JP2004175311A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンドルと副操舵機構を連結しているシャフトのバネ定数を適度にし、好適な反力トルク制御を行い、運転者に違和感を与えない車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】運転者が操作するハンドル１と第１の遊星ギア機構２等からなる副操舵機構により操舵輪７ａ，７ｂを操舵する操舵機構を有し、車輪舵角制御手段１４及び反力トルク制御手段１６等により車輪舵角とハンドル反力とを独立して制御できる車両用操舵装置において、ハンドル角検出手段１２と副操舵機構である第１の遊星ギア機構２を連結しているシャフト１Ａに対して弾性体２２を設ける構成とした。また、その弾性体２２にねじれ角を制限するねじれ角制限機構を備えた。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両の操舵車輪を操舵する車両用操舵装置に関し、特に、運転者によるハンドル操作量を補償するための自動操舵を実施する場合に必要な副操舵機構を備える車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用操舵装置においては、従来より、例えば操舵特性、即ちハンドル回転量に対する実際の車体進行方向の変化が最適になるように、補助的に操舵車輪の向きを自動制御したり、あるいは車両の走行位置が所定の車線内を維持するように運転者に代わって自動的に操舵系を駆動制御することが提案されている。
【０００３】
このような操舵制御を実施する車両用操舵装置として、例えば、ステアリングホイールの回動量に応じた操舵を実現する主操舵機構と、電気的制御可能な副操舵駆動手段の付勢力に応じた操舵を実現する副操舵機構とを備え、ステアリングホイールと結合された操舵入力軸に連結され、その出力トルクが調整自在な補償トルク発生手段；及び副操舵駆動手段の付勢によって操舵入力軸に印加されるトルクを検出し、該トルクに対応する反対向きのトルクをその制御目標値とし、該目標値に従って補償トルク発生手段を制御する、補償トルク制御手段を設けたものがある。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
また、操舵ハンドルの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達比を変化させ得る車両用操舵制御装置であって、一端が操舵ハンドル側に連結される入力軸と、一端が転舵輪側に連結される出力軸との間に介在し、この入力軸に対して出力軸を相対的に回転駆動する伝達比可変手段と、入力軸に対して設けられ操舵ハンドルの操舵角を検出する操舵角検出手段と、操舵角検出手段と伝達比可変手段との間における入力軸に設けられ入力軸を介して操舵ハンドル側に伝達される振動を減衰する振動減衰手段を備えたものがある。（例えば、特許文献２参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２０６５５３号公報（請求項１）
【特許文献２】
特開２００２−３７１１５号公報（請求項１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することによりハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する車両用操舵装置において、車輪舵角とハンドルに生じる反力とを独立して制御する装置のハンドルと副操舵機構を連結しているシャフトのバネ定数を適度にし、好適な反力トルク制御を行い、運転者に違和感を与えない車両用操舵装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る車両用操舵装置は、ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することによりハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する操舵機構を有する車両用操舵装置において、ハンドルと副操舵機構の間に設置されてハンドルの操舵角を検出するハンドル角検出手段と、ハンドルと副操舵機構の間に設置されてハンドルに印加されている反力トルクを検出する反力トルク検出手段と、ハンドルに印加する反力トルクの目標値を生成する目標反力生成手段と、目標反力生成手段により生成された目標反力トルクと反力トルク検出手段により検出された反力トルクが一致するように副操舵機構に印加する駆動トルクを制御する反力トルク制御手段と、操舵車輪の車輪舵角を制御する車輪舵角制御機構と、操舵車輪の車輪舵角に相当する角度を検出する車輪舵角検出手段と、操舵車輪の目標車輪舵角を生成する目標車輪舵角生成手段と、目標車輪舵角生成手段により生成された目標車輪舵角と車輪舵角検出手段により検出された車輪舵角が一致するように車輪舵角制御機構を駆動制御する車輪舵角制御手段とを備え、ハンドル角検出手段と副操舵機構とを連結するシャフトの間に弾性体を設けることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
