０ａに押し付ける摩擦材駆動部１３６を含む。動力変換部１３２において発生した動力は動力貯蔵部１３４と摩擦材駆動部１３６に分配供給される。動力貯蔵部１３４では動力が貯蔵され、摩擦材駆動部１３６では、供給される動力を利用して出力軸である押圧軸１２６ｂを移動（並進）させてパッド摩擦材１２６ａをディスク摩擦材１２０ａに押し付ける。従って、摩擦材駆動部１３６によって、パッド摩擦材１２６ａの押しつけ力を制御することができ、ホイール１４に対する摩擦制動力を制御することができる。

また、ホイールブレーキ３０は、回生制動部１２４、摩擦制動部１２６の他に、ホイール制御器１３８を含んでいる。このホイール制御器１３８がクラッチ１３０の接続・遮断、動力変換部１３２における回生制動力（発生エネルギー）、動力貯蔵部１３４および摩擦材駆動部１３６への動力の分配を制御するとともに、動力貯蔵部１３４から摩擦材駆動部１３６への動力供給を制御する。また、動力貯蔵部１３４への動力の貯蔵、ここからの動力の放出を制御する。

例えば、回生制動時は、動力変換部１３２の負荷制御により要求制動力を保つ。また、動力貯蔵部１３４に貯蔵された動力あるいは貯蔵されずに動力変換部１３２から供給される動力を用いて、摩擦材駆動部１３６を制御し押圧軸１２６ｂを介してパッド摩擦材１２６ａをディスク摩擦材１２０ａに押付けることができる。このように、摩擦制動部１２６によって、摩擦制動を行うことで、回生制動が難しい低速時の減速や、停止状態の維持を確実に行うことができる。また、動力貯蔵部１３４において動力が不足した場合には、車両蓄電器５０から動力を補充し、動力が余剰の場合には車両蓄電器５０に移送する。

「機械的手段を用いる例」
図７、８は、動力変換部１３２と動力貯蔵部１３４に蓄圧式の機械的手段を用いる例であり、図７に概略構造、図８に機能ブロック図を示す。

動力変換部１３２は、クラッチ１３０を接続した状態で、ホイール１４の回転に同期して回転する回転軸１４０を有する。この回転軸１４０は、軸受け１４２を介しケース１４４に回転可能に支持される。また、ケース１４４内には、ポンプ室１４６が設けられており、このポンプ室１４６内に回転軸１４０により回転する羽根車１４８が配置される。なお、軸受け１４２とポンプ室１４６の間にはシール１５０が設けられ、ポンプ室１４６内の流動体（液体あるいは気体）が回転軸１４０の周囲を伝って漏れないようにしている。

ポンプ室１４６の回転軸１４０と反対側の中心部には流動体の流入部１４６ａが形成され、羽根車１４８の周辺には流出部１４６ｂが設けられている。従って、羽根車１４８の回転によって、流入部１４６ａから流動体がポンプ室１４６に流入し、流出部１４６ｂから吐出される。ここで、流出部１４６ｂには、流量（圧力）制御弁１５２が設けられており、この流量制御弁１５２の開度によって、回生負荷容量が制御される。すなわち、流量制御弁１５２によって、必要な回生制動量を得ることができる。

流量制御弁１５２から吐出された流動体は動力貯蔵部１３４に供給される。動力貯蔵部１３４は、分岐部１５４、リザーバ１５６、蓄圧器１５８、アクチュエータ１６０を有しており、流量制御弁１５２からの流動体は、分岐部１５４に供給される。

分岐部１５４は、リザーバ１５６、蓄圧器１５８およびアクチュエータ１６０に接続されており、分岐部１５４は、各分岐路に弁を有しており、リザーバ１５６、蓄圧器１５８およびアクチュエータ１６０のいずれにも流動体を選択的に供給することができる。また、分岐部１５４の制御によって、蓄圧器１５８の内部の流動体をアクチュエータ１６０に供給したり、リザーバ１５６に供給することができる。ここで、リザーバ１５６は、流動体を貯留するもので、流動体をポンプ室１４６の流入部１４６ａに供給したり、外部にドレーンすることもできる。また、蓄圧器１５８は、流量制御弁１５２からの流体を加圧状態で貯留することができる。例えば、図示のように、液体を加圧状態で導入し、上方の空気を加圧状態として弁を閉じることで、蓄圧ができる。従って、分岐部１５４の弁を制御することで、蓄圧器１５８内の加圧状態の流動体を、必要に応じてアクチュエータ１６０に供給することができる。

