WO2018073912A1

WO2018073912A1 - タイヤ力推定装置およびタイヤ力推定方法

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Publication number: WO2018073912A1
Application number: PCT/JP2016/080960
Authority: WO
Inventors: 寿慧徳永; 和宏市川
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2018-04-26
Also published as: EP3530559A4; EP3530559B1; US20190242767A1; JPWO2018073912A1; JP6823664B2; US11370502B2; EP3800116B1; EP3530559A1; EP3800116A1

Abstract

タイヤ力推定装置は、車体の前後軸周りに傾斜した状態で旋回する車両の車輪に路面から働く力であるタイヤ力を推定する。タイヤ力推定装置は、前後軸に垂直な平面内での車体の運動量の時間変化に応じて、路面から車輪に働く力を推定する第１タイヤ力推定部を備える。

Description

タイヤ力推定装置およびタイヤ力推定方法

　本発明は、車体を前後軸周りに傾斜させた状態であるバンク状態で旋回する車両におけるタイヤ力を推定する装置および方法に関する。

　特許文献１は、自動二輪車の車輪と路面との間に働く車輪力、すなわちタイヤ力を推定する装置を開示している。この装置は、自動二輪車に働く遠心力と重力との合力（Ｆｈ）が、路面から前輪に働く前輪横力および前輪上下力の合力（Ｆｆ４）と、路面から後輪に働く後輪横力および後輪上下力の合力（Ｆｒ４）との釣合いに基づいて、車輪力を推定している。

特開２０１５－８５９０５号公報

　しかし、旋回走行の開始期や終了期のように、車体の前後軸周りの傾斜角、すなわちバンク角が時間経過に伴って変化していく過渡状況下では、上記釣合いは保たれない。したがって、上記装置は、このような過渡状況下でのタイヤ力を正確に推定できない。

　そこで本発明は、バンク状態で旋回する車両におけるタイヤ力の推定精度向上を目的としている。

　本発明の一形態に係るタイヤ力推定装置は、車体を前後軸周りに傾斜させた状態で旋回する車両の車輪に路面から働く力であるタイヤ力を推定するタイヤ力推定装置であって、前記前後軸に垂直な平面内での車体の運動状態の時間変化に応じて、路面から車輪に働く力を推定する第１タイヤ力推定部を備える。

　前記構成によれば、質点の質量と、質点の運動状態の時間変化との積が、質点に働く力と釣り合うことから、車体の前後軸に垂直な平面内での運動状態の時間変化に応じて、路面から車輪に働くタイヤ力を推定する。運動状態の時間変化に応じてタイヤ力を推定するので、旋回時にバンク角が時間経過に伴って変化する過渡状態でも、タイヤ力を精度よく推定できる。

　前記第１タイヤ力推定部は、第１運動方程式、第２運動方程式および第３運動方程式を用いて、路面から車輪に働く鉛直力および横力を推定し、前記第１運動方程式が、車体の鉛直方向運動状態の時間変化と、鉛直力との釣り合いの関係を表し、前記第２運動方程式が、車体の横方向運動状態の時間変化と、横力との釣り合いの関係を表し、前記第３運動方程式が、車体の前後軸周り運動状態の時間変化と、鉛直力および横力との釣り合いの関係を表してもよい。

　前記第１タイヤ力推定部は、バンク角の時間変化と関連する値に基づいて、前記鉛直方向運動状態の時間変化、前記横方向運動状態の時間変化、および前記前後軸周り運動状態の時間変化を取得してもよい。

　前記車両が、前記車輪として前輪および後輪を有し、前記第１タイヤ力推定部は、前記前後軸に垂直な平面内での車体の運動状態の時間変化に応じて、前記路面から前記前輪および前記後輪に働く前記力の総和を推定し、前記力の前記総和を路面から前記前輪に働く前輪力と路面から前記後輪に働く後輪力とに分配するようにして、前記前輪力および前記後輪力を推定してもよい。

　前記第１タイヤ力推定部は、車体の前後方向運動状態の時間変化に応じて、前記力の前記総和を前記前輪力と前記後輪力とに分配してもよい。

　前記第１タイヤ力推定部は、バンク角に応じて、前記前輪力と前記後輪力とへの分配比率を変化させてもよい。

　路面から前記車輪に前後方向に働く前後力を推定する第２タイヤ力推定部を備え、前記第２タイヤ力推定部は、車体の前後方向運動状態の時間変化に基づいて、路面から前記前輪および前記後輪に働く前後力の総和を推定し、前記前輪の制動力に基づいて、路面から前記前輪に働く前輪前後力を推定し、推定された前記前後力の前記総和と前記前輪前後力とに基づいて、路面から前記後輪に働く後輪前後力を推定してもよい。

　本発明の別形態に係るタイヤ力推定装置は、車体を前後軸周りに傾斜させた状態で旋回する車両の車輪に路面から働く力であるタイヤ力を推定するタイヤ力推定装置であって、前記車両は前記車輪として前輪および後輪を有し、前記装置は、路面から前記前輪に働く前輪力、および路面から前記後輪に働く後輪力を推定する第１タイヤ力推定部を備え、前記第１タイヤ力推定部は、路面から仮想車輪に働く力の総和を推定し、車体の前後方向運動状態の時間変化とバンク角とに応じて、前記力の前記総和を前記前輪力と前記後輪力とに分配することで、前記前輪力および前記後輪力を推定する。

　本発明の一形態に係るタイヤ力推定方法は、車体を前後軸周りに傾斜させた状態であるバンク状態で旋回する車両の車輪に路面から働く力であるタイヤ力を推定する方法であって、車体の前後軸周りの角度、角速度および角加速度に応じて、路面から車輪に鉛直方向に働く鉛直力および路面から車輪に横方向に働く横力を推定する。

　本発明の別形態に係るタイヤ力推定方法は、車体を前後軸周りに傾斜させた状態であるバンク状態で旋回する車両の車輪に路面から働く力であるタイヤ力を推定する方法であって、前記車両は前記車輪として前輪および後輪を有し、前記方法は、路面から仮想車輪に鉛直方向に働く力の総和を推定し、車体の前後方向運動状態の時間変化とバンク角とに応じて、前記力の前記総和を前記前輪に働く前輪力と前記後輪に働く後輪力とに分配する。