前提技術．
図１はこの発明の車両用操舵装置の前提技術を示す構成図である。この前提技術は我々が特願２００１−３５３１３０において提案している技術である。
【０００９】
図１において、第１の遊星ギア機構２は、運転者が操舵するハンドル１とシャフト１Ａを介して連結されたサンギア２０１と、キャリア機構２０３にて支持されている遊星ギア２０２ａ，２０２ｂと、リングギア２０４と、リングギア２０４を回転させるためのウオームホイール２０５によって構成されている。
【００１０】
また、第２の遊星ギア機構３は、サンギア３０１と、シャフト４を介して前記第１の遊星ギア機構のキャリア機構２０３と連結されたキャリア機構３０３にて支持されている遊星ギア３０２ａ，３０２ｂと、固定されたリングギア３０４とにより構成される。そして、前記シャフト４は、前記第１の遊星ギア機構２のキャリア機構２０３と、前記第２の遊星ギア機構３のキャリア機構３０３を連結して、動力を伝達する。
【００１１】
ここで、前記第１の遊星ギア機構２、又は前記第１の遊星ギア機構２と前記第２の遊星ギア機構３を併せたものが、前記ハンドル１の回転角に補助舵角を機械的に加算することができる副操舵機構となる。
【００１２】
ラックアンドピニオン方式の操舵車輪制御機構５は、前記第２の遊星ギア機構３のサンギア３０１と機械的に連結されたラックアンドピニオン５０１を有し、車輪舵角制御用アクチュエータとして用いる操舵機構駆動手段９と、ラックアンドピニオン５０１を回転させるための逆転可能なウオームホイール５０２とが接続されている。また、操舵車輪７ａ，７ｂは、ナックルアーム６ａ，６ｂを介して前記ラックアンドピニオン５０１と接続されている。
【００１３】
反カトルク生成手段８は、副操舵機構として動作する前記第１の遊星ギア機構２に駆動トルクを与えることによりハンドル１に反力トルクを与えるものであり、前記第１の遊星ギア機構２に駆動トルクを与える反力用モータ８０１と、前記第１の遊星ギア機構２のウオームホイール２０５に噛み合うウオームギア８０２により構成される。ここで、ウオームホイール２０５からウオームギア８０２は回転できない、つまりセルフロックが掛るように構成されている。
【００１４】
操舵機構駆動手段９は前記操舵車輪制御機構５を駆動するもので、操舵用モータ９０１と、操舵車輪制御機構５のウオームホイール５０２に噛み合うウオームギア９０２とによって構成される。ただし、ウオームホイール５０２とウオームギア９０２の組み合わせは、ウオームホール５０２側からでも回転が可能な構成、即ち、逆転可能な構成である。
【００１５】
反カトルク検出手段１０は前記ハンドル１に生じている反力トルクを検出するセンサであり、車輪舵角検出手段１１は操舵車輪７ａ，７ｂの車輪舵角を検出するセンサであり、ハンドル角検出手段１２はハンドル１の操舵角を検出するセンサである。
【００１６】
目標車輪舵角生成手段１３は、例えばハンドル角検出手段１２の出力１２０１や、他システム（例えば、車線維持装置）からの操舵要求信号２０、車両状態信号（例えば、車速・ヨーレートなど）２１等から、必要な車輪舵角を計算し目標車輪舵角１３０１を生成するものである。
【００１７】
車輪舵角制御手段１４は、目標車輪舵角１３０１と車輪舵角検出手段１１の出力１１０１が等しくなるよう、操舵機構駆動手段９のモータ９０２を駆動して操舵車輪７ａ，７ｂの車輪舵角を制御するものである。
【００１８】
目標反力生成手段１５は、ハンドル１を介して運転者に与える反力トルク目標値を設定するものであり、例えばハンドル角検出手段１２の出力１２０１や、車両状態信号（例えば、車速・ヨーレートなど）１８等から、適当な反力を計算し目標反力トルク１５０１を生成するものである。
【００１９】
反力トルク制御手段１６は、目標反力トルク１５０１と反力トルク検出手段１０の出力１００１が等しくなるように、反力用モータ８０２を駆動して、第１の遊星ギア機構２のリングギア２０４を回転させることにより、ハンドル１と第１の遊星ギア機構２にねじれ角を発生させ、ハンドル１に生じる反カトルクを制御するものである。
【００２０】
次に、上記構成からなる車両用操舵装置における動作について説明する。はじめに、反力トルク生成手段８と操舵機構駆動手段９を動作させない状態、即ち、第１の遊星ギア機構２のリングギア２０４が、ウオームホイール２０５とウオームギア８０２からなるセルフロック機構により固定され、かつ、操舵車輪制御機構５が自由に動作できる状態における車両用操舵装置の動作について説明する。
【００２１】
