JP4346983B2

JP4346983B2 - インホイールモータシステム

Info

Publication number: JP4346983B2
Application number: JP2003203268A
Authority: JP
Inventors: 泰通若尾
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP2005047306A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイレクトドライブホイールを駆動輪とする車両において用いられるインホイールモータの支持方法とインホイールモータシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、足回りにバネ等のサスペンション機構を備えた車両においては、ホイールやナックル、サスペンションアームといったバネ下に相当する部品の質量、いわゆるバネ下質量が大きい程、凹凸路を走行したときにタイヤ接地力の変動が増大し、ロードホールディング性が悪化することが知られている。
ところで、電気自動車などのモータによって駆動される車両においては、モータを車輪に内蔵するインホイールモータシステムが採用されつつあるが、従来のインホイールモータでは、モータ部が車両の足回りを構成する部品の一つであるアップライトまたはナックルと呼ばれる部品に接続するスピンドル軸に固定され、モータロータ及びホイールが回転可能な構造となっているため、上記のバネ下質量がインホイールモータの分だけ増加し、その結果、タイヤ接地力変動が増大し、ロードホールディング性が悪化してしまうといった問題点があった（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
そこで、上記のような問題を解決するために、図７に示すように、中空形状のインホイールモータ３のロータ３Ｒを支持する回転側ケース３ｂとホイール２とをフレキシブルカップリング１０により結合するとともに、ステータ３Ｓを支持する非回転側ケース３ａとナックル５とを、直動ガイド２１を介して互いに車両の上下方向に作動方向が限定され、かつ、車両の上下方向に作動するバネ要素２２及びダンパ要素２３により結合された２枚の中空円盤状のプレート２４Ａ，２４Ｂを備えたモータサスペンション２０Ｚによって連結したインホイールモータシステムが提案されている（例えば、特許文献４参照）。
このような構成を採ることにより、インホイールモータ３を車両の足回り部品であるナックル５に対してフローティングマウントすることができるので、モータ軸と車輪軸とは別々に径方向に揺動可能となる。すなわち、モータ質量は、車両のバネ下質量相当分から切り離され、いわゆるダイナミックダンパのウェイトとして作用する。このようなマスダンパ効果により、バネ下振動に起因するタイヤ接地圧変動、及び、バネ上振動は大幅に低減され、車両のロードホールディング性が飛躍的に向上する。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２６７６０２５号公報（第２頁、第１図）
【特許文献２】
特表平９−５０６２３６号公報（第９−１２頁、第１図）
【特許文献３】
特開平１０−３０５７３５号公報（第３頁、第１図）
【特許文献４】
国際公開第０２／８３４４６号パンフレット
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のインホイールモータシステムでは、モータサスペンション２０Ｚをバネ要素２２やダンパ要素２３といった受動素子により構成しているため、上記のようなマスダンパ効果をもたらすと同時に、モータサスペンション２０Ｚ自身の固有振動周波数域では振動成分が発生してしまい、上記固有振動周波数域でのマスダンパ効果が小さくなってしまっていた。そこで、バネ要素２２のバネ定数を小さくしてモータサスペンション２０Ｚの共振周波数をバネ上共振周波数域近傍にずらす方法も考えられるが、バネ定数が小さくなると、今度はマスダンパであるモータ３の変位量が大きくなりすぎてしまうといった問題点があった。