アクチュエータ１６０は、１つの密閉室１６２をピストン１６４により２つの部屋１６２ａ，１６２ｂに仕切った構成を有する。従って、流動体を流入口１６６ａを介し部屋１６２ａ，１６２ｂの一方に圧送し、流出孔１６６ｂを介し他方から流動体を排出することで、ピストン１６４が移動する。すなわち、流動体の供給切り換えによって、ピストン１６４を並進（往復動）させることができる。ピストン１６４には、押圧軸１２６ｂを介し、パッド摩擦材１２６ａが接続されており、アクチュエータ１６０への流動体の供給制御によって、パッド摩擦材１２６ａをディスク摩擦材１２０ａに押圧したり離したりすることができる。

ホイール制御器１３８は、その時の状況に応じて、分岐部１５４の弁を制御して、流入してくる流動体を振り分ける。例えば、摩擦制動が不要で、蓄圧の余裕があるときは、流動体は蓄圧器１５８に送られ、動力がここに貯蔵される。また、摩擦制動が必要で蓄圧の必要がないときは、流動体がアクチュエータ１６０に送られ必要な摩擦制動が行われる。さらに、蓄圧も摩擦制動も必要がない時には、流動体はリザーバ（蓄圧器）１５８に送られ、ここに貯留したり、ここからポンプ室１４６に循環される。

このようにして、必要な回生制動を行うとともに、回生制動によって得られた動力を利用して、必要な摩擦制動を行うことができる。また、必要に応じて、動力を蓄え、蓄えた動力を利用して摩擦制動を行うことができる。

また、走行時に要求される摩擦制動量に対応した押圧は、アクチュエータ１６０の流入弁（図示せず）で制御されるが、ホイール１４の回転が極低速や停止近傍状態になると、蓄圧器１５８の制御弁１５８ａで圧力調整を行い、アクチュエータ１６０によりパッド摩擦材１２６ａをディスク摩擦材１２０ａに押し当ててホイール１４の停止状態を保持できる。走行開始などでアクチュエータ１６０の押圧を開放する時は、流入弁の操作と流出口の位置関係からピストン１６４を逆方向に移動させる。また、図示はしていないが、クラッチ１３０の接続・遮断もアクチュエータ１６０と同様に流動体の圧力で操作することが可能である。

なお、車両が後進する場合において、動力変換部（ポンプ）１３２の圧力が前進時のように発生しなくなる場合には、クラッチ１３０で動力伝達を遮断し、羽根車１４８の回転を止めて、蓄圧器１５８からの圧力で摩擦制動を行うとよい。

「動力接続・遮断部（クラッチ）１３０の構成例」
図９は、動力接続・遮断部（クラッチ）１３０に電磁クラッチを用いた場合を示してある。クラッチ１３０は、クラッチハウジング１６８を有し、構成部材がこのクラッチハウジング１６８内に収容される。ピニオン軸１２２ａは、クラッチハウジング１６８内に軸受けなどを介し挿入され、その先端（奥側）には、ピニオン軸１２２ａと同じく回転する軸方向バネであるリターンスプリング１８０が接続される。そして、リターンスプリング１８０の先端側（奥側）の周囲には、円板状の内側摩擦板１７８が固定される。また、この内側摩擦板１７８の手前には円板状の外側摩擦板１７６が配置される。外側摩擦板１７６は、外周側に配置される中空円筒状のマグネットボディ１８２の内周壁に軸方向スライド移動可能に取り付けられ、リターンスプリング１８０とは離れて位置する。マグネットボディ１８２は非回転であり、外側摩擦板１７６も非回転である。

外側摩擦板１７６の手前には、リターンスプリング１８０から径方向に伸びて配置されるアーマチュア１７４が配置される。アーマチュア１７４は、円板状でもよいし、放射方向に伸びる複数の棒状体でもよい。

さらに、内側摩擦板１７８のさらに奥側には、クラッチハウジング１６８に固定されるドーナツ状のコイル１７０が配置され、このコイル１７０を取り囲んで中空円筒状のヨーク１７２が配置される。ヨーク１７２は、手前側にアーマチュア１７４の外側にまで伸びている。

