车辆用悬架装置、车体姿势控制方法及其装置 【技术领域】
本发明涉及一种悬架汽车的车体的车辆用悬架装置、利用该悬架装置的车体姿势控制的方法及其装置，例如是适用于电动汽车的技术。
背景技术
在以往的电动汽车中，例如在专利文献1中公开的，已知有轮体内置电动机方式。该方式是将用于驱动轮圈的电动机装入在各个轮体内，以电动机的动力驱动各轮体。轮体内置电动机方式，具有几乎不需要车辆侧的传动轴等动力部件空间的优点。
作为支撑带轮体内置电动机的轮体的已有的方式，其代表性的例如可以考虑叉形杆方式独立悬架方式。这时的臂向着车体的左右方向支撑轮圈。
【专利文献1】特开平11-262101号公报
如轮体内置电动机那样，在轮体中装入电动机单元地方式，该单元重量会增大，对于车辆，弹簧下负荷就变大。因此，汽车的乘坐的感觉与其他的车辆驱动方式相比就较差，则希望得到改善，但以往的悬架方式不能充分地满足此要求。另外，也没有考虑到根据道路的状况进行车辆姿势的控制。
本发明的目的在于提供一种在轮体内置电动机方式的车辆中，通过根据道路状况等可调控制弹簧、减振器而可进行车体姿势控制，能够改善乘坐的感觉的新式的悬架和车体控制技术。
【发明内容】
本发明为了达到上述目的其基本构成如下。
一个是关于悬架装置的发明，该发明，作为车辆用悬架装置的轮体支撑臂，采用了摆动式臂。在这里，作为摆动式臂，是为了能够向车辆的前后方向摆动，一端通过支撑轴安装在车体上的臂。并且，将该臂的另一端(与支撑轴相反方向的一端，即自由端)和轮体内置电动机结合，臂相对于轮体内置电动机的输出轴可自由旋转。
另外，提出有下面的车体姿势控制方法。对车体的独立悬架方式使用上述构成的悬架装置，并且至少利用控制前轮、后轮的各轮体内置电动机的转速、转矩和上述臂对车体的前后方向的摆动动作来控制车体。
进而，提案有：作为车体控制装置，具有上述臂和轮体内置电动机，并且具有通过控制轮体内置电动机的转速、转矩而改变支撑各轮体的上述臂的安装角度的臂安装角度控制装置。
【附图说明】
图1是仅取出本发明的一实施例的车辆用独立悬架装置中的一个轮圈的悬架装置，并表示其内部结构的纵截面图。
图2(a)(b)是表示本发明的基本构成和动作原理的图。
图3是表示适用于上述实施例的悬架装置的振动吸收机构的图。
图4是表示用于上述振动吸收机构的可调减振器的一例的内部结构图。
图5是表示具有上述实施例的悬架装置的四轮车辆模型的图，(a)是从车辆的正侧面看的图，(b)是从前后方向看的图。
图6是表示本发明的动作状态的说明图。
图7是表示取出一个本发明的另一实施例的悬架装置的状态的图。
图8是本发明的车体姿势控制的动作说明图。
图9是本发明的车体姿势控制的动作说明图。
图10是本发明的车体姿势控制的动作说明图。
图11是本发明的车体姿势控制的动作说明图。
图12是本发明的车体姿势控制的动作说明图。
图13是表示本发明的其它的实施例的图。
图14是在上述实施例中用的控制装置的概要图。
图15是表示在图12所示的车体姿势控制时的悬架装置的弹簧的举动的图。
图中：1-轮体，2-轮圈，3-支撑轴，10-轮体内置电动机，11-电动机输出轴，20-摆臂，30-车体，31-弹簧单元，42-减振器。
【具体实施方式】
下面，基于俯图对本发明的实施例进行说明。
图1是仅取出本发明的一实施例的车辆用独立悬架装置中的一个轮体的悬架装置，并表示其内部结构的纵截面图。图1的悬架装置是从车体30(参照图5(b))的前后方向看的图。图2(a)(b)是表示其基本构成和动作原理的图。图3(a)表示的是适用于本实施例的悬架装置的振动吸收机构，图3(b)表示的是改变向该振动吸收机构中使用的螺旋弹簧给予的负荷的状态的说明图。图4是表示用于振动吸收机构的可调减振器的一例的内部结构图。
