JP2009101857A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】左右の転舵輪の実舵角を車速に応じてきめ細かに独立して制御することができる車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】運転者が操舵する操舵機構２と、該操舵機構２とは切り離されて転舵輪３ＦＬ，３ＦＲを転舵する転舵機構４と、前記操舵機構４の入力舵角を検出する舵角検出手段１０２と、車両の車速を検出する車速検出手段１０３とを備え、前記転舵機構４は、左右の転舵輪に対して個別に転舵力を付与する独立した一対の転舵アクチュエータ４３Ｌ，４３Ｒを有する転舵部と、前記舵角検出手段１０２で検出した入力舵角と前記車速検出手段で検出した車速とに基づいて前記一対の転舵アクチュエータ４３Ｌ，４３Ｒを左右の転舵角が前記車速に応じて連続的に変化するように制御する転舵角制御手段１０１とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、運転者が操舵する操舵機構と、左右の転舵輪に対して個別に転舵角を制御する転舵機構とを有する車両用操舵装置に関する。

この種の車両用操舵装置としては、例えば、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と、車輪を転舵するタイロッドとの位置関係を変更する転舵角変更手段を備え、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し、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、旋回により遠心力で設置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ようにした車両用操舵装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１３８７０９号公報（第１頁、図５）

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、車輪を転舵するタイロッドとの位置関係を変更する転舵角変更手段を有するので、左右一対の転舵輪の転舵角を独立に制御することができ、車速が所定値以下であるか否かによってアッカーマンジオメトリとパラレルジオメトリとを切換えることができるが、車速に応じたきめ細かな転舵角制御を行うことができないという未解決の課題がある。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、左右の転舵輪の実舵角を車速に応じてきめ細かに独立して制御することができる車両用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に、請求項１に係る車両用操舵装置は、運転者が操舵する操舵機構と、転舵輪を転舵する転舵機構と、前記操舵機構の入力舵角を検出する舵角検出手段と、車両の車速を検出する車速検出手段とを備え、前記転舵機構は、左右の転舵輪に対して個別に転舵角を制御する独立した一対の転舵アクチュエータを有する転舵部と、前記舵角検出手段で検出した入力舵角と前記車速検出手段で検出した車速とに基づいて前記一対の転舵アクチュエータを左右の転舵角が前記車速に応じて連続的に変化するように制御する転舵角制御手段とを備えていることを特徴としている。

また、請求項２に係る車両用操舵装置は、請求項１に係る発明において、前記転舵角制御手段は、前記舵角検出手段で検出した入力舵角を実舵角に変換する実舵角変換手段と、該実舵角変換手段で変換した実舵角に基づいて車両二輪モデルに従って車体スリップ角及びヨーレートを演算する車両挙動情報演算手段と、該車両挙動情報演算手段で演算した車体スリップ角及びヨーレートに基づいて後輪スリップ角を演算する後輪スリップ角演算手段と、前記車体スリップ角及び後輪スリップ角とホイールベース及びトレッドとに基づいて前記左右の転舵輪に対する左右実舵角を演算する左右実舵角演算手段と、該左右実舵角演算手段で演算した左右実舵角に基づいて前記一対の転舵アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動手段とを備えていることを特徴としている。

さらに、請求項３に係る車両用操舵装置は、請求項１に係る発明において、車両の横加速度を検出する横加速度検出手段と、車両のヨーレートを検出するヨーレート検出手段とを有し、前記転舵角制御手段は、前記横加速度検出手段で検出した横加速度及び前記ヨーレート検出手段で検出したヨーレートとに基づいて車体スリップ角を算出する車体スリップ角演算手段と、該車体スリップ角演算手段で演算した車体スリップ角及び前記ヨーレート検出手段で検出したヨーレートに基づいて後輪スリップ角を演算する後輪スリップ角演算手段と、前記車体スリップ角及び後輪スリップ角とホイールベース及びトレッドとに基づいて前記左右の転舵輪に対する左右実舵角を演算する左右実舵角演算手段と、該左右実舵角演算手段で演算した左右実舵角に基づいて前記一対の転舵アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動手段とを備えていることを特徴としている。

さらにまた、請求項４に係る車両用操舵装置は、請求項１に係る発明において、車両の４輪に作用する横力を検出する横力検出手段を有し、前記実舵角制御手段は、前記横力検出手段で検出した４輪の横力と車体質量とに基づいて横加速度を推定する横加速度推定手段と、前記横力検出手段で検出した４輪の横力と重心から前軸までの距離及び重心から後軸までの距離と、車体慣性モーメントとに基づいてヨーレートを推定するヨーレート推定手段と、前記横加速度推定手段で推定した横加速度及び前記ヨーレート推定手段で推定したヨーレートとに基づいて車体スリップ角を算出する車体スリップ角演算手段と、該車体スリップ角演算手段で演算した車体スリップ角及び前記ヨーレート検出手段で検出したヨーレートに基づいて後輪スリップ角を演算する後輪スリップ角演算手段と、前記車体スリップ角及び後輪スリップ角とホイールベース及びトレッドとに基づいて前記左右の転舵輪に対する左右実舵角を演算する左右実舵角演算手段と、該左右実舵角演算手段で演算した左右実舵角に基づいて前記一対の転舵アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動手段とを備えていることを特徴としている。

