JP2011254632A - 制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】等速自在継手の作動角の全域において等速自在継手に対するモータからの過大入力による損傷を未然に防ぐことが可能で、しかも、作動角に大きい領域において等速自在継手性能を有効に活用することができる制御装置及び制御方法を提案する。
【解決手段】電気モータ２を動力源とし、電気モータ２からの動力をドライブシャフト６を介して駆動輪に伝達する車両における制御装置および制御方法である。ドライブシャフト６に用いられる等速自在継手の作動角全域で、ドライブシャフト限界トルク以下にドライブシャフト入力トルクを制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御装置および制御方法に関し、特に、ドライブシャフトを使用し、電気モータからの動力を駆動輪に伝達する自動車や各種産業車両の制御装置および制御方法に関する。

車両の制御装置として、従来には特許文献１や特許文献２等に記載のものがある。特許文献１は、等速自在継手の作動角が大角度域にある場合に大きなトルクが入力されたときのみ破損のおそれがある部位の肉厚及びボール溝（トラック溝）の深さをそれぞれ大トルクに耐え得る程度に確保でき、しかも、等速自在継手の小型化に寄与できるようにしたものである。

すなわち、前記特許文献１に記載のものでは、等速自在継手の交差角が予め設定した大角度領域に含まれていると判断されたとき、ドライブシャフトへ伝達される駆動力が予め設定した所定値を超えないように当該駆動力が可変制御される。このため、等速自在継手の交差角により規定される条件が成立したとき、所定値を超える駆動力がドライブシャフトを介して等速自在継手に入力されることがないように設定している。

前記特許文献２に記載のものは、ドライブシャフトや等速自在継手等の駆動系部品の強度を保証するようにしたものである。すなわち、この特許文献２に記載のものは、車両状態よりドライブシャフトジョイント角度が所定角度以上であるか否かを判断するジョイント角度判断手段と、車両状態より運転者に急発進または急加速の意図があるか否かを判断する急発進等判断手段と、ドライブシャフトジョイント角度が所定角度以上であり、かつ、運転者に急発進または急加速の意図がある場合には、車輪に伝達される駆動力を抑制する駆動力抑制手段とを備える。このため、ドライブシャフトジョイント角度が所定角度以上であり、かつ、運転者に急発進または急加速の意図があるような車両状態では、駆動源から変速機、ドライブシャフト等を介して駆動輪に伝達される駆動力（駆動トルク）が抑制されるので、そのような車両状態での急発進または急加速を回避することができる。そして、駆動系部品に伝達されるトルクを低減することができる。したがって、駆動系部品にかかる負荷が小さくて済み、駆動系部品にダメージが蓄積されにくくなるので、駆動系部品の耐久性を向上させることができ、その駆動系部品の強度を保証することができる。この場合、駆動系部品のサイズを大きくしたり、駆動系部品の材料を強度的に優れたものに置換することなく、駆動系部品の強度を十分に確保することが可能になるので、併せてコストダウンも図ることができる。

特開２００４−１９６３２号公報 特開２００８−２０７７２３号公報

前記特許文献１では、交差角の大角度領域と判断する操舵角閾値τｓを決め、閾値τｓを超えた場合、予め設定されたエンジントルクＴｅｒ（等速自在継手に損傷を与えないエンジントルク）を超えないように制御するものである。すなわち、制御されるエンジンと転舵角の関係は図３に示すようになる。

また、特許文献２では、運転者に急発進・急加速の意図がある場合に駆動力を抑制する点が前記特許文献１と異なる。しかしながら、急発進・急加速の判断手段を単にアクセル開度と捉えると特許文献１と同様な構成となる。このため、トルクの制御は特許文献１と同様となる。

ところで、ドライブシャフトの駆動輪側に使用される等速自在継手（トルク伝達部材にボールを用いた固定式等速自在継手）は、作動角と捩り強度の関係は図４（ａ）のグラフ図のようになる。

この図４（ａ）は、固定式等速自在継手の構造による特性である。すなわち、一般的に固定式等速自在継手の捩り強度は作動角が大きくない領域では、固定式等速自在継手に連結されているシャフトが最弱となり、作動角が大きくなると等速自在継手の外側継手部材、及び内部部品（内側継手部材、ボール、ケージ等）が損傷し、その強度は作動角に伴い低下する。

