JP2009101858A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】左右の転舵輪を独立してスリップ角制御することができると共に、左右の一方の転舵アクチュエータに異常が発生した場合にフェイルセーフ動作を確保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とを有し、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転舵アクチュエータ４３Ｌ，４３Ｒを有する一対の転舵部と、該一対の転舵部間を連結する可動抵抗を与えながら可動可能な連結部材４４とを少なくとも有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、運転者が操舵する操舵機構と、該操舵機構とは切り離されて転舵輪を転舵する転舵機構とを有する所謂ステアバイワイヤ構成を有する車両の操舵装置に関する。

この種の車両の操舵装置としては、例えば、格別の操舵モータを備える左右の前輪のキングピンを、夫々のナックルアームの先端を連結するリンク部材により連携させ、例えば、一方の操舵モータがフェイル状態となったとき、この操舵モータに対応する前輪が、リンク部材を介して伝えられる他方の操舵モータの回転により操舵される構成とした車両用操舵装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１７０８４９号公報（第１頁、図１）

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、一方の操舵モータがフェイル状態となったとき、この操舵モータに対応する前輪が、リンク部材を介して他方の操舵モータの回転により操舵されるので、一方の操舵モータに異常が発生した場合でも他方の操舵モータにより異常となった操舵モータ側の転舵輪の転舵制御を継続することができるものであるが、左右の転舵輪のナックルの先端がリンク部材によって連結されているので、左右の操舵モータを個別に制御して転舵輪のスリップ角を独立して制御することは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、左右の転舵輪を独立してスリップ角制御することができると共に、左右の一方の転舵アクチュエータに異常が発生した場合にフェイルセーフ動作を確保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、該操舵機構とは切り離されて転舵輪を転舵する転舵機構とを有し、前記転舵機構は、左右の転舵輪に対して個別に転舵力を付与する転舵アクチュエータを有する一対の転舵部と、該一対の転舵部間を連結する可動抵抗を与えながら可動可能で可動可能範囲が規制された連結部材とを少なくとも有す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、運転者が操舵する操舵機構と、該操舵機構とは切り離されて転舵輪を転舵する転舵機構とを有し、前記転舵機構は、左右の転舵輪に対して個別に転舵力を付与する転舵アクチュエータを有する一対の転舵部と、該一対の転舵部間を連結する可動抵抗を与えながら可動可能で可動可能範囲が規制された連結部材とを少なくとも有し、さらに前記一対の転舵部の転舵アクチュエータを前記転舵輪に作用する横力に基づいて独立制御する転舵制御手段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２に係る発明において、前記転舵制御手段は、前記転舵輪に作用する横力を検出する横力検出手段と、前記転舵輪の車輪速を検出する車輪速検出手段と、前記横力検出手段で検出した横力と前記車輪速検出手段で検出した車輪速とに基づいて前記転舵輪のスリップ角を独立にフィードバック制御する転舵制御部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３に係る発明において、前記横力検出手段及び車輪速検出手段は、前記車輪のハブに内蔵され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、前記連結部材は、可動抵抗を粘性及び摩擦の少なくとも一方で発生させるように構成されていることを特徴としている。

また、請求項６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、前記連結部材が軸方向に摺動抵抗を与えて伸縮可能なリレーロッドで構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、転舵機構は、左右の転舵輪に対して個別に転舵力を付与する転舵アクチュエータを有する一対の転舵部と、該一対の転舵部間を連結する可動抵抗を与えながら可動可能で可動可能範囲が規制された連結部材とを少なくとも有するので、左右の転舵輪に対する転舵アクチュエータを個別にスリップ角制御することができると共に、一方の転舵アクチュエータに異常が発生した場合でも正常な転舵アクチュエータにより連結部材を介して異常が発生した転舵アクチュエータ側の転舵輪を転舵させることができるという効果が得られる。

また、左右の転舵部の転舵アクチュエータを転舵輪に作用する横力と転舵輪の車輪速度とに基づいて独立制御することにより、両転舵輪のスリップ角を、別途アクチュエータを用いることなく個別に制御することができ、燃費を向上させることができると共に、運動性能の向上を図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、ピットマンアーム４２Ｌ，４２Ｒを連結する連結部材４４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で一対の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。