图5是表示具有本实施例的悬架装置的四轮车辆模型的图，(a)是从车辆的正侧面看的图，(b)是从前后方向看的图。
本实施例的悬架装置基本上如图1所示，具有轮体内置电动机10和支撑车体30的臂20，其构成如下。
轮体内置电动机10，被装在车辆的各轮体1内。臂20，为了能够向车辆的前后方向摆动，其一端20A通过支撑轴3安装在车体3上，其另一端20B可相对于轮体内置电动机10的输出轴11旋转自由地与轮体内置电动机10相结合。
由于臂20进行摆动动作所以也称为摆臂。
摆臂的一端20B，在其外面一体形成向外侧突出的套筒21，另外，在内面形成通到套筒21的孔22。
将套筒21通过轴承4嵌合到输出轴11的外圆周上，以此相对自由旋转地结合摆臂20和输出轴11。输出轴11的一端11A位于孔22内，并在其上安装着制动盘5。
另外，在孔22上配置着通过电磁力夹住制动盘5的制动衬块6和其电磁驱动器7。该电磁制动器8的衬块6和驱动器7，通过支架9被固定在孔22的内面。
轮体内置电动机10，例如由永久磁铁式的同步机构成，其构成如下。在套筒21的外周固定构成为轮体内置电动机10的定子12的线圈。轮体1与输出轴11结合为一体，并在其内周上设置构成为转子13的永久磁铁。
轮体内置电动机10，通过变换器(未图示)可调控制频率和电流(电压)，以此进行转速和转矩的控制。另外，除牵引外还可以进行再生制动。进而，将由再生制动产生的电能(图示省略)充入到蓄电器中。
14是电动机电器配线、15是制动器电器配线。轴承16被固定在车体30上，固定在臂20上的支撑轴(枢轴)3由轴承16支撑。
在支撑轴3上，安装着构成车辆的振动抑制机构的弹簧单元31和减振器42。弹簧单元31，具备对轮体的上下方向的振动带适当的柔软性的弹性元件的功能，减振器(吸振器)42具备适当的振动衰减元件的功能。
在图3中出示了本实施例的弹簧单元31的一例。
弹簧单元31具有配置在支撑轴3的周围的螺旋弹簧32和改变给予螺旋弹簧32的负荷的机构(预加载机构)33。
螺旋弹簧32通过对臂20的摆动动作进行扭转而起到弹簧作用。
预加载机构33，例如由蜗杆34、蜗轮35、预加载控制电动机36构成。螺旋弹簧32的一端32A安装在摆臂20上，另一端32B安装在蜗轮35上。
通过正反旋转电动机36，使蜗轮35旋转，则通过以该旋转位置来改变弹簧一端32B的位置，如图3(b)所示，能够改变螺旋弹簧32绕转力(预先给予螺旋弹簧的负荷)，由此，可以控制缓冲器的硬度。
图3(b)的(I)是预加载强、(II)是预加载中等、(III)是预加载弱的情形。
在图4中，出示了作为减振器42的旋转式的油压式可调减振器的一例。
本例中的减振器42，在支撑轴3的一端形成油室43，在以气密状态承受该支撑轴3的一端的固定元件(筒体)44的内侧端面上固定着可调节流孔机构45。
油室43，由圆弧的内周面43a和弦面43b形成，封入减振器用的油。
可调节流孔机构45，形成于筒体44的内侧端面(与支撑轴3的油室43相对的端面)。可调节流孔机构45，具有形成于筒体44的内侧端面的块体47、和形成于块体47上的节流孔46、和由驱动器(图示省略)对节流孔46的内径进行节流调整的可变节流体46a。
该可调节流孔机构45位于油室43内。块体47具有与支撑轴3的径方向一致的长度。并且，在块体47上，形成有与形成于支撑轴3的端面中央的旋转轴48可相对旋转地相互配合的轴孔49。块体47的两端有圆弧面，在各圆弧面上配设密封部件50、51。在油室43与支撑轴3一起向箭头方向旋转的时候，油室内周面43a接触密封部件50而转动。在弦面43b的中央具有接触密封部件51的可动密封件52，在弦面43b转动时，可动密封件52与圆弧的密封部件50接触。
