JP4936012B2 - Stroke simulator - Google Patents
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Description
本発明は、自動車の制動を電子的に制御するブレーキバイワイヤに用いられるストロークシミュレータに関する。 The present invention relates to a stroke simulator used in a brake-by-wire that electronically controls braking of an automobile.
ブレーキバイワイヤシステムにおいては、ブレーキペダルは、ドライバの意図する制動減速度を電気信号に直すだけで、実際の制動とは無関係であるが、ドライバのブレーキ操作感を良くするため、従来の液圧ブレーキシステムに似せたペダルストローク/反力の関係をストロークシミュレータにより実現している。 In the brake-by-wire system, the brake pedal only changes the braking deceleration intended by the driver into an electrical signal, which is irrelevant to the actual braking, but in order to improve the driver's braking feeling, the conventional hydraulic brake The pedal simulator / reaction force relationship that resembles the system is realized by a stroke simulator.
そして従来、この種のストロークシミュレータとしては、たとえば、特許文献1に記載されるものがあった。このものは、バネ定数の異なる金属ばね(コイルばね)を直列に3段に配列し、ブレーキペダルと連動するピストンの移動によりこれら金属ばねをバネ定数の低いものから順に働かせて、反力特性に非線形特性を与える構造となっている。
Conventionally, as this type of stroke simulator, for example, there is one described in
しかしながら、上記特許文献1に示されるストロークシミュレータによれば、ペダルストローク/反力の関係(反力特性)は、途中で2段に折れ曲がった直線になり、滑らかな非線形特性を得ることができないという問題があった。また、液圧ブレーキシステムでは、急速にブレーキペダルを踏み込むと反力が急増して踏み応え感が現出するが、前記金属ばねに頼る構成では、反力特性に速度依存性を与えることはできず、踏み応え感の実現は困難となっていた。
However, according to the stroke simulator shown in
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、反力特性に滑らかな非線形特性と速度依存性とを与えることができ、もってドライバのブレーキ操作感の向上に大きく寄与するブレーキバイワイヤ用ストロークシミュレータを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and the object of the present invention is to provide a smooth non-linear characteristic and speed dependency to the reaction force characteristic. The purpose of this invention is to provide a brake simulator for brake-by-wire that greatly contributes to the improvement of the above.
上記課題を解決するため、本発明は、ケーシング内に、その一側から他側へ順に、ダイラタント流体を内包する独立気泡の発泡体と該発泡体を押圧するピストンとを配設し、前記ピストンには、ブレーキペダルから延ばした入力ロッドを作動連結したことを特徴とする。 To solve the above problems, the present invention includes within Ke pacing, in order from one side to the other side, arranged a piston for pressing the foam and the foam of closed cell harboring a dilatant fluid, the An input rod extending from the brake pedal is operatively connected to the piston.
本発明に係るストロークシミュレータによれば、ダイラタント流体を内包する独立気泡の発泡体を反力発生機構としたので、反力特性に滑らかな非線形特性と速度依存性とを与えることができ、ドライバのブレーキ操作感の向上に大きく寄与する効果を奏する。 According to the stroke simulator of the present invention, since the closed-cell foam containing the dilatant fluid is used as the reaction force generation mechanism, the reaction force characteristics can be given smooth nonlinear characteristics and speed dependence, There is an effect that greatly contributes to an improvement in brake operation feeling.
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の1つの実施形態としてのブレーキバイワイヤ用ストロークシミュレータを示したものである。同図において、1は、本発明に係るストロークシミュレータ、2は、ダッシュボード下の固定部3にピン4により回動可能に結合されたブレーキペダルである。本ストロークシミュレータ1は、通常の液圧ブレーキシステムにおける真空倍力装置に代えて車室前壁5に取付けられており、その内部には、前記ブレーキペダル2にクレビス6を介して一端部が結合された入力ロッド7の他端部が挿入されている。
