JP4248365B2 - 車両懸架装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両懸架装置に関し、特に、電動アクチュエータにより減衰力を発生させる電磁式ショックアブソーバを備える車両懸架装置に関する。

車両懸架装置として、電気モータ式の電磁サスペンションが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された車両懸架装置では、相互に噛合する雄ねじ部材と雌ねじ部材とを、モータにより伸縮駆動することにより、バネ上−バネ下間の減衰力をアクティブに制御する。また、車輪から衝撃的な荷重が入力したときに、その荷重を吸収するために、モータ又はねじ部材の少なくとも一方が、コイルスプリングなどのバネにより車輪又は車体に弾性支持される。
特開２００１−１８０２４４号公報 特開２００２−２２７９２７号公報 特開平１０−２７４２８１号公報

上記のような車両懸架装置によれば、電気モータにより車両の姿勢を制御することが可能である。しかしながら、電気モータにより車両の姿勢を制御するには、比較的大きな電力を電気モータに供給する必要があるため、姿勢制御によりバッテリーの電力を過剰に消費すると、バッテリーの残量が低下して電力不足に陥り、他の制御に支障をきたす可能性がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、電力不足を抑制しつつ車体の姿勢を制御する技術を提供することにある。

本発明のある態様は、車両懸架装置に関する。この車両懸架装置は、車両のバネ上とバネ下の間に配設されたアブソーバと、前記アブソーバの制御に寄与する電動アクチュエータと、を備え、前記電動アクチュエータは、車両のブレーキ回生により発生する電力を利用することを特徴とする。ブレーキ回生電力を有効に利用して電動アクチュエータを駆動することにより、アブソーバを制御する際にバッテリーにかかる負担を軽減し、電力不足を抑制することができる。また、適切に車体の姿勢を制御し、乗り心地を向上させることができる。

前記ブレーキ回生により発生する電力は、通常はバッテリーに供給されてバッテリーの充電に利用され、前記電動アクチュエータは、前記バッテリーに供給される電力のうちの一部又は全部を利用してもよい。これにより、ブレーキ回生電力をさらに有効に利用することができる。

前記電動アクチュエータは、前記バッテリーの電力の残量が所定値以上である場合に、前記ブレーキ回生により発生する電力を利用してもよい。バッテリーが十分に充電されている場合は、バッテリーに対してブレーキ回生電力の全てを供給する必要がないので、余剰の電力を電動アクチュエータに供給して、アブソーバの制御に利用することができる。これにより、電力を有効に活用し、燃費を向上させることができる。

前記アブソーバは、ブレーキ時に発生する車両の挙動を抑制するように制御されてもよい。ブレーキ時には、車両の前部が下方へ沈み、後部が上方へ浮いて、車体が傾斜する挙動をとる場合が多いが、ブレーキ時に発生するブレーキ回生電力を電動アクチュエータに供給して、車両の前部の車高を高く、後部の車高を低くするようにアブソーバを制御することで、車体を水平に近づけ、乗り心地を向上させることができる。また、ブレーキ時の制動距離を短くすることができる。ブレーキ時には、必ず回生電力が発生するので、この回生電力を利用することで、バッテリーの負担を軽減することができる。

前記電力は、調圧されてから前記電動アクチュエータへ供給されてもよい。これにより、電動アクチュエータを適切に駆動することができ、耐久性を向上させることができる。

本発明によれば、電力不足を抑制しつつ車体の姿勢を制御する技術を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る車両１の構成を示す。車両１は、車体２と、左前輪である車輪３ａ、右前輪である車輪３ｂ、左後輪である車輪３ｃ及び右後輪である車輪３ｄ（以下、適宜「車輪３」と総称する）を備える。車輪３はホイールとゴムタイヤから構成される。車体２と車輪３は、車両１のバネ上とバネ下の減衰力を電動アクチュエータを用いて発生するアブソーバを備えた車両懸架装置の一例である電磁サスペンションを介して接続される。なお、電磁サスペンションのバネにより支えられる部材の位置を「バネ上」と呼び、バネにより支えられていない部材の位置を「バネ下」と呼ぶ。すなわち、バネ上は車体２側であり、バネ下は車輪３側である。この例では、車輪３ａが電磁サスペンション４ａに、車輪３ｂが電磁サスペンション４ｂに、車輪３ｃが電磁サスペンション４ｃに、車輪３ｄが電磁サスペンション４ｄにそれぞれ取り付けられる。以下、各電磁サスペンション４ａ、４ｂ、４ｃ及び４ｄを総称する場合には、「電磁サスペンション４」と呼ぶ。各電磁サスペンション４は、電子制御装置（以下、電子制御装置を「ＥＣＵ」と表記する）１０により独立に制御される。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えて構成される。

