JPH1191329A - 接地荷重制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 通常時の無理な旋回を抑制すると共に
障害物等の回避時には一時的に限界を越えた旋回性能を
安定して得ることを可能とする。 【解決手段】 操舵角、路面状態等からそのままでは
所望の旋回が行えない、即ち切り過ぎであると判断した
場合に旋回限界を超えないように適切な操舵反力を発生
させると共に、障害物等の回避操舵時には、ばね上、ば
ね下両加速度の一方、或いは両方をアクチュエータが発
生する推力によって直接制御してばね上、ばね下両質量
の一方、或いは両方の慣性力を発生させてこれの反力を
接地面に作用させることにより、操舵輪の接地荷重を一
時的に増大させ、タイヤのグリップ力の発生限界を高
め、安定に効率良く旋回することが可能となる。このと
き、操舵反力の発生のための操舵状態の検出用センサ、
判断手段と接地荷重制御のための操舵限界の予測または
検出用センサ、判断手段とを共通化することで、構造が
簡単になり、部品点数が削減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ばね上質量とばね
下質量との少なくともいずれか一方に加速度を発生させ
て接地荷重を一時的に増大させることのできる接地荷重
制御手段を具備する接地荷重制御装置に関し、特に加速
性能及び旋回性能の向上に寄与し得る接地荷重制御装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば低μ路などに於ける車両旋回時に
運転者の操舵量が大きい領域では、操舵量に対して実際
の車両の挙動が追従しないことがあり、その場合にはセ
ルフアライニングトルクが小さいことから操舵反力も小
さく、運転者は操舵限界以上にハンドルを切ってしまう
ことがあることから、これを防止するべく適度な操舵反
力（アクティブ操舵反力）を補助操舵トルク発生用のア
クチュエータにて発生させる操舵反力発生装置が従来か
ら提案されている（例えば特願平８−２５５５７２号明
細書参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ア
クティブ操舵反力発生装置を具備する車両にあっても、
上記アクティブ操舵反力に抗して運転者がハンドルを切
ることは可能であり、これを防止することはできなかっ
た。また、このように運転者が上記アクティブ操舵反力
に抗してもハンドルを切ろうとする場合には、障害物回
避等の必要な操舵であることがあり、このような操舵は
可能な限り車体挙動に反映させることが望ましい。

【０００４】ところで、タイヤのグリップ力Ｆは、タイ
ヤと路面との間の摩擦係数μとタイヤの接地面に加わる
垂直荷重Ｗとの積（Ｆ＝μＷ）で与えられる。つまり車
両の運動性を大きく左右するタイヤのグリップ力は、タ
イヤと路面との間の摩擦係数が一定ならば、接地荷重に
比例すると言える。

【０００５】本発明は、このような従来技術に課せられ
た問題点を解消するべく案出されたものであり、その主
な目的は、適正な操舵範囲を越える無理な操舵角の増加
を抑制すると共に障害物等を回避するための操舵時には
一時的に旋回限界を越えた旋回性能を安定して得ること
が可能な接地荷重制御装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的を果たす
ために、本発明においては、旋回時に車速、各車輪速、
操舵角、ヨーレート、横加速度などの信号から、そのま
までは所望の旋回が行えない、即ち切り過ぎであると判
断した場合に旋回限界を超えないように適切な操舵反力
を発生させると共に、その操舵反力発生後も更に切り増
していたら、これを障害物等の回避操舵であると判断
し、車体と車軸との間に設けたアクチュエータの伸張加
速度で車体に垂直方向の慣性力を発生させ、その反力に
よってタイヤの接地荷重を増大させ、一時的に旋回限界
を超えた操舵性能を得るものとした。

【０００７】これによると、通常旋回時には適切な操舵
反力の発生により操舵限界を越えた操舵を抑制し、障害
物等の回避時には車両重量を超えた荷重をタイヤの接地
面に一時的に加えてタイヤのグリップ力の発生限界を所
望に応じて引き上げ、一時的な旋回性能を向上させるこ
とができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に添付の図面を参照して本発
明の構成について詳細に説明する。

