JP2012096742A - ステアバイワイヤ式のステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】減速旋回中において、減速旋回中に車両に作用する遠心力が一定になるように操舵輪の操舵角の制御を行う。
【解決手段】ステアバイワイヤ式のステアリング装置は、ハンドル２０の旋回角φを検出する旋回角検出センサ３２と、操舵輪３０の操舵角θを検出する操舵角センサ３２と、操舵輪３０を駆動する操舵駆動装置３と、操舵駆動装置３を制御する制御装置４とを備え、ハンドル２０の旋回に応じて操舵輪３０を操舵方向に駆動する。ステアリング装置は、車両の速度Ｖが旋回角φに応じて設定された制限速度より大きいときに、車両の速度Ｖを制限速度まで減速する減速手段を備える。そして、この減速手段により減速旋回しているときに、車両に作用する遠心力が一定となるように操舵角θをハンドル２０の旋回角φに応じた所定角度まで大きくする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ハンドルの旋回角に応じて操舵輪を操舵方向に駆動するステアバイワイヤ式のステアリング装置に関する。

フォークリフト等の産業車両では、ハンドルの旋回に応じて操舵輪を操舵方向へ駆動するステアリング装置を備える。ステアリング装置には、ハンドルと操舵輪と機械的リンクにより連結する機械式と、例えば特許文献１のようにハンドルと操舵輪とを機械的に連結しない、ステアバイワイヤ式がある。

ところで、フォークリフトでは、高速走行中に減速することなくステアリング装置のハンドルを大きく旋回すると、車両に大きな遠心力（横加速度）が作用し、車両は安定性を失って転倒する危険性がある。

例えば特許文献２のフォークリフトは、旋回によって車両が転倒することを防止するために、車両の速度を操舵輪の操舵角に応じた制限速度まで減速するステアリング装置を備える。このステアリング装置は、旋回時に車両の速度を自動的に減速することで、車両の安定性を向上させて、車両の転倒防止を図っている。

しかしながら、このようなステアリング装置では、車両の速度を操舵角に応じた制限速度にまで減速するためには、ある程度の時間が必要である。そのため、ハンドルを急旋回すると、車両の速度の減速が追い付かないうちに操舵輪が操舵しきってしまい、車両に作用する遠心力を抑えることができず、フォークリフトの転倒を防止できないことがある。

特開２００３−１７１０９５号公報 特開昭６１−９２９３１号公報

本発明が解決しようとする課題は、減速旋回中において、車両の速度に応じて操舵輪の操舵角を徐々に大きくし、車両に作用する遠心力が一定になるように制御が可能なステアバイワイヤ式のステアリング装置を提供する。

上記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、車両の速度を検出する速度検出手段と、ハンドルの旋回角を検出する旋回角検出手段と、操舵輪の操舵角を検出する操舵角検出手段と、操舵輪を駆動する操舵駆動手段と、操舵駆動手段を制御する制御手段とを備え、ハンドルの旋回に応じて操舵輪を操舵方向に駆動するステアバイワイヤ式のステアリング装置であって、
車両の速度が旋回角に応じて設定された制限速度より大きいときに、車両の速度を制限速度まで減速する減速手段を備え、制御手段は、車両が減速手段により減速しながら旋回するときに、車両に作用する遠心力が一定となるように、操舵角を旋回角に応じた所定の角度まで徐々に大きくすることを特徴とする。

好ましくは、ウォーキーフォークリフトに搭載されている。

本発明に係るステアリング装置では、ハンドルの旋回角度に応じて制限速度が設定され、旋回時に車両の速度を制限速度まで減速する減速手段を備える。そして、ハンドルの旋回に応じて操舵輪を操舵方向に駆動する際に、操舵輪の操舵角を減速手段による減速に合わせて徐々に（連続的に）大きくし、一定の遠心力（横加速度）が作用した状態で車両を旋回させることができる。

したがって、車両に作用する遠心力を転倒することがない一定の値以下に抑えて減速旋回が可能であり、ハンドルを急旋回することによる車両の転倒を確実に防止でき、車両の安定性が向上する。また、車両に搭乗しているオペレータが旋回時の遠心力により車両から振り落とされることも防止できる。

本発明に係るステアリング装置を備えたウォーキーフォークリフトの側面図である。 本発明に係るステアリング装置の構成を示す図である。 ハンドルの旋回角と車両の制限速度との関係を示す図である。 ウォーキーフォークリフトの旋回時の様子を示す図である。

