JP2008529891A - 線形の圧力特性を有する電気油圧式の車両操舵装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、走行方向を設定するために操舵可能な車輪と作用結合された運転者によって操作可能な操舵ハンドル（１）と、２つのシリンダチャンバ（２１，２２）を備えた油圧作動シリンダ（１９）とを有する自動車用の車両操舵装置に関する。更に、スライドバルブとして形成された操舵バルブ（１５）に油圧の作用を加える油圧源が設けられている。操舵バルブは、作動シリンダのシリンダチャンバに導かれる油圧の高さを制御し、差圧が操舵アシストの作用方向と高さを決定する。操舵バルブは、スライドバルブであり、制御スリーブ（４１）と制御スライダ（４２）を有する制御セットを備える。制御スリーブ（４１）は少なくとも１つの制御窓を備えており、差圧は、制御窓の自由な横断面積に非線形に依存し、横断面積は、制御スライダの変位により変更可能である。差圧の高さが本質的に制御スライダの変位に線形に依存するように制御窓の自由な横断面積が変化するよう、制御窓の周縁部は形成されている。

Description

本発明は、自動車用の電気油圧式の車両操舵装置に関する。特に、本発明は、請求項１に記載の自動車用の操舵装置に関する。

相応に小さな車両操舵装置の制御力を要求する小さなフロントアクスルを有する最近の自動車では、従来の油圧パワーステアリングは、益々電気機械式の操舵システム（EPAS: electric power assisted steering）によって置き換えられる。この電気機械式の操舵システムでは、運転者をアシストする操舵力が、電気モータによって発生される。電気モータ式の補助駆動機構は、自動的にそれぞれの走行状況に操舵制御を適合させることを可能にする。電気モータ式の補助駆動機構は、操舵制御を自動的にそれぞれの走行状況に適合させることを可能にする。具体的には、高速道路走行時の運転者に対するステアリングフィールや操舵アシスト力の高さに関する操舵特性が、例えば高速道路と比べて速度がはるかに低く、ステアリング切れ角がはるかに大きい市街地通行中とは全く異なるということを意味する。更に、電気モータ式の補助駆動機構をそれぞれの走行補助システムによって制御することにより、例えば駐車補助又は車線追従補助のようないわゆる走行補助機能による外部介入を実現する可能性もある。

電気機械式の操舵システムの場合は、電流コントロール式の駆動モータの伝達特性がほぼ線形であることによって際立っており、これは、モータ電流と発生される操舵アシスト力が、ほぼ比例した特性を示すということである。これにより、操舵アシストの非常にしっかりしたコントローラ特性を実現することが可能である。

車両操舵装置のために大きなラック力を必要とするフロントアクスル荷重の高い車両の場合、操舵アシストのために相応に高い調整能力が必要である。標準的な１２ボルトのバッテリ電圧の場合、その場合に電気機械式の操舵装置の電気モータ式の補助駆動機構のために必要な電流値は、自動車で実際にはもはや取り扱うことのできないほど高くなる。

これから、フロントアクスル荷重の高い自動車の場合には、操舵アシストをするための補助エネルギーを、自動車の内燃機関によって駆動されるパワーステアリングポンプを介して油圧エネルギーとして提供するとよいことが結論付けられる。油圧による操舵アシストは、操舵アシスト油圧によって操舵アシスト力を発生させる。操舵アシスト圧は、スライドバルブを介してコントロールされる。但し、操舵アシスト圧の高さは、制御スライダの変位距離に非線形に依存する。この場合、コントロールが非線形特性を示すとも言われる。操舵アシストのコントロールは、この特性によって少なくとも困難になる。