なおさらに、請求項５に係る車両用操舵装置は、請求項１乃至４の何れか１つに係る発明において、前記転舵部はピットマンアーム形式のステアバイワイヤシステムに構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、転舵機構が、左右の転舵輪に対して個別に転舵力を付与する独立した一対の転舵アクチュエータを有する転舵部と、前記舵角検出手段で検出した入力舵角と前記車速検出手段で検出した車速とに基づいて前記一対の転舵アクチュエータを左右の転舵角が前記車速に応じて連続的に変化するように制御する転舵角制御手段とを備えているので、車速の変化に応じて左右の転舵輪の転舵角をきめ細かに制御してより効率的な旋回性能を確保することができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す概略構成図であって、図中、１は操舵機構とは切り離されて転舵輪を転舵する所謂ステアバイワイヤ式の車両用操舵装置であり、この車両用操舵装置１は、運転者が操舵する操舵機構２と、この操舵機構２から切り離されて左右の前輪でなる転舵輪３ＦＬ，３ＦＲを転舵する転舵機構４とを備えている。

操舵機構２は、運転者が操舵するステアリングホイール２１を装着したステアリングシャフト２２と、このステアリングシャフト２２に対して内蔵する電動モータ２３によって操舵反力を発生させる操舵反力発生部２４と備えている。
また、転舵機構４は、各転舵輪３ＦＬ，３ＦＲのハブ３１Ｌ，３１Ｒに連結されたナックルアーム３２Ｌ，３２Ｒに一端が連結されたタイロッド４１Ｌ，４１Ｒと、これらタイロッド４１Ｌ，４１Ｒの他端に連結されたピットマンアーム４２Ｌ，４２Ｒと、これらピットマンアーム４２Ｌ，４２Ｒを揺動駆動する転舵アクチュエータとしてのピットマンアクチュエータ４３Ｌ，４３Ｒとを備えている。ここで、タイロッド４１Ｌ，４１Ｒ、ピットマンアーム４２Ｌ，４２Ｒ、及びピットマンアクチュエータ４３Ｌ，４３Ｒで転舵部が構成されている。

ピットマンアクチュエータ４３Ｌ，４３Ｒの夫々は、図２に示すように、車体側部材５１に固定されたハウジング５２と、このハウジング５２内に組み込まれた遊星歯車式減速機構５３と、ハウジング５２の上端に配設されて出力軸５４ａが遊星歯車式減速機構５３の入力側に連結された電動モータ５４Ｌ，５４Ｒとを備えており、遊星歯車式減速機構５３の出力軸にピットマンアーム４２Ｌ，４２Ｒが連結されている。

遊星歯車式減速機構５３は、通常の２ＫＨ型遊星減速機５５と３Ｋ型遊星減速機５６とを組み合わせることにより、コンパクトな構成で１／２００程度の減速比で大きなトルクが出力されるように構成されている。具体的には、電動モータ５４Ｌ，５４Ｒの出力軸５４ａに連結された中心軸５７を有し、この中心軸５７の下端側に通常の２ＫＨ型遊星減速機５５が配設され、上端側に３Ｋ型遊星減速機５６が配設されている。

通常の２ＫＨ型遊星減速機５５は、入力部となる中心軸５７に連結されたサンギヤ６１と、出力部となる第１ピニオンキャリア６２によって支持され、サンギヤ６１に噛合する第１ピニオンギヤ６３と、この第１ピニオンギヤ６３と噛合するハウジング５２に固定された第１リングギヤ６４とで構成されている。そして、中心軸５７が回転すると、第１リングギヤ６４がハウジング５２に固定されているので、第１ピニオンギヤ６３がサンギヤ６１と第１リングギヤ６４との歯数比に従って自転しながら公転して、第１ピニオンキャリア６２から減速出力がえられる。

３Ｋ型遊星減速機５６は、第１ピニオンキャリア６２に連結されたサンギヤ７１と、このサンギヤ７１及び前述した第１リングギヤ６４間に噛合する第２ピニオンギヤ７２と、この第２ピニオンギヤ７２に弾性キー７３を介して一体に連結された第２ピニオンギヤ７２より多くの歯数が設定された第３ピニオンギヤ７４と、この第３ピニオンギヤ７４を支持するピニオンキャリア７５と、第３ピニオンギヤ７４に噛合する回転自在な第２リングギヤ７６と、この第２リングギヤ７６に固定された出力軸７７とで構成されている。ここで、出力軸７７は、ハウジング５２の上端部に転がり軸受７８によって回転自在に支持された円筒部７７ａと、この円筒部７７ａの下端に一体に連結された一部がハウジング５２より外方に突出された水平板部７７ｂとで構成され、水平板部７７ｂの下面が第２リングギヤ７６にビス留めされていると共に、水平板部７７ｂのハウジング５２から突出した板部の上面にピットマンアーム４２Ｌ，４２Ｒがビス留めされている。

そして、ピットマンアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒがステアバイワイヤコントロールユニット１０１によって駆動制御される。
このステアバイワイヤコントロールユニット１０１には、図３に示すように、操舵機構２のステアリングホイール２１の操舵角を検出する操舵角センサ１０２から操舵角θが入力されると共に、車両の車速を検出する車速センサ１０３から車速Ｖが入力されている。

そして、ステアバイワイヤコントロールユニット１０１は、操舵角センサ１０２から入力される操舵角θを実舵角δに変換する実舵角変換部１０４を有する。この実舵角変換部１０４は入力される操舵角θに、予め設定された実舵角δ₀／ステアリングホイール操舵角θ₀で表される舵角比を乗算するか又は実舵角δ及びステアリングホイール操舵角θの関係を表す記憶テーブルを参照して実舵角δを算出する。