電磁サスペンション４の電動アクチュエータに流れる電流は、電流センサにより検出される。電磁サスペンション４ａに対して電流センサ５ａ、電磁サスペンション４ｂに対して電流センサ５ｂ、電磁サスペンション４ｃに対して電流センサ５ｃ、電磁サスペンション４ｄに対して電流センサ５ｄがそれぞれ設けられる。以下、電流センサ５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄを総称する場合には「電流センサ５」と呼ぶ。各電流センサ５の検出結果は、ＥＣＵ１０に伝達される。なお電流センサ５による電流検出機能は、ＥＣＵ１０により実現されてもよい。

電磁サスペンション４を車輪３ごとに設けることにより、ＥＣＵ１０が、各車輪３の状態に応じて電磁サスペンション４の電動アクチュエータに印加する電流をそれぞれ独立して制御することが可能となる。また、電磁サスペンション４を採用することで、応答性の優れた制御を実現できる。

車体２の姿勢を適切に制御するために、車両１には、車両の状態を検知するためのセンサが設けられる。センサは、たとえば、車輪速センサ、車速センサ、加速度センサ、車高センサ、操舵角センサ、ヨーレートセンサなどであってもよい。本実施の形態では、車輪３ａの近傍にセンサ６ａが、車輪３ｂの近傍にセンサ６ｂが、車輪３ｃの近傍にセンサ６ｃが、車輪３ｄの近傍にセンサ６ｄが、それぞれ設けられている。以下、センサ６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄを総称する場合には「センサ６」と呼ぶ。センサ６により検知された加速度及び車高などの情報は、ＥＣＵ１０に伝達され、後述するように、車体２の姿勢を制御するために用いられる。センサ６は、バネ上に設けられてもよいし、バネ下に設けられてもよいし、双方に設けられてもよい。図１の例では、各車輪３ごとにセンサ６を設けているが、センサ６は、必要に応じて、一個であってもよいし、複数個であってもよい。

図２は、電磁サスペンション４の構成を示す。電磁サスペンション４は、電動アクチュエータ２０、ボールねじ２４、ボールねじナット２６、ロッド２８、アウターシェル３０、軸受３２、３４、３６、ダストシール３８及び回転角センサ４４を備えたショックアブソーバ８０と、バネ下をバネ上に弾性支持するコイルスプリング２２と、ショックアブソーバ８０を車体２に結合するアッパーサポート７０とを備える。軸受３２はロッド２８内部においてボールねじ２４を回動可能に支持し、また軸受３４及び３６は、アウターシェル３０内部においてロッド２８を摺動可能に支持する。ダストシール３８は、アウターシェル３０内にゴミなどの異物が入り込むのを防止する。回転角センサ４４は、電動アクチュエータ２０の回転量を検出する。回転角センサ４４の検出結果は、ＥＣＵ１０に伝達される。回転角センサ４４は、電動アクチュエータ２０の外部に設けられてもよく、また電動アクチュエータ２０の内部に設けられてもよい。この電磁サスペンション４は、第１取付部４０において車体２側の構成に取り付けられ、また第２取付部４６において車輪３側の構成に取り付けられる。コイルスプリング２２は、第１取付部４０近傍の車体面とスプリングシート４２の間に縮設され、予め所定の荷重を与えられる。

