JP2021173381A

JP2021173381A - ファンカップリング装置の制御装置

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Publication number: JP2021173381A
Application number: JP2020079561A
Authority: JP
Inventors: 翔一秋山; Shoichi Akiyama; 登高木; Noboru Takagi; 大地山崎; Daichi Yamazaki; 正晃山口; Masaaki Yamaguchi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2021-11-01

Abstract

【課題】ハンチングを抑制しつつ即応性が向上したファンカップリング装置の制御装置を提供することを課題とする。【解決手段】回転駆動される駆動軸と、前記駆動軸に連結されたロータと、前記ロータを収容するとともに前記ロータに対して相対回転可能に支持されたハウジングと、前記ハウジングに固定されたファンと、前記ハウジング内で前記ロータとの間に形成され、作動流体を介して前記ロータの回転動力を前記ハウジングへ伝達するラビリンス室と、前記ラビリンス室内での前記作動流体の量を調整する調整機構と、を含むファンカップリング装置の制御装置において、前記ラビリンス室内での前記作動流体の推定量と目標量を取得する取得部と、前記推定量と前記目標量の偏差に対して制御演算を実施して前記調整機構を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記推定量に応じて前記制御演算に用いられる制御ゲインを設定する、ファンカップリング装置の制御装置。【選択図】図２

Description

本発明は、ファンカップリング装置の制御装置に関する。

ファンカップリング装置において、ファンの実際の回転速度と目標回転速度との偏差に対して制御ゲインを設定してＰＩＤ制御を実行することが考えられている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１９−００７４３０号

しかしながら実際のファンの回転に寄与するのは、ファンカップリング装置の作動室内の一部に設けられたラビリンス室内での作動流体の量である。また、ファンの回転速度が同じであっても、ラビリンス室内の作動流体の量は異なっており、必要となる制御ゲインも異なる。このため、ファンのハンチングの抑制と即応性の向上を図ることができない可能性がある。

そこで本発明は、ハンチングを抑制しつつ即応性が向上したファンカップリング装置の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的は、回転駆動される駆動軸と、前記駆動軸に連結されたロータと、前記ロータを収容するとともに前記ロータに対して相対回転可能に支持されたハウジングと、前記ハウジングに固定されたファンと、前記ハウジング内で前記ロータとの間に形成され、作動流体を介して前記ロータの回転動力を前記ハウジングへ伝達するラビリンス室と、前記ラビリンス室内での前記作動流体の量を調整する調整機構と、を含むファンカップリング装置の制御装置において、前記ラビリンス室内での前記作動流体の推定量と目標量を取得する取得部と、前記推定量と前記目標量の偏差に対して制御演算を実施して前記調整機構を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記推定量に応じて前記制御演算に用いられる制御ゲインを設定する、ファンカップリング装置の制御装置によって達成できる。

また、上記目的は、回転駆動される駆動軸と、前記駆動軸に連結されたロータと、前記ロータを収容するとともに前記ロータに対して相対回転可能に支持されたハウジングと、前記ハウジングに固定されたファンと、前記ハウジング内で前記ロータとの間に形成され、作動流体を介して前記ロータの回転動力を前記ハウジングへ伝達するラビリンス室と、前記ラビリンス室内での前記作動流体の量を調整する調整機構と、を含むファンカップリング装置の制御装置において、前記ラビリンス室内での前記作動流体の推定量と、前記ファンの実回転速度から前記ファンの目標回転速度を減算した値である偏差に相当する偏差パラメータと、を取得する取得部と、前記偏差パラメータに対して制御演算を実施して前記調整機構を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記推定量に応じて前記制御演算に用いられる制御ゲインを設定する、ファンカップリング装置の制御装置によって達成できる。

本発明によれば、ハンチングを抑制しつつ即応性が向上したファンカップリング装置の制御装置を提供できる。

図１は、本実施例の車両の構成の概略を示す構成図である。図２は、ファンカップリング装置の断面図である。図３は、ＥＣＵが実行するファンカップリング装置の制御方法の一例を示したフローチャートである。図４Ａは、推定油量と比例ゲインとの関係を規定したマップであり、図４Ｂは、推定油量と積分ゲインとの関係を規定したマップである。

図１は、本実施例の車両１の構成の概略を示す構成図である。実施例の車両１は、エンジン２２と、エンジン２２からクランクシャフト２４に出力された動力を変速してデファレンシャルギヤ３２を介して車輪３４ａ及び３４ｂに伝達するオートマチックトランスミッション２６と、冷却水を用いてエンジン２２からの動力によりエンジン２２を冷却する冷却装置４０と、車両全体をコントロールするＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０とを備える。エンジン２２は、ガソリンエンジンであってもディーゼルエンジンであってもよい。また、車両１は、ハイブリッド車両であってもよい。