油室43由块体47分割成2个室。该2个室的面积比例随支撑轴3的旋转而变化。由此，通过在一方的油室(面积变小的一侧)产生油压、该油的一部分向另一方的油室(面积变大的一侧)通过节流孔46而流动，由此起到减振器的作用。
通过用可变节流体46a改变节流孔直径，能够改变减振器的硬度(衰减系数)。
另外，振动抑制机构的可调减振器和可调弹簧机构不限定于本实施例的机构，而可以考虑各种方式的机构。
在图7中出示了振动抑制机构的另外的例子。构成悬架装置的摆臂20和轮体内置电动机10的结合关系，与在上面叙述的图1的实施例相同。在该实施例中，将螺旋弹簧32和气缸式的减振器42设置在车体和摆臂20之间。在本例中能够可调地构成螺旋弹簧32和减振器42。
上述构成的悬架装置，如图5所示，作为电动汽车的独立悬架装置方式的悬架装置使用。
对于本实施例的悬架装置，在采用独立悬架系统的时候，可以进行以下所述的车体控制。
首先，用图2(b)和图6(a)、(b)说明其基本动作。
40是摆臂20的车体安装支点。
在这里，图2(b)的悬架装置为前轮侧的悬架装置。另外，符号R表示同一水平的路面。
在完全关闭减振器42的节流孔46的时候，减振器呈刚体的状态，摆臂20呈不能摆动的状态。通过打开节流孔46，减振器42才发挥作用，越是增大节流孔46则衰减力越大。另外，越增大衰减力则越容易进行摆动动作。
现在，将用图2(b)的符号B表示的行驶状态的臂角度θ(在支点40处的垂直线和摆臂20所成的角度)的状态定为处于标准θ0的状态。在该状态下，使摆臂20为可以进行摆动动作的状态并增大轮体内置电动机10的转矩。
这时，通过轮体内置电动机10的转矩增大而对前轮产生加速度，在伴随这时前轮的转速Nf增加、前轮的行驶速度ff比车体30(参照图6)的惯性速度I大时(I＜ff＝，摆臂20如符号C所示使臂角度θ变大而进行摆动动作。并且，如图6(a)的箭头实线Y所示，基于前轮的行驶速度ff和车体惯性速度I的速度差，电动机转矩反力作用于臂20(该反力起到前轮侧车体30的下按力FD的作用)上，前轮侧的车体变低。
相反，从图2的B状态起，作为降低了轮体内置电动机10的转矩的状态。
这时，前轮的行驶速度下降，当由该减速带来的前轮的行驶速度ff比车体30(参照图6)的惯性速度I小的时候(I＞ff)，摆臂20，为了使如图2中的符号C所示的臂角度θ变小而进行摆动动作。这时，如图6(a)的箭头虚线Y所示，基于前轮的行驶速度ff和车体惯性速度I的速度差，电动机转矩的反力作用于臂20(该反力起到前轮侧车体30的上抬力FU的作用)，前轮侧的车体变高。
在后轮的情况下，与前轮相反，当后轮的行驶速度fR比车体30的惯性速度I大时，摆臂20，为了使臂角度θ变小而进行摆动动作。并且，如图6(b)的箭头实线所示，基于后轮的行驶速度fR和车体惯性速度I的速度差，电动机转矩的反力作用于臂20(该反力起到后轮侧车体30的上抬力FU的作用)，后轮侧的车体变高。
另外，当降低后轮的轮体内置电动机10的转矩、并由该减速带来的前轮的行驶速度fR比车体30的惯性速度I小时，摆臂20为了使臂角度θ变大而进行摆动动作。这时，如图6(b)的箭头虚线所示，基于前轮速度和车体惯性速度的速度差，电动机转矩反力作用于臂20(该反力起到车体的后轮侧的下按力FD的作用)，车体的前轮侧变高。
这样的车体的姿势控制，通过适用于下面那样的路面行驶状态，可以进行使车体维持水平的控制。