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来の、モータ質量をダイナミックダンパのウェイトとして作用させる構造を更に改良してタイヤ接地圧変動、及び、バネ上振動を低減し、ロードホールディング性により一層優れたインホイールモータシステムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、車輪部に配設される中空形状のダイレクトドライブモータを、車両の上下方向に作動するバネ要素を介して車両バネ下部に対して上下方向に支持したインホイールモータシステムであって、上記モータを、上記バネ要素と、上記バネ要素に並列に配置されたアクチュエータとを介して車両バネ下部に対して支持するとともに、タイヤホイールと上記モータとの速度差を検出するモータ相対速度検出手段と、上記検出されたタイヤホイールとモータとの速度差に基づいて上記アクチュエータの駆動力を算出する駆動力演算手段と、上記演算された駆動力に基づいて上記アクチュエータの駆動力を制御する制御手段とを備え、上記駆動力演算手段は、上記速度差に、一次遅れの伝達関数を乗算して、上記アクチュエータの駆動力を算出することを特徴とするものである。これにより、モータをバネ要素及びダンパ要素からなる受動素子で車両バネ下部に対してフローティングマウントした際に発生する、モータサスペンションの固有振動の影響を除去してタイヤ接地圧変動を大幅に低減することが可能となる。すなわち、上記アクチュエータは、従来のバネ／ダンパ系に不可避の固有振動数の影響を除去するとともに、路面から入力するモータとホイール間に作用する力を低減してバネ下振動を抑制するように機能するので、タイヤ接地圧変動、及び、バネ上振動を大幅に低減することが可能となる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインホイールモータシステムであって、上記モータ相対速度検出手段は、上記タイヤホイールと上記モータとの距離を検出する変位センサと、上記変位センサの出力を微分して上記タイヤホイールと上記モータとの速度差を算出する手段とを備えたことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のインホイールモータシステムであって、上記タイヤホイールと車体との速度差を検出する車体相対速度検出手段を更に設けるとともに、上記駆動力演算手段は、上記検出されたタイヤホイールとモータとの速度差に一次遅れの伝達関数を乗算して、上記タイヤホイールとモータとの速度差に基づく上記アクチュエータの駆動力である第１の駆動力Ｆ ₁ を算出し、更に、上記検出されたタイヤホイールと車体との速度差に二次遅れの伝達関数を乗算して、上記タイヤホイールと車体との速度差に基づく上記アクチュエータの駆動力である第２の駆動力Ｆ ₂を算出するとともに、上記第１の駆動力Ｆ ₁と上記第２の駆動力Ｆ ₂とを加算して上記アクチュエータの駆動力を算出し、上記制御手段は、上記加算されたアクチュエータの駆動力に基づいて上記アクチュエータの駆動力を制御することを特徴とする。これにより、タイヤ接地圧変動、及び、バネ上振動を更に低減することが可能となる。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のインホイールモータシステムであって、上記車体相対速度検出手段は、上記タイヤホイールと上記車体との距離を検出する変位センサと、上記変位センサの出力を微分して上記タイヤホイールと上記車体との速度差を算出する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。
図１は、本実施の形態に係わるインホイールモータシステムの構成を示す図で、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は半径方向に対して内側に設けられた非回転側ケース３ａに固定されたモータステータ（以下、ステータという）３Ｓと、半径方向に対して外側に設けられ、軸受け３ｊを介して上記非回転側ケース３ａに対して回転可能に接合された回転側ケース３ｂに固定されたモータロータ（以下、ロータという）３Ｒとを備えたアウターロータ型のインホイールモータである。
４はホイール２とその回転軸において連結されたハブ部、５は車軸６に結合されるナックル、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、１０は複数枚の中空円盤状のプレート１１Ａ〜１１Ｃと、隣接する上記プレート１１Ａ，１１Ｂ、及び、プレート１１Ｂ，１１Ｃ間を結合するとともに、上記隣接するプレート１１Ａ，１１Ｂ及びプレート１１Ｂ，１１Ｃを互いに円盤のラジアル方向に案内する直動ガイド１２Ａ，１２Ｂとを備えたフレキシブルカップリングである。
