JP2005069897A - 入力検出装置、及び、試験車両 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で車輪のタイヤ接地面からの入力を検出することのできる入力検出装置と、車輪への入力を実際の車両に近いの走行状態で計測することのできる試験車両を提供することを目的とする。
【解決手段】車両バネ下部の非回転側部材であるナックル５を、ハブ部４に連結され、緩衝機構２０を介してインホイールモータ３に連結される第１のナックル部材５１と、サスペンション部材７側に配置され、サスペンションアーム６ａ，６ｂに連結される第２のナックル部材５２とに分割して、上記第１及び第２のナックル部材５１，５２を、入力検出装置１０のセンサ部を構成する歪ゲージＳ_x，Ｓ_y，Ｓ_zが貼着された直方体状の連結部材１１で結合するとともに、上記各歪ゲージＳ_x，Ｓ_y，Ｓ_zの出力を上記入力検出装置１０の入力算出手段１２に送り、上記連結部材１１に作用する力を算出して車輪に加わっている力を計測するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、路面から車輪に伝達される前後方向、左右方向、及び、上下方向の力を検出する入力検出装置と、走行中の車両における上記入力の方向や大きさを計測するための試験車両に関するものである。

従来、コーナリング性能等の車両の走行特性を試験する際には、車両に、例えば、トランスミッションの回転を検出する車速センサで車速を検出したり、操舵軸にトルクセンサを搭載して、操舵をアシストするためのアシストトルクを検出したり、あるいは、車両にヨーレートセンサを搭載して車両のヨー角速度（ヨーレート）を検出したりするとともに、車両の各車輪に加えられる制駆動力を検出して、上記検出された車速やトルク、あるいは、ヨーレートと上記制駆動力との関係を調べる方法が行われている。
一方、駆動輪では、路面から入力する前後方向の力、左右方向の力、及び、上下方向の力（車輪の三分力）がドライブシャフトにも伝播する。この影響をなくすためには、ハブとホイールとの間で発生する力を測定する必要がある。

しかしながら、回転体に上記三分力を計測するための装置を試験車両に装着する場合には、上記装置から信号を取出すためにスリップリングが必要となるなど、装置が大型になってしまうといった問題点があった。更に、試験装置を装着することで、試験車両は通常の車両に対してバネ下が重くなるため、厳密な本来のタイヤ状態の正確な測定ができないだけでなく、上記装置を車体外側に装着しているため、タイヤを付け替えるたびに上記装置を装着し直す必要があり、手間がかかっていた。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で車輪のタイヤ接地面からの入力を検出することのできる入力検出装置と、車輪への入力を実際の車両に近いの走行状態で計測することのできる試験車両を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の発明は、車輪に発生する路面からの入力の大きさを検出する入力検出装置であって、上記車輪を懸架する車両バネ下部の、例えば、ナックル等の非回転側部材に、上記車輪へ入力する前後方向、左右方向、及び、上下方向の力のうちの少なくとも１方向の入力を検出する入力検出手段を装着して、上記入力を検出するようにしたものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の入力検出装置において、上記入力検出手段を車両バネ下部の上記入力が集中する箇所、すなわち、上記入力が複数の系統の伝達ルートを有するような場合には、そのうちの１系統の振動のみが伝達される箇所に装着したものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の入力検出装置において、上記入力を精度よく検出するため、上記入力検出手段をタイヤの中心軸に相当する位置（車軸相当部分）に装着したものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の入力検出装置において、上記入力検出手段を、歪ゲージや加速度センサ等の力センサから構成したものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の入力検出装置において、上記車輪を、ダイレクトドライブホイールに中空形状のインホイールモータを取付けて成る駆動輪とするとともに、上記モータの非回転側ケースが結合された車両の足回り部品に上記入力検出手段を装着したものである。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の入力検出装置において、上記モータを緩衝部材または緩衝装置を介して、車両バネ下部に取付けるようにしたものである。
請求項７に記載の発明は、請求項５または請求項６に記載の入力検出装置において、上記入力検出手段をナックルの車軸相当部分に装着して、タイヤの中心位置における車輪への入力を検出するようにしたものである。
なお、上記中空形状のモータは、詳細には、径方向内側が開放された第１の環状のケースと、この第１の環状のケースの径方向内側に、上記第１の環状のケースと同心円状に配置された、径方向外側が開放された第２の環状のケースのうち、一方のケースにモータステータを取付けてこれを非回転側ケースとし、他方のケースに上記モータステータと所定の間隔を隔ててモータロータを取りつけてこれを回転側ケースとし、上記非回転側ケースと回転側ケースとを軸受けを介して回転可能に連結したもので、上記回転側ケースは直接あるいは動力伝達機構を介してホイールに連結され、上記非回転側ケースは直接あるいは上記のように緩衝部材または緩衝装置を介して、車両バネ下部に連結される。

