JP3814056B2 - 接地荷重制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接地荷重制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車のサスペンションにおける減衰力を自動的に制御するようにした装置があり、例えば特開平３−１１４９１４号に開示されているものがある。その装置では、ばね上・ばね下の両者間に流体シリンダを配設し、各流体シリンダへの供給流量を制御することにより車両のサスペンション特性を可変にした所謂アクティブサスペンションを用いて、各流体シリンダの流体の圧力を検出する手段と、この手段に基づき車両の重量バランスを検出する手段を設け、この重量バランスから車両旋回時には車体前部の荷重移動量が車体後部の荷重移動量よりも大きくなるように制御ゲインを変更し、適切なアンダーステア特性となるように制御している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術においては、前後のロール剛性の配分を動的に制御することで、４輪の接地荷重のうち荷重に余裕のあるタイヤに負担の割合を増やすものであり、４輪の合計荷重の大きさは変えずに、その前後輪のバランスを最適化するようにしている。そのため、旋回時に４輪の最適バランス状態からさらに厳しい高Ｇ旋回状態に移った時には、車両はコントロールを失って、スピン・プラウアウト・４輪ドリフトといった各状態に移行してしまうという問題がある。
【０００４】
本発明は、このような従来技術に課せられた問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、高Ｇ旋回時の安定した運動状態をより一層高めることのできる接地荷重制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明に於いては、車体と車軸との間の上下方向相対距離を能動的に変化させるためのアクチュエータの伸縮加速度で車体に上下方向の慣性力を発生させ、その反力をタイヤと路面との間に作用する接地荷重に加える接地荷重制御手段と、車両のヨーレイトを検出するヨーレイト検出手段と、車両の横Ｇを検出する横Ｇ検出手段とを有し、少なくとも前記ヨーレイトを微分して算出したヨーレイト変化率と前記横Ｇとに基づいて車両の旋回中に生じるスピン・プラウアウト・４輪ドリフトを判断し、前記スピンの場合には後輪の接地荷重を、前記プラウアウトの場合には前輪の接地荷重を、前記４輪ドリフトの場合には全輪の接地荷重をそれぞれ前記接地荷重制御手段により増大させる制御を行うものとした。
【０００６】
このようにすることにより、高Ｇ旋回時に車輪が横方向の限界特性を超えてスピン・プラウアウト・４輪ドリフト等の状態に移行する可能性及び当該移行途上にあると判断できると共に、スピンの場合には後輪を、プラウアウトの場合には後輪外輪を、４輪ドリフトの時には前後のモーメントの釣り合いを保ちつつ全輪を、それぞれ対象となる各輪の接地荷重を増加させるように対応するアクチュエータを制御することができ、車両の高Ｇ旋回時に生じた上記各状態から復帰することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面に示された具体例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【０００８】
図１は、本発明が適用される能動型懸架装置の要部の概略構成を模式的に示している。車軸と一体をなすタイヤ１は、上下のサスペンションアーム２・３により、車体４に対して上下動可能に支持されている。そして下サスペンションアーム３と車体４との間には、油圧駆動によるリニアアクチュエータ５が設けられている。
【０００９】
リニアアクチュエータ５は、シリンダ／ピストン式のものであり、シリンダ内に挿入されたピストン６の上下の油室７・８に可変容量型油圧ポンプ９から供給される作動油圧をサーボ弁１０で制御することにより、ピストンロッド１１に上下方向の推力を発生させ、これによってタイヤ１の中心（車軸）と車体４との間の相対距離を自由に変化させることができるようになっている。
【００１０】
ポンプ９からの吐出油は、ポンプ脈動の除去および過渡状態での油量を確保するためのアキュムレータ１２に蓄えられた上で、各輪に設けられたアクチュエータ５に対し、各アクチュエータ５に個々に設けられたサーボ弁１０を介して供給される。
【００１１】
