知能機械システム工学科卒業論文

小型電気自動車の設計及び駆動制御

高知工科大学
知能機械システム工学科
戒能 徹

小型電気自動車の設計及び駆動制御
概要
目標
近年、電気自動車が環境保護の観点から注目されている。しかし現在の市販されている
電気自動車は数機種あるが実用車として普及するまでに至っていない。電気自動車が普及されていない要因として長距離輸送が難しい問題点がある。したがってコミューターとして近距離輸送の運用を目的とした実用的な小型電気自動車の開発することにした。
次に、来たるべく高齢化社会にむけて高齢者にも安全で運転が容易なシステムを開発する必要性がある。そのためＩＴＳ（Intelligent Transportation Systems）の一環として小型電気自動車をベースに半自動運転化する実験を行なうことにした。半自動運転化の目標
は駆動装置を制御することにより、簡単な運転システムを開発することにした。以上の二点が本研究の目標である。
創意工夫点
小型電気自動車は半自動運転化することを前提としてフレーム構造から独自に考えて設計及び製作をおこなった。そのため小型電気自動車の操作はジョイスティックだけで前後進と旋回の動作が可能である。
実験内容
本研究では小型電気自動車の設計及び製作をおこなった。また、我々は小型電気自動車
を半自動運転化するために、原動機であるインホイールモーターやステアリング機構にとりつけたサーボモーターの駆動制御をおこなった。
実験結果
小型電気自動車は完成後に実際に走行実験をおこなった。走行実験は動作確認をおこな
うためにおこなわれ、多くの問題点を抽出することが出来た。完成した電気自動車は重量過多であるために応力解析をしてフレームを見直すことにした。また原動機であるインホ
イールモーターの出力が不足しているために、ギア比を減速させて対応した。
今後の課題
今後の課題は、走行実験において走行性能の定量化があげられる。また、ソフト面の課
題として制御回路を簡略化しなければならない、などがあげられる。

目次
１．緒言
２．研究の目的
２．1 ．坂本研究室での取り組み
２．２．実用化の目標
２．３．研究テーマ
３．実験装置３．１．小型電気自動車について
３．２．ホンダ製インホイールモーター
３．３．マイクロコンピューター
３．４．サーボモーター
４．実験方法４．１．実験装置の選定
４．２．小型電気自動車の設計・製作
４．３．マイクロコンピューターを使用しての制御
４．４．走行実験
５．駆動制御５．１．後輪の駆動制御
５．２．ステアリング機構の駆動制御
６．走行実験及び改善点
７．実用化までの問題点・課題
８．結言
謝辞
学会発表
参考文献
付録

１．緒言
近年、化石燃料を使用する自動車の増大は、大気中の二酸化炭素濃度を高める要因になり地球温暖化の原因となっている。したがって燃焼による排気ガスを出さない電気自動車
が環境保護の観点から注目されている。しかし現在の市販されている電気自動車は数機種あるが実用車として普及するまでに至っていない。電気自動車が普及されていない要因として走行性能がバッテリーの性能に依存するという問題点がある。この問題点からバッテ
リーで走行する電気自動車は長距離走行に向かないことがわかる。そのため今回の研究では、長距離輸送の運用を目的とした電気自動車ではなく、コミューターとして近距離輸送の運用を目的とした実用的な小型電気自動車の開発を行なうことにした。
また、来たるべく高齢化社会にむけて高齢者にも安全で運転が容易なシステムを開発する必要性がある。そのためＩＴＳ（Intelligent Transportation Systems）の一環として小型電気自動車をベースに半自動運転化する実験を行なうことにした。半自動運転化の目標
は駆動装置を制御することにより、簡単な運転システムを開発することである。
２．研究の目的
２．1 ．坂本研究室での取り組み
坂本研究室では９７年度より電気自動車の製作を開始した。９７年度には、図 .１に示す
一人乗りの小型電気自動車を製作した。この小型電気自動車はシャシーをアルミ製梯子で製作し、駆動モーターには４８V で作動するホンダ製インホイールモーターを１機搭載した。また、この小型電気自動車はエコランレースである「高知エコパワーレース」に出場するために開発したものであるため一般公道では走行することができない。

図. １ 最初の小型電気自動車

９８年度には「四国ＥＶラリーフェスティバル

９８」に出場することを目的に軽乗用車を電気自動車に改造した。「四国 EV ラリーフェスティバル」は、四国の一般公道を舞台に開催されるラリーイベントで１９９８年を第一回として、以降毎年 8 月に開催されている。この電気自動車は軽乗用車の内燃機関をモーター、バッテリー、コントローラーとコンバートすることによって電気自動車に改造した。ＥＶラリーには 3 台の電気自動車を後期日程に出場させ３台とも完走することができた。電気自動車及びラリーの様子を図.２、図.３に示す。そして２０００年度には「四国ＥＶラリーフェスティバル２０００」に出場することを目的に新たに小型電気自動車を開発することにした。今回の小型電気自動車はより実用性を増すために公道での走行を前提に設計・製作を行い、なおかつ半自動運転化も視野に入れて開発することにした。