图8表示例如在行驶路的途中有路面变高的台阶(凸路)的时候的车体姿势控制的例子。
图8的①是正常行驶状态。这时，将前轮、后轮的各臂20的减振器42和弹簧32设定成标准(正常)的硬度。另外，将各臂20的角度θf、θr都设定成相同的规定的角度θ0，并且前轮、后轮的行驶速度ff、fr以等速度控制成目标值。这时，控制器为了使前轮、后轮的车轮转速Nf、Nr相等而等速度控制前轮、后轮的行驶速度。在该正常行驶状态下，车体30以水平来维持目标值车高h。
图8的②是前轮碰到凸状的台阶的状态。这时，由于前轮行驶负荷变大，所以导致了前轮速度要下降(前轮转速下降)，但要维持前轮速度(前轮转速)ff就要增加前轮转矩。即，为了使前轮转速达到目标值就要增加轮体内置电动机的电流来增加电动机转矩。另外，伴随该转矩的增加，例如，使前轮的减振器42和弹簧32比正常的软。对于后轮，为了抑制后轮侧车高的变动，要使减振器和弹簧变硬。
图8的③表示进行为维持前轮速度而增大转矩、使前轮跨上台阶路面的状态。并且，如图8的③所示，在前轮跨上台阶的状态下，直到车体变为水平为止要增大前轮转矩，使前轮的行驶速度ff增大(前轮轮体内置电动机的转矩的电流增大)。即，在前轮跨上后，通过前轮的轮体内置电动机的转矩的增大、前轮的行驶速度ff超过车体的惯性速度I，由此，前轮臂20为了使臂角θf变大而进行摆动动作。这时，电动机转矩的反力，下按车体30的前轮侧，但由于前轮跨上台阶，所以与后轮侧的车高平衡，则车高可维持水平。在这样的臂20的转向动作后，前轮的减振器和弹簧从软返回正常状态。
下面如图8④所示，后轮碰到台阶。这时，预先学习了前面进行的前轮的跨上台阶的控制方式(以下，称为「追迹方式」)，按照该追迹方式增大控制(电动机转矩控制)后轮的轮体内置电动机的电流，抑制后轮行驶速度的下降，达到保持后轮速度。在这样的后轮转矩控制中，后轮的减振器和弹簧被保持在正常状态。
在后轮跨上后(图8的⑤)，后轮，由于负荷减轻，后轮速度要比目标值增加(后轮转速增加)，为了抑制此现象，使后轮速度(后轮转速)变成目标值而减小后轮转矩(轮体内置电动机的转矩电流)。另外，对于前轮，为了使车体为水平状态，使前轮臂的臂角θf为目标值θ0，而减少轮体内置电动机的前轮转矩。即，通过降低前轮转矩，使前轮速度下降，为了使臂角度θf减小而进行摇摆动作(图8的⑤)。
这时，电动机转矩的反力上抬车体30的前轮侧，前轮侧车高由于在刚跨上台阶时降低，所以与上述上抬相互抵消而与后轮侧的车高取得平衡，车高被维持水平。在这样的臂20的摆动动作后，前轮的减振器和弹簧从软状态返回到正常状态。其后，如图8的那样返回到正常行驶控制。
图9表示在行驶路的途中有路面变低的台阶(凹路)的时候的车体姿势控制的例子。
图9的①是正常行驶状态。这时，与已经记述的图8①的情况相同。
图9的②是前轮碰到凹状的台阶的状态。这时，前轮由于呈一时悬起的状态，所以尽管前轮的轮体内置电动机的转矩(电流)大致恒定，前轮的转速Nf也增大。由该电动机转速(前轮转速)和电动机转矩(转矩电流)的关系，可以检测出前轮呈所谓悬起状态(不着地的状态)。另外，为了保持车体的水平，要降低后轮转矩(后轮电动机电流)。另外，为了使后轮臂20为可进行摆动动作，要使后轮减振器42和弹簧32为软状态。由此，通过降低后轮转矩而降低后轮速度fr，产生车体的惯性速度F和后轮行驶速度fr的差，通过电动机转矩的反力而增大后轮臂角度θr，这样后轮臂进行摆动动作，直到车体变水平而进行降低该后轮转矩的控制(图9③)。
在这样的后轮臂20的摆动动作后，后轮的减振器和弹簧从软返回到正常状态。
