JP6465461B1 - 四輪駆動車の車輪荷重推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の積載荷重を種々変化させた総重量と、前輪車輪荷重と後輪車輪荷重の少なくとも一方の予め設定した相関関係を用いて四輪駆動車の車輪荷重を推定する方法を提供する。【解決手段】回転駆動手段(6)により駆動される四輪駆動車の車輪荷重推定方法において、車両の積載荷重を種々変化させた総重量(W)と、前輪車輪荷重(Wf) と後輪車輪荷重 (Wr) の少なくとも一方の相関関係を予め設定する相関関係設定ステップと、前記回転駆動手段(6)の出力トルクとこの出力トルクに対応する車両前後加速度とから現在の車両総重量を演算する車両総重量演算ステップと、前記相関関係と車両総重量とから、少なくとも駆動輪の車輪荷重を推定する車輪荷重推定ステップとを備えている。【選択図】 図３

Description

本発明は、四輪駆動車の車輪荷重推定方法に関し、特に、車両の積載荷重を種々変化させた総重量と、前輪車輪荷重と後輪車輪荷重の少なくとも一方の相関関係を予め設定しておき、その相関関係を用いて四輪駆動車の車輪荷重を推定する方法に関する。

四輪駆動車の中には、前輪を主駆動輪、後輪を従駆動輪とし、路面の状況や摩擦係数に応じて、エンジンの駆動力の一部を後輪へ適宜分配することで、前輪のスリップを抑制するようにしたものが多い。

ここで、前輪のスリップは、前輪の駆動力と横力との合力が、前輪車輪荷重と路面摩擦係数とで決まる摩擦力より大きくなった場合に発生するため、四輪駆動車の駆動力配分の制御においては前輪車輪荷重を如何に精度よく求めるかが重要である。

特許文献１に記載の四輪駆動車の制御装置では、前輪のスリップに基づく駆動ロスと、後輪のスリップに基づく駆動ロスと、後輪駆動により発生する機械的駆動ロスとの総計が最小となるように、前輪と後輪に駆動力を配分するように制御する。

特許文献２に記載の操舵輪軸重推定装置では、操舵機構にピットマンアームを備えた車両において、ステアリングセンサで検出される無積載状態で直進走行する時の操舵角と積載状態で直進走行する時の操舵角の操舵角差を用いて操舵輪軸重を推定している。

特許文献３の記載の車両の積載状態推定技術では、幅広い車両の走行状況において車両の積載状態を推定可能にするため、車両の積載状態と車両のスタビリティファクタと横加速度の関係を利用して車両の車重と積載状態を推定している。

特許第５７９３８７７号公報 特許第５８６７１３１号公報 特許第５８５８０５１号公報

前輪を主駆動輪とし後輪を従駆動輪とする四輪駆動車において、従来から、前輪と後輪に対する駆動力分配の精度を高めるために、前輪と後輪の車輪荷重を正確に把握したいという要請はあった。
ここで、車両の駆動トルクと前後加速度から車両の総重量を推定することはできる。しかし、前輪車輪荷重と後輪車輪荷重は、車両に積載する荷物の積載状態によって大きく変動するものと推定され、精度が劣化するため、従来、前記の推定車両総重量を駆動輪車輪荷重の推定に用いることはなかった。

特許文献１の技術では、駆動力の制御に前輪車輪荷重や後輪車輪荷重を用いないため、車輪荷重についての教示はない。特許文献２の技術は、操舵機構にピットマンアームを備えていない車両には適用できないため、適用対象の車両が著しく限定される。
特許文献３の技術では、車両の積載状態（後積み、中央積み、前積み）と車重とを知ることができるものの、前輪と後輪の車輪荷重を個別に知ることはできない。

本発明の目的は、車両の積載荷重を種々変化させた総重量と、前輪車輪荷重と後輪車輪荷重の少なくとも一方の予め設定した相関関係を用いて四輪駆動車の車輪荷重を推定する方法を提供することである。

請求項１の四輪駆動車の車輪荷重推定方法は、回転駆動手段により駆動される四輪駆動車の車輪荷重推定方法において、車両の積載荷重を種々変化させた総重量と、前輪車輪荷重と後輪車輪荷重の少なくとも一方の相関関係を予め設定する相関関係設定ステップと、前記回転駆動手段の出力トルクとこの出力トルクに対応する車両前後加速度とから現在の車両総重量を演算する車両総重量演算ステップと、前記相関関係と車両総重量とから、少なくとも駆動輪の車輪荷重を推定する車輪荷重推定ステップとを備えたことを特徴としている。