このような特性を持つ等速自在継手に対し、前記従来の制御方法（等速自在継手に損傷を与えない作動角−トルク制御）を適用すれば、図４（ｂ）のようになる。このような場合、操舵角閾値により制御させる等速自在継手トルクは最大操舵角における等速自在継手の許容トルクを基に設定されるため、操舵閾値から操舵最大角までの間の作動角領域では等速自在継手の性能が有効に使われない領域Ｈが発生する。なお、図４（ｂ）において、θｊｍａｘは固定式等速自在継手の最大作動角であり、θｓｍａｘは最大操舵時の固定式等速自在継手の作動角であり、θｓは操舵角閾値τsにおける固定式等速自在継手作動角であり、ＫＪは固定式等速自在継手の損傷が発生するトルクであり、ＫＥｍａｘはエンジン最大トルク時の固定式等速自在継手入力トルク（最大入力トルク）であり、ＫＥｅｒは操舵角閾値τsにより制御された固定式等速自在継手入力トルクである。

このため、操舵角閾値をまたぐような状況ではその前後でエンジントルク変化（ドライブシャフトへの伝達トルク変化）が発生し、車の挙動が変化するおそれがある。

本発明の課題は、等速自在継手の作動角の全域において等速自在継手に対するモータからの過大入力による損傷を未然に防ぐことが可能で、しかも、等速自在継手の作動角に大きい領域において等速自在継手性能を有効に活用することができる制御装置及び制御方法を提案する。

本発明の制御装置は、電気モータを動力源とし、この電気モータからの動力をドライブシャフトを介して駆動輪に伝達する車両における制御装置であって、前記ドライブシャフトに用いられる等速自在継手の作動角全域で、ドライブシャフト限界トルク以下にドライブシャフト入力トルクを制限する制御手段を備えたものである。

本発明の制御装置によれば、等速自在継手の作動角全域で、ドライブシャフト限界トルク以下にドライブシャフト入力トルクを制限するこができ、シャフト、外側継手部材、及び内部部品（内側継手部材、ボール、ケージ等）の損傷を防止できる。

等速自在継手の作動角に対するこの等速自在継手の限界トルクを予め実験的に求め、これに基づいて導き出される作動角と限界トルクとの関係の関数である近似式にて、前記ドライブシャフト限界トルクを定義することができる。

前記制御手段は、前記電気モータの出力トルクを制御することによって前記ドライブシャフト入力トルクを制御することができる。電気モータは、モータ制御によって電流や電圧など高精度に制御でき、電気モータの出力トルクを正確に制御することが可能となる。

前記車両は変速機を有さないものであっても、変速機を有するとともに、伝達トルク増減機構を有さないものであってもよい。このような車両においては、モータのトルクが駆動トルクとして直接的に伝達される。

前記制御手段は、ステアリング装置からの信号にてドライブシャフト入力トルクを制限するようにしたり、懸架装置からの信号にてドライブシャフト入力トルクを制限するようにしたりできる。

ドライブシャフトは、一端側に固定式等速自在継手が連結され、他端側に摺動式等速自在継手が連結されるものであっても、一端側に第１の摺動式等速自在継手が連結され、他端側に第２の摺動式等速自在継手が連結されるものであってもよい。

本発明の制御方法は、電気モータを動力源とし、この電気モータからの動力をドライブシャフトを介して駆動輪に伝達する車両における制御方法であって、前記ドライブシャフトに用いられる等速自在継手の作動角全域で、ドライブシャフト限界トルク以下にドライブシャフト入力トルクを制限するものである。

本発明の制御方法によれば、等速自在継手の作動角全域で、ドライブシャフト限界トルク以下にドライブシャフト入力トルクを制限することができ、シャフト、外側継手部材、及び内部部品（内側継手部材、ボール、ケージ等）の損傷を防止できる。

本発明では、等速自在継手の作動角全域で、等速自在継手に対するモータからの過大入力による損傷を有効に防止できる。また、等速自在継手の作動角の大きな領域において等速自在継手性能を有効に活用することができる。しかも、従来のような階段状の駆動トルクの変化が発生しにくく、車のドライバビリティ（運転しやすさ、操縦性）が向上する。

ところで、前記従来技術は等速自在継手の高作動角のトルク制御のみで、制御されない作動角領域においてドライブシャフトが損傷しないように、想定されるエンジン（動力源）からのドライブシャフトに対する最大入力トルク以上の許容負荷トルクを持つドライブシャフトが必要であった。これに対して、本発明では作動角全域で入力トルクを制御するため、車両の性能が満足できれば、最大出力トルク以下の許容負荷トルクを持つドライブシャフトの選定が可能となり、ドライブシャフトの小型、軽量化が可能となる。

