JP2008056241A

JP2008056241A - ステアリング装置

Info

Publication number: JP2008056241A
Application number: JP2007286196A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Motoyama; 廉夫本山
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: JP4434261B2

Abstract

【課題】簡素な構成で可変ギア比制御を行なえるようにした、ステアリング装置を提供する。

【解決手段】ステアリングホイール５と操舵機構６との間に動力伝達可能にそなえられ、ねじる際に生じる抵抗がバネ力となるトーションバー３と、操舵機構６を駆動する電動モータ７と、ステアリングホイール５の操舵角を検出する第１の操舵角検出手段１と、操舵機構６の実操舵角を検出する第２の操舵角検出手段２とを備えたステアリング装置であって、第１の操舵角検出手段１で検出された操舵角に応じた目標操舵角を設定する目標操舵角設定手段１０と、第２の操舵角検出手段２で検出される実操舵角が目標操舵角に一致するように電動モータを制御する実操舵角制御手段１２とを備えて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、電動モータのアシスト力により操舵力を軽減するステアリング装置に関する。

従来、ドライバがステアリングホイール（以下、ハンドルという）を操作することにより発生する操舵トルクをトルクセンサにより検出し、このトルクセンサで検出された操舵トルクに対応するアシストトルクを電動モータによりハンドルの操舵方向へ発生させ、ドライバの操舵トルクを軽減してハンドルの操舵操作を容易にする電動パワーステアリングが知られている（従来技術１）。

一方、例えば特許文献１には、ハンドルの回転軸と操舵機構の入力軸との機械的な接続を切り離し、ドライバの操舵力又はハンドルの操舵角を電気信号に変換して、この電気信号に基づいて操舵機構を駆動させる技術（以下、ステアバイワイヤという）が開示されている（従来技術２）。
また、例えば特許文献２には、低速走行時には、ハンドル操舵角に対して車輪の操舵角が大きくなるようにして小回りが効くようにし、高速走行時には、ハンドル操舵角に対して車輪の操舵角が小さくなるようにして安定走行ができるようにする可変ギア比制御が開示されている（従来技術３）。

また、例えば特許文献３に開示されているように、ハンドルを操舵した時の操舵応答性を高めるために、ハンドル操舵速度に対応して実舵角を変更して前輪がハンドル操舵に敏感に反応するようにした、前輪位相進み制御も知られている（従来技術４）。
また、特許文献４には、電動パワーステアリングに関する技術が開示されている。
特開２０００−１０８９１４号公報特開２０００−１９８４５２号公報特開２０００−１５９１３４号公報特開平６−２７８６２５号公報

ところで、従来の電動パワーステアリング（従来技術１）では、ハンドルの回転軸と操舵機構の入力軸とが機械的に強固に連結されており、また、操舵トルクに応じたアシストトルクを電動モータにより発生させているので、モータの慣性やウォームギア等の減速機構のフリクションにより操舵フィーリングが良くない。特に、大きなモータを必要とする中型車又は大型車においてはこの影響が大きく、電動パワーステアリングの適用が困難である。また、この場合、上述した可変ギア比制御や前輪位相進み制御を適用することは不可能である。

また、従来技術３では、可変ギア比制御は可能だが、構造が複雑であり、また、前輪位相進み制御を適用することできない。さらに、従来技術４では、可変ギア比制御や前輪位相進み制御が可能であるが、構造が非常に複雑であるという課題がある。
一方、従来技術２では、ハンドルと操舵機構との機械的なつながりがないために、ハンドルと操舵機構とを接続する電気系統の故障等のシステムフェイルが発生した場合、ハンドルと操舵機構とが完全に切り離された状態となり、いくらハンドルを操作しても車輪に動力が伝達されないというおそれが生じる。

なお、特許文献４には、電動パワーステアリングに関する技術が開示されている。そして、この技術をステアバイワイヤシステムに適用することにより、システムフェイル時にも、ドライバによる操舵操作を可能とすることができる。つまり、この技術では、所定のハンドル操舵角までは、ハンドルと操舵機構との間に機械的な接続が全くないが、ハンドル操舵角が上記の所定角度以上となると、ハンドルと操舵機構とが接続状態となり、ドライバの操舵操作による機械的な操舵が可能となる。

