JP7213038B2 - 全輪駆動車における制御システム - Google Patents

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Description

以下の開示は、全輪駆動車において原動機と車軸との接続を制御する制御システムに関し、特に後輪駆動ベースの全輪駆動車において前車軸の断続を制御する制御システムに関する。
二輪駆動（２ＷＤ）車の悪路走破性能を改善するべく、四つの車輪の全てを駆動輪として用いる四輪駆動（４ＷＤ）車が古くから実用にされている。全輪駆動（ＡＷＤ）は、元来は、４ＷＤを含め駆動輪が四つ以上の全ての場合を包含する用語だが、電子制御を利用してトルク配分を行うものを、通常の４ＷＤと区別するためにＡＷＤと呼称する場合がある。
全ての車輪を駆動輪として用いれば悪路走破性能は高まるものの、燃費の悪化は避けられない。そこで、通常は２ＷＤモードで走行し、運転者の操作または自動制御の下に、時限的に２ＷＤモードからＡＷＤモードに移行する機構を備えたＡＷＤ車が提案されている。モード切替に伴うトルク伝達の断続にはクラッチが利用され、特に滑りによるエネルギロスを避けるべく、噛み合いクラッチが利用されることがある。クラッチ歯間に回転数の差異があると噛み合いクラッチを接続することはできないので、接続に先立って回転を同期させる制御が行われる。
特許文献１，２は、関連する技術を開示する。
特開２０１３－１７７０９３号公報 特開２０１８－０１３１７５号公報
回転を同期させる制御は迅速であることがもちろん好ましい。一方、かかる制御が拙劣であれば、噛み合いクラッチが接続する過程において、伝達トルクに衝撃的または振動的な変動が生じ、これは乗員に不快感を与えかねない。以下に開示するシステムは、かかる問題を解決するために創出された。
一局面によれば、原動機により時限的に駆動される第１の車軸と、プロペラシャフトを介して前記原動機に常時連結する第２の車軸と、前記プロペラシャフトと前記第１の車軸とを駆動的に連絡するサブシャフトと、を備えた全輪駆動車において、前記原動機と前記第１の車軸との接続を制御する制御システムであって、前記プロペラシャフトと前記サブシャフトとを切断可能に接続する第１のクラッチと、前記サブシャフトと前記第１の車軸とを切断可能に接続する第２のクラッチと、前記第２のクラッチが接続可能かを判定する同期判定手段と、前記第２のクラッチが接続しているかを判定する接続判定手段と、前記接続判定手段が前記第２のクラッチが接続していることを判定するまで、前記プロペラシャフトから前記サブシャフトへ一定の同期トルクを付与し続けるよう前記第１のクラッチを制御するべく構成された第１の制御手段と、前記第２のクラッチが接続可能であることを前記同期判定手段が判定することを条件として前記第２のクラッチを接続するよう制御するべく構成された第２の制御手段と、前記第２のクラッチにおける回転数差を検出する、前記同期判定手段に接続された一以上のセンサと、を備え、前記同期判定手段は前記センサの信号から前記回転数差を算出し、前記回転数差が基準値より小さいことを条件に前記第２のクラッチが接続可能であることを判定するべく構成されている。
好ましくは、前記第１のクラッチは摩擦クラッチであり、前記第２のクラッチは噛み合いクラッチである。より好ましくは、前記第１の制御手段は、前記接続判定手段が前記第２のクラッチが接続していることを判定した後には前記プロペラシャフトから前記サブシャフトへ前記同期トルク以上のトルクを付与するよう前記第１のクラッチを制御するべく構成されている。あるいは好ましくは、制御システムは、接続要求を受信する、前記第１の制御手段に接続された通信装置をさらに備え、前記第１の制御手段は、前記通信装置が前記接続要求を受信することを条件として前記第１のクラッチに前記サブシャフトへ前記同期トルクを付与させる制御を開始するべく構成されている。さらに好ましくは、前記通信装置は切断要求を受信するよう構成され、前記第１の制御手段は、前記通信装置が前記切断要求を受信することを条件として前記サブシャフトへ付与されるトルクを前記同期トルクへ減少するよう前記第１のクラッチを制御するべく構成され、前記第２の制御手段は、前記第１の制御手段が前記トルクを前記同期トルクへ減少した後には前記第２のクラッチを切断するよう制御するべく構成されている。
