JP2004210263A

JP2004210263A - 車輪操舵用アクチュエータが故障した時の故障モードを備えた車両用ステアリングシステム

Info

Publication number: JP2004210263A
Application number: JP2003413346A
Authority: JP
Inventors: Daniel Laurent; ロランダニエル
Original assignee: Conception et Developpement Michelin SA
Current assignee: Conception et Developpement Michelin SA
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2004-07-29
Also published as: US20040140147A1; DE60315116T2; EP1428740B1; US6991061B2; DE60315116D1; ATE367957T1; EP1428740A1

Abstract

【課題】全ての操舵車輪のステアリングが各車輪の個別のアクチュエータによって制御される車両のステアリングシステムを提供する。
【解決手段】制御装置６を有し、この制御装置６が各操舵車輪１ＦＬ、１ＦＲ毎に通常のステアリング角度のためのセットポイントを決める通常運転モードと、車輪アクチュエータ３の故障時に作動する制御装置６が各車輪１ＦＬ、１ＦＲのための補償ステアリングセットポイントを決める故障モードとを少なくとも有するステアリングシステム。
【選択図】図１

Description

本発明は、全ての操舵車輪のステアリングが各車輪に特有なアクチュエータによってが制御されるステアリングシステムを備えた自動車に関するものである。

電気的ステアリングシステムは公知であり、操舵車輪と操縦ハンドルとの間の機械的連結を無くしたもの、さらには操舵車輪間の機械的連結を無くしたものもある。
各操舵車輪ごとに独立した電気的アクチュエータを備えた公知の電気的なステアリングシステムでは、各操舵車輪をその車輪に特定な角度に選択的にステアリングでき、全てのステアリング動作の整合性はステアリングエレクトロニクスによって確保される。各車輪の電気的アクチュエータはステアリングエレクトロニクスによって選択されたステアリング角度を対象車輪に与える。車両のドライバが利用可能なステアリング制御手段は従来からのハンドルや、レバー（ジョイスティック）、その他の適当な装置である。車両のドライバによって制御装置を介して出された命令はステアリングエレクトロニクスに送られる。このステアリングエレクトロニクスにはアクチュエータを正しく操縦することができるプログラムがロードされている。

この技術の利点の1つはエレクトロニクスと情報システムとを理想的に一体化でき、これらの技術の進歩によってより複雑な自動制御ができ、従って、操舵車輪のステアリングをマニュアル制御下だけでなく、安全システムのコントロール下でも行うことができる点にある。例えば、車両のドライバの命令だけでなく、車両が観測した動的パラメータを考慮に入れて操舵車輪のステアリング角度を設定することができる。

この電子的ステアリングを用いることによって車両の軌道を安定させる技術がさらに大きく開かれる。例えば、現在の車両自動軌道修正システムでは一つまたは複数のブレーキを用いて修正用横揺れ（yaw）モーメントを加えているが、車両の各種機能を電気的制御に変えることによって、車両の各操舵車輪のステアリング角度を変えることによって車両の軌道を修正することができる。

しかし、車両のステアリングシステムはブレーキと同様に安全に関する基本かつ不可欠な機能である。そのため、現在のほとんど全ての車両で使用されている機械的ステアリング装置（パワーステアリングの場合を含めて）にとって代わるためには、電気的ステアリングシステムは極めて安全性が高いものであることが必須である。電気的システムでは部品の１つが故障しても常にシステムが機能し続けるように一般に冗長性のあるものが使用される。これが故障許容システムの概念である。従って、車輪アクチュエータの電気部品等は冗長性があるのが好ましい。この点に関しては電気的ステアリング制御用冗長システムに関する下記文献を例えば参照されたい。
米国特許第2003/0098197号明細書

しかし、必須部品の故障の可能性を完全に排除することはできない。例えば、車輪の電気的アクチュエータがある角度位置で動かなくなることがある。さらには、電気的な故障によってデタラメな角度位置をとることもある。この場合にはステアリングかとの力を伝達すること（従って、真っ直ぐに走行すること）ができなくなる。

