JP4305158B2

JP4305158B2 - 車両用トー角制御装置

Info

Publication number: JP4305158B2
Application number: JP2003414897A
Authority: JP
Inventors: 忠嗣玉正; 卓馬鈴木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: JP2005170276A

Description

本発明は、左右輪のトー角を個別に調整可能な車両用トー角制御装置に関するものである。

車両の旋回時の運動を考えるとき、ロールセンタの概念を用いると便利である。ロールセンタは、左右の車輪接地点と当該接地点の回転中心とを結んだ線の交点をいう。一般に、ロールセンタと車体重心点との距離が車体ロール運動のモーメントの腕になるので、このモーメントの腕が短いほど、即ちロールセンタ地上高が高いほど、車体のロール量（ロール角度）を小さくすることができるとされている。その一方で、ロールセンタ高が高いと、車体を持ち上げる力（ジャッキアップ力）が大きくなり、車体が浮き上がり傾向となる。そこで、一般的な車両では、ロールセンタ高を或る程度低く抑え、ロール量は、サスペンションのバネ定数を大きくしたり、ショックアブソーバの減衰力を大きくしたり、スタビライザの剛性を大きくしたりすることによって抑制している（例えば、非特許文献１参照）。
「高性能シャシーの研究」（山海堂、ｐ８８〜９０）

しかしながら、前記従来の車両用サスペンション装置では、ロールセンタ高を或る程度低く抑えることによってジャッキアップ力を小さくすることはできるが、ロール量を抑制するためにサスペンションのバネ定数を大きくしたり、ショックアブソーバの減衰力を大きくしたり、スタビライザの剛性を大きくしたりする、所謂サスペンションを硬くして対応しているため、乗心地に悪影響を及ぼす恐れがある。
本発明はこれらの諸問題を解決するために開発されたものであり、旋回時、左右輪のトー角を個別に調整してジャッキアップ力を小さくすることにより、ロールセンタ高を高くしてロールモーメントを低減することが可能な車両用トー角制御装置を提供することを目的とするものである。

上記諸問題を解決するため、本発明の車両用トー角制御装置は、左右の車輪のトー角を個別に制御可能とし、車体スリップ角が小さく、横加速度が小さい領域では、旋回内輪の横力を増大し且つ旋回外輪の横力を減少するように前記左右の車輪のトー角を制御することを特徴とするものである。

而して、本発明の車両用トー角制御装置によれば、車体スリップ角が小さく、横加速度が小さい領域では、旋回内輪の横力を増大し且つ旋回外輪の横力を減少するように左右の車輪のトー角を個別に制御する構成としたため、特に旋回外輪の横力がもたらすジャッキアップ力を小さくすることができ、もってロールセンタ高を高く設定することができるのでロールモーメントの低減が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を伴って説明する。
図１は、本発明の車両用トー角制御装置の第１実施形態を示す概略構成図である。本実施形態では、（前）左右輪のトー角を個別に制御するために、所謂ステアバイワイヤを採用した。ステアバイワイヤは、転舵輪である前左右輪１ＦＬ、１ＦＲとステアリングホイール２とが機械的に連結されておらず、例えば電気信号によって前左右輪を転舵する。図中の符号３はサスペンションメンバ、符号４ＦＬ、４ＦＲは前左右輪１ＦＬ、１ＦＲに取付けられたハブナックル、符号５ＦＬ、５ＦＲは前左右輪１ＦＬ、１ＦＲを転舵すると共にそれらのトー角を調整する電動モータ等のアクチュエータ、符号６ＦＬ、６ＦＲは前記アクチュエータ５ＦＬ、５ＦＲとハブナックル４ＦＬ、４ＦＲとを連結するタイロッド、符号７は、前記アクチュエータ５ＦＬ、５ＦＲの制御量を制御するコントロールユニットである。従って、この実施形態では、前左右輪１ＦＬ、１ＦＲを転舵するために二つのアクチュエータ５ＦＬ、５ＦＲが備えられているため、それらのトー角を個別に調整することができる。