図. ２ 電気自動車

図. ３ ラリー風景

また卒業研究においては小型電気自動車の改良も含め、ＩＴＳの一環として小型電気自
動車の半自動運転化や有限要素法によるフレームの解析に取り組むことにした。
２．２．実用化の目標
小型電気自動車の当初の目標は「四国ＥＶラリーフェスティバル 2000」に出場することであり、そのためには一般公道で走行可能な実用車として小型電気自動車を開発・設計を行なわなければならない。したがって小型電気自動車を一般公道で使用するために、まずナンバーを取得しなければならない。今回は小型電気自動車を第一種原動機付自転車として製作して登録することにした。第一種原動機付自転車の特徴として重量税・取得税が不要で車検・車庫証明が不要である点が挙げられる。そのため登録が容易であり維持費が安価であるというメリットから第一種原付自転車を選択した。またデメリットとして一人乗りに限られることや法定速度が時速 30ｋｍに限られるといった点が挙げられる。
次に、従来の電気自動車の問題点としてバッテリーに蓄積した電気エネルギーで走行する方式では走行距離が短いという問題点がある。これはバッテリーの重量やサイズの問題
点によりバッテリーの搭載量が限られるためである。したがって、より実用的な電気自動車の運用方法を模索した結果、小型電気自動車を短距離輸送用のコミューターとして設計及び製作を行なうことを目標にした。
以上の条件から、大きさや搭乗人数及び航続距離が決まり、第一種小型電気自動車の一人乗りの小型電気自動車を製作することにした。そして卒業研究ではＩＴＳの一環として
小型電気自動車の半自動運転化に取り組むことにした。これは駆動装置やセンサーと連携して制御を行なうことによって、より安全で簡単な運転システムを開発するためである。
これによって高齢者や障害者の運転に対する負担を軽減したり事故を未然に防いだりすることが目標である。今回は、半自動運転化の基礎研究として自動車の運転に必要な操作の内、ハンドル操作とアクセル操作をジョイスティックで操作できるように改造する試みを行なうことを目標にした。
２．３．研究テーマ
本研究の内容は小型電気自動車の設計・製作を行い、半自動運転化を行なうまでであるが、研究の段階においてそれぞれ研究テーマを設けることにした。最初に小型電気自動車の設計・製作を研究テーマにした。次に製作した車両をさらに発展させるために半自動運
転化と、フレームの応力解析を研究テーマにした。フレームの応力解析の内容は車両重量が予想よりも大幅に増加してしまったため、有限要素法による解析を行なうことによってフレームの軽量化や構造の最適化を検討することである。また、半自動運転化に際してステアリング機構の開発・制御とブレーキ機構の開発・制御とを分けて行なうことにした。
この二点は半自動運転化するにあたってハード面で改造を行なわなければならない。そのためこれらを主に改良することをテーマにした。以上に挙げたテーマを図.４に示す。枠で囲った範囲のテーマが、報告者が直接関わった研究テーマである。

図. ４ 研究テーマ

３．実験装置
３．１．小型電気自動車について
本研究では小型電気自動車をシャシーから製作するにあたってフレーム形状から検討した。直径 27.2ｍｍの鉄パイプを使用しフレームを組んだ。サイズの主な数値は、全長 1650
ｍｍ、全幅 1200ｍｍ、全高 1600ｍｍで総重量は約 350ｋｇである。またサスペンション
機構は制動時の車両の安定性が高いダブルウィッシュボーンを前輪に採用し、後輪にはコンパクトなフルトレーリングアームを採用した。原動機にはホンダ製インホイールモータ
ーを２機搭載し、シャフトを介して後輪を直接駆動させる方式である。ホンダ製インホイ
ールモーターを採用した理由はコントローラーが内蔵されており丈夫で制御が容易である
点からである。また主バッテリーは１２Ｖ密閉型鉛電池を４個直列に車体中央下部に搭載
し、H８マイクロコンピューターやライトなどの補記類を駆動させるために１２Ｖシール型鉛蓄電池を車体全部に１個搭載している。また、ステアリング機構はラックアンドピニオン機構を採用した。今回は寶角ギヤ−製のラックアンドピニオンギヤ−を使用し、ユニ
バーサルジョイントを介して前輪を操舵している。また制動装置には前輪に油圧式ドラムブレーキを採用し、運転席に設置したブレーキペダルの入力を、マスターシリンダーを介して油圧をコントロールしている。また後輪にはモーターの回生ブレーキによって制動力がもたらされる。
また、今回の実験にあたって半自動運転化するにあたってハンドルとアクセルをジョイ
スティックで操作できるように機構の改造及び制御を行った。小型電気自動車の全体像を図.５に、主な仕様を表.1 に記載する。

図. ５ 小型電気自動車の全体像

全長1650mm
全幅1100mm
全高1600mm
寸法・重量 ホイールベース
1250mmトレッド・前1100mmトレッド・後1000mm
車両重量
約 200kg
名称
DDW-4060 Type A
型式
GMAD
形式
ＤＣブラシレス
定格出力
0.6kw
モーター
定格トルク
7.5N･m定格回転数800rpm
無負荷最高回転数
1200rpm
使用個数
２基
重量
11kg
形式
SB-D26R
バッテリー 容量50AH/5 時間率
重量
18kg
使用個数
４個直列
ステアリング形式
ラックアンドピニオン
ブレーキ形式・前ドラム
ブレーキ形式・後モーターによる回生ブレーキ
駐車ブレーキ機械式前輪２制動
サスペンション形式・前 ダブルウィッシュボーン
サスペンション形式・後 フルトレーリングアーム
タイヤ・前
3.5-10タイヤ・後
3.0-10
表. １ 小型電気自動車の仕様