これから出発して、本発明の課題は、これらの欠点を回避し、適応可能な操舵特性を備えた油圧式の車両操舵装置を提供することにある。

この課題は、請求項１による車両操舵装置によって解決される。

本発明による自動車用の車両操舵装置は、走行方向を設定するために操舵可能な車輪と作用結合された運転者によって操作可能な操舵ハンドルと、２つのシリンダチャンバを備えた油圧作動シリンダとを有する。更に、スライドバルブとして形成された操舵バルブに油圧の作用を加える油圧源が設けられている。操舵バルブは、作動シリンダのシリンダチャンバに導かれる油圧の高さを制御し、差圧が操舵アシストの高さを決定する。操舵バルブはスライドバルブであり、制御スリーブと制御スライダを有する制御セットを備える。制御スリーブは少なくとも１つの制御窓を備えており、差圧は制御窓の自由な横断面積に非線形に依存し、横断面積は制御スライダの変位により変更可能である。差圧の高さが本質的に制御スライダの変位に線形に依存するように制御窓の自由な横断面積が変化するよう、制御窓の周縁部は形成されている。

本発明の発展形によれば、複数の制御窓が設けられている。

本発明による車両操舵装置の合目的な実施例では、制御スライダの変位が往復移動である。有利なことに、制御スライダを変位させるための駆動機構が設けられていてもよい。

合目的な実施形では、駆動機構は、電磁式又は電気モータ式のアクチュエータである。電気モータ式のアクチュエータは、回転運動を往復運動に変換するギヤユニットと駆動連結されている。

本発明による車両操舵装置の実施例を図示した図面を基にして本発明を詳細に説明する。この場合、同じ又は互いに相応する部分は、同じ符号を備えている。

図１に本発明による車両操舵装置の実施例の原理図を示す。図１には、車両操舵装置の概略的な装置構造以外に、本発明による車両操舵装置の機能を実現するために必要なセンサ情報も図示されている。

図１に図示した操舵システムは、ステアリングホイール１とステアリングホイール１と結合された、２つのユニバーサルジョイント３，４を有するステアリングコラム２とから成る。ステアリングコラム２は、ステアリングホイール軸５と結合されているか、ステアリングホイール軸５の一部を構成する。ステアリングホイール軸５は、ステアリングホイール軸５の回転運動をステアリングロッド７の往復運動に変換するステアリングホイールギヤ６を駆動する。ステアリングロッド７は、図１では、ステアリングロッドに配設されたタイロッド８，９を操作するラック７として形成されている。タイロッド８，９の操作は、車両の走行方向を制御するために車輪１０，１１の旋回を生じさせる。

ここに示したラックアンドピニオンステアリングの場合、油圧アシストは、車両の駆動エンジンによって駆動される油圧ポンプ１２によって実現される。ポンプ１２は、図示した実施例ではベルト駆動機構１３を介して駆動される。しかしながら、当然本発明を実現するためには、従来技術で公知の他の全ての適当な駆動手段も考えられる。

油圧ポンプ１２は、作動液又は作動油内に配管１４を介して操舵バルブ１５に供給される圧力を発生させる。環流配管１６を介して、圧力媒体はリザーバ１７に戻すことができる。操舵バルブ１５は、２つの油圧配管１８ａ，１８ｂを介して油圧シリンダ１９と接続されている。

油圧シリンダ１９は、ピストン２０により２つのシリンダチャンバ２１，２２に分割される。ピストン２０は、ステアリングロッド７に不動に取り付けられているので、両シリンダチャンバ２１，２２が異なった圧力の作用を受けた場合に、ピストン２０は、直接ステアリングロッド７に力を加えることができる。

第２のユニバーサルジョイント４とステアリングギヤ６の間には、トーションバー２３、トルクセンサ２４及び角度センサ２５が配設されている。

角度センサ２５は、運転者によりステアリングホイール１で設定された回転角を測定し、この回転角を示す出力信号δ_driverを出す。出力信号δ_driverは、中央制御ユニット（ＥＣＵ）２８に伝送される。

