JP2020050327A - ステアリングシステムおよびそれを備えた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単でかつ安全性を確保した機械的な機構を備えながら、車両速度と操舵指示角に合わせて左右前輪の角度を制御でき、ハンドル操作自動運転装置からの操舵指令に対する車両の応答性を向上させることができるステアリングシステムを提供する。【解決手段】このステアリングシステム１００は、機械的に連動し、左右の前輪９を足回りフレーム部品６の角度変更によって操舵させる第１のステアリング装置１１と、第２のステアリング装置１５０とを備える。第２のステアリング装置１５０は、補助転舵用アクチュエータ５を駆動することで足回りフレーム部品６に対する車輪９の角度を変える。第２のステアリング装置１５０の補助転舵制御部１５１は、操舵指示角と車両速度に基づき、車両運動の数値モデルにより求まる操舵角と、実際の操舵角との差分となる操舵角だけ転舵させるように制御する。【選択図】図１

Description

この発明は、通常のステアリング装置に対して、±数度以下の補助的な転舵を加える機構を付加し、運転者のハンドル操作に対する車両の応答性を向上させるステアリングシステムおよびそれを備えた車両に関する。

従来の一般的なステアリング装置は、ハンドルの回転に機械的に連動する足回りフレーム部品の角度を変更させ、前輪の操舵を行うものであるが、運転者のハンドル操作に対して車両が進行方向を変える応答性が今一つ低い。このような応答性を向上させる技術として、特許文献１，２が提案されている。

特許文献１は、前輪が操舵される車両の挙動を制御する車両用挙動制御装置において、ドライバの意思を車両の挙動に反映させるだけではなく、車両姿勢の安定感や乗り心地が一層向上するように車両挙動を制御する装置である。
同文献における操舵装置は、ステアリングホイールの回転を前輪に伝達する操舵装置であって、ステアリングホイール側機構とこれと機械的に分離されている前輪を操舵する車輪側機構を備える。
前記ステアリングホイール側機構には、ステアリングホイールの回転操舵角を検出する第１舵角センサが設けられ、前記車輪側機構には前輪の操舵に対応する操舵角を検出する第２舵角センサを備える。前記第１舵角センサの出力と第２舵角センサの出力とから操舵速度を算出し、車両において生じた転舵が、ドライバが意思をもって行ったステアリング操作に対応する操舵であるか、或いは外乱による前輪の転舵に対応する操舵であるかを、上記第１及び第２舵角センサの出力に基づいて判断し、この判断結果に基づいて操舵速度を決定する。

特許文献２には、１つのホイール内において、モータを２個使用し、車輪のトー角とキャンバー角の両方を調整することが記載されている。

特許６２７０２５１号明細書 独国特許出願公開第１０２０１２２０６３３７号明細書

特許文献１のようなステアバイワイヤシステムを用いた構成では、走行中に電源が失陥した場合など、車両の操作ができなくなることが考えられ、安全性に課題がある。
また、特許文献２等の補助的な転舵機能を備えた機構では、車輪のトー角やキャンバー角を自由に変更することを目的としているため、複雑な構成となっている。特許文献２の場合は、モータを２個使っているため、モータ個数の増大によるコスト増が生じるだけでなく、１つの車輪内でトー角とキャンバー角の両方を制御するために、複雑で大きな機構になる。

この発明は、上記課題を解消するものであり、その目的は、構造が簡単でかつ安全性を確保した機械的な機構を備えながら、車両速度と操舵指示角に合わせて左右前輪の角度を制御でき、ハンドル操作や自動運転装置からの操舵指令に対する車両の応答性を向上させることができるステアリングシステムおよび車両を提供することである。

この発明のステアリングシステム１００は、車両１０１の前輪となる左右の車輪９，９が機械的に連動し、ハンドル２００の回転または電気信号による操舵指示角δ_ｈに従い車両１０１の前輪となる左右の車輪９，９を、これら左右の車輪９，９が設置される懸架装置１２の左右の足回りフレーム部品６，６の角度変更によって操舵する第１のステアリング装置１１と、
前記左右の車輪９，９に対してそれぞれ設けられた補助転舵用アクチュエータ５，５を駆動することで前記足回りフレーム部品６，６に対する車輪９，９の角度を変えて前記左右の車輪９，９を個別に転舵させる第２のステアリング装置１５０と、
前記車両１０１の車両速度Ｖおよび操舵指示角δ_ｈを含む車両情報を検出する車両情報検出部１１０と、
を備えたステアリングシステム１００であって、
前記第２のステアリング装置１５０は、前記操舵指示角δ_ｈと前記車両速度Ｖの情報に基づき車両運動の数値モデルＭにより求まる前記前輪の操舵角δと、前記第１のステアリング装置１１で操舵される実際の前輪９，９の操舵角δ_１との差分となる操舵角δ_２だけ転舵させるように前記補助転舵用アクチュエータ５を制御する補助転舵制御部１５１を有する、ことを特徴とする。

この構成によると、第１のステアリング装置１１により、操舵指示角δ_ｈに従い左右の足回りフレーム部品６，６が機械的に連動して角度変更し、前輪である左右の車輪９，９が足回りフレーム部品６，６と共に操舵される。例えば、運転者によるハンドル２００の回転に機械的に連動して、左右の足回りフレーム部品６が角度変更し、足回りフレーム部品６，６と共に前輪となる車輪９，９が操舵される。この操舵は、一般的な車両の操舵と同じである。この第１のステアリング装置１１による操舵角δ_１に対して、第２のステアリング装置１５０による転舵が、補助転舵制御部１５１による制御によって加えられる。