ここで、出願人は、車種別の車両について、積載重量と積載状態を種々変化させて実験した結果、積載状態によらずに、総重量と、前輪車輪荷重及び後輪車輪荷重の間に一定の相関関係があることを知得することができたため、本発明に到達することができた。

上記の構成によれば、相関関係設定ステップにおいて、車両の積載荷重を種々変化させた総重量と、前輪車輪荷重と後輪車輪荷重の少なくとも一方の相関関係を予め設定しておく。この相関関係と車両総重量演算ステップにて求めた車両総重量とから、少なくとも駆動輪の車輪荷重を推定する（車輪荷重推定ステップ）。
前記相関関係を適切に設定しておけば、駆動輪の推定車輪荷重の精度を高めることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記相関関係は車種別の相関関係として設定することを特徴としている。
上記の構成によれば、前記相関関係は車種別の相関関係として設定するため、各車種に１つの前記相関関係を設定すればよいため、簡単に設定可能である。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記相関関係は、前記総重量をパラメータとして夫々設定した前輪車輪荷重演算式及び後輪車輪荷重演算式により設定することを特徴としている。
上記の構成によれば、前記総重量を前輪車輪荷重演算式及び後輪車輪荷重演算式に夫々適用することで前輪車輪荷重と後輪車輪荷重を簡単に演算することができる。

請求項４の発明は、請求項１又は２の発明において、前記相関関係は、前記総重量をパラメータとして前記総重量に対する比率を夫々設定した前輪車輪荷重比率演算式及び後輪車輪荷重比率演算式により設定することを特徴としている。
上記の構成によれば、前記総重量を前輪車輪荷重比率演算式及び後輪車輪荷重比率演算式に夫々適用することで、前輪車輪荷重比率と後輪車輪荷重比率を求め、前輪車輪荷重と後輪車輪荷重を簡単に演算することができる。

請求項５の発明は、請求項１〜４の何れか１項の発明において、前記四輪駆動車は前輪を主駆動輪とする四輪駆動車であることを特徴としている。
上記の構成によれば、前輪を主駆動輪とする四輪駆動車において、駆動力の一部を後輪に分配する制御に本発明の車輪荷重推定方法を有効利用することができる。

本発明によれば、前記のような種々の効果が得られる。

本発明の実施例に係る前輪駆動をベースとする四輪駆動車の駆動系の概略構成図である。 （a）〜（ｏ）は夫々四輪駆動車の積載荷重と積載形態を種々変化させた積載状態説明図である。 車両の総重量と車輪荷重との相関関係を示す線図である。 車両の総重量と前輪車輪荷重比率の相関関係を示す線図である。 車両の総重量と後輪車輪荷重比率の相関関係を示す線図である。 四輪駆動車の車輪荷重推定制御のフローチャートである。

本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

図１に示すように、前輪駆動をベースとする四輪駆動車１は、左右の前輪２ａ，２ｂと左右の後輪３ａ，３ｂと、前輪車軸４ａ，４ｂと、後輪車軸５ａ，５ｂと、エンジン６（駆動手段）と、変速機７と、前輪差動ギヤ装置８と、後輪３ａ，３ｂへ伝達する駆動力を取り出すトランスファ９と、駆動力伝達軸１０と、カップリング１１と、後輪差動ギヤ装置１２と、制御ユニット１３等を備えている。

エンジン６の駆動力は変速機７において変速されてから前輪差動ギヤ装置８へ伝達され、前輪差動ギヤ装置８に連結された前輪車軸４ａ，４ｂから左右の前輪２ａ，２ｂに駆動力が伝達される。前記エンジン６の駆動力の一部をトラスファ９を介して駆動力伝達軸１０へ伝達し、カップリング１１において後輪３ａ，３ｂへ振り分ける駆動力を制御するように構成されている。カップリング１１の入力軸は駆動力伝達軸１０の後端に連結され、カップリング１１の出力軸は後輪差動ギヤ装置１２のドライブピニオンに連結されている。前記カップリング１１は、内部の電磁クラッチ機構を介して後輪差動ギヤ装置１１へ振り分ける後輪駆動力を制御可能に構成されている。

