JP2008168744A - 左右独立操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の車両の大幅改修や専用車両の開発を要することなく、小型で且つ信頼性の高い左右独立操舵装置を提供する。
【解決手段】左右の前輪に、それぞれ、ボールネジ式のリニアアクチュエータからなる小型の伸縮機構部２５を介して軸方向に伸縮可能なタイロッドを連結する。伸縮機構部２５は、タイロッド１３のタイロッドエンド１３ａが固設される本体部２６と、この本体部２６に略垂直に取り付けられたアクチュエータとしての電動モータ２７とを主として構成され、タイロッド１３の他端がステアリングロッド１５ａに連結され、伸縮機構部２５を介して軸方向に進退動するピストンロッド１３ｂとして形成されている。これにより、伸縮機構部２５を、タイロッド周辺のサスペンションアーム類やスタビライザ等を避けてタイヤホイール２２内に搭載可能とし、小型で且つ信頼性の高い左右独立操舵装置とすることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、タイロッド長を伸縮制御して左右輪を独立操舵する左右独立操舵装置に関する。

自動車等の車両においては、操縦安定性の向上、利便性の向上、安全性の向上等を図るため、左右輪の転舵角或いはトー角を独立に可変可能な装置の開発が進められており、最近では、転舵輪とステアリングホイールとの機械的な連結を廃止し、ドライバの操舵操作を電気的に検出して操舵制御を行う所謂ステアバイワイヤを初めとして、各種のシステムが開発されている。

しかしながら、ステアバイワイヤは、信頼性の確保、高電圧（例えば、ＤＣ４２Ｖ）電源の搭載、適切なステアリング反力制御の実装といった解決すべき課題が多く、新たな車両設計が必要となってしまう。このため、転舵輪とステアリングホイールとを機械的に連結する従来の装置や技術の上に左右独立操舵を実現する技術が依然として有力であり、このような操舵装置は、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示の操舵装置は、ステアリングシャフト下端のギヤボックスから左右に延出されるラックバーの両端に、モータの回転によって進退動する補助ラックバー機構を設けるものである。この補助ラックバー機構は、その進退動をタイロッドに伝達し、ナックルアームを介して左右輪を単独で転舵可能としており、直進走行中で左右の操舵輪に働く作用力の差が設定値以上のとき、補助ラックバー機構を駆動して左右の操舵輪の少なくとも一方の操舵量を制御することで、路面からの操舵輪に働く作用力の影響を低減することができる。
特開２００６−５６３７４号公報

しかしながら、特許文献１の操舵装置は、ギヤボックス両側のラックバーにロッド長を可変する機構をアクチュエータ（モータ）と共に設けているため、周辺のサスペンションアーム類やスタビライザ等との干渉を避けるために車室側のドライバの足元の空間を圧迫する虞があり、搭載性に難がある。このため、車両の大幅な改修や専用車両の開発が必要となってしまい、既存の装置や技術を生かせるという利点が失われてしまう。

また、アクチュエータを駆動して左右輪を独立して操舵制御するには、各輪の実転舵角等の情報を正確且つ信頼性高く得ることが必要であるが、この点について特許文献１では特に考慮されておらず、改善の余地がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、既存の車両の大幅改修や専用車両の開発を要することなく、小型で且つ信頼性の高い左右独立操舵装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による左右独立操舵装置は、車両の左右の車輪の転舵角を独立して制御可能な左右独立操舵装置であって、ステアリング操作に連動する操舵軸両端のタイロッド部に設けられ、ボールネジを介してタイロッド長を伸縮可能な機構部と、上記機構部に連設されて上記ボールネジを回転駆動し、駆動軸と上記ボールネジの進退軸とが略直交するように配設されるアクチュエータと、上記ステアリング操作に応じて上記アクチュエータの駆動を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、既存の車両の大幅改修や専用車両の開発を要することなく、小型で且つ信頼性の高い左右独立操舵装置を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図５は本発明の実施の第１形態に係り、図１は左右独立操舵装置の概略構成図、図２は伸縮機構部の配置を示す説明図、図３はタイロッド周辺の概略拡大図、図４はタイロッド伸縮機構部の構成を示す説明図、図５は故障診断処理のフローチャートである。

図１に示すように、左右独立操舵装置１０は、左右の前輪１１，１２に、それぞれ、小型の伸縮機構部２５を介して軸方向に伸縮可能なタイロッド１３，１４が連結され、これらのタイロッド１３，１４が電動式或いは油圧式のパワーステアリング機構（ＰＳ）１５の両端部に連結される主要構成を有している。ＰＳ１５には、ステアリングシャフト１６を介してステアリングホイール１７が連結され、ステアリング操作に連動する操舵軸を形成している。

