特開 2024-157840 車両制振システム

(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】P2024157840

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】車両制振システム

(51)【国際特許分類】

   B60G 17/018 20060101AFI20241031BHJP

【ＦＩ】

B60G17/018

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023072446

(22)【出願日】2023-04-26

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100147555

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 公一

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(74)【代理人】

【識別番号】100133835

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 努

(74)【代理人】

【識別番号】100167461

【弁理士】

【氏名又は名称】上木 亮平

(72)【発明者】

【氏名】劉 延慶

【テーマコード（参考）】

3D301

【Ｆターム（参考）】

3D301AA02

3D301DB48

3D301DB50

3D301EA17

3D301EB38

3D301EC01

3D301EC05

3D301EC08

3D301EC56

(57)【要約】

【課題】不動点が存在するばね下共振周波数付近の制振性能を向上させる。
【解決手段】車両制振システム１００は、サスペンション１と、アクチュエータ２と、スカイフック制御理論に基づいてばね上構造体６に付与すべき制振力を算出し、制振力に基づいてアクチュエータ２を制御する制御装置４と、を備える。制御装置４は、仮想のスカイフックダンパ７を有する２自由度振動モデルの路面変位に対するばね上構造体６の伝達関数の分母の制御パラメータに対し、制御パラメータ項の係数を打ち消すための関数を乗算した補正制御パラメータに基づいて、前記制振力を算出するように構成される。制御パラメータは、前記スカイフックダンパ７の減衰係数とラプラス演算子の積である。前記関数は、伝達関数の制御パラメータ項の係数を分母とする関数であって、分子に少なくともラプラス演算子の２次項を含む関数である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

タイヤを含むばね下構造体と車体を含むばね上構造体とを連結するサスペンションと、
前記ばね下構造体と前記ばね上構造体との間に上下方向の制御力を作用させるアクチュエータと、
スカイフック制御理論に基づいて前記ばね上構造体に付与すべき制振力を算出し、前記制振力に基づいて前記アクチュエータを制御する制御装置と、
を備える車両制振システムであって、
前記制御装置は、
仮想のスカイフックダンパを有する振動モデルの路面変位に対するばね上構造体の伝達関数の分母の制御パラメータに対し、制御パラメータ項の係数を打ち消すための関数を乗算した補正制御パラメータに基づいて、前記制振力を算出するように構成され、
前記制御パラメータは、前記スカイフックダンパの減衰係数とラプラス演算子の積であり、
前記関数は、前記伝達関数の前記制御パラメータ項の係数を分母とする関数であって、分子に少なくともラプラス演算子の２次項を含む関数である、
車両制振システム。

【請求項2】

前記関数は、分子にラプラス演算子の１次項をさらに含む関数である、
請求項１に記載の車両制振システム。

【請求項3】

前記アクチュエータの応答性が低い場合は、前記アクチュエータの応答性が高い場合と比べて、前記関数の分子のラプラス演算子の２次項の係数の値が大きくなるように、前記アクチュエータの応答性に基づいて、前記関数の分子のラプラス演算子の２次項の係数の大きさが設定される、
請求項１又は請求項２に記載の車両制振システム。

【請求項4】

前記振動モデルにおいて、前記ばね下構造体の質量をＭ_１、前記タイヤのばね定数をＫ_１、前記タイヤの減衰係数をＣ_１、ラプラス演算子をｓ、係数Ｍ_ｎを所定の定数とすると、前記関数は、下記の（１）式又は（２）式で表される、

【数1】

請求項１に記載の車両制振システム。

【請求項5】

前記振動モデルにおいて、前記ばね下構造体の質量をＭ_１、前記タイヤのばね定数をＫ_１、前記タイヤの減衰係数をＣ_１、ラプラス演算子をｓ、係数Ｍ_ｎ及び係数Ｃ_ｎを所定の定数とすると、前記関数は、下記の（３）式又は（４）式で表される、

【数2】

請求項２に記載の車両制振システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、車両制振システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、従来の車両用制振制御装置として、スカイフック制御理論に基づいてばね上構造体（車体）に付与すべき目標制振力を算出し、目標制振力に基づいてばね下構造体（車輪）とばね上構造体との間に上下方向の制御力を作用させるアクチュエータを制御するものが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１３５１２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