以下、図面に基づいて、本発明に係るステアリング装置の実施形態を説明する。本実施例では、ステアリング装置は、フォークリフトに搭載されている。

図１に示されるように、フォークリフトは、ウォーキーフォークリフトである。フォークリフトは、車両本体１と、車両本体１の前部に昇降可能な一対のフォーク１０を備える。フォーク１０の下部には、ロードホイール１１（前輪）が設けられる。

フォークリフトは、車両本体１の上部にハンドル装置２を備える。ハンドル装置２は、オペレータが操作するためのハンドル２０を備える。オペレータは、ハンドル２０を操作してフォークリフトの操舵を行う。さらに、フォークリフトは、操舵輪３０を有する操舵駆動装置（操舵駆動手段）３を備える。操舵駆動装置３は、操舵輪３０を前後方向および旋回方向（直進方向から左右方向）に駆動するためのＥＰＳモータ等からなる駆動部３１を備える。ステアリング装置は、ハンドル装置２と操舵駆動装置３とが機械的に連結されていないステアバイワイヤ式である。すなわち、車両本体１に設けられた制御装置４（制御手段）が、ハンドル装置１からの入力信号に基づき、操舵駆動装置３を制御する。

ハンドル装置２のハンドル２０にはアクセルレバー（図示せず）が設けられる。オペレータがアクセルレバーを操作することで、フォークリフトは前進または後進する。さらに、ハンドル装置２は水平方向に沿って設けられた回動軸２１を備え、ハンドル２０は回動軸２１を中心として傾倒できる。ハンドル２０は垂直に起立する状態に付勢されており、この状態から水平まで傾倒できる。フォークリフトは、ハンドル２０が垂直に起立した状態または水平に傾倒した状態のときに停止する構成となっている。ハンドル２０は垂直に起立する状態に付勢されていることから、オペレータが走行中に不意にハンドル２０から手を離した場合、ハンドル２０は自動的に垂直に起立した状態にまで戻り、フォークリフトは停止する。

さらに、フォークリフトは、車両本体１の後部に、オペレータが搭乗するためのステップ５を備える。ステップ５には回動軸５０が設けられ、垂直に起立した状態から水平状態にまで傾倒できる。オペレータは、ステップ５を垂直に起立した状態に保持して、歩行しながらフォークリフトを操舵でき、また、ステップ５を水平に傾倒して、ステップ５に搭乗してフォークリフトを操舵することもできる。

ハンドル装置２は垂直方向に沿って設けられた回転軸２２を備え、ハンドル２０は回転軸２２を中心として左右方向に旋回する。ハンドル装置２は、ハンドル２０の旋回角φを検出するためのポテンショメータ等からなる旋回角センサ２３（旋回角検出手段）を備える。旋回角センサ２３は回転軸２２に連結される。ハンドル２０を旋回することで、回転軸２２が回転し、旋回角センサ２３はハンドル２０の旋回角φを検出する。図２に示されるように、旋回角センサ２３からの検出信号は制御装置４に入力される。

操舵駆動装置３は、操舵輪３０の操舵角θを検出するためのポテンショメータ等からなる操舵角センサ（操舵角検出手段）３２を備える。また、操舵駆動装置３は、車両の速度Ｖを連続的に検出するためのロータリエンコーダ等からなる速度センサ３３（速度検出手段）を備える。操舵角センサ３２および速度センサ３３からの検出信号は、制御装置４へ入力される。

ハンドル装置２のハンドル２０を旋回すると、旋回角センサ２３はハンドル２０の旋回角φを検出し、旋回角センサ２３からの検出信号が制御装置４に入力される。そして、制御装置４は、駆動部３１を駆動し、ハンドル２０の旋回角φに応じた所定の角度まで操舵輪３０を操舵する。

このフォークリフトでは、図３に示すように、ハンドル２０の旋回角φに応じて車両の速度Ｖに制限速度が設定される。この旋回角φに応じて設定される制限速度に関する情報は、制御装置４に記憶されている。旋回角φ＝０°のとき、すなわちフォーリフトが直進しているとき、車両の制限速度は７ｋｍ／ｈに設定されている。旋回角φ＝６０°のとき、すなわちハンドル２０を左右方向のどちらかに６０°旋回しているとき、制限速度は３ｋｍ／ｈである。なお、ハンドル２０の旋回角φと車両の制限速度との関係は、図３に示すものに限定されない。

そして、ステアリング装置は、ハンドル２０を旋回したときに、速度センサ３３により検出される車両の速度Ｖが設定された制限速度より大きいときに、車両の速度Ｖを制限速度にまで自動的に減速する減速手段を備える。