　本発明によれば、バンク状態で旋回する車両におけるタイヤ力の推定精度を向上できる。

実施形態に係るタイヤ力推定装置の構成を示すブロック図である。前後力推定を示す概念図である。鉛直力および横力推定の概念図である。鉛直力前後分配および横力前後分配の概念図である。

　以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。本書では、ニュートンの記法に従うドット符合を、変数を表すアルファベットの右に記載する場合がある。特段断らなければ、用語「車輪」は、ハブ、リムおよびスポークを有する狭義のホイールと、リムに装着されて路面と接するタイヤとを含んだ組立体を指す。用語「前後軸」は、仮想的な軸線であって、前輪の接地点と後輪の接地点とを通過し、車両前後方向に延び、かつ車幅方向に直交する軸線である。「バンク角」は、車体の傾斜角であって、前後軸周りの傾斜角である。別の言い方では、「バンク角」は、正面視で表される車体の車幅方向中心線の延在方向の、路面と垂直な方向に対する傾き[deg]である。車幅方向中心線の延在方向が路面と垂直な方向に延在しているとき、車体は直立状態、バンク角はゼロ値[deg]をとる。

　図１に示すタイヤ力推定装置１は、本実施例では車両に搭載される。タイヤ力推定装置１は、車体を前後軸周りに傾斜させた状態であるバンク状態で旋回する車両の車輪に路面から働く力である「タイヤ力」を推定する。また、直進走行する場合、車両は、車高方向を路面と垂直な方向（概して鉛直方向）とほぼ一致させた直立状態で走行する。

　（自動二輪車）
　このような車両の一例として、自動二輪車を挙げられる。自動二輪車は、車輪として、１つの前輪および１つの後輪を有する。自動二輪車では、少なくとも一方の車輪が駆動輪であり、本実施例では、後輪が駆動輪であり、前輪が従動輪かつ操舵輪である。駆動輪には、エンジンや電気モータなどの動力源で発生されたトルクが伝達される。駆動輪には、いわゆるエンジンブレーキ力や回生制動力など、駆動源の慣性を利用する制動力も作用する。自動二輪車は、前輪を制動する前輪ブレーキ装置、および後輪を制動する後輪ブレーキ装置を備えている。どちらのブレーキ装置も油圧式であり、対象とする車輪にブレーキ圧と概ね比例した制動力を付与する。

　（タイヤ力）
　まず、路面の勾配およびカントは考慮しないものとする。タイヤ力推定装置１は、タイヤ力として、路面から車輪に鉛直方向上向きに働く「鉛直力Ｎ」、路面から車輪に横方向に働く「横力Ｆ_ｙ」、路面から車輪に前後方向に働く「前後力Ｆ_ｘ」を推定できる。なお、鉛直方向、前後方向、および横方向は、互いに直交する。前後方向は、前述した前後軸に沿って延びる方向である。横方向は、直進走行状態において車軸が延びる方向である。車体の上下軸周りの向きの変化に応じて、前後方向および横方向は変化する。

　タイヤ力推定装置１は、タイヤ力として、路面から前輪に働く「前輪力」、路面から後輪に働く「後輪力」を推定できる。

　タイヤ力推定装置１は、タイヤ力として、路面から前輪に鉛直方向上向きに働く「前輪鉛直力Ｎ_ｆ」、および路面から後輪に鉛直方向上向きに働く「後輪鉛直力Ｎ_ｒ」を推定できる。タイヤ力推定装置１は、タイヤ力として、路面から前輪に横方向に働く「前輪横力Ｆ_ｙｆ」、および路面から後輪に横方向に働く「後輪横力Ｆ_ｙｒ」を推定できる。タイヤ力推定装置１は、タイヤ力として、路面から前輪に前後方向に働く「前輪前後力Ｆ_ｘｆ」、および路面から後輪に前後方向に働く「後輪前後力Ｆ_ｘｒ」を推定できる。

　以降、「前輪鉛直力Ｎ_ｆ」と「後輪鉛直力Ｎ_ｒ」との和を「総和鉛直力Ｎ」と称する場合がある。「前輪横力Ｆ_ｙｆ」と「後輪横力Ｆ_ｙｒ」との和を「総和横力Ｆ_ｙ」と称する場合がある。「前輪前後力Ｆ_ｘｆ」と「後輪前後力Ｆ_ｘｒ」との和を「総和前後力Ｆ_ｘ」と称する場合がある。前述した「鉛直力」は、「前輪鉛直力Ｎ_ｆ」、「後輪鉛直力Ｎ_ｒ」および「総和鉛直力Ｎ」を含意する。前述した「横力」および「前後力」についても、これと同様とする。

　前述した「前輪力」は、「前輪鉛直力Ｎ_ｆ」、「前輪横力Ｆ_ｙｆ」および「前輪前後力Ｆ_ｘｆ」を含意し、更には、これら３力のうち２以上の力の合力（例えば、前輪鉛直力Ｎ_ｆと前輪横力Ｆ_ｙｆとの合力）も含意できる。「後輪力」は、「後輪鉛直力Ｎ_ｒ」、「後輪横力Ｆ_ｙｒ」および「後輪前後力Ｆ_ｘｒ」を含意し、更には、これら３力のうち２以上の力の合力（例えば、後輪鉛直力Ｎ_ｒと後輪横力Ｆ_ｙｒとの合力）も含意できる。

　（タイヤ力推定装置）
　タイヤ力推定装置１は、タイヤ力を推定する方法の手順に関した推定プログラムを格納する記憶部と、車体のバンク角（車体の前後軸周りの傾斜角）や前後方向加速度といった車両状態を示す入力値が与えられる入力部１ａと、入力部１ａに与えられる入力値および記憶部に記憶されるプログラムを参照してタイヤ力の推定を実行する演算部１ｂと、演算部１ｂの演算結果（タイヤ力）を外部に出力する出力部１ｃとを有する制御器によって実現される。なお、記憶部は、入力値、および入力値に基づいてプログラム実行中に取得される中間値を一時的に記憶してもよい。このような制御器の一例として、車載ＥＣＵ（Electric Control Unit）を挙げられる。記憶部は、車両、搭乗者および積載物の質量を統合した乗車質量の推定値である推定質量、車体重心から路面までの距離、ホイールベース等の車体の幾何学的情報などの情報を予め記憶してもよい。ただし、このような情報は、タイヤ力推定装置１の外部から入力部１ａに与えられてもよいし、推定プログラムの実行中に演算部１ｂによって中間値として取得されてもよい。

