JP3820464B2 - スクリュー原理を利用した自動車の動的挙動特性予測方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリュー原理を利用する自動車の動的挙動特性予測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両の運動特性を正確に予測するというのはかなり難しいことであり、このような運動特性は、運転者に対して、疲労度の加減、運転の面白さの程度、運転者の生命にまで影響を与える可能性のある安定性などと関連して、その影響度を決定する非常に重要な因子である。
【０００３】
そのため、車両を開発する際には必ずこのような運動特性に対して設計目標値を定め、設計状態の水準が設計目標値を満たすか否かを確認しながら設計及び開発をしていく。
【０００４】
しかしながら、このような運動特性に対する事前の予測がない状態で単純な経験によって車両を開発すると多くの試行錯誤を経ることになるのは当然であり、それに伴う人的、費用、設備投資の規模が大きくなるのはもちろん、失敗の確率も非常に大きくなる。
【０００５】
したがって、車両を開発する際には、先ずその車両に装着されるサスペンションを設計して、実際の車両を製作する前に予めその設計内容を利用して性能を予測し、その性能の予測結果が目標値に到達するまで反復して設計を改善して、ある程度満足できる結果が出れば車両を製作し、最後に実際の車で評価することによって最終的に性能を確認する過程を経る。
【０００６】
このような一連の性能予測及び確認作業による車両の開発過程は、人的、費用、設備などの節減はもちろん、開発効率の大幅な増大及び開発品質の向上という効果をもたらすため、様々な効果を得るための数多くの予測技法が多くの学者とエンジニアによって開発され、現在の車両開発に非常に有用に用いられている。
【０００７】
しかし、このような著しい発展にもかかわらず、より高い性能を具現するために正確で最適な設計をしようとする設計者の欲求は絶えず増大している反面、性能予測技法においてはまだ多くの部分が明確でなく不十分な状態にあるのが現実である。
【０００８】
このような点を考慮して従来のサスペンションジオメトリー設計方法を見てみると、前、後輪サスペンションジオメトリーを各々分離して独立させて設計した後、全車両状態の動的特性の解析において、前、後輪でのサスペンションチューニング部品の特性値分布を調節しながら性能に対する最適な作業を行える方法を利用している。
【０００９】
しかしながら、前記のような設計方法によると、前後輪懸架装置ジオメトリーの特性がロール時に変化しながら、その変化状態、特に前、後輪ジオメトリーの相対的な変化特性によって大きく左右され得るロール軸の変化状態が最適な状態でない場合には、改善するとしてもチューニングパラメーターによるチューニングによってのみ改善させることができるため、根本的な改善には限界がある。
【００１０】
したがって、このようなジオメトリー設計上の問題を根本的に解決するためには、一つの車体の挙動は前後輪の左右、つまり４つのサスペンション運動によって具現されるので、４つのサスペンションジオメトリー因子が同時に含まれることによって表現されるあるパラメーターによって車体の挙動特性が表現され、このように表現された挙動特性によって性能予測に対する基本潜在能力が比較されて、設計初期段階から前後輪ジオメトリーに対する最適な組み合わせ及び操舵まで考慮した設計を通じて最高の性能を具現することができる性能予測指標に対する開発が要求される。
【先行技術文献】
【特許文献１】
特開平０５−００８６５７
【特許文献２】
特開２００３−０９７９１５
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の要求に応じるために発明されたものであって、本発明の目的は、前輪ジオメトリー及び後輪ジオメトリーが同時に含まれて構成される一つの新しいジオメトリー設計パラメーターを開発し、動的特性予測のために一般に行われている複雑なモデリングによって動力学解析を遂行しなくても、準静的（Ｑｕａｓｉ−Ｓｔａｔｉｃ）解析の結果だけからでも生成が可能なパラメーターの特性及び変化率により、車両の旋回時に発生し得る操縦安定性能に対する傾向を予測することができる方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
これを実現するために、本発明の好ましい実施例による自動車の動的挙動特性予測方法は、準静的解析のための車両モデルを製作する段階と、製作された前記車両モデルを利用して一定の横力を受ける旋回条件で準静的解析を実施する段階と、前記準静的解析を通じて、地面に対する前記車両モデルの車体の剛体変位を利用して瞬間スクリュー軸を設定する段階と、前記瞬間スクリュー軸の変化によって形成される固定スクリュー軸曲面を算出する段階と、初期旋回状態で車体が挙動する時に横力に対するスクリューパラメーターの変化率を算出する段階と、前記算出された固定スクリュー軸曲面とスクリューパラメーターの変化率とに基づいてロール挙動を予測する段階とを含むことを特徴とする。
【００１３】
前記車両モデルの車体は、垂直荷重に対するタイヤの変形を表現することができるように、スプリングによってコンタクトパッチに連結され、前記コンタクトパッチと地面とのピンジョイント連結を避けるために、垂直方向には運動が無いようにし、横方向には機構学的な拘束なく横力が平衡をなすようにするのが好ましい。
【００１４】
そして横力の平衡は、車両が旋回する時に現れるロール挙動を表現するために、前記車両モデルの重心に一定の大きさで増加する横力を加え、各タイヤにかかる横力を前記コンタクトパッチに加えることによってなされるのが好ましい。
【００１５】
前記車両モデルは、力の平衡によるモーメント平衡をなすために、前後方向が機構学的に拘束されるのが好ましい。
【００１６】
前記車両モデルは、前輪と後輪とのジオメトリーによるホイールのバンプ−リバウンドによる前記コンタクトパッチの前後方向の挙動によって発生するロール挙動のうちのホイールベースの変化を解析に反映するために、前輪だけ拘束し、後輪はジオメトリーによって前後運動を有するようにモデリングされるのが好ましい。
【００１７】
そして、前、後輪全ての前後挙動の拘束を除去した状態で車体を上下方向にバンプ−リバウンドさせて前輪パッチの前後変位量を測定し、この変位量をサイン（Ｓｉｎ）関数に近似させてロール挙動の解析時に前輪の変位拘束条件として使用するのが好ましい。
【００１８】
また、前記準静的解析時にロール挙動以外の因子による解析結果の混乱を防止するために、常用区間と判断し得る−５０ｍｍリバウンドから５０ｍｍバンプまでの区間で基本的なサスペンションの性能因子であるキャンバー、トーの変化傾向を近似するように設定し、初期位置でのロールセンターの高さを同一に設定するのが好ましい。
【００１９】
前記ロール挙動を予測する段階で、瞬間前輪ホイールセンターを通過して車両の進行方面に垂直な面、重心を通過する面、そして後輪ホイールセンターを通過する面と有限スクリュー軸との交点を求め、これらを各々前輪、重心、そして後輪のロールセンターと仮定してその変化傾向を比較検討するのが好ましい。
【００２０】
前記スクリューパラメーターは、車体重心の垂直方向移動に関連する第１位置パラメーターと、車体重心の横方向移動に関連する第２位置パラメーターと、車体のピッチ（ｐｉｔｃｈ）運動に関連する第１方向パラメーターと、車体のヨー（ｙａｗ）運動に関連する第２方向パラメーターと、車両のコーナー進入の速さに関連するピッチパラメーターとを含むのが好ましい。
【００２１】