しかしながら、この技術では、システムフェイル時に所定のハンドル操舵角までハンドルを操作した時にハンドルと操舵機構との間に急激に機械的な接続が生じるので、いわゆる底付きが生じて操舵負荷が急激に大きくなり操舵フィーリングが良くないという課題がある。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、簡素な構成で可変ギア比制御を行なえるようにした、ステアリング装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の本発明のステアリング装置は、ステアリングホイールと操舵機構との間に動力伝達可能にそなえられ、ねじる際に生じる抵抗がバネ力となるトーションバーと、前記操舵機構を駆動する電動モータと、ステアリングホイールの操舵角を検出する第１の操舵角検出手段と、操舵機構の実操舵角を検出する第２の操舵角検出手段とを備えたステアリング装置であって、前記第１の操舵角検出手段で検出された前記操舵角に応じた目標操舵角を設定する目標操舵角設定手段と、前記第２の操舵角検出手段で検出される前記実操舵角が前記目標操舵角に一致するように電動モータを制御する実操舵角制御手段とを備えたことを特徴としている。

また、前記目標舵角設定手段により設定される前記目標操舵角は、前記第１の操舵角検出手段で検出された操舵角に比例した比例舵角値と、前記操舵角の微分値に比例した微分舵角値との和であることが好ましい（請求項２）。
また、前記ステアリングホイールに回転ダンパが連結されていることが好ましい（請求項３）。

したがって、所定角度までは、ねじれ部材がねじれることにより、この範囲ではステアバイワイヤと同様のステアリング装置となり、可変ギア比制御や位相進み制御が可能となる。
また、ステアリング装置のフェイル時であっても、ステアリングホイールを所定角度以上操作すると、ねじれ部材のねじれが許容されなくなるので、ステアリングホイールの操作に応じて操舵機構が駆動される。また、ステアリングホイールの操舵量が所定角度となるまでは、ねじれ部材のねじれ量に応じてステアリングホイールの操舵力が徐々に大きくなるので、いわゆる底付き感が生じることもない。

請求項１記載の本発明のステアリング装置によれば、ステアリング装置のシステム正常時には、ねじれ部材がねじれを許容する所定の範囲内において、ハンドル操作による操舵量が前輪に伝達されないので、ステアバイワイヤと同様に可変ギア比制御や前輪位相進み制御を実行することができる。
また、ステアリング装置がシステムフェイル時であっても、ねじれ部材によりステアリングホイールと操舵機構とが機械的に接続されており、ステアリングホイールの操舵力を操舵機構に伝達することができ、フェイルセイフを確保できる。

また、このとき、ねじれ部材のバネ特性により、所定角度のねじれまでは操舵力の回転方向に対して反対方向に操舵反力が生じるので、ドライバは操舵反力を感じることができる。
また、ねじれ部材のねじれが許容されなくなる時（即ち、ハンドルの操舵角が所定角度に達した時）には、ドライバは底つき感を感じることなくハンドルを操舵できる。したがって、ドライバが違和感を憶えることもない。

さらに、衝撃緩和部材が、ねじれ部材のねじれ戻りの際に生じる軸回転方向の力（ねじり反力）を緩和するので、ドライバはより自然な操舵反力を感じることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１〜図５は本実施形態のステアリング装置を示すもので、図１はその構成を模式的に示す斜視図，図２はその要部機能に着目したブロック図，図３はその位相進み制御を説明するためのフローチャート，図４は位相進み制御のゲインを設定するためのマップ，図５はその制御特性の一例を示す図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態としてのステアリング装置が適用される車両には、第１の操舵角検出手段としての第１舵角センサ１，第２の操舵角検出手段としての第２舵角センサ２，ねじれ部材３，衝撃緩和部材としてのロータリダンパ４，ステアリングホイール（以下、ハンドルという）５，操舵機構６，電動モータ７，ゲイン設定手段９，目標操舵角設定手段１０，車速センサ１１等をそなえている。