伝達トルクに著しい変動を生じさせずに迅速に二輪駆動と全輪駆動とを切り替えることができる。
図１は、一実施形態による車両の概括的なブロックダイアグラムである。 図２は、他の実施形態による前車軸および関連要素の概括的なブロックダイアグラムである。 図３は、電子制御装置（ＥＣＵ）および関連要素のブロックダイアグラムである。 図４は、前車軸を駆動系に接続するための制御を表すフローチャートである。 図５は、クラッチにおける同期性を判定する手順の一例を表すフローチャートである。 図６は、クラッチの接続および切断を検出するセンサおよび関連要素の部分断面図である。 図７は、前車軸を駆動系から切断するための制御を表すフローチャートである。 図８は、前車軸を駆動系に接続する過程における回転数および伝達トルクの遷移を表すグラフである。
添付の図面を参照して以下に幾つかの例示的な実施形態を説明する。
以下の説明において、後輪駆動ベースの全輪駆動車において前車軸の断続を制御する制御システムを説明するが、同様なシステムは前輪駆動ベースの車両にも適用することができる。
図１を参照するに、車両は、一例として、制御システム１と、原動機３と、原動機３により時限的に駆動される前車軸（第１の車軸）５Ｒ，５Ｌと、プロペラシャフト９を介して原動機３に常時連結する後車軸（第２の車軸）７と、プロペラシャフト９と前車軸５Ｒ，５Ｌとを駆動的に連絡するサブシャフト１１と、を備える。かかる車両において、制御システム１は、原動機３と前車軸５Ｒ，５Ｌとの接続を制御する。
車両は、また、プロペラシャフト９からサブシャフト１１へのトルク伝達を仲介するカップリング１３を備える。カップリング１３は例えば多板クラッチのごとき摩擦クラッチ（第１のクラッチ）１５と、これを駆動する駆動装置（第１の駆動装置）１７とを備える。摩擦クラッチの一方はプロペラシャフト９に結合し、他方はギア結合またはスプロケット等を介してサブシャフト１１に駆動的に結合している。第１の駆動装置１７により第１のクラッチ１５に押圧力が作用すると、押圧力の増減に応じて第１のクラッチ１５が伝達するトルクが増減し、以ってカップリング１３はプロペラシャフト９からサブシャフト１１へのトルク伝達を量的に制御することができる。すなわち第１のクラッチ１５を介した伝達トルクＴｃを制御することは、期待した伝達トルクＴｃが得られるように第１の駆動装置１７による第１のクラッチ１５への押圧力を制御することと等価であり、本明細書と添付の特許請求の範囲を通じて、特段の断りなく前者を後者の意味で述べることがある。
車両は、また、前車軸５Ｒ，５Ｌと結合した切断可能（ディスコネクト）デファレンシャル１９を備える。そのアウタケース１９ａはサブシャフト１１とギア結合しており、伝達されたトルクを受容することができる。そのインナケース１９ｂはアウタケース１９ａに対して自由に相対回転することができ、アウダケース１９ａとインナケース１９ｂとの間には第２のクラッチ２３が介在する。本実施形態は噛み合いクラッチの同期の問題を改善するので、ドッグクラッチのごとき噛み合いクラッチを第２のクラッチ２３に好適に適用することができる。なお第２のクラッチ２３にコーンクラッチや多板クラッチのごとき摩擦クラッチを適用することができ、その場合には本実施形態は接続の過程におけるエネルギロスを減少する。