この油圧回路には、公知の能動型懸架装置と同様に、アンロード弁１３、オイルフィルタ１４、逆止弁１５、圧力調整弁１６、およびオイルクーラ１７などが接続されている。
【００１２】
なお、サーボ弁１０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１８から発せられる制御信号をサーボ弁ドライバ１９を介してソレノイド１０ａに与えることにより、油圧アクチュエータ５に与える油圧と方向とが連続的に制御されるものであり、車体４とピストンロッド１１との接続部に設けられた荷重センサ２０、車体４と下サスペンションアーム３との間に設けられたストロークセンサ２１、車体側の上下加速度を検出するばね上加速度センサ２２、およびタイヤ側の上下加速度を検出するばね下加速度センサ２３の信号をＥＣＵ１８で処理した信号に基づいて制御される。
【００１３】
ＥＣＵ１８においては、ばね上加速度センサ２２とばね下加速度センサ２３との各信号が目標荷重演算部２４に入力していると共に、ヨーレイトセンサ３１・横Ｇセンサ３２・舵角センサ３３の各信号が車両挙動判定及び復帰荷重演算部３４に入力し、その車両挙動判定及び復帰荷重演算部３４からの出力信号が目標荷重演算部２４に入力するようになっている。その目標荷重演算部２４で、上記各信号を参照して仮の目標荷重を求め、この値と荷重センサ２０の信号との差分を安定化演算部２５で処理した後、変位制限比較演算部２６でストロークセンサ２１の信号を参照してアクチュエータ５のストロークの限界内での制御が行われるようにサーボ弁ドライバ１９に与える指令値を調整する。
【００１４】
そしてこの調整された指令信号により、目標荷重と実荷重とが等しくなるようにサーボ弁１０を駆動してアクチュエータ５にストロークを発生させ、タイヤ接地荷重を増大させる向きの上下加速度を、ばね上質量とばね下質量との少なくともいずれか一方に発生させる。
【００１５】
次に本発明の原理について説明する。図２のモデルにおいて、
Ｍ2：ばね上質量
Ｍ1：ばね下質量
Ｚ2：ばね上座標
Ｚ1：ばね下座標
Ｋt：タイヤのばね定数
Ｆz：アクチュエータ推力
とし、下向きを正方向とすると、ばね上質量Ｍ2並びにばね下質量Ｍ1の運動方程式は、それぞれ次式で与えられる。ただし式中の＊マークは一階微分を表し、＊＊マークは二階微分を表す。
【００１６】
Ｍ2・Ｚ2^**＝−Ｆz
Ｍ1・Ｚ1^**＋Ｋt・Ｚ1＝Ｆz
【００１７】
従って、タイヤ接地荷重Ｗは次式で与えられる。
【００１８】
Ｗ＝−Ｋt・Ｚ1＝−Ｆz＋Ｍ1・Ｚ1^**
＝Ｍ2・Ｚ2^**＋Ｍ1・Ｚ1^**
【００１９】
つまり接地荷重Ｗは、ばね上慣性力とばね下慣性力との和となるので、アクチュエータ５の伸縮加速度を制御してばね上質量とばね下質量との少なくともいずれか一方の慣性力を変化させることにより、接地荷重Ｗを変化させることができる。従って、アクチュエータ５の伸縮加速度を制御することにより、接地荷重Ｗをタイヤ毎に一時的に増大させることが可能となる。なお、サスペンションストロークを２００mmとしてアクチュエータ５に１トンの推力を発生させた場合、約０．２秒間作動させることができる。
【００２０】
一般的には、アクチュエータの消費エネルギを節約するために車両重量を支持する懸架スプリングと減衰力発生用ダンパとを併用するが（図３参照）、その場合には、
Ｋs：懸架スプリングのばね定数
Ｃ：ダンパの減衰係数
とすると、ばね上質量Ｍ2並びにばね下質量Ｍ1の運動方程式は、それぞれ次式で与えられる。
【００２１】
Ｍ2・Ｚ2^**＋Ｃ・（Ｚ2^*−Ｚ1^*）＋Ｋs・（Ｚ2−Ｚ1）
＝−Ｆz
Ｍ1・Ｚ1^**＋Ｃ・（Ｚ1^*−Ｚ2^*）
＋Ｋs・（Ｚ1−Ｚ2）＋Ｋt・Ｚ1＝Ｆz
【００２２】
従って、タイヤ接地荷重Ｗは次式で与えられる。
【００２３】
Ｗ＝−Ｋt・Ｚ1
＝−Ｆz＋Ｍ1・Ｚ1^**＋Ｃ・（Ｚ1^*−Ｚ2^*）
＋Ｋs・（Ｚ1−Ｚ2）
＝Ｍ2・Ｚ2^**＋Ｍ1・Ｚ1^**
【００２４】
つまり接地荷重Ｗは、上記と同様に、アクチュエータの伸縮加速度を制御することによって変化させることができることが分かる。
【００２５】
実際の車両の慣性力は、上下方向運動のみならず、ローリング運動およびピッチング運動によっても発生する。ここでばね上質量の重心点を通る各軸回りの回転運動を、
ロールレイト：φ
ピッチレイト：θ
ヨーレイト：γ
とし、重心位置を基準とした前後方向中心線と左右方向中心線から各輪の接地中心までの距離をそれぞれＬf、Ｌr、Ｔf／２、Ｔr／２とし（図４参照）、各輪のアクチュエータの推力を、Ｆz1（前左）、Ｆz2（前右）、Ｆz3（後右）、Ｆz4（後左）とし、力、モーメント、並びに座標系の向きを図５に示すものとすれば、ローリングモーメントは、