連結部材４４は、一端が夫々ピットマンアーム４２Ｌ，４２Ｒの先端に回動可能に連結された連結ロッド８１Ｌ，８１Ｒと、これら連結ロッド８１Ｌ，８１Ｒを連結する伸縮可能で伸縮範囲が規制されたリレーロッド８２とで構成されている。リレーロッド８２は、連結ロッド８１Ｒの他端に連結された外筒部８３と、連結ロッド８１Ｌの他端に連結されて外筒部８３内に所定の摺動抵抗を持って摺動可能に配設された摺動軸部８４とで構成されている。外筒部８３は連結ロッド８１Ｒ側の大径筒部８３ａと連結ロッド８１Ｌ側の小径筒部８３ｂとで構成されている。摺動軸部８４は外筒部８３の大径筒部８３ａ内に係合する大径軸８４ａと、外筒部８３の小径筒部８３ｂ内に所定の摩擦抵抗を持って摺接するように嵌合させた小径軸部８４ｂとを有し、小径軸部８４ｂが連結ロッド８１Ｌに連結されている。ここで、外筒部８３の小径筒部８３ｂと摺動軸部８４の小径軸部８４ｂとの間の摺動抵抗は、図１に示すように、小径筒部８３ｂと小径軸部８４ｂとを嵌合させたり、両者の何れか一方にＯリングを介挿したり、両者間に高粘度グリースを塗布したり、両者の何れか一方にバネ、ゴム等の弾性体を配設して他方の摺動面に圧接したりすることにより付与することができる。また、外筒部８３に対する摺動軸部８４の伸縮範囲は、左右の転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲの制御可能なスリップ角の差分を吸収可能な長さとなるように規制され、この伸縮範囲を規制するように外筒部８３の大径部８３ａの軸方向長さと摺動軸部８４の大径軸部８４ａの軸方向長さが設定されている。

また、各転舵輪３ＦＬ，３ＦＲは、図３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９１によって検出されると共に、ハブ３１Ｌ及び３１Ｒの内筒部３１ｂの回転速度即ち車輪速Ｖｗ_FL及びＶｗ_FRが車輪速センサ９２によって検出される。
ここで、横力センサ９１は、図４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９１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９１ａと、この第１のエンコーダ９１ａ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９１ｂ，９１ｃと、これら磁気センサ９１ｂ及び９１ｃ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９１ｄとを備えている。

信号処理回路９１ｄは、磁気センサ９１ｂ及び９１ｃ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９１ｂ及び９１ｃ間の距離Ｄ又は角度θに基づいて下記（１）式又は（２）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） …………（１）
Ｎ＝（３０／π）×（θ／Ｔ） …………（２）
ここで、Ｒはエンコーダ９１ａの回転中心から磁気センサ９１ｂ及び９１ｃ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（３）式の関係がある。
θ＝２ｓｉｎ^-1（Ｄ／２Ｒ） …………（３）
このように、ボール３１ｆの公転速度Ｎを、磁気センサ９１ｂ及び９１ｃ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９１ａ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９１ｂ及び９１ｃ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９１ａ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９１ｂ及び９１ｃ間の距離Ｄは変化することはないので、エンコーダ９１ａ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９１ｄ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３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３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５は図３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５の実線ａがアキシアル荷重と外側（図３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５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５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５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５の特性曲線を横力算出マップとして信号処理回路９１ｄ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９１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。

また、車輪速センサ９２は、ハブ３１Ｌ，３１Ｒの内筒部３１ｂの車両内側端面に、上述した第１のエンコーダ９１ａと同様の第２のエンコーダ９２ａを設け、この第２のエンコーダ９２ａに対向させて１つの磁気センサ９２ｂを設けることにより、この磁気センサ９２ｂから出力される短時間当たりのパルス信号数を計数するか又は１つのパルス信号の立ち上がり時点から次のパルス信号の立ち上がり時点までの時間を計測することにより、車輪速Ｖｗ_FL及びＶｗ_FRを算出する。

そして、各車輪３ＦＬ〜３ＲＲに設けた横力センサ９１で検出した横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRと車輪速センサ９２で検出した車輪速Ｖｗ_FL及びＶｗ_FRが車両の制御系を統括する車両統合コントロールユニット１００に入力されると共に、車両の他の走行状況を表すヨーレート、アクセル開度、ブレーキ踏込量、エンジン情報等も車両統合コントロールユニット１００に入力され、この車両統合コントロールユニット１００にステアバイワイヤコントロールユニット１０１が車載ＬＡＮ等のネットワークを介して接続され、ステアバイワイヤコントロールユニット１０１で必要とする情報が車両統合コントロールユニット１００から伝送される。