適用する等速自在継手に対し実験的に求め、等速自在継手の作動角に対する近似式を利用するものでは、等速自在継手の設計や想定する破損モードにより異なる限界トルクに対応することができ、高精度の制御が可能となる。

電気モータの出力トルクを制御するものでは、高精度な制御が可能となる。モータのトルクが駆動トルクとして直接的に伝達されるものでは、制御性及び応答性に優れる。

ドライブシャフトは、一端側に固定式等速自在継手が連結され、他端側に摺動式等速自在継手が連結されたものであってもよく、両側のそれぞれ摺動式等速自在継手が連結されるものであっても、種々のタイプのものに対応できる。

本発明の制御装置を用いた車両の簡略図である。 等速自在継手の作動角と等速自在継手の限界トルクとの関係を示し、（ａ）はドライブシャフト入力トルク範囲を表示していないグラフ図であり、（ｂ）はドライブシャフト入力トルク範囲を表示したグラフ図である。 従来の制御に用いる転蛇角とエンジントルクとの関係を示すグラフ図である。 等速自在継手の作動角と等速自在継手の捩り強度との関係を示し、（ａ）は制御されたトルクを表示していないグラフ図であり、（ｂ）は従来技術で制御されたトルクを表示したグラフ図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。

図１は本発明の制御装置を用いた車両（電気自動車）の簡略図を示している。すなわち、この電気自動車は、電気エネルギーを蓄積，発生させるバッテリ１と、このバッテリ１の電気エネルギーにて駆動する駆動モータ（電気モータ）２と、電気モータ２を制御するモータコントローラ３等を備える。

電気モータ２の出力軸は、デファレンシャル（フロントデフ）５を介して一対のドライブシャフト６，６に連結される。また、ドライブシャフト６は、デファレンシャル５と摺動式等速自在継手を介して接続され、駆動輪(前輪)７と固定式等速自在継手を介して接続される。モータコントローラ３にはアクセルペダル４が接続され、このアクセルペダル４の踏み込み量に基づいてモータコントローラ３がモータ２の回転数を制御する。なお、車体の後方には、後輪１０，１０が配置されている。

摺動式等速自在継手としては、ダブルオフセット型、トリポード型、クロスグルーブ型等の種々のタイプのものを用いることができ、固定式等速自在継手としても、バーフィールド型、アンダーカットフリー型等の種々のタイプのものを用いることができる。

ダブルオフセット型の等速自在継手は、内周面に複数のトラック溝が形成された外側継手部材と、外周面に複数のトラック溝が形成された内側継手部材と、前記外側継手部材のトラック溝と内側継手部材のトラック溝との間に介在してトルクを伝達するボールと、このボールを収容するポケットを有するケージとを備え、ケージの外周面の中心と内周面の中心とが、継手中心に対し、軸方向に逆方向にオフセットしているものである。

トリポード型の等速自在継手は、円周方向に向き合って配置されたローラ案内面を有する３つのトラック溝が軸方向に形成された外側継手部材と、半径方向に突出した３つの脚軸を備えたトリポード部材と、前記脚軸に外嵌されるローラ部材とを備えたものである。

クロスグルーブ型の等速自在継手は、軸線に対して互いに逆方向に傾いたボール溝を円周方向に交互に形成した外周面を有する内側継手部材と、軸線に対して互いに逆方向に傾いたトラック溝を円周方向に交互に形成した内周面を有する外側継手部材と、内側継手部材のトラック溝と外輪のトラック溝との交差部に組み込んだトルク伝達ボールと、トルク伝達ボールを保持するケージとを備えたものである。

バーフィールド型の固定式等速自在継手は、内径面に複数のトラック溝が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された外側継手部材と、外径面に外側継手部材のトラック溝と対をなす複数のトラック溝が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された内側継手部材と、外側継手部材のトラック溝と内側継手部材のトラック溝とが協働して形成されるボールトラックにそれぞれ配されたトルク伝達ボールと、ボールを保持するケージとを備えたものである。

アンダーカットフリー型の固定式等速自在継手は、バーフィールド型の固定式等速自在継手が、トラック溝底が円弧部のみであるのに対して、トラック溝底が円弧部及び直線部とからなるものである。