また、ステアバイワイヤコントロールユニット１０１は、実舵角変換部１０４で算出した実舵角δと車速センサ１０３で検出した車速Ｖとに基づいて車体スリップ角β及びヨーレートγを演算する車両挙動情報演算手段としての車両挙動情報演算部１０５と、この車両挙動情報演算部１０５で演算した車体スリップ角β及びヨーレートγに基づいて後輪スリップ角β_Rを演算する後輪スリップ角演算手段としての後輪スリップ角演算部１０６とを備えている。

ここで、車両挙動情報演算部１０５では、入力された実舵角δと車速Ｖとに基づいて平面２自由度の車両二輪モデルにおける状態方程式から車体スリップ角β及びヨーレートγを算出する。
ここで、車両二輪モデルは、図４に示すように、車両の４輪３ＦＬ〜３ＲＲに対して、左右輪の中心間距離であるトレッドＥを２等分した位置に前輪１１１Ｆを想定し、同様に、前輪３ＦＬ及び３ＦＲに対してホイールベースＬ分離れた位置に中心を有する後輪３ＲＬ及び３ＲＲ間の中央位置に後輪１１１Ｒを想定したとき、左右の前輪の中心点を結ぶ線と、この線と平行で車両の旋回状態における旋回中心点Ｐｃを通る線との間の車両前後方向距離をＬ１とし、前輪１１１Ｆ及び後輪１１１Ｒの中心点を結ぶ線と旋回中心点Ｐｃとの間の旋回半径をｒとする。

上記構成を有する車両二輪モデルは、旋回時の運動方程式は、下記（１）式で表すことができる。

ここで、βは車体スリップ角、β′は車体スリップ角微分値、γはヨーレート、γ′はヨーレート微分値、δは実舵角、Ｃ_Fは前輪のコーナリングパワー、Ｃ_Rは後輪のコーナリングパワー、Ｌ_Fは車両重心点から前軸までの距離、Ｌ_Rは車両重心点から後軸までの距離、ｍは車両質量、Ｉは車両の重心点周りの慣性モーメント、Ｖは車速である。

この（１）式で表される運動方程式を、状態方程式の形に書き直し、入力ｕをタイヤの実舵角δとすると、状態方程式は下記のように表される。

この状態方程式に実舵角δ及び車速Ｖを入力することにより、車体スリップ角β及びヨーレートγを算出することができる。
また、後輪スリップ角演算部１０６は、車両挙動情報演算部１０５から入力される車体スリップ角β及びヨーレートγと車輪速センサ１０３から入力される車速Ｖとに基づいて下記（２）式の演算を行って後輪スリップ角β_Rを演算する。

β_R＝β−Ｌ_Rγ／Ｖ …………（２）
さらに、ステアバイワイヤコントロールユニット１１０は、実舵角変換部１０４から出力される実舵角δ及び後輪スリップ角演算部１０６から出力される後輪スリップ角β_Rとに基づいて転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲの左右実舵角指令値α_L及びα_Rを算出する左右実舵角演算手段としての左右実舵角演算部１０７を備えている。

この左右実舵角演算部１０７は、入力される実舵角δと後輪スリップ角β_Rとに基づいて下記（３）式及び（４）式の演算を行って左実舵角指令値α_L及び右実舵角指令値α_Rを算出する。
α_L＝ａｒｃｔａｎ｛Ｌ１／（ｒ＋Ｅ／２）｝ …………（３）
α_R＝ａｒｃｔａｎ｛Ｌ１／（ｒ−Ｅ／２）｝ …………（４）
ここで、前述した図４の車両二輪モデルにおける旋回半径ｒ及び左右前輪の中心点を結ぶ線と、この線と平行で車両の旋回状態における旋回中心点Ｐｃを通る線との間の車両前後方向距離Ｌ１とは下記（５）式及び（６）式で算出することができる。

ｒ＝Ｌ／（ｔａｎδ＋ｔａｎβ_R） …………（５）
Ｌ１＝ｔａｎδ／（ｔａｎδ＋ｔａｎβ_R） …………（６）
さらにまた、ステアバイワイヤコントロールユニット１０１は、左右実舵角演算部１０７で算出した左右の実舵角指令値α_L及びα_Rに基づいてピットマンアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒの電動モータ５４Ｌ，５４Ｒを駆動制御するアクチュエータ駆動回路１０８Ｌ及び１０８Ｒを有する。

これらアクチュエータ駆動回路１０８Ｌ及び１０８Ｒでは、転舵角センサ１０９Ｌ及び１０９Ｒで、転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲの実際の転舵角δ_L及びδ_Rを検出し、検出した転舵角δ_L及びδ_Rと、左右実舵角演算部１０７で算出した左右の実舵角指令値α_L及びα_Rとに基づいて所定のフィードバック制御を行って、左右のアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒの電動モータ５４Ｌ及び５４Ｒを駆動制御する。

ここで、上記ステアバイワイヤコントロールユニット１０１をマイクロコンピュータ等の演算処理装置で構成した場合には、演算処理装置で図５に示す実舵角制御処理を実行することにより、左右のアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒの電動モータ５４Ｌ及び５４Ｒを駆動制御する。
すなわち、実舵角制御処理は、所定時間（例えば１０ｍｓｅｃ）毎のタイマ割込処理として実行され、先ず、ステップＳ１で操舵角センサ１０２で検出した操舵角θを読込み、次いでステップＳ２に移行して、読込んだ操舵角θに、実舵角δ₀／ステアリングホイール操舵角θ₀で表される転舵角比を乗算するか又は操舵角θと実舵角δとの関係を表す記憶テーブルを参照して実舵角δを算出してからステップＳ３に移行する。