冷却装置４０は、エンジン２２の冷却水と外気との熱交換を行なうラジエータ４２と、エンジン２２の動力により駆動されラジエータ４２とエンジン２２とを接続する循環路４３内で冷却水を循環させるウォーターポンプ４４と、ファンカップリング装置５０を介してエンジン２２から入力された動力により回転駆動するファン４６とを備える。

ファンカップリング装置５０は、後述するその駆動軸５１に取り付けられたプーリ５０ａとエンジン２２のプーリ２２ａとにベルト２３が架けられており、後述する作動流体を用いてエンジン２２から入力された動力をファン４６に伝達する。

ＥＣＵ７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、及びＲＯＭ（Read Only Memory）を備える。ＥＣＵ７０は、ＲＡＭやＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することによりエンジン２２を制御する。また、ＥＣＵ７０には、イグニッションスイッチ８１や、エンジン２２のクランクシャフト２４の回転速度を検出するクランク角センサ２５や、ファン４６の回転速度を検出する回転速度センサ４５、アクセル開度を検出するアクセルペダルポジションセンサ８２、車速を検出する車速センサ８３、冷却水の出口温度を検出する水温センサ４１が電気的に接続されている。また、詳しくは後述するが、ＥＣＵ７０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、及びＲＯＭにより機能的に実現される取得部及び制御部により、後述する調整機構６０を制御する。

図２は、ファンカップリング装置５０の断面図である。ファンカップリング装置５０は、駆動軸５１、ロータ５２、ハウジング５４、仕切板５７、調整機構６０を含む。ハウジング５４内には、作動流体として例えば粘性の高いシリコンオイルが封入されている。以降、この作動流体を作動油と称する。

駆動軸５１とハウジング５４との間には、２つの軸受５３が設けられている。駆動軸５１の先端部には、略円板状のロータ５２が固定されている。駆動軸５１の基端部は、図１に示したプーリ５０ａが固定されている。駆動軸５１及びロータ５２は、図１に示したクランクシャフト２４の回転動力がベルト２３及びプーリ５０ａを介して伝達されて回転する。尚、図２には駆動軸５１の中心軸線ＡＸを示している。

ハウジング５４は、互いに固定されたカバー部５５と本体部５６を含む。カバー部５５は、駆動軸５１の先端側に位置し、本体部５６はカバー部５５よりも駆動軸５１の基端側に位置する。駆動軸５１は、軸受５３を介して、本体部５６に対して相対回転可能に保持されている。ハウジング５４の外周部には、図２には示していないファン４６が設けられている。尚、本体部５６の背面側には、ファン４６と一体に回転する本体部５６の回転速度を検出する回転速度センサ４５が設けられている。

ハウジング５４の内部は、仕切板５７により貯留室Ｃ１及び作動室Ｃ２に仕切られている。貯留室Ｃ１は、本体部５６側に設けられている。作動室Ｃ２は、カバー部５５側に設けられている。仕切板５７には、貯留室Ｃ１と作動室Ｃ２とを連通する連通口５７ａが設けられている。

ロータ５２は、作動室Ｃ２内に収納されている。ロータ５２には、複数の同心円状のリブ５２ａが設けられている。同様に、カバー部５５の内側には、複数の同心円状のリブ５５ａが設けられている。これらのリブ５２ａ及び５５ａが互いに噛み合うことにより、ラビリンス状の空間であるラビリンス室Ｃ３が形成される。

ロータ５２の背面側と本体部５６の内側との間には、ロータ５２の中心側と外周縁側とを繋ぐ供給路Ｐ１が画定される。また、ロータ５２の中心部を隔てて供給路Ｐ１の反対側には、ロータ５２の中心側と外周縁側とを繋ぐ回収路Ｐ２が画定される。ラビリンス室Ｃ３から排出された作動油は、回収路Ｐ２を介して貯留室Ｃ１に流れる。

調整機構６０は、ラビリンス室Ｃ３内での油量を調整する。調整機構６０は、電磁石６３、弁体６５、及びアーマチュア６７を含む。弁体６５は、弾性変形可能な金属製の板状の部材である。弁体６５の基端部は、ねじによって本体部５６に固定されている。アーマチュア６７は、弁体６５の電磁石６３側の面に固定されている。図示しないスプリングによりアーマチュア６７は仕切板５７側に付勢され、これにより弁体６５の先端部は連通口５７ａを閉じている。