タイロッド１３，１４の伸縮機構部２５は、ボールネジ式のリニアアクチュエータであり、同様の構成で左右対称に配置されている。一方のタイロッド１３側で代表して説明すると、図２に示すように、伸縮機構部２５は、タイロッド１３に介装される本体部２６と、この本体部２６に略垂直に取り付けられたアクチュエータとしての電動モータ２７とを主として、車体１８とタイヤホイール２２との間の空間内に配設され、タイロッド周辺のサスペンションアーム類やスタビライザ等を避けてタイヤホイール２２内に搭載可能に構成されている。尚、電動モータ２７に代えて、油圧で回転する油圧モータでも良い。

詳細には、図３に示すように、フロントストラット２０を受けるフロントハウジング２１に、タイヤホイール（フロントホイール）２２を装着するフロントハブ２３が懸架され、このフロントハブ２３に、ナックル２４を介してタイロッド１３の一端となるタイロッドエンド１３ａが連結されている。タイロッド１３の他端は、ＰＳ１５のステアリングロッド１５ａに連結され、伸縮機構部２５を介して軸方向に進退動するピストンロッド１３ｂとして形成されている。

図４に示すように、伸縮機構部２５の本体部２６内には、電動モータ２７の回転軸２７ａに連結されて回転するギヤと、該ギヤに噛合するギヤ群を内蔵したギヤボックス２８が配設されている。ギヤボックス２８からは、ボールネジのネジ軸２９が電動モータ２７の回転軸２７ａと直交する方向に延出されており、ボールネジのネジ軸２９にピストンロッド１３ｂの一端に形成されたボールネジのナット３０が螺合されている。これにより、電動モータ２７の回転によってネジ軸２９が回転すると、ナット３０を介してピストンロッド１３ｂが進退動作してタイロッド１３のタイロッド長が伸縮し、左右独立の操舵が可能となる。

タイロッド１３，１４の各伸縮機構部２５、ＰＳ１５は、電子制御装置（ＥＣＵ）５０に接続されている。ＥＣＵ５０は、マイクロコンピュータ及び周辺回路を備えて構成され、車両に備えられた各種のセンサ群５１が接続されている。このセンサ群５１は、例えば、車速を検出する車速センサ、車輪速度を検出する車輪速センサ、ヨーレートを検出するヨーレートセンサ、横加速度を検出するＧセンサ、ブレーキ操作を検出するブレーキスイッチ、変速機のパーキング位置を検出するパーキングスイッチ等の車両状態を検出するセンサや、各伸縮機構部２５やＰＳ１５の駆動量や駆動状態を検出するセンサ、タイロッド１３，１４の伸縮量や伸縮速度を検出するセンサ、ドライバの操舵によるステアリング角を検出するセンサ等である。

また、ＥＣＵ５０は、図示しないネットワーク等を介して車載の他の電子制御装置と双方向通信可能に接続されており、センサ群５１からの情報や、他の制御装置から送信された制御情報に基づいて、左右輪１１，１２に最適な転舵角が付与されるよう、各伸縮機構部２５やＰＳ１５を制御し、左右独立の操舵制御を実行する。

この左右独立操舵制御においては、電動モータ２７を駆動してタイロッド長を伸縮制御する際、左右輪の実転舵角を把握することが必要であり、この実転舵角情報とドライバの操作によるステアリング角情報とに基づいてタイロッド長の伸縮量を決定することができる。従って、正確且つ信頼性の高い操舵制御を実現するには、正確且つ信頼性の高い実転舵角を取得する必要がある。この実転舵角は、各輪に付設したセンサによって検出する他、関連するパラメータのセンシング値から推定することができる。

ＥＣＵ５０は、左右輪の実転舵角を少なくとも２つ以上の手法によって取得し、それらのデータを比較して互いに矛盾がないか否かを調べることで異常（故障）の有無を診断し、信頼性を確保する。本形態においては、実転舵角を検出するセンサを有しない場合に対応して、実転舵角を２つ以上の手法で推定し、各推定値を比較することで、異常の有無を診断する。実転舵角は、例えば、以下に示す手法によって推定する。

尚、実転舵角を検出するセンサを備える場合には、実転舵角のセンサによる検出値と推定値とを比較することで、異常の有無を診断するようにしても良い。

（ａ）タイロッド伸縮量に基づいて実転舵角を推定
ドライバの操舵角（ステアリング角）、タイロッド伸縮量、左右前輪の実転舵角との関係を予めシミュレーション或いは実験により求めてマップを作成しておき、このマップを用いて実転舵角を推定する。タイロッド伸縮量は、以下のように、センサによって直接検出した値、或いは、関連するセンサ値から算出した計算値を用いる。