本発明の他の実施例による自動車の動的挙動特性予測方法は、準静的車両モデルの解析を通じて固定スクリュー軸のスクリューパラメーターとスクリューパラメーターの変化量とを算出するスクリューパラメーター算出段階と、前記算出されたスクリューパラメーターとスクリューパラメーターの変化量とに基づいて車両のロール挙動を予測するロール挙動予測段階とを含むのが好ましい。
【００２２】
前記スクリューパラメーター算出段階は、前記準静的車両モデルの重心に一定の大きさで増加する横力を加え、前記横力に対応して横方向の力平衡及びモーメント平衡をなすように前記準静的車両モデルのコンタクトパッチに横力を加える段階と、地面に対する前記準静的車両モデルの変位に基づいて前記スクリューパラメーターと前記スクリューパラメーターの変化量とを算出する段階とを含むのが好ましい。
【００２３】
前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の横方向の位置を示す横位値パラメーターを含み、前記ロール挙動予測段階は、前記横位値パラメーターの変化量が負の値である場合には車両の重心が下降すると予測し、前記横位値パラメーターの変化量が正の値である場合には車両の重心が上昇すると予測するのが好ましい。
【００２４】
また、前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の垂直方向の位置を示す垂直位置パラメーターを含み、前記ロール挙動予測段階は、前記垂直位置パラメーターの変化量が負の値である場合には車両の重心の横方向移動が減少してロール角が減少すると予測するのが好ましい。
【００２５】
なお、前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の単位方向ベクトルの横方向成分を示す横方向パラメーターを含み、前記ロール挙動予測段階は、前記横方向パラメーターの変化量が負の値である場合には車両が前に傾く（ｐｉｔｃｈｄｏｗｎ）と予測し、前記横方向パラメーターの変化量が正の値である場合には車両が後に傾く（ｐｉｔｃｈ ｕｐ）と予測するのが好ましい。
【００２６】
前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の単位方向ベクトルの垂直方向成分を示す垂直方向パラメーターを含み、前記ロール挙動予測段階は、前記垂直方向パラメーターの変化量に基づいて車両のヨー運動を予測するのが好ましい。
【００２７】
また、前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の並進運動を示すピッチパラメーターを含み、前記ロール挙動予測段階は、前記ピッチパラメーターの変化量が正の値である場合にはスクリュー軸線上で前進運動をすると予測し、前記ピッチパラメーターの変化量が負の値である場合にはスクリュー軸線上で後進運動をすると予測するのが好ましい。
【００２８】
前記準静的車両モデルは、車体及びスプリングによって前記車体に連結されるコンタクトパッチを含み、前記コンタクトパッチは、横方向には機構学的な拘束がないように構成されるのが好ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、前記目的を具体的に実現することができる本発明の好ましい実施例を添付した図面に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
図１は本発明の理論的背景を説明するための図であって、３次元空間上での剛体（ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ）の運動は旋回運動と並進運動との和によって行われ、この二つの運動が行われる時の運動形態は、空間上のある一つの軸を中心にするスクリュー運動（ｓｃｒｅｗ ｍｏｔｉｏｎ）で定義される。このようにスクリュー運動によって剛体の運動を解析する方法をスクリュー原理という。本発明の好ましい実施例による自動車の動的挙動予測方法はこのようなスクリュー原理を利用する。
【００３１】
この時、スクリュー運動の中心軸を有限スクリュー軸（ｆｉｎｉｔｅ ｓｃｒｅｗ ａｘｉｓ）ということができる。図１のように、剛体Ｍがｐ１の位置からｐ２の位置に移動した場合、軸ＳＡはこの二つの位置ｐ１、ｐ２に対する有限スクリュー軸となる。
【００３２】
このように全ての剛体Ｍはスクリュー軸運動をし、このような点を考慮して車体の挙動特性を見てみると、図２に示されているように、車両の固定回転軸パラメーター（ｆｉｘｅｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｘｉｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）は空間上の位置点（ｘ、ｙ、ｚ）、方向ベクトル（ｕｘ、ｕｙ、ｕｚ）、そして回転軸に対する並進を示すＳｐｉｔｃｈの総計７個のパラメーターで構成される。
【００３３】
前記パラメーターｘは空間上の回転軸上での任意の値から選択することができ、本発明の実施例では車体重心点に該当する座標とした。この軸の方向ベクトルであるｕｘは単位ベクトル（ｕｎｉｔ ｖｅｃｔｏｒ）関係によりｕｙとｕｚの関数〔数１〕で決定される。
【数１】
したがって、車両の回転軸特性はパラメーターｙ、ｚ、ｕｙ、ｕｚ、Ｓｐｉｔｃｈの５種類で十分に把握することができる。
【００３４】
このように、車体のロール運動時の挙動は３次元空間上で前後輪ジオメトリーを含む全体ジオメトリーによって定義されるスクリュー軸運動によって決定されるが、これは前、後輪サスペンションのジオメトリー特性によって決定される純粋機構学的ロールセンターと、単純に力の平衡関係によって得られるＦｏｒｃｅ−ｂａｓｅｄロールセンターとの概念が同時に含まれたものである。
【００３５】
そして、運動自由度１を有する空間機構の変位した状態で定義されるスクリュー軸の軌跡によって構成される曲面、つまり瞬間スクリュー軸と剛体とが運動をしながら瞬間ごとに形成される瞬間スクリュー軸が連続して連結される軌跡であるスクリュー軸曲面を固定スクリュー軸曲面（ｆｉｘｅｄ ｓｃｒｅｗ ａｘｉｓ ｓｕｒｆａｃｅ）２とし、この曲面上ですべり接触なしで線接触によって転がる剛体の曲面を移動スクリュー軸曲面（ｍｏｖｉｎｇ ｓｃｒｅｗ ａｘｉｓｓｕｒｆａｃｅ）４とする場合、図３のように、車体のロール運動は、車両の懸架装置によって定義される固定スクリュー軸曲面２の上を、車体と同一剛体に属する移動スクリュー曲面４がすべることなく転がることを意味する。
【００３６】
このように、車両運動と固定スクリュー軸曲面２との関係は、固定スクリュー軸曲面４の形状がわかれば車体のロール運動特性の傾向を容易に予測することができる。
【００３７】
これを考慮して開発された本発明の性能予測方法を見てみると図４の通りである。
【００３８】
まず、車両モデルを製作し（Ｓ１００）、この車両モデルを一定の横力を受ける旋回条件で準静的（ｑｕａｓｉ−ｓｔａｔｉｃ）解析を実施して（Ｓ１１０）、地面に対する車体の剛体変位を利用して瞬間スクリュー軸を設定する（Ｓ１２０）。
【００３９】
そして、前記有限スクリュー軸の変化を可視化し（Ｓ１３０）、変化率を算出して（Ｓ１４０）、有限スクリュー軸変化に対する形状と変化率とを実際の車両で求めたスクリューパラメーターと比較して初期性能を予測する（Ｓ１５０）。
【００４０】
前記過程をより具体的に見てみると、Ｓ１００段階での車両モデルは設計しようとする車両によって異なることがあるが、本発明では下記の表１のとおり三つの タイプを例に挙げて説明する。
【００４１】
【表１】
【００４２】
前記モデル１、２、３の通りに車両モデルを製作し、車両製作モデルは図５及び６のように準静的解析のために製作した。
【００４３】
より具体的には、準静的モデル１００は、垂直荷重によるタイヤの変形を表現することができるようにタイヤスプリング１０７によってナックル１０３とコンタクトパッチ（ｃｏｎｔａｃｔ ｐａｔｃｈ）１０９とを連結しており、このコンタクトパッチ１０９と地面とのピンジョイント連結を避けるために、垂直方向には運動が無いようにし、横方向には機構学的な拘束なく横力が平衡をなすように製作しなければならない。