ステアバイワイヤコントロールユニット１０１は、図６に示すように、車両統合コントロールユニット１００から読込んだ転舵輪３ＦＬ，３ＦＲに作用する横力Ｆｙ_FLＦｙ_FRに基づいて反力アクチュエータ２３を制御する反力制御部１０２と、車両統合コントロールユニット１００から読込んだ前後４輪に作用する横力Ｆｙ_FL、Ｆｙ_FR、Ｆｙ_RL及びＦｙ_RRに基づいて簡易車両モデルに従ってヨーレート微分値γ′及び横加速度Ｇｙを推定する車両挙動推定部１０３と、この車両挙動推定部１０３で推定したヨーレート微分値γ′と横加速度Ｇｙと非駆動輪の車輪速Ｖｗ_FL及びＶｗ_FRに基づいて車体のスリップ角θを推定するスリップ角推定部１０４と、転舵輪３ＦＬ，３ＦＲに作用する横力Ｆｙ_FL及びＦｙ_FRと車輪速Ｖｗ_FL及びＶｗ_FRとスリップ角θとに基づいて路面摩擦係数μを推定する路面摩擦係数推定部１０５と、反力アクチュエータ２３による操舵角δを検出する操舵角センサ２５から出力される操舵角δと路面摩擦係数推定部１０５から出力される路面摩擦係数μに基づいて所定の規範モデルに従って目標ヨーレート微分値γｔ′及び目標横加速度Ｇｙｔでなる規範挙動目標値を出力する規範モデル１０６と、この規範モデル１０６から出力される規範挙動目標値と、スリップ角推定部１０４から出力されるスリップ角θと、路面摩擦係数推定部１０５から出力される路面摩擦係数μと、車両挙動推定部１０３から出力されるヨーレート微分値γ′及び横加速度Ｇｙと車輪速Ｖｗ_FL及びＶｗ_FRとに基づいて安定化制御を行って転舵角指令値δｔを加算器１０８Ｌ及び１０８Ｒに出力する安定化制御器１０７とを備えている。

ここで、反力制御部１０２では、車両統合コントロールユニット１００から読込んだ転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲに作用する横力Ｆｙ_FL及びＦｙ_FRに基づいてステアリングホイール２１に作用させる操舵反力を演算し、操舵反力に応じたトルク指令値を反力アクチュエータ２３に出力して、この反力アクチュエータ２３を制御するように構成されている。
また、車両挙動推定部１０３では、車両を簡易な４輪モデルと考え、車両に係る横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRを表すと図７に示す簡易４輪モデルが考えられる。

このときの運動方程式は、
Ｍ・Ｇｙ＝Ｆｙ_FL＋Ｆｙ_FR＋Ｆｙ_RL＋Ｆｙ_RR …………（１）
Ｉ・γ′＝Ｆｙ_FL×Ｌ_FL＋Ｆｙ_FR×Ｌ_FR＋Ｆｙ_RL×Ｌ_RL＋Ｆｙ_RR×Ｌ_RR……（２）
ここで、Ｍは車体重量、Ｇｙは横加速度、Ｉは車両慣性モーメント、γ′はヨーレート微分値である。

この（１）式から横加速度Ｇｙは
Ｇｙ＝（Ｆｙ_FL＋Ｆｙ_FR＋Ｆｙ_RL＋Ｆｙ_RR）／Ｍ …………（３）
で算出され、ヨーレート微分値γ′は、
γ′＝｛（Ｌ_F（Ｆｙ_FL＋Ｆｙ_FR）−Ｌ_R（Ｆｙ_RL＋Ｆｙ_RR）｝／Ｉ……（４）
で算出される。ここで、Ｌ_Fは重心から前輪を結ぶ軸までの距離、Ｌ_Rは重心から後輪を結ぶ軸までの距離である。

したがって、各車輪の横力Ｆｙ_FL、Ｆｙ_FR、Ｆｙ_RL及びＦｙ_RRが分かると横加速度Ｇｙ及びヨーレート微分値γ′を算出することができ、このうちヨーレート微分値γ′は、直接計測することが困難であり、さらにこれら値は実際のサスペンションが装着された車両では、実ヨーレートや実横加速度よりも先に変化する。すなわち、車両の挙動が変化する前に挙動の変化を予測することができ、高度な制御が可能となることからヨーレート微分値及び横加速度の先読み値と称することができ、これらヨーレート微分値γ′及び横加速度Ｇｙがスリップ角推定部１０４及び後述する安定化制御器１０７に出力される。