このステップＳ３では、車速センサ１０３で検出した車速Ｖを読込み、次いでステップＳ４に移行して、実舵角δ及び車速Ｖに基づいて前述した状態方程式に基づいて車体スリップ角β及びヨーレートγを算出してからステップＳ５に移行する。
このステップＳ５では、車体スリップ角β、重心点から後軸までの距離Ｌ_R、ヨーレートγ及び車速Ｖとに基づいて前述した（２）式の演算を行って、後輪スリップ角β_Rを算出し、次いでステップＳ６に移行して、車体スリップ角β及び後輪スリップ角β_Rとに基づいて前記（５）式の演算を行うことにより旋回半径ｒを算出すると共に、前記（６）式の演算を行うことにより、左右前輪の中心点を結ぶ線と、この線と平行で車両の旋回状態における旋回中心点Ｐｃを通る線との間の車両前後方向距離Ｌ１を算出し、これら旋回半径及び車両前後方向距離Ｌ１とに基づいて前記（３）式及び（４）式の演算を行って左右実舵角指令値α_L及びα_Rを算出してから、ステップＳ６に移行する。

このステップＳ６では、算出した左右実舵角指令値α_L及びα_Rに基づいてフィードバック制御処理を行って、ピットマンアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒの電動モータ５４Ｌ及び５４Ｒに対する駆動電流を算出し、算出した駆動電流を電動モータ５４Ｌ及び５４Ｒに出力してからタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。

今、車両が走行開始して比較的低速で直進走行しているものとすると、この直進走行状態では、ステアリングホイール２１が略中立位置にあり、操舵角センサ１０２で算出される操舵角θが中立位置を表す略“０”となっており、実舵角変換部１０４で変換される実舵角δも略“０”となっており、車両挙動情報演算部１０５で車両２輪モデルに従った状態方程式に基づいて算出される車体スリップ角β及びヨーレートγも略“０”となっている。

このため、後輪スリップ角演算部１０６で前記（２）式に従って算出される後輪スリップ角β_Rも略“０”となり、左右実舵角演算部１０７で演算される左右実舵角指令値α_L及びα_Rも略“０”となり、車両が直進走行しているので、実舵角センサ１０９Ｌ及び１０９Ｒで検出した左右の転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲの実際の転舵角δ_L及びδ_Rも略零となることからアクチュエータ駆動回路１０８Ｌ及び１０８Ｒから出力されるモータ駆動電流が略零となり、ピットマンアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒの電動モータ５４Ｌ及び５４Ｒが停止状態を維持し、転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲの転舵角δ_L及びδ_Rが略“０”を維持する。

この低速での直進走行状態から、ステアリングホイール２１を右切り（又は左切り）すると、これに応じて操舵角センサ１０２からステアリングホイール２１の操舵に応じた操舵角θが出力され、これが実舵角変換部１０４に入力されることにより、操舵角θに、実舵角δ₀／ステアリングホイール操舵角θ₀で表される所定の転舵比を乗算するか又は操舵角θと実舵角δとの関係を記憶した記憶テーブルを参照することにより実舵角δを算出し、算出した実舵角δを車両挙動情報演算部１０５に出力する。

この車両挙動情報演算部１０５では、実舵角δと車速センサ１０３で検出した車速Ｖとが入力されており、これらに基づいて車両２輪モデルの状態方程式に従って車体スリップ角β及びヨーレートγを算出し、算出した車体スリップ角β及びヨーレートγを後輪スリップ角演算部１０６に出力する。
この後輪スリップ角演算部１０６には、車体スリップ角β及びヨーレートγの他に車速センサ１０３で検出した車速Ｖが入力され、これらに基づいて前記（２）式の演算を行うことにより、車体スリップ角βとは逆方向の後輪スリップ角β_Rを算出する。このときの後輪スリップ角β_Rはヨーレートγが大きくなるに従い車体スリップ角βに比較して小さい値となると共に、車速Ｖが大きくなるに従い車体スリップ角βに近づく値となる。

このとき、車両が低速走行しており、車速Ｖが小さい値であり、前記（２）式の右辺第１項の車体スリップ角βと右辺第２項とが略等しい値となって、後輪スリップ角β_Rは略“０”の状態を維持する。
このように、後輪スリップ角β_Rが略“０”で、車体スリップ角βが右方向（又は左方向）に増加することにより、左右舵実舵角演算部１０７では、車体スリップ角βに応じた旋回半径ｒが算出され、且つ左右前輪の中心点を結ぶ線と、この線と平行で車両の旋回状態における旋回中心点Ｐｃを通る線との間の車両前後方向距離Ｌ１が車両ホイールベースＬと等しい値となる。このため、左右の転舵輪３ＦＬ及びＦＲに対する左実舵角指令値α_Lに対して右実舵角指令値α_Rが大きな角度となり、これら左右実舵角指令値α_L及びα_Rに基づいて左右のピットマンアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒの電動モータ５４Ｌ及び５４Ｒが駆動制御される。このため、図６に示すように、左右前輪の中心点を結ぶ線と、この線と平行で車両の旋回状態における旋回中心点Ｐｃを通る線との間の車両前後方向距離Ｌ１が車両ホイールベースＬと等しい値となると共に、各車輪３ＦＬ〜３ＲＲの旋回円の中心を一致させる所謂アッカーマン・ステアリング・ジオメトリとなって、各車輪及び車体に無駄な力を発生させず、スムーズに回転させることができる。