本発明の目的は、操舵車輪の1つにの電気的アクチュエータが完全に故障した場合でも、ドライバの意思に従って、少なくとも車両をその乗客にとって安全な場所に停止させることができるまで、車両の軌道制御を維持できるようにすることにある。

本発明の対象は、全ての操舵車輪のステアリングが各車輪に特定なアクチュエータによって制御される車両ステアリングシステムであって、ドライバが車両の軌道を決めるために利用可能な少なくとも1つのステアリング装置を有し、各操舵車輪は操舵車輪のステアリング角度の測定手段を有し、さらに、
（1）少なくとも正常運転モードと故障モード（故障モード、degraded mode）とを有し、正常運転モードでは少なくとも運転者がステアリング装置を操作した時に各操舵車輪毎に通常のステアリング角度のセットポイントを決め、故障モードは車輪アクチュエータの故障時に作動される制御装置と、
（2）故障モードを作動させ且つアクチュエータが故障した車輪の車両上の位置を制御装置へ送信する車輪アクチュエータの故障の検出手段と、
を有し、所定車輪のアクチュエータが故障して故障モードが作動した時に、上記制御装置は別の操舵車輪のための少なくとも1つの補償ステアリングセットポイントを決定することを特徴とするステアリングシステムにある。

本発明では特許請求の範囲の前提部分に記載の構成を有する電気的アクチュエータを用いたステアリングシステムが好ましく利用できるが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明に従って液圧式のステアリングシステムを作ることもできるということは理解できよう。

車輪アクチュエータはその車輪アクチュエータが連結された操舵車輪のステアリング角度を制御することによって所定レベルの偏揺トルク（yaw torque）を車両に加える。本発明では、車輪アクチュエータが故障した時に別の車輪（必要な場合には別の複数の車輪）、および/または、モータおよび/またはいずれか一方または他方の車輪、必要な場合には複数の車輪（アクチュエータが故障した車輪を含む）をさらに、ステアリングして上記レベルの偏揺トルクを加える。制御装置はそれ単独または車両の安定性をモニターするためのモジュールと一緒になって一つまたは複数の適当な補償ステアリングセットポイントを決定する。この補償ステアリングセットポイントは例えば故障した操舵車輪が取付けられた車軸の反対側の操舵車輪に関連したものである。

タイヤの横方向力(lateral force)が主としてタイヤのスリップ角に依存するということは知られている。本発明で「タイヤ」とは膨張タイヤでも、非空気タイヤでもよく、これらの２つの概念を複合したものでもよい。また、車両の軌道安定性が主として車両の各車軸で発生する横方向力（transverse force）に依存することも知られている。４輪乗用車すなわち車軸が２本である車両の場合には、一方の車軸の横方向力が他方の車軸の横方向力に対して変化すると車両は偏揺角度（yaw angle）をとる。各車輪をステアリングして車両の軌道を真っ直ぐに維持するにせよ、方向転換するにせよ、あるいは、横風等の外乱に逆って車両の軌道に維持する場合でも、その目的は常に車両の各車軸すなわち前方または後方車軸にドライバの操作に対応する横方向力を発生させて、所定レベルの偏揺トルクを車両に常に加えることにある。

横方向力の和は各タイヤで生じた横方向力の算術和に対応する。1つの電気的アクチュエータの故障した場合には、その操舵車輪のタイヤを考慮して所定の横方向力を発生させることはできなくなる。車両の走行速度が速くなるほど安全性の面で車両の動的バランスが重要になる。高速走行時の車輪のステアリング角度は常にかなり狭いということは理解できよう。

本発明では、1本の車軸の操舵車輪のアクチュエータの1つが故障した場合に、操舵車輪に作用するステアリング角度、例えば同じ車軸上の反対側の操舵車輪に作用するステアリング角度を所望の方向に変えることによって故障を補償するものである。本発明はさらに、その補足的手段として、操舵車輪のアクチュエータの1つが故障したときに、少なくとも1本の車軸上の各車輪に異なるトルクを加えることにいよって偏揺モーメントを作用させる。この手段自体はＥＳＰとして知られる車両安定性を制御するためのシステムである。