電磁石６３は、ＥＣＵ７０によりその通電、非通電が制御される。電磁石６３が非通電の状態では、上述したように弁体６５の先端部は連通口５７ａを塞ぐ。電磁石６３が通電されると、アーマチュア６７は電磁石６３側に磁気的に吸引され、上述したスプリングの付勢力に抗して、弁体６５の先端部は連通口５７ａから離れるように弾性変形する。ここで電磁石６３の通電、非通電は、ＥＣＵ７０によるＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御によって制御される。即ち、ＥＣＵ７０は、電磁石６３の駆動電圧のデューティ比を調整することにより、連通口５７ａの開度を調整できる。

電磁石６３は、環状に形成され、駆動軸５１に挿通された状態で設けられている。電磁石６３は、内燃機関が搭載される車両や内燃機関自体、その他の補器類へ固定される。駆動軸５１と電磁石６３との間には、軸受６４が配置されており、両者は相対的に回転することができるため、駆動軸５１は、電磁石６３が車両等へ固定された状態で回転することができる。

電磁石６３が通電されて弁体６５が連通口５７ａを開くと、作動油は貯留室Ｃ１から作動室Ｃ２に供給され、供給路Ｐ１を介してラビリンス室Ｃ３へと供給される。ラビリンス室Ｃ３内での作動油の粘性抵抗により、ロータ５２の回転トルクがハウジング５４に伝達されてハウジング５４が回転する。これによって、車速が同じでもラジエータ４２に引き込まれる冷却風の速度が増し、ラジエータ４２からの放熱量が多くなる。ラジエータ４２からの放熱量が多くなると、冷却水温が低下する側に向かう。尚、ラビリンス室Ｃ３から排出された作動油は、回収路Ｐ２を介して貯留室Ｃ１に回収される。連通口５７ａが開いている状態では、貯留室Ｃ１に回収された作動油は、再び作動室Ｃ２に供給される。

電磁石６３が非通電となって弁体６５が連通口５７ａを閉じると、ラビリンス室Ｃ３から排出された作動油は貯留室Ｃ１に回収され、作動室Ｃ２への作動油の供給は停止される。ラビリンス室Ｃ３から作動油が完全に排出されると、ロータ５２の回転トルクはハウジング５４に伝達されず、ロータ５２のみが回転する。即ち、ファン４６の回転が停止する。

また、ＥＣＵ７０による電磁石６３へのＰＷＭ制御によって連通口５７ａの開度を調整することにより、ラビリンス室Ｃ３内での油量を調整でき、これによりハウジング５４及びファン４６の回転速度を調整できる。この係合率は、ロータ５２の回転速度をハウジング５４及びファン４６の回転速度で除算することにより算出できる。また、ＥＣＵ７０は、水温センサ４１により検出された冷却水の温度を考慮して、ファン４６が所望の回転速度で回転するように連通口５７ａの開度を調整する。

次に、ＥＣＵ７０が実行するファンカップリング装置５０の制御方法について説明する。図３は、ＥＣＵ７０が実行するファンカップリング装置５０の制御方法の一例を示したフローチャートである。この制御は、エンジン２２が駆動中は繰り返し実行される。

ＥＣＵ７０は、ラビリンス室Ｃ３内での油量を推定する（ステップＳ１）。具体的な推定方法については後述する。次にＥＣＵ７０は、ラビリンス室Ｃ３内での油量の目標値である目標油量を取得する（ステップＳ２）。目標油量は、目標係合率から算出される。目標係合率は、クランクシャフト２４の回転速度や、車速、冷却水の温度その他車両１の空調装置の設定温度等を考慮して定められる。次にＥＣＵ７０は、推定油量［ｍ^３］から目標油量［ｍ^３］を減算した油量偏差を算出する（ステップＳ３）。