第１舵角センサ１は、例えばハンドル５の回転軸５ａに備えられ、ハンドル５の回転角（操舵角）θ_H1を検出するようになっている。
第２舵角センサ２は、例えば操舵機構６の入力軸６ａに備えられ、操舵機構６の入力軸６ａの回転角〔即ち、車輪（前輪）の実操舵角〕θ_H2を検出するようになっている。
ねじれ部材３は、例えば、ねじる際に生じる抵抗がバネ力となるトーションバーであり、ハンドル５と操舵機構６との間（詳細には、ハンドル５の回転軸５ａと操舵機構６の入力軸６ａとの間）にそなえられている。

また、ねじれ部材（以下、トーションバーという）３は、回転軸中心に所定角度までの範囲内でねじれを許容するようになっている。即ち、トーションバー３が所定角度以上ねじれると、トーションバー３が剛体として機能するようになっている。
ところで、ハンドルと操舵機構とがトーションバーにより機械的に接続されている一般的なパワーステアリング機構では、トーションバーのねじれ角度に応じたアシスト制御を行なうが、トーションバーのねじれ剛性が小さいと操舵のダイレクト感が阻害される。このため、一般的なパワーステアリングのトーションバー剛性は、適正な操舵反力が確保できる範囲で、できるだけ大きく設定される。

例えば、一般的な油圧パワーステアリング機構のトーションバーのねじれ剛性は、約１７〜２２Ｎｍ／ｒａｄ（約０．０３〜０．０４ｋｇｆ・ｍ／ｄｅｇ）である。
通常の運転でドライバが発生する最大の操舵トルクは、車両によっても異なるが、約３．０Ｎｍ（約０．３ｋｇｆ・ｍ）程度であるので、通常の運転で発生するトーションバーのねじれ角は約７．５〜１０ｄｅｇ（即ち、０．１４〜０．１８ｒａｄ）程度になる。

これに対して本実施形態では、トーションバー３のねじれ剛性を小さくして積極的にそのねじれ角を利用するため、トーションバー３のねじれ剛性は、一般的なパワーステアリング機構に用いられるトーションバーの約１／３の５．６Ｎｍ／ｒａｄ（約０．０１ｋｇｆ・ｍ／ｄｅｇ）程度とし、約３０ｄｅｇのねじれ角が発生しうるように設定されている。即ち、本実施形態のトーションバー３は、±３０ｄｅｇのねじれを許容するような剛性の低いトーションバーとして構成されている。

ロータリダンパ４は、一種の衝撃吸収ダンパであり、ハンドル５に連結され、ハンドル５の操作時に操舵反力を付与するようになっている。つまり、ハンドル５の操舵角速度に対応して効果を発揮するもので、ハンドル５の操舵角速度が小さい時は抵抗が小さく（即ち、操舵反力が小さく）、ハンドル５の操舵角速度が大きい時は抵抗が大きく（即ち、操舵反力が大きく）なるように構成されている。

また、ロータリダンパ４により、ハンドル５が受ける路面からのキックバックや振動が緩和されるようになっている。
さらに、ロータリダンパ４は、トーションバー３のねじれ戻りの際に生じる軸回転方向の反力（ねじり反力）を緩和するようにも機能している。
なお、ロータリダンパ４の特性を適宜に設定することにより、ロータリダンパ４の操舵反力の大きさを変更することも可能である。

操舵機構６は、ピニオン８ａとラック軸８ｂとからなるギア装置８により構成されており、ラック軸８ｂの両端には前輪６ｂ，６ｂが接続されている。
電動モータ７は、操舵機構６に接続され、第２舵角センサ２で検出される前輪の実操舵角が第１舵角センサ１で検出された操舵角に応じた目標操舵角θ₂′となるように操舵機構６を駆動するようになっている。

ここで、目標操舵角θ₂′は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）１２内に設けられた目標操舵角設定手段１０により設定されるようになっており、また、このＥＣＵ１２により可変ギア比制御や位相進み制御が実行されるようになっている。また、ＥＣＵ１２には、車速センサ１１で検出された車速Ｖに対応したゲインＫ₁，Ｋ₂を設定するゲイン設定手段９が設けられている。