３．２．ホンダ製インホイールモーター
小型電気自動車の原動機は図 .６に示すホンダ製インホイールモーター

DDW-4060

Type Aを 2 機使用した。このモーターはブラシレス DC モーターで定格電圧 24V 駆動である。本研究では走行実験により重量過多によるトルク不足が判明し、ギア比を Type Aの 1:1 から Type D の 1:4 に変更した。
３．３．マイクロコンピューター
駆動装置の制御には図.７に示す日立製 H8 マイクロコンピューターを使用した。本研究では秋月電子通商製のマイコンボードとセットで使用した。原動機であるホンダ製インホ

イールモーターと、ステアリング機構に取り付けたサーボモーターを制御するために 2 機使用した。
３．４．サーボモーター
前輪のステアリング機構を半自動運転化するために、図 .８に示すサーボモーターをラックアンドピニオンギアに図.９に示すオルダム形カップリングを介して取り付けた。本研究ではサーボモ−ターをオリエンタルモーター社製 HBLM540K−GN にギアヘッドを取り付けたものを採用した。このモーターはブラシレス DC モーターでモータードライバーとセットになっており、ギアヘッドを取り付けることによって 1:7.5 に減速してあり 1.2N・ｍのトルクを発生する。

図. ６ ホンダ製インホイールモーター

図. ７ H 8 マイコンボード

図. ８ サーボモーター

図. ９ オルダム形カップリング

４．実験方法
４．１．実験装置の選定
実験装置の検討にあたって、小型電気自動車に流用できる部品が限られている点が問題になった。そのため普通乗用車や原動機付自転車に使用される部品で流用できる部品を調査することから始めた。また、サスペン
ションアームなど流用できない部品があれば新たに図.１０に示すように設計図をかいて製作所で加工してもらった。

図. １０ 設計図

４．２．小型電気自動車の設計・製作
小型電気自動車の設計・製作をするにあたって、グループ内でアイデアを出し合って、図.１１に示すような３ＤＣＧをモデリングで作成しグループの一員がイメージの共有化できるようようにした。３DCG のモデルを基にグループで議論を重ねることによって、個々がより具体的なイメージを持って設計を行った。その結果を基に図.１２に示すように３ＤＣＡＤで図面を書いて製造所に加工の発注をした。

図. １１ ３D C G によるモデリング
図. １２ ３D C A D によるモデリング

４．３．マイクロコンピューターを使用しての制御Ｃ言語でプログラムを組み、Ｈ８マイコンで後輪のモーターを制御した。また前輪のステアリングをサーボモーターで行えるように駆動装置を設計及び改造した。
４．４．走行実験
最後に走行実験を行って、動作確認や問題点の抽出及び改善を行った。

５．駆動制御５．１．後輪の駆動制御
後輪周辺の構造は、図.１３に示すようにサスペンションを兼ねたの左右のトレーリングアーム上に、ホンダ製インホイールモーターが装着されている。モーターからの動力はシャフトを介して直接車輪に伝えられている。したがって、旋回時に内輪差が生じる問題が発生する。この問題を解消するために旋回時における外輪と内輪の回転数の比を計算した。車両のトレッド幅(タイヤの中央から反対側のタイヤの中央までの距離)を１．
０ｍとした場合、外輪と内輪でどれだけの回転差があるかを考えた。図.１４に示すグラフは旋回半径に対して内輪は何パーセントの回転数で回ればよいかという計算結果を示したものである。このグラフから回転数の比が９０％付近で大幅に外輪の旋回半径が切り替わることがわかった。よってハンドルの切れ角に応じて １９０％の２段階に変化させる制御を行った。

外輪に対する内輪の回転数の比

回転数比（％）

００％

100
80
60
40
20
0
0

図. １３ 車両後部の構造

10

20
30
外輪旋回半径（ｍ）

40

図. １４ 外輪に対する内輪の回転数の比50

５．２．ステアリング機構の駆動制御
2000 年 8 月当初の小型電気自動車の製作時にはハンドルからの入力は、ユニバーサルシャフトを介してラックアンドピニオンギアに伝える構造になっていた。しかし半自動運転化にあたって、図.１５に示すようにハンドルの替わりにラックアンドピニオンにサーボモーターを直接装着することにした。
操作にはジョイスティックを使用することにした。ラックアンドピニオンからハンドルの切れ角をポテンショメーターで読み取り、その切れ角をフィードバックしてサーボモーターに入力した。また、前・後進の動き
もジョイスティックで操作できるように改造した。よって前・後進と合わせ旋回動作もジョイスティックで操作できるようになった。このシステムの様子をブロックダイアグラムにあらわした。図.１６に示す。また実験装置の様子を図.１７に示す目標であるがブレーキ装置や各種センサーと連携させて制御する実験を行いたい。

図. １５ ステアリング周辺の構造図
図. １６ ブロックダイアグラム

図. １７ 実験装置周辺図

６．走行実験及び改善点
小型電気自動車が完成した後に走行実験をして動作確認を行った。走行実験によって多くの問題点が抽出され改善することができた。
１．ハンドルの回転角を検出するためのポテンショメーターが、ユニバーサルシャフトの不具合により発生した機械的な誤差が発生した。その誤差をプログラム上で、設定を理論値よりも幅をとることによって改善した。
２．ポテンショメーターに取り付けたバネの強度が不足し機械的な誤差が生じた。それを解消するために図.
１８のようなポテンショメーターを使用することで強度が不足しないように改善した。
３．車両の重量過多によって、モーターの出力が不足した。これを改善するためにギア比を１：１から１：４に変更した。
４．ステアリング機構の駆動制御を行なう際にサーボモーターのドライバが破損してしまった。破損原因は内装されたヒューズがとんでしまったためで、ヒューズを外装することで改善した。

