(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前駆動車軸と、
後駆動車軸と、
エンジンと、
四つの駆動輪と、
前記エンジンに接続されかつ前記前駆動車軸及び前記後駆動車軸に接続された入力軸（40）と、
トルクを前記入力軸から前記前駆動車軸及び前記後駆動車軸の両方に伝達するように前記入力軸と前記前駆動車軸及び前記後駆動車軸とを相互に連結している差動装置（38）を備えたトランスファケースと、
トランスファケースに取り付けられかつ附勢可能な電磁コイル（70）及び前記前駆動車軸と前記後駆動車軸とを相互に接続する摩擦係合部材を有し、前記電磁コイルの附勢に応じて前記前駆動車軸と前記後駆動車軸とのトルク分配量を変更する電磁クラッチ組立体（46）と、
自動車の速度、前記前駆動車軸の速度及び前記後駆動車軸の速度を含む自動車の動作状態を検出するセンサ（218）と、
前記エンジンのトルクを検出若しくは推定して該トルクに応じたクラッチトルク・フィードフォワード信号を発生する第１の制御手段（230）と、
前記センサの信号を分析して自動車の動作状態に応じた所望の滑り速度設定値信号を発生する第２の制御手段（230）と、
前記前駆動車軸と前記後駆動車軸との速度差と、前記所望の滑り速度設定値信号とを比較して滑り速度誤差信号を発生する手段（236、238）と、
前記滑り速度誤差信号が所定の上限値以上になると最大の出力信号を発生し、前記滑り速度誤差信号が所定の下限値以下になると最小の出力信号を発生するオン−オフ制御手段（202、204）と、
前記クラッチトルク・フィードフォワード信号と前記オン−オフ制御手段の信号とを加算してクラッチトルク命令信号とする加算手段（242）とを有し、
前記加算手段は、前記滑り速度誤差信号が増加するとクラッチトルクの平均値を増加させ、前記滑り速度誤差信号が減少するとクラッチトルクの平均値を減少させるよう動作し、
前記電磁クラッチ組立体をバングバング制御することを特徴とする、自動車の四つの駆動輪にトルクを分配するための装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は四輪駆動自動車におけるトルクの伝達を制御する装置に関し、特に、二つの出力軸間にトルクを分配するためのクラッチで制御された差動機構を有する自動車に適用可能である。
【０００２】
【従来技術】
前及び後駆動車軸に動力を分配するために駆動系にトランスファケースを有する四輪駆動自動車は技術的に知られている。このような自動車において、トランスファケースは通常入力軸によって駆動される二つ又はそれ以上の出力軸が設けられている。被駆動軸は駆動車軸を介して自動車の車輪を駆動するのに使用されるので出力駆動軸と呼ばれる。駆動軸間の幾らかの速度差は自動車の舵取に調和するように駆動輪の回転速度を異ならせるために必要である。これらの出力軸を差動装置によって連結することは知られている。幾つかの応用例において、駆動車軸間でトルクを等しく分配する傘歯車差動装置は常に前及び後車軸を駆動するようにトランスファケース内に使用されているが、車軸間で相対回転を許容して舵取を可能にしている。駆動系に歯車差動装置を使用することは一つの重大な欠点がある。すなわち、もし自動車のいずれかの車輪が抵抗の低い路面上にあると個々の車軸及びトランスファケースの差動装置は車輪が自由に回転するのを許容する。このため、残りの車輪に分配されるトルクは少なくなる。
【０００３】
車輪の滑りを最小にするために、トランスファケースの差動装置はしばしば手動で動作されるロックアップ機構を備えている。このような機構はロック又は非ロックに切り換える。ロックされたとき、このような機構は前駆動軸と後駆動軸とを共に接続してそれらを確実に駆動する。しかしながら、このようなロック機構は前及び後駆動車軸の旋回速度間の差動動作を許容しない。
【０００４】
自動車を二輪駆動から四輪駆動に自動的に切り換える幾つかの装置が考案されてきた。このような装置では前及び後駆動車輪は車輪が滑るとき共にロックされる。二輪駆動と四輪駆動とを自動的に切り換えるこれらの装置は幾つかの欠点がある。第１に、このような装置はフルタイム四輪駆動を提供しない。したがって、このような装置では、フルタイム四輪駆動車の改良した操縦特性及び安全特性は達成できない。第２に、解放状態とロックされた状態とを自動的に切り換えることができるこれらの装置は適応性に欠ける。装置が一度前及び後駆動輪をロックすると、それらの間で速度差が起こらない。多くの例（例えばコーナリング）において一方の駆動軸から他方の駆動軸にトルクの分配を切り換え同時にそれらの間の速度差を許容することが望ましい。更に、車輪の滑りに応答して二輪駆動が四輪駆動に自動的に切り換わるこれらの例において、路面をグリップしている車輪の駆動力が自動ロックアップ特性により失われる。したがって、前及び後駆動軸間でのトルクの分配が完全なロックアップ状態よりも少ない値で切り換えられることが、装置には必要である。
【０００５】
舵取センサに応答して四輪駆動を二輪駆動に切り換える装置がある。このような装置はロック及び非ロック状態で運転可能である。このような装置はフルタイム四輪駆動の利点を有さない。コーナリングを含む多くの実例において、前輪と後輪との間でトルクの分配を制御できることが望ましい。今までに知られた装置はこのような能力は有していない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は連続したすなわちフルタイムの四輪駆動を与える装置を提供することである。公知の装置と違って本発明は自動車の動作に応答して前輪と後輪との間のトルクの分配を制御するための手段を備えている。