前述した従来の車両用制振制御装置は、不動点が存在するばね下共振周波数付近の制振性能に関して、改善の余地があった。

【0005】

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、不動点が存在するばね下共振周波数付近の制振性能を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明のある態様による車両制振システムは、タイヤを含むばね下構造体と車体を含むばね上構造体とを連結するサスペンションと、ばね下構造体とばね上構造体との間に上下方向の制御力を作用させるアクチュエータと、スカイフック制御理論に基づいてばね上構造体に付与すべき制振力を算出し、制振力に基づいて前記アクチュエータを制御する制御装置と、を備える。制御装置は、仮想のスカイフックダンパを有する振動モデルの路面変位に対するばね上構造体の伝達関数の分母の制御パラメータに対し、制御パラメータ項の係数を打ち消すための関数を乗算した補正制御パラメータに基づいて、制振力を算出するように構成される。制御パラメータは、スカイフックダンパの減衰係数とラプラス演算子の積である。上記の関数は、伝達関数の制御パラメータ項の係数を分母とする関数であって、分子に少なくともラプラス演算子の２次項を含む関数である。

【発明の効果】

【0007】

本発明のこの態様によれば、不動点が存在するばね下共振周波数付近の制振性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態による車両制振システムの概略構成図である。

【図2】仮想的なスカイフックダンパを設けた２自由度振動モデルを示す図である。

【図3】補正関数として各関数Ｔ_{ｆｉｌｔ０}、Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、Ｔ_{ｆｉｌｔ２}を使用した場合の路面変位に対するばね上変位の伝達特性で示す図である。

【図4】補正関数として関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、Ｔ_{ｆｉｌｔ２}を使用したときのアクチュエータの応答性の違いによる伝達特性の変化を示した図である。

【図5】ばね下質量Ｍ_１を実値通りにした場合の伝達特性、ばね下質量Ｍ_１を実値よりも小さくした場合の伝達特性、及びばね下質量Ｍ_１を実値よりも大きくした場合の伝達特性を比較して示した図である。

【図6】タイヤのばね定数Ｋ_１を実値通りにした場合の伝達特性、タイヤのばね定数Ｋ_１を実値よりも小さくした場合の伝達特性、及びタイヤのばね定数Ｋ_１を実値よりも大きくした場合の伝達特性を比較して示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

【0010】

図１は、本発明の一実施形態による車両制振システム１００の概略構成図である。

【0011】

車両制振システム１００は、サスペンション１と、アクチュエータ２と、センサ類３と、制御装置４と、を備える。

【0012】

サスペンション１は、サスペンションスプリング１１とショックアブソーバ１２とを備え、タイヤを含むばね下構造体５と車体を含むばね上構造体６とを連結する。

【0013】

アクチュエータ２は、ばね下構造体５とばね上構造体６との間に上下方向の制御力を作用させることで、サスペンション１のストローク量を制御する。本実施形態によるアクチュエータ２は、例えば電動式又は油圧式のアクチュエータ２であり、スカイフック制御理論に基づいて算出される減衰力を発生させる。なお、ショックアブソーバ１２を減衰力可変式として、ショックアブソーバ１２をアクチュエータ２として機能させてもよい。

【0014】

センサ類３は、アクチュエータ２を制御するために必要な各種のデータを取得する。センサ類３は、例えば、車体の上下加速度を検出する加速度センサを含む。

【0015】

制御装置４は、通信部４１と、記憶部４２と、処理部４３と、を備えるＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。

【0016】

通信部４１は、制御装置４をアクチュエータ２及びセンサ類３と接続するためのインターフェース回路を備える。通信部４１は、センサ類３から受信した各種のデータを処理部４３に供給する。

【0017】

記憶部４２は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid Disk Drive）、半導体メモリ等の記憶媒体を有し、処理部４３での処理に用いられる各種のコンピュータプログラムやデータ等を記憶する。

【0018】

処理部４３は、一又は複数個のＣＰＵ（Central Processing Unit）及びその周辺回路を有する。処理部４３は、記憶部４２に格納された各種のコンピュータプログラムを実行するものであり、例えばプロセッサである。処理部４３、ひいては制御装置４は、センサ類３から受信した各種のデータを使用し、スカイフック制御理論に基づいてばね上構造体６に付与すべき制振力を算出し、算出した制振力に基づいてアクチュエータ２を制御する。