例えば、車両の速度Ｖ＝７ｋｍ／ｈで直進している状態から（φ＝０°）、ハンドルを６０°旋回したとする（φ＝６０°）。図３からわかるように、車両の速度Ｖ＝７ｋｍ／ｈは旋回角φ＝６０°における制限速度３ｋｍ／ｈより大きい。そこで、制御装置４は、操舵駆動装置３に設けられた回生ブレーキ３４（図２）を作動させて速度センサ３３により検出される車両の速度Ｖを３ｋｍ／ｈまで減速をしながら、駆動部３１を介して操舵輪３０を操舵角θが６０°になるまで操舵する。例えば、車両の速度Ｖ＝５ｋｍ／ｈで直進しているときにハンドル２０を３０°旋回したとする（φ＝３０°）。旋回角φ＝３０°における制限速度は７ｋｍ／ｈであり、車両の速度Ｖは制限速度より小さい。この場合、制御装置４は、回生ブレーキ３４を作動させず、車両の速度Ｖを減速することなく、駆動部３１を介して操舵輪３０を操舵角θが３０°になるまで操舵する。

こうして、減速手段（制御装置４、速度センサ３３および回生ブレーキ３４）によって、車両の速度Ｖをハンドル２０の旋回角φに応じて設定された制限速度にまで自動的に減速でき、オペレータはブレーキ操作することなく車両を減速旋回させることができる。なお、減速手段は、車両の速度Ｖがハンドル２０の旋回角φに応じて設定された制限速度より小さい場合において、オペレータがアクセル操作をして車体の速度Ｖを大きくしたとしても、車両の速度Ｖが制限速度より大きくならないように制限する。

そして、制御装置４は、車両が上記の減速手段により減速しながら旋回しているときに、車両に一定以下の遠心力が作用するように操舵輪３０を制御可能である。以下、これについて説明する。

図４に示すように、ロードホイール１１（前輪）と操舵輪３０（後輪）との前後輪間距離をｒ、操舵角θのときの旋回半径をＲとする。そして、車両の質量をＭ、車両の速度をＶとし、旋回半径Ｒで円運動をしているときに車両に作用する遠心力をＦとすると、式１が成立する
Ｆ＝Ｍ・Ｖ²／Ｒ ・・・式１
ここで、Ｆ、Ｍを一定の値とすると、式２となる。
Ｒ＝Ｍ・Ｖ²／Ｆ ・・・式２
また、前後輪間距離ｒ、操舵角θおよび旋回半径Ｒとの間では式３が成立する。
θ＝arctan(ｒ／Ｒ) ・・・式３
したがって、式２および式３から、式４を得られる。
θ＝arctan((ｒ・Ｆ)／(Ｍ・Ｖ²))＝arctan(ｒ・a／Ｖ²) ・・・式４
ａ：旋回時に車両および車両に搭乗したオペレータに作用する横加速度

したがって、車両の速度Ｖで旋回しているときに、式４を満たすように操舵角θを制御すれば、車両に作用する遠心力Ｆを一定に、車両および車両に搭乗したオペレータに作用する横加速度ａを一定にした状態のまま旋回できることがわかる。

そこで、式４において車両に作用する遠心力Ｆを、車両が転倒することがない遠心力Ｆmax（一定の値）とし、その値を予め制御装置４に設定しておく。そして、制御装置４は、減速手段により減速旋回をする際に、操舵輪３０が操舵できる最大の角度である最大操舵角θmaxに式４の制限を設ける。すなわち、
θmax＝arctan((ｒ・Ｆmax)／(Ｍ・Ｖ²)) ・・・式５
となるように、最大操舵角θmaxに制限を設ける。前後輪間距離ｒ、車両の質量Ｍ、遠心力Ｆmaxは一定の値であり、車両の速度Ｖは速度センサ３３により連続的に検出できる値であるため、式５を満たす最大操舵角θmaxの値を求めることはできる。すなわち、制御装置４は、操舵輪３０を操舵するにあたり、操舵角センサ３２により検出される操舵角θを式５により演算される最大操舵角θmaxの値より大きくならないように制御を行う。

また、式５からわかるように、車両の速度Ｖが小さくなると、最大操舵角θmaxは大きくなる。すなわち、旋回時の減速手段による車両の速度Ｖの減速に応じて、最大操舵角θmaxは徐々に（連続的に）大きくなっていく。

この制御装置４により、操舵輪３０の操舵角θは以下のように制御される。まず、直進している状態からハンドル２０を旋回すると、制御装置４は駆動部３１を介して、操舵輪３０の操舵方向への操舵を始める。つまり、制御装置４は、操舵輪３０の操舵角θがハンドル２０の旋回角φに一致するように（θ＝φとなるように）、操舵角θをハンドル２０の旋回速度に追従して大きくし始める。ハンドル２０の旋回により、上記の減速手段が作動した場合、制御装置４は最大操舵角θmaxに式５の制限を設定する。

