特開 2022-16429 デファレンシャルギヤの差動制限トルクをモデル化し組み込むシミュレーションプログラムと、その制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022016429

(43)【公開日】2022-01-21

(54)【発明の名称】デファレンシャルギヤの差動制限トルクをモデル化し組み込むシミュレーションプログラムと、その制御方法

(51)【国際特許分類】

   B60W 30/045 20120101AFI20220114BHJP

   F16H 48/30 20120101ALI20220114BHJP

【ＦＩ】

B60W30/045

F16H48/30

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2021128608

(22)【出願日】2021-06-25

(31)【優先権主張番号】P 2020131073

(32)【優先日】2020-07-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】514267179

【氏名又は名称】芝端 康二

(72)【発明者】

【氏名】芝端 康二

【テーマコード（参考）】

3D241

3J027

【Ｆターム（参考）】

3D241BA17

3D241BC01

3D241BC02

3D241BC04

3D241CA03

3D241CC02

3D241CC14

3D241DA52Z

3D241DA53Z

3D241DB12Z

3D241DB13Z

3J027FB02

3J027HC24

3J027HE03

3J027HK05

3J027HK32

(57)【要約】

【課題】走行中ハンドルの操舵により旋回を始める際に左右輪間のデファレンシャルギヤのフリクションにより左右のタイヤに逆方向の前後力が生じ、旋回を妨げるヨーモーメントが発生する。
従来、この関係の解明が不足していたためシミュレーションプログラムに考慮されていなかったためシミュレーション精度が悪かった。
そのため適切なデファレンシャルギヤの制御方法が不明であり操舵応答特性の改善が図られていなかった。
【解決手段】上記デファレンシャルギヤのフリクションによる差動制限トルクはデファレンシャルギヤに作用する駆動トルクにほぼ比例する。この関係を正確に表現するモデルをシミュレーション計算に取り込み計算精度を向上した。
また操舵初期においてデファレンシャルギヤの差動制限トルクを低減し旋回を妨げる復元ヨーモーメントを低減し、操舵応答特性を向上した。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

工学的な解析およびシミュレータの制御などに用いられる車両の操舵応答特性を計算するシミュレーションプログラムにおいて、ヨーレイトに比例し復元方向のヨーモーメントを発生し、そのヨーモーメントの上限値がデファレンシャルギヤの差動制限トルクより定められるヨーモーメント発生モデルを組み込んだことを特徴とする、車両の操舵応答特性計算シミュレーションプログラム。

【請求項2】

左右輪間に差動制限トルクを発生するデファレンシャルギヤを装着した車両において、旋回量の増加時に操舵速度に応じてデファレンシャルギヤの差動制限トルクを低減する（ゼロに近づける）、ことを特徴とするデファレンシャルギヤの差動制限トルクの制御方法。

【請求項3】

請求項２の制御手段として、左右輪間の差動制限トルクが駆動トルクに応じて増減する機構を持つデファレンシャルギヤを装着した車両において、旋回量の増加時に操舵速度に応じてデファレンシャルギヤの駆動トルク（すなわち原動機の出力トルク）を低減する（ゼロに近づける）、ことを特徴とするデファレンシャルギヤの差動制限トルクの制御方法。

【請求項4】

請求項２の制御手段として、左右輪間の差動制限トルクが制御可能な機構を持つデファレンシャルギヤを装着した車両において、旋回量の増加時に操舵速度に応じてデファレンシャルギヤの差動制限トルクを低減する（ゼロに近づける）、ことを特徴とするデファレンシャルギヤの差動制限トルクの制御方法。