また、２０は複数の直動ガイド２１と、上記直動ガイド２１を介して互いに車両の上下方向に作動方向が限定され、かつ、車両の上下方向に作動するバネ要素２２と、上記バネ要素２２と並行して配置されたアクチュエータ２５とにより結合された２枚の中空円盤状のプレート２４Ａ，２４Ｂとを備え、モータの非回転側ケース３ａと車両の足回り部品であるナックル５とを連結するモータサスペンション、３０は上記アクチュエータ２５の制御装置（油圧制御装置）で、本例では上記アクチュエータ２５として油圧シリンダを備えた油圧式アクチュエータを用いるとともに、油圧制御装置３０は、上記アクチュエータ２５に取付けられた、モータ−ホイール間の変位を検出する変位センサ２６の出力に基づいて、油圧シリンダの作動油の圧力・流量を制御して上記アクチュエータ２５の発生力を制御する。
【００１１】
次に、本実施の形態によるインホイールモータシステムにおける、タイヤ接地面からの入力に起因する、モータ３とホイール２間に発生する力を制御する方法について、凹凸路走行時の車両振動モデルを用いて説明する。
図２（ａ）は、全てが受動素子で構成された従来のマスダンパシステムの車両振動モデルで、具体的構成としては図７に相当する。この車両振動モデルは、ホイールやナックル等の車両バネ下部を構成する部品の質量であるバネ下質量ｍ₃がタイヤ接地面とバネ要素ｋ₃及びダンパ要素ｃ₃により結合され、上記バネ下質量ｍ₃と車体に相当するバネ上質量ｍ₁とがバネ要素ｋ₁及びダッシュポットｃ₁により結合されるとともに、インホイールモータ３質量であるモータ質量ｍ₂がバネ要素ｋ₂及びダンパ要素ｃ₂を介して上記バネ下質量ｍ₃に結合されたモデルで表わせる。
これに対して、図１に相当する、本実施の形態に係るマスダンパシステムの車両振動モデルは、図２（ｂ）に示すように、上記モータ質量ｍ₂と上記バネ下質量ｍ₃とを結合するバネ要素ｋのバネ定数を上記バネ要素ｋ₁のバネ定数の半分以下にするとともに、ダンパ要素ｃ₂をアクチュエータ要素Act.で置換えている。バネ要素ｋのバネ定数を上記バネ要素ｋ₁のバネ定数の半分以下にすると、従来例ではバネ上共振周波数とバネ下共振周波数との間にあったマスダンパシステムの共振周波数はバネ上共振周波数域に入ることになるが、バネ定数を小さくすると、マスダンパの変位量が大きくなりすぎて現実的ではない。しかしながら、マスダンパシステムの主要な目的はバネ下振動に起因するタイヤ接地圧変動の抑制であるので、本例では、バネ定数を小さくしてマスダンパシステムの共振周波数をバネ上共振周波数域に入れるとともに、上記ダンパ要素ｃ₂に代えてアクチュエータ要素Act.を用いてモータ質量ｍ₂とバネ下質量ｍ₃とを結合して、上記バネ上共振周波数域でマスダンパシステムの変位量（変位速度）が小さくなるように、上記アクチュエータ要素Act.を作動させる。これにより、アクチュエータ要素Act.は周波数選別機能を持ったダンパとして作用するので、バネ下振動を低減してタイヤ接地圧変動を抑制する。
【００１２】
すなわち、図３（ａ），（ｂ）に示すように、バネ下質量ｍ₃とモータ質量ｍ₂間の距離、具体的にはホイール２とモータ３との距離（ｘ₂−ｘ₃）を変位センサ２６により検出するとともに、上記変位センサ２６の出力を油圧制御装置３０の微分器３１に送り、ホイール２とモータ３との速度差であるモータ３の相対速度Ｖを算出する。次に、フィルタ３２をかけて上記相対速度Ｖのバネ上共振周波数帯域以下の成分であるモータ３の変位速度ｖを抽出し、アクチュエータ駆動力演算手段３３において、上記抽出された変位速度ｖに基づいてアクチュエータ２５の駆動力Ｆを算出する。そして、油圧制御手段３４により、上記算出された駆動力Ｆに基づいて油圧シリンダを備えた上記アクチュエータ２５の作動油の圧力・流量を制御して上記アクチュエータ２５の発生力を制御する。ここで、上記駆動力Ｆとしては、例えば、以下の式（１）で表わせる伝達関数を用いることができる。
【数１】

これにより、アクチュエータ２５を周波数選別機能を持ったダンパとして作用させるとともに、ホイール２の上下方向の移動速度及びモータ３の上下方向の移動速度に基づいてマスダンパの変位量を制御することができるので、タイヤ接地圧変動におけるバネ下振動に起因する振動成分を抑制することができる。
なお、アクチュエータ２５を上記バネ上共振周波数帯域近傍で有効に作動させるためには、本例の油圧サーボシステムにおけるアクチュエータ２５の応答時定数としては、２０ｍｓｅｃ．以下が望ましい。
【００１３】
このように、本実施の形態では、バネ下質量ｍ₃がタイヤの接地面とバネ要素ｋ₃及びダンパ要素ｃ₃により結合され、上記バネ下質量ｍ₃とバネ上質量ｍ₁とがバネ要素ｋ₁及びダッシュポットｃ₁により結合されるとともに、モータ質量ｍ₂がバネ要素ｋ₂及びダンパ要素ｃ₂を介して上記バネ下質量ｍ₃に結合されたモデルで表わせるインホイールモータシステムにおいて、上記ダンパ要素ｃ₂をアクチュエータ要素Act.で置換えるとともに、アクチュエータ２５の発生力を、ホイール２及びモータ３の上下方向の移動速度との差に基づいて制御するようにしたので、タイヤ接地面からの入力に起因する上記モータ３とホイール２間に発生する力、すなわち、バネ下振動を抑制することができ、タイヤ接地圧変動に影響するバネ下振動を大幅に抑制することができる。