ところが、同じ旋回状態でも車速センサ１０３で検出される車速Ｖが大きな値となることにより、後輪スリップ角演算部１０６で算出される後輪スリップ角β_Rが、図４に示すように、車体スリップ角βに対して反対方向に発生する状態となると、旋回半径ｒが小さくなると共に、左右前輪の中心点を結ぶ線と、この線と平行で車両の旋回状態における旋回中心点Ｐｃを通る線との間の車両前後方向距離Ｌ１が車両ホイールベースＬより小さくなって、旋回中心が車両前方側に移動してアッカーマン・ステアリング・ジオメトリから徐々にパラレルジオメトリに移行して、効率の良い高速旋回状態を確保することができる。しかも、高速になると、舵角に対する横加速度比が大きくなりロール角が大きくなり易く、外輪側の荷重が大きくグリップ力も高くなることから、この観点でも高速になるとパラレルジオメトリに近い方が有利となる。

このように、上記第１の実施形態においては、実舵角δと車速Ｖとに基づいて車体スリップ角β及びヨーレートγを算出し、これら車体スリップ角β及びヨーレートγと車速Ｖとに基づいて車両の後輪スリップ角β_Rを算出し、算出した後輪スリップ角β_Rと車体スリップ角βとに基づいて左右実舵角指令値α_L及びα_Rを算出するので、車速Ｖに応じた後輪スリップ角β_Rを算出することができ、車両の低速走行時から高速走行時までの間で、車速Ｖに応じて左右の実舵角指令値α_L及びα_Rを連続的に変化させることができ、実舵角δ_L及びδ_Rを走行状態に合わせた最適な実舵角指令値α_L及びα_Rに制御することができる。

なお、上記第１の実施形態においては、車両挙動情報演算部１０５で、実舵角δ及び車速Ｖとに基づいて車両２輪モデルの状態方程式に従って、車体スリップ角β及びヨーレートγを算出する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、車両２輪モデルの状態方程式に替えて予めモデル化された１次遅れの伝達関数などを用いて実舵角δ及び車速Ｖに基づいて車体スリップ角β及びヨーレートγを算出するようにしてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態を図７について説明する。
この第２の実施形態では、車両挙動状態演算部１０５で実舵角δと車速Ｖとに基づいて車体スリップ角β及びヨーレートγを演算する場合に代えて車両の横加速度とヨーレートとを検出して、車体スリップ角βを算出するようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図７に示すように、車両の横加速度Ｇｙを検出する横加速度検出手段としての横加速度センサ１２１及び車両のヨーレートγを検出するヨーレート検出手段としてのヨーレートセンサ１２２を備え、これら横加速度センサ１２１で検出した横加速度Ｇｙ及びヨーレートセンサ１２２で検出したヨーレートγと車速センサ１０３で検出した車速Ｖとが直接車両挙動情報演算部１０５に入力され、この車両挙動情報演算部１０５で演算した車体スリップ角βとヨーレートセンサ１２２で検出したヨーレートγとが後輪スリップ角演算部１０６に入力されていることを除いては前述した第１の実施形態における図３と同様の構成を有し、図３との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

ここで、車両挙動情報演算部１０５では、下記（７）式の演算を行って車体スリップ角βを算出するように構成されている。
β＝∫（Ｇｙ／Ｖ−γ）ｄｔ …………（７）
この（７）式で車体スリップ角βを算出できる理由は、車両の横加速度Ｇｙとヨーレートγと車体スリップ角βの微分値β′との関係は、下記（８）式で表すことができる。

Ｇｙ＝Ｖ（β′＋γ） …………（８）
この（８）式を変形して、
β′＝Ｇｙ／Ｖ−γ …………（９）
となり、この（９）式の両辺を積分することにより、前記（７）式を得ることができる。

そして、後輪スリップ角演算部１０６で、車両挙動情報演算部１０５で算出した車体スリップ角βとヨーレートセンサ１２２で検出したヨーレートγとに基づいて前記（２）式の演算を行って後輪スリップ角β_Rを算出する。
上記構成を有するステアバイワイヤコントロールユニット１０１を例えばマイクロコンピュータ等の演算処理装置で構成した場合には、この演算処理装置で図８に示す実舵角制御処理を実行すれば良い。

この実舵角制御処理は、図８に示すように、所定時間（例えば１０ｍｓｅｃ）毎のタイマ割込処理として実行され、前述した第１の実施形態における図６の実舵角制御処理におけるステップＳ３が車速センサ１０３から車速Ｖを読込むと共に、横加速度センサ１２１及びヨーレートセンサ１２２から横加速度Ｇｙ及びヨーレートγを読込むステップＳ１３に変更され、ステップＳ４が前述した（７）式の演算を行って車体スリップ角βを算出するステップＳ１４に変更されていることを除いては図５と同様の処理を行い、図５との同一処理については同一ステップ番号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