【請求項5】

請求項２の制御手段として、左右輪間の差動制限トルクが駆動トルクに応じて増減する機構を持つデファレンシャルギヤを前輪または後輪に装着し、前軸と後軸の間に伝達トルクが可変にできるクラッチ機構を持つ四輪駆動車において、旋回量の増加時に操舵速度に応じて前軸後軸間のクラッチ機構の伝達トルクを低減する（ゼロに近づける）、ことを特徴とするデファレンシャルギヤの差動制限トルクの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は，デファレンシャルギヤの差動制限トルクをモデル化し組み込むシミュレーションプログラムと、その制御方法に関する。
に関する。

【背景技術】

【0002】

差動制限装置付きのデファレンシャルギヤ（以下ＬＳＤと記す）の差動制限トルクの特性は一般に旋回外輪に対する旋回内輪の駆動トルクの比を表すＴＢＲ（トルクバイアスレシオ）特性で表現される。（例えば「非特許文献１」参照）

【0003】

従来このＴＢＲ特性は旋回時の駆動性能を表現するために用いられており、車両の操舵応答特性と結び付けられることは無かった。

【0004】

しかし、実際にはＴＢＲで表現される左右輪の駆動トルクは車両にヨーモーメントを発生させ車両の操舵応答特性に影響を及ぼす。さらに特別な差動制限機構を持たないデファレンシャルギヤ（以下コンベデフと記す）においても１．０以上のＴＢＲの値が存在し車両の操舵応答特性に影響を及ぼしていたが、従来操舵応答特性に対するその影響は考慮されていなかった。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】株式会社エフ・シー・シー ＤＩＦＦ ＦＣＣ ＴＲＡＣ インターネット紹介ページ ＵＲＬ：ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｆｃｃ－ｎｅｔ．ｃｏ．ｊｐ／ｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ／ｒｅｇｉｏｎａｌ－ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ／ｆｏｒｍｕｌａ／ｐｒｏｄｕｃｔ／

【0006】

【非特許文献2】「新編自動車工学ハンドブック」第８版１９８１年５月２５日発行、編纂者 社団法人 自動車技術会、発行所株式会社 図書出版社、ＩＳＢＮ３０５３－７０５００１－５３０６、５－３７ページ

【0007】

【非特許文献3】「自動車の運動と制御」、著者 安部正人、発行所 学校法人東京電機大学 東京電機大学出版局、ＩＳＢＮ９７８－４－５０１－４１９２０－２ Ｃ３０５３、Ｐ．２４０～２４１、及びＰ．１０２、１０３

【0008】

【非特許文献4】「サーキット走行入門」、著者 飯塚昭三、発行所 株式会社グランプリ出版、ＩＳＢＮ９７８－４－８７６８７－３６７－８ Ｃ２０５３、Ｐ．１６２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

デファレンシャルギヤ（ＬＳＤおよびコンベデフ）が車両の操舵応答特性に与える影響に関する解明が不足していたため、車両の操舵応答特性を計算する際にデファレンシャルギヤの影響が考慮されていなかったため計算精度が悪かった。

【0010】

またデファレンシャルギヤ（ＬＳＤおよびコンベデフ）が車両の操舵応答特性に与える影響に関する解明が不足していたため、デファレンシャルギヤに対する適切な制御ができず車両の操舵応答特性を向上することが出来なかった。

【課題を解決するための手段】

【0011】

第一に、デファレンシャルギヤ（ＬＳＤおよびコンベデフ）のＴＢＲ特性と車両に作用するヨーモーメントの関係を表す関係式を導出し車両の操舵応答特性を計算する際に用いることにより車両の操舵応答特性の計算精度向上を計る。

【0012】

第二に、デファレンシャルギヤ（ＬＳＤおよびコンベデフ）のＴＢＲ特性と車両に作用するヨーモーメントの関係を表す関係式から車両の操舵応答特性を向上するためのデファレンシャルギヤの制御方法を見出す。具体的には旋回量（操舵角、ヨーレイトなど）が増加する方向の操舵速度が生じた際にデファレンシャルギヤの差動制限トルクを低減（ゼロに近づける）し操舵初期の操舵応答特性を向上する。

