JP5505483B2 - 車輪位置可変車両 - Google Patents
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車輪を懸架する懸架装置と、
この懸架装置に設けられ車体に対する車輪の向きを変更する転舵機構と、
車輪を駆動する駆動装置と、
前記懸架装置を車体に対して軌道上の任意の位置に移動可能に保持する車輪位置変更機構と、
車体重心に生じる加速度の方向に応じて加速度方向における車輪と重心位置との距離を変更する移動指令を前記車輪位置変更機構へ出力する車輪位置制御装置と、
水平面内における車両の加速度ベクトルを検出する加速度ベクトル検出装置と、
を備え、
前記車輪位置制御装置は、加速度方向側の車輪から重心位置までの加速度方向の距離を、加速度方向と反対側の車輪から重心位置までの加速度方向の距離に対して長くなるように設定すると共に、検出された加速度ベクトルの方向を基準として各車輪位置を変更する。
すなわち、簡単な構成で、車両の利便性と車両の挙動安定性の向上を図るとともに、より自由な車両挙動を実現できる。
〔実施例1〕
まず、構成を説明する。
[全体構成]
図1は、実施例1の車輪位置可変車両の外観図であり、車体100の下部には2つの操向輪ユニット400と2つの駆動輪ユニット300とをそれぞれ配置している。以降、車体100に対する車輪位置可変をジオメトリ可変と言う。
実施例1のジオメトリ可変車両は、左右前輪として操向輪ユニット400を配置し、左右後輪として駆動輪ユニット300を配置した後輪駆動車である。
加速度&ヨーレートセンサ120は、車両の加速度およびヨーレートを検出する。車輪ユニット位置センサ310は、各駆動輪ユニット300と各操向輪ユニット400の車輪ユニット移動軌道200上の位置を検出する。
駆動アクチュエータ330は、2つの駆動輪ユニット300にそれぞれ設けられ、車輪390を駆動する。駆動アクチュエータ330としては、例えば、インホイールモータを用いることができる。
転舵アクチュエータ340は、各駆動輪ユニット300と各操向輪ユニット400にそれぞれ設けられ、車輪390の転舵角を変更する。転舵アクチュエータ340としては、例えば電動モータを用いることができる。
図3は、実施例1のジオメトリ可変車両における車輪取り付け構造を示す側面図である。
車輪390は、サスペンションフレーム(懸架装置フレーム)600の車輪側支持端600aに支持されている。サスペンションフレーム600の車体側支持端600bは、車体100の底面(または他のサスペンションフレームの底面)に設けられたベアリング610により車体100に対し回動自在に支持されている。
ロッド620には、ステアリングギア660が連結されており、サスペンションフレーム600に固定された転舵アクチュエータ340を駆動することで、車輪390が転舵される。
図4は車輪390の移動によるホイールベースの変化状態を示すものである。
図4に示した通り、図2、図3のトレッド&ホイールベース変更アクチュエータ(車輪位置変更機構)350を用いて車輪を移動させることで、実施例1のジオメトリ可変車両は、最小でla×2、最大でlc×2までホイールベースを拡張または縮小可能となる。
よって、実施例1のジオメトリ可変車両は、例えば、比較的低速である市街地走行、車庫入れなどの極低速走行においてホイールベースを縮小させることで転回半径を小さくすることができ、高速走行、中速走行、ワインディング走行ではホイールベースを拡張することにより走行安定性を得ることができる。これらの動作は車速等に応じて自動的に選択されるものでも良いし、運転者の操作により選択するようにしてもよい。
まず、輪荷重移動が車両の走行挙動に与える影響を示す図として図5を示す。図5の曲線は旋回時の輪荷重loadに対するコーナリングパワーCpを示す図であり、実線で示したものが所定の車両諸元で旋回中に輪荷重移動が起きた場合の車輪のコーナリングパワーCPを示している。コーナリングパワーCPはタイヤ扁平率への依存が大きいため、タイヤ扁平率60(60serise)、タイヤ扁平率70(70seriese)、タイヤ扁平率82(82seriese)の場合それぞれについて示す。なお一般的にタイヤ扁平率の値が小さいほどコーナリングパワーは大きく、タイヤ扁平率の値が大きいほどコーナリングパワーCPは小さくなるものの燃費が向上する。
