JP4643490B2 - 車両用サスペンション装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用サスペンション装置にかかり、特に、ロール運動（ロール）とピッチ運動(ピッチ）との複合した運動を最適化することによりロール感及び車両挙動の認識性を向上させた車両用サスペンション装置に関する。

従来の車両用懸架装置（サスペンション装置）において、車両の旋回運動が検出された場合に、前輪ホイールキャリアの瞬間回転中心を後方または上方に移動するか、または後輪ホイールキャリアの瞬間回転中心を前方または上方に移動することにより、旋回中のコーナリング抵抗によるピッチモーメントレバーを短くして旋回中の車体ピッチ運動を抑制防止する技術が知られている（特許文献１）。この技術では、車体ピッチ運動を抑制防止することにより、車両の姿勢変化を防止することを目的としている。
特開２００５−５３３５６号公報

車両運動は、操舵入力により旋回運動が開始され、車両にロール運動が発生し、ロール運動によるサスペンションの伸縮による前後車軸を押し上げる力によってピッチモーメントが発生し、このピッチモーメントによってピッチ運動が発生する。このため、ロール運動とピッチ運動とを複合させた運動を最適化することによりロール感及び車両挙動の認識性が向上する。

しかしながら、上記従来の技術では、ロール運動とピッチ運動とを複合させた運動を最適化させるのではなく、車体ピッチ運動の抑制防止を行っているため、ロール感及び車両挙動の認識性を向上させることが困難であり、ドライバの運転負担を軽減することが困難である、という問題があった。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたもので、ロール運動とピッチ運動とを複合した運動の位相を最適にすることにより、ドライバの運転負担を軽減させた車両用サスペンション装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の車両用サスペンション装置は、前輪側部材と車体側部材との間に配置され、かつ伸び側の減衰力が縮み側の減衰力より大きくなるように減衰特性が設定された前輪側アブソーバ、及び後輪側部材と前記車体側部材との間に配置され、かつ伸び側の減衰力が縮み側の減衰力より大きくなるように減衰特性が設定された後輪側アブソーバを備えた車両用サスペンション装置であって、ロールが発生した場合に、ロールの周期とピッチの周期との位相差が１／４周期以内の値になるように前記前輪側アブソーバ及び前記後輪側アブソーバの減衰特性を設定したものである。

ドライバは車両の挙動を常に認知し、運転を行っているので、操舵に対する車両挙動がドライバに対して違和感無く発生し、認知できることが運転負荷を軽減するために望ましいことである。旋回時等では、ロール運動によるアブソーバ（前輪側アブソーバ及び後輪側アブソーバ）の変位速度に応じて減衰力が発生し、伸び側の減衰力と縮み側の減衰力との差に応じて車軸を押し下げる力が発生する。また、前後輪の減衰力差によりピッチモーメントが発生するので、旋回時等では、車両にロール運動とピッチ運動とが複合した運動が発生する。これらの左右、前後の減衰力差を適切に設定することによりロール角に対するピッチ角のゲイン特性を設定することができ、また、ロールレートとアブソーバ変位速度とを適切に設定することによりロール角に対するピッチ角の位相差を設定することができ、これらの運動の位相を最適に設定または制御することによりロール感覚が向上し、車両挙動が認識し易くなる。

本発明によれば、ロールの周期とピッチの周期との位相差が１／４周期以内の値になるように前輪側アブソーバ及び後輪側アブソーバの減衰特性を設定したので、ロール運動とピッチ運動とを複合した運動の位相が最適になり、過渡的な運動でのロール運動とピッチ運動との一体感のある車両挙動を実現することができ、ドライバの運転負担を軽減することができる。

ロール運動とピッチ運動とを複合した運動の位相を最適にするには、ロールが発生した場合に、前輪側アブソーバの伸び側の減衰力と縮み側の減衰力との差が後輪側アブソーバの伸び側の減衰力と縮み側の減衰力との差よりも大きくなるように設定するようにしてもよい。

なお、本発明においては、減衰特性の許容範囲を揺動感受特性に基づいて設定することにより、一般ユーザに違和感なく受け入れ易い特性を実現することができる。

また、本発明においては、操舵時のロールに関する快適性が重要となる運動領域、例えば、横加速度が０．２Ｇ（ただし、Ｇは重力加速度を表わす）または０．２Ｇを含む所定範囲内となる運動領域において、サスペンションストローク速度に対する前輪側アブソーバ及び後輪側アブソーバの減衰係数を、縮み側から伸び側に線形的に増加させるか、または該線形的な特性をステップ的に近似させた特性で増加させると効果的である。