【０００７】
本発明の目的は、フルタイム四輪駆動を許容しかつ自動車の各駆動車軸にトルクを要求されたレベルで分配するように駆動力制御が可能な制御装置を提供することによって従来技術の欠点を除去することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、両車輪の滑り及び舵取角度を検知しかつ各駆動車軸へのトルクの分配をそれにしたがって調整する四輪駆動自動車用の新規な改良された制御装置を提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、前記エンジンのトルクを検出若しくは推定して該トルクに応じたクラッチトルク・フィードフォワード信号を発生する第１の制御手段と、前記センサの信号を分析して自動車の動作状態に応じた所望の滑り速度設定値信号を発生する第２の制御手段と、前記前駆動車軸と前記後駆動車軸との速度差と、前記所望の滑り速度設定値信号とを比較して滑り速度誤差信号を発生する手段と、前記滑り速度誤差信号が所定の上限値以上になると最大の出力信号を発生し、前記滑り速度誤差信号が所定の下限値以下になると最小の出力信号を発生するオン−オフ制御手段と、前記クラッチトルク・フィードフォワード信号と前記オン−オフ制御手段の信号とを加算してクラッチトルク命令信号とする加算手段とを有し、前記加算手段は、前記滑り速度誤差信号が増加するとクラッチトルクの平均値を増加させ、前記滑り速度誤差信号が減少するとクラッチトルクの平均値を減少させるよう動作し、前記電磁クラッチ組立体をバングバング制御することを特徴とする、自動車の四つの駆動輪にトルクを分配するための装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前駆動車軸と、後駆動車軸と、エンジンと、四つの駆動輪と、前記エンジンに接続されかつ前記前駆動車軸及び前記後駆動車軸に接続された入力軸と、トルクを前記入力軸から前記前駆動車軸及び前記後駆動車軸の両方に伝達するように前記入力軸と前記前駆動車軸及び前記後駆動車軸とを相互に連結している差動装置を備えたトランスファケースと、トランスファケースに取り付けられかつ附勢可能な電磁コイル及び前記前駆動車軸と前記後駆動車軸とを相互に接続する摩擦係合部材を有し、前記電磁コイルの附勢に応じて前記前駆動車軸と前記後駆動車軸とのトルク分配量を変更する電磁クラッチ組立体と、自動車の速度、前記前駆動車軸の速度及び前記後駆動車軸の速度を含む自動車の動作状態を検出するセンサと、前記エンジンのトルクを検出若しくは推定して該トルクに応じたクラッチトルク・フィードフォワード信号を発生する第１の制御手段と、前記センサの信号を分析して自動車の動作状態に応じた所望の滑り速度設定値信号を発生する第２の制御手段と、前記前駆動車軸と前記後駆動車軸との速度差と、前記所望の滑り速度設定値信号とを比較して滑り速度誤差信号を発生する手段と、前記滑り速度誤差信号が所定の上限値以上になると最大の出力信号を発生し、前記滑り速度誤差信号が所定の下限値以下になると最小の出力信号を発生するオン−オフ制御手段と、前記クラッチトルク・フィードフォワード信号と前記オン−オフ制御手段の信号とを加算してクラッチトルク命令信号とする加算手段とを有し、前記加算手段は、前記滑り速度誤差信号が増加するとクラッチトルクの平均値を増加させ、前記滑り速度誤差信号が減少するとクラッチトルクの平均値を減少させるよう動作し、前記電磁クラッチ組立体をバングバング制御することを特徴とする。
【００１１】
本発明の重要な利点は、クラッチへのトルクの付加がトルクを四輪全てに供給する方法でかつ自動車の操縦及び安全特性を改良する方法で調整されることである。
一般的に言って、本発明は調整可能な電磁クラッチ組立体と、電磁クラッチ組立体の動作を調整して自動車の前駆動車軸と後駆動車軸との間のトルクの分配を変更し或は調整する制御装置とを組み合わせた装置を提供する。更に詳細には、本発明はエンジンに接続された入力軸と前、後対の車輪を駆動するための二つの出力軸とを有するトランスファケースを備えている。差動歯車装置は入力軸と出力軸との間に装入されている。歯車装置は歯車列を形成する少なくとも三つの部材を備えている。出力軸に分配された通常のトルクは歯車列の歯車の構造によって決定される固定の比率すなわち速度比である。出力軸間に動作可能に配置された電磁的に動作される電磁クラッチ機構（クラッチ組立体）は、自動車の車輪へのトルクの分配を偏らせるために設けられる。本発明の好ましい形式において、電磁クラッチ組立体は、差動装置の二つの部材を相互に接続するための摩擦的に係合可能な部材を備えており、出力軸間の相対回転は、それらを摩擦係合可能な部材間で決まるトルクのレベルによって制御される。動作時、電磁クラッチ組立体は、駆動トルクを最も遅く回転している出力軸に加え、また最も速く回転している出力軸からトルクをクラッチのトルク容量に等しい量だけ減ずる。電磁クラッチ組立体のトルク容量の程度は、ゼロから乾いた舗装上の車輪のスキッドトルクに等しい大きさまで調整される。
【００１２】
電磁クラッチ組立体の伝達トルクの量を制御し或は調整する能力は特有の電子制御装置により達成される。電子制御装置は一般に検出部、計算部及び動作部を備えている。検出部は一連のセンサを備えている。計算部は検出部と相互に接続されかつ車輪の滑りの検出に応答して出力を発生する。計算部の出力は動作部に送られる。動作部の出力は電磁クラッチ組立体を制御しかつそれによって自動車の駆動車軸間のトルクの分配を制御する。
【００１３】