さらに、旋回外輪側においてはタイヤ横力の非線形性により輪荷重の増大に伴うコーナリングパワーの増大が非線形的に増大する傾向を示しており、輪荷重の増大が必ずしもコーナリングパワーの純増とはならない領域が存在している。
よって減速時、加速時においても輪荷重を均等に配分することができれば、車両挙動を安定させることができる。
次に、図6は、4輪の輪荷重を等配分する場合のトレッドベースおよびホイールベースの位置を表している。実施例1では、4輪の輪荷重が等しくなるように各車輪位置を変更する。なお、図6(a)は、車両を上方から見た場合の車輪位置と車両重心位置の関係を表し、図6(b)は、車両を加速度方向直角の側方から見た場合の車輪位置と重心位置との関係を表している。
そして、車体重心位置Gにおいて合成加速度方向軸CA(h)と平面方向で直行する軸を合成加速度方向直角軸CA(p)と設定する。
さらに車体重心位置Gに作用している垂直方向の加速度(主に重力加速度)をベクトルG(z)とし、かつ重心位置の路面からの高さをhとすると、前述の加速度後方軸、加速度前方軸に作用する加速度後方軸輪荷重W2、加速度前方軸輪荷重W1は、下記の式(1)で表される。
G(x,y)={(G(x)+ΔG(x))2+(G(y)+ΔG(y))2}1/2:合成加速度
G(i):加速度&ヨーレートセンサから検出
ΔG(i):目標車両姿勢から算出された姿勢補正加速度
m:車両質量
h:重心高さ
G(z):重力加速度
である。
つまり、4輪の輪荷重を等しくするために、W1=W2、すなわち、下記の式(2)を満足するようにl1,l2を設定すればよい。
Grate=G(x,y)/Gz:加速度比
lrate=l1/l2:ジオメトリ比
hrate=h/l2:高さ比
である。
図7は、重心高さhを0.5[m]とした場合のl1,l2の可動範囲を計算したもので、平面加速度[G]に対して車軸荷重を均等とするl1,l2の組み合わせをプロットしたものを輪荷重均等面αとして表す。
前述の通り、l1を0〜1.1[m]、l2を0〜1.1 [m]の間で可変できる車両において、図7を用いて輪荷重の等配分制御をさらに説明する。
このとき、実施例1では、各車輪390の移動量が均等になるような車輪位置を探索している。つまり点BはΔl1=-0.1、Δl2=+0.1で、点B'はΔl1=-0.2、Δl2=0で合計の移動量は同じであるが、点B'の場合、2つのアクチュエータの移動距離の合計移動量であるのに対し、点Bの場合4つのアクチュエータの移動距離の合計となり、4つのアクチュエータで分担できるため、アクチュエータの速度が同じであるとすると、点Bへの移動のほうが早く完了することができる。このように加速度の増大に応じて点Dまでを移動する。そして、さらに加速度が増大する場合には、点Fに向けて移動する。
なお、点Dから点Fにかけてはl1のみの変化となりアクチュエータ分担の均等化ができていないが、0.6[G]以上の加速度が発生する頻度を鑑みて設定されている。
実施例1のジオメトリ可変車両にあっては、以下に列挙する効果を奏する。
実施例2は、走行状態に応じた輪荷重配分目標に基づいて車輪位置を変更する例である。実施例1の場合、輪荷重の均等配分を行っていたが、本実施例では状況に応じて輪荷重の配分を不均一にしている。
なお、実施例2の構成については、[輪荷重等配分制御]を除いて実施例1と同様であるため、図示ならびに説明を省略する。
図8は、4輪の輪荷重を任意配分する場合のトレッドベースおよびホイールベースの位置を示しており、具体的には駆動輪への輪荷重が大きくなるように輪荷重配分を行うための制御を示している。
また、旋回、制動時にはWrate=1とすることにより、実施例1と同様に輪荷重を等配分することができる。
なお、実施例2の[車輪移動制御]については、実施例1と同様であるため、説明を省略する。
実施例2のジオメトリ可変車両にあっては、実施例1の効果(1)〜(9)に加え、以下の効果を奏する。
実施例3は、目標車両姿勢に基づいて車輪位置を変更する例である。