　タイヤ力推定装置１は、演算部１ｂの機能ブロックとして、第１タイヤ力推定部１１、第２タイヤ力推定部１２、および微分演算部１３を備える。

　本実施形態では、タイヤ力推定装置１は、入力値として、バンク角β、車速（車体の前後速度）ｘ^・、および油圧式前輪ブレーキ装置における前輪ブレーキ圧Ｐ_ｆが与えられる。車両は、タイヤ力推定装置１と併せて、バンク角βを検出するバンク角センサ２、車速を検出する車速センサ３、前輪ブレーキ圧Ｐ_ｆを検出する前輪ブレーキ圧センサ４を備える。バンク角センサ２は、バンク角βの時間変化を把握可能に、時間経過に応じて車体のバンク角βを逐次出力する。車速センサ３は、車速の時間変化を把握可能に、時間経過に応じて車速を逐次出力する。微分演算部１３は、入力されたバンク角βに基づいて、バンク角βの時間変化であるバンク角速度（バンク角βの一階時間微分値）β^・、およびバンク角速度β^・の時間変化であるバンク角加速度（バンク角βの二階時間微分値）β^・・を求める。微分演算部１３は、入力された車速ｘ^・に基づいて、車速ｘ^・の時間変化である前後加速度（車速ｘ^・の一階時間微分値）ｘ^・・を求める。

　ただし、これは一例である。車両がバンク角速度β^・を検出するバンク角速度センサを備え、タイヤ力推定装置１が、バンク角速度センサから与えられたバンク角速度β^・に基づいてバンク角βを求める積分演算部を有していてもよい。車両が前後加速度ｘ^・・を検出する加速度センサを備え、タイヤ力推定装置１が加速度センサからの前後加速度ｘ^・・を与えられてもよい。直進走行状態を判定可能であれば、直進走行状態でのバンク角をゼロと判断することで、バンク角速度センサを用いて、バンク角およびバンク角加速度を求めることができる。

　（前後力Ｆ_ｘ，第２タイヤ力推定部）
　説明の便宜上、第２タイヤ力推定部１２から説明する。図１および２に示すように、第２タイヤ力推定部１２は、路面から車輪に前後方向に働く前後力を推定する。第２タイヤ力推定部１２によって推定される「前後力」には、総和前後力Ｆ_ｘ、前輪前後力Ｆ_ｘｆ、後輪前後力Ｆ_ｘｒが含まれる。第２タイヤ力推定部１２は、式（１）に従って総和前後力Ｆ_ｘを推定する。

　ここで、ｍは、乗車質量である。式（１）に示すとおり、本例では、車体の前後方向運動量の時間変化が総和前後力Ｆ_ｘと等しいものとしている。乗車質量ｍは定数として取り扱うことができ、タイヤ力推定装置１の記憶部に予め記憶されていてもよい。その場合、結局、第２タイヤ力推定部１２は、車体の前後方向運動状態の時間変化、すなわち、車体の前後加速度ｘ^・・に基づき、総和前後力Ｆ_ｘを推定する。

　第２タイヤ力推定部１２は、推定された総和前後力Ｆ_ｘを前輪前後力Ｆ_ｘｆと後輪前後力Ｆ_ｘｒとに分配することで、前輪前後力Ｆ_ｘｆと後輪前後力Ｆ_ｘｒとを推定する。第２タイヤ力推定部１２は、前輪前後力Ｆ_ｘｆは前輪制動力と同等であり、前輪制動力は前輪ブレーキ圧Ｐ_ｆと比例関係にあるとの想定の下、式（２）に従って前輪前後力Ｆ_ｘｆを推定する。

　ここで、Ｋは比例定数であり、その数値は事前に（タイヤ力推定装置１の設計段階で）求めることができ、タイヤ力推定装置１の記憶部に予め記憶されている。このように、第２タイヤ力推定部１２は、タイヤ力推定装置１に入力される前輪ブレーキ圧Ｐ_ｆに基づき、前輪前後力Ｆ_ｘｆを推定する。

　次に、第２タイヤ力推定部１２は、総和前後力Ｆ_ｘが前輪前後力Ｆ_ｘｆと後輪前後力Ｆ_ｘｒとの和であるとの想定の下、式（３）に従って後輪前後力Ｆ_ｘｒを推定する。

　このように、第２タイヤ力推定部１２は、総和前後力Ｆ_ｘから前輪前後力Ｆ_ｘｆを減算することによって、後輪前後力Ｆ_ｘｒを推定する。前輪前後力Ｆ_ｘｆが前輪制動力とみなされる一方、後輪前後力Ｆ_ｘｒは、駆動源から伝達される前進方向駆動力、駆動源の慣性に基づく制動力、および後輪ブレーキ装置により発生される後輪制動力などの複合である。

　本例のタイヤ力推定装置１においては、前後方向加速度ｘ^・・および前輪ブレーキ圧Ｐ_ｆを監視することで、総和前後力Ｆ_ｘ、前輪前後力Ｆ_ｘｆおよび後輪前後力Ｆ_ｘｒの３力を推定できる。総和前後力Ｆ_ｘおよび前輪前後力Ｆ_ｘｆを求めてから後輪前後力Ｆ_ｘｒを受動的に推定するという手法を採るので、３力の推定値を簡便に得ることができる。