この場合に、第２のステアリング装置１５０では、操舵指示角δ_ｈと車両速度Ｖの情報に基づき、車両運動の数値モデルＭ、つまり動力学モデルにより応答最良の操舵角（理想の操舵角）として求まる操舵角δと、第１のステアリング装置１１で操舵される実際の車輪９，９の操舵角δ_１との差分となる操舵角δ_２だけ転舵させるように補助転舵用アクチュエータ５を制御する。すなわち、旋回時に、操舵指示角δ_ｈと走行速度に応じて、車両の動力学モデルに基づく適切なタイヤ角になるように、第２のステアリング装置１５０によって補正する。そのため、ハンドル操作や自動運転装置からの操舵指令に対する応答性を改善することが出来る。
第２のステアリング装置１５０は、上記のように通常のハンドル操作による操舵を補正するものであるため、最大転舵角は、例えば±数度（±２〜±５）に制限された構成でよい。そのため、従来のステアバイシステムと異なり、電源の失陥等で補助転舵用アクチュエータ５を正しく動作させることができなくなった場合でも、車両１０１の走行方向への影響は小さく、安全性が確保される。第２のステアリング装置１５０は、±数度以下の角度の転舵を加えるものであり、その補助転舵用アクチュエータ５も一つで済むため、従来のトー角とキャンバー角との両方を調整する機構に比べて、簡単な構造で済む。また、±数度以下の転舵角度の補正であるため、運転者に危険を感じせることなく、前記ハンドル操作に対する応答性の改善が行える。
このように、構造が簡単でかつ安全性を確保した機構を用いながら、車両速度Ｖと操舵指示角δ_ｈに合わせて左右輪９，９の転舵角度を制御し、運転者のハンドル操作または自動運転装置からの操舵指令に対する車両１０１の応答性を向上させることが可能となる。

この発明のステアリングシステム１００において、前記第２のステアリング装置１５０の前記補助転舵制御部１５１により前記追加転舵の操舵角δ_２を求めて転舵させる制御に、２輪モデルを用いた、次の式(14)を用いてもよい。

ここで、
δ_２：差分となる追加転舵の操舵角
δ_ｈ：操舵指示角
Ｖ：車両速度
Ｖ_β＝０：舵角に対する横滑り角βが０となる時の車両速度
ｎ：操舵指示角の前輪の操舵角との比（ギアレシオ）
ζ：減衰率
ω_ｎ：固有振動数（車両の固有振動数）
α_１，α_２，α_３：パラメータ
ｋ_ｒ：後輪1輪あたりのタイヤコーナリングパワー
ｌ_ｒ：車両重心と後輪車軸の距離
ｌ：前輪車軸と後輪車軸の距離（ｌ_ｆ＋ｌ_ｒ）
I：車両のヨー慣性モーメント
ｓ：ラプラス変換における複素変数

上記式（１４）を用いると、発明の詳細な説明欄で詳しく説明するように、操舵指示角δ_ｈと車両速度Ｖの情報に基づき、車両運動の数値モデルにより求まる前輪の理想の操舵角δと、前記第１のステアリング装置１１で操舵される実際の車輪９，９の操舵角δ_１との差分となる追加転舵の操舵角δ_２、つまり補助的に加える操舵角δを適切に求めることができる。そのため、運転者のハンドル操作に対する車両の応答性の向上が良好に得られる。

この発明のステアリングシステム１００において、前記第２のステアリング装置１５０の前記補助転舵制御部１５１により前記追加転舵の操舵角δ_ｈｂを求めて転舵させる制御に、次式(27)を用いてもよい。

上記式(27)を用いて追加転舵の操舵角δ_ｈｂを演算し、左右それぞれの第２のステアリング装置１５０を微小な角度で制御することで、タイヤの操縦安定性能を効果的に利用できる。

この発明のステアリングシステム１００において、前記補助転舵制御部１５１は、前記車両運動の数値モデルにより求まる前記前輪の左右それぞれの操舵角δと、前記第１のステアリング装置１１で操舵される実際の前輪の左右それぞれの操舵角δ_１とのそれぞれの差分となる追加転舵の個別の操舵角（δ_２Ｌ、δ_２Ｒ）だけ転舵させるように前記補助転舵用アクチュエータ５，５を制御してもよい。この場合、車両の旋回時に、例えば、左右の操舵角を微妙に変化させることで車両の走行特性を変化させ、それぞれの車輪９，９に掛かる荷重を変化させるなど、細かな制御が可能となり、さらなる車両運動性能の改善が期待できる。

この発明のステアリングシステム１００において、前記第２のステアリング装置１５０は、車輪取付用のハブベアリング１５を有するハブユニット本体２と、前記足回りフレーム部品６と連結されまたは足回りフレーム部品６の一部として構成されたユニット支持部材３とを備え、
前記ハブユニット本体２は、上下方向に延びる補助転舵軸心Ａ回りに回転自在に回転許容支持部品４を介して前記ユニット支持部材３に支持され、前記補助転舵用アクチュエータ５の駆動により前記補助転舵軸心Ａ回りに回転させられる補助転舵機能付ハブユニットであってもよい。
第２のステアリング装置１５０を上記構成とすることで、既存の車両の基本構造を変更することなく、簡単な構造で、ハブユニット本体２に取付けられた車輪９，９のトー角度を自由に調整することができる。

この発明のステアリングシステム１００において、前記第２のステアリング装置１５０は、車輪取付用のハブベアリング１５を有するハブユニット本体２、および前記足回りフレーム部品６と連結されまたは足回りフレーム部品６の一部として構成されて前記ハブユニット本体２を前記足回りフレーム部品６に対して角度変更可能に支持するユニット支持部材３を有する機構部１５０ａと、前記補助転舵制御部１５１、およびこの補助転舵制御部１５１が出力するモータ指令信号に応じた駆動電流を出力して前記補助転舵用アクチュエータ５を駆動するモータ制御装置１７０，１７５を有する制御装置部１５０ｂとを備える構成であってもよい。
第２のステアリング装置１５０を上記のような機構部１５０ａと制御装置部１５０ｂとを備える構成とすることで、構造が簡単でかつ安全性を確保した機械的な機構を用いながら、車両速度Ｖと操舵指示角δ_ｈに合わせて左右輪の角度を別々に制御し、運転者のハンドル操作に対する車両の応答性を向上させることが、簡素な構成で実現できる。