【００４４】
準静的モデル１００の重心に一定の大きさの横力が作用する時の前後左右のホイールに作用する横力分布を求める。
【００４５】
準静的モデル１００に作用する横方向の力平衡式とモーメント平衡式とを利用してホイールに作用する横力分布を算出することができる。
【００４６】
この時、前後横力の配分は合力が分かるだけで左右横力の分布は分からないので、タイヤ特性値を利用してタイヤに伝達される垂直荷重の関数によって左右荷重配分を決定するのが好ましい。例えば、垂直荷重とスリップ角に対するタイヤ横力特性値（ｔｙｒｅ ｌａｔｅｒａｌ ｆｏｒｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）を利用して横力の左右分布を算出することができる。
【００４７】
つまり、図５は後側から見たモデルの横方向概念を示したものであって、車両が旋回する時に現れるロール挙動を表現するために、車両の重心に一定の大きさで増加する横力（ｌａｔｅｒａｌ ｆｏｒｃｅ）を加え、各タイヤにかかる横力分布を地面と接触するパッチに加えて、横方向の力平衡がなされるようにする。このような場合、地面とコンタクトパッチとの間において横方向には機構学的な拘束がないので、ロール挙動に隨伴するバンプ−リバウンドによるホイールトレッド変化を車両挙動に反映することができる。
【００４８】
そして、図６は側面から見た前後方向の概念図であって、左右輪に加わる横力が車両の縦方向に垂直な同一直線上に存在すると仮定すればモーメント平衡がなされるが、実際の懸架装置ジオメトリーを有する本モデルでは、左右輪が各々バンプとリバウンド運動によって前後方向に横力が加わる点が異なり、横方向の力平衡はなされるが、モーメント平衡は維持できない。
【００４９】
このようにモーメント平衡がなされなければ意図しないヨー挙動が発生する恐れがあるので、これを防止するために横方向と前後方向のうちの一側は挙動拘束が必要である。力平衡条件を利用している横方向は追加的な運動拘束が不可能であるため、前後方向を機構学的に拘束した。
【００５０】
そして、ホイールのバンプ−リバウンドによるコンタクトパッチの前後方向の挙動は前輪と後輪共に各々のジオメトリーによって発生し、これはロール挙動中にホイールベースの変化をもたらす。このホイールベースの変化を解析に反映するために、前輪だけを拘束し、後輪はジオメトリーによって前後運動を有するようにモデリングした。
【００５１】
しかし、前輪を機構学的な拘束によって固定すると、図７のように前輪のジオメトリーによってヨー挙動が発生するので、これを防止するために適切な大きさの前後方向運動を拘束条件とするのが好ましい。
【００５２】
したがって、前輪の前後運動設定のために、前、後輪全ての前後挙動の拘束を除去した状態で車体を上下方向にバンプ−リバウンドさせて前輪パッチの前後変位量を測定し、この変化量をサイン（Ｓｉｎ）関数に近似させてロール挙動の解析時に前輪の変位拘束条件として使用する。
【００５３】
このような方法を利用すれば、前輪の前後方向を機構学的に拘束したために横方向モーメントの不平衡によるヨー挙動を防止することができ、前、後輪のジオメトリー変化によるホイールベース変化も解析に反映することができる。
【００５４】
前記のような条件を満たす車両モデルが備えられれば、Ｓ１１０段階のように準静的解析が行われる。この時の解析プログラムには多様なものがあるが、本発明の実施例ではＡＤＡＭＳ［１２］を利用して解析するのが好ましく、このＡＤＡＭＳ［１２］で提供する位置と姿勢情報をサブルーチンによって計算して全車両モデルのロール挙動に対する有限スクリュー軸を求める。
【００５５】
この時、各モデルにおけるロール挙動以外の因子による解析結果の混乱を防止するために、常用区間と判断できる−５０ｍｍリバウンドから５０ｍｍバンプまでの区間で基本的なサスペンションの性能因子であるキャンバー、トーの変化傾向を近似するように設定し、初期位置でのロールセンターの高さを同一に設定するのが好ましい。
【００５６】
そして、前記Ｓ１１０段階を経て求められた有限スクリュー軸の挙動を前後から立体的に観察するために、前輪ホイールセンターを通過して車両の進行方面に垂直な面、重心を通過する面、そして後輪ホイールセンターを通過する面と有限スクリュー軸との交点を求め、これらを各々前輪、重心、そして後輪のロールセンターと仮定してその変化傾向を比較検討する。
【００５７】
前記Ｓ１１０段階で求められた有限スクリュー軸の挙動と横力によるスクリューパラメーターの変化率は、Ｓ１２０段階とＳ１３０段階のように形状化して変化率を数値的に算出すれば図８のＡ、Ｂ、Ｃ（０．５Ｇの横力を受ける状態でのスクリュー軸曲面）と図９（直進状態で初期旋回状態（０．１Ｇの横力）で車体が挙動する時）のように示すことができ、これに基づいて初期性能を予測してみると次の通りである。
【００５８】
図８のＡは、前輪はマクファーソンストラット、後輪はダブルウィッシュボンを適用したモデル１車両の有限スクリュー軸の変化を示したものであって、これは旋回時に前輪のロールセンターが旋回内側及び下方向に大きく変化することが分かり、後輪にマクファーソンストラットを適用したモデル３は、図８のＣのように、後輪側ロールセンターが旋回内側下方向に変化することが分かる。したがって、モデル１と３は相互反対の傾向でスクリュー軸が動くことが分かる。
【００５９】
そして、ロール挙動を見てみると、ロールセンターの左右変化傾向は重心の上下変位と関係があるので、モデル１（図８のＡ）は前輪の重心が低くなり（ｌｉｆｔ ｄｏｗｎ）、後輪は重心が高くなる（ｌｉｆｔ ｕｐ）傾向にあると予測することができる。
【００６０】
また、モデル２（図８のＢ）の場合には、前、後輪側の重心が全て高くなり、モデル３（図８のＣ）の場合には、後輪側が低くなり、前輪側が高くなる傾向にあると予測することができる。
【００６１】
前後輪重心の上下変位は車体のピッチングと関係し、モデル１は車体が前に傾く方向にピッチングが発生し、モデル２は旋回時に車体の前側が持ち上げられる方向にピッチングが起こると予測される。
【００６２】
そして、図９に示した変化率は、図８でのスクリュー曲面で表現された全体的なスクリューパラメーターの変化傾向と共に車両のロール運動指標として考慮することができる。
【００６３】
ここで単位は、ｙ、ｚ、ｓｐｉｔｃｈに対する変化率はｍｍ／Ｇであり、ｕｙ、ｕｚは１／Ｇであり、入力条件などによって分母が力（ｋｇｆ）、ロール角（ｄｅｇ）、あるいは時間（ｓｅｃｏｎｄ）などになりえる。
【００６４】
これをより具体的に見てみると、スクリューパラメーターｙの変化率はモデル１が−３８５、モデル２は２１５、モデル３は５３であり、ここで、負の数は横力が作用することによってスクリューパラメーターｙが旋回内側に、反対に正の数は旋回外側に移動することを意味し、モデル１は旋回内側に、モデル２、３は旋回外側に動くようになる。
【００６５】
また、モデル２はモデル３より４倍程度変化率が大きいため、遥かに大きく旋回外側に動くことが分かる。
【００６６】
そして、スクリューパラメーターｚの変化率は、モデル１が−９．１７、モデル２は２．２５、モデル３は−０．１４であり、ここで負の数は横力が作用することによってスクリューパラメーターｚが下に、反対に正の数は上に移動することを意味する。
【００６７】
したがって、モデル２のみが上に動き、モデル１、３は下に動くようになるが、モデル１の変化率がモデル３より遥かに大きいことが分かる。
【００６８】