コイルスプリング２２は、車両１のバネ上部分の重量を支持し、また路面からの振動や衝撃が車輪３を通して車体２に伝わらないようにする。ショックアブソーバ８０は、コイルスプリング２２による車体２の上下振動を減衰させる。このショックアブソーバ８０は、電動アクチュエータ２０を用いて車両１のバネ上とバネ下の間の減衰力を発生することができ、制御応答性に優れている。

ボールねじ２４、ロッド２８及びアウターシェル３０は同軸に配置されている。アウターシェル３０には、雌ねじ部分を有するボールねじナット２６が内設される。ボールねじ２４は雄ねじ部分を有し、ボールねじナット２６に螺合した状態にある。電動アクチュエータ２０は、電気式のモータであり、ボールねじ２４の一端を回動可能にセレーションで支持する。電動アクチュエータ２０を駆動すると、ボールねじ２４がボールねじナット２６に対して相対回転し、電動アクチュエータ２０に対してアウターシェル３０が下方に押し下げられ、又は上方に引き上げられる。なお、本実施の形態では、ボールねじ２４が車両のバネ上に、ボールねじナット２６が車両のバネ下に設けられる例について説明するが、逆に、ボールねじ２４が車両のバネ下に、ボールねじナット２６が車両のバネ上に設けられてもよい。

車両１が良路を走行している場合、ＥＣＵ１０はそれぞれの電磁サスペンション４の電動アクチュエータ２０に印加する電流値を、例えば０Ａである基準電流値に設定する。路面に凹凸があって、車輪３が上下動する場合、ロッド２８とアウターシェル３０との相対運動によりコイルスプリング２２が伸縮する。このとき、ボールねじ２４がボールねじナット２６に対して相対回転することにより、電動アクチュエータ２０が回転して発電機として作用し、このときに生じる抵抗力により減衰力が発生する。電流センサ５は、電動アクチュエータ２０内部で電磁誘導により発生した電流を検出し、ＥＣＵ１０に伝達する。ＥＣＵ１０は、コイルスプリング２２の伸縮を抑制する方向の電流、すなわち電磁誘導により生じた電流とは逆向きの電流を電動アクチュエータ２０に印加する。ＥＣＵ１０は、車体２の上下方向の加速度に応じて電動アクチュエータ２０に印加する電流を設定し、減衰力を調整する。このように、本実施の形態のショックアブソーバ８０は、電磁式ショックアブソーバとして機能する。また、ボールねじ２４を回転させることにより、車体２を上下方向に変位させることができるので、本実施の形態のショックアブソーバ８０は、車体２の姿勢を制御するために利用することができる。

本実施の形態のショックアブソーバ８０を車体２の姿勢制御に利用する場合、車体２の重量に打ち勝って車高を変えるために、電動アクチュエータ２０に比較的大きな電流を供給する必要がある。そのため、本実施の形態では、バッテリーの電力が、他の電装品の制御に支障をきたすようなレベルになるまで減少することを抑止するために、バッテリーの電力だけでなく、ハイブリッドシステムなどの電気式のモータを利用した駆動機構におけるブレーキ回生電力も利用しつつ、車体の姿勢や車高を制御する技術を提案する。

図３は、ハイブリッドシステム１００の構成を示す。ハイブリッドシステム１００は、エンジン１１２、動力分配機構１１４、駆動モータ１１６、発電機１２０、パワーコントロールユニット１２２、減速機１２４、及びバッテリー１２６を備える。ハイブリッドシステム１００は、エンジン１１２により発電機１２０を駆動し、発電機１２０により発生された電力で駆動モータ１１６を回転させて車輪３を駆動するシリーズ方式であってもよいし、エンジン１１２と駆動モータ１１６の双方により車輪３を駆動するパラレル方式であってもよいし、それらの方式を組み合わせて、エンジン１１２で発生させる駆動エネルギーとバッテリー１２６から供給される電気エネルギーとによって駆動モータ１１６を回転させ、その回転力を車輪３の車軸へ伝達することにより車両１の走行を実現する方式であってもよい。