【０００９】図１は、本発明が適用された車両の能動型
懸架装置の要部の概略構成を模式的に示している。タイ
ヤ１は、上下のサスペンションアーム２・３により、車
体４に対して上下動可能に支持されている。そして下サ
スペンションアーム３と車体４との間には、油圧駆動に
よるリニアアクチュエータ５が設けられている。

【００１０】接地荷重制御手段を構成するリニアアクチ
ュエータ５は、シリンダ／ピストン式のものであり、シ
リンダ内に挿入されたピストン６の上下の油室７・８に
可変容量型油圧ポンプ９から供給される作動油圧をサー
ボ弁１０で制御することにより、ピストンロッド１１に
上下方向の推力を発生させ、これによってタイヤ１の中
心（車軸）と車体４との間の相対距離を自由に変化させ
ることができるようになっている。

【００１１】ポンプ９からの吐出油は、ポンプ脈動の除
去および過渡状態での油量を確保するためのアキュムレ
ータ１２に蓄えられた上で、各輪に設けられたアクチュ
エータ５に対し、各アクチュエータ５に個々に設けられ
たサーボ弁１０を介して供給される。

【００１２】この油圧回路には、公知の能動型懸架装置
と同様に、アンロード弁１３、オイルフィルタ１４、逆
止弁１５、圧力調整弁１６、およびオイルクーラ１７な
どが接続されている。

【００１３】なお、サーボ弁１０は、電子制御ユニット
（ＥＣＵ）１８から発せられる制御信号をサーボ弁ドラ
イバ１９を介してソレノイド１０ａに与えることによ
り、油圧アクチュエータ５に与える油圧と方向とが連続
的に制御されるものであり、車体４とピストンロッド１
１との接続部に設けられた荷重センサ２０、車体４と下
サスペンションアーム３との間に設けられたストローク
センサ２１、車体側の上下加速度を検出するばね上加速
度センサ２２、およびタイヤ側の上下加速度を検出する
ばね下加速度センサ２３の信号を制御手段を構成する第
１のＥＣＵ１８で処理した信号に基づいて制御される。

【００１４】ＥＣＵ１８には、路面状態検出部２７と、
切り過ぎ判定手段としての切り過ぎ判定部２８と、目標
荷重演算部２４と、安定化演算部２５と、変位制限比較
演算部２６とが設けられている。そして、従動輪に設け
られた車速センサ２９、操舵角センサ３０、ヨーレート
センサ３１、横加速度センサ３２及び操舵トルクセンサ
３３からの信号に基づき路面状態検出部操２７にて発生
する推定路面摩擦係数μ及び操舵角センサ３０からの操
舵角信号に基づき切り過ぎ判定部２８から出力される切
り過ぎ予測信号または切り過ぎ検出信号と、路面状態検
出部２８によるばね上加速度センサ２２からの信号と、
ばね下加速度センサ２３からの信号とを参照して目標荷
重演算部２４にて仮の目標荷重を求め、この値と荷重セ
ンサ２０の信号との差分を安定化演算部２５で処理した
後、変位制限比較演算部２６でストロークセンサ２１の
信号を参照してアクチュエータ５のストロークの範囲内
での制御が行われるようにサーボ弁ドライバ１９に与え
る指令値を調整する。そしてこの調整された指令信号に
より、目標荷重と実荷重とが等しくなるようにサーボ弁
１０を駆動してアクチュエータ５にストロークを発生さ
せ、タイヤ接地荷重を増大させる向きの上下加速度を、
ばね上質量とばね下質量との少なくともいずれか一方に
発生させる。

【００１５】一方、図２には上記車両の電動パワーステ
アリング装置の要部の概略構成を模式的に示している。
この電動パワーステアリング装置は、補助操舵力トルク
発生装置と補助操舵反力トルク発生装置とを兼ねるもの
であり、ステアリングホイール４１に一体結合されたス
テアリングシャフト４２に自在継手及び連結軸を介して
連結されたピニオン４４及びピニオン４４に噛合して車
幅方向に往復動し得ると共に、タイロッド４５を介して
左右の前輪１のナックルアーム４７にその両端が連結さ
れたラック軸４８で構成されたラック／ピニオン機構か
らなる手動操舵力発生手段４９と、この手動操舵力発生
手段４９による操舵力を軽減するための補助操舵力を発
生するべく、ラック軸４８と同軸的に配設され、かつ回
転力を軸力に変換するボールねじ機構５０ａを内蔵した
電動機５０を有し、操舵トルクセンサ３３及び操舵角セ
ンサ３０からの検出値Ｔｐ・θｓ等に基づいて電動機５
０の出力を制御手段を構成する第２のＥＣＵ５１をもっ
て制御するようになっている。