并且，在检测到着地以后(检测前轮速度变动后)，增大前轮转矩并维持正常行驶时的速度(图9④)。
接着，如图9⑤所示，后轮碰到台阶。这时，以前面进行的前轮的凹部着地时的追迹方式为基础，预测后轮呈悬起状态的到达时间t和其悬起的时间，在后轮悬起的范围(时间带)，降低后轮转矩，使后轮转速Nr保持大致恒定。
其后，为了在后轮着地时上下方向缓和，以已记忆的前轮的追迹方式为基础，预想后轮的着地时间，与后轮着地时预测时间同时地增大前轮的转矩。并且使前轮减振器和弹簧从正常状态返回到软状态。通过该电动机转矩的增大而使前轮行驶速度上升，使前轮臂角度θf变大而进行摆动动作。该θf通过前轮转矩控制而控制为与θr一致。其结果，由于与后轮着地的同时车体高度呈水平地下降，所以可提高乘坐的舒适度。
其后，由后轮着地产生的后轮速度变动而检测到着地，使后轮转矩返回到正常行驶时的状态，并维持目标速度(图9⑦)。
接着，增大后轮转矩，使后轮速度增加，通过使后轮臂角度θ减少，与后方车体高度恢复的同时降低前轮转矩、前轮速度减小，为了与θr相同使前轮臂角度θf减小，恢复前方车体高度(图9⑧)。由此，边维持车体水平，边使车高恢复到目标值。
图10表示在登坡的时候，特别是在登急倾斜的坡时控制车体姿势的优选例子。
图10的①是表示平坦的正常行驶时的情况。对于这时的车轮的控制与图8、图9的①相同。
如图10的②所示，在前轮碰到倾斜路面时，为了维持车体水平，在增大前轮转矩并增大前轮速度ff的同时，使减振器和弹簧从正常返回到软状态。由此，为使前轮臂角度θf增大而使前轮臂20进行摆动动作，臂角度θf被控制成使车体姿势呈水平状态。这时的后轮减振器和弹簧，都从正常变为硬状态，从而保持后轮侧的车体高度。
如图10的③所示，在前轮臂角度达到极限的时候，为了维持车体水平而增大后轮转矩，使后轮减振器变为软状态。由此，伴随后轮速度增加，后轮臂角度θr减小(立起来)。利用下面记忆的上述前轮的控制方式，在后轮开始登坡时，为了维持前轮、后轮的车轮速度为目标值而根据路面的梯度增大前后转矩。
在登坡路中，如图10的④所示，为了要使车体维持水平并且以目标车速登坡，重复实施上述②、③的动作(图10④的图是在臂角度为极限的状态)。
如图10的⑤所示，由于前轮跨上平坦路时、以与至此的前轮电动机转矩相同的状态使前轮电动机转速增大，所以由该电动机转矩和电动机转速的关系可以知道登坡结束。这时，通过降低前轮转矩、使减振器和弹簧从正常变为软状态，由前轮速度降低可减小前轮臂角度θf。另外，通过前轮的追迹方式而预测登坡结束点，在后轮达到登坡结束点时，为了防止不需要的加速而使后轮转矩降低到平坦路转矩(这里，通过使减振器和弹簧比正常硬，维持车辆后方车高)。由此，由于车高变高，所以能够确保车体距离(离地最低高度)。
由此，如图10的⑥所示，在登坡结束时，车高比正常状态高。
其后，如图10的⑦所示，与前轮转矩增大→前轮速度增加→前轮臂角度增大→前方车体高度恢复(车高降低)→正常行驶状态一起，执行后轮转矩下降→后轮速度降低→后轮臂角度增加→后方车体高度恢复(车高降低)→正常行驶状态。
另外，在以上的车体姿势控制中，例示了行驶中的车体的前后方向的姿势控制，但有关行驶中的车体的左右方向的姿势控制，也可以如下述那样进行。
例如，①：为车体向左右方向产生倾斜的情形，在降低车体左右一方的车高的时候，使降低车高侧的前轮的轮体内置电动机的转速和转矩比不降低车高侧的前轮的轮体内置电动机的转速和转矩大，并且使降低车高侧的后轮的轮体内置电动机的转速和转矩比不降低车高侧的后轮的轮体内置电动机的转速和转矩小，