動力分配機構１１４は、走行モードに基づいて切り替えられる各動力源の作動状態に応じて、エンジン１１２から発生する動力を駆動モータ１１６及び発電機１２０の一方又は双方へ伝達する。発電機１２０は、エンジン１１２から発生する動力の一部又は全部により電力を発生させ、その電力によりバッテリー１２６を充電する。パワーコントロールユニット１２２は、インバータ、昇圧コンバータなどの構成を含み、ハイブリッドシステム１００において利用される電力の電流値や電圧値などを調整する。駆動モータ１１６は、動力分配機構１１４を介してエンジン１１２から伝達された動力と、バッテリー１２６から送られた電力の一方又は双方を利用して回転運動し、その回転力を減速機１２４を介して駆動輪である車輪３の車軸へ伝達する。

ドライバが、車両１を減速又は停止させるために、図示しないブレーキペダルを踏み込んだとき、ＥＣＵ１０などがブレーキペダルからの信号を取得し、エンジン１１２や図示しないディスクブレーキなどを制御して車輪３の回転を減速させる。このとき、駆動モータ１１６において、ロータの回転による電磁誘導により回生電力が発生する。

図４は、動力分配機構１１４の構造を示す。本実施の形態では、動力分配機構１１４として遊星ギヤを採用している。遊星ギヤのサンギヤ６２は発電機１２０に、プラネタリーキャリヤ６４はエンジン１１２に、リングギヤ６８は駆動モータ１１６に、それぞれ連結されている。それぞれのギヤには、ピニオンギヤ６６を介して回転が伝達されるようになっており、いずれか２つのギヤの回転数が定められると、所定の比により３つ目のギヤの回転数が決まる。

図５は、ブレーキ回生時の動力分配機構１１４の動作を示す。ブレーキ回生時には、エンジン１１２に連結されたプラネタリーキャリヤ６４の回転が停止される。車輪３の回転により駆動モータ１１６は引き続き回転する。駆動モータ１１６の回転は、リングギヤ６８及びサンギヤ６２を介して発電機１２０に伝達され、発電機１２０のロータも回転する。このとき、図５（ｃ）に示すように、駆動モータ１１６においてトルクと回転数に応じた回生電力が発生する。この回生電力は、通常、バッテリー１２６に供給されてバッテリー１２６の充電に利用されているが、バッテリー１２６がフル充電に近い状態である場合、図５（ｂ）に示すように、発電機１２０にロータの回転を抑止するような負荷を与えて動作点を矢印の方向に移動させ、回生で得られた電力を消費させていた。本実施の形態では、この電力を電磁サスペンション４に供給して車体２の姿勢制御に利用する。

図６は、本実施の形態の車両における電源系に関する構成図である。発電機１２０により発生された電力の一部又は全部は、発電機インバータ１４０により直流電圧に変換され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５０により昇圧されて、バッテリー１２６に供給される。バッテリー１２６は、たとえば２８８Ｖ、数十ｋＷ程度の、高圧大容量の電源であってもよい。発電機１２０により発生された電力の一部は、直接駆動モータインバータ１４２へ供給されてもよい。駆動モータインバータ１４２は、バッテリー１２６又は発電機インバータ１４０から受け取る直流電流を交流電流に変換して駆動モータ１１６へ供給する。

発電機ＥＣＵ１３０及び駆動モータＥＣＵ１３２は、ハイブリッドシステム１００を統括的に制御するハイブリッドＥＣＵ１１０からの指令を受け、それぞれ発電機インバータ１４０及び駆動モータインバータ１４２を制御する。ハイブリッドＥＣＵ１１０、発電機ＥＣＵ１３０及び駆動モータＥＣＵ１３２には、たとえば１４Ｖ又は４２Ｖ、数ｋＷ程度の、低圧小容量の電源１６０から電力が供給される。これらの電装品の電源系として、高電圧の電源系を採用すると、ノイズや絶縁等のために太いワイヤや大きなコネクタが必要となるため、本実施の形態では低電圧の電源系を採用しているが、別の例では、これらの電装品にも高電圧のバッテリー１２６から電力を供給するように構成してもよい。

