JP2005138709A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低車速時にはスムーズな旋回を可能にするとともに、中・高車速時にはステアリングホイールの操作に対する応答性を高めてきびきびした旋回を可能にする。
【解決手段】車両用操舵装置はステアリングホイールの操作により左右に移動するラックバー１２と、車輪ＷＬ，ＷＲを転舵するタイロッド１３との位置関係を変更する転舵角変更手段１７を備える。車速が所定値以下の場合には左右の車輪ＷＬ，ＷＲの転舵角の関係がアッカーマンジオメトリに従うので、旋回時の車輪の横滑りを減少させてスムーズな旋回を可能にすることができる。また車速が所定値を超えると左右の車輪ＷＬ，ＷＲの転舵角の関係がパラレルジオメトリに近づくので、つまり旋回内輪の転舵角が減少して該旋回内輪が分担するサイドフォースが減少するので、旋回による遠心力で接地荷重が増加する旋回外輪により多くのサイドフォースを分担させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、ステアリングホイールの操作により転舵される左右の車輪の転舵角の関係を変更可能な車両用操舵装置に関する。

ステアリングホイールと左右の車輪との間にそれぞれの油圧シリンダを配置し、油圧シリンダを伸縮駆動して左右の車輪の転舵角を調整することで、図６に示すアッカーマンジオメトリの操舵特性と図７に示すパラレルジオメトリの操舵特性とを切り替え可能な操舵装置が、下記特許文献１により公知である。この操舵装置は、通常の操舵範囲ではアッカーマンジオメトリに従って転舵されるが、最大転舵角に近づくと一方のシリンダを伸長駆動して旋回外輪の転舵角を増加してパラレルジオメトリに従って転舵することで、最小旋回半径を小さくすることができる。
特開平６−２１９３０３号公報

ところで、アッカーマンジオメトリを採用した操舵装置は、旋回時にタイヤの横滑りが小さいため、スムーズな旋回が可能になるだけでなくタイヤの摩耗が減少するという利点がある。しかしながら、ステアリングホイールの操作初期から車輪に大きなサイドフォースを発生させてきびきびした操舵性能を得ようとすると、後から実施例において詳述するように、アッカーマンジオメトリは必ずしも適切ではない。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、低車速時にはスムーズな旋回を可能にするとともに、中・高車速時にはステアリングホイールの操作に対する応答性を高めてきびきびした旋回を可能にする操舵装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ステアリングホイールの操作により転舵される左右の車輪の転舵角の関係を変更可能な車両用操舵装置であって、車速が所定値以下の場合には左右の車輪の転舵角の関係がアッカーマンジオメトリに従い、車速が所定値を超えると左右の車輪の転舵角の関係がパラレルジオメトリに近づくことを特徴とする車両用操舵装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、ステアリングギヤボックスに左右移動自在に支持されてステアリングホイールの操作により左右に移動するラックバーと、ラックバーの移動を車輪に伝達するタイロッドと、ラックバーおよびタイロッドの位置関係を変更する転舵角変更手段を備えたことを特徴とする車両用操舵装置が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、転舵角変更手段は、相互に噛み合う雄ねじ部材および雌ねじ部材と、雄ねじ部材および雌ねじ部材の一方を回転駆動するモータとを備え、ラックバーおよびタイロッドの一方および他方にそれぞれ雄ねじ部材および雌ねじ部材を接続したことを特徴とする車両用操舵装置が提案される。

請求項１の構成によれば、車速が所定値以下の場合には左右の車輪の転舵角の関係がアッカーマンジオメトリに従うので、旋回時の車輪の横滑りを減少させてスムーズな旋回を可能にすることができる。また車速が所定値を超えると左右の車輪の転舵角の関係がパラレルジオメトリに近づくので、つまり旋回内輪の転舵角が減少して該旋回内輪が分担するサイドフォースが減少するので、旋回による遠心力で接地荷重が増加する旋回外輪により多くのサイドフォースを分担させることができる。これにより、発生可能なサイドフォースの最大値を増加させ、ステアリングホイールの操作に対する応答性を高めてきびきびした旋回を可能にすることができる。またドライバーが予測する車両挙動と実際の車両挙動とを一致させてドライバーの違和感を解消することができ、しかも左右の車輪の一方の転舵角だけを調整すれば良いので構造が簡単である。

請求項２の構成によれば、転舵角変更手段によりラックバーおよびタイロッドの位置関係を変更するので、左右の車輪の転舵角を任意に変更してアッカーマンジオメトリおよびパラレルジオメトリを容易に切り替えることができる。