運転者がハンドル１を操舵すると、ハンドル１と連結されている第１の遊星ギア機構２のサンギア２０１は回転する。このサンギア２０１の回転は、遊星ギア２０２ａ，２０２ｂに伝達されるが、リングギア２０４が先に説明したようにセルフロック機構により固定されているため、遊星ギア２０２ａ，２０２ｂを支持しているキャリア機構２０３が回転する。さらに、このキャリア機構２０３の回転により第２の遊星ギア機構３へ回転を伝達するシャフト４が回転する。即ち、第１の遊星ギア機構２は遊星ギア方式の減速機として動作する。
【００２２】
また、シャフト４の回転は、第２の遊星ギア機構３のキャリア機構３０３に回転を伝達し、このキャリア機構３０３が回転することにより、遊星ギア３０２ａ，３０２ｂは、サンギア３０１の周りを公転する。そして、第２の遊星ギア機構３では、リングギア３０４が固定されているので、遊星ギア３０２ａ，３０２ｂの公転によりサンギア３０１は回転される。さらに、サンギア３０１と機械的に連結された操舵車輪制御機構５のラックアンドピニオン５０１が回転することとなり、操舵車輪７ａ，７ｂの操舵方向が変化する。即ち、第２の遊星ギア機構３は、シャフト４に対して増速機として動作する。
【００２３】
以上のように、ハンドル１の回転はラックアンドピニオン５０１に機械的に伝達されることとなり、またその伝達比も１対１となる（第１の遊星ギア機構２の減速比と第２の遊星ギア機構３の増速比を掛け合わせた値。双方の構成が同じであれば、全体として減速比は１となる。）。即ち、反力トルク生成手段８と、操舵機構駆動手段９を動作させなければ、通常のノンアシストの操舵機構として動作する。
【００２４】
次に、運転者がハンドル１を保持した状態で、操舵機構駆動手段９により操舵車輪７ａ，７ｂを操舵する状態における車両用操舵装置の動作について説明する
【００２５】
操舵機構駆動手段９により操舵車輪制御機構５を駆動すると、操舵車輪制御機構５は操舵車輪７ａ，７ｂを操舵する回転を生じると共に、第２の遊星ギア機構３、シャフト４、第１の遊星ギア機構２を介してハンドル１を操舵する運転者に伝わることになる。即ち、運転者が操舵するハンドル１と操舵車輪制御機構５により回転させられるサンギア２０１間にねじれが生じ、反カトルク検出手段１０によりこのねじれが反力トルク１００１として検出される。
【００２６】
ここで、反力トルク検出手段１０により検出された反カトルク１００１が反カトルク制御手段１６へ入力され、反カトルク制御手段１６は入力された反力トルク１００１が所定の値となるように、反カトルク生成手段８により第１の遊星ギア機構２のリングギア２０４を回転させると、ハンドル１とサンギア２０１のねじれ角が反力トルク制御手段１６に与えられている目標反力トルク１５０１相当のねじれとなるよう自動制御されることになる。
【００２７】
即ち、反力トルク１００１を制御することにより、ハンドル１の操舵角と、操舵車輪７ａ，７ｂの操舵角が異なるような動作をさせる場合においても、副操舵角（ハンドル１の操舵角と実操舵角との差に相当する）を求めれば、リングギア２０４の回転角を求める必要はなく、実操舵角とハンドル１に印加される反力トルク１００１を独立して制御することができる。
【００２８】
以上説明したように、上記前提技術では、運転者が操舵するハンドル１の操舵や、他システムからの信号等により適切な目標車輪舵角を計算して、車輪舵角制御装置により車輪舵角を制御するとともに、同時に適切な操舵反力を計算して、ハンドル反力がハンドル１に生じるよう制御している。
【００２９】
しかしながら上記前提技術では、第１の遊星ギア機構２とハンドル１を連結しているシャフト１Ａは一般に金属製であり、そのバネ定数（ねじりこわさ）が大きいため、少しのねじれ角で大きなねじれ弾力に変換されていた。そのため、少しのねじれ角で第１の遊星ギア機構２のリングギア２０４を回転させるウオームギア２０５とウオームホイール８０２の摩擦が増加し、それに伴い接触面の面圧が上昇し、ねじれ弾力がセルフロック領域を超えてしまい自動的にセルフロックが発生していた。そして、このセルフロックが頻繁に発生するため、反力トルク制御が安定して制御できないことがあった。
【００３０】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、第１の遊星ギア機構２とハンドル角検出手段１２を連結しているシャフト１Ａのバネ定数を適度にすることにより、好適な反力トルク制御が実施でき、運転者に違和感を与えない車両用操舵装置を提供する。
【００３１】
実施の形態１．
図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用操舵装置を示す構成図である。図において、ハンドル１、第１の遊星ギア機構２、第２の遊星ギア機構３、第１の遊星ギア機構２と第２の遊星ギア機構３を接続するシャフト４、操舵車輪制御機構５、ナックルアーム６ａ，６ｂ、操舵車輪７ａ，７ｂ、反力トルク生成手段８、操舵機構駆動手段９、反力トルク検出手段１０、車輪舵角検出手段１１、ハンドル角検出手段１２、目標車輪舵角生成手段１３、車輪舵角制御手段１４、他システムからの操舵要求２０、車両状態信号２１は、前提技術と同一であり、詳細な説明を省略する。
