CN116803823A - 车辆的转向装置 - Google Patents

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竹林洋亮
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菅野薫
锅岛聡宏
须山稔
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Abstract

本发明提供一种车辆的转向装置，其抑制路面凹凸的影响，并提高直行稳定性，从而减轻驾驶员的负担。转向装置(1)具有轮胎载荷传感器(12r)、(12l)、悬架行程传感器(13r)、(13l)、束角调整促动器(5r)、(5l)、以及转向_ECU(11)，转向_ECU(11)基于由轮胎载荷传感器(12r)、(12l)检测出的前后方向及横向的轮胎输入载荷、以及由悬架行程传感器(13r)、(13l)检测出的悬架行程量来设定轮胎所受到的束角变化量，以抵消该束角变化量的促动器工作量来驱动连接设置于转向轮的束角调整促动器(5r)、(5l)。

Description

车辆的转向装置
技术领域
本发明涉及一种车辆的转向装置，其利用连接设置于转向轮的束角(Toe)调整促动器来抵消在轮胎通过凹凸路面时产生的束角变化量。
背景技术
在行驶过程中，在各种方向(前后、左右、上下)及各种大小的力作用于轮胎，该力从轮胎经由悬架、衬套向车身传递。基本上，通过以能够尽可能地将轮胎保持在设计上所期望的位置的方式，设定几何形状和/或悬架结构部件、衬套的刚性，从而限制轮胎的朝向。但是，由于在行驶时受到路面凹凸的影响，所以无法使位移量始终为0。
因此，即使驾驶员将方向盘保持为直行状态(中位位置)，轮胎朝向也会由于施加于轮胎的前后、左右、上下方向的力而向内束/外束方向产生难以预料的位移。其结果为，由于车辆违背驾驶员的意向而想要转弯，因此，方向盘发生晃动，损害直行稳定性。
例如，在图12、图13所示的转向机构101中，在安装于作为转向轮的前左右轮的轮胎Fl、Fr的一方(在图中为右轮胎Fr)想要越过路面的凸面的情况下，如果忽略左右方向的反作用力，则上推方向的反作用力Fu和要向后方推回的反作用力Fb作用于轮胎Fr。由此，如图12中虚线所示，右轮胎Fr的束角发生位移，车辆想要向驾驶员不希望的方向转弯。
对此，驾驶员操作方向盘，想要介由转向齿轮箱102使轮胎Fl、Fr向直行方向返回。因此，驾驶员为了使车辆直行行驶而必须操作方向盘，驾驶员的负担增加。
作为其对策，例如，在专利文献1(日本特开2006-56374号公报)中，在从转向齿轮箱向左右延伸的齿条分别设置辅助齿条机构，并在该左右的辅助齿条机构设置轴向力传感器。而且，公开了如下技术：在车辆直行行驶过程中，在通过各轴向力传感器检测出的在左右的横拉杆产生的轴向力的差值为预先确定的阈值以上的情况下，驱动设置于轴向力大的一侧的辅助齿条机构的马达，使该转向轮向降低作用于转向轮的作用力的方向转向，减轻驾驶员的负担。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-56374号公报
发明内容
技术问题
在上述的文献所公开的技术中，根据由设置于左右的辅助齿条机构的轴向力传感器检测出的轴向力来检测转向轮的位移，并驱动辅助齿条机构的马达而使转向轮向抵消位移的方向转向。
另外，在行驶时的轮胎产生上下、左右、前后方向的载荷，由此，束角发生变化。上述的轴向力传感器仅能够测量横拉杆的推拉力，因此，无法检测束角的变化。其结果为，在抑制路面凹凸的影响而提高车辆的直行稳定性方面存在限度。
本发明的目的在于提供一种车辆的转向装置，其能够抑制在轮胎通过凹凸路面时所产生的束角变化的影响，实现直行稳定性的提高，减轻驾驶员的负担。
技术方案
本发明是一种车辆的转向装置，其对转向轮施加抵消因路面凹凸而产生的束角变化量的驱动力，并具有：路面反作用力检测部，其检测安装于所述转向轮的轮胎所受到的路面反作用力；束角调整促动器，其连接设置于所述转向轮；以及控制部，其控制所述束角调整促动器的驱动力，所述控制部具备：束角变化量设定部，其基于由所述路面反作用力检测部检测出的所述路面反作用力，设定所述束角变化量；工作量计算部，其计算将利用所述束角变化量设定部设定的所述束角变化量抵消的促动器工作量；以及驱动部，其以利用所述工作量计算部计算出的所述促动器工作量驱动所述束角调整促动器。
