JP3714555B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両の操舵車輪を操舵する車両用操舵装置に関し、特に、運転者によるハンドル操作量を補償するための自動操舵を実施する場合に必要な副操舵機構を備える車両用操舵装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
車両用操舵装置においては、従来より、例えば操舵特性、即ちハンドル回転量に対する実際の車体進行方向の変化が最適になるように、補助的に操舵車輪の向きを自動制御したり、あるいは車両の走行位置が所定の車線内を維持するように運転者に代わって自動的に操舵系を駆動制御することが提案されている。
【0003】
このような操舵制御を実施する車両用操舵装置として、例えば、ステアリングホイールの回動量に応じた操舵を実現する主操舵機構と、電気的制御可能な副操舵駆動手段の付勢力に応じた操舵を実現する副操舵機構とを備え、ステアリングホイールと結合された操舵入力軸に連結され、その出力トルクが調整自在な補償トルク発生手段;及び副操舵駆動手段の付勢によって操舵入力軸に印加されるトルクを検出し、該トルクに対応する反対向きのトルクをその制御目標値とし、該目標値に従って補償トルク発生手段を制御する、補償トルク制御手段を設けたものがある。(例えば、特許文献1参照)
【0004】
また、操舵ハンドルの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達比を変化させ得る車両用操舵制御装置であって、一端が操舵ハンドル側に連結される入力軸と、一端が転舵輪側に連結される出力軸との間に介在し、この入力軸に対して出力軸を相対的に回転駆動する伝達比可変手段と、入力軸に対して設けられ操舵ハンドルの操舵角を検出する操舵角検出手段と、操舵角検出手段と伝達比可変手段との間における入力軸に設けられ入力軸を介して操舵ハンドル側に伝達される振動を減衰する振動減衰手段を備えたものがある。(例えば、特許文献2参照)
【0005】
【特許文献1】
特開平6−206553号公報(請求項1)
【特許文献2】
特開2002−37115号公報(請求項1)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することによりハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する車両用操舵装置において、車輪舵角とハンドルに生じる反力とを独立して制御する装置のハンドルと副操舵機構を連結しているシャフトのバネ定数を適度にし、好適な反力トルク制御を行い、運転者に違和感を与えない車両用操舵装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る車両用操舵装置は、ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することによりハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する操舵機構を有する車両用操舵装置において、ハンドルと副操舵機構の間に設置されてハンドルの操舵角を検出するハンドル角検出手段と、ハンドルと副操舵機構の間に設置されてハンドルに印加されている反力トルクを検出する反力トルク検出手段と、ハンドルに印加する反力トルクの目標値を生成する目標反力生成手段と、目標反力生成手段により生成された目標反力トルクと反力トルク検出手段により検出された反力トルクが一致するように副操舵機構に印加する駆動トルクを制御する反力トルク制御手段と、操舵車輪の車輪舵角を制御する車輪舵角制御機構と、操舵車輪の車輪舵角に相当する角度を検出する車輪舵角検出手段と、操舵車輪の目標車輪舵角を生成する目標車輪舵角生成手段と、目標車輪舵角生成手段により生成された目標車輪舵角と車輪舵角検出手段により検出された車輪舵角が一致するように車輪舵角制御機構を駆動制御する車輪舵角制御手段とを備え、ハンドル角検出手段と副操舵機構とを連結するシャフトの間に弾性体を設けるとともに、前記弾性体に対してそのねじれ角を制限するねじれ角制限機構を備えることを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
前提技術.
図1はこの発明の車両用操舵装置の前提技術を示す構成図である。この前提技術は我々が特願2001−353130において提案している技術である。
【0009】
図1において、第1の遊星ギア機構2は、運転者が操舵するハンドル1とシャフト1Aを介して連結されたサンギア201と、キャリア機構203にて支持されている遊星ギア202a,202bと、リングギア204と、リングギア204を回転させるためのウオームホイール205によって構成されている。
【0010】
また、第2の遊星ギア機構3は、サンギア301と、シャフト4を介して前記第1の遊星ギア機構のキャリア機構203と連結されたキャリア機構303にて支持されている遊星ギア302a,302bと、固定されたリングギア304とにより構成される。そして、前記シャフト4は、前記第1の遊星ギア機構2のキャリア機構203と、前記第2の遊星ギア機構3のキャリア機構303を連結して、動力を伝達する。
【0011】
ここで、前記第1の遊星ギア機構2、又は前記第1の遊星ギア機構2と前記第2の遊星ギア機構3を併せたものが、前記ハンドル1の回転角に補助舵角を機械的に加算することができる副操舵機構となる。