【0019】

図２は、仮想的なスカイフックダンパ７を設けた単輪の２自由度振動モデルを示す図である。

【0020】

図２において、Ｘ_０は路面変位、Ｘ_１はばね下変位、Ｘ_２はばね上変位、Ｍ_１はばね下質量、Ｍ_２はばね上質量、Ｋ_１はタイヤのばね定数、Ｋ_２はサスペンションスプリング１１のばね定数、Ｃ_２はショックアブソーバ１２の減衰係数、Ｃ_３はスカイフックダンパ７の減衰係数である。２自由度振動モデルの運動方程式は、以下の（１）式及び（２）式の通り表すことができる。

【数1】

【0021】

（１）式及び（２）式をラプラス変換し、Ｃ_３・ｓ＝Ｔ_ｓｋｙ０と置くと、以下の（３）式及び（４）式の通り表すことができる。なお、ｓはラプラス演算子である。

【数2】

【0022】

路面変位に対するばね上変位の伝達関数Ｇ（ｓ）は、（３）式及び（４）式から（５）式の通り表すことができる。

【数3】

【0023】

そして（５）式を変形して分母のＴ_ｓｋｙ０項をまとめると、以下の（６）式となる。

【数4】

【0024】

ここで（５）式又は（６）式において、ｓ＝ｉωと置くと、Ｍ_１ｓ^２＋Ｋ_１＝０のとき、すなわちばね下共振周波数ｆ_０＝ω／２π＝√（Ｋ_１／Ｍ_１）／２πのときに、伝達関数Ｇ（ｓ）が以下の（７）式の通りとなり、伝達関数Ｇ（ｓ）が制御パラメータＴ_ｓｋｙ０にかかわらず一定値となる。すなわち、周波数ｆ_０が不動点周波数となり、周波数ｆ_０のときには、アクチュエータ２によって制御力Ｆ（＝Ｔ_ｓｋｙ０・Ｘ_２）を発生させたとしても伝達関数Ｇ（ｓ）に影響を与えることができなくなる。周波数ｆ_０は、本実施形態においては１０［Ｈｚ］付近の周波数となっている。

【数5】

【0025】

そこで本実施形態では、不動点周波数においても伝達関数Ｇ（ｓ）に影響を与えることができるように、制御パラメータＴ_ｓｋｙ０に対して、（６）式の分母第３項（制御パラメータ項）の（Ｍ_１ｓ^２＋Ｋ_１）を打ち消すための補正関数Ｔ_ｆｉｌｔを乗算した補正制御パラメータＴ_ｓｋｙを用いて、アクチュエータ２の制御力Ｆ（＝Ｔ_ｓｋｙ・Ｘ_２）を算出することとした。

【0026】

補正制御パラメータＴ_ｓｋｙは、以下の（８）式の通り表すことができ、その場合、伝達関数Ｇ（ｓ）は以下の（９）式の通りとなる。

【数6】

【0027】

そして補正関数Ｔ_ｆｉｌｔとしては、例えば、（１０）式から（１２）式に示す各関数Ｔ_{ｆｉｌｔ０}、Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、Ｔ_{ｆｉｌｔ２}などが考えられるが、発明者らの鋭意研究の結果、（１１）式に示す関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、又は（１２）式に示す関数Ｔ_{ｆｉｌｔ２}を用いることで、周波数ｆ_０付近の高周波数帯の制振性能を向上させることができることがわかった。なお、（１１）式及び（１２）式の分子のラプラス演算子の２次項の係数Ｍ_ｎ及びラプラス演算子の１次項の係数Ｃ_ｎは、それぞれ実験等によって予め設定される定数である。

【数7】

【0028】

図３の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ補正関数として各関数Ｔ_{ｆｉｌｔ０}、Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、Ｔ_{ｆｉｌｔ２}を使用した場合の路面変位Ｘ_０に対するばね上変位Ｘ_２の伝達特性を示す図である。なお、図３においては、比較のために、補正関数を使用しなかった場合の伝達特性（すなわち（６）式の伝達特性）を破線で示してある。

【0029】

図３の（Ａ）から（Ｃ）に示すように、補正関数を使用したことによって周波数ｆ_０における伝達特性が一定値とならずに、周波数ｆ_０付近の不動点周波数帯（本実施形態では１０［Ｈｚ］付近の周波数帯）においてアクチュエータ２の制御力Ｆによって伝達特性が変化していることが分かる。

【0030】

しかしながら、図３の（Ａ）に示すように、補正関数として関数Ｔ_{ｆｉｌｔ０}を使用した場合は、車両制振システム１００によって制振効果が得られる概ね３０［Ｈｚ］までの周波数帯において、不動点周波数帯の制振性能が逆に悪化し、不動点周波数帯以外の周波数帯の制振性能には変化がないことがわかる。