以上説明したように本発明によれば、ロール運動とピッチ運動とを複合した運動の位相を最適にすることができるので、ロール感覚が向上し、車両挙動が認識し易くなり、ドライバの運転負担を軽減することができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

一般に車両用サスペンション装置のアブソーバ（前輪側アブソーバ及び後輪側アブソーバ）、すなわち減衰力特性を与えるショックアブソーバは、車両が段差等に乗り上げた時の乗り心地と振動減衰性とを両立させるために、図１に示すような伸び側と縮み側で異なる減衰力特性を有しており、同じ大きさのサスペンションストローク速度に対して伸び側の減衰力が縮み側の減衰力より大きくなるように設定されている。このため、操舵時にロール角速度が発生すると左右輪のうち、伸び側の輪の減衰力が縮み側の輪の減衰力に比べて大きくなる結果、図２に示すように、車軸に車軸を押し下げる力となって作用する。この車軸を押し下げる力が前後軸で異なる場合、すなわち、前後軸で減衰力特性が異なるアブソーバを用いた場合、前後軸を押し下げる力のアンバランスでピッチ運動が生じる。

ここで、伸び側の減衰力と縮み側の減衰力との差、すなわち車軸を押し下げる力をロール角速度ｐの関数としてｆ_ｆ（ｐ），ｆ_ｒ（ｐ）で表わすと、図１に示す一般的な減衰力特性を有するアブソーバの場合、下記（１）式及び（２）式で記述することができる。

ただし、添え宇のｆ，ｒはそれぞれ前軸、後軸を表しており、ｃ_ｆ，ｃ_ｒはそれぞれ、前後輪の伸び側と縮み側とのロール角速度に対する減衰係数の差を表している。

また、ロール運動発生時のピッチ運動は、以下の（３）式の運動方程式によって近似することができる。

ただし、ｑ：ピッチ角速度、θ：ピッチ角、Ｉ_θ：ピッチ慣性モーメント、ｋ：ピッチ剛性、ｃ：ピッチ減衰係数、ｌ_ｆ：前軸から重心までの距離、ｌ_ｒ：後軸から重心までの距離である。

ところで、レーンチェンジを想定したサイン操舵時のピッチ角の特性は、操舵に対する車両挙動が違和感無く発生するためには、ロール角速度が０となるロール角最大時にピッチ角が最大（前傾方向を正とする）になることが望まれる。このことは、逆に、ロール角速度が最大の状態、すなわちロール角が０のときに、ピッチ角が最小となることが望まれていることを表わしている。また、同期入力時のピッチモーメント（角加速度）とピッチ角との間には、双方が逆位相となる性質があることから、ピッチ角を最小とするためには、ピッチモーメントに相当する以下の（４）式で表わされる上記（３）式の入力項が最大（正の最大値）となることが望まれていることを表している。

上記（４）式のｆ_ｆ（ｐ），ｆ_ｒ（ｐ）は共に正であることを勘案すると、以下の（５）式が成り立つ。

通常、前軸から重心までの距離ｌ_ｆと後軸から重心までの距離ｌ_ｒとは略同一であるので、上記（５）式から、前輪の伸び側の減衰力と縮み側の減衰力との差（前輪の車軸を押し下げる力）が、後輪の伸び側の減衰力と縮み側の減衰力との差（後輪の車軸を押し下げる力）よりも大きくなる特性が得られるようにアブソーバの減衰特性を設定すれば、ロール角が最大のときにピッチ角が最大となる減衰特性が得られることが理解できる。

この特性は、例えば、操舵時等のロールが発生したときに、前後輪の伸び側の減衰力が同じになり、かつ前輪の縮み側減衰力が後輪の縮み側減衰力に比較して小さくなるように設定することによって実現できる。また、操舵時等のロールが発生したときに、前後輪の縮み側の減衰力が同じになり、かつ前輪の伸び側減衰力が後輪の伸び側減衰力に比較して大きくなるように設定することによっても実現できる。なお、この場合においても、図１に示した一般的な減衰力特性は有している。