従って、コイル１７０のコイル電流を流すことにより、ヨーク１７２がアーマチュア１７４を引き寄せる磁界を形成し、外側摩擦板１７６を奥側に引き寄せる。これによって、外側摩擦板１７６が内側摩擦板１７８に接触し、両者の摩擦力でピニオン１２２の回転運動が動力変換部１３２に伝えられる。コイル１７０のコイル電流をオフすれば、リターンスプリング１８０の付勢力によって、外側摩擦板１７６が手前側に移動し、外側摩擦板１７６と、内側摩擦板１７８が離れ、摩擦力がなくなり、動力伝達がオフされる。このように、コイル１７０への通電制御によって、動力の接続・遮断を制御することができる。

このような電磁クラッチを用いたとき、動力変換部１３２と動力貯蔵部１３４は上記の蓄圧式でも可能であるが、電気をエネルギー媒体として扱えるモータや蓄電器の方が望ましい。例えば、動力変換部１３２として発電機を用い、動力貯蔵部１３４として蓄電器を採用することができる。

蓄電器としては、電池やキャパシタを採用することができるが、モータの回生制動量を常に摩擦制動量で補うシステム設計をする場合はキャパシタが望ましい。一方、極低速や停止状態の保持を摩擦制動の主な役割とするシステム設計をする場合は、リチウムイオンなどの二次電池が望ましい。

「摩擦制動部の電気的駆動」
図１０、図１１は、摩擦制動部１２６の押圧制御を電気（電流）で行う場合の例である。

図１０は、ポールねじを介してモータの回転運動を押圧軸の軸方向並進運動に変換することによって、浮動式キャリパのブレーキパッドの挟圧力を操作して制動トルクを発生させる例である。

押圧機構２００は、中空のケース２０２を有する。このケース２０２は、スライダ２１０によって車体側のマウント１２８にホイール１４に対し相対移動可能に支持されている。

ケース２０２内のホイール１４から遠い側（車両内側）の端部の外周部にはドーナツ状のステータコイル２０４が配置される。ステータコイル２０４の内側には、ステータコイル２０４に対向して円筒状のロータ２０６が同心状に配置される。ロータ２０６は複数の永久磁石２０６ａが周面に配置される。従って、ステータコイル２０４への電流供給によって回転する磁界を形成することでロータ２０６が回転する。

ロータ２０６は中空の円筒であり、その中心には押圧軸２０８が配置され、両者の間には、ねじが形成してある。この例では、ロータ２０６と押圧軸２０８とでボールねじを形成しており、ロータ２０６の回転によって押圧軸２０８が軸方向に進退する。押圧軸２０８のホイール側の先端には、摩擦材２１２ａが配置されており、この押圧軸２０８の先端側は、スプリング２１６を介しケース２０２に取り付けられている。また、ケース２０２の下方側は、ホイール側に伸びそこから立ち上がって、摩擦材２１２ｂが摩擦材２１２ａと対向するように配置される。そして、両摩擦材２１２ａ，２１２ｂの間にホイール１４から内側に伸びる円環状のディスク摩擦材２１４が配置される。従って、ディスク摩擦材２１４は、摩擦材２１２ａ，２１２ｂによって両側から挟まれる。

このように浮動式キャリパ構成となっているため、ロータ２０６が回転し、押圧軸２０８がホイール１４側に移動し、摩擦材２１２ａがディスク摩擦材２１４に向けて移動してここに押し付けられると、その反力によって、摩擦材２１２ｂもディスク摩擦材２１４に向けて移動する。従って、摩擦材２１２ａ，２１２ｂをディスク摩擦材２１４に両面から押しつけて（狭圧して）、ホイール１４を制動することができる。なお、スプリング２１６の力が作用して、摩擦材２１２ａ，２１２ｂがディスク摩擦材２１４に向かって移動することを補助する。また、ロータ２０６を逆方向に回転することで、摩擦材２１２ａ，２１２ｂをディスク摩擦材２１４から離して制動を停止することができる。

図１１は、コイルの電流制御によって押圧軸に埋設した永久磁石を吸引・反発させることで、直動ガイドで支持された押圧軸を軸方向に移動させ、浮動式キャリパのブレーキパッドの挟圧力を操作して制動トルクを発生させる例である。