Ｍx＝Ｔf／２・（−Ｆz1＋Ｆz2）
−Ｔf／２・（−Ｆz3＋Ｆz4）
となり、ピッチングモーメントは、
Ｍy＝Ｌf・（−Ｆz1−Ｆz2）
−Ｌr・（−Ｆz3−Ｆz4）
となる。
【００２６】
また、
ローリング慣性モーメント：Ｉx
ピッチング慣性モーメント：Ｉy
とすれば、
ローリング慣性力は、
Ｉxφ^*＝Ｍx
＝Ｔf／２・（−Ｆz1＋Ｆz2）
−Ｔf／２・（−Ｆz3＋Ｆz4）
となり、ピッチング慣性力は
Ｉyθ^*＝Ｍy
＝Ｌf・（−Ｆz1−Ｆz2）
−Ｌr・（−Ｆz3−Ｆz4）
となる。
【００２７】
さらに上下運動の慣性力は、
Ｍ2・Ｚ2^**＝−Ｆz1−Ｆz2−Ｆz3−Ｆz4
となり、これらの慣性力の少なくとも１つを制御することにより、ローリング運動およびピッチング運動を含む場合の接地荷重も、各タイヤについて個々に制御できることが分かる。なお、従来のものは、４輪に荷重を配分するため、ローリング慣性力、ピッチング慣性力、並びに上下運動の慣性力は発生せず、これらの値は０となる。
【００２８】
上記実施例は、アクチュエータとして油圧駆動のシリンダ装置を用いるものを示したが、これはリニアモータ或いはボイスコイルなどの如きその他の電気式の推力発生手段を用いても、あるいはカム機構やばね手段を用いて加速度を発生させても、同様の効果を得ることもできる。
【００２９】
次に、車両の高Ｇ旋回時に生じるスピン・プラウアウト・４輪ドリフトなどの各状態からの復帰を上記アクチュエータ５を用いて行う制御を図６のフロー図に基づいて以下に示す。第１ステップＳＴ１から第３ステップＳＴ３において、ヨーレイトセンサ３１・横Ｇセンサ３２・舵角センサ３３によりヨーレイト・横Ｇ・舵角の各信号を読み込む。
【００３０】
第４ステップＳＴ４では、第１ステップＳＴ１で読み込んだヨーレイト信号を微分して、ヨーレイト変化率としてのヨーレイト微分値を算出する。次の第５ステップＳＴ５では舵角が減少しているか否かを判別し、減少している場合には第１ステップＳＴ１に戻り、一定または増加している場合には第６ステップＳＴ６に進む。第６ステップＳＴ６では横Ｇが減少または変化無しか否かを判別し、増大している場合には第１ステップＳＴ１に戻り、減少している場合や変化無しの場合には第７ステップＳＴ７に進む。そして第７ステップＳＴ７で、車両挙動判定及び復帰荷重演算部３４にて車両がスピン・プラウアウト・４輪ドリフトの各状態に移行する可能性あるいは移行途上であることの判定を行う。
【００３１】
上記旋回軌跡での各状態の判定を、第４ステップＳＴ４で求めたヨーレイト微分値により判断し得る。この判断の前提条件としては、ブレーキ操作が無く、舵角が一定または増加させている状態において、横Ｇが減少していることである。そして、ヨーレイト微分値が正の値の場合にはスピン状態であり、ヨーレイト微分値が０の場合には４輪ドリフト状態であり、ヨーレイト微分値が負の値の場合にはプラウアウト状態であると判断できる。
【００３２】
なお、４輪ドリフト状態の判定にあっては、現実的には０を含む幅をもたせた範囲で判定することになり、上記他の条件を満たしてヨーレイト微分値が正の基準値及び負の基準値の両値間にある場合には４輪ドリフト状態であるとする。
【００３３】
第７ステップＳＴ７で、ヨーレイト微分値が負の値であると判別された場合には第８ステップＳＴ８に進み、ヨーレイト微分値が正の値であると判別された場合には第９ステップＳＴ９に進み、ヨーレイト微分値が０付近であると判別された場合には第１０ステップＳＴ１０に進む。それら第８〜１０ステップＳＴ８〜１０では上記各状態に応じた接地荷重増加制御を行う。
【００３４】
例えばヨーレイト微分値が正の値でスピン状態を判定した場合には、そのスピン状態から復帰するための荷重を演算し、ばね上加速度センサ２２とばね下加速度センサ２３との各信号を参照して、内部的に求めた仮の目標荷重信号を、荷重センサ２０の信号をフィードバックして安定化演算部２５に入力する。その安定化演算部２５の出力信号とストロークセンサ２１の信号とを変位制限比較演算部２６にて比較することにより、サスペンション変位の限界内で制御が行われるように調整する。そして、変位制限比較演算部２６の信号出力によりサーボ弁ドライバ１９を介してサーボ弁１０を制御して、アクチュエータ５を駆動して所望の接地荷重を発生させ、それによりスピン状態からの復帰を行う。
【００３５】