また、請求項８に記載の発明は、走行状態の車両の車輪への入力を計測するための試験車両であって、車輪に上記請求項１〜請求項７のいずれかに記載の入力検出装置を備え、車輪に入力する前後方向、左右方向、及び、上下方向の力の少なくとも１つ、あるいは、上記３方向の全ての入力をを計測することができるようにしたものである。
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の試験車両において、上記車両を４輪駆動車とするとともに、各駆動輪にそれぞれ上記入力検出装置を搭載したものである。
請求項１０に記載の発明は、請求項８または請求項９に記載の試験車両において、車輪の回転速度及び回転トルクを検出する手段を搭載し、車輪の前後方向、左右方向、及び、上下方向の力の情報に加えて、車輪の回転速度及び回転トルクの情報を得ることができるようにしたものである。
請求項１１に記載の発明は、請求項８〜請求項１０のいずれかに記載の試験車両において、上記車両に操舵軸の回転検出する舵角センサと車両のヨー角を検出するヨーレートセンサとを搭載して、上記各情報に加えて、操舵角とヨーレートの情報を得ることができるようにしたものである。

本発明によれば、車輪を懸架する車両バネ下部の、例えば、ナックル等の非回転側部材に、上記車輪へ入力する前後方向、左右方向、及び、上下方向の力（車輪の三分力）を検出する入力検出手段を装着して、上記三分力を検出するようにしたので、簡単な構成で車輪の三分力を確実に検出することがきる。また、上記入力装置を搭載することにより、車輪の三分力を、実際の車両の走行状態に近い状態で計測することができる。

以下、本発明の最良の形態について、図面に基づき説明する。
図１は、本発明による入力検出装置１０を搭載した駆動輪の構成を示す縦断面図で、同図において、１はタイヤ、２はリム２ａとホイールディスク２ｂとから成るホイール、３はステータ３Ｓが取付けられた、径方向外側が開放された第１の環状のケース（以下、非回転側ケースという）３ａと、この非回転側ケース３ａの径方向外側に上記非回転側ケース３ａと同心円状に配置され、かつ、上記ステータ３Ｓと所定の間隔を隔てて配置されたロータ３Ｒが取付けられた、径方向内側が開放された第２の環状のケース（以下、回転側ケースという）３ｂとを、軸受け３ｊを介して回転可能に連結した中空形状のインホイールモータ（アウターロータ型のＤＣブラシレスインホールモータ）で、４は上記ホイール２とその回転軸において連結されたハブ部、５は上下のサスペンションアーム６ａ，６ｂに連結されるナックル、７はショックアブゾーバ等から成るサスペンション部材、８は上記ハブ部４に装着された制動装置である。
また、２０は上記非回転側ケース３ａを車両の上下方向に案内する直動ガイド部材２１と、この直動ガイド部材２１の稼動方向に伸縮するバネ部材とダンパーとから成るショックアブゾーバ２２とを備え、上記インホールモータ３の非回転側ケース３ａとナックル５とを結合して上記インホールモータ３を車両足回り部に対してフローティングマウントするための緩衝機構、３０はモータの回転側ケース３ｂに取付けられた中空円盤状の結合プレート３１と、直交する２軸の直動ガイドを組合わせた複数個のクロスガイド３２とを備え、上記回転側ケース３ｂとホイール２とを連結する動力伝達機構である。