【００３２】
本実施の形態において特徴となる弾性体２２は、ハンドル１と第１の遊星ギア機構２を連結しているシャフトであって、ハンドル角検出手段１２と第１の遊星ギア機構２の間に設置されている。
【００３３】
次に、本実施の形態の弾性体２２の作用について説明する。図３の点線で示すように、本実施の形態では弾性体２２を設置することによりシャフト１Ａの剛性を所定の適度な剛性にする。その結果、シャフト１Ａのねじれ角によって生じるねじれ弾力を低下させることができ、これにより第１の遊星ギア機構２のリングギア２０４を回転させるウオームギア２０５とウオームホイール８０２の間で生じる摩擦が低下し、面圧の上昇を防げるために、セルフロックの発生を緩和することができる。
【００３４】
また、反力トルク生成手段８は、リングギア２０４を目標反力１５０１と操舵反力１００１の偏差を無くすように制御している。すなわち、反力トルク制御とは、ハンドル１と第１の遊星ギア機構２とを連結するシャフト１Ａのねじれ角を、第１の遊星ギア機構２のリングギア２０４を駆動制御することにより、運転者に操舵反力を与えている。ここで、本実施の形態の弾性体２２を設置することにより、ハンドル角検出手段１２と遊星ギア機構２を連結するシャフト１Ａのバネ定数は所定の適度な値となり、図３の制御範囲に示すように、反力トルク制御の制御範囲を拡大し、広範囲で安定した反力トルク制御を行うことができる。
【００３５】
図４は本実施の形態の弾性体の構成例を示したもので、弾性体２２とそれを連結するカップリング３３の構成を示す。図において、３０はハンドル１と連結されるシャフトの一端であって、３２は第１の遊星ギア機構２と連結されるシャフトの一端である。２２は弾性体を示しており、ここで弾性体とはシャフトのバネ定数（ねじりこわさ）を低減することのできるゴム部材等のことを指す。この弾性体２２によりハンドル角検出手段１２と第１の遊星ギア機構２を連結するシャフトのバネ定数を約５０［Ｎｍ／ｒａｄ］としている。３３は弾性体２２とシャフトを連結するカップリングを示している。
【００３６】
以上のように実施の形態１によれば、ハンドル角検出手段１２と副操舵機構を構成する第１の遊星ギア機構２を連結しているシャフトに対して、弾性体２２を設ける構成を採用したので、ハンドル角検出手段１２と遊星ギア機構２を連結しているシャフトのバネ定数を適度にすることができ、かつ、遊星ギア機構２のウオームギア２０５とウオームホイール８０２のセルフロックの発生を緩和することができる。その結果、安定した反力トルク制御が実施でき、運転者に違和感を与えない効果がある。
【００３７】
実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１で説明した弾性体にねじれ角を制限するねじれ角制限機構を設けたものである。図５は弾性体２２のねじれ角を制限するねじれ角制限機構を備えたカップリング構成を示す図である。図において、ハンドル１と連結されるシャフトの一端３０は、カップリング３３ａを介して弾性体２２が連結されている。一方、第１の遊星ギア機構２と連結されるシャフトの一端３２は、カップリング３３ｂを介して弾性体２２が連結されている。この弾性体２２は、実施の形態１と同様、シャフトのバネ定数（ねじりこわさ）を低減することのできるゴム部材等のことを指す。
【００３８】
本実施の形態のねじれ角制限機構として、ハンドル１側のシャフトの一端３０には、切り欠き部３５ａを設けたフランジ３５が固定されており、一方、第１の遊星ギア機構２側のカップリング３３ｂには、前記フランジ３５の切り欠き部３５ａを貫くバー３４が設けられている。図６はこのねじれ角制限機構を有する弾性体の作用を表わすグラフである。すなわち、弾性体２２が所定のねじれ角θを越えると、前記フランジ３５の切り欠き部３５ａを貫くバー３４が、当該切り欠き部３５ａに当接し、弾性体２２を介さずに、ハンドル１側のシャフト３０と第１の遊星ギア機構２側のシャフト３２が一体となって回転する。
【００３９】
図２に示す車両用操舵装置が、マニュアル操舵される場合、ここで、マニュアル操舵とは、前記説明したように、ウオームギア２０４とウオームホイール２０５とがセルフロックした状態になり、遊星ギア機構２のリングギア２０４が固定状態のことで、ハンドル１と操舵車輪７ａ、７ｂが連結された状態であるが、この場合に、弾性体２２の撓みやねじれの影響が大きいと、ハンドル１の操作に対し操舵車輪７ａ、ｂの動きが遅れ、運転者に違和感を与えてしまう。そこで、図６に示すような特性をもつねじれ角制限機構を設けることにより、弾性体２２の撓みやねじれの影響を少なくし、ハンドル１を操作したときに、操舵車輪７ａ，７ｂの動作が遅れないようにすることができる。