【0031】

一方で、図３の（Ｂ）に示すように、補正関数としてラプラス演算子の２次項を有する関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}を使用した場合は、不動点周波数帯を含む高周波数帯の制振性能を向上させることができることがわかる。

【0032】

そして、図３の（Ｃ）に示すように、補正関数としてラプラス演算子の１次項をさらに有する関数Ｔ_{ｆｉｌｔ２}を使用した場合は、不動点周波数帯を含む高周波数帯に加えて中周波数帯（本実施形態では１～１０［Ｈｚ］付近の周波数帯）の制振性能も向上させることができることがわかる。

【0033】

したがって本実施形態では、関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、又は関数Ｔ_{ｆｉｌｔ２}を補正関数として用いている。これにより、補正関数として関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}を使用した場合は、不動点周波数帯を含む高周波数帯の制振性能を向上させることができる。また補正関数として関数Ｔ_{ｆｉｌｔ２}を使用した場合は、不動点周波数帯を含む高周波数帯に加えて中周波数帯）の制振性能も向上させることができる。

【0034】

次に、図４を参照してアクチュエータ２の応答性の違いによる伝達特性の変化について説明する。

【0035】

図４は、補正関数として関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、Ｔ_{ｆｉｌｔ２}を使用したときのアクチュエータ２の応答性の違いによる伝達特性の変化を示した図である。なお、図４においては、比較のために、補正関数を使用しなかった場合の伝達特性（すなわち（６）式の伝達特性）を破線で示してある。

【0036】

図４の（Ａ）は、アクチュエータ２の応答性が低い場合の伝達特性を示す図であり、図４の（Ｂ）は、アクチュエータ２の応答性が高い場合の伝達特性を示す図である。図４の（Ａ）及び（Ｂ）で使用している各関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、Ｔ_{ｆｉｌｔ２}の分子のラプラス演算子の２次項の係数Ｍ_ｎは、所定値Ｍ１である。

【0037】

図４の（Ｃ）は、図４の（Ａ）と同様にアクチュエータ２の応答性が低い場合の伝達特性を示す図であるが、各関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、Ｔ_{ｆｉｌｔ２}の分子のラプラス演算子の２次項の係数Ｍ_ｎを、Ｍ_１の２倍の値である所定値Ｍ_２に変更した場合の図である。

【0038】

図４の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、アクチュエータ２の応答性が低い場合は、アクチュエータ２の応答性が高い場合と比べて、制振性能が悪化していることがわかる。

【0039】

これに対して、図４の（Ｃ）に示すように、各関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、Ｔ_{ｆｉｌｔ２}の分子のラプラス演算子の２次項の係数Ｍ_ｎを大きくすることで、アクチュエータ２の応答性が低い場合であっても制振性能を向上させることができることがわかる。

【0040】

したがって、アクチュエータ２の応答性に基づいて、各関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、Ｔ_{ｆｉｌｔ２}の分子のラプラス演算子の２次項の係数Ｍ_ｎの値を適切な値に設定することで、制振性能を向上させることができる。

【0041】

ところで、各関数_{ｆｉｌｔ１}、Ｔ_{ｆｉｌｔ２}を設計するにあたって、ばね下質量Ｍ_１及びタイヤのばね定数Ｋ_１は、実際に車両に使用する予定のタイヤに応じた設計値とされる。しかしながら、設計値と実値との間には誤差が発生する。また、タイヤなどは交換される場合があるため、設計値と実値との間に誤差が発生しやすい。

【0042】

このような誤差の発生を見越して、設計値を実値よりも小さくした場合と大きくした場合の伝達特性を確認したものが、図５及び図６である。

【0043】

具体的には、図５の（Ａ）は、ばね下質量Ｍ_１を実値通りにした場合の伝達特性（実線）と、ばね下質量Ｍ_１を実値よりも小さくした場合の伝達特性（破線）と、を示した図である。図５の（Ｂ）は、ばね下質量Ｍ_１を実値通りにした場合の伝達特性（実線）と、ばね下質量Ｍ_１を実値よりも大きくした場合の伝達特性（破線）と、を示した図である。図６の（Ａ）は、タイヤのばね定数Ｋ_１を実値通りにした場合の伝達特性（実線）と、タイヤのばね定数Ｋ_１を実値よりも小さくした場合の伝達特性（破線）と、を示した図である。図６の（Ｂ）は、タイヤのばね定数Ｋ_１を実値通りにした場合の伝達特性（実線）と、タイヤのばね定数Ｋ_１を実値よりも大きくした場合の伝達特性（破線）と、を示した図である。

