JP4894221B2 - 車高調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、車高制御が可能な車高調整装置に関する。

車両の車高を制御可能なサスペンションとして、空気バネを用いたエアサスペンションは既に実用化されている（下記［特許文献１］）。このようなエアサスペンションでは、空気室内部の空気圧を制御することで、空気バネのバネ定数を制御することができる。また、空気室内部の容積（空気圧）を制御することで、車両の車高を制御することも可能となる。
特開平５−２７０２３８号公報

しかし、車高を高くした場合には重心が上がりロール剛性が低下する傾向となる。ロール剛性が低下すると、ロール共振周波数が下がってステアリング共振周波数やヨー共振周波数に近づき、ロール振動とステアリング振動・ヨー振動との連成振動が発生しやすくなり、車両操安性が低下する（車両ダンピングが低下する）ことが懸念される。従って、本発明の目的は、車高調整制御を行った場合でも、車両操安性を確保し得る車両挙動制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の車高調整装置は、車高を制御する車高制御手段と、車両の旋回状態を判定する旋回状態判定手段と、ステアリング操舵系の減衰係数及びパワーステアリングのアシスト力を含むステアリング特性を可変制御可能なステアリング特性可変制御手段とを備え、ステアリング特性可変制御手段は、旋回状態判定手段によって非旋回状態にあると判定され、車高制御手段による車高制御によって車高が低くされたときより高くされたときに、アシスト力を減少させると共に減衰係数を大きくしてステアリング操舵系の減衰比を大きくし、旋回状態判定手段によって旋回状態にあると判定され、車高制御手段による車高制御によって車高が低くされたときより高くされたときに、減衰係数のみを大きくして減衰比を大きくし、アシスト力は通常制御とすることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の車高調整装置において、車高制御手段が、空気バネを用いたエアサスペンションの空気バネを制御して車高調整を行うものであることを特徴としている。

本発明の車高調整装置によれば、車高が高くなって重心位置が上がってロール剛性が低下するとロール共振周波数が低下する。ロール共振周波数が低下すると、これよりも低い周波数帯域にあるステアリング共振周波数やヨー共振周波数と連成振動を生じやすくなるため、ステアリング操舵系の減衰特性の減衰比を大きくすることで、ロール振動とステアリング振動やヨー振動との連成振動を抑止して車両操安性を向上させる。

特に、車高調整手段がエアサスペンションであると、車高を上げることでバネ定数も低下し、これに伴ってロール剛性が下がってロール共振周波数が下がる。このため、重心位置の関係だけでなくバネ定数の面からも上述した連成振動が生じやすくなるため、ステアリング操舵系の減衰特性の減衰比を大きくすることで連成振動を抑止することはより効果的になる。

ここで、車高が低いときより高いとき、減衰比を大きくして減衰力を大きくすることで、ステアリング系の減衰を高めて連成振動を効果的に抑止できる。一方、車高が低いときより高いとき、パワーステアリングアシスト特性のアシスト力を減少させることでも、結果としてステアリング系の減衰を高めて連成振動を効果的に抑止できる。

あるいは、車高が低いときより高いとき、非旋回（直進）状態では、減衰比を大きくして減衰力を大きくすると共にパワーステアリングアシスト特性のアシスト力を減少させ、旋回状態では、減衰比のみを大きく（パワーステアリングアシスト特性は通常制御）して減衰力を大きくすることが好ましい。非旋回（直進）時には、操舵アシストの必要がないため、ステアリング系の減衰特性（減衰比大）とアシスト特性（アシスト力減）の双方から連成振動を抑制し、旋回時には、減衰特性（減衰比大）のみで連成振動を抑制することがバランス上好ましい。なお、非旋回時のロールは、路面の凹凸などで生じ得る。

以下、図面を参照しつつ本発明の車高調整装置の一実施形態について説明する。図１に、本実施形態の車高調整装置を搭載した車両構成図を示す。車両１は、四つの車輪ＦＲ，ＦＬ，ＲＲ，ＲＬを備えている。そして、前輪ＦＲ，ＦＬは操舵輪であり、ステアリングギアボックス２と各前輪ＦＲ，ＦＬのハブキャリア３とが接続されている。ギアボックス２内には、ラックバー２ａが内蔵されており、ラックバー２ａの両端が、タイロッド２ｂを介して上述したハブキャリア３に接続されている。

ギアボックス２には、ステアリングコラム（図示せず）内のステアリングシャフト４が挿入されている。ステアリングシャフト４先端のピニオンギアがラックバー２ａのラックと噛み合っており、いわゆるラックアンドピニオン２ｃを構成している。ステアリングシャフト４の他端には、ステアリングホイール５が取り付けられている。また、ステアリングシャフト４には、ステアリングシャフト４の回転角（操舵角）を検出する操舵角センサ６や、ステアリングシャフト４に加わるトルクを検出するステアリングトルクセンサ７も取り付けられている。