【００４０】
以上のように実施の形態２によれば、弾性体２２にねじれ角を制限するねじれ角制限機構を設けることにより、遊星ギア機構２のリングギア２０４がセルフロックし、ハンドル１と操舵車輪７が連結された状態において、弾性体２２の撓みや捻れの影響を少なくすることができ、ハンドル操作に対し、操舵車輪の動作が遅れないようになる。このため、ハンドル１と操舵車輪７が連結された状態でも運転者に違和感を与えない車両用操舵装置を提供することができる。
【００４１】
その他の実施の形態．
なお、上記実施の形態では、弾性体２２の構成を図４及び図５に示したが、この構成に限定するものではなく、機構的に２つの回転角を加算できる全ての副操舵機構において、ハンドル角検出手段１２と副操舵機構（上記実施の形態では第１の遊星ギア機構２に当る）を連結しているシャフトのバネ定数を適度にするものであればよい。
【００４２】
【発明の効果】
この発明によれば、運転者が操作するハンドルと副操舵機構により操舵輪を操舵する操舵機構を有し、車輪舵角とハンドル反力とを独立して制御できる車両用操舵装置において、ハンドル角検出手段と副操舵機構を連結しているシャフトに対して弾性体２２を設ける構成を採用したので、ハンドル角検出手段と副操舵機構を連結しているシャフトのバネ定数を適度することができ、かつ反力トルク制御が行われる副操舵機構のセルフロックの発生を緩和することができ、安定した反力トルク制御を実施することができる。その結果、好適な操舵を行い得る車両用操舵装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の前提技術に係る車両用操舵装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る車両用操舵装置を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１による弾性体のねじれ角とねじれ弾力との関係を示すグラフである。
【図４】この発明の実施の形態１による弾性体の構成例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２によるねじれ角制限機構を備えた弾性体の構成例を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２によるねじれ角制限機構を備えた弾性体の作用を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ハンドル、２ 副操舵機構を構成する第１の遊星ギア機構、３ 副操舵機構を構成する第２の遊星ギア機構、４ シャフト、５ 車輪舵角制御機構、７ａ，ｂ 操舵輪、８ 反力トルク生成手段、９ 操舵機構駆動手段、１０ 反力トルク検出手段、１１ 車輪舵角検出手段、１２ ハンドル角検出手段、１３ 目標車輪舵角生成手段、１４ 車輪舵角制御手段、１５ 目標反力生成手段、１６反力トルク制御手段、２２ 弾性体。

Claims (2)

1. ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することにより前記ハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する操舵機構を有する車両用操舵装置において、
   前記ハンドルと前記副操舵機構の間に設置されて前記ハンドルの操舵角を検出するハンドル角検出手段と、
   前記ハンドルと前記副操舵機構の間に設置されて前記ハンドルに印加されている反力トルクを検出する反力トルク検出手段と、
   前記ハンドルに印加する反力トルクの目標値を生成する目標反力生成手段と、
   前記目標反力生成手段により生成された目標反力トルクと前記反力トルク検出手段により検出された反力トルクが一致するように前記副操舵機構に印加する駆動トルクを制御する反力トルク制御手段と、
   前記操舵車輪の車輪舵角を制御する車輪舵角制御機構と、
   前記操舵車輪の車輪舵角に相当する角度を検出する車輪舵角検出手段と、
   前記操舵車輪の目標車輪舵角を生成する目標車輪舵角生成手段と、
   前記目標車輪舵角生成手段により生成された目標車輪舵角と前記車輪舵角検出手段により検出された車輪舵角が一致するように前記車輪舵角制御機構を駆動制御する車輪舵角制御手段とを備え、
   前記ハンドル角検出手段と前記副操舵機構とを連結するシャフトの間に弾性体を設けることを特徴とする車両用操舵装置。
2. 前記弾性体は、そのねじれ角を制限するねじれ角制限機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。

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