この発明のステアリングシステム１００において、前記第２のステアリング装置１５０の前記補助転舵用アクチュエータ５が逆入力防止機構２５ｂを備えていてもよい。
前記逆入力防止機構２５ｂを備えていると、制御系に異常が発生した場合、瞬時に補助転舵用アクチュエータ５の制御を停止するだけで、路面からの逆入力を防止することでハブユニットのふらつきを抑え、運転者のハンドル操作によって車両を確実に停止できる状態まで移動させることができ、安全を確保することができる。前記逆入力防止機構２５ｂは、前記補助転舵用アクチュエータ５の動作を伝える機構に台形ネジを用いることなどで、簡単に構成することができる。

この発明の車両は、この発明の上記いずれかの構成のステアリングシステム１００を装備した車両である。
この構成の車両によると、ステアリングシステム１００に構造が簡単でかつ安全性を確保した機械的な機構を用いて、車両速度Ｖと操舵指示角δ_ｈに合わせて左右前輪の転舵角度を制御し、運転者のハンドル操作や自動運転装置からの操舵指令に対する車両１０１の応答性を向上させることができる。

この発明のステアリングシステムは、車両の前輪となる左右の車輪が機械的に連動し、ハンドルの回転または電気信号による操舵指示角に従い車両の前輪となる左右の車輪を、これら左右の車輪が設置される懸架装置の左右の足回りフレーム部品の角度変更によって操舵する第１のステアリング装置と、前記左右の車輪に対してそれぞれ設けられた補助転舵用アクチュエータを駆動することで前記足回りフレーム部品に対する車輪の角度を変えて前記左右の車輪を個別に転舵させる第２のステアリング装置と、前記車両の車両速度および操舵指示角を含む車両情報を検出する車両情報検出部と、を備えたステアリングシステムであって、前記第２のステアリング装置は、前記操舵指示角と前記車両速度の情報に基づき車両運動の数値モデルにより求まる前記前輪の操舵角と、前記第１のステアリング装置で操舵される実際の前輪の操舵角との差分となる追加転舵の操舵角δ_２だけ転舵させるように前記補助転舵用アクチュエータを制御する補助転舵制御部を有するため、構造が簡単でかつ安全性を確保した機械的な機構を用いながら、車両速度と操舵指示角に合わせて左右輪の角度を別々に制御し、運転者のハンドル操作や自動運転装置からの操舵指令に対する車両の応答性を向上させることができる。

この発明の車両は、この発明のステアリングシステムを備えるため、運転者のハンドル操作や自動運転装置からの操舵指令に対する車両の応答性を向上させることができる。

この発明一実施形態に係るステアリングシステムおよびこのシステムを搭載した車両の概念構成を概略示す説明図である。 同ステアリングシステムの概念構成を示すブロック図である。 同ステアリングシステムの補助転舵制御部の概念構成を示すブロック図である。 同車両の４輪モデルの説明図である。 同４輪モデルを変換した２輪モデルの説明図である。 同ステアリングシステムにおける補助転舵の制御を行った場合と行わない場合とにつき車両のヨー角速度と横加速の変化を示すグラフである。 同ステアリングシステムにおける第２のステアリング装置の機構部およびその周辺の構成を示す縦断面図である。 同第２のステアリング装置の機構部等の構成を示す水平断面図である。 同第２のステアリング装置の機構部等の異なる動作状態を示す水平断面図である。 同第２のステアリング装置の機構部の外観を示す斜視図である。 同第２のステアリング装置の機構部の分解正面図である。 同第２のステアリング装置の機構部の側面図である。 同第２のステアリング装置の機構部の平面図である。 図１２のXIV - XIV 線断面図である。 車両軌跡および横加速度の解析結果を示す図である。 左タイヤ角度および右タイヤ角度の解析結果を示す図である。

この発明の一実施形態を図１ないし図１６と共に説明する。
図１は、この実施形態に係るステアリングシステム１００を搭載した自動車等の車両１０１の概念構成を概略示す図である。車両１０１は、前輪となる左右の車輪９，９と、後輪となる左右の車輪９，９とを有する４輪車両であり、駆動方式は、前輪駆動、後輪駆動、４輪駆動のいずれであってもよい。

このステアリングシステム１００は、車両１０１の操舵を行うためのシステムであり、第１のステアリング装置１１と、第２のステアリング装置１５０と、車両情報検出部１１０とを備える。

＜第１のステアリング装置１１の構成＞
第１のステアリング装置１１は、ハンドル２００に機械的に連動し、ハンドル角である操舵指示角に従い前輪となる左右の車輪９，９を、これら左右の車輪９，９が設置される左右の足回りフレーム部品６，６の角度変更によって操舵する装置である。足回りフレーム部品６，６は、この実施形態ではナックルである。
第１のステアリング装置１１は、ハンドル２００が取付けられたステアリングシャフト３２、ラックアンドピニオン（図示せず）、タイロッド１４等、周知の機械的な構成を備える。運転者がハンドル２００に対して回転入力を行うと、ステアリングシャフト３２も連動して回転する。ステアリングシャフト３２が回転すると、ラックアンドピニオンによってステアリングシャフト３２と連結されているタイロッド１４が車幅方向に移動することで、懸架装置１２の足回りフレーム部品６と共に、この足回りフレーム部品６に設置された車輪９の向きが変わり、左右の車輪９，９を連動して操舵することが可能である。

＜第２のステアリング装置１５０の概略構成＞
第２のステアリング装置１５０は、車両１０１の状態に応じた制御によって補助的な転舵を行う装置であり、機械構造部分である機構部１５０ａと、この機構部１５０ａを制御する制御装置部１５０ｂとを有する。
機構部１５０ａは、補助転舵の対象となる車輪９，９毎に設けられる機構であり、車両１０１のタイヤハウジング１０５内に設けられて補助転舵用アクチュエータ５の駆動により車輪９を個別に、前記足回りフレーム部品６に対して転舵させる。機構部１５０ａは、図１および図７に示すように、ハブベアリング１５を有するハブユニット本体２、および前記足回りフレーム部品６と連結されまたは足回りフレーム部品６の一部として構成されてハブユニット本体２を足回りフレーム部品６に対して角度変更可能に支持するユニット支持部材３を有する補助転舵機能付のハブユニットとして構成される。補助転舵用アクチュエータ５は、その駆動源となるモータ２６に路面からの外力が入る逆入力を阻止する逆入力防止機構２５ｂ（図８参照）を備える。