【発明の効果】

【0013】

第一に、シミュレータに組み込まれている車両運動性能シミュレーションを含め車両運動性能シミュレーションの操舵応答特性の精度向上ができる。
第二に、操舵初期においてデファレンシャルギヤの差動トルクを低減（ゼロに近づける）することにより車両の曲がりにくさを解消できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】 デファレンシャルギヤの構造と摩擦トルクの説明図

【図2】 駆動トルクＴと摩擦トルクＴｃの関係図

【図3】 デファレンシャルギヤのＴＢＲ特性の説明図

【図4】 デファレンシャルギヤの差動制限トルクによるヨーレイトとヨーモーメントの関係図の一例

【図5】 実施例１の操舵応答特性計算ブロック図

【図6】 デファレンシャルギヤの摩擦トルクによる操舵応答特性への影響

【図7】 実施例２の制御フロー図

【図8】 実施例２の制御による操舵応答特性図

【図9】 実施例３の制御フロー図

【図10】 ４輪駆動車における循環トルクの説明図

【図11】 実施例４の制御フロー図

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態を図１～図１１に基づいて説明する。
ここで実施例１は請求項１に対応する。実施例２～４は請求項２に対応し、実施例２は請求項３、実施例３は請求項４、実施例４は請求項５にそれぞれ対応する。

【実施例0016】

図１に非特許文献２の図４－１３を転記する。図１はデファレンシャルギヤの構造と摩擦トルクの関係を示す。図１は差動制限装置付きのＬＳＤの説明図であるが差動制限装置無しのコンベデフにおいても原理は同一である。ただしコンベデフの場合は図１に示す摩擦トルクＴｃの値が差動制限装置付きの場合に比べて小さい。

【0017】

図１において図の左側のシャフト１がドライブシャフトを介して左輪につながり、右側のシャフト２がドライブシャフトを介して右輪につながっている。
図１において駆動トルクは２Ｔ、この駆動トルク２Ｔはデファレンシャルギヤの作用により左右輪にＴづつ等分される。

【0018】

図１はタイヤが空転しない状態で車が右旋回している状態を示す。
摩擦トルクＴｃは回転数の高い部分から低い部分に伝達されるので旋回内輪（図１では右輪）のトルクを増加させ（Ｔ＋Ｔｃ）、旋回外輪（図１では左輪）のトルクを減少させる（Ｔ―Ｔｃ）。摩擦トルクＴｃは駆動トルクおよびエンジンブレーキトルクＴに比例するのでαを比例定数とすると「数１」および図２となる。

【数1】

【0019】

デファレンシャルギヤの左右輪のトルクの関係を表すＴＢＲ（トルクバイアスレシオ）は「数２」で定義される。

【数2】

ＴＢＲはコンベデフの場合は１．３程度、ＬＳＤの場合の３から５が一般的である。（「非特許文献１」参照」

【0020】

片輪のみのＴＢＲの特性図を図３に示す。図３において破線は４５度を示すラインでＴＢＲ＝１．０の基準線を示す。ＴＢＲの特性は図２の実線で示しこの傾きがＴＢＲの値になる。

【0021】

「数１」と「数２」の関係からαは「数３」となる。

【数3】

従ってコンベデフではα＝０．１３程度、ＬＳＤではＴＢＲ＝４とするとα＝０．６前後になる。

【0022】

これによりＬＳＤの場合はもちろん、コンベデフであっても旋回時には、駆動トルク２Ｔに対し外輪の駆動トルクは（Ｔ―０．１３×Ｔ）内輪トルクは（Ｔ＋０．１３×Ｔ）となり無視できない相違が生じる。この左右輪の駆動トルクの差（Ｔｃ＝α×Ｔ）は駆動輪タイヤ半径Ｒ（ここでは０．３ｍ）で除され左右輪の駆動力（Ｆ）の差（Ｆｃ＝α×Ｆ）となり、トレッドｄ（ここでは１．５ｍ）が掛け合わされ「数４」で示されるヨーモーメントＭｙとなる。