この自動車においては、駆動輪７（タイヤ）側の等速自在継手（固定式等速自在継手）の作動角全域で、ドライブシャフト限界トルク以下にドライブシャフト入力トルクを制限する制御手段を、前記モータコントローラ３が備えている。

この場合、等速自在継手の作動角に対するこの等速自在継手の限界トルクを予め実験的に求め、これに基づいて導き出される作動角と限界トルクとの関係の関数である近似式にて、前記ドライブシャフト限界トルクを定義している。

固定式等速自在継手の作動角と固定式等速自在継手の限界トルクとの関係は、図２（ａ）に示すグラフ図となる。許容限界トルク（線図）は等速自在継手の設計により作動角に対する特性が異なる。このため、理論的に計算で求めることは困難であり、実験的に求めるのが好ましい。

すなわち、許容限界トルクを１回の過大トルクに対する耐力を基準とする場合、自動車技術会規格「自動車の駆動軸用等速自在継手」（ＪＡＳＯ Ｃ３０４−８９）に規定されている「静的ねじり強さ試験」を用いることができる。

作動角を変化させ、静的ねじり強さを求める。具体的には、最大作動角５０度の固定式等速自在継手の場合、例えば、０°、１０°、２０°、３０°、４０°、５０°のそれぞれの角度での静的ねじり強さを求める。この場合、サンプル数を各条件毎に複数個（少なくとも２個）とする。そして、得られたデータをグラフ化し、これに基づいて実験式を導く。データにばらつきが多い場合、試験サンプル数を増やすなどして統計的手法を用いる。

このため、図２（ａ）のＡの範囲の式(０°≦θ＜θａの範囲の式)は静的ねじり強度Ｔ(θ)＝Ｔａとなり、図２（ａ）のＢの範囲の式（θａ≦θ≦θｍａｘ（５０°））は静的ねじり強度Ｔ(θ)＝Ｔｂ−Ｔｃ・θとなる。この際、強度のばらつきを考慮する。強度のばらつきを１０％とした場合、ＫＪ（θ）＝０．９Ｔ(θ)として等速自在継手限界トルクを設定する。

このように、実験的に求めた近似式によって、図２（ｂ）に示すようなドライブシャフト入力トルク範囲を設定できる。すなわち、等速自在継手限界トルクは作動角θに対し決めることができるが、作動角θに対する限界トルクは、等速自在継手の想定する破損モードにより異なる。このため、適用する等速自在継手に対して実験的に求め、作動角θに対する近似式ＫＪ（θ）を求めることになる。想定する破損モードとは、静的破壊に近い一つの強度を基準にするか、繰り返し入力を想定した基準とするかは車両によって異なる。このため、図２（ａ）では、Ａの範囲及びＢの範囲では直線であったが、等速自在継手の設計や想定する破損モードにより曲線やさらに複数の直線・曲線の組み合わせになる場合がある。

この実施形態のように、構成が１モータ、デファレンシャル６、左右のドライブシャフト６の場合、モータトルクをＴｍ、デファレンシャルの減速比をＲ、ドライブシャフトの入力をＴｄとすると、次の数１の関係式が得られる。このため、作動角θにおいて、次の数２に示す関係式、すなわち、数３に示す関係式となるように制御することにより、過大入力による万が一の等速自在継手の損傷を防ぎ、かつ作動角の大きい領域でのＣＶＪの性能を有効に活用することができる。

ここで、衝撃的な入力を想定し、安全係数Ａ（Ａ≧１）を加味するようにしてもよい。この安全係数を加味した場合、次の数４の関係式となる。このように安全係数を加味した場合、図２（ｂ）に示すドライブシャフト入力トルク範囲となる。

実際には、モータ２のトルクは運転者のアクセル開度や車両の安全制御により決まるので、この発明の制御では作動角θにおける出力可能なモータの最大トルクに制限値を設ける。

本発明では、等速自在継手の作動角全域で、ドライブシャフト限界トルク以下にドライブシャフト入力トルクを制限するこができ、シャフト６の損傷及び内部部品（内側継手部材、ボール、ケージ等）の損傷を防止できる。等速自在継手の作動角の大きな領域において等速自在継手性能を有効に活用することができる。また、従来のような階段状の駆動トルクの変化が発生しにくく、車のドライバビリティ（運転しやすさ、操縦性）が向上する。

本発明では作動角全域で入力トルクを制御するため、車両の性能が満足できれば、モータからのドライブシャフトに対する最大出力トルク以下の許容負荷トルクを持つドライブシャフト６の選定が可能となり、ドライブシャフト６の小型、軽量化が可能となる。