図. １８ 改良したポテンショメーター

７．実用化までの問題点・課題
今回の研究では、小型電気自動車を設計・製作及び半自動運転化を行い走行実験による動作確認が出来た。
その結果、小型電気自動車を実用化へ導くためには多くの問題点を改善しなければならないことがわかった。
改善しなければならない主な問題点及び課題を挙げる。
１．まず実験方法において走行性能を定量化することが挙げられる。現在は電気自動車の走行実験を行なって動作確認を行なうだけで、具体的に走行性能を定量化できていないのが現状である。したがって走行性能を定量化する方法を考えなければならない。また走行性能を定量化できれば、問題点がより明確になり新たな問題点も抽出されると予想できる。
２．ソフト面における問題点を挙げると、後輪のモーターとステアリング機構に取り付けたサーボモーターを別々の回路で制御している点が挙げられる。これはマイコンボードの A/D ポートが限られているためで、この点を改良できれば一つのマイコンで制御出来るようになり簡略化できる。また、将来に向けてより高度な半自動運転化を目指すために各駆動装置及びセンサーと連携して制御する必要性が挙げられる。
３．ハード面における問題点を挙げると、現在の小型電気自動車はラックアンドピニオンにサーボモーターを直接取り付けてある。そのため半自動運転時にはハンドルが使用できない。安全性の面から手動でも操作出来るよう構造を改善したい。
４．小型電気自動車の重量が当初の目標より増加したために、走行性能や燃費が悪く実用化の関して一番の障害になっている。今回の研究で行なったフレームの応力解析により形状の見直しや部品の改善を行って軽量化
したい。
８．結言
本研究では、小型電気自動車を設計・製作から素行実験による動作確認をおこない貴重な経験をえることができた。実際に走行実験を行なうと予想していなかった問題点が数多く出てきたので、走行実験を重ねることがいかに重要であるかわかった。また設計図を書いて製造者と打ち合わせを行ったが、未熟な図面であるため意図が伝わらなかったり間違いがあったりした。したがって、わかり易く製図する技術の必要性を感じた。最後に、詳細な計画性が欠如していたために期待した性能を発揮することができなかった。大まかな計画ではな
く状況に応じて詳細な計画性を立てる必要性がわかった。

謝辞
終わりにのぞみ、本研究において補助金を頂いた高知県庁産業技術振興課、ショックアブゾーバーを提供して頂いた株式会社デイトナ、バッテリーを提供して頂いた日本電池株式会社に深く御礼申し上げます。
また、我々の稚拙な図面から部品を製作して頂いた福留工業、坂本鉄工の関係者各位に感謝の意を捧げます。
学会発表
１．戒能

徹、坂本東男、澤田達郎、大西仙晃

小型電気自動車の駆動制御
日本機械学会中国四国支部講演会、2001 年３月、発表予定
付録１に概要を記載
２．澤田達郎、坂本東男、戒能徹、大西仙晃小型電気自動車の設計・製作
日本機械学会中国四国支部講演会、2001 年３月、発表予定
付録２に概要を記載
３．大西仙晃、坂本東男、戒能徹、内野喬誌

小型電気自動車のブレーキ制御
日本機械学会中国四国支部講演会、2001 年３月、発表予定
付録３に概要を記載
４．Haruo Sakamoto,Takashi Uchino, Noriaki, Onishi, Toru Kaino, Tatsuro
Sawata, and Masaaki Yokoyama, Capstone Design and Manufacture of Hand-Made
Small-Sized Electric Vehicle, ASME Conference, Sept. 2001, to be presented.
付録４に概要を記載
参考文献[１] 小松康一、自動操縦車両の制御システムに関する研究、Proceedings of the 3rd Tokyo AVCS Conference、（１９９８）、pp.５９−６２[２]社団法人交通工学研究会編、インテリジェント交通システム、（１９９７）

付録１

小型電気自動車の駆動制御※戒能

徹（高知工科大学）正◎坂本東男（高知工科大学）

澤田達郎（高知工科大学）

大西仙晃（高知工科大学）

1 ． 緒言現在主流である化石燃料を使用する自動車は大気中の二酸化炭素濃度を高める要因となり、深刻な環境問
題を引き起こしている。したがって、排気ガス出さな
い電気自動車の普及が急がれている。しかし、現時点の電気自動車は航続距離に問題があるため、近距離輸送用のコミューターとしての役割が期待されている。
我々はコミューターとしての使用を目的として、図１に示す一人乗りの小型電気自動車を製作した。
また、来たるべく高齢化社会に対応して高齢者でも安全に運転出来るシステムを開発する必要がある。そのために小型電気自動車をベースに駆動装置を制御して半自動運転化することにより、安全な運転システムを開発することを目標にした。