そして、制御装置４が操舵輪３０を操舵している際、操舵角θがハンドル２０の旋回角φに達するまでに、式５によって演算される最大操舵角θmaxになった場合（θ＝θmax＜φ）、操舵角θは制御装置４の制御により、式５の最大操舵角θmaxを越えて旋回角φにまで大きくなることはない。すなわち、操舵角θ（＝θmax）は、式５の制限を受けてしまい、ハンドル２０の旋回速度に追従して大きくなることができない。このとき、操舵角θは式５を満たすため、車両には遠心力Ｆmaxが作用している。

上述のように減速手段により車両の速度Ｖは自動的に減速しているため、式５の制限を受けている最大操舵角θmaxは減速に応じて徐々に大きくなっていく。したがって、操舵角θは、最大操舵角θmaxになってからは、式５の制限を受けながら徐々に大きくなって、ハンドル２０の旋回角φに達する（θ＝θmax＝φ）。操舵角θは、最大操舵角θmaxになってから旋回角φに達するまでの間、式５を満たすように制御されているため、車両は一定の遠心力Ｆmaxが作用した状態で旋回することとなる。

このように、ハンドル２０の旋回に応じて操舵輪３０の操舵角θをハンドル２０の旋回角φに一致するまで大きくするにあたり、操舵角θは操舵最大角θmaxになるまでの間は、ハンドル２０の旋回速度に追従して大きくなる。そして、操舵角θは、操舵最大角θmaxになってからハンドル２０の旋回角φに達するまで間は、ハンドル２０の旋回速度に追従するように大きくなるのではなく、式５の制限に従い車両の速度Ｖの減速に応じて徐々に大きくなる。なお、ハンドル２０を旋回したときに、減速手段が作動しない場合には、制御装置４は上記のような操舵角θの制御をしない。すなわち、制御装置４は、操舵角θを旋回角φに一致するまで、ハンドル２０の旋回速度に追従して大きくする。

この構成によって、高速走行中にハンドル２０を急旋回したとしても、操舵角θは式５を満たす最大操舵角θmaxより大きくなることはない。すなわち、車両に作用する遠心力は、遠心力Ｆmaxより大きくなることはない。さらに、操舵角θは、最大操舵角θmaxになりハンドル２０の旋回角φに達するまで間、式５を満たすように制御されるため、この間、車両は一定の遠心力Ｆmaxが作用した状態で安定して減速旋回できる。したがって、高速走行中にハンドル２０を急旋回したとしても、車両に作用する遠心力を予め設定された車両が転倒しない遠心力Ｆmax以下に確実に抑えることができ、車両の安定性が向上する。

なお、本実施例のようなウォーキーフォークリフトでは、オペレータがステップ５に搭乗しながらフォークリフトを操舵する場合、旋回時に車両およびオペレータに作用する横加速度により、車両が転倒するよりも先にステップ５に搭乗しているオペレータが車両から振り落とされやすい。したがって、オペレータを基準として、すなわち旋回時に作用する横加速度が、オペレータがステップから振り落とされる値以下に抑えられるように、制御装置４は上述の操舵角θの制御を行うことが好ましい。

２ ハンドル装置
２０ ハンドル
２３ 旋回角センサ（旋回角検出手段）
３ 操舵駆動装置（制御手段）
３０ 操舵輪
３２ 操舵角センサ（操舵角検出手段）
３３ 速度センサ （速度検出手段）
３４ 回生ブレーキ
４ 制御装置
φ ハンドルの旋回角
θ 操舵輪の操舵角

Claims (2)

1. 車両の速度を検出する速度検出手段と、ハンドルの旋回角を検出する旋回角検出手段と、操舵輪の操舵角を検出する操舵角検出手段と、前記操舵輪を駆動する操舵駆動手段と、前記操舵駆動手段を制御する制御手段とを備え、前記ハンドルの旋回に応じて前記操舵輪を操舵方向に駆動するステアバイワイヤ式のステアリング装置であって、
   前記車両の速度が前記旋回角に応じて設定された制限速度より大きいときに、前記車両の速度を前記制限速度まで減速する減速手段を備え、
   前記制御手段は、前記車両が前記減速手段により減速しながら旋回するときに、前記車両に作用する遠心力が一定となるように、前記操舵角を前記旋回角に応じた所定の角度まで徐々に大きくすることを特徴とするステアリング装置。
2. ウォーキーフォークリフトに搭載されてい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。

Images