第２のステアリング装置１５０は、上記のように補助転舵機能付のハブユニットとして構成されるが、このハブユニット内に車輪９の回転軸とは異なる１つの補助転舵軸心Ａを持つ。また、ハブユニット内の補助転舵用アクチュエータ５によって前記補助転舵軸心Ａを中心として転舵させる。左右の車輪９，９を独立して転舵可能である。

機構部１５０ａの詳細は、後に図７〜図１４と共に説明する。
図１において、制御装置部１５０ｂは、車両情報検出部１１０により検出された車両１０１の状態を表す車両情報に基づいて、補助転舵用アクチュエータ５を制御する補助転舵制御部１５１を有する。

＜車両情報検出部１１０＞
車両情報検出部１１０は、車両１０１の状態を検出する手段であり、各種のセンサ類の群を称している。車両情報検出部１１０の検出した車両情報は、メインのＥＣＵ１３０を介して第２のステアリング装置１５０の補助転舵制御部１５１に転送される。
図２に示すように、車両情報検出部１１０として、この実施形態では、車両１０１（図１）の走行速度である車両速度を検出する車速検出部１１１と、ハンドル２００の回転角である操舵指示角を検出する操舵指示角検出部１１２とが設けられている。
車速検出部１１１は、例えば車両が備えるトランスミッションの内部に取り付けたスピードセンサ等のセンサ（図示せず）の出力に基づいて、この車両の車両速度を検出し、ＥＣＵ１３０へ出力する。
操舵指示角検出部１１２は、例えば第１のステアリング装置１１が備えるモータ部に取り付けられたレゾルバ等のセンサ（図示せず）の出力に基づいて操舵角を検出し、ＥＣＵ１３０へ出力する。

＜ＥＣＵ１３０＞
ＥＣＵ１３０は、車両１０１（図１）の全体の協調制御または統括制御を行う制御装置であり、ＶＣＵとも称される。前記補助転舵制御部１５１は、前記ＥＣＵ１３０の一部として設けられていてもよいが、この例では前記ＥＣＵ１３０とは別の専用のＥＣＵとして設けられている。

＜制御装置部１５０ｂ＞
図２に示すように、制御装置部１５０ｂは、前記補助転舵制御部１５１、およびこの補助転舵制御部１５１が出力するモータ指令信号に応じた駆動電流を出力して右輪および左輪のハブユニット１Ｒ，１Ｌにおける補助転舵用のアクチュエータ５，５を駆動する右輪用および左輪用のモータ制御装置１７０，１７５を有する。

＜補助転舵制御部１５１＞
図３に示すように、補助転舵制御部１５１は、操舵指示角δ_ｈと車両速度Ｖの情報に基づき車両運動の数値モデルＭにより求まる車輪の操舵角δと、第１のステアリング装置１１（図２）で操舵される実際の車輪９の操舵角δ_１との差分となる追加転舵の操舵角δ_２だけ転舵させるように前記左右輪の補助転舵用アクチュエータ５，５を制御する手段である。
補助転舵制御部１５１は、前記車両運動の数値モデルＭから前記差分となる追加転舵の操舵角δ_２を換算する差分演算部１５１ａａを有する補助転舵角演算部１５１ａと、この補助転舵角演算部１５１ａが演算した操舵角δ_２を前記モータ指令信号として出力する制御指令出力部１５１ｂとを有する。

補助転舵制御部１５１は、前記数値モデルＭを用いた操舵指示角δ_ｈと車両速度Ｖの情報に基づく制御において、操舵の応答性を改善する制御に次の式（14）を用い、前輪タイヤを効果的に利用する制御に式（27）を用いる。式（14）、式（27）は前記数値モデルＭを用いて導き出された数式である。補助転舵制御部１５１は、前記数値モデルＭ自体は有しておらず、式（１４）、式（27）を備える。

ここで、式（１４）の各符号は次のように定義される。
δ_２：差分となる追加転舵の操舵角
δ_ｈ：操舵指示角
Ｖ：車両速度
Ｖ_β＝０：舵角に対する横滑り角βが０となる時の車両速度
ｎ：操舵指示角と前輪の操舵角との比
ζ：減衰率
ω_ｎ：有振動数（車両の固有振動数）
α_１，α_２，α_３：パラメータ
ｋ_ｒ：後輪1輪あたりのタイヤコーナリングパワー
ｌ_ｒ：車両重心と後輪車軸の距離
ｌ：前輪車軸と後輪車軸の距離（ｌ_ｆ＋ｌ_ｒ）
I：車両のヨー慣性モーメント
ｓ：ラプラス変換における複素変数

＜操舵の応答性を改善する制御＞
上記の式（１４）により求めた前記差分となる操舵角δ_２だけ転舵させるように補助転舵用アクチュエータ５を制御する。これにより、構造が簡単でかつ安全性を確保した機械的な機構を用いて、車両速度Ｖと操舵指示角δ_ｈに合わせて左右輪の角度を制御し、運転者のハンドル操作に対する車両の応答性を向上させることができる。
前記式（１４）の求め方、および式（１４）を用いることで応答性が向上する理由を以下に説明する。

車両１０１の重心Ｇを原点とし車両に固定した座標系について、図４の４輪モデルを参考に横方向の運動は式（１）で示される。また、コーナリングフォースY_f1、Y_f2、Y_r1、Y_r2は、重心Ｇ周りのヨーイングモーメントとして働くため、車両１０１の重心Ｇを通る鉛直軸回りのヨーイング運動は式（２）で示される。
これらの式（１）、（２）が、請求項で言う車両運動の数値モデルの一例である。