この第２の実施形態によると、車両挙動情報演算部１０５で、横加速度センサ１２１で検出した横加速度Ｇｙ及びヨーレートセンサ１２２で検出したヨーレートγと車速センサ１０３で検出した車速Ｖとに基づいて車体スリップ角βを算出するので、前述した第１の実施形態における車両挙動情報演算部１０５に比較して演算処理を簡易化することができると共に、車両の実際の走行状態に則した横加速度Ｇｙ及びヨーレートγを検出することができ、正確な車体スリップ角βを算出することができる。

次に、本発明の第３の実施形態を図９〜図１２について説明する。
この第３の実施形態では、前述した第２の実施形態における横加速度センサ１２１及びヨーレートセンサ１２２を省略し、これらに代えて各車輪３ＦＬ〜３ＲＲに作用する横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRを検出し、検出した横力に基づいて横加速度Ｇｙ及びヨーレートγを算出するようにしたものである。

すなわち、第３の実施形態では、図９に示すように、横力検出手段としての横力センサ１３１ＦＬ〜１３１ＲＲによって各車輪３ＦＬ〜３ＲＲに作用する横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRを検出し、検出した横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRを車両挙動情報演算部１０５に入力して、この車両挙動情報演算部１０５で下記（１０）式の演算を行って横加速度Ｇｙを算出すると共に、ヨーレートγの微分値γ′と横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRとが下記（１１）式の関係を有することから（１１）式の両辺を積分した（１２）式に従ってヨーレートγを算出する。

Ｇｙ＝（Ｆｙ_FL＋Ｆｙ_FR＋Ｆｙ_RL＋Ｆｙ_RR）／Ｍ …………（１０）
γ′＝｛Ｌ_F（Ｆｙ_FL＋Ｆｙ_FR）−Ｌ_R（Ｆｙ_RL＋Ｆｙ_RR）｝／Ｉ ……（１１）
γ＝∫[｛Ｌ_F(Ｆｙ_FL＋Ｆｙ_FR)−Ｌ_R(Ｆｙ_RL＋Ｆｙ_RR)｝／Ｉ]ｄｔ……（１２）
ここで、各転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲは、図１０に示すように、ハブ３１Ｌ，３１Ｒがハブ本体３１ａとこのハブ本体３１ａから車両内方に延長する内筒部３１ｂとで構成されている。そして、ハブ３１Ｌ，３１Ｒの内筒部３１ｂと懸架装置を構成するナックル３１ｃに取付けた外筒部３１ｄとの間に軸方向の両端部側で夫々保持器３１ｅで保持された転動体としてのボール３１ｆを介在させて複列アンギュラ玉軸受構成とされている。

そして、転舵輪３ＦＬ，３ＦＲに作用するアキシアル荷重即ち横力が横力センサ１３１ＦＬ，１３１ＦＲによって検出される。
ここで、横力センサ１３１ＦＬ，１３１ＦＲの夫々は、図１１に示すように、車両に作用する車両外側のボール３１ｆの公転速度Ｎを算出し、算出した公転速度Ｎから車両のアキシアル荷重即ち横力を算出するように構成されている。この横力センサ１３１ＦＬ，１３１ＦＲは、保持器３１ｅに形成した円周方向にＮ極及びＳ極を交互に形成した第１のエンコーダ１３１ａと、この第１のエンコーダ１３１ａに対向して外筒部３１ｄに固定配置された接線方向に所定距離Ｄだけ離間し、円周方向に角度（中心角ピッチ）θだけ離間した一対の磁気センサ１３１ｂ，１３１ｃと、これら磁気センサ１３１ｂ及び１３１ｃで検出したパルス信号を信号処理すると共に、所定の演算処理を行って公転速度Ｎを算出し、算出した公転速度Ｎから車輪に作用する横力Ｆｙ_FL及びＦｙ_FRを算出する信号処理回路１３１ｄとを備えている。

信号処理回路１３１ｄは、磁気センサ１３１ｂ及び１３１ｃから入力されるパルス信号の一方の立ち上がり時点から他方の立ち上がり時点までの遅延時間Ｔを検出し、検出した遅延時間Ｔと磁気センサ１３１ｂ及び１３１ｃ間の距離Ｄ又は角度θに基づいて下記（１３）式又は（１４）式の演算を行って公転速度Ｎを算出する。
Ｎ＝（６０／πＴ）×ｓｉｎ^-1（Ｄ／２Ｒ） …………（１３）
Ｎ＝（３０／π）×（θ／Ｔ） …………（１４）
ここで、Ｒはエンコーダ１３１ａの回転中心から磁気センサ１３１ｂ及び１３１ｃの検出部が対向している部分までの回転半径である。

なお、距離Ｄと角度θとは下記（１５）式の関係がある。
θ＝２ｓｉｎ^-1（Ｄ／２Ｒ） …………（１５）
このように、ボール３１ｆの公転速度Ｎを、磁気センサ１３１ｂ及び１３１ｃのパルス信号間の遅延時間Ｔを算出することにより、算出するので、エンコーダ１３１ａの磁気特性が変化する点即ちＮ極とＳ極との境界が磁気センサ１３１ｂ及び１３１ｃを通過する毎に、公転速度Ｎを算出できる。上記境界は、エンコーダ１３１ａの片側面に多数存在するので、各ボール３１ｆの公転速度Ｎを略リアルタイムで求めることができる。また、エンコーダ９１ａの回転に拘らず、磁気センサ１３１ｂ及び１３１ｃ間の距離Ｄは変化することはないので、エンコーダ１３１ａの製造誤差や組付け誤差に関係なく、公転速度Ｎを正確に検出することができる。