図１１に示すように、ケース２０２の内部には、円筒状のコイル２２０が配置されており、このコイル２２０の中心には、押圧軸２２２が配置されており、この押圧軸２２２の周囲には永久磁石２２４が配置されている。コイル２２０に一方向の電流を流したとき、コイル２２０によって生じる磁界によって、永久磁石２２４が吸引され、これによって押圧軸２２２はコイル２２０の内部に吸引される。コイル２２０に他方向の電流を流すと、コイル２２０によって生じる磁界に、永久磁石２２４が反発し、これによって押圧軸２２２はコイル２２０の内部から押し出される。他の構成は、基本的に図１０のものと同様であり、従ってコイル２２０への供給電流の制御によって、摩擦材２１２ａ，２１２ｂをディスク摩擦材２１４に対し切り離して、摩擦制動を制御することができる。

「回生制動部に電磁式ブレーキを設ける構成」
図１２は、電磁式ブレーキを回生制動部のモータの回転軸に装備した場合である。これは、ホイール内空間が狭く、回生用モータと摩擦ブレーキを個別に設置できない場合、あるいは摩擦による制動容量が小さく済む場合には、このようなコンパクトな回生・摩擦複合ブレーキを用いることができる。また、このような構成にすると、図９のようなクラッチが無いので、歯車の回転軸とモータの回転軸の接続を遮断できなくなるが、モータの仕様をＳＲ（スイッチトリラクタンスモータ）のようなものにすれば、電流制御で回転軸のトルク伝還を遮断することができる。

この例では、クラッチ１３０に代えて電磁ブレーキ２２８を採用し、動力変換部１３２にはモータを採用する。電磁ブレーキ２２８は、ハウジング２３０を有する。ピニオン軸１２２ａは、ハウジング２３０内に挿入され、その先端には、ピニオン軸１２２ａと同じく回転する軸方向バネであるリターンスプリング２３２が接続される。そして、リターンスプリング２３２の先端側（奥側）には、回転軸が接続され、これが動力変換部１３２を構成するモータの回転軸となっている。従って、ピニオン軸１２２ａの回転はそのままモータに入力される。従って、このモータを制御することで任意の回生制動を行うことができる。

リターンスプリング２３２のピニオン軸１２２ａ側の周囲には、円板状の内側摩擦板２３４が固定される。また、この内側摩擦板２３４の手前および奥側には円板状の外側摩擦板２３６ａ，２３６ｂが配置される。外側摩擦板２３６ａは、内側摩擦板２３４のピニオン軸１２２ａ側に配置され外周側が中空円筒状のマグネットボディ２３８に固定される。一方、外側摩擦板２３６ｂは内側摩擦板２３４のピニオン軸１２２ａとは反対側（奥側）に配置され外周側がマグネットボディ２３８の内周壁に軸方向スライド移動可能に取り付けられる。また、外側摩擦板２３６ｂの奥側には、リターンスプリング２３２から径方向に伸びて配置されるアーマチュア２４２が配置される。そして、外側摩擦板２３６ａの手前側には、ドーナツ状のコイル２４０が配置されるとともに、マグネットボディ２３８は、アーマチュア２４２の外側にまで至り、ヨークとして機能する。

このような構成において、コイル２４０に通電すると、アーマチュア２４２が手前側に引き寄せられ、これによって外側摩擦板２３６ｂが手前側に移動して内側摩擦板２３４に接触する。アーマチュア２４２がさらに手前側に移動することで、内側摩擦板２３４は外側摩擦板２３６ａにも接触し、外側摩擦板２３６ａ，２３６ｂに狭圧され、ピニオン軸１２２ａの摩擦制動が行われる。また、コイル２４０に通電しない場合には、リターンスプリング２３２の力によって、内側摩擦板２３４、外側摩擦板２３６ｂ、アーマチュア２４２が奥側に移動して内側摩擦板２３４と、外側摩擦板２３６ａ，２３６ｂとの接触はなくなる。従って、コイル２４０への通電量を制御することで制動量を制御することができる。

「回生用ディスクと摩擦用ディスクを別々に設ける」
摩擦制動部を図１０、図１１のような構造にして大型化する場合には、図１３のように、ホイールブレーキの組付け方を見直し、ホイール内周部に回生用ディスクと摩擦用ディスクの２種類を分離して設け、回生モータと摩擦ブレーキと蓄電器・制御器をサスペンション部品のナックルなどに固定する配置とすることも可能である。