そして、目標操舵角設定手段１０では、第１舵角センサ１で検出されたハンドル５の操舵角θ_H1とゲイン設定手段９で設定されたゲインＫ₁，Ｋ₂とから目標操舵角θ₂′を設定するようになっている。
ここで、前輪位相進み制御について説明すると、図２及び図３に示すように、まず、ゲイン設定手段９により、車速センサ１１で検出された車速Ｖに基づいて比例ゲインＫ₁及び微分ゲインＫ₂が設定される（図３に示すステップＳ１）。なお、ゲインＫ₁，Ｋ₂は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すような特性に設定されている。

そして、図２に示すように、目標操舵角設定手段１０により、第１舵角センサ１で検出されたハンドル５の操舵角θ_H1とゲイン設定手段９で設定されたＫ₁，Ｋ₂とに基づいて目標操舵角θ₂′が設定される（図３に示すステップＳ２）。なお、この目標操舵角θ₂′は、以下の式で求められる。
θ₂′＝Ｋ₁θ_H1＋Ｋ₂（ｄθ_H1／ｄｔ）
すなわち、目標操舵角θ₂′は、ハンドル操舵角に、ハンドル操舵速度に対応した角度を加えることにより求められる。

一方、第２舵角センサ２により車輪の実操舵角θ_H2が検出され、この実操舵角θ_H2が、上記のように設定された目標操舵角θ₂′となるように（即ち、目標操舵角θ₂′と実操舵角θ_H2との偏差が０となるように）、電動モータ７により操舵機構６が駆動されるようになっている（図３に示すステップＳ３）。
このように、本実施形態では、ハンドル５の回転軸５ａと操舵機構６の入力軸６ａとの間にねじれ剛性の低いトーションバー３を設けて回転軸５ａと入力軸６ａとを接続しているので、トーションバー３のねじれが許容される所定角度までは、２つの舵角センサ１，２からの情報に基づき舵角を制御するステアバイワイヤと同様のシステムとなり、これら２つの舵角センサ１，２で検出される舵角θ_H1，θ_H2及び車速センサ１１で検出される車速Ｖに基づいて前輪位相進み制御を行なうことができるのである。

なお、本実施形態では、可変ギア比制御も可能である。この場合、上述の前輪位相進み制御におけるハンドル操舵角速度に対応する項を０とすれば良い。即ち、Ｋ₂＝０とすれば良い。
以下、図５を用いて、その制御特性について説明すると、可変ギア比制御は、トーションバー３がねじれを許容する範囲（即ち、−３０ｄｅｇ以上３０ｄｅｇ以下）内で可能である。それ以外のねじれ角（即ち、−３０ｄｅｇ以下又は３０ｄｅｇ以上）においては、トーションバー３のねじれが許容されなくなり操舵機構６が直接駆動される。

なお、可変ギア比制御の制御可能範囲における中心線（図５中Ｌで示す線）は、可変ギア比制御の基準ギア比であり、ギア装置８のピニオン８ａとラック軸８ｂとのギア比によって決まるものである。本実施形態では、この中心線Ｌの傾きが、一般的なギア比よりも大きく設定されている。つまり、一般的なギア比の制御よりも全体的にクイックな制御が実現できるようになっている。

また、高速で走行中の場合は、ハンドル操舵角θ_H1に対する前輪実操舵角θ_H2を中心線Ｌの傾きよりも小さくして一般的なギア比の傾きに合わせ、ハンドル操舵角θ_H1に対する前輪実操舵角θ_H2が相対的に小さくなるように設定されている。つまり、高速走行中には、ハンドル操舵に対する前輪の動きが敏感になるのを防止しているのである。
一方、低速で走行中の場合は、高速で走行中の場合よりも、ハンドル操舵角θ_H1に対する前輪実操舵角θ_H2が大きくなるように設定されている。つまり、低速走行中にはハンドル操舵が前輪に敏感に伝達されるようにして機敏な運転ができるようになっている。

つまり、低速走行においてはクイックな（ギア比小）特性、又、高速走行においてはスローな（ギア比大）特性が得られる可変ギア比制御により、低速走行時でのドライバの運転負担の低減及び高速走行時での安定走行を実現できる。
また、同時に、低速走行においては、トーションバー３のねじれが小さいため、ドライバの感じる反力が小さくなり、ドライバの負担が小さくなる。逆に、高速走行においては、トーションバー３のねじれが大きいため、ドライバの感じる反力が大きくなり、ドライバはしっかりとした重めの反力を感じることができる。