なお、バネ上共振周波数域ではバネ上振動に起因する接地圧変動量がもともと大きいため、バネ下共振周波数領域で、いわば、マスダンパとバネ下が一体化した状態になってもタイヤ性能は実質的には変わらない。
【００１４】
なお、上記実施の形態では、変位センサ２６により、ホイール２とモータ３との距離を検出してアクチュエータ２５の動作を制御するようにしたが、図４（ａ），（ｂ）に示すように、変位センサ２７を追加して、バネ下質量ｍ₃とバネ上質量ｍ₂間の距離、具体的にはホイール２と車体側との距離（ｘ₁−ｘ₃）を検出するとともに、モータ３の取付方向におけるホイールの移動速度及びモータの移動速度に加えて、モータ３の取付方向における車両の移動速度に基づいて上記アクチュエータ２５の動作を制御するようにすれば、タイヤ接地圧変動だけでなく、バネ上振動についても効果的に抑制することができ、車両のロードホールディング性を更に向上させることができる。
具体的には、変位センサ２６の出力を微分器３１に送ってモータ３の相対速度Ｖ₁を算出するとともに、上記変位センサ２７の出力を微分器３１ｂに送り車体の相対速度Ｖ₂を算出し、上記相対速度Ｖ₁,Ｖ₂にフィルタ３２，３２ｂをかけて変位速度ｖ₁,ｖ₂を抽出し、アクチュエータ駆動力演算手段３３において、上記抽出された変位速度ｖ₁,ｖ₂に基づいて、例えば、以下の式（２），（３）で表わせるＦ₁,Ｆ₂を算出し、このＦ₁,Ｆ₂を加算してアクチュエータ２５の駆動力Ｆを算出し、この算出された駆動力Ｆに基づいて上記アクチュエータ２５の発生力を制御する。
【数２】

【００１５】
また、上記例では、上記モータ３を車両バネ下部に対して上下方向に支持した場合について説明したが、上下方向に加えて、上記モータ３を、前後方向に対しても上記バネ要素２２及び上記アクチュエータ２５により支持するようにすれば、タイヤ前後力変動についても減少させることができるので、車両のロードホールディング性を更に向上させることができる。
【００１６】
また、上記実施の形態では、上記モータ３の取付方向におけるホイール２とモータ３の変位量の情報（ホイール２とモータ３との距離（ｘ₂−ｘ₃））を変位センサ２６により検出し、この変位量から算出された変位速度ｖに基づいてアクチュエータ２５の駆動力Ｆを制御してマスダンパの変位量を制御する場合について説明したが、上記変位量の情報に代えて、モータ３の取付方向におけるホイール２とモータ３の速度、加速度、あるいは、タイヤホイールとモータ間に作用する力の情報を検出する手段を設けて、上記検出された情報に基づいて上記駆動力Ｆを制御することにより、ホイール２とモータ３間の変位（変位量）、速度、加速度、あるいは、ホイール２とモータ３間に作用する力を制御するようにしても同様の効果を得ることができる。
【００１７】
＜実施例１＞
図５は、上記図２（ａ），（ｂ）に示した車両振動モデルに対応して車両において実験した、従来マスダンパシステムと、本発明によるアクチュエータ要素Act.を用いたマスダンパシステムにおけるタイヤ接地圧変動及びバネ上振動の大きさを示すグラフで、実施例１では、アクチュエータ要素Act.（アクチュエータ２５）に対して、図３（ｂ）に示した、ホイール２及びモータ３の上下方向の移動速度との差に基づいた制御を行っている。
図５のグラフからから明らかなように、従来例のように、モータダンパを受動素子のみで構成した場合には、モータダンパの共振周波数付近でのタイヤ接地圧変動及びバネ上振動がやや大きくなっているが、実施例１では、上記共振周波数付近でのタイヤ接地圧変動及びバネ上振動が低減されていることがわかる。
【００１８】
＜実施例２＞
図６は、上記図４（ａ），（ｂ）に示した、ホイール２及びモータ３の上下方向の移動速度との差に加えて、車両の上下方向の移動速度に基づいた制御を行った場合（実施例２）のタイヤ接地圧変動及びバネ上振動の大きさを示すグラフである。この場合には、モータダンパの共振周波数付近だけでなく、バネ上振動周波数域での接地圧変動も低減することができることが確認された。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、車輪部に配設される中空形状のダイレクトドライブモータがバネ要素を介して車両バネ下部に対して上下方向に支持されたインホイールモータシステムにおいて、上記モータを、上記バネ要素と、上記バネ要素に並列に配置されたアクチュエータとを介して車両バネ下部に対して支持するとともに、タイヤホイールと上記モータとの速度差を検出するモータ相対速度検出手段と、上記検出されたタイヤホイールとモータとの速度差に基づいて上記アクチュエータの駆動力を算出する駆動力演算手段と、上記演算された駆動力に基づいて上記アクチュエータの駆動力を制御する制御手段とを設け、上記駆動力演算手段において、上記速度差に、一次遅れの伝達関数を乗算して、上記アクチュエータの駆動力を算出するようにしたので、路面から入力するモータとホイール間に作用する力を低減し、タイヤ接地圧変動、あるいは、バネ上振動を抑制することができる。したがって、タイヤ接地圧変動を効果的に抑制することができ、車両のロードホールディング性を更に向上させることができる。