制御装置の検出部は、自動車の動作状態を監視しかつそれを表示する出力信号を出力する複数のセンサを備えている。制御装置の計算部は車輪の滑りを検出しかつそれを表示する出力信号を発生するための手段を備えている。計算部は、更に、クラッチ組立体によって伝達されるトルクの最大のレベルを、トランスファケースに送られる全トルクの計算された関数として、計算するための手段と、所定の時間に亙ってクラッチの伝達トルクをプログラムするための、車輪の滑りに応答する手段と、を備えている。
【００１４】
計算部の出力は制御装置の動作部に送られ、クラッチ附勢の程度を、前駆動車軸と後駆動車軸との間でトルクを偏らせる方法で、調整する。トルクを特定の又は所望のレベルに偏らせる可能性が得られることにより、駆動力制御が改善されかつプログラム可能な自動車の新しい操縦特性が得られる。
【００１５】
【実施例】
以下図面を参照して本発明の実施例について説明する。図において同じ部品は同じ参照番号で示す。
図１において、前後対の車輪12及び14を有する四輪駆動自動車10が概略的に示されている。車輪12及び14はそれぞれ前駆動車軸手段16及び後駆動車軸手段18に取り付けられている。自動車10は、更に、動力源すなわちエンジン20を含む駆動系組立体が設けられ、そのエンジンの出力は変速機22及び中央差動装置を有する駆動トランスファユニット24の各々に伝達される。エンジン20は気化器が設けられ、その気化器は吸気負圧が引き起こす導入通路への空気の取り入れを調整するためのスピンドル取り付け弁28を有している。自動車は更に舵取機構30を有する。舵取機構30はハンドル34に作動的に接続された舵取箱32を備えている。トランスファケースを除いて自動車の他の部品の目的及び動作は周知であり、したがって詳細な記載は省略する。
【００１６】
図２及び図３に概略的に示されているように、駆動トランスファユニット24の要素は別個の流体収容ケーシングすなわちハウジング36内に収容され、歯車セット38と、変速機出力軸41に接続されかつ回転可能に取り付けられた入力駆動軸40と、二つの回転可能に取り付けられた動力出力軸42及び44と、電磁クラッチ組立体の形式の作動装置46とを備えている。好ましい実施例において、歯車セット38は複数の歯車セットを含む中央差動装置である。しかしながら、ここにおける開示のために、「差動装置」用語は選ばれた歯車列によって決定される比率で前輪と後輪との間でトルクを分配する機械的接続を意味する。
【００１７】
ここに示した好ましい遊星歯車セット38は、相対回転可能な三つの組み合わされた要素、すなわち、外側に歯がある太陽歯車48と、内側に歯がある環状のリング歯車50と、互いにかみ合いかつそれぞれ太陽歯車48及びリング歯車50とかみ合う対のピニオン歯車52及び52Aとを備えている。ピニオン歯車52及び52Aは遊星キャリア54によって支持されている。要求されるトルクの伝達により、三つの要素のいずれか一つが入力駆動軸すなわち動力入力軸40に接続される。示された実施例において、太陽歯車48はその回転軸線の回りで回転しかつ動力出力軸44に連結される。リング歯車50は太陽歯車48の回転軸線とほぼ同軸の回転軸線の回りで回転しかつ動力入力軸40に連結されている。差動装置の遊星キャリア54は太陽歯車の回転軸線の回りで回転しかつ駆動出力軸すなわち動力出力軸42の端部に連結されている。この構造によりいずれか一つの軸の回転で他の二つの軸が所定の調時された関係で回転する。
【００１８】
動力出力軸42は入力軸40に関して同軸にケーシング内に取り付けられている。図１で説明したように、動力出力軸42の他端は後部差動装置56に接続されている。後部差動装置56は後駆動車軸手段IBを介して後輪14に接続されてそれを駆動する。後部差動装置56は後輪が異なる速度で回転するのを許容し車輪間の回転速度差を吸収する。
【００１９】
示された実施例の図２及び図３において、歯車セット38の太陽歯車48は管状スリーブ軸58の一端に配置され、そのスリーブ軸は入力軸40の回りに回転するように入れ子式に取り付けられている。スリーブ軸58には第１のチェーン車60が支持されている。第１のチェーン車60は適当な動力伝達手段すなわちチェーン手段64により第２のチェーン車62に接続されている。第２のチェーン車62は差動ユニットの他の動力出力軸44によって支持されている。第２の動力出力軸44は動力出力軸42と横方向に隔てられかつ平行に伸び、またケーシングすなわちハウジング36内に回転可能に支持されている。前部差動装置66は前駆動車軸手段16を介して前輪12を駆動するように連結されている。前部差動装置66は前輪が異なる速度で回転することを許容しかつ車輪間の回転速度差を吸収する。
【００２０】
上述のように、トランスファユニットは、更に、中央差動装置を介してのトルクの伝達を調整するためのクラッチ組立体46を備えている。すなわち、クラッチ組立体は動力出力軸に送られるトルクを増加し或は減じる。好ましい実施例において、第３図に示されるように、電磁クラッチ組立体46はハウジング36内に適切に配置された、軟鉄のロータ72によって部分的に囲まれている静止磁気コイル70を備えている。後述するように、適当な電導線がクラッチ電流を磁気コイル70に流して磁束を発生させる。ロータ72は一方の側に適当な溝付き端面76が形成されている。スリーブ軸58に接続された接続スリーブすなわち部材78がロータ72の反対側に隣接して設けられている。図４に最も良く示されているように、ロータ72はボールランプ継ぎ手を介してスリーブ軸58に接続される。そのボールランプ継ぎ手はロータ72及び接続スリーブ78の両者に設けられた円錐形に形成された凹所すなわちランプ82（図４）によって限定された一連のポケット内に収容された一連の緩く可動の係止ボール80を備えている。この装置の重要な設計上の特徴は、継ぎ手機構の構造（ボール及びランプ（斜面）を使用した構造）によりクラッチ組立体が自己係止しないということである。これは、別の制御入力が加えられなければクラッチが自分で係合しないようにしかつ制御入力が取り除かれ或は減少されたときは確実に解放できるようにするために、必要である。