本例では、車輪を懸架する車両バネ下部の非回転側部材で、原理的に車輪を留めているナックル５に入力検出装置１０を装着して上記ナックル５の歪を検出して車輪に加わっている力（車輪の三分力）を計測する。
駆動輪を駆動するインホイールモータとして上記のような中空形状のモータ３を用いた場合には、上記ナックル５の形状の自由度が大きいので、例えば、図１に示すように、ナックル５を、ホイール２に結合されたハブ部４に連結され、緩衝機構２０を介して上記モータ３の非回転側ケース３ａに連結される第１のナックル部材５１と、サスペンション部材７側に配置され、サスペンションアーム６ａ，６ｂに連結される第２のナックル部材５２とに分割するとともに、上記第１のナックル部材５１と第２のナックル部材５２とを連結する直方体状の連結部材１１を設け、上記連結部材１１の上面（路面と平行な面）１１ａ側に、上記連結部材１１に作用する前後方向（Ｘ方向）の力Ｆ_x、及び、左右方向（Ｙ方向）の力Ｆ_yをそれぞれ検出するための力センサである歪ゲージＳ_x，Ｓ_yを装着し、側面（路面に垂直な面）１１ｂに上下方向（Ｚ方向）の力Ｆ_zを検出するための歪ゲージＳ_zを装着し、上記各歪ゲージＳ_x，Ｓ_y，Ｓ_zの出力を入力算出手段１２に送り、上記連結部材１１に作用する力Ｆ_x，Ｆ_y，Ｆ_zを算出することにより、車輪に加わっている力を計測することが可能となる。
ここで、路面から車輪に伝達される前後方向、左右方向、及び、上下方向の力（車輪の三分力）を検出する入力検出装置１０は、上記連結部材１１と上記歪ゲージＳ_x，Ｓ_y，Ｓ_zとから成るセンサ部と上記入力算出手段１２を備えた演算部とを基本要素として構成され、必要に応じて、上記算出されたＦ_x，Ｆ_y，Ｆ_zの値を表示するための表示部や、上記センサ部からの出力あるいは上記Ｆ_x，Ｆ_y，Ｆ_zのデータを車両側に送信するためのは通信部等を付加することができる。

図２は本最良の形態に係る試験車両４０の模式図で、この試験車両４０は各車輪に上記構成のインホイールモータ３を搭載した４輪駆動車であり、各駆動輪（４１Ｌ，４１Ｒ；前輪、及び、４２Ｌ，４２Ｒ；後輪）にそれぞれ上記入力検出装置１０を装着するとともに、上記車両に操舵軸の回転検出する舵角センサ４３と車両のヨー角を検出するヨーレートセンサ４４とを搭載したもので、４５は上記入力検出装置１０で検出された車輪三分力の情報と後述する上記各駆動輪を制駆動するモータコントローラ（インバータ）４６からの車輪速及びトルクの情報に基づいて上記モータコントローラ４６を制御して各駆動輪の制駆動力を演算して配分する駆動力制御手段である。
本例の試験車両４０では、上記各駆動輪をダイレクトドライブするインホイールモータ３としてアウターロータ型のＤＣブラシレスモータを使用しているので、各駆動輪を制駆動するそれぞれのモータコントローラ４６が常にモータ発生トルク、及び、車輪速を計測しているため、新たに車輪速センサ等の装置を装着することなく、各駆動輪の車輪速及び駆動力を知ることができる。
したがって、上記試験車両４０を種々の条件下で走行させて、上記入力検出装置１０により、上記各駆動輪に加わっている前後方向の力Ｆ_x、左右方向の力Ｆ_y、上下方向の力Ｆ_zをそれぞれ計測して、上記各力Ｆ_x，Ｆ_y，Ｆ_zと、各駆動輪の制駆動力、及び、舵角、ヨーレートとの関係を求めることで、制駆動力の制御ロジックを改良し、車両の安定化制御を実現することが可能となる。

このように、本最良の形態によれば、車輪を懸架する車両バネ下部の非回転側部材であるナックル５を、ハブ部４に連結され、緩衝機構２０を介して上記モータ３の非回転側ケース３ａに連結される第１のナックル部材５１と、サスペンション部材７側に配置され、サスペンションアーム６ａ，６ｂに連結される第２のナックル部材５２とに分割して、上記第１のナックル部材５１と第２のナックル部材５２とを、入力検出装置１０のセンサ部を構成する歪ゲージＳ_x，Ｓ_y，Ｓ_zが貼着された直方体状の連結部材１１で結合するとともに、上記各歪ゲージＳ_x，Ｓ_y，Ｓ_zの出力を上記入力検出装置１０の演算部を構成する入力算出手段１２に送り、上記連結部材１１に作用する力Ｆ_x，Ｆ_y，Ｆ_zを算出して走行中の車両の車輪に加わっている力を計測するようにしたので、簡単な構成で車輪の三分力を容易に計測することができる。また、上記入力検出装置１０を試験車両４０の各駆動輪４１Ｌ，４１Ｒ，４２Ｌ，４２Ｒに装着することにより、車輪の三分力を、実際の車両の走行状態に近い状態で計測することができる。
また、上記入力検出装置１０は車両の非回転側部材であるナックル５に装着されているので、タイヤを装着するたびに入力検出装置１０を装着する手間がなくなるという利点を有する。