技术效果
根据本发明，基于轮胎所受到的路面反作用力来设定束角变化量，以抵消该束角变化量的促动器工作量来驱动束角调整促动器，因此，可抑制在轮胎通过凹凸路面时所产生的束角变化的影响，提高直行稳定性，减轻驾驶员的负担。
附图说明
图1是第一实施方式的转向装置的主要部分概略俯视图。
图2示出第一实施方式，是图1的右侧视图。
图3示出第一实施方式，是转向控制单元的概略构成图。
图4示出第一实施方式，是示出束角调整促动器工作量运算例程的流程图。
图5示出第一实施方式，是轮胎输入载荷-轮胎束角变化量映射的概念图。
图6示出第一实施方式，是悬架行程-轮胎束角变化量图表的概念图。
图7示出第一实施方式，是示出相对于路面凹凸的轮胎束角变化量的时序图。
图8示出第一实施方式，是示出相对于悬架行程的轮胎束角变化量的时序图。
图9示出第一实施方式，是示出抵消总计轮胎束角变化量的促动器工作量的时序图。
图10是第二实施方式的转向控制单元的概略构成图。
图11是第三实施方式的转向装置的主要部分概略俯视图。
图12是以往的转向装置的主要部分概略俯视图。
图13是图12的右侧视图。
符号说明
1：转向装置
2：转向齿轮箱
2a：齿条轴
3l、3r：横拉杆
4l、4r：横拉杆末端
5l、5r：束角调整促动器
6l、6r：转向节臂
7l、7r：前臂
8l、8r：前悬架
9l、9r：轮毂
11：转向控制单元(转向_ECU)
11a：束角调整量运算部
11b：轮胎输入载荷推定部
11c：轮胎输入载荷校正值计算部
11e：悬架行程量推定运算部
11f：悬架行程量校正值计算部
12l、12r：轮胎载荷传感器
13l、13r：悬架行程传感器
21：转向装置
22l、22r：转向促动器
Fl、Fr：轮胎
Plx、Prx：前后载荷
Ply、Pry：横向载荷
Plz、Prz：上下载荷
Xl、Xr：悬架行程量
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的一个实施方式进行说明。
[第一实施方式]
在图1～图9中示出本发明的第一实施方式。图1所示的转向装置1在转向齿轮箱2内沿轴向往复滑动自如地支承有齿条轴2a。在该齿条轴2a形成有齿条(未图示)，形成于小齿轮轴的小齿轮与该齿条啮合，从而形成齿条&齿轮式的转向齿轮机构。另外，虽然并未图示，但是该小齿轮轴连接设置于将驾驶员操作的转向方向盘(以下，简称为“方向盘”)固定设置于基端侧的转向轴。
另外，在齿条轴2a的两端部连接设置有横拉杆3l、3r的一端，该横拉杆3l、3r的另一端与横拉杆末端4l、4r的一端经由左右束角调整促动器5l、5r而连接设置。
进一步地，该横拉杆末端4l、4r的另一端连结于从左右的转向节(未图示)延伸出的转向节臂6l、6r。该转向节以转动自如的方式支承安装于左右的转向轮(左右前轮)的轮胎Fl、Fr，并且经由前臂7l、7r以转向自如的方式被车身框架(未图示)支承。
另外，如图2所示，在固定设置有安装有轮胎Fr(Fl)的带轮胎车轮的轮毂9r(9l)，设置有轮胎载荷传感器12r(12l)，该轮胎载荷传感器12r(12l)测量轮胎Fr(Fl)所受到的前后方向及横向的载荷(路面反作用力)。进一步地，在前悬架8r(8l)固定设置有左右悬架行程传感器13r(13l)，该左右悬架行程传感器13r(13l)检测该前悬架8r(8l)的行程量(悬架行程量)Xr(Xl)。应予说明，该轮胎载荷传感器12r、12l以及悬架行程传感器13r、13l对应于本发明的路面反作用力检测部。
上述的束角调整促动器5l、5r在直行行驶时使横拉杆3l、3r与横拉杆末端4l、4r之间的间隔接近远离，对转向轮施加抵消左右前轮的轮胎Fl、Fr所受到的干扰的驱动力，从而保证行驶稳定性。该束角调整促动器5l、5r按照从作为控制部的转向控制单元(转向_ECU)11发送的驱动信号进行动作。