【００２１】
ロータを接続部材すなわちスリーブ78に向かって軸方向に偏倚するために一つ又はそれ以上の弾性ばね73が設けられる。このようなばねはロータの半径方向面75とスリーブ軸58のスナップリング77との間に配置されている。この構造により、ロータ72は自動的に位置決めされて磁気コイル70が附勢されていないとき摩擦クラッチに実質的に圧縮力を加えない。
【００２２】
図３において、クラッチ組立体46は、更に、適当に溝が形成されたアーマチュアすなわち摩擦ディスク84を備えている。ディスクはリセスすなわち歯86が設けられ、その歯はピニオンキャリアすなわち遊星キャリア52の延長部53に設けられた相補のリセスすなわち歯88と駆動関係で協働する。ディスク84はスリーブ軸58に関して軸方向に移動可能であり、かつロータ72の溝付き端面76と摩擦係合するように配置されている。環状の支持板すなわち圧力板90が摩擦ディスク84から軸方向に隔てて配置されかつスリーブ軸58に接続されている。圧力板90と摩擦ディスクとの間には、それぞれ延長部53及びスリーブ軸58に取り付けられた一組の摩擦板すなわち摩擦ディスク92及び94が差し挟まれている。
【００２３】
動作時、磁気コイル70は最初は附勢されておらずかつ出力軸42及び44間では直結駆動接続は行われていない。この状態で、駆動車軸の各々へのトルクの分配は遊星歯車セットの歯車形状により決定される。静止コイル手段すなわち磁気コイル70にクラッチ電流を流すと磁束が発生し、その磁束により摩擦ディスクすなわちアーマチュア84はロータ72の端面76に向かって引っ張られ、それによってロータ72と摩擦ディスク84との間で摩擦駆動接続が確立される。摩擦ディスク84は、出力軸42に連結されているため出力軸と同じ回転速度で回転する。同様に、チェーン駆動及びスリーブ軸58を介してロータ72は出力軸44に連結されているため、ロータは出力軸44と同じ回転速度で回転する。もし動力出力軸42と44との間に相対運動が存在すると、このような運動によりボール80は円錐形のリセス82内で転動する。この結果、継ぎ手機構はロータ72及び摩擦ディスク84を一体として強制的にかつ軸方向に動かし、これによってくさび作用による押圧力により摩擦板92及び94を押圧する。摩擦板92及び94は、共に押圧されると、出力軸42と44との間で動力を伝達するように作用する。このように、クラッチは二つの出力軸のうちゆっくり回転している出力軸にトルクを加えかつ速く回転している出力軸からトルクを減じる。クラッチ電流を調整することによって出力軸42及び44の相対回転は調整され得る。即ち、トルクを受けている状態下で離脱するように設計された継ぎ手機構により、予備的に連結された状態に対して追加のトルクが供給され、摩擦板92及び94を係合状態に保持するために必要な軸方向力を発生する。このトルクは磁気クラッチ組立体46によって供給される。
【００２４】
クラッチ組立体46の磁気コイル手段70に供給されるクラッチ電流のレベルはクラッチ組立体のトルクの偏りを制御する。すなわち、トルクの偏り全体に亙る正確な制御は磁気コイル70へのクラッチ電流を増加し或は減少することによって達成される。本発明によれば、制御装置すなわち情報処理ユニット200（図１）は、クラッチ組立体に供給される電流のレベルを調整しそれによって前駆動車軸手段44と後駆動車軸手段42との間のトルクバイアスを制御するように設けられている。
【００２５】
図５及び図６の実施例において、全輪駆動コントローラすなわち制御装置200が示されている。コントローラ200はマイクロプロセッサをベースとしかつモトローラモデルNo.68HC11のマイクロコンピュータ202を備えている。マイクロコンピュータ202は、スロットル位置、ハンドル位置及びトランスファケース内の油温のような自動車の動作状態を、アナログ信号から、後述するようにプログラムするのに使用するデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器204を備えたオンチップ（on chip）の特徴を有している。
【００２６】
更に、マイクロコンピュータ202は三つの入力と四つの出力を有する内部タイマ206を備えている。マイクロコンピュータ202は更に複数のデジタル入力ポート208を備えている。マイクロコンピュータ202は拡張されたバスモード（bus mode）で動作し、かつ32キロバイトEPROM212、４キロバイトEPROM214及び全輪駆動コントローラ200のプログラム機能を遂行するのにワークスペース（work space）として使用される２キロバイトRAM216とインターフェースされた外部母線210を備えている。
【００２７】
速度センサインターフェース218はエンジン速度、前軸速度及び後軸速度の信号を調節するのに設けられる。速度センサインターフェース218はデジタル波を発生するように適当な論理回路を備え、そのデジタル波形の周期はマイクロコンピュータ202の内部タイマによって測定される。信号はマイクロコンピュータ202用のソフトウェアに与えられたデジタルフィルター処理によって更に強化される。
【００２８】