　（鉛直力Ｎ，横力Ｆ_ｙ，第１タイヤ力推定部）
　次に、第１タイヤ力推定部１１について説明する。図１および３に示すように、第１タイヤ力推定部１１は、車体の前後軸に垂直な平面内での車体の運動状態の時間変化に応じて、路面から車輪に働く力を推定する。ここでの「前後軸」は、前輪接地点および後輪接地点を通過して前後方向に延びる仮想的な軸線である。単に「運動状態」という場合、並進運動での運動状態も、回転運動での運動状態も含意する。また、「運転状態」は、慣性質量と速度との積と同等の「運動量」を含意できる。「運動状態の時間変化」は、並進運動においては、慣性質量と運動方向における加速度との積と同等であり、回転運動では、慣性モーメントと運動方向における角加速度との積と同等である。用語「運動状態の時間変化に応じて」は、並進運動では「運動方向における加速度に応じて」と同等であり、回転運動では「運動方向における角加速度に応じて」と同等である。よって、第１タイヤ力推定部１１は、車体の前後軸に垂直な平面内での車体の加速度および／または角加速度に応じて、路面から車輪に働く力を推定する、とも言える。

　「前後軸に垂直な平面内での車体の運動状態」には、鉛直方向の運動状態、横方向の運動状態、前後軸周りの運動状態が含まれる（式（４）～（６）も参照）。横滑りなく上下凹凸のない路面に接地した状態を保って走行している車両において、車体重心の鉛直方向または横方向における運動（換言すれば、車体重心の鉛直方向または横方向における移動）は、バンク角（車体の前後軸周りの傾斜角）の時間変化によって生じる。前後軸周りの回転運動は、バンク角の時間変化そのものである。本例の車両は、前述のとおり前後軸周りに傾斜した状態で旋回し、バンク角の時間変化は、典型的には、旋回走行の開始期および終了期に生じる。

　第１タイヤ力推定部１１は、バンク角の変化によって生じる車体の運動状態の時間変化（バンク角の時間変化に起因して車輪、ひいては車体に働く外力）を考慮して、タイヤ力を推定する。そのため、バンク角が時間経過に伴って変化していく過渡走行中（例えば、旋回走行の開始期および終了期）でのタイヤ力の推定精度が高い。

　第１タイヤ力推定部１１によって推定される力には、総和鉛直力Ｎ、総和横力Ｆ_ｙ、前輪鉛直力Ｎ_ｆ、前輪横力Ｆ_ｙｆ、後輪鉛直力Ｎ_ｒ、後輪横力Ｆ_ｙｒが含まれる。本例では、第１タイヤ力推定部１１が、鉛直力Ｎ，Ｎ_ｆ，Ｎ_ｒおよび横力Ｆ_ｙ，Ｆ_ｙｆ，Ｆ_ｙｒの両方を推定するが、鉛直力Ｎ，Ｎ_ｆ，Ｎ_ｒと横力Ｆ_ｙ，Ｆ_ｙｆ，Ｆ_ｙｒの少なくともいずれか一方を推定してもよい。

　図３は、第１タイヤ力推定部１１によるタイヤ力推定原理を示す図である。図３に示すように、第１タイヤ力推定部１１の推定では、前後軸に垂直な平面（ＹＺ平面）内で、車体を簡易的な剛体と質点とで表現したモデルが想定される。車両は一般に前後方向に離れた複数の車輪を有するのに対し、図３に示すモデルでは、前後方向の次元が省略されている。そこで、当該モデルでは、車両内の複数の車輪を代表あるいは統合した「仮想車輪」が想定される。本例では、タイヤ力推定装置１が前輪および後輪を１つずつ設けた自動二輪車に搭載されるものと想定されており、仮想車輪は１輪である。なお、質点位置は車体重心位置として用いる。

　第１タイヤ力推定部１１は、当該モデルに従って表される第１運動方程式（下式（４））、第２運動方程式（下式（５））、および第３運動方程式（下式（６））を用いて、仮想車輪に働く鉛直力および横力を推定する。仮想車輪に働く鉛直力は、総和鉛直力Ｎに相当し、仮想車輪に働く横力は、総和横力Ｆ_ｙに相当する。

　ここで、Ｎは、路面から車両に働く鉛直荷重であり、「総和鉛直力」に相当する。ｇは、重力加速度である。Ｉ_Ｇｘは、車体の前後軸周りの慣性モーメント（ロール慣性モーメント）である。βはバンク角である。ｙ_Ｇ、ｚ_Ｇはそれぞれ、車両重心の横方向位置と鉛直方向位置（車両重心位置のｙ座標とｚ座標）である。なお、ＹＺ平面の原点はタイヤ接地点に設定されている。

　第１運動方程式（４）は、車体の鉛直方向運動状態の時間変化（左辺参照）と、鉛直方向に対して重心に与えられる外力の総和（右辺参照）との釣合いの関係を表す方程式であり、外力として鉛直力と重力とが考慮されている。第１運動方程式（４）において、ｍｇは、車体重心に作用する重力を指す。ｚ_Ｇ ^・・は、車体重心の鉛直方向位置ｚ_Ｇの二階時間微分値であって、車体重心の鉛直方向加速度である。第１運動方程式（４）に示されるとおり、鉛直方向加速度に応じて総和鉛直力Ｎは変わる。

　第２運動方程式（５）は、車体の横方向運動状態の時間変化（左辺参照）と、横方向に対して重心に与えられる外力の総和（右辺参照）との釣合いの関係を表す方程式であり、外力として横力（総和横力Ｆ_ｙ）が考慮されている。ｙ_Ｇ ^・・は、車体重心の横方向位置ｙ_Ｇの二階時間微分値であって、車体重心の横方向加速度である。第２運動方程式（５）に示されるとおり、横方向加速度に応じて総和横力Ｆｙは変わる。

　第３運動方程式（６）は、車体の前後軸周りの運動状態の時間変化（左辺参照）と、前後軸周りに車体重心に与えられる外力のモーメントの総和（右辺参照）との釣合いの関係を表す方程式である。外力のモーメントとして、鉛直力に基づくモーメントと、横力に基づくモーメントとが考慮されている。鉛直力に基づくモーメントは、鉛直力と、タイヤ接地点から車体重心位置までの横方向における距離（以下、「横方向重心距離」という）との積である。横力に基づくモーメントは、横力と、タイヤ接地点から車体重心位置までの鉛直方向における距離（以下、「鉛直方向重心距離」という）との積である。本例では、タイヤ接地点に原点をおいたｙｚ座標系が考慮されており、車体重心の横方向位置（ｙ座標）が、横方向重心距離に相当し、車体重心の鉛直方向位置（ｚ座標）が、鉛直方向重心距離に相当している。