このように、信号処理回路１３１ｄで各ボール３１ｆの公転速度Ｎを算出することにより、転舵輪３ＦＬ，３ＦＲを構成するホイール３５とナックル３１ｃとの間に作用し、転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重即ち横力を検出することができる。
すなわち、内筒部３１ｂ及び外筒部３１ｄとボール３１ｆとで複列アンギュラ玉軸受構成を有するので、これにアキシアル荷重を負荷すると、上記各ボール３１ｆの接触角が変化する。例えば図１０に矢印αで示すように、内向きのアキシアル荷重が加わると、外側（図１０の左側）の列のボール３１ｆの接触角が大きくなる。転がり軸受の分野で周知のように、アンギュラ型の玉軸受を構成するボール３１ｆの公転速度は、これらをボール３１ｆの接触角が変化すると変化する。具体的には、上記アキシアル荷重を支承する、上記外側の列に関しては、このアキシアル荷重が大きくなる程、上記各ボール３１ｆの公転速度が速くなる。したがって、この公転速度の変化を測定することで上記転がり軸受ユニットに加わるアキシアル荷重を求めることができる。

例えば、図１２は図１０に示した構造を有する、背面組合せ型の複列転がり軸受ユニットに上記矢印α方向のアキシアル荷重を付加した場合における、このアキシアル荷重の大きさとボール３１ｆの公転速度との関係を示している。
この図１２の実線ａがアキシアル荷重と外側（図１０の左側）の列のボール３１ｆの公転速度との関係を、破線ｂがアキシアル荷重と内側の列のボール３１ｆの公転速度との関係を、夫々表している。なお、ラジアル荷重は一定とした。このような図１２の特性曲線から明らかなように、アキシアル荷重を受ける側の列のボール３１ｆに関しては、アキシアル荷重の大きさとこれら各ボール３１ｆの公転速度Ｎとは略比例関係にある。したがって、これら各ボール３１ｆの公転速度Ｎを測定することにより、図１２の特性曲線を参照して、アキシアル荷重を算出することができる。ここで、図１２の特性曲線は実験により求めるか、シミュレーションによって求めることができる。この図１２の特性曲線を横力算出マップとして信号処理回路１３１ｄに記憶させておくことにより、公転速度Ｎから転舵輪３ＦＬ，３ＦＲに作用する横力Ｆｙ_FL及びＦｙ_FRを算出することができる。また、上記構成を有する横力センサ１３１ＦＬ及び１３１ＦＲは後輪３ＲＬ及び３ＲＲにも備えられており、後輪３ＲＬ及び３ＲＲの横力Ｆｙ_RL及びＦｙ_RRを算出するようにしている。

上記構成を有するステアバイワイヤコントロールユニット１０１を例えばマイクロコンピュータ等の演算処理装置で構成した場合には、この演算処理装置で図１３に示す実舵角制御処理を実行すれば良い。
この実舵角制御処理は、図１３に示すように、所定時間（例えば１０ｍｓｅｃ）毎のタイマ割込処理として実行され、前述した第１の実施形態における図５の実舵角制御処理におけるステップＳ３が車速センサ１０３から車速Ｖを読込むと共に、横力センサ１３１ＦＬ〜１３１ＲＲから横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRを読込むステップＳ２３に変更され、ステップＳ４が前述した（１０）式及び（１２）式の演算を行って横加速度Ｇｙ及びヨーレートγを算出し、算出した横加速度Ｇｙ及びヨーレートγと車速Ｖとに基づいて前記（７）式の演算を行って車体スリップ角βを算出するステップＳ２４に変更されていることを除いては図５と同様の処理を行い、図５との同一処理については同一ステップ番号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

この第３の実施形態によると、車輪に設けた横力センサ１３１ＦＬ〜１３１ＦＲで検出した実際に車輪に作用する横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRから横加速度Ｇｙ及びヨーレートγを算出するので、横加速度Ｇｙ及びヨーレートγを高精度で検出することができ、後輪スリップ角β_Rを高精度で推定することができる。
なお、上記第１〜第３の実施形態においては、転舵機構４がピットマンアーム形式である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図１４に示すように、ピットマンアーム４２Ｌ，４２Ｒ及びピットマンアクチュエータ４３Ｌ，４３Ｒを省略し、これらに代えて、減速機を装着したギヤードモータ１４０Ｌ及び１４０Ｒを適用して転舵角を制御するようにしてもよい。すなわち、ギヤードモータ１４０Ｌ及び１４０Ｒをその減速出力軸１４１Ｌ及び１４１Ｒが車幅方向で左右対称となり、且つ同心的となるように車体側部材に固定配置すると共に、減速出力軸１４１Ｌ及び１４１Ｒに夫々ねじ軸１４２Ｌ及び１４２Ｒを接続する。そして、これらねじ軸１４２Ｌ及び１４２Ｒに螺合するナット１４３Ｌ及び１４３Ｒにタイロッド４１Ｌ及び４１Ｒを回動可能に連結する。