なお、上記最良の形態では、車輪の三分力を検出する手段として、歪ゲージＳ_x，Ｓ_y，Ｓ_zを用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、加速度センサを用いた力センサを組合わせた三分力計などの他の三分力計を用いてもよい。
また、上記例では、インホールモータ３を車両の上下方向に案内する直動ガイド部材２１と、この直動ガイド部材２１の稼動方向に伸縮するバネ部材とダンパーとから成るショックアブゾーバ２２とを備えた緩衝機構２０により車両足回り部に対してフローティングマウントし、モータ３とホイール２とを複数個のクロスガイド３２とを備えた動力伝達機構３０により結合した構成としたが、本発明は、他の緩衝機構、動力伝達機構を用いてインホールモータ３を車輪に取付けた構成の車両にも適用可能である。
また、上記例では、第２のナックル部材５２をサスペンション部を構成する部材の１つであるサスペンションアーム６ａ，６ｂに連結したが、第２のナックル部材５２の取付け箇所はこれに限るものではなく、車両のサスペンション部の構成により適宜決定されることは言うまでもない。
また、上記例では、インホイールモータとして中空形状のインホイールモータ３を車輪に搭載した場合について説明したが、例えば、図７に示すような、ブレーキ内蔵インホイールモータ３Ｚのような、中空形状ではないインホイールモータを搭載した場合でも、上記モータ３Ｚをサスペンション部に取付ける取付部材５Ｚと上記モータ３Ｚとの間に、上記構成の入力検出装置１０を配設すれば、車輪の三分力を容易に計測することができる。
また、入力検出装置１０の設置箇所についても、上記のように、ナックル５、あるいは、取付部材５Ｚと上記モータ３Ｚとの間に限定されるものではなく、車両バネ下部の非回転側部材に取付ければよい。このとき、上記入力検出手段１０の取付け箇所としては、車輪の三分力が集中する箇所が好ましい。すなわち、車両バネ下部の構成によっては、上記入力が複数の系統の伝達ルートを有するような場合も考えられるので、そのときには、上記入力検出手段１０を上記入力が集中する箇所、すなわち、入力の伝達ルートとして１系統の振動のみが伝達される箇所に装着するようにすれば、車輪の三分力を精度良く検出することができる。

図３は、ＷＥＴ路面にて、本発明の入力検出装置を搭載した試験車両を用いてレーンチェンジ走行試験を行った際の左リアにおける三分力の測定結果を示す図で、同図から明らかなように、上記入力検出装置を用いることにより、レーンチェンジに伴う前後方向の力Ｆ_x、左右方向の力Ｆ_y、上下方向の力Ｆ_zの変化を精度よく計測することができ、車輪の三分力を確実に把握できることが確認された。

図４は、スリッピーな路面にて、本発明の入力検出装置を搭載した試験車両を用いてトルクを一定値に固定し発進試験を行ったときの車速の時間変化を示す図で、同図のＡは上記試験車両の４輪の情報のみを用いて制御を行った場合で、同図のＢは制御を行っていない場合を示す。
制御を行っていない場合には、前輪が空転を起こしたが、４輪の荷重情報を基に、上記荷重に比例する駆動力を各駆動輪に配分する制御を行った場合には、空転が発生せず、加速度が向上した。
これにより、本発明の入力検出装置から得られた三分力を用いて車両の走行状態を制御することが可能であることが確認された。

