技術論文

減減減減減減減減減減減減
減減減減減減減減技術論文

減衰力制御サスペンション（AVS）の開発
青山洋

佐藤功祐

山本彰人

Hiroshi Aoyama

Kosuke Sato

Akihito Yamamoto

Satoshi Komatsu

Wataru Tanaka

Motohiko Homma

小松悟志

田中亘

本間幹彦

概 要
自動車の快適な乗り心地と操縦安定性を両立するシステムとして減衰力制御サスペンションが普及してきている．
本稿では，各輪ストローク速度の推定精度向上とアブソーバの減衰力調整幅拡大により，車両運動性能向上に貢献した技術について紹介する．

1.

はじめに

f c ＝ f d( v ,i )

（1）

近年，自動運転技術開発の加速により車室内快適性のニーズが高まり乗心地向上に寄与する減衰力制御サスペンションが必要不可欠な技術となっている．
世界初の減衰力制御サスペンションは，1983年にTEMS(Toyota Electric Modulated Suspension)をトヨタ自動車が採用した．
アクチュエータ(以降ACT)であるステップモータでロッドと一体化されたロータリバ
ルブ部のオリフィスサイズを可変させ，減衰力を可変さ
図1.Damping force control suspension system

せている．
その後，TEMSの次世代システムとして，ACTにリニf d ( v , i ) はデータマップとしてECUに記憶され，リニアソレノイドを用いた AV S ( A d a p t i v e Va r i a b l e

アソレノイドに通電する制御電流，及びストローク速度

Suspension System)の開発を進めてきた．
リニアソレから，アブソーバが発生する減衰力を演算する．

ノイドを用いたことで減衰力の多段化や切替応答性向上を実現し，2014年に初採用された．
本稿では，AVSの性能向上に貢献した各輪ストロー

2.2制御

2.2.1 スカイフック制御

ク速度の推定精度向上のための新ロジック1）と減衰力

本システムでは乗り心地制御で一般的に用いられる調整幅を拡大するためのアブソーバ内部のバルブ構造

スカイフック制御を適用する.ここでは単純化のために改良について紹介する．

図2に示す単輪一自由度モデルを用いて説明を行う.

2.
2.1

製品説明
システム構成減衰力制御サスペンションのシステム構成を図1に示す．3つのばね上上下加速度センサを搭載しており，
これらの信号を基にECU（Electronic Control Unit）でストローク速度の推定や目標減衰力の演算を行い，各アブソーバの減衰力を可変させている．
アブソーバ減衰力調整部のACTへの制御電流 i に応

図2

Single suspension model (1 degree of freedom)

じ増減する減衰力特性 f c はストローク速度v を用いて次式で表せられる．

AISIN TECHNICAL REVIEW VOL.24 202036

M b : Body Mass

ぐため,本システムではK c : Suspension Stiffness

似し,C s を求める事とした.

C o : Damping Coefficientで近2.2.3 ストローク速度推定

Csky : Skyhook Damping Coefficient

2.2.3.1

x b : Body Displacement

定式化

次に可変減衰係数C sを決定するために必要な,ストx r : Road Profile

ローク速度の推定方法について説明する.従来のオブ

このモデルの運動方程式は式(2)となる

ザーバによる推定手法3）では 1[Hz]付近までの推定し（2）

これは通常の単輪モデルに対し,スカイフック制御力
Fsky を付加した形になっているか行える事ができなかった.そのため荒れた路面を走行し，ばね下が共振してしまった場合，乗り心地性能が低下してしまっていた．

式(3)より,減衰比（3）そこで本システムでは様々な路面における乗り心地と伝達比γは式(4)とを向上させるために,ばね下共振付近である10[Hz]まなる.

でオブザーバの推定精度を向上させる事とした.また本システムにおける推定精度の定義はストローク速度真,（4）ここで仮にスカイフック制御力Fsky を付加しなかった
場 合 につ いて考える.となるた め , 伝 達 比はとなる.つまり通常の単輪モデルでは,いかなるパラメータ調整を行ったとしても,共振点においては必ず伝達比が1以上になってしまう事がわかる.しかしスカイフック制御力Fsky を付加する事で伝達比γは式（4）となるため,を調整する事により伝達比を1以下にする事ができるのである.
これはわかりやすく言い換えると, スカイフック制御
力Fsky を何らかの方法で付加することができれば,路面から入ってきた振動を必ず小さくしてから乗員に伝える値に対する推定ストローク速度の位相差が±45[deg]以内である事とした．
ばね下共振付近まで推定精度を上げるためには，モデル誤差を小さくし，演算周期を高速化させる必要がある．
しかし実用化を考えた場合，モデルの高次元化と演算周期の高速化は演算負荷が高くなり，実現が困難となる．そこで本システムでは，線形モデルを極力低次元化する事により，演算周期を高速化させ，ばね下共振点での推定精度の向上を図る．そのため本稿では図2に示す最もシンプルな1自由度モデルを用いて検討を行う．
アブソーバを10[Hz]，0.1[m/s]の速度でストロークさせた時の減衰力を図3に示す．