　ここで、タイヤは常に接地していると仮定し、タイヤ接地点の鉛直方向位置を０で一定と考える。仮想車輪のクラウン径ｒを考慮すると、車体重心の鉛直方向位置ｚ_Ｇは、式（７）で表され、車体重心の横方向位置ｙ_Ｇは、式（８）で表される。また、式（７）より、鉛直方向位置ｚ_Ｇの二階時間微分値（車体重心の鉛直方向加速度）ｚ_Ｇ ^・・は、式（９）で表される。なお、左右に車輪を有する車両（例えば、四輪自動車）のトレッド面は扁平であるのに対して、バンク状態で旋回する車両に装着されるタイヤにおいては、旋回走行時に車体を前後軸周りに傾斜させやすくするため、トレッド面が略半円形状の正面視断面を有する。「クラウン径」は、タイヤのトレッド面の曲率半径である。本例では、トレッド面の断面形状が真円弧であり、また、トレッドパターンおよびスパイクは無いものとしている。

　ここで、ｈ_０は、前後軸に垂直な平面内におけるクラウン中心から車体重心までの距離である。バンク角βによらず、クラウン中心と車体重心とを結ぶ線は、車高方向に延びることになるので、以下、説明便宜上、当該距離ｈ_０を「重心高さ」と呼ぶ。車体が剛体として仮想されているので、重心高さｈ_０は一定である。

　なお、タイヤ力推定装置１を搭載する車両では、前輪のクラウン径と後輪のクラウン径とが異なる場合がある。そのような場合、仮想車輪のクラウン径ｒは、例えば、前輪クラウン径と後輪クラウン径との平均値を用いてもよい。あるいは、前輪クラウン径が代用されてもよいし、後輪クラウン径が代用されてもよい。

　式（４）、（９）より、総和鉛直力Ｎは、式（１０）で表すことができる。式（５）、（６）、（９）より総和横力Ｆ_ｙは、式（１１）で表すことができる。

　このように、総和鉛直力Ｎおよび総和横力Ｆ_ｙは、乗車質量ｍ、クラウン径ｒが考慮された重心高さｈ_０、ロール慣性モーメントＩ_Ｇｘ、バンク角β、およびその時間変化に関連する値から推定できる。そのうち、乗車質量ｍ、クラウン径ｒ、重心高さｈ_０、ロール慣性モーメントＩ_Ｇｘについては、重力加速度ｇと共に、定数として取り扱うことができ、タイヤ力推定装置１の記憶部に予め記憶されていてもよい。なお、「バンク角βの時間変化に関連する値」には、バンク角βの時間微分値、例えば、一階時間微分値（バンク角速度）および二階時間微分値（バンク角加速度）が含まれる。

　第１タイヤ力推定部１１は、タイヤ力推定装置１に与えられたバンク角βと、微分演算部１３によって取得されたバンク角速度β^・およびバンク角加速度β^・・とに基づいて、式（１０）に従って総和鉛直力Ｎを推定し、式（１１）に従って総和横力Ｆ_ｙを推定する。このとおり、本例のタイヤ力推定装置１においては、バンク角βおよびその時間変化に関連する値を監視するだけで、総和鉛直力Ｎおよび総和横力Ｆ_ｙを推定できる。

　図１、４Ａおよび４Ｂに示すように、第１タイヤ力推定部１１は、推定された力の総和を路面から前輪に働く前輪力と路面から後輪に働く後輪力とに分配することで、前輪力および後輪力を推定する。本例では、総和鉛直力Ｎと総和横力Ｆ_ｙとが「力の総和」として推定されている。第１タイヤ力推定部１１は、総和鉛直力Ｎを前輪鉛直力Ｎ_ｆと後輪鉛直力Ｎ_ｒとに分配し、総和横力Ｆ_ｙを前輪横力Ｆ_ｙｆと後輪横力Ｆ_ｙｒとに分配する。これにより、第１タイヤ力推定部１１は、前輪力としての前輪鉛直力Ｎ_ｆおよび前輪横力Ｆ_ｙｆを推定し、また、後輪力としての後輪鉛直力Ｎ_ｒおよび後輪横力Ｆ_ｙｒを推定する。具体的には、第１タイヤ力推定部１１は、式（１２）に示すとおり、総和鉛直力Ｎが前輪鉛直力Ｎ_ｆと後輪鉛直力Ｎ_ｒとの和であるとして、総和鉛直力Ｎを前輪鉛直力Ｎ_ｆと後輪鉛直力Ｎ_ｒとに分配する。第１タイヤ力推定部１１は、式（１３）に示すとおり、総和横力Ｆ_ｙが前輪横力Ｆ_ｙｆと後輪横力Ｆ_ｙｒとの和であるとして、総和横力Ｆ_ｙを前輪横力Ｆ_ｙｆと後輪横力Ｆ_ｙｒとに分配する。

　第１タイヤ力推定部１１は、車体の前後方向運動状態の時間変化に応じて、力の総和を前輪力と後輪力とに分配する。また、前後方向運動状態の時間変化は、前述のとおり、総和前後力Ｆ_ｘに相当する。よって、第１タイヤ力推定部１１は、総和前後力Ｆ_ｘに応じて、前後加速度ｘ^・・に応じて、力の総和を前輪力と後輪力とに分配する、とも言える。更に、第１タイヤ力推定部１１は、バンク角状態に応じて、力の総和を前輪力と後輪力とに分配する。

　本例では、第１タイヤ力推定部１１は、前後方向運動状態の時間変化（総和前後力Ｆ_ｘ）、およびバンク角に応じて、総和鉛直力Ｎを分配する。第１タイヤ力推定部１１は、前後方向運動状態の時間変化（総和前後力Ｆ_ｘ）、およびバンク角に応じて、総和横力Ｆ_ｙを分配する。