スクリューパラメーターｕｙの変化率は、モデル１が−０．２５、モデル２は０．０２８、モデル３は０．０４２であり、ここで負の数は横力が作用することによってスクリューパラメーターｕｙが車両垂直軸を中心に旋回内側に、反対に正の数は旋回外側に移動することを意味するので、モデル１のみが旋回内側方向に回転し、モデル２、３は旋回外側に動くようになる。
【００６９】
また、変化率の大きさを比較すると、モデル１が他のモデルに比べて１０〜２０倍程度大きく、モデル３がモデル２より２倍程度さらに大きい。
【００７０】
スクリューパラメーターｕｚの変化率は、モデル１が−０．００３８、モデル２は０．０００３、モデル３は０．０００５７であり、ここで負の数は横力が作用することによってスクリューパラメーターｕｚが車両横方向軸を中心に前に傾く方向に回転することを、反対に正の数は後に傾く方向に回転することを意味するので、モデル１のみが前に傾き、モデル２、３は後に傾く傾向を示す。
【００７１】
また、変化率の大きさを比較すると、モデル１が他のモデルに比べて７〜１０倍程度大きく、モデル３がモデル２より２倍程度大きく、これによりモデル１が旋回しながら前に傾くスクリュー軸を有すると予測することができる。
【００７２】
前記のように、初期性能予測過程では車両の諸因子の変化がスクリュー軸曲面に及ぼされることもあるので、必要に応じては車両の諸因子の変化を与えて最終性能を予測することができる。
【００７３】
車両の諸因子としては、荷重増減、操向入力、コンプライアンス（ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）特性、上下運動中のトー変化、ロール剛性などが挙げられる。
【００７４】
このような諸因子の変化がスクリュー軸曲面に及ぼす影響を測定してみたところ、前記荷重増減に応じた車両姿勢の変化によって変わる可能性はあるが、変化様相が一定の形態を維持するので、ロールジオメトリー設計時に常用区間で最も理想的な曲面の形態を具現することによりジオメトリー設計に対する最適設計が可能である。
【００７５】
そして、ゴムブッシングなどによるコンプライアンス特性の変化やトージオメトリーの変化、操舵時にも曲面形態の基本形状はほとんど変更なく維持され、これらは固定スクリュー軸曲面の形状がチューニング設計部分に該当する粒子によっては影響を受けないことを意味する。
【００７６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、前輪ジオメトリー及び後輪ジオメトリーが同時に含まれて構成される一つの新しいジオメトリー設計パラメーター（有限スクリュー軸）を開発し、動的特性予測のために一般に行われている複雑なモデリングによって動力学解析を遂行しなくても、準静的（Ｑｕａｓｉ−Ｓｔａｔｉｃ）解析の結果だけで生成が可能なパラメーターの特性及び変化率により、車両の旋回時に発生し得る操縦安定性能に対する傾向を予測することができるので、サスペンション設計時の費用及び時間を大きく節減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】３次元空間上での剛体の運動を説明するための図である。
【図２】自動車の回転軸に対するパラメーターを説明するための図である。
【図３】車両の運動と固定スクリュー曲面との関係を説明するための図である。
【図４】本発明による予測方法のフローチャートである。
【図５】本発明に適用された車両モデルの横方向概念図である。
【図６】本発明に適用された車両モデルの前後方向概念図である。
【図７】本発明による車両モデルの前輪ジオメトリーによるヨー挙動を説明するための図である。
【図８】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、各車体モデルの車体挙動による固定スクリュー曲面の一例図である。
【図９】各車体モデルのスクリューパラメーターの変化率の一例を示す図である。
【符号の説明】
２ 固定スクリュー軸曲面
４ 移動スクリュー軸曲面
１００ 準静的モデル
１０３ ナックル
１０７ タイヤスプリング
１０９ コンタクトパッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリュー原理を利用する自動車の動的挙動特性予測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両の運動特性を正確に予測するというのはかなり難しいことであり、このような運動特性は、運転者に対して、疲労度の加減、運転の面白さの程度、運転者の生命にまで影響を与える可能性のある安定性などと関連して、その影響度を決定する非常に重要な因子である。
【０００３】
そのため、車両を開発する際には必ずこのような運動特性に対して設計目標値を定め、設計状態の水準が設計目標値を満たすか否かを確認しながら設計及び開発をしていく。
【０００４】
しかしながら、このような運動特性に対する事前の予測がない状態で単純な経験によって車両を開発すると多くの試行錯誤を経ることになるのは当然であり、それに伴う人的、費用、設備投資の規模が大きくなるのはもちろん、失敗の確率も非常に大きくなる。
【０００５】
したがって、車両を開発する際には、先ずその車両に装着されるサスペンションを設計して、実際の車両を製作する前に予めその設計内容を利用して性能を予測し、その性能の予測結果が目標値に到達するまで反復して設計を改善して、ある程度満足できる結果が出れば車両を製作し、最後に実際の車で評価することによって最終的に性能を確認する過程を経る。
【０００６】
このような一連の性能予測及び確認作業による車両の開発過程は、人的、費用、設備などの節減はもちろん、開発効率の大幅な増大及び開発品質の向上という効果をもたらすため、様々な効果を得るための数多くの予測技法が多くの学者とエンジニアによって開発され、現在の車両開発に非常に有用に用いられている。
【０００７】
しかし、このような著しい発展にもかかわらず、より高い性能を具現するために正確で最適な設計をしようとする設計者の欲求は絶えず増大している反面、性能予測技法においてはまだ多くの部分が明確でなく不十分な状態にあるのが現実である。
【０００８】
このような点を考慮して従来のサスペンションジオメトリー設計方法を見てみると、前、後輪サスペンションジオメトリーを各々分離して独立させて設計した後、全車両状態の動的特性の解析において、前、後輪でのサスペンションチューニング部品の特性値分布を調節しながら性能に対する最適な作業を行える方法を利用している。
【０００９】
しかしながら、前記のような設計方法によると、前後輪懸架装置ジオメトリーの特性がロール時に変化しながら、その変化状態、特に前、後輪ジオメトリーの相対的な変化特性によって大きく左右され得るロール軸の変化状態が最適な状態でない場合には、改善するとしてもチューニングパラメーターによるチューニングによってのみ改善させることができるため、根本的な改善には限界がある。
【００１０】
したがって、このようなジオメトリー設計上の問題を根本的に解決するためには、一つの車体の挙動は前後輪の左右、つまり４つのサスペンション運動によって具現されるので、４つのサスペンションジオメトリー因子が同時に含まれることによって表現されるあるパラメーターによって車体の挙動特性が表現され、このように表現された挙動特性によって性能予測に対する基本潜在能力が比較されて、設計初期段階から前後輪ジオメトリーに対する最適な組み合わせ及び操舵まで考慮した設計を通じて最高の性能を具現することができる性能予測指標に対する開発が要求される。
【先行技術文献】
【特許文献１】
特開平０５−００８６５７
【特許文献２】
特開２００３−０９７９１５