サスペンションアーム２６０には、ナックル２６２を介し、車軸２６４が支持される。車軸２６４には、ホイール１４が固定されており、車軸２６４の回転によりホイール１４が回転する。なお、ホイール１４の外周にタイヤ１６が取り付けられる。

ホイール１４のタイヤ１６を支持する外周部１４ａの内面には、摩擦用ディスク２５０と、回生用ディスク２５２が別々に設けられる。この例では、ホイール１４内の奥側（外側）に摩擦用ディスク２５０が設けられ、手前側（内側）に回生用ディスク２５２が設けられる。摩擦用ディスク２５０、回生用ディスク２５２は、それぞれホイール１４の内面から径方向内側に突出するドーナツ状のディスクである。そして、摩擦用ディスク２５０、回生用ディスク２５２のそれぞれに対応して摩擦制動部１２６、回生制動部１２４が設けられる。摩擦制動部１２６、回生制動部１２４は、上述した各種の構成を採用することができるが、回生制動部１２４はモータを用いることが好ましい。また、この例では、ホイール蓄電器１３８ａ付きのホイール制御器１３８を有し、摩擦制動部１２６、回生制動部１２４を制御する。すなわち、ホイール１４について必要な制動力を、摩擦制動部１２６および回生制動部１２４で発生し、回生制動部１２４で得た電力をホイール蓄電器１３８ａに蓄えておき、ホイール蓄電器１３８ａからの電力により摩擦制動部１２６を駆動する。

図１４は、ホイール制御器１３８が回生分と摩擦分の制動量を配分する流れを表している。ホイール蓄電器１３８ａの蓄電率、回生制動部１２４のホイール回生用モータの回転信号から得られる高精度なホイールの減速度、ホイール１４の角速度（回転速度）に対応して定められる回生係数ｋ_ｒｇに従い、車両の制動配分設定部９４から出された各輪の制動トルクを回生分と摩擦分に振り分ける。

図１４に示すように、制動配分設定部９４は、車両の状況に応じて、高負荷ブレーキ３４、回生ブレーキ３６、ＥＰＢ３２、ホイールブレーキ３０に制動力Ｔ_ｈ，Ｔ_ｖ，Ｔ_ｐ，Ｔ_ｗｉを配分する。なお、ｉはタイヤを特定する添え字である。そして、ホイールの制御部２７０が、摩擦制動部１２６、回生制動部１２４に制動力Ｔ_ｗｉを振り分ける。

ホイールのホイール蓄電器１３８ａの蓄電率をｃ_ｐｗ、ホイールの減速度をα_ｗ、ホイールの角速度をω_ｗとしたときに、ホイールブレーキの回生係数ｋ_ｒｇをこれらの関数として次式によって決定する。
ｋ_ｒｇ＝ｆｕｎ（ｃ_ｐｗ，α_ｗ，ω_ｗ）、０≦ｋ_ｒｇ≦１

そして、ホイールの制動量Ｔ_ｗ＝回生分Ｔ_ｒｇ＋摩擦分Ｔ_ｆｒとして、回生分Ｔ_ｒｇ＝ｋ_ｒｇＴ_ｗ、摩擦分Ｔ_ｆｒ＝（１−ｋ_ｒｇ）Ｔ_ｗに配分する。

このようにして、ホイール制御器１３８において、必要な制動量を摩擦制動部１２６、回生制動部１２４に配分する。なお、回生係数は蓄電率が高いほど小さく、減速率が大きいほど小さく、ホイール角速度が小さいほど小さく設定される。

「減速度・車速の領域マップにおける制動力の分担」
図１５は、図１に対応する減速度・車速のマップで、複数の制動手段を使い分ける領域を表している。本実施形態のように、回生と摩擦の制動機能をホイールブレーキに併設することで、高い動力吸収と効きの性能を実現することができる。また、高負荷ブレーキ３４をばね上に設けることで、ばね下のホイールブレーキ３０の重量を小さくでき、路面から車体への振動伝達を抑制することができる。ホイールブレーキ３０が摩擦制動部１２６だけでなく、回生制動部１２４を有することで、ホイールブレーキ３０の動作範囲を拡大することができる。