さらにデファレンシャル１９は、駆動装置（第２の駆動装置）２３を備えてクラッチ２３の接続・切断を制御することができる。デファレンシャル１９は、右前車軸５Ｒと左前車軸５Ｌの間の差動を許容しつつ、第２のクラッチ２３が接続したときには入力されたトルクを両前車軸５Ｒ，５Ｌに分配する。すなわち車両はＡＷＤモードで走行する。第２のクラッチ２３が切断されたときには前車軸５Ｒ，５Ｌにトルクが伝達されないので、車両は２ＷＤモードで走行する。
あるいは図２に示すごとく、前車軸５Ｒ，５Ｌにはアクスルディスコネクトデバイス２１を適用することができる。かかる装置において、デファレンシャルギアが右前車軸５Ｒと左前車軸５Ｌの間の差動を許容する点では変わりないが、第２のクラッチ２３は左前車軸５Ｌ（あるいは右前車軸５Ｒでもよい）に介在しており、デファレンシャルギアは直接にサブシャフト１１とギア結合している。第２のクラッチ２３が接続されているときにはアクスルディスコネクトデバイス２１は両前車軸５Ｒ，５Ｌにトルクを伝達する（ＡＷＤモード）が、第２のクラッチ２３が切断されているときには右前車軸５Ｒと左前車軸５Ｌとは独立に自由に回転できるので、トルクは伝達されない（２ＷＤモード）。
何れにせよ、制御システム１は、プロペラシャフト９とサブシャフト１１とを切断可能に接続する第１のクラッチ１５と、サブシャフト１１と第１の車軸５Ｒ，５Ｌとを切断可能に接続する第２のクラッチ２３とを備える。
図１，２と組み合わせて図３を参照するに、制御システム１は、また、第２のクラッチ２３が接続可能か、また接続しているかを判定する判定手段と、第１の駆動装置１７（すなわち第１のクラッチ１５）を制御する第１の制御手段と、第２の駆動装置２５（すなわち第２のクラッチ２３）を制御する第２の制御手段とを備える。
第１の制御手段は、判定手段が第２のクラッチ２３が接続していることを判定するまで、プロペラシャフト９からサブシャフト１１へ一定の同期トルクＴｓを付与し続けるよう第１のクラッチ１５を制御するべく構成されている。また第２の制御手段は、第２のクラッチ２３が接続可能であることを判定手段が判定することを条件として第２のクラッチ２３を接続するべく制御するよう構成されている。以下に説明する通り、これらの手段は、それぞれ独立した特定用途向け電子回路であってもよいが、ソフトウェアと協働して動作する電子制御装置（ＥＣＵ）により実現することができる。ＥＣＵは、通常、他のデバイスと通信するための通信装置と、ソフトウェアに基づき動作するプロセッサとを、少なくとも備える。以下はＥＣＵによる例を説明する。
図１に戻って図３と組み合わせて参照するに、車両は複数のＥＣＵを備え、その一は全輪駆動制御装置２９である。かかる制御装置２９は、第１および第２の駆動装置１７、２５に電気的に接続されており、これらを制御する。また制御装置２９は、通信装置３３を介して運転席のモードスイッチ３５に電気的に接続されており、ドライバによるモードスイッチ３５の操作に基づく接続要求および切断要求を受信することができるように構成されている。あるいは接続要求および切断要求は、手動操作によるものに代えて自動制御に基づいてもよく、その場合に制御装置２９は、自らまたは他のＥＣＵが発行した接続要求および切断要求を受信するように構成されていてもよい。
制御装置２９は、また、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）通信バス３７を介して他の制御装置に、例えばアンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）制御装置３１に接続されており、かかる制御装置３１が取得した回転数データ等の情報をＣＡＮ通信を介して取得することができる。制御装置２９は、直接に、あるいはＣＡＮ通信バス３７を介して、回転数センサ２７ａ－２７ｅに接続されており、各シャフト５Ｒ，５Ｌ，１１の回転数Ｎｒ，Ｎｌ，Ｎｐ等を随時取得することができる。