なお、実施例3の構成については、実施例1の[輪荷重等配分制御]、実施例2の[輪荷重任意配分制御]以外の構成は実施例1、実施例2と同様であるため、図示ならびに説明を省略する。
図9は、4輪の輪荷重を任意配分する場合のトレッドベースおよびホイールベースの位置を示しており、実施例3では、目標車両姿勢に基づいて輪荷重を変更する。
仮に、実施例1に記載の通り、輪荷重を等配分するように制御していればW1 = W2となるので、姿勢角は0°となり、常にフラットな状態になる。
一方で、実施例2のように輪荷重を任意配分するようにすれば、所望の姿勢角をとることができる。
実施例3のジオメトリ可変車両にあっては、実施例1の効果(1)〜(6),(8),(9)に加え、以下に列挙する効果を奏する。
実施例4は、加速度の方向に応じて基点となる車輪を設定し、基点以外の車輪位置を移動させる例である。
なお、実施例4の構成については、[車輪移動制御]以外は実施例1と同様であるため、図示ならびに説明を省略する。
実施例1では、各車輪390の移動距離が均等になるように車輪移動位置を演算していたが、実施例3では、一方の車軸距離を固定して他方の車軸距離を可変するようにしている。具体的には、加速度方向の車軸距離をl2とした場合、加速度方向と反対側l1として、車軸距離が可変するのはl1のみとしている。
図10に実施例1で示した均等配分面と同様のW1,W2の車軸荷重を均等配分するときのl1,l2の可動範囲を示す。
実施例4のジオメトリ可変車両にあっては、実施例1の効果(1)〜(5),(8),(9)に加え、以下に列挙する効果を奏する。
実施例5は、車輪の移動軌道を水平方向のみならず車両上下方向に変位させる例である。
図16は、実施例5のジオメトリ可変車両を示す図であり、実施例5では、車輪ユニット移動軌道200を車両上下方向に湾曲させている。これにより、各車輪位置を変更したとき、車輪位置のみならず、車高も同時に変更することができる。
図17に示すように、車輪移動軌道は各車輪390が基準位置から矢印B方向からトレッドベース縮小−ホイールベース拡張方向に移動したとき、車両は重心位置を下げる。一方、図18に示すように、一方の車輪ユニットが矢印B方向のトレッドベース縮小−ホイールベース拡張方向に移動したとき重心を下げ、他方が矢印A方向のトレッドベース拡張−ホイールベース縮小方向に移動すると重心は変わらず車体100としては傾斜する。
図19は、矢印A方向のトレッドベース拡張−ホイールベース縮小方向への移動に際して、重心位置を下げるようにレール形状(車輪ユニット移動軌道200)を設定した例であり、同様に矢印B方向のトレッドベース縮小−ホイールベース拡張方向に移動したときも重心位置を下げる方向に車輪390が移動している。
図19(a)のように左右の車輪ユニットがA方向、B方向の各々異なる方向に移動しても車両重心が下がり、図19(b)のように左右の車輪ユニットがB方向に移動しても車両重心が下がり、図19(c)のように左右の車輪ユニットがA方向に移動しても車両重心が下がる。
また、移動軌道の上下への移動量に関しても任意に設定できる。
実施例5のジオメトリ可変車両にあっては、実施例1の効果(1)〜(9),実施例2の効果(10)、実施例3の効果(11)〜(13)、実施例4の効果(14)〜(17)に加え、以下の効果を奏する。
図21は、実施例6のジオメトリ可変車両における車輪取り付け構造を示す側面図である。
実施例6は、サスペンションフレーム(懸架装置フレーム)600が、車体100の側面下部に沿って環状に設けられたスライダ(レール)670と、車体100の側面中央部に沿って環状に設けられたリニアモータ・スライダ(アクチュエータ)615により、車体100に対し相対回転可能に支持されている。
なお、他の構成は、図3に示した実施例1の構成と同一であるため、説明を省略する。
実施例6のジオメトリ可変車両にあっては、実施例1の効果(1)〜(7),(9)に加え、以下の効果を奏する。
図22は、実施例7のジオメトリ可変車両における車輪取り付け構造を示す側面図である。