図５は、本発明の入力検出装置を搭載した試験車両にて、スキッドパッドでの旋回試験を行った際の、舵角変化に伴うヨーレートの変化の軌跡を示す図で、この試験車両では、旋回速度の上昇とともに、舵角−ヨーレート相関図が安定基準限界を超えたときに、駆動力を荷重に比例するように配分する制御を開始する。図６は本試験車両で行った駆動力制御の制御ロジックを示す図である。
一般に、修正舵とともにヨーレートも変化するため舵角−ヨーレートの軌跡は楕円を描くが、限界に近づくと上記軌跡は原点から遠ざかることになる。したがって、上記軌跡の原点からの距離を安定の目安として上記安定基準限界を設定した。
また、駆動力配分制御を開始すると同時に横力の情報を取得し、限界値での横力低下によるスピンを抑制するため、各車輪毎の駆動力の制御を行った。上記横力のモニター制御は、上記駆動力配分制御よりも制御周期が短く、いわば駆動力配分制御のインナーループとして作用する。また、横力は、滑り角、及び、荷重の関数になるため、横力の減少がそのままスピン発生になるとは限らず、操舵をニュートラル方向に戻したことも横力減少要因となる。そのため、横力をモニターする駆動力制御では、操舵角を制御ループに入れる必要がある。以下の表１は、横力の変化と舵角操作の両方を考慮した場合の、駆動力の制御方法をまとめたもので、このような制御を行うことにより、表２に示すように、限界域での操縦安定性評価値が＋６から＋７に向上した。

本発明によれば、簡単な構成で車輪の三分力を容易に計測することができるとともに、車輪の三分力を、実際の車両の走行状態に近い状態で計測することができるので、インホイールモータ車が実用化された場合には、上記車輪の三分力を及び車輪速を用いて車両の走行状態を制御することができ、車両安定化制御を実現できる。

本最良の形態に係る入力検出装置を搭載したインホイールモータシステムの構成を示す図である。 本最良の形態に係る試験車両の概略構成を示す図である。 三分力の測定結果を示す図である。 本最良の形態に係る試験車両の発進試験の結果を示す図である。 左旋回中の舵角とヨーレートとの関係を示す図である。 旋回試験における制御ロジックを示す図である。 本発明による入力検出装置の他の搭載例を示す図である。

符号の説明

１ タイヤ、２ ホイール、３は インホイールモータ、３Ｓ ステータ、
３Ｒ ロータ、３ａ 非回転側ケース、３ｂ 回転側ケース、３ｊ 軸受け、４ ハブ部、５ ナックル、６ａ，６ｂ サスペンションアーム、７ サスペンション部材、
８ 制動装置、１０ 入力検出装置、１１ 連結部材、１２ 入力算出手段、
２０ 緩衝機構、２１ 直動ガイド部材、２２ ショックアブゾーバ、
３０ 動力伝達機構、３１ 結合プレート、３２ クロスガイド、
Ｓ_x，Ｓ_y，Ｓ_z 歪ゲージ、５１ 第１のナックル部材、５２ 第２のナックル部材。

Claims (11)

1. 車輪に発生する路面からの入力の大きさを検出する入力検出装置であって、上記車輪を懸架する車両バネ下部の非回転側部材に装着された、上記車輪へ入力する前後方向、左右方向、及び、上下方向の力のうちの少なくとも１方向の入力を検出する入力検出手段を備えたことを特徴とする入力検出装置。
2. 上記入力検出手段を車両バネ下部の上記入力が集中する箇所に装着したことを特徴とする請求項１に記載の入力検出装置。
3. 上記入力検出手段をタイヤの中心軸に相当する位置に装着したことを特徴とする請求項１に記載の入力検出装置。
4. 上記入力検出手段を力センサから構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の入力検出装置。
5. 上記車輪を、ダイレクトドライブホイールに中空形状のインホイールモータを取付けて成る駆動輪とするとともに、上記入力検出手段を、上記モータの非回転側ケースが結合された車両の足回り部品に装着したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の入力検出装置。
6. 上記モータを緩衝部材または緩衝装置を介して、車両バネ下部に取付けるようにしたことを特徴とする請求項５に記載の入力検出装置。
7. 上記入力検出手段をナックルの車軸相当部分に装着したことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の入力検出装置。
8. 走行状態の車両の車輪への入力を計測するための試験車両であって、車輪に上記請求項１〜請求項７のいずれかに記載の入力検出装置を備え、車輪に入力する前後方向、左右方向、及び、上下方向の力の少なくとも１つ、あるいは、上記３方向の全ての入力を計測することを特徴とする試験車両。
9. 上記車両を４輪駆動車とするとともに、各駆動輪に上記入力検出装置を搭載したことを特徴とする請求項８に記載の試験車両。
10. 車輪の回転速度及び回転トルクを検出する手段を搭載したことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の試験車両。
11. 上記車両に操舵軸の回転検出する舵角センサと車両のヨー角を検出するヨーレートセンサとを搭載したことを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれかに記載の試験車両。
    

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