【数4】

【0023】

車重Ｗ、車速Ｖ、ころがり抵抗係数Ａ、空気抵抗係数Ｂとすると一定速走行時の車両の走行抵抗２Ｆは、近似的には「数５」で求まる。

【数5】

【0024】

「数４」、「数５」から一定速走行時のデファレンシャルギヤの摩擦トルクＴｃにより生じるヨーモーメントＭｙは「数６」となる。

【数6】

【0025】

例えば車重１５００ｋｇの車両で、Ａ＝０．０１５、Ｂ＝０．０６２５とすると車速１４０ｋｍ／ｈ一定速走行時の駆動力２Ｆは約１２０ｋｇｆとなり、旋回時にコンベデフで発生するヨーモーメントは旋回を抑制する復元方向に作用し大きさは「数４」よりＭｙ＝１２ｋｇｆｍ程度、ＬＳＤではＴＢＲ＝４とするとα＝０．６となりＭｙ＝５４ｋｇｆｍ程度となる。

【0026】

このデファレンシャルギヤで生じるヨーモーメントはいわゆるクーロンフリクションでであり、例えば上記条件においてはヨーモーメントの値がコンベデフでは１２ｋｇｆｍ程度、ＬＳＤでは５４ｋｇｆｍ程度以下ではデファレンシャルギヤは左右輪に回転数差が生じないデフロック状態となる。

【0027】

デフロック状態のヨーモーメントＭｚは「非特許文献」式（８．６１）にて示される「数７」の通りヨーレイトｒに比例して発生する。

【数7】

ここで Ｋｓ ：タイヤの縦滑りに対する駆動制動力の係数
（今回の計算例ではスリップ率１．０に対し２００００ｋｇｆ）
ｄ ：トレッド（今回の計算例では１．５ｍ）
Ｖ ：車速 （今回の計算例では１４０ｋｍ／ｈ）
ｒ ：ヨーレイト（ｒａｄ／ｓｅｃ：旋回開始後徐々に増加）

【0028】

以上のヨーモーメントの特性の第一象限のみを図４にまとめて示す。ヨーレイトの小さい範囲ではヨーモーメントは小さくデフはロック状態となりヨーモーメントは「数７」によりヨーレイトに比例して生じる。従って図４の特性図の原点からの傾き３は「数７」に示される車速と車両諸元とタイヤ特性で定まるので制御で変更することはできない。

【0029】

ヨーモーメントがデファレンシャルギヤの差動制限トルクにより生じるヨーモーメントに達するとヨーモーメントは「数４」または一定速走行時には「数６」に示す値Ｍｙの一定値となる。

【0030】

図４のＭｙの値は車速１４０ｋｍ／ｈ一定速走行時の値を示しているが、「数４」の関係からわかるように駆動トルクＴに比例するため、例えば駆動トルクをゼロとすればこの値もゼロとなり、駆動トルクを増やす（加速状態）ことにより増加することもできる。
上記の通り図４の特性図の線の傾きは制御できなかったが、図４のＭｙの値は駆動トルクの増減により変更可能であり、駆動トルクによりＭｙの値が制御できることがわかる。実施例２、３、４ではこの関係を用いて制御を行う。

【0031】

実施例１ではデファレンシャルギヤの特性を図４にてモデル化し、これを操舵応答特性シミュレーションプログラムに組み込むことを特徴とする。
例えば「非特許文献３」の図３．２９の車両運動のブロックダイアグラムに組み込んだ例を図５に示す。図５ではステアリングギヤレシオＮを考慮している。また図５においては図４の特性を原点に対して点対称の特性として、左右の操舵に対応した形としている。