该转向_ECU 11由具备CPU、RAM、ROM、可改写的非易失性存储器(闪存或EEPROM)、以及周边设备的微控制器构成。在ROM存储有为了在CPU中执行各处理所需的程序和/或固定数据等。另外，RAM作为CPU的工作区而被提供，并临时存储CPU中的各种数据。应予说明，CPU也被称为MPU(Microprocessor：微处理器)、处理器。另外，也可以代替CPU而使用GPU(Graphics Processing Unit：图形处理单元)、GSP(Graph Streaming Processor：图形流处理器)。或者，也可以将CPU、GPU以及GSP选择性地组合使用。
如图3所示，在该转向_ECU 11具备束角调整量运算部11a，该束角调整量运算部11a作为使束角调整促动器5l、5r驱动来实现行驶稳定性的功能。在该束角调整量运算部11a的输入侧连接有左右轮胎载荷传感器12l、12r、左右悬架行程传感器13l、13r。另外，在束角调整量运算部11a的输出侧连接有左右束角调整促动器5l、5r。
束角调整量运算部11a计算依在轮胎Fl、Fr通过凹凸路面时所受到的来自路面的反作用力而变化的束角变化量。具体而言，首先，利用左右轮胎载荷传感器12l、12r检测轮胎Fl、Fr所受到的横向载荷Ply、Pry以及前后载荷Plx、Prx。另外，利用左右悬架行程传感器13l、13r检测悬架行程量Xl、Xr。
然后，束角调整量运算部11a基于该横向载荷Ply、Pry以及前后载荷Plx、Prx和上下载荷Plz、Prz来计算束角变化量，并计算抵消该束角变化量的促动器工作量，从而使左右束角调整促动器5l、5r动作。
由束角调整量运算部11a执行的左右束角调整促动器5l、5r的工作量运算具体而言，按照图4所示的束角调整促动器工作量运算例程进行处理。应予说明，该例程在左右的束角调整促动器5l、5r中分别单独地执行，但由于处理的内容相同，因此，对右束角调整促动器5r的工作量的运算进行说明，并对左束角调整促动器5l的工作量的运算用括号一并记载。
在该例程中，首先，在步骤S1中，读取由轮胎载荷传感器12r(12l)检测出的、轮胎Fr(Fl)所受到的来自路面的横向载荷Pry(Ply)以及前后载荷Prx(Plx)。另外，在步骤S2中，读取由悬架行程传感器13r(13l)检测出的悬架行程量Xr(Xl)。
接下来，进入步骤S3，基于作为轮胎输入载荷的横向载荷Pry(Ply)和前后载荷Prx(Plx)，以带插值计算的方式参照轮胎输入载荷-轮胎束角变化量映射，设定轮胎束角变化量。在图5中示出轮胎输入载荷-轮胎束角变化量映射的概念图。能够机械地计算出对轮胎Fr(Fl)施加了横向载荷Pry(Ply)和前后载荷Prx(Plx)的情况下的轮胎束角变化量。因此，如果了解车辆的特性，则能够根据该特性通过模拟等预先求出由横向载荷Pry(Ply)和前后载荷Prx(Plx)所引起的轮胎束角变化量，并容易将其进行映射。
例如，如图2所示，在直行行驶过程中的车辆的轮胎Fr(Fl)想要越过凸面的情况下，对轮胎Fr(Fl)施加基于来自路面的反作用力产生的载荷。该载荷具有将轮胎Fr(Fl)向后方按压的载荷Prx(Plx)、将轮胎Fr(Fl)向上方上推的上下载荷Prz(Plz)、以及虽未图示但将轮胎Fr(Fl)向横向按压的载荷Pry(Ply)这三个方向的分量。
在这三方分量中，轮胎载荷传感器12r(12l)检测前后载荷Prx(Plx)和横向载荷Pry(Ply)的分量，并如图7所示，检测轮胎前后载荷和轮胎横向载荷的变化。应予说明，在图7中，出于方便，假定未产生横向载荷Pry(Ply)。在假定未产生横向载荷Pry(Ply)的情况下，轮胎束角变化量被设定为跟随前后载荷Prx(Plx)而得到的值。
接下来，如果进入步骤S4，则基于悬架行程量Xr(Xl)，参照悬架行程量-轮胎束角变化量图表，设定基于悬架行程量的轮胎束角变化量。在图6中示出悬架行程量-轮胎束角变化量图表的概念图。如该图所示，悬架行程量Xr(Xl)在从静止的状态起悬架所伸缩的方向上设定，并具有如下特性：随着悬架行程量Xr(Xl)在压缩、伸展的任意一情况下变化量变大，轮胎束角变化量也成比例地变大。因此，悬架行程量Xr(Xl)和轮胎束角变化量也能够根据由车辆的特性决定的某斜率的一次式来计算。