　具体的には、第１タイヤ力推定部１１は、式（１４）に従って総和鉛直力Ｎから前輪鉛直力Ｎ_ｆを求め、式（１２）を変形した式（１５）に従って総和鉛直力Ｎおよび前輪鉛直力Ｎ_ｆから後輪鉛直力Ｎ_ｒを求める。また、第１タイヤ力推定部１１は、式（１６）に従って総和横力Ｆ_ｙから前輪横力Ｆ_ｙｆを求め、式（１３）を変形した式（１７）に従って総和横力Ｆ_ｙおよび前輪横力Ｆ_ｙｆから後輪横力Ｆ_ｙｒを求める。

　ここで、ｐは、ホイールベース（後輪車軸から前輪車軸までの前後方向距離）、ｂは、後輪車軸から車体重心までの前後方向距離である。式（１４）におけるＧ_Ｎ（ｘ^・・，β）、および式（１６）におけるＧ_Ｆｙ（ｘ^・・，β）は、前後加速度ｘ^・・およびバンク角βを変数とする関数によって求まる値である。Ｇ_Ｎ（ｘ^・・，β）およびＧ_Ｆｙ（ｘ^・・，β）は、互いに異なる関数によって定義されており、車両（その設計パラメータ）に応じて異なる値をとる。

　例えば、Ｇ_Ｎ（ｘ^・・，β）およびＧ_Ｆｙ（ｘ^・・，β）は、バンク角βが同一の条件下において、正の前後加速度ｘ^・・（前進方向の加速度）が大きいほど、前輪鉛直力Ｎ_ｆの総和鉛直力Ｎに対する割合が低くなり、前輪横力Ｆ_ｙｆの総和横力Ｆ_ｙに対する割合が低くなるように定義される。正の前後加速度ｘ^・・が同一の条件下において、バンク角βが大きいほど、前輪鉛直力Ｎ_ｆの総和鉛直力Ｎに対する割合が高くなり、前輪横力Ｆ_ｙｆの総和横力Ｆ_ｙに対する割合が高くなるように定義される。このように、バンク角βに応じて前輪力と後輪力とへの分配比率を異ならせることで、バンク状態における分配比率を実際の値に近づけることができ、過渡状況下での前輪力および後輪力の推定精度が向上する。

　（作用）
　上記のとおり、タイヤ力推定装置１は、車体の前後軸に垂直な平面内での車体の運動状態の時間変化に応じて、路面から車輪に働く力を推定する第１タイヤ力推定部１１を備えている。前後軸に垂直な平面内での車体重心の運動状態の時間変化は、例えば、バンク角（前後軸周りの車体の傾斜角）の変化に伴って生じる。そして、運動の第２法則より、車体の運動状態の時間変化は車体に働く外力と相関する（車体速度の時間変化と外力は比例し、車体の運動量の時間変化は外力と釣り合う）。この外力は、路面から車輪に働くタイヤ力が支配的である。このようなことから、前後軸に垂直な平面内での車体の運動状態の時間変化を考慮することにより、バンク角が時間経過と共に変化していくような過渡状況下でも、タイヤ力を精度よく推定できる。

　特に、第１タイヤ力推定部１１は、第１運動方程式（式（４））、第２運動方程式（式（５））、第３運動方程式（式（６））の３つの運動方程式から、路面から車輪に働く鉛直力および横力を推定する。第１運動方程式（式（４））は、車体の鉛直方向運動状態の時間変化と、鉛直力との釣り合いの関係を表す方程式である。第２運動方程式（式（５））は、車体の横方向運動状態の時間変化と、横力との釣り合いの関係を表す方程式である。第３運動方程式（式（６））が、車体の前後軸周り運動状態の時間変化と、鉛直力および横力との釣り合いの関係を表す方程式である。３つの運動方程式を用いることで、２つの未知数である鉛直力および横力を推定できる。

　特に、第１タイヤ力推定部１１は、車体のバンク角βの時間変化と関連する値（具体的には、バンク角速度β^・やバンク角加速度β^・・）に基づいて、鉛直方向運動状態の時間変化、横方向運動状態の時間変化、および前後軸周り運動状態の時間変化を取得する。換言すれば、第１運動方程式（式（４））、第２運動方程式（式（５））、第３運動方程式（式（６））が、車体のバンク角βの時間変化と関連する値を因子に持つ。バンク角βまたはその時間変化関連値の一つを取得できれば、微分演算（または積分演算）により、他に必要な値は容易に取得できる。よって、入力情報を一つ取得するだけで、２つの未知数である鉛直力および横力を推定できる。

　タイヤ力推定装置１は、車輪として前輪および後輪を有する車両に搭載される。その場合において、第１タイヤ力推定部１１は、前後軸（前輪接地点と後輪接地点とを通過する前後方向に延びる仮想的な軸線）に垂直な平面内での車体の運動状態の時間変化に応じて、路面から前輪および後輪に働く力の総和を推定し、力の総和を路面から前輪に働く前輪力と路面から後輪に働く後輪力とに分配するようにして、前輪力および後輪力を推定している。このように、まず、車輪全体に働く力の総和を推定してから、その総和を前輪力と後輪力とに分配するという手法を採る。前輪力と後輪力とをそれぞれ別々に推定し、前輪力と後輪力とを加算して総和を推定する場合と比較して、推定演算負荷および推定精度低下を軽減できる。

　第１タイヤ力推定部１１は、車体の前後方向運動状態の時間変化に応じて、力の総和を前輪力と後輪力とに分配する。前後方向運動状態の時間変化は、慣性質量と前後加速度の積と同等であるから、前輪力と後輪力との分配比率が前後加速度に応じて変わることになる。加減速しているような過渡状況下にあっても、前後加速度を考慮して総和が分配されるので、前輪力および後輪力の推定精度が向上する。特に、旋回走行の開始期には、減速を伴ってバンク角が大きくなる。旋回走行の終了期には、加速を伴ってバンク角が小さくなる。本例では、バンク角および前後加速度の両方を考慮するので、旋回走行の開始期および終了期におけるタイヤ力の推定精度が高くなる。