ここで、記号は次のように定義される。
m：車両の慣性質量
V：車両速度
Y_f1、Y_f2、Y_r1、Y_r2：各輪のコーナリングフォース
δ：前輪の操舵角
ｒ：車両のヨー角速度
β：車両重心の横すべり角
β_f1、β_f2、β_r1、β_r2：各輪の横すべり角
I：車両のヨー慣性モーメント
ｌ_f：車両重心と前輪車軸の距離
ｌ_ｒ：車両重心と後輪車軸の距離

ここで、簡易的に解くために、図５の前後2輪モデルで検討する。左右輪９，９のコーナリングフォース、横すべり角β（β_f1、β_f2、β_r1、β_r2）は、式（３）、（４）により２輪モデルに換算する。

式（３）、（４）を加味して、式（１）、（２）は式（５）、（６）に書き換えられる。
これらの式（５）、（６）が、請求項で言う車両運動の数値モデルの他の一例である。なお、２輪モデルとした場合、左右輪９，９の数値モデルから求まる操舵角δは同じ値となり、追加転舵の操舵角δ_２も左右輪同じとなる。

式（５）、（６）について、β（ｓ）、ｒ（ｓ）、δ（ｓ）、δ_h（ｓ）を、車両重心の横すべり角β、ヨー角速度ｒ、前輪の操舵角δ、操舵指示角δ_hのラプラス変換とすると、式（７）、式（８）を得る。ここで、K_ｆ、K_ｒは、前輪、後輪1輪あたりのタイヤコーナリングパワーを示す。

これら式（７）、式（８）をβ（ｓ）、ｒ（ｓ）に関して解くと式（９）、（１０）を得る。ここでω_ｎは操舵に対する車両応答の固有振動数、ζは操舵に対する車両応答の減衰率を示す。また、Ｇ_δ ^β(0)は横すべり角ゲイン定数で、前輪の操舵角δに対する横すべり角βの値を示す。Ｇ_δ ^ｒ(0)は、ヨー角速度ゲイン定数で、前輪の操舵角δに対するヨー角速度ｒの値を示す。

また、横加速度ｙ^・・は、βが小さいと仮定することで、式（１１）で示すことができる。

式（１１）をラプラス変換し、式（９）、（１０）を代入して、式（１２）が得られる。Ｇ_δ ^y・・(0)は横加速度ゲイン定数で、前輪の操舵角δに対する横角速度ｙ^・・の値を示す。

式（９）、（１０）、（１２）より、操舵の応答性を改善する前輪の操舵角の制御則を式（１３）に示す。このとき、α_１、α_２、α_３の各パラメータは、それぞれ減衰率ζ、固有振動数ω、横加速度ｙ^・・に対応しており、α_１、α_２、α_３の値を小さいと仮定すると、式（１３）の下式が導かれる。α_１、α_２、α_３の各パラメータを適切に変更することで、横すべり角β、ヨー角速度ｒ、横加速度ｙ^・・の応答を同時に改善することができる。

式（１３）より、第２のステアリング装置１５０を用いて行う追加転舵の操舵角δ_２を決める制御則は式（１４）で表せられる。

α_１，α_２，α_３の各パラメータを変更することで操舵応答性を調整できる。図６に、0.5[Hz]のサイン操舵で2.5[m]のレーンチェンジを行ったときのヨー角速度ｒと横加速度ｙ^・・の解析結果を示す。ここでは、α_１＝-0.2，α_２＝0.2，α_３＝1に設定している。黒色で示す曲線のデータが制御あり、グレーで示す曲線のデータが制御なしの結果である。制御を入れることでヨー角速度及び横加速度の立ち上がりが速くなっており，操舵の応答が改善されたことがわかる。

なお、この例は、２輪モデルを用いた制御式を用いたため、左右の車輪９，９の操舵角が同じとなるが、４輪モデルを用いた場合、一般に左右の車輪９，９に対して異なる値（δ_２Ｌ、δ_２Ｒ）となる。その場合、左右の車輪をそれぞれ異なる値で追加転舵を行うようにしても、また異なる左右の値から統一した一つの追加転舵の操舵角δ_２を求め、その操舵角δ_２で左右両方の車輪９，９の追加転舵を行うようにしてもよい。

更に、ハンドル角と走行速度の情報により、以下の式によって、左右独立に補助転舵機能付ハブユニットを操作することで、極低速時のアッカーマンステアから中高速でのタイヤ荷重移動領域でのタイヤの効果的な利用までを統一的に実現する。
＜前輪タイヤを効果的に利用する制御＞

パラメータαを適切に変更することで，極低速でのアッカーマンステア条件を満足しながら、中高速での加速度による荷重移動に応じた横滑り角が実現する。
図１５，１６に、車速40 [km/h]、ランプステップ 0.5[s]、120 [deg]で操舵した場合の旋回軌跡および横加速度の解析結果を示す。
ここでは、α＝０．５
に設定した解析結果を示した。実線のデータが制御あり，点線のデータが制御なしの結果である。制御により、旋回時に荷重が増加する外輪が切り増され、荷重が減少する内輪が切り戻され、結果として旋回半径が小さくなることがわかる。

＜作用、効果＞
操舵の応答の改善のシミュレーション例の結果を説明したが、上記構成のステアリングシステムによると、次の利点が得られる。
走行中に左右の車輪９，９に装備された第２のステアリング装置１５０を用いて、車両速度Ｖと操舵指示角δ_ｈの情報にもとづいて、上記式（１４）を用いて追加転舵の操舵角δ_２を演算し、左右の第２のステアリング装置１５０を微小な角度で制御することで、運転者に危険を感じさせることなく、運転者のハンドル操作に対して車両の応答性の改善することができる。
ここで、２輪モデルを用いた制御式を用いると、左右の車輪９，９の操舵角が同じとなるが、簡易な制御式でコストをかけずに車両の応答を改善することができる。また、４輪モデルを用いると、例えば、左右の操舵角を微妙に変化させることで車両の走行特性を変化させ、それぞれの車輪９，９（内輪、外輪）に掛かる荷重を変化させるなど、細かな制御が可能となり、さらなる車両運動性能の改善が期待できる。
また、上記式（27）を用いて追加転舵の操舵角δ_ｈｂを演算し、左右それぞれの第２のステアリング装置１５０を微小な角度で制御することで、タイヤの性能を効果的に利用できる。