次に、前記コントロールユニット７で行われる前左右輪１ＦＬ、１ＦＲのトー角制御について説明する。図２は、旋回中に車両に作用する力を概念的に示した車両背面図である。図に描かれている車輪が前記前左右輪１ＦＬ、１ＦＲとして、車両を前二輪だけのモデルで考えると、例えば図のように車両が右旋回しているとき、車体８の重心点ＷＰには左向きの横加速度に応じた慣性力ＦＹが作用する。この慣性力ＦＹは、この場合の旋回内輪である前右輪の横力ＦＳＦＲと旋回外輪である前左輪の横力ＦＳＦＬとの和と釣り合っている。

一方、ロールセンタＲＣは、前左右輪１ＦＬ、１ＦＲの接地点ＬＰＦＬ、ＬＰＦＲとその回転中心ＳＰＦＬ、ＳＰＦＲとを結ぶ線の交点に相当する。車輪の接地点回転中心は、一般に、サスペンションアッパアームとロアアームの車両背面視（又は正面視）における延長線の交点である。前記前左右輪１ＦＬ、１ＦＲの接地点ＬＰＦＬ、ＬＰＦＲに作用する横力ＦＳＦＬ、ＦＳＦＲは、前記ロールセンタＲＣから車体８に作用するので、車輪接地点ＬＰＦＬ、ＬＰＦＲからロールセンタＲＣに向けて作用する（又はロールセンタＲＣから車輪接地点ＬＰＦＬ、ＬＰＦＲに向けて作用する）ロールセンタ方向力ＦＬＦＬ、ＦＬＦＲは、前記横力ＦＳＦＬ、ＦＳＦＲ及び車輪接地点ＬＰＦＬ、ＬＰＦＲから上下方向に作用する力ＦＪＦＬ、ＦＪＦＲを分力とする合力になる。なお、この場合、前記ロールセンタ方向力ＦＬＦＬ、ＦＬＦＲのうち、旋回外輪に相当する前左輪ロールセンタ方向力ＦＬＦＬは上向きの成分を有し、旋回内輪に相当する前右輪ロールセンタ方向力ＦＬＦＲは下向きの成分を有するので、前記車輪接地点ＬＰＦＬ、ＬＰＦＲから上下方向に作用する力ＦＪＦＬ、ＦＪＦＲのうち、旋回外輪に相当する前左輪上下方向力ＦＪＦＬは上向き、旋回内輪に相当する前右輪上下方向力ＦＪＦＲは下向きである。

一般に、旋回中の輪荷重は、旋回外輪が大きく、旋回内輪が小さいので、前記横力ＦＳＦＬ、ＦＳＦＲは、この場合、旋回外輪に相当する前左輪横力ＦＳＦＬの方が旋回内輪二相当する前右輪横力ＦＳＦＲより大きい。従って、その分力である車輪接地点ＬＰＦＬ、ＬＰＦＲから上下方向に作用する力ＦＪＦＬ、ＦＪＦＲのうち、旋回外輪に相当する前左輪上下方向力ＦＪＦＬの方が旋回内輪に相当する前右輪上下方向力ＦＪＦＲよりも大きい。前述のように、旋回外輪に相当する前左輪上下方向力ＦＪＦＬは上向き、旋回内輪に相当する前右輪上下方向力ＦＪＦＲは下向きであるから、上向きの前左輪上下方向力ＦＪＦＬから下向きの前右輪上下方向力ＦＪＦＲを差し引いた分が車体８を浮き上げようとするジャッキアップ力になる。なお、車体重心点ＷＰとロールセンタＲＣとの距離がロールモーメントの腕となり、この腕に慣性力ＦＹを乗じた値がロールモーメントとなる。

図３には、旋回中の横加速度と必要な横力総和ΣＦＳ、それを左右輪、つまり旋回内外輪に等分した内外輪等横力ΣＦＳ／２、旋回外輪荷重Ｗｏ、旋回内輪荷重Ｗｉを示す。前述のように横加速度に応じた慣性力と横力総和とは釣り合っていなければならないので、横加速度に対して横力総和ΣＦＳはリニアな関係にある。また、同様に、横加速度の増加と共に慣性力もリニアに増加するので、旋回外輪荷重Ｗｏは横加速度の増加と共にリニアに増加し、旋回内輪荷重Ｗｉは横加速度の増加と共にリニアに減少する。