トルクセンサ２４は、運転者によって加えられたトルクを測定し、トルクを示す出力信号Ｍ_drv を制御ユニット２８に引き渡す。

制御スライダによって操舵アシストの方向と高さを確定するため、即ち両シリンダチャンバ２１，２２のどちらに作動油の作用を加えるかを確定するために、制御ユニット２８から制御ライン２９が操舵バルブ１５に通じている。操舵バルブ１５内でのスライダの位置は、距離センサ３１によって測定され、その出力信号は、コントロール回路を閉じるために制御ユニット２８に戻される。

システムの故障時に、操舵バルブ１５は、作動シリンダ１９の両シリンダチャンバ２１，２２間の油圧のバイパスを生じさせる。操舵バルブ１５は、機械的なバネ３２によって予荷重を受けて図１に図示したバイパス位置に位置するように形成されている。これにより、車両がステアリングホイール１とステアリングロッド７間の機械的な連結のために操舵可能であり続けることが保証されている。シリンダチャンバ２１，２２間の油圧のバイパスは、ピストン２０が、従ってステアリングロッドが移動可能であることを保証する。

アクチュエータ圧とも呼ばれるシリンダチャンバ内のそれぞれの作動圧を測定するために、シリンダチャンバ２１，２２と圧力センサ３３ａ，３３ｂが接続している。左もしくは右のシリンダチャンバ内のそれぞれの圧力は、図１に９ｐ_AK,Li もしくはｐ_AK,Re で示されている。圧力センサ３３ａ，３３ｂの出力信号は、信号ライン３４ａ，３４ｂを介して制御ユニット２８に入力信号として供給される。

別の入力信号を、制御ユニット２８は車両バスＣＡＮから受信する。この信号は、例えば運転者補助システムから来る。

最後に、制御ユニット２８は、バッテリ電圧Ｕ_bat が所定の閾値以下に下がり車両操舵装置の申し分ない機能がもはや保証されなくなった場合、場合によっては故障メッセージを発するために、バッテリ電圧を示す信号Ｕ_bat も受信する。故障メッセージは、操舵バルブ１５がシリンダチャンバ２１，２２間に、油圧操舵アシストを機能させない油圧のバイパスを生じさせる。

操舵バルブ１５は、「オープンセンタ」を有する油圧フルブリッジであり、これは、車両操舵装置の直進位置でオイル流が操舵バルブを流れることを意味する。操舵バルブ１５は、サーボモータ３６の回転運動を操舵バルブ１５を制御するための往復運動に変換するために、サーボモータ３６と回転−往復運動変換ギヤユニット３７を介して駆動される。本発明の選択的な実施形では、操舵バルブ１５は、電磁式の駆動機構（図示されてない）を介して駆動される。

操舵バルブ１５は、図２ａに部分的に断面にした全体図で詳細に示されている。操舵バルブ１５は制御スリーブ４１を備え、制御スリーブ内で制御スライダ４２が往復移動可能である。制御スリーブ４１は、作動油によるリザーバ１７に対する無圧状態での流れの接続を生じさせる２つの接続部Ｔを有する。更に制御スリーブは、ポンプ１２から来る圧力配管１４が接続された接続部Ｐを備える。最後に、図１で右もしくは左のシリンダチャンバ２１，２２への接続を提供する２つの接続部Ａ，Ｂが設けられている。制御スリーブは、図２ａでは多数の円形の制御窓と共に図示されており、制御窓の自由な横断面積は、制御スライダ４２の移動により小さくされる。図２ａで選択された図の場合、２重矢印Δｘの方向に制御スライダ４２の移動が行なわれる。

操舵バルブ１５は、接続部Ａ及びＢ間の差圧を調整するために、４つの油圧抵抗Ｒ１〜Ｒ４を変更する油圧のフルブリッジを構成する。これにより、操舵シリンダ１９の作動室２１，２２内に異なった油圧が発生される。