【0044】

図５の（Ａ）に示すように、ばね下質量Ｍ_１を実値よりも小さくした場合は、ばね下質量Ｍ_１を実値通りにした場合よりも不動点周波数帯を含む高周波数帯の制振性能が向上していることがわかる。一方で図５の（Ｂ）に示すように、ばね下質量Ｍ_１を実値よりも大きくした場合は、ばね下質量Ｍ_１を実値通りにした場合よりも不動点周波数帯を含む高周波数帯の制振性能が悪化していることがわかる。

【0045】

逆に図６の（Ａ）に示すように、タイヤのばね定数Ｋ_１を実値よりも小さくした場合は、タイヤのばね定数Ｋ_１を実値通りにした場合よりも不動点周波数帯を含む高周波数帯の制振性能が悪化していることがわかる。一方で図６の（Ｂ）に示すように、タイヤのばね定数Ｋ_１を実値よりも大きくした場合は、タイヤのばね定数Ｋ_１を実値通りにした場合よりも不動点周波数帯を含む高周波数帯の制振性能が向上していることがわかる。

【0046】

したがって、各関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、Ｔ_{ｆｉｌｔ２}を設計するにあたって、ばね下質量Ｍ_１については、実値よりも大きい値を使用して制振性能を許容範囲に収めておくことで、設計値と実値との間に誤差が発生したとしても、基本的に実値が設計値よりも小さくなるので、制振性能を許容範囲に収めることができる。一方でタイヤのばね定数Ｋ_１については、実値よりも小さい値を使用して制振性能を許容範囲に収めておくことで、設計値と実値との間に誤差が発生したとしても、基本的に実値が設計値よりも大きくなるので、制振性能を許容範囲に収めることができる。

【0047】

以上説明した本実施形態による車両制振システム１００は、タイヤを含むばね下構造体５と車体を含むばね上構造体６とを連結するサスペンション１と、ばね下構造体５とばね上構造体６との間に上下方向の制御力を作用させるアクチュエータ２と、スカイフック制御理論に基づいて前記ばね上構造体６に付与すべき制振力を算出し、制振力に基づいてアクチュエータ２を制御する制御装置４と、を備える。

【0048】

制御装置４は、仮想のスカイフックダンパ７を有する２自由度振動モデル（振動モデル）の路面変位に対するばね上構造体６の伝達関数Ｇ（ｓ）の分母の制御パラメータＴ_ｓｋｙ０に対し、制御パラメータ項の係数（Ｍ_１ｓ^２＋Ｋ_１）を打ち消すための補正関数Ｔ_ｆｉｌｔを乗算した補正制御パラメータＴ_ｓｋｙに基づいて、前記制振力を算出するように構成され、制御パラメータＴ_ｓｋｙ０は、スカイフックダンパ７の減衰係数Ｃ３とラプラス演算子ｓの積であり、補正関数Ｔ_ｆｉｌｔは、伝達関数Ｇ（ｓ）の制御パラメータ項の係数（Ｍ_１ｓ^２＋Ｋ_１）を分母とする関数であって、分子に少なくともラプラス演算子の２次項を含む関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、又は分子にラプラス演算子の１次項をさらに含む関数Ｔ_{ｆｉｌｔ２}である。

【0049】

これにより、補正関数として関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}を使用した場合は、不動点周波数帯を含む高周波数帯の制振性能を向上させることができる。また補正関数として関数Ｔ_{ｆｉｌｔ２}を使用した場合は、不動点周波数帯を含む高周波数帯に加えて中周波数帯）の制振性能も向上させることができる。

【0050】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【0051】

例えば上記の実施形態では、図２の２自由度振動モデルにおいて、タイヤのばね定数Ｋ_１のみを考慮してタイヤの減衰係数Ｃ_１を考慮していなかった。これに対して、タイヤの減衰係数Ｃ_１を考慮した場合は、伝達関数の制御パラメータ項の係数がＭ_１ｓ^２＋Ｃ_１ｓ＋Ｋ_１となるので、各関数Ｔ_{ｆｉｌｔ１}、Ｔ_{ｆｉｌｔ２}は以下の（１３）式及び（１４）式の通りとなる。

【数8】

【符号の説明】

【0052】

１ サスペンション
２ アクチュエータ
４ 制御装置
５ ばね下構造体
６ ばね上構造体
１００ 車両制振システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】