制御ユニット１３には、前輪車輪速センサ１４ａ，１４ｂと後輪車輪速センサ１５ａ，１５ｂと横加速度センサ１６と前後加速度センサ１７等の各種センサ類からの検出信号が入力されている。制御ユニット１３は、エンジン６、変速機７、ステアリング機構、シフトレバー、アクセルペダル、ブレーキペダル等との間で種々の信号を授受し、エンジン６及び変速機７を制御する。

制御ユニット１３は、スリップ抑制制御を行うＴＲＣ１３ａ（トラクション制御部）を備えており、さらに、制御ユニット１３には、図６に示す四輪駆動車の車輪荷重推定制御の制御プログラム及びステップＳ００の相関関係が予め格納されている。

本実施例の四輪駆動車の車輪荷重推定方法は、回転駆動手段により駆動される四輪駆動車の車輪荷重推定方法において、車両の積載荷重を種々変化させた総重量と、前輪車輪荷重と後輪車輪荷重の少なくとも一方の相関関係を予め設定する相関関係設定ステップと、前記回転駆動手段の出力トルクとこの出力トルクに対応する車両前後加速度とから現在の車両総重量を演算する車両総重量演算ステップと、前記相関関係と車両総重量とから、少なくとも駆動輪の車輪荷重を推定する車輪荷重推定ステップとを備えている。

次に、四輪駆動車の車輪荷重推定制御について、図２〜図６に基づいて詳しく説明する。なお、図６の各Ｓｉ（ｉ＝１，２，・・）は各ステップを示す。
［相関関係設定ステップ］（図６のＳ００、図２、図３〜図５参照）
前記の四輪駆動車１について、積載荷重及び積載形態を種々変化させた車両の総重量と、前輪車輪荷重と後輪車輪荷重の少なくとも一方の相関関係を予め設定する。
但し、車種が変われば前記の相関関係も変わるため、この相関関係は車種別に設定するものとする。

図２（ａ）〜（ｏ）は、前記の四輪駆動車１において積載荷重及び積載形態を種々変化させた状態を示すものであり、このような種々の積載状態にし車両停止状態で前輪車輪荷重と後輪車輪荷重とを測定した結果を図３に図示した。

尚、図２（ａ）〜（ｏ）において、シートは３列であるが、主に前側２列に人が乗車し、３列目のシートに荷物を積載する。各シートの斜線部は、体重７５ｋｇの成人男性が乗車した状態を示し、二重斜線部（クロスハッチング部）は体重７５ｋｇの成人男性が２名乗車した状態を示し、３列目のシートには１５，３０，４５，７５ｋｇの何れかの荷物を積載した状態を示す。

図３に示すように、積載荷重及び積載形態を種々変化させた場合にも、車両の総重量と前輪車輪荷重の間、車両の総重量と後輪車輪荷重の間には、小さな偏差の直線的な相関関係があることを知得することができた。
車両の総重量をＷ、前輪車輪荷重をＷｆ、後輪車輪荷重をＷｒとすると、
Ｗｆ＝ａＷ＋ｂ （但し、ａ，ｂは定数） （１）
Ｗｒ＝ｃＷ＋ｄ （但し、ｃ，ｄは定数） （２）
と表すことができる。

前記制御ユニット１３に、上記の（１）式と（２）式が予め格納される。
但し、総重量Ｗと前輪車輪荷重Ｗｆから後輪車輪荷重をＷｒを演算可能であり、総重量Ｗと後輪車輪荷重Ｗｒから前輪車輪荷重をＷｆを演算可能であるので、前記制御ユニット１３に、上記の（１）式と（２）式の何れか一方を予め格納してもよい。

尚、前記相関関係は、前記総重量Ｗをパラメータとして前記総重量Ｗに対する比率を夫々設定した前輪車輪荷重比率演算式及び後輪車輪荷重比率演算式により設定してもよい。
図３の前輪車輪荷重Ｗｆを総重量Ｗに対する前輪車輪荷重比率Ｒｆで表すと、図４のようになる。前輪車輪荷重比率演算式は、前輪車輪荷重比率Ｒｆ＝ｐＷ＋ｑ（但し、ｐ，ｑは定数）の式で記述することができる。

図３の後輪車輪荷重Ｗｒを総重量Ｗに対する後輪車輪荷重比率Ｒｒで表すと、図５のようになる。後輪車輪荷重比率演算式は、後輪車輪荷重比率Ｒｒ＝ｕＷ＋ｖ（但し、ｕ，ｖは定数）の式で記述することができる。