上記で説明したものは故障モードのみで、ドライバが望む操舵車輪のステアリング角度または車両の軌道を管理する電気的システムが計算した操舵車輪のステアリング角度をシステム（制御経路中に冗長性が組み込まれたものが好ましい）へ送信できなくなったときの最終手段としてのみ使用されるということは理解できよう。

本発明の提案する故障モード管理は車両の動的バランスを車両の物理的に可能な範囲の限度内に維持することができる解決策である。すなわち、電気的アクチュエータが故障していない操舵車輪のタイヤの横方向力が飽和点に達しない限り、操舵車輪で生じる横方向力が車両の平衡を確保するのに必要な力に対応するその車軸の横方向の全体の力すなわち一つ車軸の２つの操舵車輪が通常の操作モードで発生させるであろう横方向力の和を出じるように、操舵車輪のステアリング角度を変えることができる。

故障した操舵車輪では、その車輪のステアリング角度に対応する横方向力はその車軸に所望の横方向力の逆にすることができるということは理解できよう。機能車輪に上記のような補償をすることによで前後方向のブレーキ力が生じることがある。しかし、この故障モードの目的は車両に同じような走行能力を与えることではなく、単に車両の運転を継続きるようにすることであり、重要な要素が完全に故障したときでも、車両の状況を考慮に入れながら最も安全な状態で減速または停止できるようにすることにある。
以下、２つの添付図面を参照して本発明を説明する。

［図1］に示した車両は４つの車輪1_FL、1_FR、1_RL、1_RRを有し、前方車軸に２つの操舵車輪が取付けられている。各車輪は前方左側車輪1_FL、前方右側車輪1_FR、後方左側車輪1_RL、後方右側車輪1_RRと記載されている。操舵車輪は車輪受け11に取り付けられ、操縦時には軸線12を中心に回動する。車輪受け11にはステアリング制御レバー10が一体に取付けられている。図を簡単にするために２つの操舵車輪と２つのブレーキ付車輪とを示してあるが、全ての車輪を操舵車輪にしたり、全ての車輪にブレーキを設けることができ、少なくとも２つの車輪を駆動車輪にするが、４車輪全てを駆動輪にしてもよいということは理解できよう。

各操舵車輪は電気的アクチュエータ３によって操縦される。この電気的アクチュエータ３の一端は車両の本体またはシャシ33に連結され、他端はステアリング制御レバー10に連結されて車輪1を所定のステアリング角度に駆動する。各アクチュエータ３は例えば回転電気モータ30と、ボルト／ナット装置（図示せず）と、摺動ロッド32とを有し、この摺動ロッド32がステアリング制御レバー10に連結される。各アクチュエータはロッド32の位置を検出するためのセンサ31をさらに備えている。このセンサ31はアクチュエータの電気モータから独立し、摺動ロッドの正確な位置がこの位置センサ31によって測定される。操舵車輪の正確な角度位置は位置センサ31の幾何学的位置から知ることができる。

操縦ハンドル２は直線走行へ戻すための装置20と、操縦ハンドルの角度を測定するための装置21とに連結されている。
制御装置６は各種のパラメータ、例えば操縦ハンドルの角度（または均等部材の位置）および車両速度等に応じて操舵車輪のステアリングをパイロットできるようにする。この制御装置6には各操舵車輪に適したステアリング角度を常時計算し、各操舵車輪の電気的アクチュエータ３を駆動するのに適したプログラムがロードされている。

［図１］および［図２］の車輪にはブレーキディスク40およびブレーキキャリパ41が組み込まれている（図面を繁雑にしないために後方のみを示す）。ここではブレーキについては故障モードに関係する範囲でのみ説明する。
軌道の安定性を制御するためのモジュール７は車両の任意の車輪に選択的かつ独立してブレーキをかけることができる。このモジュール自体は公知で、制御装置６とセンサ類（例えば車両速度センサ71、横方向加速度センサ72、偏揺センサ73）とから来る信号を解析する。これらのセンサは本発明を規定するものではなく、また、ここに挙げたものが全てではない。