次にＥＣＵ７０は、ステップＳ１で推定された油量（推定油量）に基づいて比例ゲイン及び積分ゲインを設定する（ステップＳ４）。図４Ａは、推定油量と比例ゲインとの関係を規定したマップである。図４Ｂは、推定油量と積分ゲインとの関係を規定したマップである。何れのマップも、予めＥＣＵ７０のＲＯＭに記憶されている。図４Ａ及び図４Ｂで示した比例ゲイン及び積分ゲインの何れも、推定油量が増大するほど減少するように規定されており、詳細には推定油量が増大するにつれて制御ゲインの減少率が低下している。ここでラビリンス室Ｃ３内の油量が多いほど、ラビリンス室Ｃ３内の油量が僅かに変化した場合であっても、係合率は大きく変化すると考えられる。従って、油量偏差のみならず、ラビリンス室Ｃ３内の油量に応じて最適な調整機構６０の弁体６５の開弁率も異なる。このような特性を考慮して、図４Ａ及び図４Ｂに示したマップでは、ラビリンス室Ｃ３内の推定油量が多いほど、比例ゲイン及び積分ゲインが小さくなるように規定している。但し、比例ゲイン及び積分ゲインはこれに限定されない。例えば、油量偏差が増大するほど制御ゲインの減少率が増大するようにしてもよいし、油量偏差に対する制御ゲインの減少率が一定であってもよい。また、油量偏差が増大するほど制御ゲインも増大するようにしてもよい。油量偏差に応じて必要となる制御ゲインは、ファンカップリング装置５０の緒元を考慮して、予め実験等により取得しておく必要がある。尚、制御ゲインの設定は、上述したようにマップに限定されず、演算式により算出してもよい。

このようにして設定された比例ゲイン及び積分ゲインに基づいて、油量偏差に対してＰＩ制御を実行して、電磁石６３をＰＷＭ制御する（ステップＳ５）。このように、ラビリンス室Ｃ３内の推定油量に応じて設定された比例ゲイン及び積分ゲインに基づいて弁体６５の開弁率が制御され、ラビリンス室Ｃ３内の油量を精度良く制御することができ、ファン４６のハンチングが抑制され即応性も向上している。

次に、ラビリンス室Ｃ３内での油量の推定値である推定油量の算出方法について、数式を用いて説明する。

伝達トルクＴ_ｆｒｉｃ［Ｎ・ｍ］は、ファンカップリング装置５０により駆動軸５１からハウジング５４及びファン４６に伝達される伝達トルクを示す。浸漬面回転半径Ｌ［ｍ］は、作動油がラビリンス室Ｃ３に浸漬した部位の中心軸線ＡＸからの距離である浸漬面の回転半径を示す。粘性率μ［Ｐａ・ｓ］は、作動油の粘性率を示し、作動油の種類に応じて予め定められた値である。間隙代表値ｈ［ｍ］は、ラビリンス室Ｃ３の隙間、即ちリブ５２ａとリブ５５ａの隙間の代表値を示し、予め定められた値である。周速度差Ｕ［ｍ／ｓ］は、ロータ５２の外周の周速度と、ハウジング５４の内周の周速度の差を示す。浸漬面積Ａ［ｍ^２］は、作動油がラビリンス室Ｃ３に浸漬した部位の面積を示す。角速度ω_ｉｎ［ｒａｄ／ｓ］は、駆動軸５１の角速度を示す。角速度ω_ｆａｎ［ｒａｄ／ｓ］は、ファン４６の角速度を示す。ｆ（Ｑ_ｏｉｌ）は、浸漬面積Ａと、浸漬面回転半径Ｌの二乗との積［ｍ^４］を示す。油量Ｑ_ｏｉｌ［ｍ^３］は、ラビリンス室Ｃ３内での作動油の量を示す。

式（１）は以下の式（２）、式（３）のように変形できる。

ここで式（３）のｇは関数を示し、ｇ｛Ｔ_ｆｒｉｃ／（ω_ｉｎ−ω_ｆａｎ）｝は、（ω_ｉｎ−ω_ｆａｎ）で伝達トルクＴ_ｆｒｉｃを得られる油量［ｍ^３］を示す。

また、以下の式が成立する。

抗力負荷トルクＴ_ｄｒａｇ［Ｎ・ｍ］は、ハウジング５４及びファン４６に作用する抗力負荷トルクを示す。慣性負荷トルクＴ_{ｉｎｅｒｔ}［Ｎ・ｍ］は、ハウジング５４及びファン４６に作用する慣性負荷トルクを示す。抗力算出係数ｋ_ｄｒａｇ［（Ｎ・ｍ）／（ｒａｄ／ｓ）^２］は、予め定められた値である。慣性モーメントＩ_ｆａｎ［ｋｇ・ｍ^２］は、一体に回転するハウジング５４及びファン４６の慣性モーメントを示す。角加速度ω_ｆａｎ´［ｒａｄ／ｓ^２］は、ファン４６の角加速度を示す。以上により、式（３）は以下のように表すことができる。