（ａ-1）タイロッド伸縮量を直接検出
タイロッド１３，１４に設けたストロークセンサでタイロッド長の伸縮量を検出し、検出したタイロッド伸縮量とステアリング角とを、左右前輪実転舵角のマップに適用して左右輪の実転舵角を推定する。

（ａ-2）モータ回転角に基づいてタイロッド伸縮量を推定
伸縮機構部２５の電動モータ２７に付加したロータリーエンコーダ等の回転角センサでモータ回転角を検出し、この電動モータ２７の回転角とギヤボックス２８のギヤ比とボールネジピッチとからタイロッド伸縮量を算出し、算出したタイロッド伸縮量とステアリング角とを、左右輪実転舵角のマップに適用して左右輪の実転舵角を推定する。

（ｂ）タイロッドエンド回転角に基づいて実転舵角を推定
タイロッドエンド回転角と左右前輪の実転舵角との関係を予めシミュレーション或いは実験により求めてマップを作成しておき、このマップを用いて実転舵角を推定する。タイロッドエンド回転角は、タイロッド１３，１４のタイロッドエンドに付加したロータリーエンコーダ等の回転角センサにて検出する。

本形態においては、以上の（ａ-1），（ａ-2），（ｂ）によって推定した３種類の転舵角を比較し、互いの推定結果が一致している場合は正常、互いの推定結果が異なる場合は、故障と判定する。

以上の故障診断は、図５のフローチャートに示すＥＣＵ５０のプログラム処理に従って実行される。次に、この故障診断処理について説明する。

この故障診断処理は、最初のステップＳ１においてドライバ操舵角（ステアリング角）を読み込み、次に、ステップＳ２１〜Ｓ２３の処理、ステップＳ３１〜Ｓ３４の処理、ステップＳ４１〜Ｓ４３の処理を並列に実行し、それぞれ、参照パラメータの異なるマップを用いて左右前輪の実転舵角を推定する。尚、説明の都合上、図５のフローチャートでは、３種類の転舵角推定処理を同時に記載しているが、これらの処理は、互いに別の処理として並列に実行される（時系列的に実行しても良い）。

先ず、ステップＳ２１〜Ｓ２３の転舵角推定処理について説明すると、ステップＳ２１では、タイロッド１３，１４に設けたストロークセンサ等によりタイロッド伸縮量を検出し、ステップＳ２２でドライバ操舵角とタイロッド伸縮量とをパラメータとして、ドライバ操舵角、タイロッド伸縮量、左右前輪実転舵角の関係を表す転舵角マップを参照し、ステップＳ２３で左右前輪の実転舵角を推定する。

また、ステップＳ３１〜Ｓ３４の転舵角推定処理においては、ステップＳ３１で、伸縮機構部２５の電動モータ２７に付加したロータリーエンコーダ等の回転角センサでモータ回転角を検出し、ステップＳ３２でモータ回転角とギヤボックス２８のギヤ比とボールネジピッチとから計算した値をタイロッド伸縮量として推定する。

次に、ステップＳ３２からステップＳ３３へ進み、ドライバ操舵角とタイロッド伸縮量の計算値とをパラメータとして、ドライバ操舵角、タイロッド伸縮量、左右前輪実転舵角の関係を表す転舵角マップを参照し、ステップＳ３４で左右前輪の実転舵角を推定する。この場合のマップは、ステップＳ２２で用いたマップと同一のマップでも良く、また、別途、用意しても良い。

一方、ステップＳ４１〜Ｓ４３の転舵角推定処理においては、ステップＳ４１でロータリーエンコーダ等の回転角センサでタイロッドエンドの回転角を検出し、ステップＳ４２でドライバ操舵角とタイロッドエンド回転角とをパラメータとして、ドライバ操舵角、タイロッドエンド回転角、左右前輪実転舵角の関係を表す転舵角マップを参照し、ステップＳ４３で左右前輪の実転舵角を推定する。

左右前輪の実転舵角を推定した後は、ステップＳ５で３種類の転舵角の推定値を比較し、ステップＳ６で互いの推定結果が異なっているか否かを調べる。その結果、全ての推定値が一致する場合には、ステップＳ７で正常と判断して処理を抜け、３種類の推定値のうち、一致しないものがある場合には、ステップＳ８で故障と判断して故障内容を記録すると共に視覚や音による警報を出力してドライバの注意を喚起し、処理を抜ける。