【００１６】図３に示すように、ＥＣＵ５１には、補助
操舵力トルク制御系と補助操舵反力トルク制御系との二
つが受容されているが、補助操舵力トルク制御系は、操
舵トルクセンサ３３からの出力Ｔｐに基づいて電動機５
０に発生させるべき出力トルクを設定する出力目標値設
定部５２と、これによって生成される出力目標値に基づ
いて電動機５０の出力を制御する電動機出力制御部５３
と、電動機５０に流れる電流を検出してフィードバック
する電動機電流検出部５４とからなっている。その作動
要領は従来のパワーステアリング装置と同様であるので
詳細な説明を省略する。また補助操舵反力トルク制御系
は、路面状態検出部２７の出力値μと、操舵角センサ３
０の出力値θｓとに基づいてステアリングホイール４１
に加えるべき付加反力を設定する付加反力設定部５５を
有している。この付加反力設定部５５は上記切り過ぎ判
定部２８にも接続され、相互に信号を授受するようにな
っている。

【００１７】ここで、路面状態検出部２７では、車速セ
ンサ２９、操舵角センサ３０、ヨーレートセンサ３１、
横加速度センサ３２からの出力値に基づき、例えば予め
設定された路面摩擦係数判定マップを参照して公知の方
法により路面摩擦係数μを推定するものであり、ここで
はその詳細な説明は省略する。

【００１８】なお、路面摩擦係数μは電動機５０を駆動
する際の各種データから推定したり、ナックルアーム７
〜タイロッド５〜ラック軸８の適所にロードセルなどを
設けて直接的に検出したラック軸の反力から求めても良
い。

【００１９】次に、本発明装置の作動要領について図４
のフローチャートに沿って説明する。まず、ステップ１
〜ステップ４で、ヨーレートセンサ３１、横加速度セン
サ３２、操舵角センサ３０及び車速センサ２９から各信
号を読み込み、上述した路面状態検出部２４によって路
面摩擦係数μを検出（推定）し、予め定められた路面摩
擦係数μと最大許容操舵角θｍａｘとの対応マップから
その時の路面摩擦係数μに対応する最大許容操舵角θｍ
ａｘを求め、これを実操舵角θｓと比較して或る程度幅
のある切り過ぎ領域に実操舵角θｓが入っているか否か
を切り過ぎ判定部２８にて判定する（ステップ５）。そ
して、切り過ぎ領域に実操舵角θｓが入っていない場
合、ステップ１に戻り、切り過ぎ領域に実操舵角θｓが
入っている場合、ステップ６にて、図５に示すように、
最大許容操舵角θｍａｘと実操舵角θｓとの比を演算器
６２で求め、この比から、操舵角センサ３０の出力θｓ
を微分器６３を通すことで得た操舵角速度θｓ’を加味
して定めた付加反力マップ６４を参照して付加反力Ｃを
決定する。これを補助操舵力制御系の出力目標値設定部
５１が生成した出力目標値から減算する（図３）。これ
によりステアリングホイール４１に加わる補助操舵力の
減算分を運転者に操舵反力トルク（操舵抵抗）の増大と
して感知させる。

【００２０】ここで、操舵角速度θｓ’が高い急速な操
舵の場合は、操舵系の慣性力による操舵エネルギーが大
きくなるため、一定の付加反力のみであると切り過ぎを
充分に抑制できなくなる場合があり得る。そこで、比θ
ｓ／θｍａｘに対する付加反力Ｃの関係値を、操舵角速
度θｓ’が高くなるほど付加反力Ｃの増大率が高まるよ
うにしてステアリングホイール４１に加わる操舵抵抗を
大きくし、操舵の緩急に関わりなく適切な操舵反力をス
テアリングホイール４１に与えることができる。