第２のステアリング装置１５０となる補助転舵機能付のハブユニットは、車輪９の回転軸とは異なる補助転舵軸心Ａをこのハブユニット内に持ち、図１４に示すように、ハブベアリング部は、アウターリング１６の上下に設けた取付軸部１６ｂ，１６ｂで補助転舵軸心Ａの回りに回転可能に保持されている。また、図７に示すように、ハブユニット１に配置された補助転舵用アクチュエータ５によって、この補助転舵軸心Ａを中心として回転作動させることが可能である。この機構により、既存の車両の基本構造を変更することなく簡単な構造で、ハブユニット１に取り付けられた車輪９，９のトー角度を自由に調整することができる。

また、図８に示すように、補助転舵用アクチュエータ５は逆入力防止機能２５ｂを備え、かつ補助転舵機能付のハブユニット１の最大転舵角は修正動作に必要な±数度に制限されているので、図３（Ｂ）に示すモータ制御装置１７０，１７５のいずれか一方の電源が失陥してしまった場合、もう片方のモータ制御装置１７０，１７５の制御を停止することで、ハブユニットの転舵角は固定され、運転者は安全にハンドルを使って、路肩など安全な場所に車両を移動させることができる。したがってシステム失陥時の安全対策のための機構を省略または簡略化できる。

＜第２のステアリング装置１５０の具体的構成例＞
図１および図９に示すように、第２のステアリング装置１５０は、左右の車輪９，９を独立して転舵可能である。この第２のステアリング装置１５０の補助転舵機能付ハブユニットとなる機構部１５０ａとして右輪ハブユニット１Ｒ（図２）および左輪ハブユニット１Ｌ（図２）を備える。これら右輪ハブユニット１Ｒおよび左輪ハブユニット１Ｌは、タイヤハウジング１０５内に設けられた補助転舵用アクチュエータ５（図７）により車輪９，９の転舵を行う。

第２のステアリング装置１５０の補助転舵機能付ハブユニットとなる機構部１５０ａは、前述のように右輪ハブユニット１Ｒおよび左輪ハブユニット１Ｌを備えるが、これら右輪ハブユニット１Ｒおよび左輪ハブユニット１Ｌは、いずれも図７に示す補助転舵機能付ハブユニット１として構成されている。
同図７に示すように、このハブユニット１は、ハブユニット本体２と、ユニット支持部材３と、回転許容支持部品４と、補助転舵用アクチュエータ５とを備える。足回りフレーム部品６であるナックルに一体にユニット支持部材３が設けられている。

図１１に示すように、このユニット支持部材３のインボード側に、補助転舵用アクチュエータ５のアクチュエータ本体７が設けられ、ユニット支持部材３のアウトボード側に、ハブユニット本体２が設けられる。ハブユニット１（図７）を車両に搭載した状態で、車両の車幅方向外側をアウトボード側といい、車両の車幅方向中央側をインボード側という。
図８および図１０に示すように、ハブユニット本体２とアクチュエータ本体７とはジョイント部８により連結されている。通常、このジョイント部８は、防水、防塵のために図示外のブーツが取り付けられている。

図７に示すように、ハブユニット本体２は、上下方向に延びる補助転舵軸心Ａ回りに回転自在なように、上下二箇所で回転許容支持部品４，４を介してユニット支持部材３に支持されている。補助転舵軸心Ａは、車輪９の回転軸心Ｏとは異なる軸心であり、第１ステアリング装置操舵を行うキングピン軸とも異なっている。通常の車両は、車両走行の直進安定性の向上を目的としてキングピン角度が１０〜２０度で設定されているが、この実施形態のハブユニット１は、前記キングピン角度とは別の角度（軸）の転舵軸を有する。車輪９は、ホイール９ａとタイヤ９ｂとを備える。

図１に示すように、この実施形態のハブユニット１（図７）は、第１のステアリング装置１１による前輪となる左右の車輪９，９の操舵に付加して左右輪個別に±数度以下の角度（約±５ｄｅｇ）を転舵させる機構として、懸架装置１２の足回りフレーム部品６に一体に設けられる。第１のステアリング装置１１は、ラックアンドピニオン式とされるが、どのタイプのステアリング装置でも構わない。懸架装置１２は、例えば、ショックアブソーバを足回りフレーム部品６に直接固定するストラット式サスペンション機構を適用しているが、マルチリンク式サスペンション機構、その他のサスペンション機構を適用してもよい。

＜ハブユニット本体２について＞
図７に示すように、ハブユニット本体２は、車輪９の支持用のハブベアリング１５と、アウターリング１６と、後述の操舵力受け部であるアーム部１７（図１０）とを備える。
図１４に示すように、ハブベアリング１５は、内輪１８と、外輪１９と、これら内外輪１８，１９間に介在したボール等の転動体２０とを有し、車体側の部材と車輪９（図７）とを繋ぐ役目をしている。

このハブベアリング１５は、図示の例では、外輪１９が固定輪、内輪１８が回転輪となり、転動体２０が複列とされたアンギュラ玉軸受とされている。内輪１８は、ハブフランジ１８ａａを有しアウトボード側の軌道面を構成するハブ輪部１８ａと、インボード側の軌道面を構成する内輪部１８ｂとを有する。図７に示すように、ハブフランジ１８ａａに、車輪９のホイール９ａがブレーキロータ２１ａと重なり状態でボルト固定されている。内輪１８は、回転軸心Ｏ回りに回転する。

図１４に示すように、アウターリング１６は、外輪１９の外周面に嵌合された円環部１６ａと、この円環部１６ａの外周から上下に突出して設けられたトラニオン軸状の取付軸部１６ｂ，１６ｂとを有する。各取付軸部１６ｂは、補助転舵軸心Ａに同軸に設けられる。
図８に示すように、ブレーキ２１は、ブレーキロータ２１ａと、ブレーキキャリパ２１ｂとを有する。ブレーキキャリパ２１ｂは、外輪１９に一体にアーム状に突出して形成された上下二箇所のブレーキキャリパ取付部２２（図１２）に取付けられる。