実施例7では、車輪390はトレーリングタイプのサスペンションフレーム(懸架装置フレーム)680の車輪側支持端680aに支持されている。サスペンションフレーム680の車体側支持端680bは、車体100の底面(または他のサスペンションフレームの底面)に設けられたベアリング610により車体100に対し回動可能に支持されている。
なお、他の構成は、図3に示した実施例1の構成と同一であるため、説明を省略する。
実施例7のジオメトリ可変車両にあっては、実施例1の効果(1)〜(7),(9)に加え、以下の効果を奏する。
図23は、実施例8のジオメトリ可変車両における車輪取り付け構造を示す側面図である。
実施例8は、アッパアーム710とロアアーム720とで車輪390を懸架するダブルウィッシュボーンタイプのサスペンション700を用いた例である。アッパアーム710は、車体100の側面中央部に沿って環状に設けられたリニアモータ・スライダ(アクチュエータ、第2レール)615に支持され、ロアアーム720は、車体100の側面下部に沿って環状に設けられたスライダ(第1レール)670に支持されている。アッパアーム710とロアアーム720との間には、ショックアブソーバ730が介装されている。
実施例8のジオメトリ可変車両にあっては、実施例1の効果(1)〜(7),(9)に加え、以下の効果を奏する。
図24は、実施例9のジオメトリ可変車両における車輪取り付け構造を示す側面図である。
実施例9は、車体100との間に防振部材(中間部材)750を介装したフローティングキャビンタイプのサスペンションフレーム(懸架装置フレーム)740を用いた例である。サスペンションフレーム740は、防振部材750の側面下部に沿って設けられたスライダ(レール)670と、防振部材750の側面上端部に沿って環状に設けられたリニアモータ・スライダ(アクチュエータ、レール)615とにより、車体100に対し相対回転可能に支持されている。防振部材750は、コイルスプリング(バネ要素)760を介して車体100の下端部に固定されている。
なお、他の構成は、図2に示した実施例1と同一であるため、説明を省略する。
実施例9のジオメトリ可変車両にあっては、実施例1の効果(1)〜(7),(9)に加え、以下の効果を奏する。
図25は、実施例10のジオメトリ可変車両における車輪取り付け構造を示す側面図である。
実施例10では、防振部材750と懸架装置とを相対的に移動させるアクチュエータとして、実施例9のリニアレール・スライダ615に代えて、スライダ761およびギアドライブ770とした点で実施例9と異なる。
なお、他の構成は実施例9と同様であるため、説明を省略する。
実施例10のジオメトリ可変車両にあっては、実施例1の効果(1)〜(7)、実施例9の効果(22)に加え、以下の効果を奏する。
図26は、実施例11のジオメトリ可変車両における車輪取り付け構造を示す側面図である。
実施例11は、各車輪390に対応するサスペンションフレーム(懸架装置フレーム)600の車体側支持端600bが、車体100の底面(または他のサスペンションフレームの底面)に設けられたベアリング610を介して車体100の四隅に配置されている。
なお、他の構成は実施例1と同様であるため、説明を省略する。
実施例11のジオメトリ可変車両にあっては、実施例1の効果(1)〜(7)に加え、以下に列挙する効果を奏する。
実施例12のジオメトリ可変車両における車輪取り付け構造は、図23に示した実施例8と同様であるが、実施例12では、スライダ(第1レール)670とリニアモータ・スライダ(第2レール)615の軌道を互いに異ならせている。
実施例12のジオメトリ可変車両にあっては、実施例1の効果(1)〜(7),(9)、実施例8の効果(21)に加え、以下の効果を奏する。
以上、本発明を実施するための最良の形態を、各実施例に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、各実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない設計変更等があっても本発明に含まれる。