全輪駆動制御装置２９は、２ＷＤモードからＡＷＤモードへ移行するときに、例えば図４に示すアルゴリズムに従って動作する。以下のアルゴリズムは制御装置２９のみで実行できるが、あるいは他のＥＣＵと協働して実行してもよい。
すなわち、制御装置２９は、接続要求を受信するまで第２のクラッチ２３が切断された状態を維持する。図１，４に組み合わせて図８を参照するに、このときカップリング１３を介して伝達されるトルクＴｃは実質的にゼロであり、サブシャフト１１へはどこからもトルクが与えられないので、その回転数Ｎｐもほぼゼロ乃至ごく低速である。これは車両の省燃費に著しく有利だが、その一方、アウタケース１９ａの回転数Ｎａとインナケース１９ｂの回転数Ｎｂとは相当程度に相違するために、通常このままでは第２のクラッチ２３を接続することはできない。
接続要求を受信すると、制御装置２９は第１の駆動装置１７を制御して第１のクラッチ１５を適宜に接続し、プロペラシャフト９が伝達するトルクＴの一部を、第２のクラッチ２３を同期せしめるための同期トルクＴｓとして取り出してサブシャフト１１へ付与する。同期トルクＴｓが作用することによりサブシャフト１１はスピンアップし、やがて第２のクラッチ２３を同期させる回転数Ｎｆに達してその接続が可能になる。
制御装置２９は、接続が可能になるまで、同期トルクＴｓを付与し続けるよう第１のクラッチ１５を制御する。かかる同期トルクＴｓは、後述のＡＷＤ制御の下に付与される駆動トルクＴｄよりは小さいが、サブシャフト１１をスピンアップするに十分な適宜のトルクであって、駆動系の質量や慣性モーメント等に応じて適宜に予め定めることができる。同期トルクＴｓは接続の前後において一定に維持することができる。これは後述の通り、伝達トルクの変動を防止すること、および伝達トルクを迅速に増大することの両方に有利である。あるいはこれらの何れかを優先して、同期トルクを経時的に減少しながら、あるいは増大しながら、第２のクラッチ２３を接続してもよい。
次いで第２のクラッチ２３の接続が可能になったか否かが判定される。図４に組み合わせて図５を参照するに、かかる判定は、クラッチ歯間の回転数差ΔＮに基づくことができる。例えば図１に示すデファレンシャル１９の場合、アウタケース１９ａの回転数Ｎａは、サブシャフト１１の回転数Ｎｐにギア比を乗じて算出することができ、またインナケース１９ｂの回転数Ｎｂは前車軸５Ｒ，５Ｌの回転数Ｎｒ，Ｎｌの平均として算出することができる。回転数差ΔＮは、ＮａとＮｂとの差として算出することができる。あるいは図２に示すアクスルディスコネクトデバイス２１の場合には、デファレンシャルギアのケースの回転数Ｎｃは回転数Ｎｐより算出でき、これと前車軸５Ｌの回転数Ｎｌとの差として回転数差ΔＮを算出することができる。あるいは車軸やシャフトの回転数から算出するのに代えて、例えば回転数Ｎａ，Ｎｂを検出するセンサを利用して、それらの出力値から算出してもよいし、あるいは回転数差ΔＮを直接に検出するセンサを利用してもよい。適宜に定めた基準値（ｓｔｄ．）よりも回転数差ΔＮが小さいときに、接続が可能になったと判定することができる。
図４に戻って参照するに、第２のクラッチ２３の接続が可能である（すなわち同期している）ことを判定すると、制御装置２９は第２の駆動装置２５を制御して第２のクラッチ２３を接続する。
ここまで制御装置２９は、図８に示す通り、サブシャフト１１へ一定の同期トルクＴｓを付与し続けるように第１のクラッチ１５を制御している。第２のクラッチ２３が接続することにより、かかる同期トルクＴｓが急激に両前車軸５Ｒ，５Ｌに印加されるが、十分に同期した状態で接続するし、また第１のクラッチ１５は摩擦クラッチであるためにある程度の滑りを許容する。それゆえ伝達トルクに衝撃的または振動的な変動が生じることはなく、また乗員が不快を感じることはない。
続いて制御装置２９は、第２のクラッチ２３が接続しているかを判定する。かかる判定にも回転数差ΔＮを利用することができる。例えば、回転数差ΔＮが基準値より小さいときに接続していると判定することができる。この基準値は、接続可能かを判定する基準値よりも小さい値にすることができる。