次に、サイン操舵によってロール角速度ｐが次の（６）式のように発生する状態を考える。

ただし、ａ、ｂは定数、ｔは時間である。このとき図１のような一般的な減衰力特性のサスペンションでは、軸を押し下げる力は、次の（７）式で表わされ、図３に示すようにロール角速度が最大及び最小となる点（ロール角が０）で最大値になる。

この軸を押し下げる力は、概ねロール運動の１／２周期となっているが、減衰力特性の設定によって破線で示すようなより厳密な１／２周期の特性が実現できれば、ピッチ運動もヒステリシスを生じることなくロール運動の１／２周期の特性に近づけることができ、すっきりとしたロール感（操舵時に発生するロール等のボディの動きの官能評価）を実現することができる。図３の破線で示した所定の軸押し下げ力特性は、以下の（８）式で記述することができる。

この軸押し下げ力特性は、図４（ａ）で示されるロール角速度に対する一般的な減衰係数の特性を図４（ｂ）に示すロール角速度に対する減衰係数の特性のように修正することで実現できる。図４（ｂ）の特性では、サスペンションストローク速度に対するアブソーバ減衰係数を、縮み側から伸び側に線形的に増加させている。

なお、図４（ｂ）におけるａは、操舵のロールに関する快適性が重要となる運動領域、すなわち、ロール感評価で重要となる０．２Ｇ程度の横加速度が生じる操舵を行った運動領域の最大ロール角速度の大きさに設定することが望まれるが、最大ロール角速度より小さい値に設定しても図４（ａ）の一般的な減衰係数の特性に比較すればロール感の改善効果は期待できる。また、図４（ｃ）に示すように、ステップ的に多段階に変化する特性で、図４（ｂ）に示す線形的な特性を近似的に実現してもよい。

また、図４（ｂ）の特性は、減衰力特性として表現すると、図５のように表現できる。すなわち、ロール角速度が−ａ以下の伸び側の領域では、傾きが伸び側の減衰係数となり、ロール角速度がａ以上の縮み側の領域では、傾きが縮み側の減衰係数となる線分で表わされるとともに、ロール角速度が−ａからａの区間では各線分の端点で接するような上に凸の２次関数で記述される特性となる。すなわち、伸び側の減衰力特性の減衰係数と縮み側の減衰力特性の減衰係数を線形補間する値に設定することによりロールとピッチの複合した運動を設定することができる。

ところで、上記で説明したように前輪の伸び側の減衰力と縮み側の減衰力との差が後輪の伸び側の減衰力と縮み側の減衰力との差よりも大きくするためには、例えば、図５に示すように、後輪の縮み側減衰力が前輪の縮み側減衰力と比較して大きくなるように予め設定することによって実現できる。なお、ここでは、ロール角速度を横軸に記述したが、ロール角速度に代えてロール角速度に応じて生じるサスペンションストローク速度を用いで記述しても同様の特性が得られる。

アブソーバの車体側部材への取り付けは、ゴムブッシュ等の弾性体等を介して行われ、またアブソーバ内の摩擦等により、アブソーバの作動速度はロール角速度に対し遅れ等が発生する。この遅れは等価的に、例えば下記（９）式及び（１０）式のＧｆ、Ｇｒに示すように、一次遅れの特性で表すことができ、時定数の設定により前述の車軸押し下げ力に位相特性が付加され、図６のリサージュ波形に示すようなロール角に対するピッチ角の位相遅れが発生する。

図６のような位相差の増加により乗員はロール角の最大値とピッチ角の最大値との対応がずれているため、ロール感の低下を感ずる。位相差０の場合は、ロール角とピッチ角との対応が取れているため、良いロール感が得られる。一方、位相差π／ｂは、悪い感覚になる。

乗員はこれらの位相差をロール運動、及びピッチの運動から視覚や体感により認識し、弁別している。図７は、実際に測定した位相差に関する動揺感受特性を示している。図に示す例では、評価者は位相差０〜π／（２ｂ）、すなわち位相差０〜１／４周期の場合を、視覚や体感により位相差０と認識している。この測定結果から、ロールが発生した場合に、ロールの周期とピッチの周期との位相差が１／４周期以内の値になるように設定すれば良いことが理解できる。従って、この領域に入るような車軸押し下げ力の特性をＧｆ、Ｇｒの時定数等が得られるように設定するか、または車体側部材と車輪側部材との間に減衰力可変ショックアブソーバを取り付けて、減衰力をアクティブ制御することにより、望ましいロール感が得られる。