替えて、サーボモータをラックアンドピニオン機構に取り付ける改造を行った。図２に示す。

図１．小型電気自動車
2 ． 製作した小型電気自動車
小型電気自動車の後輪は左右のトレーリングアームに各１個のモータを装着している。モータの動力はシ
ャフトを介して直接、車輪を駆動させる方式をとっている。前輪のステアリング機構はラックアンドピニオ
ンギア機構を採用している。ブレーキは前輪ドラム、後輪に回生ブレーキを使用している。
３．半自動運転の実験内容
小型電気自動車の半自動運転化にあたって、前進後進、右折左折、停止の各動作を人に代わってマイコンで制御することにした。右折左折の動作は前進後進を伴って行われる。したがって前進後進の速度と連携した制御が必要になる。最初から、それらの動作をマイコンで制御することは困難と思われるので、ジョイス
ティックを使用して各駆動装置を制御することを当初の目標とした。
従来、右折あるいは左折をハンドルで操作するのに回転数比（％）

図２．サーボモータ、ラックアンドピニオン機構及びマイコン
車両が旋回する際に外輪と内輪に回転数の差が生じるために左右のモータの回転数を制御する必要がある。
そのために外輪と内輪の回転数にどれだけの差があるか計算した。図３に結果を示す。そしてラックアンドピニオン機構の回転数をセンサーによって検知することにより、前輪の切れ角に応じて後輪の内輪と外輪に回転数を個別に制御を行った。
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0

10

20
30
外輪旋回半径（ｍ）

40

50

図３．外輪に対する内輪の回転数の比
停止の動作に関しては、ブレーキペダルにエアシリ
ンダを取り付ける改造を行った。
４．結言
この研究はＩＴＳに関連し、障害物をセンサーで検知し、安全に障害物を回避あるいは停止する実験を行っている。サーボモータ、エアシリンダ、マイコンを実車に組み込み実験中である。

付録２

小型電気自動車の設計･製作※澤田達郎（高知工科大）正◎坂本東男（高知工科大）あ戒能徹

あ◎横山應祥（高知工科大）（高知工科大）1.緒言
環境面や騒音などに対する観点から電気自動車が注目され､自動車メーカーから電気自動車や､内燃機関とのハイブ
リッド自動車などが発表･発売されている。しかしながら､
電気自動車の技術的・環境的課題として､航続距離の短さ､充電時間の長さ､バッテリーの重量､専用バッテリ−の価格､
充電場所の不足などが挙げられ、内燃機関を搭載した自動車の代替にはなっていないように思われる。
我々は上記の課題を考え､公道を走行でき、短距離移動用として使用する小型の電気自動車の設計･製作を検討した。
規格は原動機付四輪自転車のそれに適用でき､バッテリーも比較的安価な普通乗用車（ＲＶ車用密閉型）のものを使用した。
短距離移動用としたのは、①長距離走行を行い、深放電を繰り返し行うと寿命が短くなる、②走行中一定の電圧で最後まで使用することが出来ない、などの特性を持つ普通
自動車用バッテリーを使用することや、前述した電気自動車の課題などを踏まえて決定した。
2.小型電気自動車設計概念(1)車体サイズ目標値の設定
短距離移動用という性格上、移動先で電気自動車が走行不能になる場合や、遠距離を運搬しなければいけないことも考えられる。そのような事態にも対応するため､車体の全長･全幅･全高の目標値を軽トラックの荷台に余裕をもって乗るように､それぞれ､1.6ｍ･1ｍ･1.6ｍとした。
(2)サスペンション形式･フレーム形状の決定
サスペンション形式はフロントにダブルウィッシュボー
ン式の、リアにフルトレーリングアーム式の４輪独立懸架を採用した。その形式に対応するため、フレームの幅は、前部がアームを長く確保するために狭く､後部が剛性を高めるために広い台形形状となった。またメインフレームは､剛性向上とバッテリー等重量物の搭載スペース確保のため２重フレームとなっている。
(3)3D‑CG によるフレーム及びサスペンションの原案作成
イメージを表わすため､3D‑CG ソフトを使用してモデルを作成した。画像として表示させることにより､チーム内でのより具体的な形状把握ができ､設計相談や製作が円滑に行えた。図.1 に CG モデルを示す。

図.1 3D‑CG により作成されたフレームのモデル(4)3D‑CAD によるモデルと図面の作成
3D‑CG によるモデルを参考に 3D‑CAD で正確なモデルを製作した。このデータを２D‑CAD データに変換し､製作の発注に使用する製図とした。
3.小型電気自動車の特徴(1)モーター及びモーター取り付け部
内部で減速されたインホイールモーターを後部 サスペン
ションのアーム上に１基ずつ搭載した。モーター軸と車軸はカップリングを介し直結されている。
(2)ブレーキ機構
前輪は油圧式ドラムブレーキ､後輪はモーターによる回
生ブレーキにより制動される。前輪ブレーキはワイヤーによるサイドブレーキも兼ねている。ペダル等のユニットは軽自動車のものを使用し､真空ポンプによって倍力装置も作動する。
(3)ステアリング機構
ラックアンドピニオン式を用いた。また､ステアリングホ
イールには普通乗用車のそれを使用している。
(4)制御
マイクロコンピュータを使用し､後輪に取 り付けた２基のモーターの回転数を､ハンドルの切れ角に応じて差をつけている。（現在は２段階）
4.小型電気自動車に関しての今後の課題
図.2 の写真が現在までに出来ている小型電気自動車である。我々の機械製図に対する知識の足りない部分や、納期の関係から､最初の設計から何箇所か変更された部分がある。