次に、図６のフローチャートに基づいて、四輪駆動車の車輪荷重推定制御について説明する。車両の走行開始と共にこの制御が開始され、最初にＳ１において、以下のステップにおいて必要な種々の信号が読み込まれる。
次に、Ｓ２において、車両が所定時間以上（例えば３０秒間以上）停車したか否か判定する。所定時間以上停車すると、車両に対する荷物の出し入れが行われて、車両の総重量Ｗが変化する可能性があるため、Ｓ２の判定がＹｅｓのときはＳ３へ移行する。

Ｓ３においては、水平方向に安定した加速走行状態か否か判定される。その判定がＹｅｓで安定した加速走行状態のときにはＳ４において車両総重量演算が実行される。
車両総質量Ｍ＝（駆動輪トルクＴｏ−各種抵抗Ｒ）／（タイヤ半径×加速度Ａ） （３） 尚、駆動輪トルクＴｏは、変速機７から出力されるＴＭ出力トルクに、トランスファー９のギヤ比とカップリング１１のギヤ比と後輪差動ギヤ装置１１のギヤ比等から決まる所定の定数を乗算した値として演算する。

各種抵抗Ｒは、タイヤ回転抵抗と転がり抵抗と空気抵抗を含むものである。これらの抵抗は車速にほぼ比例するため、本実施例では、各種抵抗Ｒ＝車速Ｖ×Ｋ（但し、Ｋは所定の定数）として演算する。尚、車速Ｖは、４つの車輪速センサ１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの検出信号を用いて演算することができる。
前記の車両総重量Ｗは、車両総重量Ｗ＝車両総質量Ｍ×Ｇ（但し、Ｇは重力加速度）の式で算出する。

次に、Ｓ５において、駆動輪の車輪荷重を推定し、メモリに記憶する。
この車輪荷重推定の際、前記のようにして演算された車両総重量Ｗを、予め格納している前記（１）式及び（２）式に適用することで、前輪車輪荷重Ｗｆと後輪車輪荷重Ｗｒとを演算し、前輪駆動状態であれば前輪車輪荷重Ｗｆを駆動輪の車輪荷重とし、四輪駆動状態であれば、前輪車輪荷重Ｗｆと後輪車輪荷重Ｗｒを駆動輪の車輪荷重とする。このＳ５を実行後はリターンする。

Ｓ２、Ｓ３の判定がＮｏの場合は、Ｓ６に移行し、Ｓ６において動的荷重移動を加味した車輪荷重を推定する。動的荷重移動は、車両の前後加速度Ａによる荷重移動と、車両の横加速度Ｂによる荷重移動を含むものである。

前後加速度をＡ、車両の重心高をＨ、ホイールベースをＬとすると、前後加速度Ａにより前輪車輪荷重Ｗｆの減少分ΔＷは、次式のようになる。
減少分ΔＷ＝前後加速度Ａ×重心高Ｈ×車両総重量Ｗ／ホイールベースＬ
それ故果、前輪車輪荷重Ｗｆが（Ｗｆ−ΔＷ）となり、後輪車輪荷重Ｗｒが（Ｗｒ＋ΔＷ）となるものと推定される。

他方、旋回走行時における横加速度をＢ、車両の重心高をＨ、トレッドをＤとすると、横加速度Ｂにより前後の旋回外輪の車輪荷重の増加分ΔＷoは、次式のようになる。
増加分ΔＷo＝横加速度Ｂ×重心高Ｈ×車両総重量Ｗ／トレッドＤ
それ故、前輪車輪荷重Ｗｆ、後輪車輪荷重Ｗｒの場合、横加速度Ｂにより旋回外輪と内輪の車輪荷重は次のようになる。
前輪の旋回外輪の車輪荷重＝（前輪車輪荷重Ｗｆ＋増加分ΔＷo）／２
前輪の旋回内輪の車輪荷重＝（前輪車輪荷重Ｗｆ−増加分ΔＷo）／２
後輪の旋回外輪の車輪荷重＝（前輪車輪荷重Ｗｒ＋増加分ΔＷo）／２
後輪の旋回内輪の車輪荷重＝（前輪車輪荷重Ｗｒ−増加分ΔＷo）／２