また、スリップ角推定部１０４は、車両挙動推定部１０３で算出されたヨーレート微分値γ′及び横加速度Ｇｙに基づいて車体スリップ角θを算出する。
この車体スリップ角θの算出は、先ず、ヨーレート微分値γ′を下記（５）式に示すように積分してヨーレートγを算出すると共に、非駆動輪となる転舵輪３ＦＬ，３ＦＲの車輪速Ｖｗ_FL及びＶｗ_FRの平均値を算出して車速Ｖ（＝（Ｖｗ_FL＋Ｖｗ_FR）／２））を算出する。

γ＝∫｛（Ｌ_F（Ｆｙ_FL＋Ｆｙ_FR）−Ｌ_R（Ｆｙ_RL＋Ｆｙ_RR）／Ｉ）｝ｄｔ……（５）
ここで、ヨーレートγは上記（５）式に従って算出する場合に限らず、車両に設けたヨーレートセンサで検出したヨーレートを適用するようにしてもよい。
次いで、算出したヨーレートγ、車速Ｖ及と横加速度Ｇｙとに基づいて下記（６）式の演算を行って車体スリップ角θを算出する。

θ＝∫（Ｇｙ／Ｖ−γ）ｄｔ …………（６）
このようにして得られたスリップ角θは、積分時のドリフトにより値がズレで行くが、横力Ｆｙ_FL及びＦｙ_FRと路面摩擦係数μとスリップ角θとの関係を利用して補正を行うことが好ましい。
また、路面摩擦係数推定部１０５では、転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲの横力Ｆｙ_FL及びＦｙ_FRとスリップ角推定部１０４で推定したスリップ角θとに基づいて下記（７）式の演算を行って路面摩擦係数μを推定する。

μ＝｛（Ｆｙ_FL＋Ｆｙ_FR）／２｝／（Ｋｆ×θ） …………（７）
ここで、Ｋｆはタイヤの諸元から求めたコーナリングパワーの定数である。
さらに、規範モデル１０６では、入力される操舵角δに基づいて転舵角の基準となる規範挙動値を演算するが、路面摩擦係数推定部１０５から路面摩擦係数μが供給されることより、例えば、雪路、凍結路、降雨路等の低摩擦係数路面では大きなヨーレートを得ようとせず、車両のスピンを防止するために車体のスリップ角θを小さく保つことを規範とする等、規範モデル自体を路面状況に応じて変化させ、より安定な目標ヨーレート微分値γｔ′及び目標横加速度Ｇｙｔでなる規範挙動値を算出する。

さらに、安定化制御器１０７では、規範モデル１０６から出力される目標ヨーレート微分値γｔ′及び目標横加速度Ｇｙｔでなる規範挙動値と、車両挙動推定部１０３で推定された先読み値であるヨーレート微分値γ′及び横加速度Ｇｙと、スリップ角推定部１０４で推定されたスリップ角θと、路面摩擦係数推定部１０５で推定された路面摩擦係数μとに基づいて転舵角指令値δｔを算出し、算出した転舵角指令値δｔを加算器１０８Ｌ及び１０８Ｒの一方の入力側に出力する。

この安定化制御器１０７では、規範モデル１０６の規範挙動値と実際の挙動が等しくなるように転舵角指令値δｔを算出する制御器で、ヨーレート微分値γ′、横加速度Ｇｙの先読み値が車両挙動推定部１０３から入力されることにより、車両の挙動が変化する前に挙動の変化情報が分かることから、従来の制御器に比べて大幅な安定性の向上が可能となる。

また、加算器１０８Ｌ及び１０８Ｒの他方の入力側には、アクティブトー角コントローラ１０９からトー角指令値として転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲのスリップ角θ_F及びθ_Rが入力され、これら加算器１０８Ｌ及び１０８Ｒの出力が個別にモータ駆動回路１１０Ｌ及び１１０Ｒに供給され、これらモータ駆動回路１１０Ｌ及び１１０Ｒによって各ピットマンアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒの電動モータ５４Ｌ，５４Ｒが駆動制御される。

アクティブトー角コントローラ１０９は、図８に示すトー角制御処理を実行する。
このアクティブトー角制御は、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、車載ＬＡＮを介して車両統合コントロールユニット１００から転舵輪３ＦＬ，３ＦＲに作用する横力Ｆｙ_FL及びＦｙ_FRと車輪速Ｖｗ_FL及びＶｗ_FRとを読込み、次いで、ステップＳ２に移行して、読込んだ横力Ｆｙ_FL及びＦｙ_FRと車輪速Ｖｗ_FL及びＶｗ_FRとに基づいて仕事の次元を持つ以下に表される目的関数を最小化する演算を行って転舵輪３ＦＬ，３ＦＲの転がり抵抗を最小化する左右の転舵輪３ＦＬ，３ＦＲのスリップ角θ_L及びθ_Rを算出する。