請求項３の構成によれば、転舵角変更手段は、ラックバーおよびタイロッドの一方および他方にそれぞれ接続された雄ねじ部材および雌ねじ部材を相互に噛み合わせ、モータで雄ねじ部材および雌ねじ部材の一方を回転駆動するので、簡単な構造で左右の車輪の転舵角を任意に変更することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図７は本発明の一実施例を示すもので、図１は車両用操舵装置の全体図、図２図１の２方向矢視図、図３は１の３部拡大図、図４はアッカーマンジオメトリに従う転舵時の作用説明図、図５はパラレルジオメトリに従う転舵時の作用説明図、図６はアッカーマンジオメトリの説明図、図７はパラレルジオメトリの説明図である。

図１に示すように、自動車の左右の車輪ＷＬ，ＷＲを転舵するステアリングギヤボックス１１は車体左右方向に摺動自在なラックバー１２を備えており、ラックバー１２の両端が左右のタイロッド１３，１３を介して左右の車輪ＷＬ，ＷＲに接続される。電気モータよりなるステアリングアクチュエータ１４により回転するピニオン１５がラックバー１２に形成したラック１６に噛み合っており、ステアリングアクチュエータ１４を駆動するとピニオン１５およびラック１６を介してラックバー１２が車体左右方向に摺動し、タイロッド１３，１３を介して左右の車輪ＷＬ，ＷＲが転舵される。

ラックバー１２の両端と左右のタイロッド１３，１３との接続部には、それぞれ転舵角変更手段１７，１７が設けられる。左右の転舵角変更手段１７，１７は車体中心面に対して鏡面対称な同一構造を有するもので、ラックバー１２に対するタイロッド１３，１３の左右方向の相対位置を変化させて左右の車輪ＷＬ，ＷＲの転舵角γを別個に制御する機能を有する。

ステアリングホイール１８と一体のステアリングシャフト１９の下端に操舵反力発生手段２０が設けられる。操舵反力発生手段２０は電気モータあるいは油圧によりステアリングホイール１８に擬似的な操舵反力を付与するもので、その操舵反力の方向および大きさは任意に制御可能である。

ステアリングアクチュエータ１４の作動はステアリングアクチュエータ用電子制御ユニットＵａにより制御され、転舵角変更手段１７，１７の作動は転舵角変更手段用電子制御ユニットＵｂにより制御され、操舵反力発生手段２０の作動は操舵反力発生手段用電子制御ユニットＵｃにより制御される。

ステアリングアクチュエータ用電子制御ユニットＵａには操舵角センサＳａで検出した操舵角δと、車速センサＳｃで検出した車速Ｖと、ラック位置センサＳｄで検出したラック位置Ｐとが入力され、転舵角変更手段用電子制御ユニットＵｂには操舵角センサＳａで検出した操舵角δと、車速センサＳｃで検出した車速Ｖが入力され、操舵反力発生手段用電子制御ユニットＵｃには、操舵トルクセンサＳｂで検出した操舵トルクＴと、車速センサＳｃで検出した車速Ｖとが入力される。

次に、図２および図３に基づいて転舵角変更手段１７，１７の構造を説明する。左右の転舵角変更手段１７，１７の構造は同一であるため、その代表として右側の転舵角変更手段１７の構造を説明する。

転舵角変更手段１７はラックバー１２の端部にブラケット２１を介して支持したモータ２２を備えており、モータ２２の出力軸に固定した駆動ギヤ２３が、ラックバー１２の端部に固定した支軸２４に回転自在に支持した従動ギヤ２５に噛合する。従動ギヤ２５にはシリンダ２６が同軸に設けられており、そのシリンダ２６の車幅方向外端に設けた雌ねじ部材２７に、タイロッド１３に等速ジョイント２８を介して接続された雄ねじ部材２９が相対回転可能に螺合する。シリンダ２６の内部にピストン３０が摺動自在に嵌合しており、そのピストン３０はシリンダ２６の内部に収納したスプリング３１で雄ねじ部材２９の端部を押圧するように付勢される。

スプリング３１の弾発力は、車輪ＷＲからタイロッド１３、等速ジョイント２８、雄ねじ部材２９およびピストン３０を介して伝達される反力を下回らないように設定されている。従って、モータ２２が非通電状態にあって外力により自由に回転できるとき、スプリング３１の弾発力でピストン３０は車幅方向外側に限界位置まで押し出された状態になる。この状態からモータ２２を駆動して駆動ギヤ２３および従動２５を介してシリンダ２６を回転駆動すると、シリンダ２６の雌ねじ部材２７に螺合する雄ねじ部材２９がスプリング３１の弾発力に抗してシリンダ２６の内部に引き込まれ、タイロッド１３の実質的な長さを減少させることができる。

