JP2009035040A - ステアリング装置、自動車、及びステアリング制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ラックを伸縮させる機構において、消費エネルギを低減すると共に、レイアウトを容易にする。
【解決手段】運転者のステアリング操作に応じた車体左右方向の進退によって左右輪７Ｌ・７Ｒを操向するラック４と、ラック４を車体左右方向に伸縮させる１つの伸縮機構１３と、運転者のステアリング操作をラックに伝達するステアリングシャフト３上で、入力角に対する出力角の舵角比を変更可能な舵角比可変機構１１とを備え、車両の状態に応じて左右輪の目標転舵角δ_L・δ_Rを算出し、算出した目標転舵角δ_L・δ_Rに応じて伸縮機構１３と舵角比可変機構１１を駆動制御する（ステップＳ１〜Ｓ４）。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステアリング装置、これを備えた自動車、及びステアリング制御方法に関するものである。

ステアリングラックの両端に、ラックの長さを変更可能な伸縮機構を設け、これら左右の伸縮機構によってラックの長さを変更することで左右輪の転舵角を個別に調整し、極低速領域でアッカーマンジオメトリを実現したり、中・高速領域でパラレルジオメトリを実現したりするものがあった（特許文献１参照）。
特開２００５−１３８７０９号公報

しかしながら、左右に１機ずつ、計２機の伸縮機構を設けると、消費エネルギが増大すると共に、レイアウトの制約も多い。つまり、車輪を操向するとき、ラックには大きな力が加わることになり、このラックを伸縮させることは、例えば電動パワーステアリングのように減速機を介してラックを進退させることとは違って、大きなエネルギを消費することになる。また、そのように大きな力を発生させるために伸縮機構が大型化するほど、レイアウトが困難になる。特にハンドルを設けた側（右ハンドルであれば右側）は、ピニオンとの噛合位置からラック端部までの距離が短く、さらにエンジン排気系統が近傍を通過していることが多いため、レイアウトは一層困難である。
本発明の課題は、ラックを伸縮させる機構において、消費エネルギを低減すると共に、レイアウトを容易にすることである。

上記の課題を解決するために、本発明に係るステアリング装置は、運転者のステアリング操作に応じた車体左右方向の進退によって左右輪を操向するラックと、ラックを車体左右方向に伸縮させる１つの伸縮機構と、運転者のステアリング操作をラックに伝達する回転軸上で、入力角に対する出力角の舵角比を変更可能な舵角比可変機構とを備え、車両の状態に応じて左右輪の目標転舵角を算出し、算出した目標転舵角に応じて伸縮機構及び舵角比可変機構を駆動制御することを特徴とする。

本発明に係るステアリング装置によれば、伸縮機構でラックを伸ばしたり縮めたりすることで左右輪の相対的な転舵角を変更すると共に、舵角比可変機構で入力角に対する出力角を変更することで、左右輪の夫々の転舵角を制御し、任意のステアリング特性を実現することができる。この場合、伸縮機構が１つで済むので、２つ設けていた従来技術と比べて、消費エネルギを低減でき、尚且つレイアウトも容易である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》
《構成》
図１は、自動車１のステアリング機構である。ステアリングホイール２は、ステアリングシャフト３、ピニオン（図示省略）、ラック４、タイロッド５、ナックル６を順に介して車輪７Ｌ・７Ｒに連結している。すなわち、ステアリングホイール２の回転に応じて、ラック４が車体左右方向に進退し、タイロッド５を押したり引いたりすることでナックル６を介して車輪７Ｌ・７Ｒを操向できる。なお、ピニオン及びラック４は、ハウジング８に収容している。

ステアリングシャフト３には、ステアリングホイール２からの入力角に対するピニオンへの出力角の舵角比を変更可能な舵角比可変機構１１を設けている。また、この舵角比可変機構１１よりも下流側（車輪側）には、運転者のステアリング操作を助勢する、つまりステアリングシャフト３の回転に対して電動モータでアシストトルクを付与する電動パワーステアリング１２を設けている。さらに、右ハンドル車と仮定した場合、ラック４の左輪側には、ラック４を伸縮させる、つまりラック４の長さを変更できる伸縮機構１３を設けている。これら舵角比可変機構１１、電動パワーステアリング１２、伸縮機構１３は、コントローラ１４によって駆動制御する。