図.2 小型電気自動車
現在モーターの出力が足りないためモーター内臓のギアで減速を行っているが､そのギア比は 1：3.985 と大きい。
これはこのギア比しか選択肢が無かったためである。この状態ではスピードが 15ｋｍ/ｈ未満しか出ないと考えられ､実用化していくためには不充分である。そのため今後はモーター取りつけ部のユニットを現在のモーター軸−車軸の直結方式をやめ、ギアやプーリーを用いて外部で減速できるユニットに設計変更し、再制作する必要がある。また､各部の駆動ロスも大きく、それらも改善が求められる。
今後は実走行を行い､各部の技術課題の解決、及び実用性の向上を行っていきたい。
5.結言
今後、制作した小型電気自動車の性能向上や自動運転技
術を意識した勉強していきたい。

付録３

小型電気自動車のブレーキ制御※大西仙晃（高知工科大学）
戒野徹（高知工科大学）
１．緒言
近年、地球の温暖化や酸性雨などの環境問題が取り上げられている。温暖化の解決策として排出ガスを出さないクリーンな自動車として電気自動車や、渋滞の緩和、利便性の向上を目的とした ITS (Intelligent Transport Systems)などの自動運転技術が注目されている。しかしながら、自動運転技術は高速道路
を主な目的として開発が行われているため、日常生活で活用されることは少ないように思える。そこで、私生活で活用できる
ような自動運転技術を検討するため小型の電気自動車を製作し、簡単な自動運転を行うことにした。自動運転では主にエアシリンダを使ったドラムブレーキと回生ブレーキを用いたブレーキシステムを製作する。
２．製作したブレーキシステム

図 1 小型電気自動車

図 2 ドラムブレーキ

図１に製作した小型電気自動車を示す。ブレーキシステムは、
図２に示すようにフロントに油圧式のドラムブレーキと、図３に示すリヤのモータによる回生ブレーキを設けた。また、ドラ
ムブレーキには図４に示す軽四輪自動車のブレーキブースターとマスターシリンダーを使用し、真空ポンプを使用した倍力装置も併用した。

図 3 回生ブレーキ

図 4 ブレーキブースター

自動運転のためのブレーキシステムは、ペダルを踏む動作の代
わりに、エアシリンダを使用し、マスターシリンダーのプッシ
ュロッドを押し出すようにした。ブレーキが作動する仕組みは、前のバンパーに図５に示す光電センサを取り付け、センサーが前方の障害物を検知すると、図６に示す電磁弁が開き、エアタ
ンクの圧縮された空気がエアシリンダに送られブレーキが作動する仕組みにした。

正◎坂本東男（高知工科大学）
内野喬誌（高知工科大学）

図 5 光電センサー

図 6 電磁弁

３．製作したブレーキの考察
人が乗って操作した時の通常のブレーキは、違和感なく普通乗用車と同じ感覚で扱えた。また、電気自動車のためモータによる回生ブレーキが強く効くため、下り坂などでも大きな加速度は発生せず、操作性や安全面などを考えると有効に使える。
自動運転時では、エアシリンダを使用したため、実際にブレーキが効き始まるまでのタイムラグが心配されたが、光電センサーの検出距離を任意で設定できるため、タイムラグの時間を考慮して設定するれば問題なく使えた。しかし、エアシリンダが一度作動すると、ピストンロッドが元の位置に戻らなかった、
これはブレーキブースターの中にあるバネが、柔らかすぎたためだと考えられる。問題の解決策としては、３ポートの電磁弁を使用し、空気を抜く弁を設けることが考えられる。また、エアシリンダの仕様をやめ、ガソリン自動車のＡＢＳシステムのモータ部分の仕様や、油圧式の電動パワステアリングを応用することが考えられる、これはモータで油圧を発生させる仕組み
なので、エアシリンダのようなタイムラグが少ないことも有効に使える点だと考えられる。
４．結言
人が乗って操作した場合のブレーキシステムとしては十分に使用できた。自動運転時では、エアシリンダが一度作動すると、
ピストンロッドが元の位置に戻らないため、今後改良を加える

付録４

Capstone Design and Manufacture of Hand-Made Small-Sized Electric Vehicle
Haruo Sakamoto, Takashi Uchino, Noriaki Onishi, Toru Kaino, Tatsuro Sawada, and Masaaki Yokoyama
Dept. of Intelligent Mech. Sys. Engr.
Kochi University of Technology
Tosayamada-cho, Kochi 782-8502, Japan

ABSTRACTThis paper describes an engineering education attempt in asynthesis class during the 4th year. Since the Kochi University ofTechnology was inaugurated in April, 1997, four years of engineering
education trials have passed. In 1997, 3 student teams participated inan eco-power race held in Kochi, Japan, with hand-made ecologicalvehicles. In the summer, 1998, three teams participated in the Shikoku
Electric Vehicle Rally using light weight vehicles converted into
electric cars. The synthesis class was performed based on such pastengineering activities. In order to provide an active learning
opportunity, a synthetic learning environment is needed rather thanjust teaching in classes. Manufacturing is also considered to be ofgreat importance for mechanical engineering as well as the basic
sciences such as mathematics and physics. As a capstone learning
course, a team of five students in the laboratory tried to design andmanufacture a hand-made small-sized electric vehicle.
INTRODUCTION
The Kochi University of Technology, shown in Figure 1, wasopened in April, 1997. The university has been trying new engineering
education such as first year seminars using real products1), computerassisted English education2)3), and so on. In this report, an activity fora synthesis education class is described.
Two extracurricular (out of class and no credit) activities 4) wereconducted. The first one is the Eco-power Race. In November, 1997,
the Kochi Eco-power Race organized by Toyota Vista Kochi was heldin Kochi, and three teams from the Kochi University of Technology
entered the race. The second is the Electric Vehicle Rally. In August,
1998, the Shikoku Electric Vehicle Rally, organized by a committee ofhigh school teachers and university educators, was conducted in
Shikoku, the smallest main island of Japan. The rally is the first one inJapan for a car rally on public roads. Three teams from the Kochi
University of Technology joined the race. The synthesis education
class was performed in the 4th year based on the experiences fromthese activities. The team of five students selected a design theme andmanufactured a hand-made small-size electric vehicle.
Electric or hybrid vehicles are being developed and sold.
However, electric vehicles at the present are not perfect. They can not
run very far, they need to charge which requires a long time, batteries
are heavy and expensive, and so on. However, in the near future, fuelcell vehicles will become commercialized. This will makegasoline-powered vehicles less common. Under such a circumstance,
five students from the Kochi University of Technology started todesign and manufacture a hand–made small-sized electric vehicle as acapstone project course in the 4th year. They selected a small-sized one
instead of a conventional one, and aimed to produce a hand-madevehicle for short-range running..