図４には、或る横加速度で旋回中の旋回外輪横力ＦＳｏ及び旋回内輪横力ＦＳｉとスリップ角との関係を示す。本来、同じタイヤを装着している車輪の横力とスリップ角との関係は同一であるが、旋回中は、輪荷重の大きさが異なるので、横力とスリップ角との関係に相違が生じる。ここでも、輪荷重の大きい旋回外輪横力ＦＳｏは輪荷重の小さい旋回内輪横力ＦＳｉに対して全般的に大きいが、何れもスリップ角が増大すると、一旦、最大横力ＦＳｏ_MAX、ＦＳｉ_MAXまで増大した後、減少に転ずる。

前述のように、車体にジャッキアップ力が作用するのは、旋回外輪横力ＦＳｏ（＝前左輪横力ＦＳＦＬ）が旋回内輪横力ＦＳｉ（＝前右輪横力ＦＳＦＲ）より大きいためであるから、例えば図４のスリップ角を調整することにより、旋回外輪横力ＦＳｏを小さくし、旋回内輪横力ＦＳｉを大きくすることによって、旋回外輪横力ＦＳｏも旋回内輪横力ＦＳｉも前記内外輪等横力ΣＦＳ／２にすることができれば、ジャッキアップ力は“０”となる。更に、旋回内外輪横力の和を前記慣性力ＦＹに維持しておいて、旋回内輪横力ＦＳｉを旋回外輪横力ＦＳｏより大きくすれば、車体を下方に引き下げるジャッキダウンの特性とすることも可能である。

実際の車両をモデルとして、横加速度に対する旋回外輪荷重Ｗｏ、旋回内輪荷重Ｗｉ、旋回外輪横力ＦＳｏ、旋回内輪横力ＦＳｉ、旋回外輪最大横力ＦＳｏ_MAX、旋回内輪最大横力ＦＳｉ_MAX、旋回外輪スリップ角θｏ、旋回内輪スリップ角θｉを計算し、それを図５に示した。前述したように、旋回外輪横力ＦＳｏを小さくし、旋回内輪横力ＦＳｉを大きくすることでジャッキアップ力を調整しようとする際に問題となるのは、旋回内輪横力ＦＳｉが旋回内輪最大横力ＦＳｉ_MAXで飽和することである。即ち、旋回内輪横力ＦＳｉが旋回内輪最大横力ＦＳｉ_MAXで飽和するまでは、旋回外輪横力ＦＳｏと旋回内輪横力ＦＳｉとの和を慣性力ＦＹになるようにしながら、旋回外輪横力ＦＳｏを小さくし、且つ旋回内輪横力ＦＳｉを大きくすることでジャッキアップ力を小さくすることが可能となる。具体的には、旋回外輪スリップ角θｏを小さくし、且つ旋回内輪スリップ角θｉを大きくすることになるので、何れもトーアウト側にトー角を調整すればよい。その結果、例えば図５における内外輪等横力ΣＦＳ／２と旋回内輪最大横力ＦＳｉ_MAXとの交点を飽和点ＳＰとしたとき、この飽和点ＳＰに向けて旋回外輪横力ＦＳｏが小さくなると共に旋回内輪横力ＦＳｉが大きくなって、ジャッキアップ力が小さくなる。

これに対し、前記飽和点ＳＰ以上に旋回内輪スリップ角θｉを大きくしても、旋回内輪横力ＦＳｉが大きくなることはなく、むしろ減少する。従って、この飽和点ＳＰ以上の領域では、旋回内輪のスリップ角θｉを保持して旋回外輪のスリップ角θｏを大きくするか、或いは旋回外輪のスリップ角θｏを保持して旋回内輪のスリップ角θｉを小さくすることにより、次第に旋回外輪横力ＦＳｏの分担比を旋回内輪横力ＦＳｉのそれに比べて大きくすることで、横加速度の増大に伴う慣性力ＦＹの増大に均衡させる。