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の要求に応じるために発明されたものであって、本発明の目的は、前輪ジオメトリー及び後輪ジオメトリーが同時に含まれて構成される一つの新しいジオメトリー設計パラメーターを開発し、動的特性予測のために一般に行われている複雑なモデリングによって動力学解析を遂行しなくても、準静的（Ｑｕａｓｉ−Ｓｔａｔｉｃ）解析の結果だけからでも生成が可能なパラメーターの特性及び変化率により、車両の旋回時に発生し得る操縦安定性能に対する傾向を予測することができる方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
これを実現するために、本発明の好ましい実施例による自動車の動的挙動特性予測方法は、準静的解析のための車両モデルを製作する段階と、製作された前記車両モデルを利用して一定の横力を受ける旋回条件で準静的解析を実施する段階と、前記準静的解析を通じて、地面に対する前記車両モデルの車体の剛体変位を利用して瞬間スクリュー軸を設定する段階と、前記瞬間スクリュー軸の変化によって形成される固定スクリュー軸曲面を算出する段階と、初期旋回状態で車体が挙動する時に横力に対するスクリューパラメーターの変化率を算出する段階と、前記算出された固定スクリュー軸曲面とスクリューパラメーターの変化率とに基づいてロール挙動を予測する段階とを含むことを特徴とする。
【００１３】
前記車両モデルの車体は、垂直荷重に対するタイヤの変形を表現することができるように、スプリングによってコンタクトパッチに連結され、前記コンタクトパッチと地面とのピンジョイント連結を避けるために、垂直方向には運動が無いようにし、横方向には機構学的な拘束なく横力が平衡をなすようにするのが好ましい。
【００１４】
そして横力の平衡は、車両が旋回する時に現れるロール挙動を表現するために、前記車両モデルの重心に一定の大きさで増加する横力を加え、各タイヤにかかる横力を前記コンタクトパッチに加えることによってなされるのが好ましい。
【００１５】
前記車両モデルは、力の平衡によるモーメント平衡をなすために、前後方向が機構学的に拘束されるのが好ましい。
【００１６】
前記車両モデルは、前輪と後輪とのジオメトリーによるホイールのバンプ−リバウンドによる前記コンタクトパッチの前後方向の挙動によって発生するロール挙動のうちのホイールベースの変化を解析に反映するために、前輪だけ拘束し、後輪はジオメトリーによって前後運動を有するようにモデリングされるのが好ましい。
【００１７】
そして、前、後輪全ての前後挙動の拘束を除去した状態で車体を上下方向にバンプ−リバウンドさせて前輪パッチの前後変位量を測定し、この変位量をサイン（Ｓｉｎ）関数に近似させてロール挙動の解析時に前輪の変位拘束条件として使用するのが好ましい。
【００１８】
また、前記準静的解析時にロール挙動以外の因子による解析結果の混乱を防止するために、常用区間と判断し得る−５０ｍｍリバウンドから５０ｍｍバンプまでの区間で基本的なサスペンションの性能因子であるキャンバー、トーの変化傾向を近似するように設定し、初期位置でのロールセンターの高さを同一に設定するのが好ましい。
【００１９】
前記ロール挙動を予測する段階で、瞬間前輪ホイールセンターを通過して車両の進行方面に垂直な面、重心を通過する面、そして後輪ホイールセンターを通過する面と有限スクリュー軸との交点を求め、これらを各々前輪、重心、そして後輪のロールセンターと仮定してその変化傾向を比較検討するのが好ましい。
【００２０】
前記スクリューパラメーターは、車体重心の垂直方向移動に関連する第１位置パラメーターと、車体重心の横方向移動に関連する第２位置パラメーターと、車体のピッチ（ｐｉｔｃｈ）運動に関連する第１方向パラメーターと、車体のヨー（ｙａｗ）運動に関連する第２方向パラメーターと、車両のコーナー進入の速さに関連するピッチパラメーターとを含むのが好ましい。
【００２１】
本発明の他の実施例による自動車の動的挙動特性予測方法は、準静的車両モデルの解析を通じて固定スクリュー軸のスクリューパラメーターとスクリューパラメーターの変化量とを算出するスクリューパラメーター算出段階と、前記算出されたスクリューパラメーターとスクリューパラメーターの変化量とに基づいて車両のロール挙動を予測するロール挙動予測段階とを含むのが好ましい。
【００２２】
前記スクリューパラメーター算出段階は、前記準静的車両モデルの重心に一定の大きさで増加する横力を加え、前記横力に対応して横方向の力平衡及びモーメント平衡をなすように前記準静的車両モデルのコンタクトパッチに横力を加える段階と、地面に対する前記準静的車両モデルの変位に基づいて前記スクリューパラメーターと前記スクリューパラメーターの変化量とを算出する段階とを含むのが好ましい。
【００２３】
前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の横方向の位置を示す横位値パラメーターを含み、前記ロール挙動予測段階は、前記横位値パラメーターの変化量が負の値である場合には車両の重心が下降すると予測し、前記横位値パラメーターの変化量が正の値である場合には車両の重心が上昇すると予測するのが好ましい。
【００２４】
また、前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の垂直方向の位置を示す垂直位置パラメーターを含み、前記ロール挙動予測段階は、前記垂直位置パラメーターの変化量が負の値である場合には車両の重心の横方向移動が減少してロール角が減少すると予測するのが好ましい。
【００２５】
なお、前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の単位方向ベクトルの横方向成分を示す横方向パラメーターを含み、前記ロール挙動予測段階は、前記横方向パラメーターの変化量が負の値である場合には車両が前に傾く（ｐｉｔｃｈｄｏｗｎ）と予測し、前記横方向パラメーターの変化量が正の値である場合には車両が後に傾く（ｐｉｔｃｈ ｕｐ）と予測するのが好ましい。
【００２６】
前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の単位方向ベクトルの垂直方向成分を示す垂直方向パラメーターを含み、前記ロール挙動予測段階は、前記垂直方向パラメーターの変化量に基づいて車両のヨー運動を予測するのが好ましい。
【００２７】
また、前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の並進運動を示すピッチパラメーターを含み、前記ロール挙動予測段階は、前記ピッチパラメーターの変化量が正の値である場合にはスクリュー軸線上で前進運動をすると予測し、前記ピッチパラメーターの変化量が負の値である場合にはスクリュー軸線上で後進運動をすると予測するのが好ましい。
【００２８】
前記準静的車両モデルは、車体及びスプリングによって前記車体に連結されるコンタクトパッチを含み、前記コンタクトパッチは、横方向には機構学的な拘束がないように構成されるのが好ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、前記目的を具体的に実現することができる本発明の好ましい実施例を添付した図面に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
図１は本発明の理論的背景を説明するための図であって、３次元空間上での剛体（ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ）の運動は旋回運動と並進運動との和によって行われ、この二つの運動が行われる時の運動形態は、空間上のある一つの軸を中心にするスクリュー運動（ｓｃｒｅｗ ｍｏｔｉｏｎ）で定義される。このようにスクリュー運動によって剛体の運動を解析する方法をスクリュー原理という。本発明の好ましい実施例による自動車の動的挙動予測方法はこのようなスクリュー原理を利用する。
【００３１】