車軸押し下げ力を予め設定するには、例えば、ショックアブソーバ取り付け部のゴムブッシュ等の弾性体の弾性係数及び粘性等の特性設定、及びショックアブソーバ内部の摩擦力特性の少なくとも一方を適切に設定することにより行う。この設定によって、一次遅れの特性Ｇｆ、Ｇｒの時定数と等価的な設定を行うことができる。

上記のＧｆ、Ｇｒでは一次遅れの特性としたが、進み要素を付加することにより（４）式及び（５）式で示した望ましい前後軸の減衰力特性配分に設定できない場合でのピッチ角の補償も可能になる。

以上のことから、ロールの周期とピッチの周期との位相差を、位相遅れが生じていない状態を基準とし、ピッチの周期の１／４周期進みからピッチの周期の１／４周期遅れの範囲になるように減衰力を設定すればよい。

また、アクティブに減衰力を制御できるサスペンションでは、このような制御特性を付加することによりロール感を向上させることができる。

上記の原理に基づいた本発明の実施の形態について説明する。まず、車軸押し下げ力を予め設定する本発明の第１の実施の形態を、図８を参照して説明する。図に示すように、左右前輪ＦＬ、ＦＲ側の部材と車体１０側との間、及び、左右後輪ＲＬ、ＲＲ側の部材と車体１０側との間には、各々サスペンション装置を構成するショックアブソーバ１２ＦＬ、１２ＦＲ、１２ＲＬ、１２ＲＲがゴムブッシュ等の弾性体等を介して取り付けられている。なお、図では、右前輪ＦＲ及び右後輪ＲＲは、図示を省略した。

ショックアブソーバ１２ＦＬ、１２ＦＲ、１２ＲＬ、１２ＲＲの取り付け部のゴムブッシュの弾性係数及び粘性等の特性は、上記で説明したように、前輪の伸び側の減衰力と縮み側の減衰力との差が後輪の伸び側の減衰力と縮み側の減衰力との差よりも大きくなり、かつロール運動の周期とピッチ運動の周期との位相差が１／４周期以内の値になるように設定されている。なお、ショックアブソーバ内部の摩擦力特性、またはゴムブッシュの弾性係数及び粘性等の特性及びショックアブソーバ内部の摩擦力特性の両方を適切に設定することにより行い、Ｇｆ、Ｇｒの等価的な時定数が得られるようにしてもよい。

次に、車軸押し下げ力をアクティブに制御する本発明の第２の実施の形態を、図９を参照して説明する。本実施の形態は、上記図５に示す特性が、ロール感が求められる操舵時のみ、すなわちロールが発生した場合のみ実現されるように、減衰力をアクティブに制御するようにしたものである。この場合、ロール感が求められる操舵時のみ図５の特性が実現されるため、乗り心地や振動減衰を損なうことなく、高いロ−ル感を実現することができる。

本実施の形態では、上記の実施の形態のショックアブソーバに代えて、減衰力が可変な減衰力可変ショックアブソーバ１４ＦＬ、１４ＦＲ、１４ＲＬ、１４ＲＲが取り付けられている。

本実施の形態の減衰力可変ショックアブソーバは、従来公知のものが使用されている。構造を簡単に説明すると、この減衰力可変ショックアブソーバは、外筒と内筒とで構成されたシリンダチューブを有するツインチューブ式ガス入りストラッド型アブソーバで構成され、内筒内に摺動可能に収納されたピストンによって内筒が上圧力室と下圧力室とに区画されている。ピストンには、伸び側油流路、縮み側油流路が形成されており、縮み側油流路にはステッピングモータによってピストンに対して相対回転され、ピストンとの間に形成された各オリフィスの開口を調整するための弁体が設けられている。この減衰力可変ショックアブソーバによれば、ステッピングモータを回転させて弁体とピストンとの間に形成された各オリフィスの開口面積を調整することにより、減衰力特性を設定することができる。

減衰力可変ショックアブソーバ１４ＦＬ、１４ＦＲ、１４ＲＬ、１４ＲＲに設けられたステピングモータは、マイクロコンピュータ等で構成された制御回路１６に接続されている。この制御回路１６には、車速を検出する車速センサ１８が接続されている。