Figure 1 Kochi University of Technology Opened in 1997
DESIGN CONCEPTThe first of the main design concepts is a small-sized
vehicle, whose vehicle category is equivalent to the one for theengine-powered three or four wheel bicycles in Japan. The size wasdetermined as being able to carry the vehicle in a light weight truck fora long drive. The length, height, and width were 1.6m x1.0m x1.6m.
The second main design concept is the frame design.
Applying a double wishbone type suspension for the front and fulltrailing-arm type suspension for the rear, the frame configuration wes
studied. Using 3-dimensional computer graphics (3D-CG), the frame
configuration was determined. Figure 2 shows the graphics for themounting suspensions and two motors. The team recognized that the
3D-CG image was effective for the group to determine the target theteam will aim.

Figure 2 Frame Model by 3D-CG (Computer Graphics)
The third main design concept is to determine the motor. The
in-wheel motor made by Honda for electric vehicles was applied,because the motor has a controller inside, and output data can be used
for control. Although rather high power motors of 14kW for electricvehicles are in the laboratory, the team decided to use two Honda
motors of 600W, which seemed not to be enough for the vehicle. They
used these motors, because they can make some devices to control thevehicle. Figure 3 shows the motor.

Figure 5 3D-CAD Drawing of Motor Mount Frame

Figure 3 Honda In-wheel Motor
DETAIL DESIGN AND MANUFACTURE
Frame Design and Manufacture
Based on the image developed by the computer graphics,
the frame design was performed by 3-dimensional computer aided
design (3D-CAD). Figures 4 and 5 show the 3D-CAD graphics of themain frame and mount frame for the motors. The front part of themain frame was determined to have a width smaller then the rear one,because the wishbone arms are desired to be long enough within theplanned vehicle width. The width of the rear part in the frame is set to
be longer within the planned vehicle width in order to obtain a hightwist rigidity.
About 30 two-dimensional drawings were made for the
manufacturing.

Figure 6

2D Drawing of Main Frame

Since the university is not ready to manufacture by welding, theassembly by welding was conducted at a shop near the university. The
drawings were not sufficient for manufacturing due to the time
constrain from design to manufacture and due to the inexperienced
students’ ability for drawing. Figure 6 is a drawing example. The teammade 30 drawings and discussed them with people in the shop.

Figure 4 3D-CAD Drawing of Main Frame

Front Suspension and Steering Construction
The front suspension was determined to be a double
wishbone type one, because of its high rigidity, stable camber angle,
and is common in conventional automobiles. Figures 7 and 8 show thesuspension system.
As for the steering construction, it consists of a steering
wheel (handle), shaft, gear box of the rack and pinion type, and rod.
The gear box for a light weight vehicle has been commercialized, andis used for this project. Between the handle and shaft, and between theshaft and gear box, universal joints are applied for flexible angle
control. At this moment, the vehicle is driven by a handle forcornering. In the future, sensor control will be studied for auto vehicle
steering. In order to obtain an auto steering function, the gear box ofthe rack and pinion type will be controlled by a servo-motor. Figure 9shows the gear box.

Rear Suspension and Motor Mount
The rear suspension is the full trailing arm type as shownin Figures 10 and 11. The motor is mounted on the mount frame,
which can move vertically by the trailing arms. From the designconcept of the rear suspension, the motor shaft and the wheel shaft
was determined to be directly connected. The shafts are connected by
the coupling shown in figure 12. The center of the motor shaft was
intended to coincide with that of the wheel shaft. However, due to thedeformation caused by welding, the center to center is not straight
enough for driving. This should be modified.

Figure 7 Front Suspension System (With a Tire)

Figure 10 Rear Suspension and Motor Mount

Figure 8 Front Suspension System (Closer View)

F i g u r e 1 1 R e a r S u s p e n s i o n a n d M o t o r M ount (Closer
View)

Figure 9 Gear Box of Rack and Pinion Type

Motor and Drive Control
The vehicle is powered by the two motors, which control
the two rear wheels. The motor is the Honda in-wheel type,DDW-4060 Type A , and the microprocessor from Akizuki Electric
Co. AKI-H8 is used for the drive control. The four signal electric
wires of speed, brake, clock-wise rotation and anti-clockwise rotation,and compensated current are used for monitor and control.