ポテンショメータ・インターフェース220はスロットル位置ポテンショメータ及びハンドルポテンショメータの各々から信号を受ける。ポテンショメータ・インターフェース220はスロットル及び舵取位置用の信号ポテンショメータに電源を提供し、かつ両ポテンショメータからの出力信号を、マイクロコンピュータ202のアナログ−デジタル変換ポート204と直結されている出力部を有するバファ増幅器（buffer amplifier）（図示せず）を通して適当にフィルター処理することによって、調節する。ブレーキスイッチ信号モジュール222は、マイクロコンピュータ202のデジタル入力ポート208の一つへ接続するために、適当なフィルター処理及びデジタル論理手段を介してインターフェースされる。オイル温度信号はサーミスタ（thermistor）インターフェース224で処理され、クラッチ駆動回路226の基本マイクロコンピュータ202の制御を無効にするために連続的に検出された温度動作条件を与える。そのクラッチ駆動回路はデジタルーアナログ変換器228を介してマイクロコンピュータ202の外部バス210に接続されている。
【００２９】
クラッチ駆動回路226は電流検出用の閉ループ装置である。上述のように、マイクロコンピュータ202はクラッチ命令信号を発生するように動作され、そのクラッチ命令信号は前述の形式の電磁クラッチ組立体を制御して前軸速度と後軸速度との間の滑り速度を制御し、それによって自動車の最適な駆動制御を行うようにトルクの分配を調節する。マイクロプロセッサによって要求された命令電流が使用され、その命令電流はデジタルーアナログ変換器228を介して電圧を設定する。この電圧は電流検出用の抵抗器（図示せず）に作用する電圧と比較される。比較出力は、それから、電磁クラッチ組立体のコイルへ実際の附勢電流を送る動力切換え装置を制御するために、使用される。
【００３０】
マイクロコンピュータ202は、更に、シリアル通信設備と、診断ソフトウェアを有する診断設備とを連結するインターフェースボード229を備えている。
マイクロコンピュータ202の動作はソフトウェアの制御下にあり、そのソフトウェアは自動車運転（vehicle handling strategy）制御モジュール230及び閉ループ制御モジュール232を備えるように図６に図式で示されている。自動車運転制御モジュール230は自動車動作信号を受けかつ自動車の全体の性能を表す出力を発生するように動作可能である。
【００３１】
閉ループ制御モジュール232は自動車運転制御モジュール230から命令信号を受け、かつ電磁クラッチ組立体の動作を円滑にすべく動作可能であり、その結果、精度が変化する自動車の動作状態に応答して、自動車の前駆動軸と後駆動軸との間のトルクの分配を連続的に調整し、トランスファケース又は駆動トランスファユニット24の動作を円滑にし、それらの間におけるトルク伝達のレベルの急激な変化を自動車の運転者がその変化を感じないように阻止する。
【００３２】
自動車運転制御モジュール230について更に詳細に述べる。モジュールは、自動車の動作状態センサの配置から、マイクロコンピュータ202に向けられた種々の入力された条件に対して、所望の滑り速度設定値信号を発生するように動作可能である。
【００３３】
自動車運転制御モジュールの動作のプログラムを作る基本的ガイドラインには、以下の事項の一つ又はそれ以上を含めることができる。
自動車の安定性は自動車の速度が上昇したとき前車軸に多くのトルクを分配することによって保たれる。クラッチトルクはエンジントルクの変化に応答して変化され得る。自動車運転制御モジュール230によって発生される滑り速度設定値は自動車のコーナリング特性による速度差を補償する。必要に応じてブレーキ動作及びフェールセーフのために特別な処置が行われる。
【００３４】
通常、偏揺（yaw）方向の安定性限界は自動車の速度が増加すると減少する。したがって、自動車運転制御モジュール230によって発生される滑り速度設定値は、自動車の速度の関数として所望のトルク分配を行うためにフィードフォワード（feed forward）トルク信号と調和される。
【００３５】
本発明のある特徴によれば、自動車運転制御モジュール230からのフィードフォワードトルク信号はクラッチトルクに直接影響するように与えられ、一方、滑り速度設定値は、当該自動車に対する路面トルク対タイヤ滑り速度特性のような自動車の特性から推定される。
【００３６】
通常、フィードフォワード信号は、選ばれた自動車運転制御によって決められたような所望のトルク分配を保持するために、入力信号を解析することによってかつ必要なクラッチトルクの保存的な近似値をつくることによって、つくられる。フィードフォワード信号の目的は閉ループ制御モジュール232における定常状態の誤差を減少することであり、かつ閉ループ制御モジュール232における外乱を補正するために動的信号を発生することである。例えば、自動車運転制御モジュール230からのフィードフォワードトルク信号は、後述するようにクラッチ制御信号を増加することによって、自動車の前車軸と後車軸との間の所望のトルク分配を保持するような方法で、エンジントルクの増加に応答するように選ばれ得る。フィードフォワードトルク信号はマイクロコンピュータメモリの入力されかつその後制御法則（control law）にしたがって得られた出力と合計される。その制御法則はバングバング・アルゴリズム（bang−bang algorithm）で動作して、クラッチトルクの平均値を上下に動かして装置の外乱を補正する。代わりに、上記制御法則にしたがって得られた出力は、フィードバック信号に基づくパルス幅変調に基づく制御法則又はフィードバック信号の比例微分積分（proportional integrated differentiation）に基づく制御法則にしたがって設定され得る。