適用する等速自在継手に対し実験的に求め、等速自在継手の作動角に対する近似式を利用するものでは、等速自在継手の設計や想定する破損モードにより異なる限界トルクに対応することができ、高精度の制御が可能となる。

電気モータ２の出力トルクを制御するものでは、より高精度な制御が可能となる。前記車両は変速機を有さないものであっても、変速機を有するとともに、伝達トルク増減機構を有さないものであってもよい。このような車両においては、モータ２のトルクとドライブシャフト入力トルクは、駆動伝達要素の伝達ロスを無視すれば、１対１の関係となり、制御が容易である。このため、制御性及び応答性に優れたものとなる。

ドライブシャフト６は、一端側に固定式等速自在継手が連結され、他端側に摺動式等速自在継手が連結されたものであってもよく、両端側にそれぞれ摺動式等速自在継手が連結されるものであっても、種々のタイプのものに対応できる。

すなわち、前記実施形態では、転舵輪ドライブシャフトのアウトボード等速自在継手を想定して記述したが、本発明の制御はドライブシャフトに対するトルク制御であり、たとえば、インボート側のスライド式等速自在継手に対して等速自在継手限界トルクＫＪ(θ)を設け、同様の制御をすることも出来る。この場合、サスペンションの移動量などを等速自在継手作動角に代用することは合理的である。アウトボード側とは、自動車等の車両に組付けた状態で車両の外側となる方であり、また、自動車等の車両に組付けた状態で車両の内側となる方をインボード側と呼ぶ。

本発明において等速自在継手の作動角を直接的に計測するのは困難であり、ステアリング装置からの情報、例えば、ハンドルの操舵角やステアリングラックの位置などを作動角に代用することは合理的である。また、懸架装置からの信号（情報）、例えば、サスペンションのショックアブソーバーの縮み量などを用いることができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、本発明の制御では、アウトボード及びインボードの両等速自在継手に対するトルク制御も可能である。使用する電気モータとしては、ＤＣＭ（直流モータ）、ＳＭ（永久磁石形同期モータ）、ＩＭ（誘導モータ）、ＳＲＭ（スイッチトリラクタンスモータ）等の種々のタイプのものを用いることができる。また、使用するバッテリー１としても、用いるモータ等に応じて、そのモータにエネルギーを供給できて、これによって、車両が駆動できるものであればよく、リチウムイオンバッテリー等の種々のバッテリーを用いることができる。

２ 電気モータ
３ モータコントローラ
５ デファレンシャル
６ ドライブシャフト

Claims (10)

1. 電気モータを動力源とし、この電気モータからの動力をドライブシャフトを介して駆動輪に伝達する車両における制御装置であって、
   前記ドライブシャフトに用いられる等速自在継手の作動角全域で、ドライブシャフト限界トルク以下にドライブシャフト入力トルクを制限する制御手段を備えたことを特徴とする制御装置。
2. 前記等速自在継手の作動角に対するこの等速自在継手の限界トルクを予め実験的に求め、これに基づいて導き出される作動角と限界トルクとの関係の関数である近似式にて、前記ドライブシャフト限界トルクを定義することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記制御手段は、前記電気モータの出力トルクを制御することによって前記ドライブシャフト入力トルクを制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の制御装置。
4. 前記車両は変速機を有さないことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の制御装置。
5. 前記車両は変速機を有するとともに、伝達トルク増減機構を有さないことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の制御装置。
6. 前記制御手段は、ステアリング装置からの信号にてドライブシャフト入力トルクを制限することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の制御装置。
7. 前記制御手段は、懸架装置からの信号にてドライブシャフト入力トルクを制限することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の制御装置。
8. 前記ドライブシャフトは、一端側に固定式等速自在継手が連結され、他端側に摺動式等速自在継手が連結されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の制御装置。
9. 前記ドライブシャフトは、一端側に第１の摺動式等速自在継手が連結され、他端側に第２の摺動式等速自在継手が連結されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の制御装置。
10. 電気モータを動力源とし、この電気モータからの動力をドライブシャフトを介して駆動輪に伝達する車両における制御方法であって、
    前記ドライブシャフトに用いられる等速自在継手の作動角全域で、ドライブシャフト限界トルク以下にドライブシャフト入力トルクを制限することを特徴とする制御方法。

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