この旋回内外輪スリップ角制御、即ち旋回内外輪のトー角制御の一例を図６にまとめる。即ち、前記旋回内輪横力ＦＳｉが旋回内輪最大横力ＦＳｉ_MAXまで増加する飽和点ＳＰまでは旋回外輪横力ＦＳｏを小さくして内外輪等横力ΣＦＳ／２に一致させると共に、旋回外輪横力ＦＳｉを大きくして内外輪等横力ΣＦＳ／２に一致させる。すると、旋回外輪横力ＦＳｏと旋回内輪横力ＦＳｉとは同じ大きさになるので、それらの分力である旋回外輪上下方向力ＦＪｏと旋回内輪上下方向力ＦＪｉとは大きさが同じで向きが逆な力となるため、車体に対するジャッキアップ力は“０”となる。この際、旋回外輪スリップ角θｏは車体スリップ角θｃよりも小さく、旋回内輪スリップ角θｉは車体スリップ角θｃよりも大きくする必要があり、そのようにするためには、旋回外輪のトー角も旋回内輪のトー角もトーアウト側に制御すればよい。

一方、前記飽和点ＳＰを過ぎて、旋回内輪横力ＦＳｉが旋回内輪最大横力ＦＳｉ_MAXから減少する領域では、旋回内輪スリップ角θｉを保持すると共に旋回外輪スリップ角θｏを次第に大きくして旋回外輪横力ＦＳｏを大きくする。横加速度の増大と共に増大する車体スリップ角θｃに対して、旋回内輪スリップ角θｉを前記飽和点ＳＰの値に保持するためには旋回内輪のトー角をトーイン側に制御する必要があり、そのようにすると、結果的に旋回内輪横力ＦＳｉは減少する。また、旋回外輪スリップ角θｏを多くするためにも、旋回外輪のトー角をトーイン側に制御する必要がある。

以上は、ロールセンタＲＣが車両横（幅）方向中央に位置し続けることを前提に説明したが、一般的にはサスペンションのストロークに伴って、ロールセンタＲＣの位置も変化する。図７は、慣性力ＦＹによって旋回外輪である前左輪１ＦＬが上方向に移動し（車体８が下がる）、相対的に旋回内輪である前右輪１ＦＬが下方向に移動し（車体８が上がる）た状態を示している。すると、接地点回転中心ＳＰＦＬ、ＳＰＦＲの位置が変化するので、それと接地点ＬＰＦＬ、ＬＰＦＲとを結ぶ線の交点からなるロールセンタＲＣの位置も変わる。このとき、例えば前左輪１ＦＬの接地点ＬＰＦＬと接地点回転中心ＳＰＦＬとを結ぶ線、即ち前記ロールセンタ方向力ＦＬＦＬと地上とのなす角度をαＦＬ（＝旋回外輪ロールセンタ角度αｏ）とすると、当該接地点ＬＰＦＬからの上下方向力ＦＪＦＬ（＝旋回外輪上下方向力ＦＪｏ）は、ｔａｎαＦＬ・ＦＳＦＬ（＝ｔａｎαｏ・ＦＳｏ）となる。同様に、前右輪１ＦＲの接地点ＬＰＦＲと接地点回転中心ＳＰＦＲとを結ぶ線、即ち前記ロールセンタ方向力ＦＬＦＲと地上とのなす角度をαＦＲ（＝旋回内輪ロールセンタ角αｉ）とすると、当該接地点ＬＰＦＲからの上下方向力ＦＪＦＲ（＝旋回内輪上下方向力ＦＪｉ）は、ｔａｎαＦＲ・ＦＳＦＲ（＝ｔａｎαｉ・ＦＳｉ）となる。前記ロールセンタ方向角αｏ、αｉは、サスペンションストローク等からも算出することができるが、車両旋回時のサスペンションストロークは横加速度に依存するので、横加速度を検出してロールセンタ方向角αｏ、αｉを求めるようにしてもよい。

図８は、ジャッキアップ力を低減するように車輪のトー角を制御した場合の車体重心高の横加速度に対する変化を、図９は、同じく車体ロール角の横加速度に対する変化を示し、何れも図中の曲線ａがトー角を制御しない場合、曲線ｂ、ｃはジャッキアップ力を低減するように制御した場合であり、曲線ｃの方が曲線ｂよいも制御量が大きい、つまり旋回内輪の横力の分担が増えるようにトー角を制御したものである。同図から明らかなように、ジャッキアップ力を低減するように車輪のトー角を制御することにより、車体重心点の浮き上がりを抑制防止できるどころか、車体重心点をやや沈み込むようにすることもできる。更に、車体重心点の浮き上がりを抑制防止することにより、ロールセンタとの距離の変動が小さくなるので、車体ロール角まで小さくすることが可能となる。