　このタイヤ力推定装置１において用いられている推定方法は、（１）車体情報取得工程、（２）走行情報取得工程、（３）総和力推定行程、および（４）前後分配行程を有する。工程（１）は、ホイールベース、重心位置、車体質量など、演算に必要なパラメータであって走行状態以外のパラメータを取得する工程であり、装置外のセンサから取得され、あるいは装置内の記憶部から取得され、あるいは装置内の演算部によって中間値として取得される。例えば、車体質量は、定数として記憶部に予め記憶されていてもよいし、重量センサその他のセンサ入力値に基づいて演算部により推定されてもよい。工程（２）は、走行状態を示すパラメータを取得する工程であり、装置外のセンサ（上記例では、センサ２～４）から入力値として、あるいは、装置内の演算部１ｂによって中間値（上記例では、バンク角速度β^・など）として取得される。工程（３）は、工程（１）および（２）で取得された情報に基づいて、総和力（総和鉛直力、総和横力、総和前後力）を推定する工程である。工程（４）は、工程（３）で推定された総和力に基づき、工程（１）および／または（２）で取得された情報を考慮に入れて、総和力を前輪力と後輪力とに分配することによって、前輪力および後輪力を推定する工程である。工程（１）と工程（２）の順序は問わない。

　第１タイヤ力推定部１１で用いている推定方法によれば、車体の前後軸周りの角度（バンク角β）、角速度（バンク角速度β^・）、角加速度（バンク角加速度β^・・）に応じて、鉛直力および横力が推定されている。前後軸に垂直な平面においては、車体の前後軸周りの角度およびその時間変化関連値に三角関数を適用することで、車体が前後軸周りに傾斜または回転しているときに発生する鉛直方向成分の加速度および横方向成分の加速度を取得できる。加速度を取得できれば、慣性質量を比例係数として、車体に鉛直方向に働く外力としての鉛直力、および車体の横方向に働く外力としての横力を簡便に推定できる。

　また、第１タイヤ力推定部１１で用いられている推定方法によれば、前輪および後輪を代表または統合した仮想車輪が想定されており、まず、路面から仮想車輪に働く力の総和を推定する。それから、バンク角と前後加速度とに応じて、力の総和を前輪力と後輪力とに分配している。また、路面から車輪に働く力を推定するに際し、クラウン径を考慮している。このため、推定精度は一層向上している。

　このように推定されたタイヤ力は、車両制御、車両の開発設計支援など、種々目的で利用可能である。

　これまで本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の趣旨の範囲内で適宜変更、追加、または削除可能である。

　タイヤ力推定装置は、車体に搭載されるエンジン制御用の制御装置によって実現されてもよい。エンジン制御用以外、例えばＡＢＳ（Anti-lock Braking System）などに用いられる制動用の制御装置や、メータ表示制御に用いられる制御装置によって実現されてもよい。このように車体に搭載される演算処理可能な装置によって実現されてもよい。

　計算式は、一例であり、他の影響を考慮して計算式が異なっていてもよい。上記では、タイヤ力の推定に影響を及ぼす外力として重力を考慮したが、その他の外力が考慮されてもよい。その際、計算式に、このような外力の影響を考慮した外力項を追加したり、また、現実の測定結果に近付くような補正係数が追加されてもよい。なお、他の外力として、走行時に発生する空気抵抗や、追い風による進行方向への前進力を考慮してもよく、このような外力とタイヤ力との総和が、車体の運動状態の時間変化となって現れる。

　バンク角の時間変化の取得に関し、過渡状態であっても、演算に用いるバンク角の時間変化に対して相関があり、かつ、その相関関係が既知の情報、あるいはバンク角の時間変化の傾向を推定可能な情報であれば、その情報をバンク角関連情報として、バンク角の時間変化に代えて用いてもよい。例えば、上述した時間経過に応じて得られるバンク角のほか、バンク角速度でもよいし、車体重心から路面までの距離の時間変化を用いてもよい。

　車体の加速度の取得に関しても同様であり、車体の加速度を推定可能であれば、他の情報を用いてもよい。例えば、前輪の車輪速情報、駆動源により回転駆動される回転軸（エンジン動弁用カム軸、駆動輪車軸など）の回転情報を用いてもよい。

　上述した実施例では、総和前後力および前輪前後力に基づいて、後輪前後力を推定したが、後輪前後力の推定について他の方法を用いて推定してもよい。例えば、予め定められる性能曲線（トルクマップ）に基づいてエンジン回転数などの検出値から駆動力を求めたり、後輪ブレーキ圧および慣性を利用した制動力に関するマップから後輪制動力を求めたりして、総和前後力や前輪前後力を用いずに後輪前後力を推定してもよい。

　式（１０）および（１１）は、例示に過ぎず、他の値を用いることもできる。例えば、クラウン径の影響が小さい場合には、クラウン径を考慮せずに演算式を設定してもよい。また、タイヤ力以外の外力を考慮して演算式を設定してもよい。例えば、横風の影響を考慮してもよい。また、ラプラス関数や行列式によって表現してもよい。また、演算式を用いずに、ロール角、ロール角速度、ロール角加速度を変数とするマップを予め記憶しておき、そのマップに従って前後軸に垂直な平面でのタイヤ力を推定してもよい。また、ロール角、ロール角速度、ロール角加速度については、いずれか一方の影響が小さい場合には、いずれか一方を省略してもよい。また、上述した演算式とは異なっても、ロール角速度およびロール角加速度の少なくともいずれか一方に応じてタイヤ力を推定することで、過渡状態でのタイヤ力の変化の傾向を推定しやすいという作用効果を得られる。

　式（１４）および（１６）については、幾何学的な情報から理論的に演算式を求めることができる。また、実験に得られる計測結果に基づいて近似的に演算式を設定してもよい。また、演算式を用いずに、前後加速度およびバンク角を変数とするマップを予め記憶しておき、そのマップにしたがって前後輪のタイヤ力を分配してもよい。また、上述した総和タイヤ力に基づいて、前後輪のタイヤ力を分配することで、検出される値を小さくすることができるが、他の推定方法を用いて得られる総和タイヤ力を、式（１４）、（１６）または同様の傾向を示す演算式、マップを用いて前後輪のタイヤ力に分配してもよい。