本発明のステアバイワイヤ式の車両操舵装置を示す概略構成図である。 ピットマンアクチュエータを示す減速機構を断面とした側面図である。 ステアバイワイヤコントロールユニットを示すブロック図である。 車両２輪モデルの説明図である。 ステアバイワイヤコントロールユニットで実行する実舵角制御処理手順の一例を示すフローチャートである。 アッカーマン・ステアリング・ジオメトリの説明に供する模式図である。 本発明の第２の実施形態を示すステアバイワイヤコントロールユニットのブロック図である。 第２の実施形態におけるステアバイワイヤコントロールユニットで実行する実舵角制御処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態を示すステアバイワイヤコントロールユニットのブロック図である。 転舵輪のハブを示す拡大断面図である。 車輪に作用する横力を検出する横力センサを示す概略構成図である。 転動体の公転速度とアキシアル荷重（横力）との関係を示す特性線図である。 第２の実施形態におけるステアバイワイヤコントロールユニットで実行する実舵角制御処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態を示す平面図である。

符号の説明

１…車両用操舵装置、２…操舵機構、３ＦＬ，３ＦＲ…転舵輪（前輪）、３ＲＬ，３ＲＲ…後輪、４…転舵機構、２１…ステアリングホイール、２２…ステアリングシャフト、２３…電動モータ、２４…操舵反力発生部、３１Ｌ，３１Ｒ…ハブ、３２Ｌ，３２Ｒ…ナックルアーム、４１Ｌ，４１Ｒ…タイロッド、４２Ｌ，４２Ｒ…ピットマンアーム、４３Ｌ，４３Ｒ…ピットマンアクチュエータ、５１…車体側部材、５２…ハウジング、５３…遊星歯車式減速機構、５４Ｌ，５４Ｒ…電動モータ、１０１…ステアバイワイヤコントロールユニット、１０２…操舵角センサ、１０３…車速センサ、１０４…実舵角変換部、１０５…車両挙動情報演算部、１０６…後輪スリップ角演算部、１０７…左右実舵角演算部、１０８Ｌ，１０８Ｒ…アクチュエータ駆動回路、１２１…横加速度センサ、１２２…ヨーレートセンサ、１３１ＦＬ〜１３１ＲＲ…横力センサ、１４０Ｌ，１４０Ｒ…ギヤードモータ、１４１Ｌ，１４１Ｒ…減速出力軸、１４２Ｌ，１４２Ｒ…ねじ軸、１４３Ｌ，１４３Ｒ…ナット

Claims (5)

1. 運転者が操舵する操舵機構と、転舵輪を転舵する転舵機構と、前記操舵機構の入力舵角を検出する舵角検出手段と、車両の車速を検出する車速検出手段とを備え、前記転舵機構は、左右の転舵輪に対して個別に転舵角を制御する独立した一対の転舵アクチュエータを有する転舵部と、前記舵角検出手段で検出した入力舵角と前記車速検出手段で検出した車速とに基づいて前記一対の転舵アクチュエータを左右の転舵角が前記車速に応じて連続的に変化するように制御する転舵角制御手段とを備えていることを特徴とする車両用操舵装置。
2. 前記転舵角制御手段は、前記舵角検出手段で検出した入力舵角を実舵角に変換する実舵角変換手段と、該実舵角変換手段で変換した実舵角に基づいて車両二輪モデルに従って車体スリップ角及びヨーレートを演算する車両挙動情報演算手段と、該車両挙動情報演算手段で演算した車体スリップ角及びヨーレートに基づいて後輪スリップ角を演算する後輪スリップ角演算手段と、前記車体スリップ角及び後輪スリップ角とホイールベース及びトレッドとに基づいて前記左右の転舵輪に対する左右実舵角を演算する左右実舵角演算手段と、該左右実舵角演算手段で演算した左右実舵角に基づいて前記一対の転舵アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
3. 車両の横加速度を検出する横加速度検出手段と、車両のヨーレートを検出するヨーレート検出手段とを有し、前記転舵角制御手段は、前記横加速度検出手段で検出した横加速度及び前記ヨーレート検出手段で検出したヨーレートとに基づいて車体スリップ角を算出する車体スリップ角演算手段と、該車体スリップ角演算手段で演算した車体スリップ角及び前記ヨーレート検出手段で検出したヨーレートに基づいて後輪スリップ角を演算する後輪スリップ角演算手段と、前記車体スリップ角及び後輪スリップ角とホイールベース及びトレッドとに基づいて前記左右の転舵輪に対する左右実舵角を演算する左右実舵角演算手段と、該左右実舵角演算手段で演算した左右実舵角に基づいて前記一対の転舵アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
4. 車両の４輪に作用する横力を検出する横力検出手段を有し、前記実舵角制御手段は、前記横力検出手段で検出した４輪の横力と車体質量とに基づいて横加速度を推定する横加速度推定手段と、前記横力検出手段で検出した４輪の横力と重心から前軸までの距離及び重心から後軸までの距離と、車体慣性モーメントとに基づいてヨーレートを推定するヨーレート推定手段と、前記横加速度推定手段で推定した横加速度及び前記ヨーレート推定手段で推定したヨーレートとに基づいて車体スリップ角を算出する車体スリップ角演算手段と、該車体スリップ角演算手段で演算した車体スリップ角及び前記ヨーレート検出手段で検出したヨーレートに基づいて後輪スリップ角を演算する後輪スリップ角演算手段と、前記車体スリップ角及び後輪スリップ角とホイールベース及びトレッドとに基づいて前記左右の転舵輪に対する左右実舵角を演算する左右実舵角演算手段と、該左右実舵角演算手段で演算した左右実舵角に基づいて前記一対の転舵アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
5. 前記転舵部はピットマンアーム形式のステアバイワイヤシステムに構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の車両用操舵装置。

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