電動アクチュエータインバータ１４４は、低圧小容量電源１６０又はバッテリー１２６から受け取る直流電流を交流電流に変換して電動アクチュエータ２０へ供給する。ＥＣＵ１０は、電動アクチュエータインバータ１４４を制御して、電動アクチュエータ２０を駆動させ、減衰力や車体の姿勢の制御を行う。ＥＣＵ１０は、センサ６から取得した車体２の状態に関する情報に基づいて、車体２の姿勢を管理し、姿勢の変更が必要な場合は、車高の変更が必要な輪の電磁サスペンション４の電動アクチュエータインバータ１４４に指令を送り、電動アクチュエータ２０に通電してボールねじ２４を回転させ、バネ上−バネ下間の距離を変更する。たとえば、ブレーキ時には、車体２の前部が下方へ沈み、後部が上方へ浮いて、車体２が傾斜するので、前輪側の電磁サスペンション４ａ及び４ｂにおいては、車高を高くする方向にボールねじ２４を回転させ、後輪側の電磁サスペンション４ｃ及び４ｄにおいては、車高を低くする方向にボールねじ２４を回転させる。これにより、乗り心地を向上させることができるとともに、ブレーキ時の制動距離を短くすることができる。

ＥＣＵ１０は、ブレーキ信号を受信したとき、車体２の姿勢制御に先立って、ブレーキ回生電力を車体２の姿勢制御に利用するか否かを判断するために、バッテリー残量センサ１２８からバッテリー１２６の電力の残量を取得する。ＥＣＵ１０は、バッテリー１２６の電力の残量に基づいてブレーキ回生電力の供給先を決定し、スイッチ１５４を制御して、駆動モータインバータ１４２から出力されるブレーキ回生電力の供給先を切り替える。本図では、説明を簡単にするために、単にスイッチ１５４により導通状態を切り替える構成としているが、ブレーキ回生電力を複数の供給先に所定の割合で分配可能な回路を設けてもよい。

バッテリー１２６の残量が充分ある場合は、ＥＣＵ１０は、駆動モータインバータ１４２と電動アクチュエータインバータ１４４を接続するようにスイッチ１５４を制御し、ブレーキ回生電力の一部又は全部を電動アクチュエータインバータ１４４に供給して、車体２の姿勢制御に利用する。このとき、必要に応じて、ブレーキ回生電力をＤＣ−ＤＣコンバータ１５２により適切な電圧に調圧してから電動アクチュエータインバータ１４４へ供給してもよい。バッテリー１２６の電力をＤＣ−ＤＣコンバータ１５２により降圧して電動アクチュエータインバータ１４４に供給してもよい。

バッテリー１２６の残量が所定値を下回っている場合は、ＥＣＵ１０は、駆動モータインバータ１４２とバッテリー１２６を接続するようにスイッチ１５４を制御し、ブレーキ回生電力をバッテリー１２６へ供給してバッテリー１２６を充電する。この場合、電動アクチュエータインバータ１４４には、低圧小容量電源１６０から電力が供給されて、姿勢制御が行われる。低圧小容量電源１６０にもバッテリー残量センサを設けておき、所定のしきい値を下回ると、電動アクチュエータインバータ１４４への電力供給を停止してもよい。これにより、低圧小容量電源１６０の残量不足を回避することができる。バッテリー１２６にも低圧小容量電源１６０にも充分な電力がなく、姿勢制御に必要な電力を電動アクチュエータインバータ１４４に供給できない場合は、供給された電力により可能な範囲で制御を行う。