＜回転許容支持部品およびユニット支持部材について＞
図１４に示すように、各回転許容支持部品４は転がり軸受から成る。この例では、転がり軸受として、テーパころ軸受が適用されている。転がり軸受は、取付軸部１６ｂの外周に嵌合された内輪４ａと、ユニット支持部材３に嵌合された外輪４ｂと、内外輪４ａ，４ｂ間に介在する複数の転動体４ｃとを有する。

ユニット支持部材３は、ユニット支持部材本体３Ａと、ユニット支持部材結合体３Ｂとを有する。ユニット支持部材本体３Ａのアウトボード側端に、略リング形状のユニット支持部材結合体３Ｂが着脱自在に固定されている。ユニット支持部材結合体３Ｂのインボード側側面のうち上下の部分には、部分的な凹球面状の嵌合孔形成部３ａがそれぞれ形成されている。

図１３および図１４に示すように、ユニット支持部材本体３Ａのアウトボード側端のうち上下の部分には、部分的な凹球面状の嵌合孔形成部３Ａａがそれぞれ形成されている。図１０に示すように、ユニット支持部材本体３Ａのアウトボード側端にユニット支持部材結合体３Ｂが固定され、各上下の部分につき、嵌合孔形成部３ａ，３Ａａ（図１３）が互いに組み合わされることにより、全周に連なる嵌合孔が形成される。この嵌合孔に外輪４ｂが嵌合されている。なお図１０において、ユニット支持部材３を一点鎖線で表す。

図１４に示すように、アウターリング１６における各取付軸部１６ｂには、雌ねじ部が径方向に延びるように形成され、この雌ねじ部に螺合するボルト２３が設けられている。内輪４ａの端面に円板状の押圧部材２４を介在させ、前記雌ねじ部に螺合するボルト２３により、内輪４ａの端面に押圧力を付与することで、各回転許容支持部品４にそれぞれ予圧を与えている。これにより各回転許容支持部品４の剛性を高め得る。車両の重量がこのハブユニット１に作用した場合でも初期予圧が抜けないように設定される。なお、回転許容支持部品４の転がり軸受は、テーパころ軸受に限るものではなく、最大負荷等の使用条件によってはアンギュラ玉軸受を用いることも可能である。その場合も、上記と同様に予圧を与えることができる。

図８に示すように、アーム部１７は、ハブベアリング１５の外輪１９に操舵力を与える作用点となる部位であり、円環部１６ａの外周の一部または外輪１９の外周の一部に一体に突出する。このアーム部１７は、ジョイント部８を介して、補助転舵用アクチュエータ５の直動出力部２５ａに回転自在に連結されている。これにより、補助転舵用アクチュエータ５の直動出力部２５ａが進退することで、ハブユニット本体２が補助転舵軸心Ａ（図７）回りに回転、つまり転舵させられる。

＜補助転舵用アクチュエータ５について＞
図１０に示すように、補助転舵用アクチュエータ５は、ハブユニット本体２を補助転舵軸心Ａ（図７）回りに回転駆動させるアクチュエータ本体７を有する。
図８に示すように、アクチュエータ本体７は、モータ２６と、モータ２６の回転を減速する減速機２７と、この減速機２７の正逆の回転出力を直動出力部２５ａの往復直線動作に変換する直動機構２５とを備える。モータ２６は、例えば永久磁石型同期モータとされるが、直流モータであっても、誘導モータであってもよい。

減速機２７は、ベルト伝達機構等の巻き掛け式伝達機構またはギヤ列等を用いることができ、図８の例ではベルト伝達機構が用いられている。減速機２７は、ドライブプーリ２７ａと、ドリブンプーリ２７ｂと、ベルト２７ｃとを有する。モータ２６のモータ軸にドライブプーリ２７ａが結合され、直動機構２５にドリブンプーリ２７ｂが設けられている。このドリブンプーリ２７ｂは、前記モータ軸に平行に配置されている。モータ２６の駆動力は、ドライブプーリ２７ａからベルト２７ｃを介してドリブンプーリ２７ｂに伝達される。前記各ドライブプーリ２７ａとドリブンプーリ２７ｂとベルト２７ｃとで、巻き掛け式の減速機２７が構成される。

直動機構２５は、滑りねじまたはボールねじ等の送りねじ機構、またはラック・ピニオン機構等を用いることができ、この例では逆入力防止機構２５ｂを兼ねる送りねじ機構として、台形ねじの滑りねじを用いた送りねじ機構が用いられている。直動機構２５は、逆入力防止機構２５ｂとして、前記台形ねじの滑りねじを用いた送りねじ機構を備えるため、タイヤ９ｂからの逆入力の防止効果を高め得る。モータ２６、減速機２７および直動機構２５を備えたアクチュエータ本体７は、準組立品として組み立てられてケース６ｂにボルト等により着脱自在に取り付けられる。なおモータ２６の駆動力を、減速機を介さず直接直動機構２５へ伝達する機構も可能である。また、前記逆入力防止機構２５ｂは、ウォームギヤ等とし、直動機構２５にボールねじ等の逆入力阻止機能を持たない構成を採用してもよい。

ケース６ｂは、ユニット支持部材３の一部として、ユニット支持部材本体３Ａに一体に形成されている。ケース６ｂは、有底筒状に形成され、モータ２６を支持するモータ収容部と、直動機構２５を支持する直動機構収容部が設けられている。前記モータ収容部には、モータ２６をケース内所定位置に支持する嵌合孔が形成されている。前記直動機構収容部には、直動機構２５をケース内所定位置に支持する嵌合孔、および、直動出力部２５ａの進退を許す貫通孔等が形成されている。