例如，如图2所示，在直行行驶过程中的车辆的轮胎Fr(Fl)想要越过凸面的情况下，因来自路面的反作用力而在轮胎Fr(Fl)产生向上方上推的上下载荷Prz(Plz)。于是，如图8所示，通过悬架行程传感器13r(13l)检测悬架行程量Xr(Xl)。然后，通过基于该悬架行程量Xr(Xl)参照图表，从而设定跟随悬架行程量Xr(Xl)的轮胎束角变化量。
此后，进入步骤S5，将在步骤S3中设定的基于轮胎输入载荷的轮胎束角变化量与在步骤S4中设定的基于悬架行程量的轮胎束角变化量相加，计算总计束角变化量(参照图9)。应予说明，步骤S3～S5中的处理对应于本发明的束角变化量设定部。
接下来，在步骤S6中，计算抵消该总计束角变化量的相反相位的促动器工作量(参照图9)。应予说明，该步骤S6中的处理对应于本发明的工作量计算部。
然后，进入步骤S7，将与促动器工作量对应的驱动信号输出到右束角调整促动器5r(左束角调整促动器5l)。应予说明，该步骤S7中的处理对应于本发明的驱动部。
于是，如图9所示，在右束角调整促动器5r(左束角调整促动器5l)产生抵消总计束角变化量的促动器工作量，将对应的驱动力施加到安装有轮胎Fr(Fl)的转向轮来校正轮胎束角。其结果为，可抑制由路面凹凸的影响所引起的轮胎束角变化，直行稳定性提高，减轻进行方向盘操作的驾驶员的负担。
[第二实施方式]
在图10中示出本发明的第二实施方式。在上述的第一实施方式中，基于由轮胎载荷传感器12r(12l)检测出的轮胎输入载荷(横向载荷Pry(Ply)和前后载荷Prx(Plx))、以及由悬架行程传感器13r(13l)检测出的悬架行程量Xr(Xl)来计算总计束角变化量。
与此相对，在本实施方式中，在行驶过程中，检测前方的路面凹凸，并基于检测出的路面凹凸来推定轮胎输入载荷和悬架行程量，利用由轮胎载荷传感器12r(12l)检测出的轮胎输入载荷以及由悬架行程传感器13r(13l)检测出的悬架行程量Xr(Xl)分别对其进行校正。然后，在上述的图4所示的束角调整促动器工作量运算例程的步骤S1、S2中分别读取该校正后的轮胎输入载荷和悬架行程量。
即，如图10所示，在转向_ECU 11中，在束角调整量运算部11a的输入侧设置有轮胎输入载荷推定部11b、轮胎输入载荷校正值计算部11c、第一校正部11d、悬架行程量推定运算部11e、悬架行程量校正值计算部11f、以及第二校正部11g。
轮胎输入载荷推定部11b基于前方路面识别信息来计算路面凹凸量(高度、凹陷)，并求出通过该凹凸路面时的轮胎Fr(Fl)所受到的推定路面反作用力即推定轮胎输入载荷(横向载荷Pry(Ply)和前后载荷Prx(Plx))。进一步地，基于到路面凹凸为止的距离和车辆的车速来预测到达路面凹凸的时刻。然后，在到达了路面到达时刻时，将推定轮胎输入载荷输出到第一校正部11d。应予说明，前方路面识别信息从利用前方行驶环境识别部识别出的前方行驶环境信息获取。作为该前方行驶环境识别部，有立体相机、毫米波雷达、微波雷达、激光雷达(Light Detection and Ranging：光探测与测距)等。或者，也可以将单目相机和各雷达组合而作为前方行驶环境识别部。
另外，轮胎输入载荷校正值计算部11c将由轮胎载荷传感器12r(12l)检测出的轮胎输入载荷(横向载荷Pry(Ply)和前后载荷Prx(Plx))作为校正值而输出到第一校正部11d。
第一校正部11d将利用轮胎输入载荷推定部11b推定出的轮胎输入载荷(横向载荷Pry(Ply)和前后载荷Prx(Plx)与利用轮胎输入载荷校正值计算部11c求出的校正值相加而求出新的轮胎输入载荷，并将该新的轮胎输入载荷输出到束角调整量运算部11a。
其结果为，利用轮胎输入载荷推定部11b推定出的轮胎输入载荷成为前馈控制值，利用轮胎输入载荷校正值计算部11c计算出的校正值成为反馈校正值。在该前馈控制值与反馈校正值之间产生稍许的时间上的偏差，但由于轮胎输入载荷被进行前馈控制，因此反馈控制值成为相对小的值，能够得到高的响应性。