【００３７】
自動車運転制御モジュール230によって設定される滑り速度設定値信号は閉ループ制御モジュール232への命令信号である。この設定値は自動車において発生される実際の滑り速度信号と比較される。命令された値と実際の滑り速度値との差は滑り速度誤差信号であり、その滑り速度誤差信号はクラッチ駆動回路226への信号を発生するように、後述する方法でマイクロコンピュータ202によって処理される。誤差信号は低いレベルの信号であり、その信号は、所望の滑り速度設定値を満たすためにクラッチトルクを増加するか減少するように、クラッチ駆動回路226によって加えられるコイル電流を決定する。
【００３８】
図６において、一つの関数のグラフが示されている。関数はマイクロコンピュータ202に入れられ、自動車速度信号を解析しかつ関数生成曲線234で明らかにされるようにモジュール230から所望の滑り速度設定値出力を発生する。自動車の低い速度において滑り速度設定値は一定である。図示されるように、自動車の速度が増加すると滑り速度設定値は増加する。曲線の直線部分は、設定値が自動車の速度について一定の割合であることを示す。このような関数により、自動車のこのような速度での動作中、前軸と後軸との間で所望の一定の割合でトルクが分配される。曲線の傾斜が減少すると滑り速度の割合すなわちパーセンテージは減少し、したがって、トルクの分配を自動車の前軸から後軸に移動する。曲線234によって表される伝達関数はマイクロコンピュータ202に入れられる関数であり、そのマイクロコンピュータは自動車の動作状態を分析した結果を出力し、例えば自動車の速度の関数として所望のトルク分配を行うようにフィードフォワード信号と調和する所望の滑り速度設定値を決定する。自動車運転制御は別の機能を有し、その機能は閉ループ制御モジュール232にフェイルセーフ信号と同様に特別の条件命令を与える。例えば、四輪駆動自動車の安定性の分析結果により、差動動作開放機能（open differential）が正常なブレーキ動作及びABS動作の両者と殆ど干渉しないことが分かる。このように、自動車運転制御モジュール230は制限があり、電磁クラッチ組立体のコイルはブレーキが動作されるときはいつでも附勢されない。
【００３９】
ここで明らかにされた形式の制御装置用のフェイルセーフ条件は、電磁クラッチ組立体のコイルが附勢されない差動動作開放機能条件である。もし電子素子が破損すると、制御モジュール230はある機能が与えられ、その機能はそのような破損を反映する信号を検出し、前軸と後軸との間でトルクを分配するための電磁クラッチへの電力の供給を断つ設定値信号を発生し、それによって差動装置を解放して前軸と後軸との間で、通常の条件下でトルクの分配を行う。
【００４０】
更に、モジュール230のプログラム作成は故障を検出するために幾つかの自己検査手順を含ませることができる。一つのこのようなプログラム作成の順序は、自動車のエンジンが点火されたとき、全車輪駆動コントローラ200のマイクロコンピュータの構成部品の各々がパワーアップされることを示す試験を必要とする。また、プログラム作成の順序はリアルタイムの試験を遂行するステップを備え、そのリアルタイムの試験は全輪駆動コントローラ200の動作中周期的に行われる。最後に、マイクロコンピュータ202はプログラム作成ステップを含み、そのステップにおいて、構成要素の各々は試験され、動作に先立って装置の十分な点検確認が行われる。
【００４１】
閉ループ制御モジュール232において、測定された前軸速度及び後軸速度はコンピュータメモリ内に貯えられかつ加算接合点（summing junction）236に入力される。加算接合点236は速度差信号又は実際の滑り速度信号を発生し、その信号は、コンピュータメモリ内に貯えられる。実際の滑り速度信号及び要求された設定値信号はメモリから引き出されかつ滑り速度誤差信号を発生するために加算接合点238に入力される。もし実際の滑り速度が設定値の値（誤差信号は負である）を越えたならば、そのときマイクロコンピュータ202はクラッチ駆動回路226に最大出力信号を送る。正の誤差信号は最小値の信号がクラッチ駆動回路226に送られるようにする。
【００４２】
更に詳しくは、閉ループ制御モジュール232はサーボ機構であり、そのサーボ機構の目的は前輪対後輪の滑り速度を自動車運転制御モジュール230によって決定された設定値まで変化させることである。この目的を達成するために、本発明によれば、加算接合点236で発生された実際の滑りの滑り速度信号はフィードバック信号であり、そのフィードバック信号は、クラッチ駆動回路226へのクラッチトルク制御信号を発生させるのに際してループの精度を改善するために使用される。本発明の一つの特徴は、実際の滑り速度フィードバック信号を要求された滑り速度設定値と加算接合点238で合計することによって生起される誤差信号が、誤差信号の上限及び下限によって決定される周波数を有するオンーオフ制御信号を発生させるのに使用されることである。更に詳細には、図６に示されるように、誤差信号はオンーオフスイッチ装置240に送られ、そのスイッチ装置は、誤差信号の存在により、スイッチ装置240からの出力が最大か又はゼロかであるように、動作される。スイッチ装置のオンーオフサイクルの周波数は、一部が全輪駆動装置の特性によって決定される。スイッチ装置240によって発生されるオンーオフパルスの周波数は、自動車の特性及びマイクロコンピュータ202によって発生されるサンプリングの結果によって決定され、その自動車の特性には、自動車の前車軸から後車軸への負荷の伝達と同様にクラッチのヒステリシス及び主な自動車の動的特性（vehicle dynamics）、エンジンの動的特性、非線形のタイヤ曲線、非線形のクラッチ摩擦特性等のファクタがある。このような変数を含むモデルのシミュレーションすなわち模擬実験は、スイッチ装置240のリミットサイクルすなわちスイッチのオン−オフ動作サイクル周波数が滑り速度設定値により４ないし９ヘルツ（Hz）の範囲にあり、その設定値が自動車操縦制御モジュール230から閉ループ制御モジュール232に送られることを、示している。フィードフォワードトルク信号は閉ループ制御モジュールに入力され、そこにおいてフィードフォワードトルク信号は制御法則（control law）にしたがって得られた出力と加算接合点242で合計されてクラッチトルクを調節する。