図１０に示すように、ユニット支持部材本体３Ａは、前記ケース６ｂ、ショックアブソーバの取り付け部となるショックアブソーバ取り付け部６ｃ、および第１のステアリング装置１１（図８）の結合部となるステアリング装置結合部６ｄを有する。これらショックアブソーバ取り付け部６ｃおよびステアリング装置結合部６ｄも、ユニット支持部材本体３Ａに一体に形成されている。ユニット支持部材本体３Ａの外表面部における上部に、ショックアブソーバ取り付け部６ｃが突出するように形成されている。ユニット支持部材本体３Ａの外表面部における側面部には、ステアリング装置結合部６ｄが突出するように形成されている。
ユニット支持部材３が前記ナックルに一体である例を示したが、別部品として製作したユニット支持部材を前記ナックルに一体的に固定してもよい。

なお、前記実施形態は、第１のステアリング装置１１における操舵指示角δ_ｈを指令する手段がハンドル２００である場合につき説明したが、操舵指示角δ_ｈを指示する手段は、自動運転装置（図示せず）であってもよい。また、第１のステアリング装置１１は、前輪となる左右の車輪９，９が機械的に連動する構造であればよく、ハンドル２００の操作で転舵用のアクチュエータ（図示せず）を駆動するステアバイワイヤシステムであってもよい。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２…ハブユニット本体、３…ユニット支持部材、５…補助転舵用アクチュエータ、６…足回りフレーム部品、９…車輪、１１…第１のステアリング装置、１２…懸架装置、１５…ハブベアリング、２５ｂ…逆入力防止機構、１００…ステアリングシステム、１０１…車両、１０５…タイヤハウジング、１１０…車両情報検出部、１５０…第２のステアリング装置、１５０ａ…機構部、１５０ｂ…制御装置部、１５１…補助転舵制御部、１５１ａ…補助転舵角演算部、１５１ｂ…制御指令出力部、１７０，１７５…モータ制御装置、２００…ハンドル

Claims (8)

1. 車両の前輪となる左右の車輪が機械的に連動し、ハンドルの回転または電気信号による操舵指示角に従い車両の前輪となる左右の車輪を、これら左右の車輪が設置される懸架装置の左右の足回りフレーム部品の角度変更によって操舵する第１のステアリング装置と、
   前記左右の車輪に対してそれぞれ設けられた補助転舵用アクチュエータを駆動することで前記足回りフレーム部品に対する車輪の角度を変えて前記左右の車輪を個別に転舵させる第２のステアリング装置と、
   前記車両の車両速度および前記操舵指示角を含む車両情報を検出する車両情報検出部と、
   を備えたステアリングシステムであって、
   前記第２のステアリング装置は、前記操舵指示角と前記車両速度の情報に基づき車両運動の数値モデルにより求まる前記前輪の操舵角と、前記第１のステアリング装置で操舵される実際の前輪の操舵角との差分となる追加転舵の操舵角δ_２だけ転舵させるように前記補助転舵用アクチュエータを制御する補助転舵制御部を有する、
   ことを特徴とするステアリングシステム。
2. 請求項１に記載のステアリングシステムにおいて、前記第２のステアリング装置の前記補助転舵制御部により前記追加転舵の操舵角δ_２を求めて転舵させる制御に、２輪モデルを用いた、次式を用いるステアリングシステム。
   

   

   ここで、
   δ_２：差分となる追加転舵の操舵角
   δ_ｈ：操舵指示角
   Ｖ：車両速度
   Ｖ_β＝０：舵角に対する横滑り角βが０となる時の車両速度
   ｎ：操舵指示角と前輪の操舵角との比
   ζ：減衰率
   ω_ｎ：固有振動数（車両の固有振動数）
   α_１，α_２，α_３：パラメータ
   ｋ_ｒ：後輪1輪あたりのタイヤコーナリングパワー
   ｌ_ｒ：車両重心と後輪車軸の距離
   ｌ：前輪車軸と後輪車軸の距離（ｌ_ｆ＋ｌ_ｒ）
   I：車両のヨー慣性モーメント
   ｓ：ラプラス変換における複素変数
3. 請求項１に記載のステアリングシステムにおいて、前記第２のステアリング装置の前記補助転舵制御部により前記追加転舵の操舵角
   を求めて転舵させる制御に、次式を用いるステアリングシステム。
   

   
4. 請求項１に記載のステアリングシステムにおいて、前記補助転舵制御部は、前記車両運動の数値モデルにより求まる前記前輪の左右それぞれの操舵角と、前記第１のステアリング装置で操舵される実際の前輪の左右それぞれの操舵角とのそれぞれの差分となる追加転舵の個別の操舵角（δ_２Ｌ、δ_２Ｒ）だけ転舵させるように前記補助転舵用アクチュエータを制御するステアリングシステム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のステアリングシステムにおいて、前記第２のステアリング装置は、車輪取付用のハブベアリングを有するハブユニット本体と、前記足回りフレーム部品と連結されまたは足回りフレーム部品の一部として構成されたユニット支持部材とを備え、
   前記ハブユニット本体は、上下方向に延びる補助転舵軸心回りに回転自在に回転許容支持部品を介して前記ユニット支持部材に支持され、前記補助転舵用アクチュエータの駆動により前記補助転舵軸心回りに回転させられるステアリングシステム。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のステアリングシステムにおいて、前記第２のステアリング装置は、車輪取付用のハブベアリングを有するハブユニット本体、および前記足回りフレーム部品と連結されまたは足回りフレーム部品の一部として構成されて前記ハブユニット本体を前記足回りフレーム部品に対して角度変更可能に支持するユニット支持部材を有する機構部と、前記補助転舵制御部、およびこの補助転舵制御部が出力するモータ指令信号に応じた駆動電流を出力して前記補助転舵用アクチュエータを駆動するモータ制御装置を有する制御装置部とを備える補助転舵機能付ハブユニットであるステアリングシステム。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のステアリングシステムにおいて、前記第２ステアリング装置の前記補助転舵用アクチュエータが逆入力防止機構を備えるステアリングシステム。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のステアリングシステムを装備した車両。

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