另一方面，悬架行程量推定运算部11e基于上述的前方路面识别信息来计算路面凹凸量，并求出在通过凹凸路面时轮胎Fr(Fl)受到并传递到前悬架8r(8l)的推定路面反作用力即推定行程量(推定悬架行程量)。进一步地，基于到路面凹凸为止的距离和车辆的车速来预测到达路面凹凸的时刻。然后，在到达了路面到达时刻时，将推定悬架行程量输出到第二校正部11g。
另外，悬架行程量校正值计算部11f将由悬架行程传感器13r(13l)检测出的悬架行程量Xr(Xl)作为校正值而输出到第二校正部11g。
第二校正部11g将利用悬架行程量推定运算部11e推定出的悬架行程量与利用悬架行程量校正值计算部11f求出的校正值相加而求出新的悬架行程量，并将该新的悬架行程量输出到束角调整量运算部11a。
其结果为，利用悬架行程量推定运算部11e推定出的悬架行程量成为前馈控制值，利用悬架行程量校正值计算部11f计算出的校正值成为反馈校正值。与上述同样地，在该前馈控制值与反馈校正值之间产生稍许的时间上的偏差，但由于悬架行程量被进行前馈控制，因此，反馈控制值成为相对小的值，能够得到高的响应性。
[第三实施方式]
在图11中示出本发明的第三实施方式。上述的第一实施方式在机械式转向装置1安装有左右的束角调整促动器5r(5l)。与此相对，在本实施方式中，将设置于线控转向式转向装置21的左右的转向促动器22l、22r的控制量与抵消在通过凹凸路面时产生的总计束角变化量的促动器工作量相加。应予说明，关于该促动器工作量，由于与上述的第一实施方式、第二实施方式相同，因此省略说明。
根据本实施方式，由于仅将现有的线控转向式转向装置21的转向促动器22l、22r的控制量与抵消总计束角变化量的促动器工作量，因此不需要追加新的机构，能够得到高的通用性。
应予说明，本发明不限于上述的各实施方式，在各实施方式中对凸路面进行了例示说明，但当然也能够应用于凹路面。另外，由于缓和了通过凹凸路面时的总计束角变化量，因此，在转向时也不易受到凹凸路面的影响，能够得到良好的转弯性能。

Claims (5)

1.一种车辆的转向装置，其特征在于，对转向轮施加抵消因路面凹凸而产生的束角变化量的驱动力，并具有：
路面反作用力检测部，其检测安装于所述转向轮的轮胎所受到的路面反作用力；
束角调整促动器，其连接设置于所述转向轮；以及
控制部，其控制所述束角调整促动器的驱动力，
所述控制部具备：
束角变化量设定部，其基于由所述路面反作用力检测部检测出的所述路面反作用力，设定所述束角变化量；
工作量计算部，其计算将利用所述束角变化量设定部设定的所述束角变化量抵消的促动器工作量；以及
驱动部，其以利用所述工作量计算部计算出的所述促动器工作量驱动所述束角调整促动器。
2.根据权利要求1所述的车辆的转向装置，其特征在于，
所述束角调整促动器夹着转向齿轮箱而设置于其左右，该各束角调整促动器连接设置于左右的所述转向轮。
3.根据权利要求1或2所述的车辆的转向装置，其特征在于，
所述路面反作用力检测部具备：
轮胎载荷传感器，其检测所述轮胎所受到的输入载荷；以及
悬架行程传感器，其根据悬架的行程量来检测该轮胎所受到的上下方向的载荷。
4.根据权利要求1或2所述的车辆的转向装置，其特征在于，
所述转向装置是线控转向装置，
所述束角调整促动器由分别单独地驱动左右的所述转向轮的左右的转向促动器兼用。
5.根据权利要求1所述的车辆的转向装置，其特征在于，
所述车辆的转向装置具有识别车辆前方的行驶环境的行驶环境识别部，
所述控制部具备：
推定运算部，其基于利用所述行驶环境识别部识别出的所述行驶环境来检测车辆前方的所述路面凹凸，并基于该路面凹凸求出在所述车辆通过该路面凹凸时所述轮胎所受到的推定路面反作用力；
校正值计算部，其基于由所述路面反作用力检测部检测出的所述路面反作用力，计算对所述推定路面反作用力进行校正的校正值；以及
校正部，其利用由所述校正值计算部计算出的校正值对由所述推定运算部求出的所述推定路面反作用力进行校正，从而计算出新的路面反作用力，
所述束角变化量设定部基于利用所述校正部计算出的新的所述路面反作用力，设定所述束角变化量。
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