Ｆｙ_FL・θ_L・Ｖｗ_FL＋Ｆｙ_R・θ_R・Ｖｗ_FR
次いで、ステップＳ３に移行して、算出したスリップ角θ_L及びθ_Rを加算器１０８Ｌ及び１０８Ｒ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、上記実施形態の動作を説明する。

今、ステアリングホイール２１が中立にあって、車両が良路を直進走行状態であるものとすると、この直進走行状態では、車両の各輪に作用する横力Ｆｙ_FL、Ｆｙ_FR、Ｆｙ_RL及びＦｙ_RRは略零であり、車両挙動推定部１０３で前記（３）式及び（４）式に従って算出される横加速度Ｇｙ及びヨーレート微分値γ′は共に略零となる。
このため、スリップ角推定部１０４で前記（５）式に従って算出されるヨーレートγも略零となって前記（６）式で算出される車体スリップ角θも略零となる。

また、路面摩擦係数推定部１０５で前記（７）式に従って算出される路面摩擦係数μも略零となるが、前回の旋回時に算出した路面摩擦係数μが維持される。
また、転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲに作用する横力Ｆｙ_FL及びＦｙ_FRが略零であるので、反力制御部１０２で出力されるトルク指令もステアリングホイール２１が振れ回らない程度の小さい値となっており、これが反力アクチュエータ２３に供給されることにより、この反力アクチュエータ２３で、ステアリングホイール２１の振れ回りを防止する程度の操舵反力が発生されて、ステアリングホイール２１の振れ回りが抑制される。

このとき、ステアリングホイール２１が中立位置にあるので、操舵角センサ２５から出力される操舵角δも略零であり、規範モデル１０６で算出される、ヨーレート微分値の目標値、横加速度目標値等の規範挙動値も略零に設定され、安定化制御器１０７で車両挙動推定部１０３から入力されるヨーレート微分値γ′及び横加速度Ｇｙを規範挙動値に一致させる転舵角が算出されるが、この転舵角も略零となる。

さらに、アクティブトー角コントローラ１０９で算出される転がり抵抗を最小とするスリップ角θ_F及びθ_Rも略零となり、加算器１０８Ｌ及び１０８Ｒの出力値も略零となることからピットマンアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒの電動モータ５４Ｌ，５４Ｒが転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲの転舵角が略零となるようにピットマンアーム４２Ｌ及び４２Ｒを制御することにより、転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲが直進走行状態の転舵角に制御される。

この直進走行状態から、ステアリングホイール２１を左切り（又は右切り）操舵して旋回走行状態に移行する場合には、ステアリングホイール２１の操舵に応じて操舵角δが規範モデル１０６に入力される。この規範モデル１０６で操舵角δ及び路面摩擦係数推定部１０５から入力される路面摩擦係数μに基づいて路面状態に応じた目標ヨーレート微分値γｔ′及び目標横加速度Ｇｙｔでなる規範挙動値が算出され、これらが安定化制御器１０７に入力される。

このとき、車両挙動推定部１０３では、信号処理回路９１ｄで算出した各車輪３ＦＬ〜３ＲＲの横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRが入力されているので、これら横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRに基づいて先読み値となるヨーレート微分値γ′及び横加速度Ｇｙが算出され、これらヨーレート微分値γ′及び横加速度Ｇｙが安定化制御器１０７に入力される。
このため、安定化制御器１０７で、車両挙動推定部１０３で推定した先読み値となるヨーレート微分値γ′及び横加速度Ｇｙが規範モデル１０６で算出した目標ヨーレート微分値γｔ′及び目標横加速度Ｇｙｔと一致するように転舵角を算出し、この転舵角にスリップ角θを加算すると共に、路面摩擦係数推定部１０５で推定した路面摩擦係数μを加味して転舵角指令値δｔを算出し、この転舵角指令値δｔを加算器１０８Ｌ及び１０８Ｒに出力する。

一方、アクティブトー角コントローラ１０９では、転がり抵抗を最小化しつつコーナリング荷重が得られるように、左右の転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲのスリップ角分配を最適に行うために、転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲの横力Ｆｙ_FL及びＦｙ_FRと、車輪速Ｖｗ_FL及びＶｗ_FRと、スリップ角θ_L及びθ_Rとで表される仕事の次元を持つ目的関数Ｆｙ_FL・θ_L・Ｖｗ_FL＋Ｆｙ_R・θ_R・Ｖｗ_FRを最小化するスリップ角θ_L及びθ_Rを算出し、算出したスリップ角θ_L及びθ_Rを加算器１０８Ｌ及び１０８Ｒに出力する。このように、転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲの横力Ｆｙ_FL及びＦｙ_FRと車輪速Ｖｗ_FL及びＶｗ_FRとに基づいてスリップ角θ_L及びθ_Rを算出することにより、転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲに路面から入力される反力に応じたスリップ角θ_L及びθ_Rが算出される。