事ができる.つまり「車が揺れにくくなる」という事を示している.
本システムではこのスカイフック制御をロール,ピッチ,ヒーブそれぞれの車両運動モードに拡張し適用させた.
2.2.2

減衰力制御システムへの適用

図3

減衰力制御システムとは,減衰係数C 0を可変させる事ができるシステムである.アクティブサスペンションのように直接力を発生させる事ができれば,スカイフック制御力Fsky を実現させる事ができるが,減衰力制御システムは,減衰係数を変化させるシステムであるため,Fskyの力を直接発生させる事ができない.従って可変減衰係数C sはストローク速度に依存した式(5)によって求めるが実際に発生させている減衰力の計測値である．図3より，f hys はソフト，ハードともに，f c に対してヒステリシスを有している事がわかる．減衰力のヒステリシス f hys は
油圧の遅れを含む減衰力 f delay と摩擦力 f fric に分けられ，次式で表せられる．
摩擦はオイルシール，軸受けブッシュ，ピストンの摺動（5）しかし式(5)では,ストローク速度0付近で減衰係数が∞となり,急激な減衰係数の変化を発生させ，乗員への「違和感」を与えてしまうことが知られている2）.それを防AISIN TECHNICAL REVIEW VOL.24 2020

f c は式(1)より求めた減衰力であり，f hys はアブソーバ（6）事になる.

37

Hysteresis of damping force

部によって発生するため，制御電流の違いによる影響は小さいと考えられる．従ってヒステリシスの違いは油圧の遅れの違いであると推測される．そこでソフト,ハード時の遅れをそれぞれ T0，T1 とする.また可変減衰係数
Cs は制御電流 i と比例であると近似し，その可変幅で無次元化したパラメータ q を導入する事で,遅れを次式減減減減減減減減減減減減
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減減減

技術論文

で近似する．

（7）

ただし，

（8）
また摩擦力を次式で定義する．
（9）(b)Hard

ここで h は物体にかかる外力全ての合力であり，本図4.Correlation between the discrete time andestimation accuracy

稿では式(2)の右辺を指す．Fs＞0は最大静止摩擦力である．φ（v）
は全ての v≠0 において，φ（v）v＜0を満たす任意の関数である．本稿では単純化のために動摩擦力 F c と最大静止摩擦力を等価とし，φ（v）を次式とした．
（10）
2.2.3.2

離散化

オブザーバを実車に適用させる場合，ECUに組み込むために離散化が必要となる．そこでECUの能力と目標の推定精度から，適切な離散化時間を求める必要がある．図4に,本稿で提案する，Gain and Hysteresis
Scheduling (以下，GHS)オブザーバの離散化時間に対する推定精度の影響を示す．図4(a)より，ソフト時の離散化は2[ms]以下の離散化が必要である事がわかる．

2.2.3.3

実車評価

ここでは評価路Pを80 [km/h]で走行し，制御時のストローク速度推定精度を検証する．評価路Pは，5[Hz]以下がISO8608 4）のC～Dゾーン(普通～悪路)，5[Hz]以上がB～Cゾーン(良～普通路)に該当する路面である．図5にストローク速度の推定精度を示す．図5より，0.5～15[Hz]の間でストローク速度真値に対する推定値の位相遅れが±45[deg]以内である事が確認でき，実路面走行時においても目標の推定精度を達成できている事が確認できた．
これにより,凹凸のない綺麗な路面だけでなく,様々な路面に対してスカイフック制御を適用できるようになった.

しかし図4(b)より，ハード時はソフト時よりも離散化の影響を受けやすく，離散化時間は1[ms]以下にする必要がある事がわかった．従来のGain Scheduling(以下，GS) オブザーバではばね上共振付近の推定を行っていたため，10[ms]の離散化であったが，本稿で提案するGHSオブザーバでは目標値とECUの性能から離散時間を1[ms]とした．

図5.Stroke velocity estimation accuracy(actual vehicle)

2.3

アブソーバ

2.3.1

AVSアブソーバ

アブソーバにて発生する
スカイフック減衰力Fsky は，(a)Soft力であり，（ 5）式で示すようにストローク速度と減衰係数C s により算出する．
減衰力はアブソーバ諸元にて決まっており，減衰力調整幅を拡大するほど車両運動性能のコントロール幅が増え乗心地向上を実現できる．一方で背反としては，減AISIN TECHNICAL REVIEW VOL.24 2020

38

衰力変動によるロッド振動を起因とした異音が発生しやP 2 ：Piston Lower Chamber Hydraulic Pressure

すい傾向となる．

P 0 ：Reservoir Chamber Hydraulic Pressure

アブソーバの基本構造を図6に示す．
三重管構造であり，ピストン部，ベースケース部がチェック弁となっていA r ：Rod Area
A c ：Cylinder Area