また、上記タイヤホイールと車体との速度差を検出する車体相対速度検出手段を設けて、上記モータの上下方向における車体の相対速度に基づいて上記アクチュエータの駆動力を制御するようにすれば、タイヤ接地圧変動、及び、バネ上振動を更に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わるインホイールモータシステムの構成を示す縦断面図である。
【図２】本実施の形態に係わるインホイールモータシステムにおける車両振動モデルを示す図である。
【図３】本実施の形態に係わるアクチュエータの制御例を示す図である。
【図４】本発明によるインホイールモータシステムにおける車両振動モデルとアクチュエータの制御例を示す図である。
【図５】本発明による車両振動モデルの解析結果を示す図である。
【図６】本発明による車両振動モデルの解析結果を示す図である。
【図７】従来のダイナミックダンパ型インホイールモータの構成を示す図である。
【符号の説明】
１タイヤ、２ホイール、２ａリム、２ｂホイールディスク、
３インホイールモータ、３Ｒモータロータ、３Ｓモータステータ、
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、６車軸、７サスペンション部材、８制動装置、
１０フレキシブルカップリング、１１Ａ〜１１Ｃ中空円盤状のプレート、
１２Ａ，１２Ｂ直動ガイド、２０緩衝機構、２１直動ガイド、
２２バネ要素、２４Ａ、２４Ｂ中空円盤状のプレート、
２５アクチュエータ、２６，２７変位センサ。

Claims

車輪部に配設される中空形状のダイレクトドライブモータを、車両の上下方向に作動するバネ要素を介して車両バネ下部に対して上下方向に支持したインホイールモータシステムであって、
上記モータを、上記バネ要素と、上記バネ要素に並列に配置されたアクチュエータとを介して車両バネ下部に対して支持するとともに、
タイヤホイールと上記モータとの速度差を検出するモータ相対速度検出手段と、
上記検出されたタイヤホイールとモータとの速度差に基づいて上記アクチュエータの駆動力を算出する駆動力演算手段と、
上記演算された駆動力に基づいて上記アクチュエータの駆動力を制御する制御手段とを備え、
上記駆動力演算手段は、上記速度差に、一次遅れの伝達関数を乗算して、上記アクチュエータの駆動力を算出することを特徴とするインホイールモータシステム。
上記モータ相対速度検出手段は、
上記タイヤホイールと上記モータとの距離を検出する変位センサと、
上記変位センサの出力を微分して上記タイヤホイールと上記モータとの速度差を算出する手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のインホイールモータシステム。
上記タイヤホイールと車体との速度差を検出する車体相対速度検出手段を更に設けるとともに、
上記駆動力演算手段は、
上記検出されたタイヤホイールとモータとの速度差に一次遅れの伝達関数を乗算して、上記タイヤホイールとモータとの速度差に基づく上記アクチュエータの駆動力である第１の駆動力Ｆ ₁ を算出し、
更に、上記検出されたタイヤホイールと車体との速度差に二次遅れの伝達関数を乗算して、上記タイヤホイールと車体との速度差に基づく上記アクチュエータの駆動力である第２の駆動力Ｆ ₂を算出するとともに、
上記第１の駆動力Ｆ ₁と上記第２の駆動力Ｆ ₂とを加算して上記アクチュエータの駆動力を算出し、
上記制御手段は、上記加算されたアクチュエータの駆動力に基づいて上記アクチュエータの駆動力を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインホイールモータシステム。
上記車体相対速度検出手段は、
上記タイヤホイールと上記車体との距離を検出する変位センサと、
上記変位センサの出力を微分して上記タイヤホイールと上記車体との速度差を算出する手段とを備えたことを特徴とする請求項３に記載のインホイールモータシステム。