油圧のフルブロックのブロック回路図を図２ｂに示す。制御スリーブ４１内での制御スライダ４２の移動は、移動によって引き起こされる制御窓の自由な横断面積Ａ₁ ，Ａ₂ ，Ａ₃ ，Ａ₄ の変化を生じさせる。

操舵シリンダ内のピストン２０は、差圧の作用を受け、相応の力をラック７に加え、これにより、所望の操舵アシストが得られる。従って、サーボモータ３６と回転−往復運動変換ギヤユニット３７から成る駆動機構によって引き起こされる操舵バルブ１５の制御スライダ４２の移動によって、操舵シリンダ１９内の差圧を制御することができる。加えて、両圧力センサ３３ａ，３３ｂと中央電子制御ユニット２８によって、予め設定された基準値に差圧を調整することが可能である。

制御スライダから戻される距離の関数としての差圧の依存度は、いわゆる絞りの方程式によって説明される。

この方程式では、
Ｑ_Lp ＝容積流量（単位時間あたりの容積）
Ａ_Bl ＝絞りの自由な横断面積
ｎ_Sb ＝制御穴の数（絞り）
α_Bl ＝流れ係数（絞りの所定の定数）
ρ_Hydr ＝作動液の密度
である。

本発明では、一定の容積流量が示され、即ちＱ_Lp＝const.である。もっぱら絞りの横断面積Ａ_blは、移動距離ｘに依存する。

図３ｂに、横断面が円形の制御窓の場合の圧力増幅機能の推移を曲線ｐ₁ を基にして図示する。明らかなように、中立位置近傍での移動距離が小さい場合、比較的小さな圧力変化しか生じないが、制御移動距離の終端領域では、比較的大きな圧力変化が生じる。車両操舵装置用の操舵アシストが圧力増幅機能によって決定されるので、この状況は、前記の非線形性を考慮するために、圧力コントローラの構造に対して非常に高い要求をする。部分的には、コントロールの安定性を保証するために、コントロールの能力を制限することが必要である。

簡単なコントローラの構造とコントロールの高い安定性を顧慮して、生じた差圧と制御スライダの距離の間のほぼ線形の関係は有利である。圧力増幅機能の相応の推移は、図３ｂでは模範的に曲線ｐ₂ により図示されている。

本発明によれば、この目標は、スライドバルブ内の制御窓の自由な横断面積の非線形の変化によって、絞りの方程式による圧力増幅機能のほぼ線形の特性を得ることにある。線形の特性は、圧力コントローラに対する能力及び頑丈さの要求に合致する。

本発明によれば、通路の面積変化の推移を制御スライダの距離ｘの関数として決定される。この目的のため、曲線ｐ₂ により図示されているように所望のほぼ線形の圧力増幅機能が設けられる。絞りの方程式によって、付属する自由な横断面積Ａ_Blの面積推移が圧力増幅機能から決定されるが、この面積推移は、図４ａに絞りの方程式におけるのと同様にＡ_Blで指示されている。この場合、絞りの方程式の他の値は、既知であることが前提である。制御スライダの距離ｘも既知であるので、付属する制御窓４３の幅は、予め設定された面積推移を微分することによって計算することができる。

図４ａには、制御窓の自由な横断面積の必要な非線形の面積変化ｄＡ_Bl／ｄｘの値もしくは制御スライダの移動時に減少する自由な横断面積の割合の値が、移動距離に依存したグラフＧ₁ により図示されている。グラフＧ₁ の下のハッチングをした面積は、制御窓の自由な横断面積Ａ_Blもしくはその前記の割合の面積に相当する。加えて、比較のため、図４ａには、制御窓が円形の場合におおよそなるように、移動距離ｘに線形に依存した面積変化の値がグラフＧ₂ により図示されているが、これは、圧力増幅機能の望ましくない非線形の推移を生じさせる。

結局、制御窓４３の幅を計算する場合には、更に、制御窓４３が制御スリーブ４２の曲がった表面内に存在することが考慮されるが、結局は、これから図４ｂに示されているよな輪郭推移４４が結論付けられる。