乗降車時は、図32(a)のように転舵アクチュエータ340を駆動して各車輪390の向きを車輪ユニット移動軌道200と同一方向に向けた後、トレッド&ホイールベース変更アクチュエータ350を駆動し、乗降口101と反対側に各車輪390を寄せる。これにより、図32(b)に示すように、乗降口101を路面に極力近づけることができ、フルフラットな乗降車を実現することができる。
また、各実施例に示した制御を複数組み合わせた制御を行ってもよい。
101 乗降口
110 操舵角センサ
111 アクセル開度センサ
112 ブレーキセンサ
120 加速度&ヨーレートセンサ(加速度ベクトル検出装置)
200 車輪ユニット移動軌道
200a 軌道
300 駆動輪ユニット
310 車輪ユニット位置センサ
320 転舵角センサ
330 駆動アクチュエータ(駆動装置)
340 転舵アクチュエータ(転舵機構)
350 ホイールベース変更アクチュエータ(車輪位置変更機構)
390 車輪
400 操向輪ユニット
500 コントローラ(車輪位置制御装置)
600 サスペンションフレーム(懸架装置フレーム)
610 ベアリング
615 リニアモータ・スライダ(リニアスライダ、第2レール)
620 ロッド
630 ベアリング
640 ボールジョイント
650 サスペンションアーム
660 ステアリングギア
670 スライダ(第1レール)
685 伸縮アクチュエータ
690 ショックアブソーバ
700 サスペンション
710 アッパアーム
720 ロアアーム
730 ショックアブソーバ
740 サスペンションフレーム
750 防振部材(中間部材)
760 コイルスプリング(バネ要素)
770 ギアドライブ
Claims (15)
- 車輪を懸架する懸架装置と、
この懸架装置に設けられ車体に対する車輪の向きを変更する転舵機構と、
車輪を駆動する駆動装置と、
前記懸架装置を車体に対して軌道上の任意の位置に移動可能に保持する車輪位置変更機構と、
車体重心に生じる加速度の方向に応じて加速度方向における車輪と重心位置との距離を変更する移動指令を前記車輪位置変更機構へ出力する車輪位置制御装置と、
水平面内における車両の加速度ベクトルを検出する加速度ベクトル検出装置と、
を備え、
前記車輪位置制御装置は、加速度方向側の車輪から重心位置までの加速度方向の距離を、加速度方向と反対側の車輪から重心位置までの加速度方向の距離に対して長くなるように設定すると共に、検出された加速度ベクトルの方向を基準として各車輪位置を変更することを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項1に記載の車輪位置可変車両において、
前記車輪位置制御装置は、各車輪を前記加速度ベクトルの直角軸を中心として二分し、前記直角軸と各車輪までの距離とに基づいて各車輪位置を変更することを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項1に記載に車輪位置可変車両において、
前記車輪位置制御装置は、各車輪位置を変更する場合、1つの車輪位置を基点に設定し、基点以外の車輪位置を変更することを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項3に記載の車輪位置可変車両において、
前記車輪位置制御装置は、車輪位置を変更する車輪よりも大きな輪荷重の車輪を基点として設定することを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項4に記載の車輪位置可変車両において、
前記車輪位置制御装置は、加速度方向に最も近い車輪を基点として設定することを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項1に記載の車輪位置可変車両において、
前記車輪位置変更機構は、
前記懸架装置を支持する懸架装置フレームと、
この懸架装置フレームの懸架装置を支持する車輪側支持端とは反対側の車体側支持端を車体に回動可能に支持するベアリングと、
前記懸架装置または懸架装置フレームと車体との間に設けられ、車体と懸架装置とを相対的に移動させるアクチュエータと、
を備えることを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項1に記載の車輪位置可変車両において、
前記車輪位置変更機構は、