図７は、本実施の形態に係る車両の姿勢制御の手順を示すフローチャートである。ＥＣＵ１０は、ブレーキ信号を受信すると（Ｓ１０）、センサ６から、車体２の姿勢制御に必要なセンサ値を取得して（Ｓ１２）、電磁サスペンション４に対して発する姿勢制御の指令値を決定する（Ｓ１４）。つづいて、ＥＣＵ１０は、バッテリー残量センサ１２８からバッテリー１２６の電力の残量を取得する（Ｓ１６）。バッテリー１２６の残量が規定値以上であった場合は（Ｓ１６のＹ）、ＥＣＵ１０は、ブレーキ回生電力の一部又は全部をショックアブソーバ８０に供給して、前方が沈み後方が浮いて傾斜した車体２の姿勢を水平に近づける（Ｓ１８）。バッテリー１２６の残量が所定のしきい値以下であった場合は（Ｓ１６のＮ）、ＥＣＵ１０は、ブレーキ回生電力をバッテリー１２６に供給する一方、低圧小容量電源１６０の電力をショックアブソーバ８０に供給して、姿勢制御を行う（Ｓ２０）。このとき、決定された指令値に達するまでショックアブソーバ８０を制御するのに充分な電力が得られない場合は、指令値に達しなくても制御を終了する。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、バッテリー１２６の残量が十分でない場合は、ブレーキ回生電力を姿勢制御に利用せずに、バッテリー１２６の充電に利用したが、別の例では、バッテリー１２６の残量にかかわらず、ブレーキ回生電力をショックアブソーバ８０に供給して、車体の姿勢制御を行ってもよい。ブレーキ時には、必ず駆動モータ１１６にて回生電力が発生するので、その電力を利用して、バッテリー１２６の電力を消費せずに車体の姿勢制御を行うことができる。

実施の形態では、ブレーキ時に車体２が傾斜したとき、元の水平な状態に戻すように車高を変更したが、別の例では、車体２の傾斜を抑制するために、ショックアブソーバ８０の特性を変更してもよい。具体的には、前輪側の電磁サスペンション４においては、バネ上−バネ下間の相対運動を若干抑制するように電動アクチュエータ２０を制御して、ショックアブソーバ８０を「堅く」し、後輪側の電磁サスペンション４においては、バネ上−バネ下間の相対運動を妨げないようにして、ショックアブソーバ８０を「柔らかく」してもよい。これにより、ブレーキ時における車体２の傾斜を低減することができる。

実施の形態に係る車両の構成を示す図である。 電磁サスペンションの構成を示す図である。 ハイブリッドシステムの構成を示す図である。 動力分配機構の構造を示す図である。 ブレーキ回生時の動力分配機構の動作を示す図である。 実施の形態の車両における電源系に関する構成図である。 実施の形態に係る車両の姿勢制御の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 車両、２ 車体、３ 車輪、４ 電磁サスペンション、５ 電流センサ、６ センサ、２０ 電動アクチュエータ、２２ コイルスプリング、２４ ボールねじ、２６ ボールねじナット、２８ ロッド、３０ アウターシェル、７０ アッパーサポート、８０ ショックアブソーバ、１００ ハイブリッドシステム、１１０ ハイブリッドＥＣＵ、１１２ エンジン、１１４ 動力分配機構、１１６ 駆動モータ、１２０ 発電機、１２２ パワーコントロールユニット、１２４ 減速機、１２６ バッテリー、１２８ バッテリー残量センサ、１３０ 発電機ＥＣＵ、１３２ 駆動モータＥＣＵ、１４０ 発電機インバータ、１４２ 駆動モータインバータ、１４４ 電動アクチュエータインバータ、１５０，１５２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１５４ スイッチ、１６０ 低圧小容量電源。

Claims (2)

1. 車両のバネ上とバネ下の間に配設されたアブソーバと、
   前記アブソーバの制御に寄与する電動アクチュエータと、を備え、
   前記電動アクチュエータは、車両のブレーキ回生により発生する電力を利用し、
   前記ブレーキ回生により発生する電力は、通常はバッテリーに供給されてバッテリーの充電に利用され、
   前記電動アクチュエータは、前記バッテリーの電力の残量が所定値以上である場合に、前記バッテリーに供給される電力のうちの一部又は全部を利用し、
   前記アブソーバは、ブレーキ時に発生する車両の挙動を抑制するように制御され、
   前記車両の挙動を抑制する制御に必要な電力を前記電動アクチュエータに供給できない場合は、前記電動アクチュエータに供給された電力により可能な範囲で前記制御を行う
   ことを特徴とする車両懸架装置。
2. 前記電力は、調圧されてから前記電動アクチュエータへ供給されることを特徴とする請求項１に記載の車両懸架装置。

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