【００２１】次に、ステップ７にて、操舵反力トルク
（操舵抵抗）を増大させたにも関わらず更にハンドルを
切り増しているか否かを判定する。この判定は、現在の
操舵角と直前の操舵角とを単純に比較しても良いが、図
５の付加反力マップ６４に記号ｋで示すように、付加反
力Ｃが所定値ｋを越えたらハンドルを切り増していると
判定しても良い。この付加反力Ｃによりハンドルの切り
増しを判断すれば、操舵角速度θｓ’が考慮され、操舵
角に対して車両挙動の変化が小さくなったとき（または
変化しなくなったとき）に適正なタイミングで接地荷重
制御を行うことができる。

【００２２】上記ステップ７にてハンドルを切り増して
いると判定されなかったらステップ１に戻り、切り増し
ていると判定されたら、例えば障害物回避のための操舵
であると判断してステップ８にてタイヤの接地荷重を増
大させるように制御する。

【００２３】次に、接地荷重を一時的に増加させる原理
について説明する。図６のモデルにおいて、 Ｍ2：ばね上質量 Ｍ1：ばね下質量 Ｚ2：ばね上座標 Ｚ1：ばね下座標 Ｋt：タイヤのばね定数 Ｆz：アクチュエータ推力 とし、下向きを正方向とすると、ばね上質量Ｍ2並びに
ばね下質量Ｍ1の運動方程式は、それぞれ次式で与えら
れる。ただし式中の^*マークは一階微分を表し、^**マー
クは二階微分を表す。 Ｍ2・Ｚ2^**＝−Ｆz Ｍ1・Ｚ1^**＋Ｋt・Ｚ1＝Ｆz

【００２４】従って、タイヤ接地荷重Ｗは次式で与えら
れる。 Ｗ＝−Ｋt・Ｚ1＝−Ｆz＋Ｍ1・Ｚ1^** ＝Ｍ2・Ｚ2^**＋Ｍ1・Ｚ1^**

【００２５】つまり接地荷重Ｗは、ばね上慣性力とばね
下慣性力との和となるので、アクチュエータ５の伸縮加
速度を制御してばね上質量とばね下質量との少なくとも
いずれか一方の慣性力を変化させることにより、接地荷
重Ｗを変化させることができる。従って、アクチュエー
タ５の伸張加速度を制御することにより、接地荷重Ｗを
タイヤ毎に一時的に増大させることが可能となる。な
お、サスペンションストロークを２００mmとしてアクチ
ュエータ５に１トンの推力を発生させた場合、約０．２
秒間作動させることができる。

【００２６】例えば、車両の旋回時には図７（ａ）に示
すように、操舵輪としての前輪の接地荷重が後輪よりも
大きいが、前輪の接地荷重を現在の接地荷重よりも通常
時に比して一時的に増大させることにより（図７
（ｂ））、操舵輪のグリップ力が向上し、操舵限界が一
時的に高くなり、旋回性能が向上する。図示したものは
前輪駆動車であるが、後輪駆動車、４輪駆動車について
もその程度は異なるもののこれと同様である。

【００２７】なお、図７では、タイヤの接地荷重（＝グ
リップ力）分布を概念的に示し、静荷重の範囲での接地
荷重を実線の円で表し、アクチュエータ５のストローク
制御で増大した接地荷重を二点鎖線の円で表している。

【００２８】一般的には、アクチュエータの消費エネル
ギを節約するために車両重量を支持する懸架スプリング
と減衰力発生用ダンパとを併用するが（図８参照）、そ
の場合は、Ｋs：懸架スプリングのばね定数Ｃ：ダンパ
の減衰係数とすると、ばね上質量Ｍ2並びにばね下質量
Ｍ1の運動方程式は、それぞれ次式で与えられる。 Ｍ2・Ｚ2^**＋Ｃ・（Ｚ2^*−Ｚ1^*）＋Ｋs・（Ｚ2−Ｚ1）
＝−Ｆz Ｍ1・Ｚ1^**＋Ｃ・（Ｚ1^*−Ｚ2^*）＋Ｋs・（Ｚ1−Ｚ2）
＋Ｋt・Ｚ1＝Ｆz