次に、上記構成を備えた実施例の作用を説明する。

ドライバーがステアリングホイール１８を操作すると、操舵角センサＳａで検出した操舵角δと、車速センサＳｃで検出した車速Ｖと、ラック位置センサＳｄで検出したラック位置Ｐとがステアリングアクチュエータ用電子制御ユニットＵａに入力される。ステアリングアクチュエータ用電子制御ユニットＵａは、例えば、ステアリングホイール１８の操舵角δに比例した車輪ＷＬ，ＷＲの転舵角γが得られるようにステアリングアクチュエータ１４を駆動し、ステアリングギヤボックス１１を介して車輪ＷＬ，ＷＲを転舵する。

このとき、ラック位置センサＳｄで検出したラック位置Ｐ（つまり、車輪ＷＬ，ＷＲの転舵角γ）が目標位置に一致するようにフィードバック制御が行われる。また、例えば、車速センサＳｃで検出した車速Ｖが大きいときには車輪ＷＬ，ＷＲの目標転舵角を減少させ、前記車速Ｖが小さいときには車輪ＷＬ，ＷＲの目標転舵角を増加させることで、高速時に車両の直進安定性を高めるとともに、低速時に車両の取り回しを容易にすることができる。

ステア・バイ・ワイヤ式操舵装置ではステアリングホイール１８に車輪ＷＬ，ＷＲからの操舵反力が作用しないため、操舵反力発生手段用電子制御ユニットＵｃからの指令で操舵反力発生手段２０を駆動し、ステアリングホイール１８に操舵反力を付与する必要がある。その際の目標操舵トルクは、例えば、操舵角δが大きくなるほど小さくなるように設定される。そして操舵トルクセンサＳｂで検出した操舵トルクＴが前記目標操舵トルクに一致するように、操舵反力発生手段２０の駆動がフィードバック制御される。このように、操舵反力発生手段２０でステアリングホイール１８に擬似的な操舵反力を付与することで、ドライバーの違和感を解消することができる。

尚、車速センサＳｃで検出した車速Ｖが小さいときに操舵反力発生手段２０に小さな操舵反力を発生させ、車速センサＳｃで検出した車速Ｖが大きいときに操舵反力発生手段２０に大きな操舵反力を発生させることで、高速走行時の車両挙動を安定させるとともに、車庫入れ時等のドライバーの操舵を容易にすることができる。

以上のようにしてステアリングアクチュエータ１４で左右の車輪ＷＬ，ＷＲが転舵されるとき、転舵角変更手段用電子制御ユニットＵｂで転舵角変更手段１７，１７の作動を制御することで、左右の車輪ＷＬ，ＷＲのジオメトリが変更される。即ち、転舵角変更手段用電子制御ユニットＵｂは、操舵角センサＳａで検出した操舵角δと、車速センサＳｃで検出した車速Ｖとに基づいて、旋回内輪側の転舵角変更手段１７のモータ２２の駆動量をマップ検索し、その結果に基づいて前記転舵角変更手段１７のモータ２２を駆動する。

これを更に具体的に説明すると、操舵角センサＳａによりドライバーがステアリングホイール１８を操作したことを検出したとき、車速Ｖが所定値以下の場合は転舵角変更手段１７，１７は作動せず、図４および図６に示すように、左右の車輪ＷＬ，ＷＲは通常の操舵装置と同様にアッカーマンジオメトリに従って転舵される。アッカーマンジオメトリは転舵された左右の車輪ＷＬ，ＷＲの軸線ＡＬ，ＡＲが、非操舵輪の軸線ＡＮに同一点ａで交差するもので、旋回内輪の転舵角γが旋回外輪の転舵角γよりも大きくなり、これにより低速走行時におけるスムーズな旋回が可能になる。

また車速が前記所定値を超えると、図５に示すように、旋回内輪側の転舵角変更手段１７がタイロッド１３を引き込む方向に作動し、旋回内輪の転舵角γを減少させて旋回外輪の転舵角γに近づける。これにより、左右の車輪ＷＬ，ＷＲのジオメトリは、図４および図６に示すアッカーマンジオメトリから、図５および図７に示すパラレルジオメトリ（旋回内外輪の転舵角γが同じになるジオメトリ）に近づけられる。このときの転舵角変更手段１７のモータ２２の駆動量は、操舵角センサＳａで検出した操舵角δに比例して増減する。即ち、ステアリングホイール１８の操舵角δが大きいとき、つまり転舵角γが大きいときには、旋回内輪の転舵角を減少させる量も大きくなり、ステアリングホイール１８の操舵角δが小さいとき、つまり転舵角γが小さいときには、旋回内輪の転舵角を減少させる量も小さくなる。

転舵角変更手段１７が作動するとき、車輪ＷＬ，ＷＲが路面から受ける反力の方向とモータ２２の駆動方向とが共にタイロッド１３を引き込む方向であるため、モータ２２の小型化および消費電力の節減が可能となる。