FIG. 1 shows a brake simulator for a brake-by-wire as one embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a stroke simulator according to the present invention, and 2 is a brake pedal that is rotatably coupled to a fixed
本ストロークシミュレータ1は、有底筒状のケーシング10を備えており、該ケーシング10は、その開口側の背面に突設した筒状部10aを車室内へ延出させた状態で前記車室前壁5の前面に固定されている。このケーシング10内には、その底部側から開口側へ順に、後述のダイラタント流体11を内包する独立気泡の発泡体12と、発泡体12を押圧するピストン13とが配設されている。ピストン13は、その背面側に設けた筒状部13aをケーシング10内の開口側に固設されたガイド部材14に摺動可能に嵌合させることで、ケーシング10の軸上を直動するようになっている。
The
上記ピストン13の筒状部13aには入力ロッド7の他端部が挿入されている。入力ロッド7の途中にはフランジ7aが設けられており、このフランジ7aとケーシング10との間には、該入力ロッド7を常時ブレーキペダル2側へ付勢する、比較的バネ定数の小さい(軟らかい)戻しばね15が介装されている。また、入力ロッド7の他端とピストン13との間には、前記戻しばね15よりもバネ定数の大きい(硬い)ばね16が介装されている。
The other end of the
独立気泡の発泡体12は、円錐台形状をなしており、その頂面の直径はピストン13の直径よりも十分に小さなくなっている。一方、ピストン13の直径は、ケーシング10の内径よりも十分に小さくなっており、これらによって、ピストン13とケーシング10との間に独立気泡の発泡体12が噛込まれる危険が回避されている。ダイラタント流体11は、独立気泡の発泡体12の基部側に形成した円錐台形状の凹部12aに収納され、その背面をケーシング10の内底に当接させている。このダイラタント流体11の高さは、発泡体12の高さより低くなっており、これによりダイラタント流体11の上面と発泡体12の頂面(ピストン13との接触面)との間には、所定の間隙が確保されている。
The closed-
独立気泡の発泡体12は、内部の独立気泡が微細なガス室を形成して、エアばねと同様のガス反力を発生するようになっており、その独立気泡は、体積比で70〜90%を占めている。発泡体12は、ここではゴムスポンジからなっており、高温で熱分解してガスを発生する発泡剤をゴム(基材)に混練して、加熱成形時に発泡させることにより製造される。発泡剤としては、通常窒素ガスを分解生成するものが用いられ、独立気泡の大半は窒素ガスとなっている。本実施形態において、基材としてのゴム材の種類は、加熱成形が可能で、発泡剤の添加により独立気泡を作るものであれば任意である。このようなゴム材としては、エネルギー吸収の大きいウレタンゴム(U)、ニトリルゴム(NBR)、エチレン・プロピレンゴム(EPDM)等があるが、使用温度範囲が広く(低温で硬化しにくく)、かつ圧縮永久歪が小さいことから、シリコンゴムを使用するのが望ましい。
The closed
ダイラタント流体11は、変形速度が速くなるとせん断応力、つまり変形抵抗が大きくなる特性(ダイラタンシー)を有する材料であり、ここでは、シリコンパテが用いられている。ダイラタント流体11としてのシリコンパテは、シリコンオイルをホウ酸水または硼砂でスライム化してなるもので、耐久性に富んでいる。このダイラタント流体11は、速い変形には強く抵抗するが、遅い変形には自由な形状となり、発泡体12の変形に追従する。
The
ここで、ケーシング10内に納めた独立気泡の発泡体12の全体をエアばね(エアシリンダ)10Aとみなせば、本ストロークシミュレータ1は、図2に示すようなばね系となる。このばね系において、シリンダ断面積をA、空気体積をV、初期空気体積をV0、初期シリンダ長をXa、ピストン13の変位をX2、初期空気圧をP0とすれば、V=A×(Xa−X2)、V0=A×Xaなので、シリンダ内空気圧Pは、下記(1)のようになる。
P=P0×V0/V=P0×Xa/(Xa−X2) (1)
Here, if the entire closed
P = P0 * V0 / V = P0 * Xa / (Xa-X2) (1)
一方、エアシリンダ10Aのエア反力F2は、下記(2)式となっているので、これに上記(1)式のPを代入すると(3)式のようになる。
F2=A×(P−P0) (2)
F2=AP0×{Xa/(Xa−X2)−1}
=AP0×X2/(Xa−X2) (3)
On the other hand, the air reaction force F2 of the
F2 = A × (P−P0) (2)
F2 = AP0 × {Xa / (Xa−X2) −1}
= AP0 * X2 / (Xa-X2) (3)
すなわち、エアシリンダ10Aのエア反力F2は、図3の太い実線のように、初期のピストン変位X2=0では、PとP0とがバランスして反力0であり、ピストン変位X2の増加に従って、シリンダ長Xaの垂線に漸近する双曲線になる。この場合、エアシリンダの断面積Aを変化させると、反力F2は、断面積Aが小さすぎるときは、同図の細い実線のように非線形性が強く(勾配変化が急)になり、逆に断面積Aが大きすぎるときは、同図の破線のように非線形性が弱く(勾配変化が緩)なる。
That is, the air reaction force F2 of the
ところで、ユーザ要求の反力F1、すなわち入力変位X1と反力F1との関係は、図4に太い実線で示すようになっており、これに、上記(3)式で適正な断面積Aを選択して得られるエア反力F2を重ねると、その反力F2はユーザ要求の反力特性に近い特性となる。 By the way, the reaction force F1 requested by the user, that is, the relationship between the input displacement X1 and the reaction force F1 is as shown by a thick solid line in FIG. 4, and an appropriate cross-sectional area A is given by the above equation (3). When the air reaction force F2 obtained by selection is overlapped, the reaction force F2 becomes a characteristic close to the reaction force characteristic requested by the user.