［図２］は車両が右へ曲がらなければならないときに、前方右側車輪（方向転換する時に内側になる車輪）のアクチュエータが故障して、真っ直ぐな位置で動かなくなってしまった状況の場合を示している。本発明の制御装置６は通常のステアリング角度α1_FLおよびα1_FRを各操舵車輪ごとに計算する。この計算した角度位置は破線で示してある。これに対して前方右側車輪は真っ直ぐな位置にとどまっていることがわかる。制御装置６は前方左側車輪が実線で示す位置にステアリングされるように前方左側車輪のための補償ステアリングセットポイントを決定する。この状況の場合には前方左側車輪には大きな横方向の力が生じる。この横方向力は車両の右側を向いている。この横方向力によって車両は右にステアリングされる。

上記仮定で前方右側車輪が真っ直ぐな位置を維持したままの場合には、前方右側車輪によって横方向の力が生じ、この力は反対側すなわち車両の左側を向いている。こうした２つの互いに対向する横方向の力の代数和によって生じる差の横方向力は依然として右側を向いており、この横方向力によって車両は右側へステアリングされる。

上記のケースでは車両が高速で走行すればするほど荷重の横方向伝達が大きくなる。従って、どのような場合でも前方車軸全体の横方向力は基本的に車両の方向転換時に最も荷重が加わる外側の前方左側車輪の横方向力によって決まる。これは有利なことであり、故障モードで車両の動的バランスを良好に維持することができる。

逆の仮定、すなわち車両の方向転換時に外側車輪の電気的アクチュエータが故障した場合には、上記の荷重伝達機構からわかるように、上記と反対の操舵車輪のための補償角セットポイントを大きくしなければならない。しかし、タイヤから荷重減少が大きいことを考慮すると、このタイヤが出せる横方向力は急速に飽和点に達する点に注意が必要である。それでも、本発明の故障モード管理方法を用いることによって補償無しの場合よりもはるかに安全な状態に車両を維持できる。さらに、この場合（方向転換時に車両の外側前方車輪のアクチュエータが故障する場合）には、運転者の制御レバーの操作に従って軌道安定性を制御するためのモジュール７を介して運転者が偏揺モーメントを向けたい側の少なくとも1つの車輪のブレーキを作動させるようなシステムになてっいるのが好ましい。

アクチュエータが機械的なブロックではない電気的な故障を起した場合に、アクチュエータが機能している操舵車輪によって生じる横方向力と対向する横方向力を発生させないようにするために、操舵車輪を自由に操縦できるように車両が設計され、および／または、調整できるようになっいるのが望ましいことは理解できよう。そのため、電気的アクチュエータは可逆アクチュエータであるのが好ましい。さらに、サスペンションは車輪（エンジンまたはブレーキ）に加わるトルクによってステアリング量がほとんど生じないように設計するのが望ましい（例えば、「ピボット−イン−アクシス」として知られる車輪中心面内に車輪のピボット軸線があるサスペンション設計にするか、キャスタ角および／またはキングピンのオフセット量を最小またはゼロにする）。

車輪に加わるトルクに関しては、車両の方向転換時に外側にある車輪の一方および／または他方にエンジントルクを一時的に加えるのが有利であるということは理解できよう。また、車輪のアクチュエータを作動できない場合に車両全体を減速させ、車両速度を制限するのが好ましい。

本発明の一実施例では、補償ステアリングセットポイント値は、計算上の通常ステアリング角度とアクチュエータが故障した操舵車輪で測定されたステアリング角度との差（大きさおよび方向）に依存する。
別の実施例では、補償ステアリングセットポイントは、アクチュエータが故障した車輪の位置に依存する。この位置は右または左を向いた車両の偏揺モーメントに対して車両の右側または左側である。
本発明のさらに別の実施例では、補償ステアリングセットポイントは、所定車軸の単一の車輪アクチュエータが故障して故障モードが作動したときに制御レバーの操作に従って作動される、運転者が向けたい側にあるの車両の少なくとも1つの車輪のブレーキのセットポイントに依存する。