る．
この構造によりアブソーバの作動に伴い発生する作：Control Valve Differential Pressure

動油の流れは，伸・縮ともに制御バルブに導かれ，減衰：Base Case Differential Pressure

力を一つの制御バルブで可変することが可能となっている．

図6

Absorber structure
図8

三重管構造アブソーバの課題は，減衰力調整幅拡大と異音低減の両立である．
ここで減衰力特性は図7に示

Absorber calculation model

アブソーバの発生減衰力 f c は式(11)となる．

すような特性であり，オリフィス特性とバルブ特性のつ(11)

ながりに不連続点を持つ．
この不連続点における減衰(12)

力変動によるロッド振動を起因とした異音を防ぐため，(13)

実際のアブソーバでは微小オリフィスを並行に配置してある．
オリフィス面積を拡大することでつながりをスムー

また伸行程における制御バルブ部への流量は，式(14）にて表せる．
(14)

ズにする事はできるが，オリフィスからの漏れ流量増加により，制御バルブ部への流量が減少し，結果として減衰力調整幅が減少してしまう．

P 1はと i により可変させて，発生減衰力 f c を可3変させている．
しかし，式(14)で示すようにピストン部固定オリフィス拡大により'が増え， 3が減少することで1

C s 調整幅が減少する．
2.3.2

伸圧独立オリフィス

本章では，減衰力調整幅拡大と異音低減を両立させるため，KYB株式会社様協力のもと開発したバルブ構造（伸圧独立オリフィス）について説明する．
伸圧独立オリフィス構造を図9に示す．
図7

Structure and characteristics

以下に簡易モデルを用いて，三重管構造アブソーバの伸行程における減衰力調整幅について説明する．
V p ：Stroke Velocity'：Piston Fixed Orifice Oil Flow Rate

12：Base Case Oil Flow Rate'：Base Case Fixed Orifice Oil Flow Rate

23：Flow Rate To Control ValveP 1 ：Piston Upper Chamber Hydraulic Pressure

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AISIN TECHNICAL REVIEW VOL.24 2020

図9

Development product structure

4.

謝辞

技術論文

ス部の下面側に位置し，上面バルブ開弁時にはオリフィ最後に，本開発にあたり多大なるご協力賜りましたト

スを拡大させ，上面側バルブ閉弁時はオリフィスを縮小

ヨタ自動車株式会社様，KYB株式会社様および関係者できるようなチェック弁を構成した構造である．
これによの方々に深く感謝致します．

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減減減減減
減減減

伸圧独立オリフィスは，ピストン部およびベースケーり制御バルブ部への流量を確保しながら，不連続点での減衰力変動をスムーズにつなげることを可能とした．
本構造により減衰力調整幅拡大と異音低減の両立を実現した．
（図10）

参考文献
1）山本彰人，他：セミアクティブサスペンションにおける実用的な状態推定の検討 アイシン技報VOL.22，pp35-40 2018
大作覚，
上村一整，
"非線形H∞制御理論の限界と可
2）三平満司，
能性─セミアクティブサスペンションへの応用"，
システム/制御/情報，1999
3）中井英雄，他：実用性を考慮したセミアクティブサスペンションの状態量推定，
日本機械学会(C編) 63巻 615号，pp202-208
19974）ISO8608：Mechanical vibration – Road surface profiles –Reporting of measured data (1995)

筆 者

青山
図10

2.4

Correlation between damping force variablewidth and rating noise洋

走行安全第二制御技術部
シャシーシステムグループ
制御アブソーバ設計に従事

車両性能図11に評価路Pでの車両性能を記す. 車両性能の指標として POA(Partial Overall)を用いており，図中の横軸は低周波振動パワー，縦軸は中周波振動パワーを表す.ストローク速度推定精度向上と減衰力調整幅佐藤功祐

走行安全第二制御技術部
シャシーシステムグループ
制御サスペンションロジック開発に従事を拡大することにより，低周波および中周波のPOAが競合車よりも向上していることがわかる．
※低周波振動パワーは制振性，中周波振動パワーは乗心地の値を表す.

山本彰人

走行安全第二制御技術部
シャシーシステムグループ
制御サスペンションロジック開発に従事

小松悟志

走行安全第二制御技術部
シャシーシステムグループ
制御アブソーバ設計に従事

田中
図11

3.

Vehicle performance on evaluation road P

亘

走行安全第二制御技術部
シャシーシステムグループ
制御サスペンションロジック開発に従事

まとめ

AVSにおける各輪ストローク速度推定精度向上とアブソーバの減衰力調整幅拡大により，乗心地向上へ大きく貢献し，2018年のトヨタ自動車プロジェクト表彰「技術の部」を受賞した．自動運転技術発展における車室内

本間幹彦

走行安全第二制御技術部
シャシーシステムグループ
制御サスペンション企画・開発に従事

セカンドタスクのニーズが高まると予想し，乗心地改良技術のひとつとしてAVS性能向上を引続き推進していく．

AISIN TECHNICAL REVIEW VOL.24 202040