【００４３】
図７は、15r/minの模擬の自動車運転制御設定値信号に対する、時間についての滑り速度変化、時間についてのクラッチトルク及び時間についてのトルクの分配を比較するグラフを示す。この好ましい滑り速度設定値を維持するために、コントローラ202は実際の滑り速度における変化を検出して曲線244に追従する実際の滑り速度を変化させる。クラッチトルクは曲線246にしたがって変化しかつトルクの分配は曲線248にしたがって変化する。滑り速度が増加して所定の上限における設定値を越えると、クラッチ動作信号が送られかつトルクは曲線246で示されるように上昇し始める。トルクが増加すると車輪の速度差はやがて減少する。速度差が設定値より小さくなると、クラッチ動作信号は止められかつ速度差は再び増加し始める。その挙動は周期的である。15r/minの設定値に対して、スイッチ動作の周期はおおよそ９ヘルツでありかつ滑り速度の尖頭間振幅はおおよそ10r/minである。30r/minの設定値に対する周波数はおおよそ６ヘルツであり、かつ滑り速度の尖頭間振幅は滑り速度曲線250に示されるようにおおよそ10r/minである。図８は、30r/minの設定値の場合に対するクラッチトルク曲線252及びトルク分配曲線254を含んでいる。示されたいずれの設定値の場合も、周波数は装置の応答が適当に行われるように正常な自動車の動的条件に比較してまだ高い。
【００４４】
図７及び図８から、装置のリミットサイクル挙動すなわちスイッチのオン−オフ動作サイクル挙動の周期的性質が分かる。曲線244、250に示されるように、滑りは設定値以上に増大し、クラッチ信号は流されかつトルクは曲線246、252に示されるように上昇される。増加したトルクはやがて車輪の速度差を減少させる。速度差例えば実際の滑り速度信号が設定値より小さくなると、クラッチ信号は止められる。これにより、速度差は増加されてサイクルを繰り返す。その挙動は明らかに周期的である。
【００４５】
コントローラ200の別の動作特性は曲線248、254に示されている。一般に、自動車のトルクの分配を後車軸に偏らすることは好ましい。このため、後輪は前輪よりも滑る傾向がある。滑りが曲線244及び250に示される設定値に達すると、クラッチが動作されてトルクを前車軸に伝達する。このことはトルク分配曲線に表されている。したがって、トルクは前車軸に偏って分配される。
【００４６】
曲線246、252によって分かるように、滑り設定値が低下すると、設定値を維持するために必要とされるクラッチトルクは大きくなる。この関係はタイヤの特性曲線によって決定される。滑り設定値が低下すると、後タイヤの滑りは少なくかつ前タイヤの滑りは多い。これにより前タイヤには多くのトルクが伝達されかつ後タイヤには少ないトルクが伝達される。このように、トルク分配装置を釣り合わせるのに要求されるクラッチトルクは大きくなる。これらの結果は、タイヤの滑り特性、クラッチトルク、トルクの分配及びアンダステア（under steer）の間の関係を示している次の表で要約される。
【００４７】
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【００４８】
なお、下向きの矢印は滑りのより小さいトルクを示し、上向きの矢印は滑りのより大きいトルクを示す。
【００４９】
コントローラ200でトルク分配を変更できる能力により、自動車の運転をコントローラ200によって自動的に制御させることが可能になる。滑り設定値が小さくすると、トルクは前輪側に偏って分配される。こように、自動車の運転特性は前輪駆動自動車例えばよりアンダステアを示す自動車の特性に近付けられる。設定値が増大すると、トルクは後輪側に多く分配されるようになりかつ自動車はアンダステアになりにくくなる。このように、自動車操縦制御モジュールは、設定値を決定することによって、要求された操縦特性を得る。コントローラ200はトルクの分配を十分に後輪側に偏らせて低速において良好な応答性を与え、同時に安定性を得るために高速においてトルクを前輪側に偏らせるように切り換える。
【００５０】
実際のテストプログラムの結果は図９及び図10において明らかにされる。
フォード・シーラ（Ford Sierra）XR4x4はボーグワーナのトルク・オン・ディマンド（Torque−on−Demand）装置を組み込むように改良された。スロットル全開始動が模擬の前／後摩擦係数分配で停止状態から実行された。テストは幾つかの異なる滑り速度設定値を使用して実行された。滑り速度の測定値及びクラッチトルク命令は実行中記録された。
【００５１】
通常の乾いた舗装条件の下で大きな車輪の滑りを発生させることは困難である。更に、低い摩擦面上では、大きな制御クラッチトルクを必要とする状態を保つことは困難である。制御装置のテストの目的のために、分配摩擦係数はスキッドカー（skid car）を使用することによって模擬実験された。