このため、加算器１０８Ｌ及び１０８Ｒで安定化制御器１０７から入力される転舵角指令値δｔにアクティブトー角コントローラ１０９から入力されるスリップ角θ_L及びθ_Rを加算してモータ駆動回路１１０Ｌ及び１１０Ｒに出力することにより、転がり抵抗を最小としつつ必要なコーナリング荷重が得られるように、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を左右独立に制御し、左右のピットマンアーム４２Ｌ及び４２Ｒを独立して回動させる。

このとき、左右のピットマンアーム４２Ｌ及び４２Ｒが連結部材４４によって連結され、この連結部材４４の連結ロッド８１Ｌ及び８１Ｒがリレーロッド８２によって所定の摺動抵抗を持って連結されており、軸方向に伸縮が可能であるので、左右のピットマンアーム４２Ｌ及び４２Ｒの独立した回動を許容することができると共に、リレーロッド８２の軸方向の伸縮が所定の摺動抵抗を持っている。このため、左右の転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲに路面から作用する反力が異なり、互いに打ち消し合う方向の反力が発生したり、一方の転舵輪の反力が他方の転舵輪の反力よりかなり大きくなったりする場合があり、この場合の左右の電動モータ５４Ｌ及び５４Ｒで生じるエネルギロスは、モータトルクは電流に比例し、エネルギロスは電流の二乗に比例するので、通常の左右一体の転舵アクチュエータで生じるエネルギロスより大きくなる。

しかしながら、左右のピットマンアーム４２Ｌ及び４２Ｒがリレーロッド８２で所定の摺動抵抗を持って連結されているので、左右のピットマンアーム４２Ｌ及び４２Ｒを回動させる力をある程度平均化することができ、転舵のエネルギロスを減少させることができる。
ここで、リレーロッド８２の摺動抵抗は、左右のピットマンアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒを激しく相対運動させる必要性はないので、相対運動に対する抵抗を適切に設定すれば、相対運動によるエネルギロスは小さく、左右独立制御の利点を生かすことができる。

一方、左右のピットマンアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒの何れか一方例えばピットマンアクチュエータ４３Ｒの制御系統に異常が発生した場合には、当該異常が発生したピットマンアクチュエータ４３Ｒの制御を停止させるが、異常となったピットマンアクチュエータ４３Ｒに対応するピットマンアーム４２Ｒが連結部材４４を介して正常なピットマンアクチュエータ４３Ｌで駆動されているピットマンアーム４２Ｌに連結されているので、正常なピットマンアクチュエータ４３Ｌによって、異常となったピットマンアクチュエータ４３Ｒに対応するピットマンアーム４２Ｒを駆動することができ、リレーロッド８２が相対運動にある程度抵抗を有するので、フェイル側の転舵輪３ＦＲが振動することが少なくなり、安定した転舵が可能となる。このフェイル時にリレーロッド８２へその摺動抵抗より大きな力が伝達されて外筒部８３及び摺動軸部８４が相対移動し、図１の摺動軸部８４の小径軸部８４ｂと連結ロッド８１Ｌとの連結端面と外筒部８３の端面との間の距離Ｌａ又は外筒部８３の小径部８３ｂ及び大径部８３ａの段部と摺動軸部８４の小径軸部８４ｂ及び大径軸部８４ａの段部との間の距離Ｌｂが零となった時点で外筒部８３と摺動軸部８４とが一体となって移動することになり、左右が通常操舵可能な程度に確実に連結される。

このように、上記実施形態によれば、左右のピットマンアーム４２Ｌ及び４２Ｒが軸方向の伸縮に所定の自由度を有する連結部材４４で連結されているので、これらピットマンアーム４２Ｌ及び４２Ｒをピットマンアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒで左右独立して制御することができる。しかも、ピットマンアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒの何れか一方の制御系に異常が発生したフェイル時に、正常な他方のピットマンアクチュエータによってフェイル側のピットマンアームを、連結部材４４を介して駆動することができる。