一方、図4に示すユーザ要求の反力特性との関係で、その小ストローク部の勾配に合せて、前記軟らかい戻しばね15のばね定数K1を決める。また、同じユーザ要求の反力特性の大ストローク(高踏力)部の勾配に合せて、前記硬いばね16のバネ定数K2を決める。硬いばね16をエアシリンダ10Aに直列に設けると、エア反力F2と入力変位X1およびピストン変位X2との間に、F2=K2(X1−X2)の関係が成立する。これを変形すると、X2=X1−F2/K2となり、これを前記(3)式に代入すると下記(4)式となり、さらにこれを整理すると(5)式が得られる。
F2=AP0×(X1−F2/K2)/(Xa−X1+F2/K2) (4)
F22+{XK2×(Xa−X1)+AP0}×F2−AP0×X1×K2 (5)
On the other hand, the spring constant K1 of the
F2 = AP0 * (X1-F2 / K2) / (Xa-X1 + F2 / K2) (4)
F2 2 + {XK2 × (Xa−X1) + AP0} × F2−AP0 × X1 × K2 (5)
ここで、F1=F2+K1×X1なので、上記(5)式によりエアシリンダ断面積Aのときの、入力変位X1に対する反力F1を計算することができ、前出図4の太い実線のような、ユーザ要求の反力特性にほぼ一致した特性を得ることができる。 Here, since F1 = F2 + K1 × X1, the reaction force F1 with respect to the input displacement X1 when the air cylinder sectional area A is given by the above equation (5) can be calculated, as shown by the thick solid line in FIG. It is possible to obtain characteristics that approximately match the reaction force characteristics requested by the user.
本実施形態においては、ケーシング10内に独立気泡の発泡体12を納めているので、上記したエアシリンダ10Aと同じエア反力F2を得るには、前記エアシリンダ長Xa(図2)にその発泡率の逆数を乗じた値となるように該発泡体12の高さを設定すればよい。一例として、発泡率が80%の場合は、1.25×Xaの高さとなる。また、該発泡体12の頂面(ピストン13との接触面)の面積は、前記したエアシリンダ10Aの断面積Aに合わせた大きさとする。
In the present embodiment, since the
上記のように構成したストロークシミュレータ1においては、ドライバがブレーキペダル2を踏み込むと、入力ロッド7が移動してピストン13が前進し、独立気泡の発泡体12が圧縮する。このとき、入力がゆるやかであると、発泡体12内のダイラタント流体11が自由に変形するので、実質エアばねと同じになり、図5に太い実線で示すように液圧ブレーキシステムと類似の反力特性(滑らかな非線形特性)となる。また、発泡体12と並列に戻しばね15が配置されているので、発泡体自体がもつヒステリシス特性と合せて、所望のヒステリシス特性が得られるようになる。このとき、独立気泡の発泡体12とケーシング10との間に大きな空間があるので、該発泡体12は拡径方向へも変形する。さらに、ピストン13と入力ロッド7との間に硬いばね16が存在するので、両者が直結される場合よりも、高踏力時の剛性が低くなり、結果として不自然な壁当り感はなくなる。
In the
一方、急速にブレーキペダル1が踏み込まれる場合は、発泡体12が所定の厚さ分だけ潰れるまでは、上記したゆるやかな入力の場合と反力特性は同じである。しかし、発泡体12が所定の厚さ以上に潰れると、ダイラタント流体11に直接入力が伝わってその変形速度が速くなるので、その変形抵抗が大きくなり、図5に細線で示すように反力Fが急増する。すなわち、反力特性に速度依存性が付与され、この結果、所望の踏み応え感が得られるようになる。なお、入力変位を0に戻すと、発泡体12の復元力によりダイラタント流体11は、遅れながら元の形状に戻るが、発泡体12は独立気泡のガス圧による回復が早いので、ピストン13すなわちブレーキペダル2に戻し遅れは感じない。
On the other hand, when the
このように本ストロークシミュレータ1によれば、反力特性に滑らかな非線形特性が付与されるばかりか、明瞭なヒステリシス特性、速度依存性が付与されるので、ドライバのブレーキ操作感(ペダルフィーリング)は良好となる。また、独立気泡の発泡体12をエアばねとして用いるので、シリンダ内にエアを封入する汎用のエアシリンダにおけるようなシールが不要になる。
As described above, according to the
なお、独立気泡の発泡体12に内包されるダイラタント流体11は、図6(A)に示すように、球形として発泡体12の内部に埋め込むようにしても、あるいは図6(B)に示すように球形のゴム袋20に封入して発泡体12の凹部12aに納めるようにしてもよい。前者の場合は、上記実施形態の場合よりも速度依存性は低くなり、後者の場合は、ゴム袋20によりダイラタント流体11の形状復元速度が高まる。
The
1 ストロークシミュレータ
2 ブレーキペダル
7 入力ロッド
10 ケーシング
11 ダイラタント流体
12 独立気泡の発泡体
13 ピストン
15 戻しばね
16 反力ばね
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