図１６は、図１５の回生・摩擦式ホイールブレーキ（ホイールブレーキ３０）の動作部分を拡大して、回生制動部１２４のみが作動する場合の領域に綱掛けをした図である。

蓄電器１３８ａの蓄電率がほぼ零で回生係数ｋ_ｒｇが１となる場合は、回生制動部１２４のモータによる回生制動で網掛けした範囲の減速度・速度領域を受け持つ。回生係数ｋ_ｒｇによって、回生と摩擦の制動配分は変動するが、極低速で極めて大きな減速度が必要な図中右端の領域では、摩擦制動が主体となり、減速度が小さく速度が大きい図中左上の領域では、回生と摩擦の両者が共に機能することが多くなる。

「ホイールブレーキの機能ブロック」
図１７に、電気式回生を主体とする場合のホイールブレーキ３０の機能ブロック図を示す。

ホイールブレーキ３０のホイール制御器１３８は、車両の制動ＥＣＵ４４からの車両情報と制動力配分指令に従い、ホイール側の回生制動部１２４の高精度な速度・減速度情報とホイール蓄電器１３８ａからの蓄電率情報に基づき、回生係数を算出して回生と摩擦の制動力を配分する。ホイール蓄電器１３８ａの蓄電率が大きい場合は、摩擦ブレーキの制動割合を増したり、車両蓄電器５０に送電したりできる。逆にホイール蓄電器１３８ａの蓄電率が小さく摩擦制動部１２６による制動が必要な場合は、車両蓄電器５０からホイール蓄電器１３８ａに送電して電力の補充が行われる。

図１８に連携の概略を示す。車両蓄電器５０との連携は必ずしも必要としないが、ばね下の軽量化優先や制動が多くなる走行条件に適合するために、ホイール蓄電器１３８ａの蓄電容量を下げる場合には、車両蓄電器とホイール蓄電器の連携が望ましくなる。回生制動部１２４による回生制動と摩擦制動部１２６の摩擦制動の両方が行われる領域では、動力の回収と消費の両方が行われる。回生制動のみの場合には動力の回収、摩擦制動のみの場合には動力の消費が行われ、両者オフの場合には制動は行われない。また、回生制動による余剰の電力は車両蓄電器５０に充電することができ、摩擦制動の動力が不足する場合には車両蓄電器５０から送電することができる。

「回生係数に基づく制御フロー」
図１９は、ホイールブレーキ回生係数に基づく制御フローの概要を表している。まず、車両の制動配分設定部９４からホイールブレーキ３０の必要制動量についての指令が供給される。

回生係数ｋ_ｒｇが零の場合は、回生制動部１２４による回生ブレーキがオフになり、摩擦制動部１２６による押圧制御で摩擦ブレーキが作動する。

回生係数ｋ_ｒｇが１の場合は、回生制動部１２４による回生ブレーキがオンになり、トルク制御で回生ブレーキが作動する。

回生係数が零と１の間にある場合は、上述したように、回生制動部１２４と、摩擦制動部１２６により、回生係数に比例した回生と摩擦のトルク配分が行われる。

また、動力変換部１３２におけるモータ（ホイールモータ）を回生だけでなく低速駆動用としても活用することができる。この場合は、車両速度が指定値以下（Ｖ＜Ｖｌ）であったり、路面摩擦係数が指定値以下（μ＜μｌ）であったりする場合に限り、ホイールモータに駆動指示を出す。モータを高精度な回転パルスに基づいて速度制御することで、停止時の乗員へのショックを緩和したり、ホイールロックによる車両のスピンを回避したりすることができる。

「本実施形態の効果」
（１）ばね下に装備する低負荷制動手段の活用範囲（速度・減速度）を拡充できる
（２）制動システムのエネルギー循環効率を向上することができる
（３）停止直前の回生モータの複雑な制御が不要となる（摩擦制動やモータの速度制御への切換えが可能）

「効果が得られる理由」
（従来技術の問題）
これまでは、ばね上に存在する駆動用モータで、動力伝達機構を介して回生制動と蓄電を行い、ばね上に蓄電した電力を用いて、ばね下のホイールブレーキを駆動していた。しかしこの方法では、低速走行では、回生制動量が乏しくなり、頻繁にホイールブレーキに頼ることになり、回生効率が悪い。