伸縮機構１３は、ラック４に固定された本体２１から、進退ロッド２２を前進させたり後退させたりすることで、ラック４自体の進退とは別に、左輪側のタイロッド５を押したり引いたりすることができる。つまり、ラック４の両側にあるタイロッド５同士の距離を変更することで、ラック４を伸縮させることができる。ここでは、ラック４を左右輪のキングピン軸よりも車体後方に配置していることにする。したがって、例えば左旋回時に、進退ロッド２２を前進させる、つまりラック４を伸長させると、左輪側のタイロッド５を押すことになり、旋回内輪となる左輪舵角δ_Lが小さくなる。逆に、進退ロッド２２を後退させる、つまりラック４を収縮させると、左輪側のタイロッド５を引くことになり、旋回内輪となる左輪舵角δ_Rが大きくなる。

具体構造は、本体２１の内部に円筒部材２３を回転自在の状態で保持し、この円筒部材２３の内周と進退ロッド２２の外周とをボール２４を介して螺合させる。なお、進退ロッド２２は、回転阻止した状態で軸支する。一方、円筒部材２３の外周にロータ２５を形成すると共に、本体２１の内周にロータ２５と対向するステータ２６を形成する。したがって、ブラシ２７を介してロータ２５へ給電するときに、円筒部材２３が回転し、この円筒部材２３と螺合した進退ロッド２２が軸方向に進退することなる。
コントローラ１４は、操舵角、車速、ヨーレート、横加速度など、各種センサからの信号を入力し、所定時間毎に図３の駆動制御処理を実行する。

次に、図３の駆動制御処理について説明する。
ステップＳ１では、各種データを読込む。
続くステップＳ２では、下記のように、左右輪の目標転舵角δ_L・δ_Rを算出する。
先ず、下記（１）式と（２）式を満たす左右輪のタイヤ横力Ｆｙ_i（ｉ＝Ｌ、Ｒ）を算出する。ここで（１）式は、左右輪の実タイヤ横力Ｆｙ_iの総和を、目標タイヤ横力Ｆｙ^*に一致させる制御則である。目標タイヤ横力Ｆｙ^*は、操舵角θ、車速Ｖ、横加速度Ｇｙなどに応じて算出する。また（２）式は、最大タイヤ横力Ｆｙ_i(MAX)に対する実タイヤ横力Ｆｙ_iの比を、左右輪で一致させる制御則である。最大タイヤ横力Ｆｙ_i(MAX)は、輪荷重に応じて算出する。
Ｆｙ_L＋Ｆｙ_R＝Ｆｙ^*(θ、Ｖ、Ｇｙ…) ………（１）
Ｆｙ_L／Ｆｙ_L(MAX)＝Ｆｙ_L／Ｆｙ_L(MAX) ………（２）
そして、図４に示すように、タイヤ横力Ｆｙ_iを達成するのに必要なスリップアングルβ_iを算出し、このスリップアングルβ_L・β_Rに基づいて左右輪の目標転舵角δ_L・δ_Rを算出する。

続くステップＳ３では、下記（３）式に従って、目標転舵角δ_L・δ_Rを達成するのに必要な、伸縮機構１３における進退ロッド２２の進退量Ｘと、舵角比可変機構１２における入力角と出力角の舵角比Ｋとを算出する。ここで、θは操舵角、ａはピニオン及びラック４の減速比（ピニオンの回転量に対するラック変位量の比）、ｂ_Lはラック変位量に対する左輪の舵角変化量の比、ｂ_Rはラック変位量に対する右輪の舵角変化量の比である。
δ_L＝ｂ_L（ａ×Ｋ×θ＋Ｘ）
δ_R＝ｂ_R×ａ×Ｋ×θ ………（３）
続くステップＳ４では、進退量Ｘに応じて進退機構１３を駆動制御すると共に、舵角比Ｋに応じて舵角比可変機構１２を駆動制御してから所定のメインプログラムに復帰する。

《作用》
伸縮機構１３で進退ロッド２２を進退させると、ラック４が伸縮することになり、ラック４自体の進退とは別に、左輪側のタイロッド５を押したり引いたりすることができるので、左輪舵角を任意に制御することができる。つまり、左右輪の相対的な転舵角を変更することができる。一方、舵角比可変機構１１で入力角に対する出力角を変更すると、操舵角θに係らずラック４の進退を任意に制御することができる。つまり、左右輪の絶対的な転舵角を変更することができる。したがって、これら伸縮機構１３と舵角比可変機構１１の組合せにより、左右輪の転舵角を個別に制御することで、任意のステアリング特性を実現することができる。