あるいは物理的なスイッチにより判定することもできる。例えば図６に例示するごとく、第２のクラッチ２３の可動クラッチ歯側にフランジ４１を固定し、これに隣接して配置された近接センサ３９の出力を利用して判定することができる。もちろん近接センサに代えて機械的なスイッチを利用することもできる。さらにあるいは、第２の駆動装置２５への通電の確認、あるいは通電の開始から所定の時間が経過したことをもって接続の判定に代えてもよい。
図４に戻って参照するに、制御装置２９は、第２のクラッチ２３が接続していると判定することを条件に、制御をＡＷＤ制御のためのアルゴリズムに受け渡す。ＡＷＤ制御アルゴリズムの下に伝達トルクＴｃが制御され、図８に示す通り、伝達トルクＴｃは同期トルクＴｓより大きな駆動トルクＴｄへ増大する。
かかる伝達トルク増大の過程は、従来技術に比して十分に迅速であることが期待される。なぜなら、伝達トルクに衝撃的または振動的な変動が生じることを避けようとするならば、図８の一点鎖線で示す通り、伝達トルクＴｃ’は比較的緩慢に増大しなければならない。本実施形態によれば、少なくとも同期トルクＴｓが伝達されている状態からトルク増大を開始しているので、駆動トルクＴｄに到達するまでの時間は短縮される。
車両をＡＷＤモードから２ＷＤモードへ移行するときには、制御装置２９は例えば図７に示すアルゴリズムに従って動作する。
すなわち、制御装置２９は、切断要求を受信するまでＡＷＤ制御アルゴリズムによる制御を維持する。切断要求を受信すると、ＡＷＤ制御アルゴリズムを停止して切断アルゴリズムに移行する。制御装置２９は第１の駆動装置１７を制御して第１のクラッチ１５の接続を弱め、伝達トルクＴｃをＴｄから同期トルクにまで減少する。かかる同期トルクは上述の同期トルクＴｓと同一でもよく、あるいは適宜に異なっていてもよい。一定の同期トルクを維持してもよいし、同期トルクを経時的に減少し、あるいは増大してもよい。これと並行して、あるいはこれに続いて、制御装置２９は第２の駆動装置２５を制御して第２のクラッチ２３を切断する。
ここまで制御装置２９は、第１のクラッチ１５を完全には切断していないので、サブシャフト１１へある程度のトルクが付与され続けている。両前車軸５Ｒ，５Ｌに印加されるトルクが急激に消失するわけではないので、車両が揺動することはなく、また乗員が不快を感じることはない。
続いて制御装置２９は、第２のクラッチ２３が切断しているかを判定する。かかる判定は、第２の駆動装置２５への通電の遮断、あるいは遮断の開始から比較的に短い時間が経過したことをもって切断したと判定してもよく、あるいは上述と同じく、回転数差ΔＮに基づいて判定してもよく、さらにあるいは物理的スイッチによってもよい。
制御装置２９は、第２のクラッチ２３が切断していると判定することを条件に、第１の駆動装置１７を制御して第１のクラッチ１５の接続をさらに弱めて伝達トルクをゼロに（同期トルクをオフに）する。制御装置２９は、第１のクラッチ１５が切断したことを判定して、切断制御を終了する。あるいは切断の判定は省略することができる。
以上より理解される通り、本実施形態によれば、２ＷＤモードとＡＷＤモードとを切り替える際に、クラッチの断続に伴って伝達トルクに衝撃的または振動的な変動が生じることを防止することができ、従って乗員に不快感を与えることを防止することができる。またかかる切り替えは迅速に行うことができる。さらにはかかるシステムは、従来の摩擦クラッチ、噛み合いクラッチおよびＥＣＵを組み合わせることにより実現することができ、新たな装置の追加を必要としないので、省コストであり、また車両の重量増を伴わない。
幾つかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正ないし変形をすることが可能である。