本実施形態の電動式パワーステアリング機構は、ステアリングシャフト４に回転力を付与するモータ８を備えており、モータ８の制御量を制御することで、ステアリング系にパワーステアリングのアシスト力や、ステアリング系の振動を減衰させるダンピングトルクを付加させることができる。また、ステアリングギアボックス２内には、ラックバー２ａのストローク量を検出するストロークセンサ２ｄも内蔵されている。

また、本実施形態の車両１は、全ての車輪ＦＲ，ＦＬ，ＲＲ，ＲＬにエアサスペンションユニット９が取り付けられている。エアサスペンションユニット９としては、従来の公知のユニットである。このため、その詳しい構造についての説明はここでは省略するが、各エアサスペンションユニット９は、通常のショックアブソーバとコイルスプリングからなるサスペンションユニットのコイルスプリングを、空気室を有する空気バネに変えたものである。本実施形態の各エアサスペンションユニット９には、サスペンションストローク量を検出するストロークセンサも内蔵されている。

さらに、各車輪ＦＲ，ＦＬ，ＲＲ，ＲＬには、車輪速センサ１０が取り付けられている。上述したセンサ類２ｄ，６，７，９やアクチュエータ類８，９は、車両挙動を統合的に制御するＥＣＵ１１に接続されている。ＥＣＵ１１は、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭ、入出力部などからなる電子制御ユニットである。ＥＣＵ１１は、各センサからの出力を受けるとともに、各アクチュエータに制御信号を送出する。

また、本実施形態のエアサスペンションは、各エアサスペンションユニット９の空気室内の体積（圧力）を制御することで車高を一定の高さに維持する車高維持機能を備えている。車高は、ドライバ席周辺に配置されたスイッチによって、低い位置と高い位置とを選択的に設定出来るようになっている。あるいは、車両に搭載した上下加速度センサやサスペンションストロークセンサなどから路面の状態（凹凸状態など）を検出して、車高を自動的に上下制御するようであっても良い。

さらに、この車高維持機能には、乗員の乗車位置や荷物の積載状態によって、車両がピッチ方向に傾くのを水平に維持する機能も含まれている。エアサスペンションユニット９のバネ定数Ｋａは、以下の式によって得られる。Ｋａ＝Ａ^２×Ｐ／Ｖ。ここで、Ａは受圧面積、Ｐは空気室内圧力、Ｖは空気室内体積である。即ち、体積Ｖ一定（車高一定）として内圧Ｐが上昇すると、バネ定数Ｋａは増加する（ロール剛性は増加する）。

ここで、車両のロール共振周波数は、（Ｋａ／ｍ）^１／２で表される。ｍはバネ上重量である。車高を上昇させると、サスペンションで支える重量は変化しないため上述した圧力Ｐは変化せず、体積Ｖのみが増加することとなる。この結果、バネ定数Ｋａは小さくなり（ロール剛性が低下し）、これに伴ってロール共振周波数も低下する。換言すれば、車高調整制御によって車高を上昇させると、ロール共振周波数は低下してヨー共振周波数（ステアリング共振周波数にも）に近づいて連成振動が発生しやすくなる。

次に、パワーステアリング機構に関して、簡単に説明しておく。モータ８によって、ドライバのステアリング操作力を低減するアシストトルクをステアリング系に付与するのがパワーステアリング機構であるが、モータ８には、ステアリング振動を低減するためのダンピングトルクも付与する役割がある。ここでは、ステアリングトルクセンサ７によって検出した操舵トルク及び車輪速センサ１０によって検出される車速に基づいて、アシストトルク量を算出する。

これと同時に、操舵角センサ６によって検出されるステアリングホイール５の操舵角速度及び車速に基づいて、ステアリング振動を減衰させるためのダンピングトルク量が計算される。モータ８が出力するトルクは、アシストトルクとダンピングトルクの総和となる。このときの減衰比ζは以下の式によって得られる。ζ＝Ｃ／［２×（Ｉｓ×Ｋ）^１／２］。ここで、Ｃは減衰係数、Ｉｓはステアリング系の等価慣性モーメント、Ｋはステアリング系の剛性である。

ここで、ステアリングホイールのトルクをＴｈ、舵角をθｈ、慣性モーメントをＩｈとし、パワーステアリング機構を介した後の出力側となる転舵トルクをＴｗ、転舵角度をθｗとし、パワーステアリング機構での角度の伝達係数をＮａ、トルクのギア比をＮｔとする。この場合、以下の式が成立する。