Ｓ６の次のＳ７においては、前記のように推定した前輪２ａ，２ｂと後輪３ａ，３ｂの車輪荷重の推定値を用いて、駆動力の一部を後輪駆動に配分する駆動力配分制御が実行され、その後リターンする。この駆動力配分制御においては、前輪のタイヤに作用する駆動力と横力の合力が、前輪車輪荷重Ｗｆ×路面摩擦係数μを超えないように、前輪２ａ，２ｂの駆動力を制限しつつ、駆動力の一部を後輪駆動に配分する制御である。このＳ７の後リターンする。

以上説明した四輪駆動車の車輪荷重推定方法の作用、効果について説明する。
車種別の車両について、積載重量と積載状態を種々変化させて実験した結果、積載状態によらずに、総重量Ｗと、前輪車輪荷重Ｗｆ及び後輪車輪荷重Ｗｒの間に一定の相関関係があることに着目し、車両の積載荷重を種々変化させた総重量Ｗと、前輪車輪荷重Ｗｆと後輪車輪荷重Ｗｒの少なくとも一方の相関関係を予め設定し、前記回転駆動手段の出力トルクとこの出力トルクに対応する車両前後加速度とから現在の車両総重量Ｗを演算し、前記相関関係と車両総重量Ｗとから、少なくとも駆動輪の車輪荷重を推定するため、前記相関関係を適正なものに設定しておけば、その相関関係を用いて少なくとも駆動輪の車輪荷重を精度良く推定することができる。

前記の駆動輪の車輪荷重は、主駆動輪(前輪）のスリップ可能性の有無の判定に有効活用して、エンジンの駆動力の一部を従駆動輪(後輪)の駆動に配分する制御に有効活用することができる。

前記の相関関係は、車種別に設定することになるが、各車種に１つの相関関係を設定すればよいので、簡単に設定でき、実用性に優れる。

前記相関関係は、前記総重量Ｗをパラメータとして夫々設定した前輪車輪荷重演算式及び後輪車輪荷重演算式により設定するため、総重量Ｗを前輪車輪荷重演算式及び後輪車輪荷重演算式に夫々適用することで前輪車輪荷重Ｗｆと後輪車輪荷重Ｗｒを簡単に演算することができる。

前記相関関係を、前記総重量Ｗをパラメータとして前記総重量Ｗに対する比率を夫々設定した前輪車輪荷重比率演算式及び後輪車輪荷重比率演算式により設定することも可能であり、その場合、前記総重量Ｗを前輪車輪荷重比率演算式及び後輪車輪荷重比率演算式に夫々適用することで、前輪車輪荷重比率と後輪車輪荷重比率を求め、前輪車輪荷重と後輪車輪荷重を簡単に演算することができる。

尚、前記実施例は、四輪駆動車両以外の種々の車種の車両の車輪荷重推定に適用することができる。
その他、当業者ならば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態をも包含するものである。

１ 四輪駆動車
２ａ，２ｂ 前輪
３ａ，３ｂ 後輪
６ エンジン
７ 変速機
８ 前輪差動ギヤ装置
９ トランスファ
１０ 駆動力伝達軸
１１ カップリング
１２ 後輪差動ギヤ装置

Claims (5)

1. 回転駆動手段により駆動される四輪駆動車の車輪荷重推定方法において、
   車両の積載荷重を種々変化させた総重量と、前輪車輪荷重と後輪車輪荷重の少なくとも一方の相関関係を予め設定する相関関係設定ステップと、
   前記回転駆動手段の出力トルクとこの出力トルクに対応する車両前後加速度とから現在の車両総重量を演算する車両総重量演算ステップと、
   前記相関関係と車両総重量とから、少なくとも駆動輪の車輪荷重を推定する車輪荷重推定ステップと、
   を備えたことを特徴とする四輪駆動車の車輪荷重推定方法。
2. 前記相関関係は車種別の相関関係として設定することを特徴とする請求項１に記載の四輪駆動車の車輪荷重推定方法。
3. 前記相関関係は、前記総重量をパラメータとして夫々設定した前輪車輪荷重演算式及び後輪車輪荷重演算式により設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の四輪駆動車の車輪荷重推定方法。
4. 前記相関関係は、前記総重量をパラメータとして前記総重量に対する比率を夫々設定した前輪車輪荷重比率演算式及び後輪車輪荷重比率演算式により設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の四輪駆動車の車輪荷重推定方法。
5. 前記四輪駆動車は前輪を主駆動輪とする四輪駆動車であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の四輪駆動車の車輪荷重推定方法。