本実施形態では、前記（１）式に従って、左右輪の実タイヤ横力Ｆｙ_iの総和を、目標タイヤ横力Ｆｙ^*に一致させると共に、前記（２）式に従って、最大タイヤ横力Ｆｙ_i(MAX)に対する実タイヤ横力Ｆｙ_iの比を、左右輪で一致させる（ステップＳ２〜Ｓ４）。
旋回時は、旋回内輪に対して旋回外輪の輪荷重が増加するので、旋回内輪の方が早く最大タイヤ横力、つまり限界に達することになる。しかしながら、最大タイヤ横力Ｆｙ_i(MAX)に対する実タイヤ横力Ｆｙ_iの比が、左右輪で一致するように、左右輪の転舵角を制御することで、旋回外輪と旋回内輪とが夫々の最大タイヤ横力Ｆｙ_i(MAX)に対して均等に近づくことになるので、旋回性能を向上させることができる。同時に、左右輪の実タイヤ横力Ｆｙ_iの総和を、目標タイヤ横力Ｆｙ^*に一致させることで、操舵角θ、車速Ｖ、横加速度Ｇｙなどに応じた最適なステアリング特性を実現することができる。

そして、伸縮機構１３が１つで済むので、図５に示すように、２つ設けていた従来技術と比べて、消費エネルギを低減することができる。伸縮機構を１つにした代わりに舵角比可変機構１１を設けているが、大きな力が加わるラック４を伸縮させることとは異なり、舵角比可変機構１１の消費エネルギは遥かに少ない。さらに、伸縮機構１３を１つにしたことで、レイアウトも容易である。

《応用例》
ラック４の左輪側に伸縮機構１３を設けているが、左ハンドル車であれば、図６に示すように、ラック４の右側に伸縮機構１３を設ければよい。つまり、ピニオンとの噛合位置からラック端部までの距離が長い側に、伸縮機構１３を設ければ、レイアウトし易い。

《効果》
以上より、ステップＳ１〜Ｓ４の処理が「制御手段」に対応している。
（１）運転者のステアリング操作に応じた車体左右方向の進退によって左右輪を操向するラックと、ラックを車体左右方向に伸縮させる１つの伸縮機構と、運転者のステアリング操作をラックに伝達する回転軸上で、入力角に対する出力角の舵角比を変更可能な舵角比可変機構と、車両の状態に応じて左右輪の目標転舵角を算出し、算出した目標転舵角に応じて伸縮機構及び舵角比可変機構を駆動制御する制御手段と、を備える。
したがって、伸縮機構でラックを伸ばしたり縮めたりすることで左右輪の相対的な転舵角を変更すると共に、舵角比可変機構で入力角に対する出力角を変更することで、左右輪の夫々の転舵角を制御し、任意のステアリング特性を実現することができる。この場合、伸縮機構が１つで済むので、２つ設けていた従来技術と比べて、消費エネルギを低減でき、尚且つレイアウトも容易である。

（２）制御手段は、車両の状態に応じて目標タイヤ横力を算出し、左右輪の実タイヤ横力の総和が、目標タイヤ横力と一致するように、夫々の目標転舵角を算出する。
これにより、操舵角、車速、横加速度など、車両の状態に応じた最適なステアリング特性を実現することができる。
（３）制御手段は、輪荷重に応じて左右輪が発生し得る最大タイヤ横力を算出し、最大タイヤ横力に対する実タイヤ横力の比が、左右輪で一致するように、夫々の目標転舵角を算出する。
これにより、旋回外輪と旋回内輪とが夫々の最大タイヤ横力に対して均等に近づくことになるので、旋回性能を向上させることができる。

《第２実施形態》
《構成》
第２実施形態は、図７のマップを参照し、操舵角θと車速Ｖに応じて、『パラレルモード』、『アッカーマンモード』、及び『負荷率均等モード』の中から、制御モードを決定するものである。
先ず、操舵角θが小舵角領域にあるときに、『パラレルモード』を実行することで、左右輪の舵角を同一にするジオメトリを実現する（トー角は無視する）。この場合、図８に示すように、車速Ｖに応じて、舵角比可変機構１１の舵角比Ｋを変更する。