【0032】

一定速走行時のシミュレーション計算を行う場合にはＭｙは「数６」により容易に求まる。またシミュレーターのような駆動力を自由に制御する場合のシミュレーション計算ではＭｙは「数４」により算出できる。
実施例１では図５のブロック６の追加により操舵応答特性のシミュレーション精度を向上することができる。

【実施例0033】

図６は車速１４０ｋｍ／ｈ一定速走行時にランプ操舵を行った場合のランプ操舵入力波形およびヨーレイトの応答波形を示す。図６には、デファレンシャルギヤに摩擦が無い状態の車両の特性７と例えばＴＢＲ＝４のＬＳＤが装着された（図４の５の特性）状態の車両の特性８のヨーレイト応答特性を示す。

【0034】

図６の計算に用いた運動方程式と車両諸元は「非特許文献３」（Ｐ．１０３）と同一とし、ステアリングギヤレシオＮ＝１７．５を考慮している。

【0035】

「非特許文献４」にも記載されているが、ＬＳＤの本来の目的は旋回時の内輪の空転を防ぎ旋回時の駆動性能を向上するためのものであるが、図６の８に示すようにヨーレイトの応答ゲインが低下し操舵開始時の立ち上がりも遅くなり車両は曲がりにくくなる。
コンベデフにおいても定性的には上記ＬＳＤと同様に、デファレンシャルギヤに摩擦が無い状態の車両に比べると車両は曲がりにくくなっている。

【0036】

図７に実施例２の制御フローを示す。操舵角センサー９、判断回路１０，制御回路１１、車速制御部１２、エンジンＥＣＵ１３から構成されている。

【0037】

操舵角センサー９は既存のハンドル角に取り付けられた舵角センサーまたはＥＰＳモーターに内臓された回転レゾルバーなどが使用できる。判断回路１０は操舵角の増減を判断する、制御回路２内では操舵速度に応じて係数Ｋを算出する。実施例１では操舵速度を検出すると係数Ｋはゼロに近づく。制御の安定性確保のため操舵速度ゼロ付近にはわずかな不感帯を設けてある。車速制御部３では走行車速に対して係数ＫＶを算出する。

【0038】

ＫとＫＶは加算されエンジントルク指令値に掛け合わされる。従ってＫ＋ＫＶがゼロと算出されるとエンジントルク指令値はゼロとなる。Ｋ＋ＫＶ＝１．０ではエンジンは制御されない。

【0039】

図８に１４０ｋｍ／ｈ一定速走行時の制御結果例を示す。操舵開始後にはＫ＋ＫＶ＝０となり
エンジンの駆動力がゼロとなりデファレンシャルギヤに作用する駆動トルクがゼロとなる。デファレンシャルギヤに作用する駆動トルクがゼロとなると「数１」からデファレンシャルギヤの摩擦トルクＴｃがゼロとなりデファレンシャルギヤの差動制限トルクがゼロとなりデフがロックされる領域もゼロとなる。

【0040】

これにより図４のヨーモーメントの上限値がゼロとなりデファレンシャルギヤにより生じるヨーモーメントがゼロとなる。すなわちデファレンシャルギヤに摩擦が無い状態の車両７と同一の応答波形をたどる、操舵角が一定値に達するとＫ＋ＫＶ＝１．０となりＬＳＤ付き車両の応答波形８に移行する。
この結果、一定舵角時の操舵応答ゲインは変わらないが、操舵初期のヨーレイトの立ち上がりを速め操舵応答特性を向上することができる図８の９のヨーレイト波形となる。

【0041】

駆動トルクすなわち原動機のトルクに応じて差動制限トルクが増減するデファレンシャルギヤを持つ車両においては原動機のトルクを制御することによりデファレンシャルギヤの差動制限トルクを介してヨーレイトを制御し車両の操舵応答性を向上することができる。効果の大小の違いはあるが上記関係はコンベデフおよびＬＳＤ装着車で同一の関係があり同一の制御方法が有効である。