具体的な実施例では、線形化された圧力増幅機能もしくは付属の面積推移は、複数の制御窓４３を平行に配設することにより得られる。従って、圧力増幅機能の所望の線形特性は、制御窓４３の輪郭推移４４を相応に形成することによって得られる。

しかしながら、本発明は、実施例と関係して図示した輪郭推移４４に限定されない。むしろ、本発明は、圧力増幅機能の線形化を可能にする他のそれぞれの輪郭推移も含む。

本発明による車両操舵装置の概略図を示す。 外部制御装置を有するリニアスライドバルブの概略図を示す。 油圧のフルブリッジの原理回路図と圧力特性を決定する絞りの方程式とを示す。 制御スリーブ内の円形の制御窓 横断面が円形の制御窓の場合の制御スライダの変位距離の関数として、アシスト圧と線形化されたアシスト圧の推移とを示す。 移動距離に依存した、本発明により形成された制御窓における面積変化を制御窓の線形の面積変化と比較して示す。 本発明による車両操舵装置のスライドバルブの制御窓の形状を示す。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ ステアリングコラム
３，４ ユニバーサルジョイント
５ ステアリングホイール軸
６ ステアリングホイールギヤ
７ ステアリングロッド（ラック）
８，９ タイロッド
１０，１１ 車輪
１２ ポンプ
１３ ベルト駆動機構
１４ 配管
１５ 操舵バルブ
１６ 環流配管
１７ リザーバ
１８ａ，１８ｂ 油圧配管
１９ 油圧シリンダ
２０ ピストン
２１，２２ シリンダチャンバ
２３ トーションバー
２４ トルクセンサ
２５ 角度センサ
２８ 中央制御ユニット（ＥＣＵ）
２９ 制御ライン
３１ 距離センサ
３２ バネ
３３ａ，３３ｂ 圧力センサ
３４ａ，３４ｂ 信号ライン
３６ サーボモータ
３７ 回転−往復運動変換ギヤユニット
４１ 制御スリーブ
４２ 制御スライダ
４３ 制御窓
４４ 輪郭推移
Ａ，Ｂ 接続部
Ｔ 接続部
Ｐ 接続部
δ_driver 運転者による回転角の出力信号
Ｍ_drv 運転者によるトルクの出力信号
ＣＡＮ 車両バス
Ｕ_bat バッテリ電圧

Claims (6)

1. 操舵バルブが、作動シリンダのシリンダチャンバに導かれる油圧の高さを制御し、差圧が操舵アシストの作用方向と高さを決定する、走行方向を設定するために操舵可能な車輪と作用結合された運転者によって操作可能な操舵ハンドルと、２つのシリンダチャンバを備えた油圧作動シリンダと、スライドバルブとして形成された操舵バルブに油圧の作用を加える油圧源とを有する自動車用の車両操舵装置において、
   操舵バルブがスライドバルブであり、制御スリーブと制御スライダを有する制御セットを備えること、制御スリーブが少なくとも１つの制御窓を備えており、差圧が制御窓の自由な横断面積に非線形に依存し、横断面積が制御スライダの変位により変更可能であること、差圧の高さが本質的に制御スライダの変位に線形に依存するように制御窓の自由な横断面積が変化するよう、制御窓の周縁部が形成されていることを特徴とする車両操舵装置。
2. 複数の制御窓が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の車両操舵装置。
3. 制御スライダの変位が往復移動であることを特徴とする請求項１に記載の車両操舵装置。
4. 制御スライダを変位させるための駆動機構が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の車両操舵装置。
5. 駆動機構が、電磁式又は電気モータ式のアクチュエータであることを特徴とする請求項４に記載の車両操舵装置。
6. 電気モータ式のアクチュエータが、回転運動を往復運動に変換するギヤユニットと駆動連結されていることを特徴とする請求項５に記載の車両操舵装置。

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