以上のように、本実施の形態においては、ボールネジを利用して左右のタイロッドを伸縮する小型の伸縮機構２５をタイロッド部に設け、車両への搭載性を確保しながら左右輪の転舵角を独立して制御可能としている。これにより、ステアリングと車輪間の機械的リンクを残して従来の操舵機構に対する改修を最小限に留めてコスト上昇を抑制しながら、左右独立操舵を実現することができる。しかも、タイロッド伸縮式の左右独立操舵装置１０の特性を利用して各輪の転舵角を推定して故障診断を行うため、信頼性の高い操舵制御情報を得ることができる。

次に、本発明の実施の第２形態について説明する。図６〜図９は本発明の実施の第２形態に係り、図６はタイロッド伸縮速度とセルフアライニングトルクとの関係を示す説明図、図７はタイロッド伸縮速度によるセルフアライニングトルク推定処理のフローチャート、図８はモータ電流値とセルフアライニングトルクとの関係を示す説明図、図９はモータ電流値によるセルフアライニングトルク推定処理のフローチャート、図１０はモータトルクによるセルフアライニングトルク推定処理のフローチャートである。

第１形態におけるタイロッド伸縮式の左右独立操舵装置１０は、タイヤが発生しているセルフアライニングトルク（以下、ＳＡＴと略記）の大きさにより、タイロッド伸縮機構において、タイロッド伸縮速度や伸縮機構部２５のモータ駆動力等の駆動状態が変化する。第２形態は、このタイロッド伸縮機構の駆動状態の変化に着目し、タイヤが発生しているＳＡＴを推定するものである。

例えば、第１形態で説明したように、タイロッド１３，１４が前輪車軸の前にある操舵系では、左右前輪それぞれのＳＡＴとタイロッド伸縮速度との関係は、図６に示すような関係となり、ＳＡＴが大きくなる程、タイロッドの伸縮速度が遅くなる（タイロッドが前輪車軸の後ろにある場合は、ＳＡＴの符号が反転した関係になる）。従って、図６に示すようなタイロッド伸縮速度とＳＡＴとの関係をマップ化して予めＥＣＵ５０に備えておくことで、タイロッド伸縮速度から左右輪のＳＡＴを推定することができる。

このタイロッド伸縮速度を用いたＥＣＵ５０におけるＳＡＴの推定処理は、図７のフローチャートに示される。

図７の処理では、最初のステップＳ５１において、操舵系に備えるセンサに応じて、タイロッド伸縮量に係るセンシング値を読み込む。左右のタイロッド１３，１４にストロークセンサを備える場合には、タイロッド伸縮量を直接読み込み、ストロークセンサを備えることなく、ロータリーエンコーダ等の回転角センサを、伸縮機構部２５の電動モータ２７やタイロッドエンドに付設する場合には、回転角センサで検出したモータ回転角やタイロッド回転角を読み込む。

次にステップＳ５２において、タイロッド伸縮量、モータ回転角、タイロッド回転角の何れかを用いてタイロッドエンド伸縮速度を推定する。このタイロッド伸縮速度は、タイロッド伸縮量の時間変化、或いはモータ回転角速度とギヤボックス２８のギヤ比とボールネジピッチとに基づくタイロッド伸縮量の時間変化、或いはタイロッド回転角速度とボールネジピッチとに基づくタイロッド伸縮量の時間変化から推定される。

そして、タイロッド伸縮速度を推定した後、ステップＳ５３において、ＳＡＴとタイロッド伸縮速度との関係を表すＳＡＴ−タイロッド伸縮速度マップを参照し、タイロッド伸縮速度から左右前輪のＳＡＴを推定する。

また、タイヤが発生しているＳＡＴは、タイロッドを伸縮駆動する伸縮機構部２５の駆動力に影響を与え、ＳＡＴが大きくなる程、転舵に要する伸縮機構部２５の駆動力が増加する。このため、伸縮機構部２５の駆動力を表すモータ電流値やモータトルクとの関係において、ＳＡＴを推定することも可能である。例えば、タイロッド１３，１４が前輪車軸の前にある操舵系では、モータ電流値とＳＡＴとの関係は、図８に示すように、ＳＡＴが大きくなる程、モータ電流値が増加する関係になる（タイロッドが前輪車軸の後ろにある場合は、ＳＡＴの符号が反転した関係になる）。

従って、図８に示すようなモータ電流値とＳＡＴとの関係をマップ化して予めＥＣＵ５０に備えておくことで、タイロッド１３，１４を伸縮駆動する伸縮機構部２５のモータ電流値から左右輪のＳＡＴを推定することができる。モータトルクとＳＡＴとの関係も同様であり、モータトルクとＳＡＴとの関係を表すマップを用意しておくことで、左右輪のＳＡＴを推定することができる。