【００２９】従って、タイヤ接地荷重Ｗは次式で与えら
れる。 Ｗ＝−Ｋt・Ｚ1 ＝−Ｆz＋Ｍ1・Ｚ1^**＋Ｃ・（Ｚ1^*−Ｚ2^*） ＋Ｋs・（Ｚ1−Ｚ2） ＝Ｍ2・Ｚ2^**＋Ｍ1・Ｚ1^**

【００３０】つまり接地荷重Ｗは、上記と同様に、アク
チュエータの伸縮加速度を制御することによって変化さ
せることができることが分かる。

【００３１】実際の車両の慣性力は、上下方向運動のみ
ならず、ローリング運動およびピッチング運動によって
も発生する。ここでばね上質量の重心点を通る各軸回り
の回転運動を、 ロールレイト：φ ピッチレイト：θ ヨーレイト：γ とし、重心位置を基準とした前後方向中心線と左右方向
中心線から各輪の接地中心までの距離をそれぞれＬf、
Ｌr、Ｔf／２、Ｔr／２とし（図９参照）、各輪のアク
チュエータの推力を、Ｆz1（前左）、Ｆz2（前右）、Ｆ
z3（後右）、Ｆz4（後左）とし、力、モーメント、並び
に座標系の向きを図１０に示すものとすれば、ローリン
グモーメントは、 Ｍx＝Ｔf／２・（−Ｆz1＋Ｆz2）−Ｔf／２・（−Ｆz3
＋Ｆz4）となり、ピッチングモーメントは、 Ｍy＝Ｌf・（−Ｆz1−Ｆz2）−Ｌr・（−Ｆz3−Ｆz4） となる。

【００３２】また、 ローリング慣性モーメント：Ｉx ピッチング慣性モーメント：Ｉy とすれば、ローリング慣性力は、 Ｉxφ^*＝Ｍx ＝Ｔf／２・（−Ｆz1＋Ｆz2）−Ｔf／２・（−Ｆz3＋Ｆ
z4） となり、ピッチング慣性力は Ｉyθ^*＝Ｍy ＝Ｌf・（−Ｆz1−Ｆz2） −Ｌr・（−Ｆz3−Ｆz4） となる。

【００３３】さらに上下運動の慣性力は、 Ｍ2・Ｚ2^**＝−Ｆz1−Ｆz2−Ｆz3−Ｆz4 となり、これらの慣性力の少なくとも１つを制御するこ
とにより、ローリング運動およびピッチング運動を含む
場合の接地荷重も、各タイヤについて個々に制御するこ
とで、一層旋回時の安定性が向上する。なお、従来のも
のは、４輪に荷重を配分するため、ローリング慣性力、
ピッチング慣性力、並びに上下運動の慣性力は発生せ
ず、これらの値は０となる。

【００３４】尚、上記実施形態は、アクチュエータとし
て油圧駆動のシリンダ装置を用いるものを示したが、こ
れはリニアモータ或いはボイスコイルなどの如きその他
の電気式の推力発生手段を用いても、あるいはカム機構
やばね手段を用いて加速度を発生させても、同様の効果
を得ることもできる。

【００３５】また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で使
用センサを簡略化することもできる。例えば、ばね上、
ばね下両加速度センサの出力差を二階積分することでも
位置検出信号を得ることができるので、ストロークセン
サを廃止することができるし、ばね上、ばね下両重量の
実測値と、ばね上、ばね下両加速度センサの出力値とを
演算することでアクチュエータが発生する力を求めるこ
とができるので、荷重センサを廃止することもできる。
さらに、荷重センサと変位センサとの信号に基づいて状
態推定器を構成し、ばね上、ばね下両加速度を間接的に
求めることもできる。さらにＥＣＵについても、ディジ
タル、アナログ、またはハイブリッドのいずれでも実現
可能なことは言うまでもない。