角速度ω_ｉｎは駆動軸５１の角速度であるため、クランク角センサ２５が検出したクランクシャフト２４の回転速度と、プーリ２２ａ及び５０ａの径の比とに基づいて、算出できる。角速度ω_ｆａｎはファン４６の角速度であり、角加速度ω_ｆａｎ´はファン４６の角速度を時間微分して得ることができるため、回転速度センサ４５が検出したファン４６の回転速度から算出できる。また、抗力算出係数ｋ_ｄｒａｇは、予めＥＣＵ７０のＲＯＭに記憶されている。同様に、関数ｇは予めマップとしてＥＣＵ７０のＲＯＭに記憶されているが、演算式として記憶されていてもよい。

式（３）に示したように関数ｇには、間隙代表値ｈや浸漬面回転半径Ｌが反映されており、また式（７）に示すように油量Ｑ_ｏｉｌは、慣性負荷トルクＴ_{ｉｎｅｒｔ}や抗力負荷トルクＴ_ｄｒａｇを考慮して算出されている。このため、ラビリンス室Ｃ３内の油量を精度よく推定できる。従って、この推定値を用いて種々の制御を行う場合も、精度よく実行できる。

尚、式（７）において、角加速度ω_ｆａｎ´をなまし処理を行ったうえで油量Ｑ_ｏｉｌを算出してもよい。また、ハウジング５４及びファン４６の慣性モーメントＩ_ｆａｎが非常に小さく、慣性負荷トルクＴ_{ｉｎｅｒｔ}が無視できる場合には、式（７）において慣性モーメントＩ_ｆａｎをゼロとして油量Ｑ_ｏｉｌを算出してもよい。

上記実施例ではＰＩ制御において、推定油量に応じて比例ゲイン及び積分ゲインが設定される場合を説明したがこれに限定されない。例えば、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御において、推定油量に応じて比例ゲイン及び積分ゲインの何れか一方のみを設定してもよい。また、Ｐ制御又はＰＤ制御において、推定油量に応じて比例ゲインを設定してもよい。

また、上記実施例では、推定油量から目標油量を減算した油量偏差に対して制御演算を実施して電磁石６３を制御したが、これに限定されない。例えば、ファン４６の実回転速度［ｒｐｍ］からファン４６の目標回転速度［ｒｐｍ］を減算した値である偏差に対して制御演算を実施して電磁石６３を制御してもよい。また、ファン４６の実角速度［ｒａｄ］からファン４６の目標角速度［ｒａｄ］を減算した値である偏差に対して制御演算を実施して電磁石６３を制御してもよい。
目標回転速度や目標角速度は、上述した目標油量と同様に目標係合率から算出される。上記の偏差は偏差パラメータの一例である。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

４５回転速度センサ
５０ファンカップリング装置
５１駆動軸
５２ロータ
５２ａ、５５ａリブ
５７仕切板
６０調整機構
６３電磁石
７０ＥＣＵ（ファンカップリング装置の制御装置）
Ｃ１貯留室
Ｃ２作動室
Ｃ３ラビリンス室

Claims

回転駆動される駆動軸と、
前記駆動軸に連結されたロータと、
前記ロータを収容するとともに前記ロータに対して相対回転可能に支持されたハウジングと、
前記ハウジングに固定されたファンと、
前記ハウジング内で前記ロータとの間に形成され、作動流体を介して前記ロータの回転動力を前記ハウジングへ伝達するラビリンス室と、
前記ラビリンス室内での前記作動流体の量を調整する調整機構と、を含むファンカップリング装置の制御装置において、
前記ラビリンス室内での前記作動流体の推定量と目標量を取得する取得部と、
前記推定量と前記目標量の偏差に対して制御演算を実施して前記調整機構を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記推定量に応じて前記制御演算に用いられる制御ゲインを設定する、ファンカップリング装置の制御装置。
回転駆動される駆動軸と、
前記駆動軸に連結されたロータと、
前記ロータを収容するとともに前記ロータに対して相対回転可能に支持されたハウジングと、
前記ハウジングに固定されたファンと、
前記ハウジング内で前記ロータとの間に形成され、作動流体を介して前記ロータの回転動力を前記ハウジングへ伝達するラビリンス室と、
前記ラビリンス室内での前記作動流体の量を調整する調整機構と、を含むファンカップリング装置の制御装置において、
前記ラビリンス室内での前記作動流体の推定量と、前記ファンの実回転速度から前記ファンの目標回転速度を減算した値である偏差に相当する偏差パラメータと、を取得する取得部と、
前記偏差パラメータに対して制御演算を実施して前記調整機構を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記推定量に応じて前記制御演算に用いられる制御ゲインを設定する、ファンカップリング装置の制御装置。