なお、制御可能範囲の傾きは、車種に応じて適宜変更可能であり、一般的なギア比と同様の傾き、又は、一般的なギア比よりも小さい傾きに設定しても良い。
本発明のステアリング装置は、上述のように構成されているので、ステアリング装置が正常な場合には、第１舵角センサ１により、ハンドル５の操舵角θ_H1が検出され、第２舵角センサ２により、車輪の実操舵角θ_H2が検出される。

そして、ゲイン設定手段９により、車速センサ１１で検出された車速Ｖに基づいて、ゲインＫ₁，Ｋ₂が設定される。
また、目標操舵角設定手段１０により、ゲイン設定手段９で設定されたゲインＫ₁，Ｋ₂とハンドル５の操舵角θ_H1とに基づいて、目標操舵角θ₂′が設定される。
そして、電動モータ７により、第２舵角センサ２で検出される実操舵角θ_H2が目標操舵角θ₂′となるように操舵機構６が駆動される。

また、このような前輪位相進み制御により、ハンドル操舵速度に合わせて速やかに前輪を追従させることができる。また、舵角センサ１，２を用いた操舵制御のため、トルクセンサにより操舵制御を行なうパワーステアリングとは異なり、モータの慣性やフリクションによる操舵違和感が抑制され、中型車や大型車への適用が可能である。
また、トーションバー３が、ハンドル５と操舵機構６との間にそなえられているので、センサ類又はＥＣＵの故障等によりステアバイワイヤが機能しなくなった場合（即ち、システムフェイルが生じた場合）でも、ハンドル５と操舵機構６とがトーションバー３を介して機械的に接続されているので、ハンドル５の操舵力を操舵機構６に伝達することができ、フェイルセイフを確保できる。

特に、トーションバー３は、軸回転方向において±３０ｄｅｇのねじれを許容するとともに、−３０ｄｅｇ以下又は３０ｄｅｇ以上はねじれを許容しないので、システムフェイル時には、ハンドル５を３０ｄｅｇ以上又は−３０ｄｅｇ以下操舵すると、ハンドル５の操舵量を操舵機構６に伝達することができる。
また、トーションバー３のバネ特性により、±３０ｄｅｇのねじれまでは操舵量に応じて操舵反力が生じるので、ドライバは操舵反力を感じることができるとともに、トーションバー３のねじれが許容されなくなる時（即ち、ハンドル５の操舵角が±３０ｄｅｇの時）には、ドライバは底つき感を感じることなく前輪６ｂ，６ｂを転舵させることができる。

なお、上述したように、システムフェイル時、ハンドル５の操舵角が±３０ｄｅｇまではハンドル操舵による転舵が行なわれないので、ドライバはステアリング機構に何かしらの異常があると感じることができる。また、ハンドル５の操舵角が３０ｄｅｇ以上又は−３０ｄｅｇ以下になると、ハンドル操舵による操舵が可能となるので、走行中に突然操舵操作が効かなくなるということを防止でき、路肩側への緊急停車や修理工場までの走行が可能である。

さらに、例えば、ステアバイワイヤでは、前輪が発生する操舵反力の１００％を前輪操舵用のモータにより発生する必要があるとともに、操舵反力発生用のモータも駆動する必要もあるため、消費電力が非常に大きいが、本発明のステアリング装置では、トーションバー３の所定回転角度以上においてドライバの操舵トルクがトーションバー３を介して前輪に伝達されるので、ステアバイワイヤで消費される電力ほど大きな電力を必要としない。

また、ロータリダンパ４により、ハンドル５が受ける路面からのキックバックや振動を緩和することができる。
さらに、ロータリダンパ４により、トーションバー３のねじれ戻りの際に生じる軸回転方向の力（ねじり反力）を緩和して、ドライバに自然な操舵反力を与えることができる。即ち、ロータリダンパ４がなければ、ドライバに伝達される操舵反力はトーションバー３のねじり反力のみになり、例えば、走行中又は据え切り中にドライバがハンドル５から手を放した場合、バネで弾かれたように勢いよくハンドル５が中立に戻ってしまうおそれがあるが、このロータリダンパ４がハンドル５に連結されていることにより、このような事態を回避することができる。