②：在提高车体左右任意一方的车高的时候，使提高车高侧的前轮的轮体内置电动机的转速和转矩比不提高车高侧的前轮的轮体内置电动机的转速和转矩小，并且使提高车高侧的后轮的轮体内置电动机的转速和转矩比不提高车高侧的后轮的轮体内置电动机的转速和转矩大。
图11～图14表示使用本实施例的其它的车体姿势控制方法。
图11(a)是停止中的侧方(车体左右方向)倾斜控制的例子。
在图11(a)中，在左右车轮中，将一方(降低车体侧)的前轮、后轮的摆臂20的臂角度θf、θr，以车轴的垂直线为基准控制为90度(即，为θf+θr＝180度的臂打开动作)，另一方(提高车体侧)的摆臂20，其θf+θr维持比180度小的臂角度。例如，将降低车体的一侧的摆臂20的减振器42的节流孔46在停止中开放(减振器开放)，对于提高车体的一侧的摆臂20的减振器42，关闭节流孔46而成为刚体状态，则能够实现这样的控制。即，通过减振器开放，减振器开放侧的前轮、后轮的摆臂20不支撑车体30的重量而向前后方向打开，以此车体30向左右方向倾斜。并且，在以保持通常的车高的状态车体停止的时候，无论哪个减振器都关闭节流孔46而使其呈刚体的状态。
另外，侧方倾斜，在左右车轮中，除了以一方(降低车体侧)的前轮、后轮的摆臂20的减振器开放之外，如果使前轮、后轮相互反转(前轮向前进方向旋转、后轮向后退方向旋转)，可以进行急速倾斜的控制。
这样的侧方倾斜，例如能够使公共汽车的上下车部分不停止工作。
图11(b)是后方倾斜的例子。这时，仅使后轮减振器开放并且使后轮向后退方向旋转即能够实现。后方倾斜，例如可以应用于卡车的货物装入卸下等情况。
进而，也可以取如图12所示的各种停车、收放的姿势。例如，如图12(a)所示，在开放前轮、后轮全部的摆臂20的减振器、使摆臂20进行完全打开动作时，最后车体30由自重呈伏在路面上的状态。进而，使摆臂20抵抗弹簧力，通过向车体30折叠而可以进行折叠。
在图15中表示可以进行图12(a)的动作时的弹簧32的举动。该弹簧32的基本构成与图3的弹簧单元31相同。在这里，在图3的构成的基础上，进而，在螺旋弹簧32的周围配置套筒37。该套筒37的内侧，如图15的(I)～(III)所示，在将弹簧32从(I)的中立状态扭转到相反相位(II)、(III)时，弹簧32是能够滑动的部件。图12(a)的动作是伴随该弹簧32的相反相位的扭转的动作，当如(II)～(III)那样弹簧32以相反相位使支撑轴3旋转时，弹簧32被限制在套筒37的内侧，臂20侧支点32A被扭转并产生使臂20反扬的力(卷紧力)。
另外，作为上述(a)的应用，如图12(b)所示，使摆臂20为打开状态，可使车体倒立，或也可以为图12(c)(d)那样的姿势。进而，对于装入图13那样履带的结构本发明也可以适用。
图14是进行上述实施例的车体姿势控制时的控制装置的构成图。
控制装置的运算部101，输入从车轮转速传感器(车轮速度传感器)、驱动转矩传感器(电动机电流传感器)、制动传感器、臂角度传感器、车体倾斜角度传感器给出的信号。运算部101至少从车轮转速传感器、驱动转矩传感器可判断路面的行驶状况，根据其判断对前轮、后轮的各轮体内置电动机的电动机驱动器给出速度指令，进而，减振器驱动器104对弹簧的预加载可变驱动器105给出控制指令，进行已经叙述的车体姿势控制。103是制动驱动器。
根据本发明，除了可以进行根据路面的状况的各种车体姿势控制以外，通过根据路面的状况、轮体内置电动机的弹簧下负荷来调整悬置的减振器和弹簧，以此能够提高轮体内置电动机方式汽车的行驶性能和乘坐的舒适感。
在轮体内置电动机方式的车辆中，根据道路状况等能够可调控制弹簧、减振器，进行车体姿势控制。