The curving control is conducted by obtaining therotational speed difference between two wheels running on the curve.
Figure 12 shows the rotational speed ratio of the outer wheel and inner
wheel. A simple control is planned for the first stage of vehicle control.
100% and 90% of the speed difference was decided for drive control.
The speed difference control should be continuously conductedaccording to each curve radius. However, this project is the very firststage for control, and the simple control was used in order to initiallystudy and then modify. Figure 13 shows the microprocessor board,and Figure 14 shows the rotational speed difference between the outerand inner wheels depending on the curve radius. The display for thedrive control is then produced, and Figure 15 shows the display.
Figure 14 Rotational Speed Difference on Curves
Brake System
The brake system consists of a brake pedal, master cylinder, and drumbrake on a wheel. Because the brake pedal and master cylinder for
three or four wheel bicycles is not sufficient to the vehicle, a set

Figure 12 Coupling between Motor and Wheel Shafts

Figure 15 Display for Drive Control
consisting of a brake pedal and master cylinder for light weightvehicles was used. Figure 16 shows the cylinder for the pressure
amplifier. In the future, the auto brake system using some sensors will
be planned.

Figure 13 Micro Processor Board for Drive Control

Figure 16 Brake Cylinder for Pressure Amplifier
Assembling
After the manufacture of the main and motor mountframes, the vehicle was assembled. Figures 17 and 18 show its
appearance. The vehicle was originally planned to be designed andmanufactureed in order for the team to participate in the 2000 Electric
Vehicle Rally in Shikoku, which was held in August, 2000, in Kochi.
However, the assembling was not finished by the time the rally started.
The work was again started in the autumn semester, and finished by
the end of Jan., 2001. However, technical matters are still to be solve,
which will be studied in the next year.

are in students’ hands. In other word, they need to consider the theme
and target by themselves. The instructor thinks that the project should
not be restrained by those in the research field, since the faculty’
discipline is normally in a small area of the academic research field.
The project should be aimed at the real world, and manufacturing is ofgreat importance in mechanical engineering.
The team selected the project of a hand-made small-sized
electric vehicle, which needs design and manufacturing as well as
knowledge of automobile technology and how to make the vehicle.
The faculty played the role of supporter, and is not able to teach theautomobile technology. The team needed to find the related parts andto study how to design and manufacturing by themselves. The teamneeded to negotiate with the people from the welding shop and parts
makers.
Although the completed vehicle was not the one that theteam originally wanted, since the weight, power, and control need tobe modified, the team succeeded in producing a real product. The
project theme was considered to be appropriate in a sense for the study
for 4th year students in mechanical engineering.

Figure 17 Hand-Made Small-Sized Electric Vehicle (Side View)

CONCLUDING REMARKSAs a capstone design and manufacturing project, the teamof five 4th year students were challenged to design and manufacture a
hand-made small-sized electric vehicle. The obtained results are as
follows.
1. The hand-made small-sized electric vehicle was completed,
although many technical matters still need to be solved. The weight,
speed, and control are the main items to be further studied.
2. As a project, the team considered their theme and target. The faculty
was a supporter for this project from the viewpoints of funding andsuggestions. The team completed the vehicle by themselves.
3. The project theme aimed at manufacturing as well as design. In a
design process, computer graphics were effective for the group
discussion. Although the design detail was not sufficient for
manufacturing due to students’ inexperience in design ability, theteam obtained experience on how to produce a product with theirown drawings.

Figure 18
View)

Hand‑Made Small‑Sized Electric Vehicle (BackDISCUSSION
Hand-Made Small-Sized Electric Vehicle
There are a variety of technical matters to be solved. The
weight, speed, and control are the main items to be further studied.
The original target of the weight was not clarified, and the weight after
manufacture is about 350kg. The weight reduction should be studied
by making a parts list with individual weights and then by seeking
lighter ones. The speed depends on the motor. Since the team selected
the motor by considering the ability of control and data acquisition,
the selected motor was not the one which has enough power for thevehicle. If the team selects a 14kW motor, which was used for the1998 Shikoku Electric Vehicle Rally, the power will be sufficient,unless the team care about the ability of data acquisition. The motor
selection is a matter to be studied. The control of the two wheels
rotational speed on curves is not complete. The team was able to makea two-stage control of 100% and 90% for the two-wheel speed
difference. The control of driving and braking should also be further
considered.
Capstone Design and Manufacture ProjectAs a project for 4th year students, the project requires
manufacturing as well as design. The theme and target of the project

ACKNOWLEDGEMENT
The authors greatly acknowledge the people who
performed the welding work in the shop (Fukutome Kogyo). The
authors would also like to express their sincere thanks to Professor
Hiroshi Nomura for his kind guidance on electric vehicles.
The team also expresses sincere thanks for the support
from the Kochi Prefecture budget of the related ‘Karakuri Project’.
REFERENCES
1) Haruo Sakamoto, Kazuhiro
Kusukawa, Jens Jorgensen,
Mechanical Engineering Education for 1st Year Seminar Using Real
Products, ASME, DE-Vol.102, (1999), p13-17.
2) David Greene. "LATCH: a syllabus design for EFL instruction in
CALL" in Computer Assisted Language Learning (Lisse, The
Netherlands), 11, 4, 381-96.
3)Lawrie Hunter. "Text nouveau: visible structure in text presentation"in Computer Assisted Language Learning (Lisse, The Netherlands), 11,4, 363-79.
4) Haruo Sakamoto, Extracurricular Education and Experimental
Course Using Electric Vehicles, ASEE 2001, to be presented.