この時、スクリュー運動の中心軸を有限スクリュー軸（ｆｉｎｉｔｅ ｓｃｒｅｗ ａｘｉｓ）ということができる。図１のように、剛体Ｍがｐ１の位置からｐ２の位置に移動した場合、軸ＳＡはこの二つの位置ｐ１、ｐ２に対する有限スクリュー軸となる。
【００３２】
このように全ての剛体Ｍはスクリュー軸運動をし、このような点を考慮して車体の挙動特性を見てみると、図２に示されているように、車両の固定回転軸パラメーター（ｆｉｘｅｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｘｉｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）は空間上の位置点（ｘ、ｙ、ｚ）、方向ベクトル（ｕｘ、ｕｙ、ｕｚ）、そして回転軸に対する並進を示すＳｐｉｔｃｈの総計７個のパラメーターで構成される。
【００３３】
前記パラメーターｘは空間上の回転軸上での任意の値から選択することができ、本発明の実施例では車体重心点に該当する座標とした。この軸の方向ベクトルであるｕｘは単位ベクトル（ｕｎｉｔ ｖｅｃｔｏｒ）関係によりｕｙとｕｚの関数〔数１〕で決定される。
【数１】
【００３４】
このように、車体のロール運動時の挙動は３次元空間上で前後輪ジオメトリーを含む全体ジオメトリーによって定義されるスクリュー軸運動によって決定されるが、これは前、後輪サスペンションのジオメトリー特性によって決定される純粋機構学的ロールセンターと、単純に力の平衡関係によって得られるＦｏｒｃｅ−ｂａｓｅｄロールセンターとの概念が同時に含まれたものである。
【００３５】
そして、運動自由度１を有する空間機構の変位した状態で定義されるスクリュー軸の軌跡によって構成される曲面、つまり瞬間スクリュー軸と剛体とが運動をしながら瞬間ごとに形成される瞬間スクリュー軸が連続して連結される軌跡であるスクリュー軸曲面を固定スクリュー軸曲面（ｆｉｘｅｄ ｓｃｒｅｗ ａｘｉｓ ｓｕｒｆａｃｅ）２とし、この曲面上ですべり接触なしで線接触によって転がる剛体の曲面を移動スクリュー軸曲面（ｍｏｖｉｎｇ ｓｃｒｅｗ ａｘｉｓｓｕｒｆａｃｅ）４とする場合、図３のように、車体のロール運動は、車両の懸架装置によって定義される固定スクリュー軸曲面２の上を、車体と同一剛体に属する移動スクリュー曲面４がすべることなく転がることを意味する。
【００３６】
このように、車両運動と固定スクリュー軸曲面２との関係は、固定スクリュー軸曲面４の形状がわかれば車体のロール運動特性の傾向を容易に予測することができる。
【００３７】
これを考慮して開発された本発明の性能予測方法を見てみると図４の通りである。
【００３８】
まず、車両モデルを製作し（Ｓ１００）、この車両モデルを一定の横力を受ける旋回条件で準静的（ｑｕａｓｉ−ｓｔａｔｉｃ）解析を実施して（Ｓ１１０）、地面に対する車体の剛体変位を利用して瞬間スクリュー軸を設定する（Ｓ１２０）。
【００３９】
そして、前記有限スクリュー軸の変化を可視化し（Ｓ１３０）、変化率を算出して（Ｓ１４０）、有限スクリュー軸変化に対する形状と変化率とを実際の車両で求めたスクリューパラメーターと比較して初期性能を予測する（Ｓ１５０）。
【００４０】
前記過程をより具体的に見てみると、Ｓ１００段階での車両モデルは設計しようとする車両によって異なることがあるが、本発明では下記の表１のとおり三つの タイプを例に挙げて説明する。
【００４１】
【表１】
前記モデル１、２、３の通りに車両モデルを製作し、車両製作モデルは図５及び６のように準静的解析のために製作した。
【００４３】
より具体的には、準静的モデル１００は、垂直荷重によるタイヤの変形を表現することができるようにタイヤスプリング１０７によってナックル１０３とコンタクトパッチ（ｃｏｎｔａｃｔ ｐａｔｃｈ）１０９とを連結しており、このコンタクトパッチ１０９と地面とのピンジョイント連結を避けるために、垂直方向には運動が無いようにし、横方向には機構学的な拘束なく横力が平衡をなすように製作しなければならない。
【００４４】
準静的モデル１００の重心に一定の大きさの横力が作用する時の前後左右のホイールに作用する横力分布を求める。
【００４５】
準静的モデル１００に作用する横方向の力平衡式とモーメント平衡式とを利用してホイールに作用する横力分布を算出することができる。
【００４６】
この時、前後横力の配分は合力が分かるだけで左右横力の分布は分からないので、タイヤ特性値を利用してタイヤに伝達される垂直荷重の関数によって左右荷重配分を決定するのが好ましい。例えば、垂直荷重とスリップ角に対するタイヤ横力特性値（ｔｙｒｅ ｌａｔｅｒａｌ ｆｏｒｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）を利用して横力の左右分布を算出することができる。
【００４７】
つまり、図５は後側から見たモデルの横方向概念を示したものであって、車両が旋回する時に現れるロール挙動を表現するために、車両の重心に一定の大きさで増加する横力（ｌａｔｅｒａｌ ｆｏｒｃｅ）を加え、各タイヤにかかる横力分布を地面と接触するパッチに加えて、横方向の力平衡がなされるようにする。このような場合、地面とコンタクトパッチとの間において横方向には機構学的な拘束がないので、ロール挙動に隨伴するバンプ−リバウンドによるホイールトレッド変化を車両挙動に反映することができる。
【００４８】
そして、図６は側面から見た前後方向の概念図であって、左右輪に加わる横力が車両の縦方向に垂直な同一直線上に存在すると仮定すればモーメント平衡がなされるが、実際の懸架装置ジオメトリーを有する本モデルでは、左右輪が各々バンプとリバウンド運動によって前後方向に横力が加わる点が異なり、横方向の力平衡はなされるが、モーメント平衡は維持できない。
【００４９】
このようにモーメント平衡がなされなければ意図しないヨー挙動が発生する恐れがあるので、これを防止するために横方向と前後方向のうちの一側は挙動拘束が必要である。力平衡条件を利用している横方向は追加的な運動拘束が不可能であるため、前後方向を機構学的に拘束した。
【００５０】
そして、ホイールのバンプ−リバウンドによるコンタクトパッチの前後方向の挙動は前輪と後輪共に各々のジオメトリーによって発生し、これはロール挙動中にホイールベースの変化をもたらす。このホイールベースの変化を解析に反映するために、前輪だけを拘束し、後輪はジオメトリーによって前後運動を有するようにモデリングした。
【００５１】
しかし、前輪を機構学的な拘束によって固定すると、図７のように前輪のジオメトリーによってヨー挙動が発生するので、これを防止するために適切な大きさの前後方向運動を拘束条件とするのが好ましい。
【００５２】
したがって、前輪の前後運動設定のために、前、後輪全ての前後挙動の拘束を除去した状態で車体を上下方向にバンプ−リバウンドさせて前輪パッチの前後変位量を測定し、この変化量をサイン（Ｓｉｎ）関数に近似させてロール挙動の解析時に前輪の変位拘束条件として使用する。
【００５３】
このような方法を利用すれば、前輪の前後方向を機構学的に拘束したために横方向モーメントの不平衡によるヨー挙動を防止することができ、前、後輪のジオメトリー変化によるホイールベース変化も解析に反映することができる。
【００５４】
前記のような条件を満たす車両モデルが備えられれば、Ｓ１１０段階のように準静的解析が行われる。この時の解析プログラムには多様なものがあるが、本発明の実施例ではＡＤＡＭＳ［１２］を利用して解析するのが好ましく、このＡＤＡＭＳ［１２］で提供する位置と姿勢情報をサブルーチンによって計算して全車両モデルのロール挙動に対する有限スクリュー軸を求める。
【００５５】
この時、各モデルにおけるロール挙動以外の因子による解析結果の混乱を防止するために、常用区間と判断できる−５０ｍｍリバウンドから５０ｍｍバンプまでの区間で基本的なサスペンションの性能因子であるキャンバー、トーの変化傾向を近似するように設定し、初期位置でのロールセンターの高さを同一に設定するのが好ましい。