前記懸架装置を支持する懸架装置フレームと、
車体周囲に設けられ、前記懸架装置と懸架装置フレームの少なくとも一方を車体に支持するレールと、
前記懸架装置または懸架装置フレームと車体との間に設けられ、車体と懸架装置とを相対的に移動させるアクチュエータと、
を備えることを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項1に記載の車輪位置可変車両において、
前記車輪位置変更機構は、
前記懸架装置を支持するとともに、車輪に入力される路面からの力に応じて車両上下方向に可倒する可倒部を備える懸架装置フレームと、
この懸架装置フレームの懸架装置を支持する車輪側支持端とは反対側の車体側支持端を車体に回動可能に支持するベアリングと、
車体周囲に設けられ、前記懸架装置と懸架装置フレームの少なくとも一方を車体に支持するレールと、
前記懸架装置または懸架装置フレームと車体との間に設けられ、車体と懸架装置とを相対的に移動させるアクチュエータと、
前記懸架装置と車体との間に配置されるショックアブゾーバとを備えることを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項1に記載の車輪位置可変車両において、
前記懸架装置は、ダブルウィッシュボーンタイプの懸架装置であって、
前記車輪位置変更機構は、
車体周囲に設けられ、前記懸架装置のロアアームを支持する第1レールと、
車体周囲に設けられ、前記懸架装置のアッパアームを支持する第2レールと、
前記ロアアームと第1レールとの間またはアッパアームと第2レールとの間に設けられ、車体と懸架装置とを相対的に移動させるアクチュエータと、
を備えることを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項1に記載の車輪位置可変車両において、
前記車輪位置変更機構は、
前記懸架装置を支持する懸架装置フレームと、
バネ要素を介して車体に取り付けられた中間部材と、
車体周囲に設けられ、前記懸架装置または前記懸架装置フレームを中間部材に支持するレールと、
前記懸架装置または懸架装置フレームと中間部材との間に設けられ、中間部材と懸架装置とを相対的に移動させるアクチュエータと、
を備えることを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項10に記載の車輪位置可変車両において、
前記アクチュエータは、車体または中間部材に環状に設けられたリニアスライダであることを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項10に記載の車輪位置可変車両において、
前記アクチュエータは、車体または中間部材に環状に設けられたスライダと、懸架装置または懸架装置フレームに設けられたモータおよびギアから構成されるギアドライブと、からなることを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項1に記載の車輪位置可変車両において、
前記車輪位置変更機構は、
懸架装置を支持する懸架装置フレームと、
この懸架装置フレームの懸架装置を支持する車輪側支持端とは反対側の車体側支持端を車体に回動可能に支持するベアリングと、
を備え、
前記ベアリングは、車輪毎に車体の4隅に配置されていることを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項13に記載の車輪位置可変車両において、
前記車輪位置変更機構は、車体に取り付けられた懸架装置フレームの車体側支持端から離れた箇所に連結された伸縮アクチュエータを備えることを特徴とする車輪位置可変車両。 - 請求項1に記載の車輪位置可変車両において、
前記車輪位置変更機構は、
車体周囲に設けられ、前記懸架装置の下部を支持する第1レールと、
車体周囲に設けられ、前記懸架装置の上部を支持する第2レールと、
を備え、
前記第1レールと第2レールの軌道を互いに異ならせたことを特徴とする車輪位置可変車両。
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