【００３６】

【発明の効果】このように本発明によれば、旋回時にハ
ンドルの切り過ぎを検出し、その結果に基づき適正な操
舵反力を発生させると共に更に切り増している場合に障
害物等の回避行動と判断して、ばね上、ばね下両加速度
の一方、或いは両方をアクチュエータが発生する推力に
よって直接制御してばね上、ばね下両質量の一方、或い
は両方の慣性力を発生させてこれの反力を接地面に作用
させることにより、操舵輪の接地荷重を一時的に増大さ
せ、タイヤのグリップ力の発生限界を高め、安定に効率
良く旋回することが可能となる。このとき、操舵反力の
発生のための操舵状態の検出用センサ、判断手段と接地
荷重制御のための操舵限界の予測または検出用センサ、
判断手段とを共通化することで、構造が簡単になり、部
品点数が削減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された車両の能動型懸架装置の概
略システム構成図。

【図２】本発明が適用された車両の電動パワーステアリ
ング装置の要部の概略構成を模式的に示す図。

【図３】本発明が適用された車両の電動パワーステアリ
ング装置のブロック図。

【図４】本発明の作動要領を説明するフローチャート。

【図５】付加反力設定部のブロック図。

【図６】本発明の原理を説明するためのモデル図。

【図７】（ａ）は従来の前輪駆動車の旋回時の概念的な
接地荷重分布図、（ｂ）は本発明が適用された前輪駆動
車の旋回時の概念的な接地荷重分布図。

【図８】一般的な能動型懸架装置のモデル図。

【図９】車体重心位置と接地位置との関係を示す説明
図。

【図１０】力、モーメント、並びに座標系の向きの関係
を示す説明図。

【符号の説明】

１ タイヤ ２ 上サスペンションアーム ３ 下サスペンションアーム ４ 車体 ５ アクチュエータ ６ ピストン ７・８ 油室 ９ 油圧ポンプ １０ サーボ弁 １１ ピストンロッド １２ アキュムレータ １３ アンロード弁 １４ オイルフィルタ １５ 逆止弁 １６ 圧力調整弁 １７ オイルクーラ １８ 電子制御ユニット（ＥＣＵ） １９ サーボ弁ドライバ ２０ 荷重センサ ２１ ストロークセンサ ２２ ばね上加速度センサ ２３ ばね下加速度センサ ２４ 目標荷重演算部 ２５ 安定化演算部 ２６ 変位制限比較演算部 ２７ 路面状態検出部 ２８ 切り過ぎ判定部 ２９ 車速センサ ３０ 操舵角センサ ３１ ヨーレートセンサ ３２ 横加速度センサ ３３ 操舵トルクセンサ ４１ ステアリングホイール ４２ ステアリングシャフト ４４ ピニオン ４５ タイロッド ４７ ナックルアーム ４８ ラック軸 ４９ 手動操舵力発生手段 ５０ 電動機 ５０ａ ボールねじ機構 ５１ ＥＣＵ ５２ 出力目標値設定部 ５３ 電動機出力制御部 ５４ 電動機電流検出部 ５５ 付加反力設定部 ６２ 演算器 ６３ 微分器 ６４ 付加反力マップ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車体と車軸との間の上下方向相対距離を
   能動的に変化させるアクチュエータに推力を与えてばね
   上質量とばね下質量との少なくともいずれか一方に加速
   度を発生させ、該加速度に基づくばね上質量とばね下質
   量との少なくともいずれか一方の慣性力の反力をタイヤ
   と路面との間に作用する接地荷重に加える接地荷重制御
   手段と、 操舵角を検出する手段と、 検出された操舵角が切り過ぎであるか否かを判定する手
   段と、 操舵反力トルクを増大させる手段と、 前記切り過ぎ判定手段により切り過ぎであると判定され
   たら前記操舵反力トルク増大手段によりステアリングの
   操舵反力トルクを増大させ、かつ操舵反力トルクを増大
   させても更に切り増していたら前記接地荷重制御手段に
   より各車輪の接地荷重を増大させる制御手段とを有する
   ことを特徴とする接地荷重制御装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段が、操舵反力トルク増大後
   の切り増しを、増大させた付加反力トルクから判断する
   ようになっていることを特徴とする請求項１に記載の接
   地荷重制御装置。