【００５６】
そして、前記Ｓ１１０段階を経て求められた有限スクリュー軸の挙動を前後から立体的に観察するために、前輪ホイールセンターを通過して車両の進行方面に垂直な面、重心を通過する面、そして後輪ホイールセンターを通過する面と有限スクリュー軸との交点を求め、これらを各々前輪、重心、そして後輪のロールセンターと仮定してその変化傾向を比較検討する。
【００５７】
前記Ｓ１１０段階で求められた有限スクリュー軸の挙動と横力によるスクリューパラメーターの変化率は、Ｓ１２０段階とＳ１３０段階のように形状化して変化率を数値的に算出すれば図８のＡ、Ｂ、Ｃ（０．５Ｇの横力を受ける状態でのスクリュー軸曲面）と図９（直進状態で初期旋回状態（０．１Ｇの横力）で車体が挙動する時）のように示すことができ、これに基づいて初期性能を予測してみると次の通りである。
【００５８】
図８のＡは、前輪はマクファーソンストラット、後輪はダブルウィッシュボンを適用したモデル１車両の有限スクリュー軸の変化を示したものであって、これは旋回時に前輪のロールセンターが旋回内側及び下方向に大きく変化することが分かり、後輪にマクファーソンストラットを適用したモデル３は、図８のＣのように、後輪側ロールセンターが旋回内側下方向に変化することが分かる。したがって、モデル１と３は相互反対の傾向でスクリュー軸が動くことが分かる。
【００５９】
そして、ロール挙動を見てみると、ロールセンターの左右変化傾向は重心の上下変位と関係があるので、モデル１（図８のＡ）は前輪の重心が低くなり（ｌｉｆｔ ｄｏｗｎ）、後輪は重心が高くなる（ｌｉｆｔ ｕｐ）傾向にあると予測することができる。
【００６０】
また、モデル２（図８のＢ）の場合には、前、後輪側の重心が全て高くなり、モデル３（図８のＣ）の場合には、後輪側が低くなり、前輪側が高くなる傾向にあると予測することができる。
【００６１】
前後輪重心の上下変位は車体のピッチングと関係し、モデル１は車体が前に傾く方向にピッチングが発生し、モデル２は旋回時に車体の前側が持ち上げられる方向にピッチングが起こると予測される。
【００６２】
そして、図９に示した変化率は、図８でのスクリュー曲面で表現された全体的なスクリューパラメーターの変化傾向と共に車両のロール運動指標として考慮することができる。
【００６３】
ここで単位は、ｙ、ｚ、ｓｐｉｔｃｈに対する変化率はｍｍ／Ｇであり、ｕｙ、ｕｚは１／Ｇであり、入力条件などによって分母が力（ｋｇｆ）、ロール角（ｄｅｇ）、あるいは時間（ｓｅｃｏｎｄ）などになりえる。
【００６４】
これをより具体的に見てみると、スクリューパラメーターｙの変化率はモデル１が−３８５、モデル２は２１５、モデル３は５３であり、ここで、負の数は横力が作用することによってスクリューパラメーターｙが旋回内側に、反対に正の数は旋回外側に移動することを意味し、モデル１は旋回内側に、モデル２、３は旋回外側に動くようになる。
【００６５】
また、モデル２はモデル３より４倍程度変化率が大きいため、遥かに大きく旋回外側に動くことが分かる。
【００６６】
そして、スクリューパラメーターｚの変化率は、モデル１が−９．１７、モデル２は２．２５、モデル３は−０．１４であり、ここで負の数は横力が作用することによってスクリューパラメーターｚが下に、反対に正の数は上に移動することを意味する。
【００６７】
したがって、モデル２のみが上に動き、モデル１、３は下に動くようになるが、モデル１の変化率がモデル３より遥かに大きいことが分かる。
【００６８】
スクリューパラメーターｕｙの変化率は、モデル１が−０．２５、モデル２は０．０２８、モデル３は０．０４２であり、ここで負の数は横力が作用することによってスクリューパラメーターｕｙが車両垂直軸を中心に旋回内側に、反対に正の数は旋回外側に移動することを意味するので、モデル１のみが旋回内側方向に回転し、モデル２、３は旋回外側に動くようになる。
【００６９】
また、変化率の大きさを比較すると、モデル１が他のモデルに比べて１０〜２０倍程度大きく、モデル３がモデル２より２倍程度さらに大きい。
【００７０】
スクリューパラメーターｕｚの変化率は、モデル１が−０．００３８、モデル２は０．０００３、モデル３は０．０００５７であり、ここで負の数は横力が作用することによってスクリューパラメーターｕｚが車両横方向軸を中心に前に傾く方向に回転することを、反対に正の数は後に傾く方向に回転することを意味するので、モデル１のみが前に傾き、モデル２、３は後に傾く傾向を示す。
【００７１】
また、変化率の大きさを比較すると、モデル１が他のモデルに比べて７〜１０倍程度大きく、モデル３がモデル２より２倍程度大きく、これによりモデル１が旋回しながら前に傾くスクリュー軸を有すると予測することができる。
【００７２】
前記のように、初期性能予測過程では車両の諸因子の変化がスクリュー軸曲面に及ぼされることもあるので、必要に応じては車両の諸因子の変化を与えて最終性能を予測することができる。
【００７３】
車両の諸因子としては、荷重増減、操向入力、コンプライアンス（ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）特性、上下運動中のトー変化、ロール剛性などが挙げられる。
【００７４】
このような諸因子の変化がスクリュー軸曲面に及ぼす影響を測定してみたところ、前記荷重増減に応じた車両姿勢の変化によって変わる可能性はあるが、変化様相が一定の形態を維持するので、ロールジオメトリー設計時に常用区間で最も理想的な曲面の形態を具現することによりジオメトリー設計に対する最適設計が可能である。
【００７５】
そして、ゴムブッシングなどによるコンプライアンス特性の変化やトージオメトリーの変化、操舵時にも曲面形態の基本形状はほとんど変更なく維持され、これらは固定スクリュー軸曲面の形状がチューニング設計部分に該当する粒子によっては影響を受けないことを意味する。
【００７６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、前輪ジオメトリー及び後輪ジオメトリーが同時に含まれて構成される一つの新しいジオメトリー設計パラメーター（有限スクリュー軸）を開発し、動的特性予測のために一般に行われている複雑なモデリングによって動力学解析を遂行しなくても、準静的（Ｑｕａｓｉ−Ｓｔａｔｉｃ）解析の結果だけで生成が可能なパラメーターの特性及び変化率により、車両の旋回時に発生し得る操縦安定性能に対する傾向を予測することができるので、サスペンション設計時の費用及び時間を大きく節減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】３次元空間上での剛体の運動を説明するための図である。
【図２】自動車の回転軸に対するパラメーターを説明するための図である。
【図３】車両の運動と固定スクリュー曲面との関係を説明するための図である。
【図４】本発明による予測方法のフローチャートである。
【図５】本発明に適用された車両モデルの横方向概念図である。
【図６】本発明に適用された車両モデルの前後方向概念図である。
【図７】本発明による車両モデルの前輪ジオメトリーによるヨー挙動を説明するための図である。
【図８】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、各車体モデルの車体挙動による固定スクリュー曲面の一例図である。
【図９】各車体モデルのスクリューパラメーターの変化率の一例を示す図である。
【符号の説明】
２ 固定スクリュー軸曲面
４ 移動スクリュー軸曲面
１００ 準静的モデル
１０３ ナックル
１０７ タイヤスプリング
１０９ コンタクトパッチ
Claims (17)
- 準静的解析のための車両モデルを製作する段階と、
製作された前記車両モデルを利用して一定の横力を受ける旋回条件で準静的解析を実施する段階と、