さらに、ねじれ部材３がねじれを許容する所定の範囲内ではハンドル操舵が前輪に伝達されないので、ステアバイワイヤと同様に可変ギア比制御や前輪位相進み制御を実行できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

例えば、本実施形態では、前輪位相進み制御や可変ギア比制御を行なうように構成したが、特にこれらの制御を行なわないようにしても良い。
また、図６（ａ）に示すように、支持体１４と、ハンドル５の回転軸５ａに固設された剛板１３と、支持体１４と剛板１３との間に介装されるバネ部材１５とからねじれ部材３ａを構成するようにしても良い。なお、支持体１４は、ハンドル５の回転軸５ａと一体に回転するように回転軸５ａに取り付けられている。

これにより、本実施形態のトーションバー３と同様に所定角度の範囲内での回転軸５ａのねじれを許容することができる。また、本実施形態と同様に、バネ部材１５の反力により、ドライバに自然な操舵反力感を与えることができるとともに、ねじれ部材３ａのねじれが許容されなくなる時（即ち、ハンドル５の操舵角が所定角度になった時）には、ドライバは底つき感を感じることなくハンドル５を操舵できる。

また、図６（ｂ）に示すように、上記のバネ部材１５の代わりにゴム部材１６を設けるようにしても良い。このようにしても、本実施形態のトーションバー３を設けたときと同様の効果が得られる。
また、ロータリダンパ４の代わりに電気的に制御されるダンパ又はモータ等を用いて、走行状況に応じてこれらの特性を制御することにより、操舵フィーリングをさらに向上させることもできる。

本発明の一実施形態としてのステアリング装置の構成を模式的に示す斜視図である。本発明の一実施形態としてのステアリング装置の要部機能に着目したブロック図である。本発明の一実施形態としてのステアリング装置の位相進み制御を説明するためのフローチャートである。本発明の一実施形態としてのステアリング装置における位相進み制御のゲインを設定するためのマップである。本発明の一実施形態としてのステアリング装置の制御特性の一例を示す図である。本発明の変形例としてのステアリング装置のねじれ部材を示す模式図である。

符号の説明

１第１舵角センサ（第１の舵角検出手段）
２第２舵角センサ（第２の舵角検出手段）
３，３ａ，３ｂねじれ部材
４ロータリダンパ（衝撃緩和部材）
５ハンドル（ステアリングホイール）
５ａハンドルの回転軸
６操舵機構
６ａ操舵機構の入力軸
６ｂ前輪
７電動モータ
８ギア装置
８ａピニオン
８ｂラック軸
９ゲイン設定手段
１０目標操舵角設定手段
１１車速センサ
１２ＥＣＵ（電子制御ユニット）
１３剛板
１４支持体
１５バネ部材
１６ゴム部材

Claims

ステアリングホイールと操舵機構との間に動力伝達可能にそなえられ、ねじる際に生じる抵抗がバネ力となるトーションバーと、前記操舵機構を駆動する電動モータと、ステアリングホイールの操舵角を検出する第１の操舵角検出手段と、操舵機構の実操舵角を検出する第２の操舵角検出手段とを備えたステアリング装置であって、
前記第１の操舵角検出手段で検出された前記操舵角に応じた目標操舵角を設定する目標操舵角設定手段と、
前記第２の操舵角検出手段で検出される前記実操舵角が前記目標操舵角に一致するように電動モータを制御する実操舵角制御手段とを備えた
ことを特徴とする、ステアリング装置。
前記目標舵角設定手段により設定される前記目標操舵角は、前記第１の操舵角検出手段で検出された操舵角に比例した比例舵角値と、前記操舵角の微分値に比例した微分舵角値との和である
ことを特徴とする、請求項１記載のステアリング装置。
前記ステアリングホイールに回転ダンパが連結されている
ことを特徴とする、請求項１又は２記載のステアリング装置。