上記のことから、出力側（車輪側）から見た上記等価慣性モーメントＩｓは下記式によって得られる。

このことから、Ｉｓ（即ち、ステアリング機構の減衰比ζ）を変えるには、パワーステアリング機構のトルクのギア比Ｎｔ（＝アシスト量）を変更すればよいことが分かる。

さらに、ロール共振周波数とヨー共振周波数とステアリング共振周波数とについても簡単に説明しておく。通常、これらの共振周波数は、高い方からロール共振周波数、ステアリング共振周波数、ヨー共振周波数の順に並んでいる。各共振周波数は、互いの振動が連成して共振が重なってしまわないように、互いにできるだけ外れた周波数となるように設定されている。

しかし、上述したように、車高を上げることで重心が上がり、かつ、エアサスペンションユニット９のバネ定数低下のためにロール共振周波数が低下してしまうと、上述した連成振動が生じやすくなってしまう。そこで、本実施形態では、ステアリング振動の減衰比（減衰力）を増加させることで連成振動を抑制し、操安性を向上させる。

次に、上述した装置による車高調整制御の一実施形態について説明する。この制御のフローチャートを図２に示す。図２に示されるように、まず、車高が上昇されたか否かを判定する（ステップ２００）。車高上昇は上述した理由からロール共振周波数を低下させる。車高の上昇はエアサスペンションユニット９の制御を通して把握できる。

車高が上昇されていない場合は、ステップ２００の前に戻り、車高が上昇されるのを監視し続ける。一方、ステップ２００が肯定される場合は、直進状態であるかどうかを判定する（ステップ２０５）。直進状態（非旋回状態）であれば、操舵時のアシスト力を下げる（上記式より、Ｎｔを下げる）と共に上述した減衰係数Ｃを大きくして減衰比ζを大きくしてステアリング振動の減衰力を大きくし（ステップ２１０）、ロール振動、ヨー振動及びステアリング振動の連成を抑止し、車両ダンピングを良くして操安性を向上させる。

一方、ステップ２０５が否定され、直進状態にない（旋回状態である）場合は、パワーステアリング機構のアシスト力を減ずることは操舵力を最適できなくなるため、アシスト力の減少は行わずに、減衰係数Ｃのみを大きくして減衰比ζを大きくしてステアリング振動の減衰力を大きくする（ステップ２１５）。これにより、ロール振動、ヨー振動及びステアリング振動の連成を抑止し、車両ダンピングを良くして操安性を向上させる。なお、非旋回時の減衰係数Ｃの増量分と旋回時の減衰係数Ｃの増量分とでは、アシスト力の増加分の効果を得られない旋回時の減衰係数Ｃの増量分の方が大きくされる。

ステップ２１０又はステップ２１５の後、車高が降下されたか否かを判定する（ステップ２２０）。車高が降下された場合は、車高上昇によるロール剛性低下に対する振動減衰制御はもはや必要ないため、ステアリングのアシスト力と減衰係数とを通常制御のものに戻す（ステップ２２０）。ステップ２２０が否定される場合は、ステップ２０５に戻って、車高上昇によるロール剛性低下に対する振動減衰制御が継続。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、アクチュエータ（モータ８）によって発生されたパワーステアリングのアシストトルクやステアリング振動減衰のためのダンピングトルクは、ステアリングシャフト４に対して付与された。しかし、アシストトルクやダンピングトルクを発生させるアクチュエータがステアリングギアボックス２に取り付けられ、ラックバー２ａのスライド動（スライド量）を制御するようなシステムであっても良い。

本発明の車高調整装置の一実施形態を搭載した車両構成図である。 図１の装置による制御のフローチャートである。

符号の説明

１…車両、２…ステアリングギアボックス、２ａ…ラックバー、２ｂ…タイロッド、２ｃ…ラックアンドピニオン、２ｄ…ストロークセンサ、３…ハブキャリア、４…ステアリングシャフト、５…ステアリングホイール、６…操舵角センサ、７…ステアリングトルクセンサ、８…モータ（ステアリング特性可変制御手段）、９…エアサスペンションユニット（車高制御手段）、１０…車輪速センサ、１１…ＥＣＵ（車高制御手段，ステアリング特性可変制御手段）。

Claims (1)

1. 車高を制御する車高制御手段と、
   車両の旋回状態を判定する旋回状態判定手段と、
   ステアリング操舵系の減衰係数及びパワーステアリングのアシスト力を含むステアリング特性を可変制御可能なステアリング特性可変制御手段とを備え、
   前記ステアリング特性可変制御手段は、前記旋回状態判定手段によって非旋回状態にあると判定され、前記車高制御手段による車高制御によって車高が低くされたときより高くされたときに、前記アシスト力を減少させると共に前記減衰係数を大きくして前記ステアリング操舵系の減衰比を大きくし、前記旋回状態判定手段によって旋回状態にあると判定され、前記車高制御手段による車高制御によって車高が低くされたときより高くされたときに、前記減衰係数のみを大きくして前記減衰比を大きくし、前記アシスト力は通常制御とすること
   を特徴とする車高調整装置。

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