スピン状態は、車両旋回時において前輪トータルの横力による重心回りのモーメントが後輪トータルの横力によるモーメントを上回る時に起こる挙動である。したがって、その挙動から復帰するには、前輪のタイヤ接地荷重を減少させるか、後輪のタイヤ接地荷重を増加させて、モーメントの前後バランスを均等にすれば良い。例えば、旋回中の車両の各タイヤの接地荷重（＝グリップ力）分布を概念的に示す図７のように、後輪のタイヤ接地荷重を図の実線で示される状態から図の想像線で示される状態に増加させると良く、本図示例では第９ステップＳＴ９で後輪接地荷重を増加させる制御を行っている。
【００３６】
また、プラウアウトの時には後輪外輪の接地荷重を増加させたり、前輪の接地荷重を増加させるかまたは後輪の接地荷重を減少させることでプラウアウトからの復帰が可能であることから、本図示例では第８ステップＳＴ８で前輪接地荷重を増加させる制御を行っている。そして、４輪ドリフトの時には全輪の接地荷重を前後のモーメントを釣り合いを保ちつつ増加させることで、４輪ドリフトから復帰することができ、本図示例では第１０ステップＳＴ１０で前後輪の接地荷重を増加させる制御を行っている。
【００３７】
なお、本出願の趣旨を逸脱しない範囲で、使用しているセンサを簡素化することができる。例えば本実施例ではセンサが冗長構成されているが、ストロークセンサ２１を廃止し、ばね下加速度センサ２３・ばね上加速度センサ２２・ばね下質量・ばね上質量をそれぞれ掛け合わせたものを引き算することで、荷重センサ２０を廃止することも可能である。また、荷重センサ２０とストロークセンサ２１とから状態推定器を構成し、ばね下加速度及びばね上加速度を求めることも可能である。このように、必要に応じて適宜システム構成を変化させることが可能である。また、図１のＥＣＵはデジタル・アナログ・ハイブリッドの何れでも実現可能である。
【００３８】
【発明の効果】
このように本発明によれば、車両が高Ｇ旋回時にタイヤの横方向の限界特性を越えた場合には、スピン・プラウアウト・４輪ドリフト等の状態になる可能性があるが、その可能性若しくはその移行途上にあることの判定を横Ｇとヨーレイト変化率とにより判定でき、上記各状態を判定した時には、アクチュエータによりばね上及びばね下加速度の少なくともいずれか一方を直接制御して、ばね下の接地荷重を任意に制御して、上記各状態から復帰させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される能動型懸架装置の概略システム構成図。
【図２】本発明の原理を説明するためのモデル図
【図３】一般的な能動型懸架装置のモデル図。
【図４】車体重心位置と接地位置との関係を示す説明図。
【図５】力、モーメント、並びに座標系の向きの関係を示す説明図。
【図６】本発明に基づく制御を示すフロー図。
【図７】旋回中の各タイヤの接地荷重の状態を示す図。
【符号の説明】
１ タイヤ
２ 上サスペンションアーム
３ 下サスペンションアーム
４ 車体
５ アクチュエータ
６ ピストン
７・８ 油室
９ 油圧ポンプ
１０ サーボ弁
１１ ピストンロッド
１２ アキュムレータ
１３ アンロード弁
１４ オイルフィルタ
１５ 逆止弁
１６ 圧力調整弁
１７ オイルクーラ
１８ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１９ サーボ弁ドライバ
２０ 荷重センサ
２１ ストロークセンサ
２２ ばね上加速度センサ
２３ ばね下加速度センサ
２４ 目標荷重演算部
２５ 安定化演算部
２６ 変位制限比較演算部
３１ ヨーレイトセンサ
３２ 横Ｇセンサ
３３ 舵角センサ
３４ 車両挙動判定及び復帰荷重演算部

Claims (1)

1. 車体と車軸との間の上下方向相対距離を能動的に変化させるためのアクチュエータの伸縮加速度で車体に上下方向の慣性力を発生させ、その反力をタイヤと路面との間に作用する接地荷重に加える接地荷重制御手段と、車両のヨーレイトを検出するヨーレイト検出手段と、車両の横Ｇを検出する横Ｇ検出手段とを有し、
   少なくとも前記ヨーレイトを微分して算出したヨーレイト変化率と前記横Ｇとに基づいて車両の旋回中に生じるスピン・プラウアウト・４輪ドリフトを判断し、前記スピンの場合には後輪の接地荷重を、前記プラウアウトの場合には前輪の接地荷重を、前記４輪ドリフトの場合には全輪の接地荷重をそれぞれ前記接地荷重制御手段により増大させる制御を行うことを特徴とする接地荷重制御装置。

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