さらに、転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲの横力を内筒部３１ｂ及び外筒部３１ｄとボール３１ｆとで構成される複列アンギュラ玉軸受構成を有するハブ３１Ｌ及び３１Ｒに設けた横力センサ９１で、車輪に作用する横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRを直接検出し、検出した横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRに基づいて左右のピットマンアクチュエータ４３Ｌ及び４３Ｒを独立してアクティブ制御することにより、転がり抵抗を最小化しつつ必要なコーナリング荷重を得ることができ、燃費向上効果が得られると共に、運動性能を向上させることができる。

しかも、車輪に作用する横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRを直接検出し、検出した横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRに基づいてタイヤのスリップ角θと路面摩擦係数μとを推定するので、これらスリップ角θ及び路面摩擦係数の推定を正確に行うことができる。
さらに、規範モデル１０６で算出した規範挙動と車両挙動推定部１０３で横力Ｆｙ_FL〜Ｆｙ_RRから算出した先読み値となるヨーレート微分値γ′と横加速度Ｇｙとでなる実際の車両挙動とが等しくなるように安定化制御器１０７で転舵角指令値δｔを算出することにより、車両挙動が変化する前に挙動の変化を予測することができ、高精度な転舵角制御を行うことができる。ここで、路面摩擦係数μを規範モデル１０６にもフィードバックしていることにより、例えば低摩擦係数路面では大きなヨーレートを得ようとせず、スピンを防ぐため車体のスリップ角θを小さく保つことを規範とするなど、規範モデル１０６も路面状況に応じて変化させることができ、より安定な規範挙動を算出することができる。

なお、上記実施形態においては、連結部材４４を連結ロッド８１Ｌ及び８１Ｒとリレーロッド８２とで構成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、オリフィスを用いたピストンを有する流体式ショックアブソーバのような摺動可能で摺動範囲が規制された連結部材を適用することもできる。
また、上記実施形態においては、アクティブトー角コントローラ１０９で、所定の目的関数を最小化するようなフィードバック制御を行う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、単にスリップ角が左右で均等になるように制御するようにしてもよい。

さらに、上記実施形態においては、操向機構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９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１２０Ｌ及び１２０Ｒ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１２０Ｌ及び１２０Ｒをその減速出力軸１２１Ｌ及び１２１Ｒ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１２１Ｌ及び１２１Ｒに夫々ねじ軸１２２Ｌ及び１２２Ｒを接続する。そして、これらねじ軸１２２Ｌ及び１２２Ｒに螺合するナット１２３Ｌ及び１２３Ｒにタイロッド４１Ｌ及び４１Ｒを回動可能に連結する。さらに、各ギヤードモータ１２０Ｌ及び１２０Ｒのロータに接続されたモータ出力軸１２４Ｌ及び１２４Ｒを減速出力軸１２１Ｌ及び１２１Ｒとは反対側から突出させ、これらモータ出力軸１２４Ｌ及び１２４Ｒの先端に互いに所定の摩擦抵抗で接触する連結円板１２５Ｌ及び１２５Ｒを取付け、これら連結円板１２５Ｌ及び１２５Ｒの接触抵抗によって、ギヤードモータ１２０Ｌ及び１２０Ｒを独立に制御可能で且つ一方のギヤードモータ１２０Ｌ（又は１２０Ｒ）が異常となったときに、正常な他方のギヤードモータ１２０Ｒ（又は１２０Ｌ）のモータ出力軸１２４Ｒ（又は１２４Ｌ）の回転力を連結円板１２５Ｌ及び１２５Ｒを介して異常となったギヤードモータ１２０Ｌ（又は１２０Ｒ）のモータ出力軸１２４Ｌ（又は１２４Ｒ）に伝達するようにしても、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。この場合の連結円板１２５Ｌ及び１２５Ｒ間の接触抵抗は連結円板１２５Ｌ及び１２５Ｒ間の摩擦抵抗や両者間に高粘度グリースを使用したり、連結円板１２５Ｌ及び１２５Ｒの一方に設けたバネ、ゴム等の弾性体を他方に圧接させたり、さらには、連結円板１２５Ｌ及び１２５Ｒに代えて、一方のモータ出力軸１２４Ｌ（又は１２４Ｒ）に例えば円環状の流体室を形成し、この流体室内にオリフィスを有し他方のモータ出力軸１２４Ｒ（又は１２４Ｌ）に連結された仕切板を介挿してオリフィスによる流体抵抗を与えたりすることができる。この場合も連結円板１２５Ｌ及び１２５Ｒの相対回転を例えば一方に設けた係合孔に他方に設けた係合ピンを係合させたり、一方の外周面に設けた突起に他方の外周面に設けた係合ピンを係合させたりすることにより、左右の転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲのスリップ角の差分を吸収することが可能となるように連結円板１２５Ｌ及び１２５Ｒ間の回転範囲を規制する。