また、車速Ｖが極低速領域にあり（Ｖａ）、操舵角θが小舵角領域を超えているときに、『アッカーマンモード』を実行することで、図９（ａ）に示すように、旋回外輪よりも旋回内輪の舵角を大きくするジオメトリを実現する。
また、車速Ｖが低速領域を超え（Ｖｃ）、操舵角θが小舵角領域を超えているときに、『負荷率均等モード』を実行することで、図９（ｂ）に示すように、旋回内輪よりも旋回外輪の舵角を大きくするジオメトリを実現する。つまり、第１実施形態と同様に、最大タイヤ横力に対する実タイヤ横力の比を左右輪で一致させる。

《作用》
図１０は、操舵角θ及び車速Ｖに応じた、ラック４の伸縮状況を示す。
車速Ｖが極低速領域のＶａの場合、操舵角θが小舵角領域にある間は、『パラレルモード』を実行し、ラック４を伸縮させない初期状態に保持する。つまり、伸縮機構１３を停止しておくので、エネルギ消費がない。この状態から、操舵角θが小舵角領域を超えると、『アッカーマンモード』を実行し、操舵角θの増加に応じてラック４を収縮させる。これにより、旋回外輪よりも旋回内輪の舵角が大きくなるので、左右輪のスリップアングルが小さくなり、小回り性能が向上する。

車速Ｖが低速領域のＶｂの場合、操舵角θに係らず常に『パラレルモード』を実行し、ラック４を伸縮させない初期状態を保持する。
車速Ｖが低速領域を超え、中速・高速領域のＶｃの場合、操舵角θが小舵角領域にある間は、やはり『パラレルモード』を実行し、ラック４を初期状態に保持する。この状態から、操舵角θが小舵角領域を超えると、『負荷率均等モード』を実行し、操舵角θの増加に応じてラック４を伸長させる。これにより、旋回内輪よりも旋回外輪の舵角が大きくなるので、旋回外輪と旋回内輪とが夫々の最大タイヤ横力Ｆｙ_i(MAX)に対して均等に近づくことになり、旋回性能が向上する。

《応用例》
操舵角θと車速Ｖとに応じて、制御モードを決定する際、一次遅れのフィルタなどを設けても良い。これによれば、車速の急変などによって、左右輪の転舵角が急変することを抑制できる。
《効果》
（１）制御手段は、車速及び操舵角に応じて、左右輪の目標転舵角を算出する。
これにより、車速と操舵角に応じた最適なステアリング特性を実現することができる。
（２）制御手段は、車速が極低速領域にあり、操舵角が小舵角領域を超えているときに、アッカーマンジオメトリとなるように、左右輪の目標転舵角を算出する。
これにより、旋回外輪よりも旋回内輪の舵角が大きくなるので、左右輪のスリップアングルが小さくなり、小回り性能を向上させることができる。
（３）制御手段は、操舵角が小舵角領域にあるときに、パラレルジオメトリとなるように、左右輪の目標転舵角を算出する。
これにより、伸縮機構１３の不必要な駆動を避け、エネルギ消費を抑制することができる。

《第３実施形態》
《構成》
第３実施形態は、フロントのジャッキアップ量が所定値を超えたら、目標タイヤ横力Ｆｙ^*のうち、旋回外輪に対する旋回内輪の実タイヤ横力の配分が高くすると共に、停車しているときに、イニシャルトー角を所定範囲内に維持するものである。

《作用》
『負荷率均等モード』では、旋回内輪よりも旋回外輪の実タイヤ横力が増加するので、ジャッキアップ現象を招来することになり、この現象はロールセンタの高い車両ほど顕著になる。そこで、このジャッキアップ現象を抑制するために、フロントのジャッキアップ量が所定値を超えたら、ジャッキアップ量が大きいほど、目標タイヤ横力Ｆｙ^*のうち、旋回外輪に対する旋回内輪の実タイヤ横力の配分が高くする。これにより、ジャッキアップ現象を抑制し、車両の安定性を向上させることができる。なお、ジャッキアップ量が所定値を超えたら、直ちに『負荷率均等モード』を中止し、『パラレルモード』に切替えてもよい。
一方、乗員の乗降などによって積載荷重が変化すると、停車しているときのイニシャルトー角も変化してしまう。そこで、このイニシャルトー角を所定範囲内に維持するように左右輪の転舵角を制御する。これにより、車両の直進安定性を向上させることができる。