また、各ホイールまでの長い電源ケーブルを経由してホイールブレーキに電力を送ることになり、電力損失が大きくなるとともに、電源ケーブル類の配設でシャシー設計の自由度が制約されることになる。

また、ばね上に高負荷制動手段、ばね下に低負荷制動手段をもつ場合において、低負荷制動手段に求められる制動容量を、ホイールに設けたモータ回生のみで実現する場合には、モータのサイズや重量が大きくなり、それに対応して駆動や回生に必要な電力を通すケーブルも太くなるので、ばね下が重くなり、曲げ難いケーブルの配設用治具も必要で重量が増す要因となる。

（実施形態の作用効果）
それに対して、本実施形態では、低負荷制動手段として、ホイール近傍に回生と摩擦の両制動手段を備えることで、回生された電力を即座に摩擦制動に消費できるようになるので、回生に求められる制動容量を小さく抑え、摩擦との併用により、高減速度や高速条件での制動も可能になる。

また、停止時には、ばね上モータによる低速域での難しいトルク制御を行わずに、ホイールブレーキで摩擦制動をしながらモータの速度制御による駆動ができるので、滑らかに停止させたり、急停止要望時には摩擦のみに切り替えて即座に停止できる。

なお、ホイールブレーキの回生モータは、（ギヤ比、有効径比から）ホイール回転数の１０倍程度で回転するため、モータによる速度制御が高精度に行える。

１０ 車両、１２ 車体、１４ ホイール、１６ タイヤ、２０ パワーユニット、２２ ドライブシャフト、２４ サブパワーユニット、３０ ホイールブレーキ、３４ 高負荷ブレーキ、３６ 回生ブレーキ、４０ 車両制御部、５０ 車両蓄電器、１２０ ブレーキディスク、１２０ａ ディスク摩擦材、１２０ｂ ディスクギア、１２２ ピニオン、１２２ａ ピニオン軸、１２４ 回生制動部、１２６ 摩擦制動部、１２６ａ パッド摩擦材、１２６ｂ 押圧軸。

Claims (7)

1. ホイールがばねを介して車体に取り付けられる車両についての制動システムであって、
   ばね下に設けられ、対応するホイールを制動するばね下制動手段と、
   ばね上に設けられ、ホイールへ動力を伝達する動力伝達機構を制動するばね上制動手段と、
   車両走行時に必要な制動量を算出し、算出された制動量をばね下制動手段とばね上制動手段とに分配する制御装置と、
   を含み、
   前記ばね下制動手段は、ホイールを回生制動してエネルギーを発生する回生制動部と、ホイールを摩擦制動する摩擦制動部と、回生制動部および摩擦制動部の制動量を制御するホイール制御器を有する、
   制動システム。
2. 請求項１に記載の制動システムであって、
   前記ばね下制動手段の回生制動部は、対応するホイールの回転に同期して回転する回転同期部と、回転同期部の回転からエネルギーを発生する動力変換部と、を含み、
   前記ホイール制御器が、動力変換部における回生制動量を制御する、
   制動システム。
3. 請求項２に記載の制動システムであって、
   さらに、
   回転同期部と動力変換部との間の動力伝達を制御する接続・遮断部を有する、
   制動システム。
4. 請求項３に記載の制動システムであって、
   接続・遮断部は、回生制動力が必要、または回生による動力貯蔵が必要な時に接続され、空走時、または低負荷制動手段への衝撃を回避したい時に遮断する、
   制動システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の制動システムであって、
   前記ばね下制動手段の摩擦制動部は、前記回生制動部で発生したエネルギーを貯蔵する動力貯蔵部と、前記回生制動部で発生したエネルギーを利用して摩擦材駆動力を発生する摩擦材駆動部と、摩擦材駆動部により発生された並進駆動力によってホイールに押し付けられてホイールを摩擦制動する摩擦材とを含み、
   前記ホイール制御器が、動力貯蔵部と摩擦材駆動部へのエネルギーの分配を制御する、
   制動システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の制動システムであって、
   ばね下制動手段における、回生制動分と摩擦制動分の振り分けには回生係数を用い、
   回生係数はホイールの角速度、減速度、および動力貯蔵率によって決定される、
   制動システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の制動システムであって、
   ばね下制動手段における、回生制動部においてモータを用い、
   このモータによりホイールを駆動させることができる、
   制動システム。