また、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、連結円板１２５Ｌ及び１２５Ｒを接触させることなく近接対向させ、双方の連結円板１２５Ｌ及び１２５Ｒに半径方向に突出する突出部１２６Ｌ及び１２６Ｒを形成し、一方の突出部１２６Ｒに他方の突出部１２６Ｌの円周方向側面に係合する係合ピン１２７を形成して、モータ出力軸１２４Ｌ及び１２４Ｒの円周方向の１回転以内の自由回転を許容するように構成することもでき、この場合には、突出部１２６Ｌに係合ピン１２７が係合するまでの間は摩擦抵抗がないので、連結部材による左右平均効果による転舵アクチュエータとしてのギヤードモータ１２０Ｌ及び１２０Ｒのエネルギ低減効果を得ることはできないが、ギヤードモータ１２０Ｌ及び１２０Ｒのモータ電流で転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲの路面からの反力即ちセルフアライニングトルクを計測することができ、この計測したセルフアライニングトルクに基づいて左右のギヤードモータ１２０Ｌ及び１２０Ｒを独立制御することができ、転舵輪３ＦＬ及び３ＦＲの横力を検出することなく転舵アクチュエータを独立制御することができる。

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。 転舵輪のハブを示す拡大断面図である。 車輪の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との関係を示す特性線図である。 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。 簡易４輪モデルを示す説明図である。 アクティブトー角コントローラで実行するトー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。 図９の変形例を示す連結部材の説明図であって、（ａ）は連結円板を説明する縦断面図、（ｂ）は一方の連結円板の正面図、（ｃ）は他方の連結円板の正面図である。

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、４４…連結部材、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、８１Ｌ，８１Ｒ…連結ロッド、８２…リレーロッド、８３…外筒部、８４…摺動軸部、９１…横力センサ、９２…車輪速センサ、１００…車両統合コントロールユニット、１０１…ステアバイワイヤコントロールユニット、１０２…反力制御部、１０３…車両挙動推定部、１０４…スリップ角推定部、１０５…路面摩擦係数推定部、１０６…規範モデル、１０７…安定化制御器、１０８Ｌ，１０８Ｒ…加算器、１０９…アクティブトー角コントローラ、１１０Ｌ，１１０Ｒ…モータ駆動回路、１２０Ｌ，１２０Ｒ…ギヤードモータ、１２１Ｌ，１２１Ｒ…減速出力軸、１２２Ｌ，１２２Ｒ…ねじ軸、１２３Ｌ，１２３Ｒ…ナット、１２４Ｌ，１２４Ｒ…モータ出力軸、１２５Ｌ，１２５Ｒ…連結円板、１２６Ｌ，１２６Ｒ…突出部、１２７…係合ピン

Claims (6)

1. 運転者が操舵する操舵機構と、該操舵機構とは切り離されて転舵輪を転舵する転舵機構とを有し、前記転舵機構は、左右の転舵輪に対して個別に転舵力を付与する転舵アクチュエータを有する一対の転舵部と、該一対の転舵部間を連結する可動抵抗を与えながら可動可能で可動可能範囲が規制された連結部材とを少なくとも有することを特徴とする車両用操舵装置。
2. 運転者が操舵する操舵機構と、該操舵機構とは切り離されて転舵輪を転舵する転舵機構とを有し、前記転舵機構は、左右の転舵輪に対して個別に転舵力を付与する転舵アクチュエータを有する一対の転舵部と、該一対の転舵部間を連結する可動抵抗を与えながら可動可能で可動可能範囲が規制された連結部材とを少なくとも有し、さらに前記一対の転舵部の転舵アクチュエータを前記転舵輪に作用する横力に基づいて独立制御する転舵制御手段を備えていることを特徴とする車両用操舵装置。
3. 前記転舵制御手段は、前記転舵輪に作用する横力を検出する横力検出手段と、前記転舵輪の車輪速を検出する車輪速検出手段と、前記横力検出手段で検出した横力と前記車輪速検出手段で検出した車輪速とに基づいて前記転舵輪のスリップ角を独立にフィードバック制御する転舵制御部とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の車両用操舵装置。
4. 前記横力検出手段及び車輪速検出手段は、前記車輪のハブに内蔵されていることを特徴とする請求項３に係る車両用操舵装置。
5. 前記連結部材は、可動抵抗を粘性及び摩擦の少なくとも一方で発生させるよう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。
6. 前記連結部材は、軸方向に摺動抵抗を与えて伸縮可能なリレーロッドで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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