【００５２】
スキッドカーは四輪ドリー（dolly）である。前輪及び後輪の重量は独立に制御される。自動車の車輪の荷重を軽減することにより、地面摩擦係数を減少するのと同じ効果が得られる。前及び後荷重を制御することにより、中央差動装置におけるトルクの分配と利用可能な駆動トルク分配との間で大きな差を発生させることを可能にする。これにより車輪の滑りを制御するのに大きなクラッチトルクが必要となる状態を保つことが可能となる。
【００５３】
各テストにおいて、固定の滑り速度設定値がテスト全体を通して使用されている。それは自動車の操縦制御によっては決定されず、単に繰り返し可能な実験を行うための必要性によって決定される。
【００５４】
テストは湿ったアスファルトの上で行われた。スキッドカーは後輪が50％だけ荷重が軽減されかつ前輪は完全に荷重が加えられた。有効摩擦係数は前輪で0.6でありかつ後輪で0.3であることが推定される。
【００５５】
一貫性を得るためにスロットル全開始動は各選ばれた滑り速度設定値で行われた。エンジン速度は最初約4000r/minまで上昇され、その後スロットルペダルは十分に押され、クラッチはエンジンがスピードアップを保つように解放された。
【００５６】
二つの滑り速度設定値（20及び50r/min）におけるテストの実施から得たデータが図９及び図10に示されている。ストリップ・チャート（strip chart）の記録はバングーバング・アルゴリズムによるトルク命令（オン又はオフ）及びコントローラ200によって計算された滑り速度（後車軸速度引く前車軸速度）を示す。
【００５７】
性能は模擬実験で予測されたスイッチのオン−オフ動作サイクル挙動に似ている。各場合において、データは、滑り速度が増大し（後輪が駆動力を失うと）、クラッチが係合され、滑りが制御されてクラッチが解放され、かつサイクルが繰り返されることを、示す。両者の場合とも約0.2秒の振動間隔を示し、それは模擬実験で予測された５ヘルツの速度である。最も重要なテストの結果は、実際の滑り速度への設定値の影響である。これらのテストの滑り速度の軌跡の比較は平均の滑り速度が設定値に近いことを示す。
【００５８】
バングバング・アルゴリズムによるトルク命令信号は、滑り速度の変化に対応するような方法でテスト毎に変化した。各場合において、クラッチ命令信号は滑り速度が設定値を横切るときオン状態とオフ状態との間で切り換えられた。データはクラッチが20r/minの場合の方が50r/minの場合よりも大きかったことを示す。理由は、小さな滑り速度を保つために、前方により多くトルクを分配する必要があるためである。前方により多くトルクを分配するためにより多くのクラッチトルクが必要であり、このことは、バングバング・アルゴリズムにより長い時間クラッチを動作させる必要があることを意味する。
【００５９】
主観的に、装置の性能は非常に魅力があった。クラッチの係合は計器盤に取り付けられた可聴の表示器と関係なく気付かないほどであった。ドライブトレインには衝突音（bumps）も、ガタガタ振動（jerks）も、騒音も無かった。種々の場合における自動車の性能を比較すると、運転者は20r/minの設定値で駆動及び加速を強く感じた。対照的に、設定値が大きいとき動かずに車輪が多くスピン回転した。
（効果）
結論として、本発明の滑り速度サーボループは前輪速度と後輪速度との差を有効に制御する。オン−オフ制御法則を使用するにも拘わらず、クラッチの動作はかなり円滑であり振動も小さい。
【００６０】
自動車操縦制御は、全車輪駆動自動車のトルク分配を動作状態の関数として変更するようにサーボループに命令する。このように、高いレベルの駆動力、安定性及び自動車の応答性が達成される。このように、目的を達成し前述の利点を有する四輪駆動自動車におけるトルク伝達を制御するための装置が提供される。本発明は特定の実施例について説明したが、当業者には発明の範囲内で種々の改良、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された自動車を示す概略図である。
【図２】本発明のトランスファケースの概略図である。
【図３】本発明と共に使用可能なトランスファケースの詳細を示す断面図である。
【図４】クラッチに取り付けられたボールランプ機構の拡大断面図である。
【図５】本発明の他の実施例を含むマイクロプロセッサを基礎としてコントローラのブロック線図である。
【図６】図５のマイクロプロセッサの自動車操縦制御モジュール及びフィードバック閉ループ制御モジュールのブロック線図である。
【図７】毎分15回転の所望の滑り速度設定値に対するコントローラの模擬動作の比較図である。
【図８】毎分30回転の所望の滑り速度設定値に対するコントローラの模擬動作の比較図である。
【図９】毎分20回転の滑り速度設定値における第５図の実施例によって発生された実際のクラッチ命令信号の比較グラフ図である。
【図１０】毎分50回転の滑り速度設定値に対する実際のクラッチ命令信号の比較グラフ図である。
【符号の説明】
38:差動装置、 40:入力軸
42:出力軸、 44:出力軸
46:クラッチ手段、 70:電磁コイル
200:コントローラ、202:マイクロコンピュータ
204:アナログーデジタル変換器
218:速度センサインターフェース
230:自動車操縦制御モジュール
236、238:加算接合点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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