前記準静的解析を通じて、地面に対する前記車両モデルの車体の剛体変位を利用して瞬間スクリュー軸を設定する段階と、
前記瞬間スクリュー軸の変化によって形成される固定スクリュー軸曲面を算出する段階と、
初期旋回状態で車体が挙動する時に横力に対するスクリューパラメーターの変化率を算出する段階と、
前記算出された固定スクリュー軸曲面とスクリューパラメーターの変化率とに基づいてロール挙動を予測する段階とを含むことを特徴とする、自動車の動的挙動特性予測方法。 - 前記車両モデルの車体は、
垂直荷重に対するタイヤの変形を表現することができるように、スプリングによってコンタクトパッチに連結され、前記コンタクトパッチと地面とのピンジョイント連結を避けるために、垂直方向には運動が無いようにし、横方向には機構学的な拘束なく横力が平衡をなすことを特徴とする、請求項１に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。 - 横力の平衡は、
車両が旋回する時に現れるロール挙動を表現するために、前記車両モデルの重心に一定の大きさで増加する横力を加え、各タイヤにかかる横力を前記コンタクトパッチに加えることによってなされることを特徴とする、請求項２に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。 - 前記車両モデルは、力の平衡によるモーメント平衡をなすために、前後方向が機構学的に拘束されることを特徴とする、請求項１に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。
- 前記車両モデルは、
前輪と後輪とのジオメトリーによるホイールのバンプ−リバウンドによる前記コンタクトパッチの前後方向の挙動によって発生するロール挙動のうちのホイールベースの変化を解析に反映するために、前輪だけを拘束し、後輪はジオメトリーによって前後運動を有するようにモデリングされることを特徴とする、請求項２に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。 - 前後輪全ての前後挙動の拘束を除去した状態で車体を上下方向にバンプ−リバウンドさせて前輪パッチの前後変位量を測定し、この変位量をサイン（Ｓｉｎ）関数に近似させてロール挙動の解析時に前輪の変位拘束条件として使用することを特徴とする、請求項５に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。
- 前記準静的解析時にロール挙動以外の因子による解析結果の混乱を防止するために、常用区間であると判断することができる−５０ｍｍリバウンドから５０ｍｍバンプまでの区間で基本的なサスペンションの性能因子であるキャンバー、トーの変化傾向を近似するように設定し、初期位置でのロールセンターの高さを同一に設定することを特徴とする、請求項１に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。
- 前記ロール挙動を予測する段階で、瞬間前輪ホイールセンターを通過して車両の進行方面に垂直な面、重心を通過する面、そして後輪ホイールセンターを通過する面と有限スクリュー軸との交点を求め、これらを各々前輪、重心、そして後輪のロールセンターと仮定してその変化傾向を比較検討することを特徴とする、請求項１に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。
- 前記スクリューパラメーターは、
車体重心の垂直方向移動に関連する第１位置パラメーターと、車体重心の横方向移動に関連する第２位置パラメーターと、車体のピッチ運動に関連する第１方向パラメーターと、車体のヨー運動に関連する第２方向パラメーターと、車両のコーナー進入の速さに関連するピッチパラメーターとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。 - 準静的車両モデルの解析を通じて固定スクリュー軸のスクリューパラメーターとスクリューパラメーターの変化量とを算出するスクリューパラメーター算出段階と、
前記算出されたスクリューパラメーターとスクリューパラメーターの変化量とに基づいて車両のロール挙動を予測するロール挙動予測段階とを含むことを特徴とする、自動車の動的挙動特性予測方法。 - 前記スクリューパラメーター算出段階は、
前記準静的車両モデルの重心に一定の大きさで増加する横力を加え、前記横力に対応して横方向の力平衡及びモーメント平衡をなすように前記準静的車両モデルのコンタクトパッチに横力を加える段階と、
地面に対する前記準静的車両モデルの変位に基づいて前記スクリューパラメーターと前記スクリューパラメーターの変化量とを算出する段階とを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。 - 前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の横方向の位置を示す横位値パラメーターを含み、
前記ロール挙動予測段階は、前記横位値パラメーターの変化量が負の値である場合には車両の重心が下降すると予測し、前記横位値パラメーターの変化量が正の値である場合には車両の重心が上昇すると予測することを特徴とする、請求項１０に記載の車両自動車の動的挙動特性予測方法。 - 前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の垂直方向の位置を示す垂直位置パラメーターを含み、
前記ロール挙動予測段階は、前記垂直位置パラメーターの変化量が負の値である場合には車両の重心の横方向移動が減少してロール角が減少すると予測することを特徴とする、請求項１０に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。 - 前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の単位方向ベクトルの横方向成分を示す横方向パラメーターを含み、
前記ロール挙動予測段階は、前記横方向パラメーターの変化量が負の値である場合には車両が前に傾くと予測し、前記横方向パラメーターの変化量が正の値である場合には車両が後に傾くと予測することを特徴とする、請求項１０に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。 - 前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の単位方向ベクトルの垂直方向成分を示す垂直方向パラメーターを含み、
前記ロール挙動予測段階は、前記垂直方向パラメーターの変化量に基づいて車両のヨー運動を予測することを特徴とする、請求項１０に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。 - 前記スクリューパラメーターは、スクリュー軸の並進運動を示すピッチパラメーターを含み、
前記ロール挙動予測段階は、前記ピッチパラメーターの変化量が正の値である場合にはスクリュー軸線上で前進運動をすると予測し、前記ピッチパラメーターの変化量が負の値である場合にはスクリュー軸線上で後進運動をすると予測することを特徴とする、請求項１０に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。 - 前記準静的車両モデルは、車体及びスプリングを通じて前記車体に連結されるコンタクトパッチを含み、
前記コンタクトパッチは、横方向には機構学的な拘束がないように構成されることを特徴とする、請求項１０に記載の自動車の動的挙動特性予測方法。
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