モータ電流値或いはモータトルクからＳＡＴを推定するＥＣＵ５０の処理は、図９，図１０のフローチャートに示される。

すなわち、モータ電流値を用いる場合には、図９に示すように、ステップＳ６１で伸縮機構部２５のモータ電流値を読み込み、ステップＳ６２で、ＳＡＴとモータ電流値との関係を表すＳＡＴ−モータ電流値マップを参照し、モータ電流値から左右前輪のＳＡＴを推定する。

モータトルクを用いる場合も同様であり、図１０のステップＳ７１において、伸縮機構部２５のモータトルクを読み込み、ステップＳ７２で、ＳＡＴとモータトルクとの関係を表すＳＡＴ−モータトルクマップを参照し、モータトルクから左右前輪のＳＡＴを推定する。

第２形態においては、第１形態と同様、小型の伸縮機構２５をタイロッド部に設けて車両への搭載性を確保しながら左右輪の転舵角を独立して制御可能とするばかりでなく、タイロッド伸縮式の左右独立操舵装置１０の特性を利用して左右輪それぞれのＳＡＴを推定することができ、車両のスリップ制御や旋回制御を行う上で、極めて有用な制御情報を得ることができる。

本発明の実施の第１形態に係り、左右独立操舵装置の概略構成図 同上、伸縮機構部の配置を示す構成図 同上、タイロッド周辺の概略拡大図 同上、タイロッド伸縮機構部の構成を示す説明図 同上、故障診断処理のフローチャート 本発明の実施の第２形態に係り、タイロッド伸縮速度とセルフアライニングトルクとの関係を示す説明図 同上、タイロッド伸縮速度によるセルフアライニングトルク推定処理のフローチャート 同上、モータ電流値とセルフアライニングトルクとの関係を示す説明図 同上、モータ電流値によるセルフアライニングトルク推定処理のフローチャート 同上、モータトルクによるセルフアライニングトルク推定処理のフローチャート

符号の説明

１０ 左右独立操舵装置
１３，１４ タイロッド
１３ａ タイロッドエンド
２２ タイヤホイール
２５ 伸縮機構部
２７ 電動モータ
２７ａ 回転軸
２８ ギヤボックス
２９ ボールネジのネジ軸
３０ ボールネジのナット
５０ 電子制御装置

Claims (8)

1. 車両の左右の車輪の転舵角を独立して制御可能な左右独立操舵装置であって、
   ステアリング操作に連動する操舵軸両端のタイロッド部に設けられ、ボールネジを介してタイロッド長を伸縮可能な機構部と、
   上記機構部に連設されて上記ボールネジを回転駆動し、駆動軸と上記ボールネジの進退軸とが略直交するように配設されるアクチュエータと、
   上記ステアリング操作に応じて上記アクチュエータの駆動を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする左右独立操舵装置。
2. 上記伸縮機構部及び上記アクチュエータを、上記左右の車輪のホイール内に配置することを特徴とする請求項１記載の左右独立操舵装置。
3. 上記制御手段は、
   上記タイロッド長の伸縮量と上記ステアリング操作による操舵角とに基づいて、上記左右の車輪のそれぞれの転舵角を推定することを特徴とする請求項１記載の左右独立操舵装置。
4. 上記制御手段は、
   上記タイロッド長の伸縮量を、上記アクチュエータの回転角と上記アクチュエータの回転を伝達するギヤの減速比と上記ボールネジのネジピッチとに基づいて推定することを特徴とする請求項３記載の左右独立操舵装置。
5. 上記制御手段は、
   上記タイロッド部のタイロッドエンド回転角に基づいて、上記左右の車輪のそれぞれの転舵角を推定することを特徴とする請求項１記載の左右独立操舵装置。
6. 上記制御手段は、
   上記左右の車輪のそれぞれの転舵角の複数種類の推定値或いは検出値を互いに比較し、異常の有無を診断することを特徴とする請求項１〜５の何れか一に記載の左右独立操舵装置。
7. 上記制御手段は、
   上記タイロッド長の伸縮速度に基づいて、上記左右の車輪のそれぞれのセルフアライニングトルクを推定することを特徴とする請求項１記載の左右独立操舵装置。
8. 上記制御手段は、
   上記アクチュエータの駆動力に基づいて、上記左右の車輪のそれぞれのセルフアライニングトルクを推定することを特徴とする請求項１記載の左右独立操舵装置。

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