本発明の別の実施例では、補償ステアリングセットポイントは、車両の方向転換時に内側にある前方車輪のアクチュエータが故障したときにアクチュエータが故障していない操舵車輪に関して計算された通常のステアリング角度の一部（同じ符号）に対応するステアリング角度である。
本発明のさらに別の実施例では、補償ステアリングセットポイントは、車両の方向転換時に外側にある前方車輪のアクチュエータが故障したときにアクチュエータが故障していない操舵車輪に関して計算された通常のステアリング角度にほぼ対応するステアリング角度で、さらに、運転者が車両を向けたい側にある少なくとも1つの車輪のブレーキを運転者の制御レバーの操作で作動させるようになっている。

前方車軸が操舵車軸である四輪車両での電気的ステアリングシステムの設置を示す図。上記車両の故障モードでの状況を示す図。

Claims

全ての操舵車輪のステアリングが各車輪に特定なアクチュエータによって制御される車両ステアリングシステムであって、ドライバが車両の軌道を決めるために利用可能な少なくとも1つのステアリング装置を有し、各操舵車輪は操舵車輪のステアリング角度の測定手段を有し、さらに、
（1）少なくとも正常運転モードと故障モードとを有し、正常運転モードでは少なくとも運転者がステアリング装置を操作した時に各操舵車輪毎に通常のステアリング角度のセットポイントを決め、故障モードは車輪アクチュエータの故障時に作動される制御装置と、
（2）故障モードを作動させ且つアクチュエータが故障した車輪の車両上の位置を制御装置へ送信する車輪アクチュエータの故障の検出手段と、
を有し、所定車輪のアクチュエータが故障して故障モードが作動した時に、上記制御装置は別の操舵車輪のための少なくとも1つの補償ステアリングセットポイントを決定することを特徴とするステアリングシステム。
補償ステアリングセットポイントが、故障した操舵車輪を有する車軸上の反対側の操舵車輪に関連するものである請求項１に記載のステアリングシステム。
補償ステアリングセットポイント値が、計算された通常のステアリング角度とアクチュエータが故障した操舵車輪で測定されたステアリング角度との大きさおよび符号の差に依存する請求項１または２に記載のステアリングシステム。
補償ステアリングセットポイントが、アクチュエータが故障した車輪の位置に依存し、この位置は車両の偏揺モーメントが右を向いているか左を向いているかに応じて車両の右側または左側である請求項１〜３のいずれか一項に記載のステアリングシステム。
所定車軸の単一の車輪アクチュエータが故障して故障モードが作動したときに、運転者がステアリング装置を操作した時に、運転者が車両を向けたい側にある少なくとも1つの車輪の補償ブレーキセットポイントを制御装置がさらに決定する請求項１〜４のいずれか一項に記載のステアリングシステム。
車両の方向転換時に内側にくる前方車輪のアクチュエータが故障したときの補償ステアリングセットポイントが、アクチュエータが故障していない操舵車輪に関して計算された通常のステアリング角度の同じ符号の対応するステアリング角度の一部である請求項１〜５のいずれか一項に記載のステアリングシステム。
車両の方向転換時に外側にくる前方車輪のアクチュエータが故障したときの補償ステアリングセットポイントが、アクチュエータが故障していない操舵車輪に関して計算された通常のステアリング角度にほぼ対応するステアリング角度で、さらに、運転者のステアリング装置の操作に従って運転者が車両を向けたい側にある少なくとも1つの車輪のブレーキを作動させる請求項１〜５のいずれか一項に記載のステアリングシステム。
車輪アクチュエータが電気的アクチュエータである請求項１〜７のいずれか一項に記載のステアリングシステム。