《効果》
（１）制御手段は、ジャッキアップ量が所定値を超えたら、目標タイヤ横力のうち、旋回外輪に対する旋回内輪の実タイヤ横力の配分が高くなるように、夫々の目標転舵角を算出する。
これにより、ジャッキアップ現象を抑制し、車両の安定性を向上させることができる。
（２）制御手段は、停車しているときのイニシャルトー角を所定範囲内に維持するように、左右輪の目標転舵角を算出する。
これにより、車両の直進安定性を向上させることができる。

ステアリング機構である。 伸縮機構である。 駆動制御処理を示すフローチャートである。 スリップアングルとタイヤ横力の関係を示す。 消費エネルギの説明である。 左ハンドル車の場合のレイアウトである。 制御モードの選択に用いるマップである。 車速に応じた舵角比を示す。 アッカーマンモードと負荷率均等モードである。 操舵角と車速に応じたラックの伸縮量を示す。

符号の説明

１ 自動車
２ ステアリングホイール
３ ステアリングシャフト
４ ラック
５ タイロッド
６ ナックル
７Ｌ・７Ｒ 車輪
８ ハウジング
１１ 舵角比可変機構
１２ 電動パワーステアリング
１３ 伸縮機構
１４ コントローラ

Claims (10)

1. 運転者のステアリング操作に応じた車体左右方向の進退によって左右輪を操向するラックと、該ラックを車体左右方向に伸縮させる１つの伸縮機構と、運転者のステアリング操作を前記ラックに伝達する回転軸上で、入力角に対する出力角の舵角比を変更可能な舵角比可変機構と、車両の状態に応じて左右輪の目標転舵角を算出し、算出した目標転舵角に応じて前記伸縮機構及び前記舵角比可変機構を駆動制御する制御手段と、を備えることを特徴とするステアリング装置。
2. 前記制御手段は、車両の状態に応じて目標タイヤ横力を算出し、左右輪の実タイヤ横力の総和が、当該目標タイヤ横力と一致するように、夫々の目標転舵角を算出することを特徴とする請求項１に記載のステアリング装置。
3. 前記制御手段は、輪荷重に応じて左右輪が発生し得る最大タイヤ横力を算出し、当該最大タイヤ横力に対する実タイヤ横力の比が、左右輪で一致するように、夫々の目標転舵角を算出することを特徴とする請求項２に記載のステアリング装置。
4. 前記制御手段は、車速及び操舵角に応じて、左右輪の目標転舵角を算出することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のステアリング装置。
5. 前記制御手段は、車速が低速領域にあり、操舵角が小舵角領域を超えているときに、アッカーマンジオメトリとなるように、左右輪の目標転舵角を算出することを特徴とする請求項４に記載のステアリング装置。
6. 前記制御手段は、操舵角が小舵角領域にあるときに、パラレルジオメトリとなるように、左右輪の目標転舵角を算出することを特徴とする請求項４又は５に記載のステアリング装置。
7. 前記制御手段は、ジャッキアップ量が所定値を超えたら、前記目標タイヤ横力のうち、旋回外輪に対する旋回内輪の実タイヤ横力の配分が高くなるように、夫々の目標転舵角を算出することを特徴とする請求項２〜６の何れか一項に記載のステアリング装置。
8. 前記制御手段は、停車しているときに、イニシャルトー角を所定範囲内に維持するように、左右輪の目標転舵角を算出することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のステアリング装置。
9. ステアリング装置を備えた自動車において、
   前記ステアリング装置は、運転者によって操作されるステアリング操作子と、該ステアリング操作子と共に回転するステアリングシャフトと、該ステアリングシャフトの回転に応じて車体左右方向に進退して車輪を操向するラックと、該ラックを車体左右方向に伸縮させる１つの伸縮機構と、前記ステアリングシャフト上で、入力角に対する出力角の舵角比を変更可能な舵角比可変機構と、車両の状態に応じて左右輪の目標転舵角を算出し、算出した目標転舵角に応じて前記伸縮機構及び前記舵角比可変機構を駆動制御する制御手段と、を備えることを特徴とする自動車。
10. 運転者のステアリング操作に応じた車体左右方向の進退によって左右輪を操向するラックと、該ラックを車体左右方向に伸縮させる１つの伸縮機構と、運転者のステアリング操作を前記ラックに伝達する回転軸上で、入力角に対する出力角の舵角比を変更可能な舵角比可変機構と、を備え、
    車両の状態に応じて左右輪の目標転舵角を算出し、算出した目標転舵角に応じて前記伸縮機構及び前記舵角比可変機構を駆動制御することを特徴とするステアリング制御方法。

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