伝達トルクに衝撃的または振動的な変動が生じることを防止しながら迅速に２ＷＤモードとＡＷＤモードとを切り替えることができる制御システムが提供される。
１ 制御システム
３ 原動機
５Ｒ 右前車軸
５Ｌ 左前車軸
７ 後車軸
９ プロペラシャフト
１１ サブシャフト
１３ カップリング
１５ 第１のクラッチ
１７ 第１の駆動装置
１９ 切断可能デファレンシャル
１９ａ アウタケース
１９ｂ インナケース
２１ アクスルディスコネクトデバイス
２３ 第２のクラッチ
２５ 第２の駆動装置
２７ａ－２７ｅ 回転数センサ
２９ 全輪駆動制御装置
３１ ＡＢＳ制御装置
３３ 通信装置
３５ モードスイッチ
３７ ＣＡＮ通信バス
３９ 近接センサ
４１ フランジ
Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｆ，Ｎｐ，Ｎｒ，Ｎｌ 回転数
ΔＮ 回転数差
Ｔ トルク
Ｔｃ，Ｔｃ’ 伝達トルク
Ｔｄ 駆動トルク
Ｔｓ 同期トルク

Claims (5)

  1. 原動機により時限的に駆動される第１の車軸と、プロペラシャフトを介して前記原動機に常時連結する第２の車軸と、前記プロペラシャフトと前記第１の車軸とを駆動的に連絡するサブシャフトと、を備えた全輪駆動車において、前記原動機と前記第１の車軸との接続を制御する制御システムであって、
    前記プロペラシャフトと前記サブシャフトとを切断可能に接続する第１のクラッチと、
    前記サブシャフトと前記第１の車軸とを切断可能に接続する第２のクラッチと、
    前記第２のクラッチが接続可能かを判定する同期判定手段と、
    前記第２のクラッチが接続しているかを判定する接続判定手段と、
    前記接続判定手段が前記第２のクラッチが接続していることを判定するまで、前記プロペラシャフトから前記サブシャフトへ一定の同期トルクを付与し続けるよう前記第１のクラッチを制御するべく構成された第１の制御手段と、
    前記第２のクラッチが接続可能であることを前記同期判定手段が判定することを条件として前記第２のクラッチを接続するよう制御するべく構成された第２の制御手段と、
    前記第２のクラッチにおける回転数差を検出する、前記同期判定手段に接続された一以上のセンサと、
    を備え、前記同期判定手段は前記センサの信号から前記回転数差を算出し、前記回転数差が基準値より小さいことを条件に前記第２のクラッチが接続可能であることを判定するべく構成されている、制御システム。
  2. 前記第１のクラッチは摩擦クラッチであり、前記第２のクラッチは噛み合いクラッチである、請求項１の制御システム。
  3. 前記第１の制御手段は、前記接続判定手段が前記第２のクラッチが接続していることを判定した後には前記プロペラシャフトから前記サブシャフトへ前記同期トルク以上のトルクを付与するよう前記第１のクラッチを制御するべく構成されている、請求項１乃至２の何れか１項の制御システム。
  4. 接続要求を受信する、前記第１の制御手段に接続された通信装置をさらに備え、
    前記第１の制御手段は、前記通信装置が前記接続要求を受信することを条件として前記第１のクラッチに前記サブシャフトへ前記同期トルクを付与させる制御を開始するべく構成されている、請求項１乃至３の何れか１項の制御システム。
  5. 前記通信装置は切断要求を受信するよう構成され、
    前記第１の制御手段は、前記通信装置が前記切断要求を受信することを条件として前記サブシャフトへ付与されるトルクを前記同期トルクへ減少するよう前記第１のクラッチを制御するべく構成され、
    前記第２の制御手段は、前記第１の制御手段が前記トルクを前記同期トルクへ減少した後には前記第２のクラッチを切断するよう制御するべく構成されている、請求項４の制御システム。
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