制御回路１６には、上記で説明した減衰力特性を得るためのステップモータの回転角のデータ及び減衰力特性を設定するための制御ルーチンのプログラムが予め記憶されている。制御回路では、予め記憶された制御ルーチンに従って、ロールが発生する角度以上の車速が検出されたときに、予め記憶されたステピングモータの回転角のデータを取り込み、上記で説明した減衰特性が得られるようにステッピングモータを制御する。

なお、車速を検出するのに代えて、サスペンションの変位速度を検出し、速度が所定値以上になったときに上記で説明した減衰特性が得られるようにステッピングモータを制御するようにしてもよい。

ショックアブソーバの一般的な減衰力特性を示す線図である。 一般的な減衰力特性のショックアブソーバを備えた車両のロール角速度発生時の車軸の運動を示す概略図である。 ロール角速度と車軸押下げ力との関係を示す線図である。 車軸押し下げ特性を改善するための減衰係数の設定を説明するための図であり、（ａ）は一般的な減衰係数を示す線図、（ｂ）は改良した減衰係数を示す線図である。 （ａ）は前輪の減衰力特性を示す線図、（ｂ）は後輪の減衰力特性を示す線図である。 ロール角に対するピッチ角の位相特性の変化を示す線図である。 ロール角に対するピッチ角の位相差に関する動揺感受特性を示す線図である。 本発明の第１の実施の形態を適用した車両の概略図である。 本発明の第２の実施の形態のブロック図である。

符号の説明

１２ＦＬ〜１２ＲＲ ショックアブソーバ
１４ＦＬ〜１４ＲＲ ショックアブソーバ
１６ 制御回路
１８ 車速センサ

Claims (7)

1. 前輪側部材と車体側部材との間に配置され、かつ伸び側の減衰力が縮み側の減衰力より大きくなるように減衰特性が設定された前輪側アブソーバ、及び後輪側部材と前記車体側部材との間に配置され、かつ伸び側の減衰力が縮み側の減衰力より大きくなるように減衰特性が設定された後輪側アブソーバを備えた車両用サスペンション装置であって、
   ロールが発生した場合に、ロールの周期とピッチの周期との位相差が１／４周期以内の値になるように前記前輪側アブソーバ及び前記後輪側アブソーバの減衰特性を設定した車両用サスペンション装置。
2. 前輪側部材と車体側部材との間に配置され、かつ伸び側の減衰力が縮み側の減衰力より大きくなるように減衰特性が設定された前輪側アブソーバ、及び後輪側部材と前記車体側部材との間に配置され、かつ伸び側の減衰力が縮み側の減衰力より大きくなるように減衰特性が設定された後輪側アブソーバを備えた車両用サスペンション装置であって、
   ロールが発生した場合に、前記前輪側アブソーバの伸び側の減衰力と縮み側の減衰力との差が前記後輪側アブソーバの伸び側の減衰力と縮み側の減衰力との差よりも大きくなるように設定した車両用サスペンション装置。
3. 後輪側アブソーバの縮み側減衰力を前記前輪側アブソーバの縮み側減衰力より大きくなるように設定した請求項２記載の車両用サスペンション装置。
4. 伸び側の減衰力特性の減衰係数と縮み側の減衰力特性の減衰係数とを線形補間する値に設定することによりロールとピッチの複合した運動を設定する請求項２または請求項３記載の車両用サスペンション装置。
5. ロールの周期とピッチの周期との位相差を、位相遅れが生じていない状態を基準とし、ピッチの周期の１／４周期進みからピッチの周期の１／４周期遅れの範囲になるように減衰力を設定した請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の車両用サスペンション装置。
6. ロールの周期とピッチの周期との位相差を、位相遅れが生じていない状態を基準とし、ピッチの周期の１／４周期進みからピッチの周期の１／４周期遅れの範囲になるように前輪側アブソーバ及び後輪側アブソーバを取り付ける取り付けブッシュの剛性及び前輪側アブソーバ及び後輪側アブソーバの摩擦力の少なくとも一方を設定した請求項１〜請求項４記載の車両用サスペンション装置。
7. 操舵時のロールに関する快適性が重要となる運動領域において、サスペンションストローク速度に対する前輪側アブソーバ及び後輪側アブソーバの減衰係数を、縮み側から伸び側に線形的に増加させるか、または該線形的な特性をステップ的に近似させた特性で増加させた請求項１〜請求項６のいずれか１項記載のサスペンション装置。