ところで、車両が旋回すると車両の進行方向と車輪ＷＬ，ＷＲの方向との間にずれ（スリップアングル）が発生し、そのスリップアングルに応じて路面からの反力（サイドフォース）が発生する。そのサイドフォースのうち、車両の進行方向と直交する方向の成分をコーナリングフォースといい、コーナリングフォースが遠心力と釣り合うことで車両が旋回する。アッカーマンジオメトリに従う転舵角γでは、旋回外輪の転舵角γが旋回内輪の転舵角γよりも小さくなるため、旋回内輪のスリップアングルが旋回内輪のスリップアングルよりも大きくなり、旋回内輪の方が大きなサイドフォース（コーナリングフォース）を発生する。

一方、車両が旋回すると遠心力によって車体が外側に傾くことで旋回外輪の接地荷重が増加して旋回内輪の接地荷重が減少し、かつ車輪ＷＬ，ＷＲが発生し得るサイドフォースの最大値は接地荷重に比例するため、接地荷重が小さい旋回内輪は接地荷重が大きい旋回外輪に比べて発生し得るサイドフォースの最大値が小さくなる。従って、アッカーマンジオメトリにより旋回内輪のスリップアングルが増加しても、旋回内輪の接地荷重が小さいために発生可能なサイドフォースの上限値が制限されてしまい、ステアリングホイール１８を操作したときにきびきびした操舵性能を得ることが難しかった。

そこで本実施例では、車両が所定値を越える車速で旋回するとき、旋回内輪側の転舵角変更手段１７のモータ２２を駆動してタイロッド１３をラックバー１２に向かって引き込むように駆動し、旋回内輪の転舵角γが旋回外輪の転舵角γに一致する方向に減少させることで、アッカーマンジオメトリをパラレルジオメトリに近づけるように制御する。その結果、接地荷重が大きいために発生可能なサイドフォースの上限値が大きい旋回外輪が負担するサイドフォースの比率を増加させ、車両全体として、従来に比べてより多くのサイドフォースを発生させてきびきびした操舵性能を得ることができる。

またドライバーが予測する車両挙動と実際の車両挙動とが一致する状態を維持できるので、ドライバーの違和感を解消することができる。しかも車輪ＷＬ，ＷＲの一方の転舵角γだけを調整すれば良いので構造が簡単である。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例ではステア・バイ・ワイヤ式操舵装置を例示したが、本発明はステアリングホイールとステアリングギヤボックスとをステアリングシャフトで接続した通常の操舵装置に対しても適用することができる。

またステア・バイ・ワイヤ式操舵装置を採用した場合、ステアリングギヤボックスを廃止し、左右の車輪を各々対応するアクチュエータで独立に転舵しても良い。

車両用操舵装置の全体図 図１の２方向矢視図 図１の３部拡大図 アッカーマンジオメトリに従う転舵時の作用説明図 パラレルジオメトリに従う転舵時の作用説明図 アッカーマンジオメトリの説明図 パラレルジオメトリの説明図

符号の説明

１１ ステアリングギヤボックス
１２ ラックバー
１３ タイロッド
１７ 転舵角変更手段
１８ ステアリングホイール
２２ モータ
２７ 雌ねじ部材
２９ 雄ねじ部材
ＷＬ 車輪
ＷＲ 車輪
γ 転舵角

Claims (3)

1. ステアリングホイール（１８）の操作により転舵される左右の車輪（ＷＬ，ＷＲ）の転舵角（γ）の関係を変更可能な車両用操舵装置であって、
   車速が所定値以下の場合には左右の車輪（ＷＬ，ＷＲ）の転舵角（γ）の関係がアッカーマンジオメトリに従い、車速が所定値を超えると左右の車輪（ＷＬ，ＷＲ）の転舵角（γ）の関係がパラレルジオメトリに近づくことを特徴とする車両用操舵装置。
2. ステアリングギヤボックス（１１）に左右移動自在に支持されてステアリングホイール（１８）の操作により左右に移動するラックバー（１２）と、ラックバー（１２）の移動を車輪（ＷＬ，ＷＲ）に伝達するタイロッド（１３）と、ラックバー（１２）およびタイロッド（１３）の位置関係を変更する転舵角変更手段（１７）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。
3. 転舵角変更手段（１７）は、相互に噛み合う雄ねじ部材（２９）および雌ねじ部材（２７）と、雄ねじ部材（２９）および雌ねじ部材（２７）の一方を回転駆動するモータ（２２）とを備え、ラックバー（１２）およびタイロッド（１３）の一方および他方にそれぞれ雄ねじ部材（２９）および雌ねじ部材（２７）を接続したことを特徴とする、請求項２に記載の車両用操舵装置。
   

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