　自動二輪車以外でも、バンク状態での旋回走行が可能な乗物のタイヤ力の推定に好適に用いられる。例えば、前輪または後輪のいずれかが複数の車輪の乗物、例えば、前輪が二輪の三輪車でも推定できる。また、運転者によって駆動力が与えられる自転車や一輪車におけるタイヤ力の推定にも本発明を適用可能である。

　鉛直力、横力、前後力をそれぞれ推定したが、それらのいずれか１つを推定する場合も本発明に含まれる。例えば、バンク角の時間変化に基づいて、前後力を除いて、鉛直力と横力とを求める場合も本発明に含まれる。また、鉛直力と横力とのいずれか一方のみを出力する場合も本発明に含まれる。また、前後に分配せずに、総和鉛直力および総和横力の少なくともいずれか一方を推定することについても本発明に含まれる。また、上述する方法以外、例えば実験によって総和鉛直力および総和横力を推定した状態で、車体加速度およびバンク角に基づいて前後輪に分配することも本発明に含まれる。

　タイヤ力推定装置１は、車両に搭載されるとしたが、車両外に搭載される場合も含む。すなわち、重心位置などの車両に関する固有の情報を取得または記憶しておき、車両から車速と対応する情報と、バンク角変化に対応する情報と、前輪ブレーキ圧に対応する情報とを走行中または走行後に取得して、走行時の車両のタイヤ力を推定してもよい。例えば、タイヤ力推定装置は、車載ＥＣＵと異なる専用の処理装置であってもよい。例えば、車体から送信される車両情報を取得可能な通信部を備え、車両外に搭載される処理装置であってもよい。

　上述した実施例では、推定されたタイヤ力は、車両制御に用いられるとしたが、本発明はこれに限られない。すなわち、本発明で推定されたタイヤ力の利用の目的については制限されず、車両制御以外の目的で推定されたタイヤ力を利用してもよい。

　手動による推定も本発明に含まれ、必ずしも処理装置による演算で自動的にタイヤ力が推定されなくてもよい。

１　タイヤ力推定装置
１１　第１タイヤ力推定部
１２　第２タイヤ力推定部

Claims

　車体を前後軸周りに傾斜させた状態であるバンク状態で旋回する車両の車輪に路面から働く力であるタイヤ力を推定するタイヤ力推定装置であって、
　前記前後軸に垂直な平面内での車体の運動状態の時間変化に応じて、路面から車輪に働く力を推定する第１タイヤ力推定部を備える、タイヤ力推定装置。
　前記第１タイヤ力推定部は、第１運動方程式、第２運動方程式および第３運動方程式を用いて、路面から車輪に働く鉛直力および横力を推定し、
　前記第１運動方程式が、車体の鉛直方向運動状態の時間変化と、鉛直力との釣り合いの関係を表し、
　前記第２運動方程式が、車体の横方向運動状態の時間変化と、横力との釣り合いの関係を表し、
　前記第３運動方程式が、車体の前後軸周り運動状態の時間変化と、鉛直力および横力との釣り合いの関係を表す、請求項１に記載のタイヤ力推定装置。
　前記第１タイヤ力推定部は、車体のバンク角の時間変化と関連する値に基づいて、前記鉛直方向運動状態の時間変化、前記横方向運動状態の時間変化、および前記前後軸周り運動状態の時間変化を取得する、請求項２に記載のタイヤ力推定装置。
　前記車両が、前記車輪として前輪および後輪を有し、
　前記第１タイヤ力推定部は、前記前後軸に垂直な平面内での車体の運動状態の時間変化に応じて、前記路面から前記前輪および前記後輪に働く前記力の総和を推定し、前記力の前記総和を路面から前記前輪に働く前輪力と路面から前記後輪に働く後輪力とに分配するようにして、前記前輪力および前記後輪力を推定する、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のタイヤ力推定装置。
　前記第１タイヤ力推定部は、車体の前後方向運動状態の時間変化に応じて、前記力の前記総和を前記前輪力と前記後輪力とに分配する、請求項４に記載のタイヤ力推定装置。
　前記第１タイヤ力推定部は、バンク角に応じて、前記前輪力と前記後輪力とへの分配比率を変化させる、請求項５に記載のタイヤ力推定装置。
　路面から前記車輪に前後方向に働く前後力を推定する第２タイヤ力推定部を備え、
　前記第２タイヤ力推定部は、
　　車体の前後方向運転状態の時間変化に基づいて、路面から前記前輪および前記後輪に働く前後力の総和を推定し、
　　前記前輪の制動力に基づいて、路面から前記前輪に働く前輪前後力を推定し、
　　推定された前記前後力の前記総和と前記前輪前後力とに基づいて、路面から前記後輪に働く後輪前後力を推定する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のタイヤ力推定装置。
　車体を前後軸周りに傾斜させた状態であるバンク状態で旋回する車両の車輪に働く力であるタイヤ力を推定するタイヤ力推定装置であって、前記車両は前記車輪として前輪および後輪を有し、前記装置は、
　路面から前記前輪に働く前輪力、路面から前記後輪に働く後輪力を推定する第１タイヤ力推定部を備え、
　前記第１タイヤ力推定部は、
　　路面から仮想車輪に働く力の総和を推定し、
　　車体の前後方向運動状態の時間変化とバンク角とに応じて、前記力の前記総和を前記前輪力と前記後輪力とに分配することで、前記前輪力および前記後輪力を推定する、タイヤ力推定装置。
　車体を前後軸周りに傾斜させた状態であるバンク状態で旋回する車両の車輪に路面から働く力であるタイヤ力を推定する方法であって、
　車体の前後軸周りの角度、角速度および角加速度に応じて、路面から車輪に鉛直方向に働く鉛直力および路面から車輪に横方向に働く横力を推定する、タイヤ力推定方法。
　車体を前後軸周りに傾斜させた状態であるバンク状態で旋回する車両の車輪に路面から働く力であるタイヤ力を推定する方法であって、前記車両は前記車輪として前輪および後輪を有し、前記方法は、
　路面から仮想車輪に働く力の総和を推定し、
　車体の前後方向運動状態の時間変化とバンク角とに応じて、前記力の前記総和を前記前輪に働く前輪力と前記後輪に働く後輪力とに分配する、タイヤ力推定方法。