このように本実施形態の車両用トー角制御装置によれば、旋回中の横加速度が小さい所定の領域、つまり車輪スリップ角によって車輪横力が飽和しない領域で、旋回内輪の横力を増大し且つ旋回外輪の横力を減少するように左右の車輪のトー角を制御する構成としたため、車体に作用するジャッキアップ力を小さくして車体重心点の浮き上がりを抑制防止することができ、その結果、ロールセンタ高を高くしてロールモーメントを低減することが可能となる。

また、旋回内外輪のスリップ角が小さく、且つ旋回内外輪の発生する横力が夫々のスリップ角の増大に伴って最大横力まで増大する領域において、旋回内外輪のトー角をトーアウト側に制御する構成としたため、車体に作用するジャッキアップ力を確実に小さくすることができる。
また、旋回内外輪のスリップ角が大きく、且つ旋回内外輪の発生する横力が夫々のスリップ角の増大に伴って最大横力から減少する領域では、旋回内輪のスリップ角を保持し且つ旋回外輪のスリップ角を増大するか又は旋回内輪のスリップ角を減少し且つ旋回外輪のスリップ角を保持するように夫々のトー角を制御する構成としたため、スリップ角が大きい、即ち横加速度の大きい領域でも、車体に作用するジャッキアップ力を可及的に小さくすることができる。

本発明の車両用トー角制御装置の一実施形態を示す斜視図である。旋回時、車両に作用する力を概念的に示した車両背面図である。旋回中の横加速度と輪荷重、横力の関係を示す説明図である。旋回時、旋回内外輪におけるスリップ角を横力との関係を示す説明図である。実際の車両をモデルとして求めた横加速度と輪荷重、横力、スリップ角の関係を示す説明図である。図１のトー角制御装置で行われるスリップ角及びトー角制御の説明図である。旋回時、車両に作用する力を概念的に示した車両背面図である。図１の車両用トー角制御装置による作用の説明図である。図１の車両用トー角制御装置による作用の説明図である。

符号の説明

１ＦＬ、１ＦＲは前左右輪（車輪
２はステアリングホイール
３はサスペンションメンバ
４ＦＬ、４ＦＲはハブナックル
５ＦＬ、５ＦＲはアクチュエータ
６ＦＬ、６ＦＲはタイロッド
７はコントロールユニット（制御手段）

Claims

左右の車輪のトー角を個別に調整可能なトー角調整手段と、前記トー角調整手段に対し、左右の車輪のトー角を個別に制御するための制御信号を出力する制御手段とを備え、前記制御手段は、旋回中において、車輪が発生する横力がスリップ角の増大に伴って飽和するまでの横加速度が小さい領域で、旋回内輪の横力を増大し且つ旋回外輪の横力を減少するように前記左右の車輪のトー角を制御することを特徴とする車両用トー角制御装置。
スリップ角に対して発生する旋回内外輪の横力は、当該スリップ角の増大に伴って、横加速度に応じた最大横力まで増大してから減少するものであり、前記旋回中において、車輪が発生する横力がスリップ角の増大に伴って飽和するまでの横加速度が小さい領域は、旋回内外輪のスリップ角が小さく、且つ旋回内外輪の発生する横力が夫々のスリップ角の増大に伴って最大横力まで増大する領域とし、前記制御手段は、前記旋回中において、車輪が発生する横力がスリップ角の増大に伴って飽和するまでの横加速度が小さい領域で、旋回内外輪のトー角をトーアウト側に制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用トー角制御装置。
前記制御手段は、旋回内外輪のスリップ角が大きく、且つ旋回内外輪の発生する横力が夫々のスリップ角の増大に伴って最大横力から減少する領域で、旋回内輪のスリップ角を保持し且つ旋回外輪のスリップ角を増大するか又は旋回内輪のスリップ角を減少し且つ旋回外輪のスリップ角を保持するように夫々のトー角を制御することを特徴とする請求項２に記載の車両用トー角制御装置。