【0012】
ラックアンドピニオン方式の操舵車輪制御機構5は、前記第2の遊星ギア機構3のサンギア301と機械的に連結されたラックアンドピニオン501を有し、車輪舵角制御用アクチュエータとして用いる操舵機構駆動手段9と、ラックアンドピニオン501を回転させるための逆転可能なウオームホイール502とが接続されている。また、操舵車輪7a,7bは、ナックルアーム6a,6bを介して前記ラックアンドピニオン501と接続されている。
【0013】
反カトルク生成手段8は、副操舵機構として動作する前記第1の遊星ギア機構2に駆動トルクを与えることによりハンドル1に反力トルクを与えるものであり、前記第1の遊星ギア機構2に駆動トルクを与える反力用モータ801と、前記第1の遊星ギア機構2のウオームホイール205に噛み合うウオームギア802により構成される。ここで、ウオームホイール205からウオームギア802は回転できない、つまりセルフロックが掛るように構成されている。
【0014】
操舵機構駆動手段9は前記操舵車輪制御機構5を駆動するもので、操舵用モータ901と、操舵車輪制御機構5のウオームホイール502に噛み合うウオームギア902とによって構成される。ただし、ウオームホイール502とウオームギア902の組み合わせは、ウオームホール502側からでも回転が可能な構成、即ち、逆転可能な構成である。
【0015】
反カトルク検出手段10は前記ハンドル1に生じている反力トルクを検出するセンサであり、車輪舵角検出手段11は操舵車輪7a,7bの車輪舵角を検出するセンサであり、ハンドル角検出手段12はハンドル1の操舵角を検出するセンサである。
【0016】
目標車輪舵角生成手段13は、例えばハンドル角検出手段12の出力1201や、他システム(例えば、車線維持装置)からの操舵要求信号20、車両状態信号(例えば、車速・ヨーレートなど)21等から、必要な車輪舵角を計算し目標車輪舵角1301を生成するものである。
【0017】
車輪舵角制御手段14は、目標車輪舵角1301と車輪舵角検出手段11の出力1101が等しくなるよう、操舵機構駆動手段9のモータ902を駆動して操舵車輪7a,7bの車輪舵角を制御するものである。
【0018】
目標反力生成手段15は、ハンドル1を介して運転者に与える反力トルク目標値を設定するものであり、例えばハンドル角検出手段12の出力1201や、車両状態信号(例えば、車速・ヨーレートなど)18等から、適当な反力を計算し目標反力トルク1501を生成するものである。
【0019】
反力トルク制御手段16は、目標反力トルク1501と反力トルク検出手段10の出力1001が等しくなるように、反力用モータ802を駆動して、第1の遊星ギア機構2のリングギア204を回転させることにより、ハンドル1と第1の遊星ギア機構2にねじれ角を発生させ、ハンドル1に生じる反カトルクを制御するものである。
【0020】
次に、上記構成からなる車両用操舵装置における動作について説明する。はじめに、反力トルク生成手段8と操舵機構駆動手段9を動作させない状態、即ち、第1の遊星ギア機構2のリングギア204が、ウオームホイール205とウオームギア802からなるセルフロック機構により固定され、かつ、操舵車輪制御機構5が自由に動作できる状態における車両用操舵装置の動作について説明する。
【0021】
運転者がハンドル1を操舵すると、ハンドル1と連結されている第1の遊星ギア機構2のサンギア201は回転する。このサンギア201の回転は、遊星ギア202a,202bに伝達されるが、リングギア204が先に説明したようにセルフロック機構により固定されているため、遊星ギア202a,202bを支持しているキャリア機構203が回転する。さらに、このキャリア機構203の回転により第2の遊星ギア機構3へ回転を伝達するシャフト4が回転する。即ち、第1の遊星ギア機構2は遊星ギア方式の減速機として動作する。
【0022】
また、シャフト4の回転は、第2の遊星ギア機構3のキャリア機構303に回転を伝達し、このキャリア機構303が回転することにより、遊星ギア302a,302bは、サンギア301の周りを公転する。そして、第2の遊星ギア機構3では、リングギア304が固定されているので、遊星ギア302a,302bの公転によりサンギア301は回転される。さらに、サンギア301と機械的に連結された操舵車輪制御機構5のラックアンドピニオン501が回転することとなり、操舵車輪7a,7bの操舵方向が変化する。即ち、第2の遊星ギア機構3は、シャフト4に対して増速機として動作する。
【0023】
以上のように、ハンドル1の回転はラックアンドピニオン501に機械的に伝達されることとなり、またその伝達比も1対1となる(第1の遊星ギア機構2の減速比と第2の遊星ギア機構3の増速比を掛け合わせた値。双方の構成が同じであれば、全体として減速比は1となる。)。即ち、反力トルク生成手段8と、操舵機構駆動手段9を動作させなければ、通常のノンアシストの操舵機構として動作する。
【0024】
次に、運転者がハンドル1を保持した状態で、操舵機構駆動手段9により操舵車輪7a,7bを操舵する状態における車両用操舵装置の動作について説明する
【0025】
操舵機構駆動手段9により操舵車輪制御機構5を駆動すると、操舵車輪制御機構5は操舵車輪7a,7bを操舵する回転を生じると共に、第2の遊星ギア機構3、シャフト4、第1の遊星ギア機構2を介してハンドル1を操舵する運転者に伝わることになる。即ち、運転者が操舵するハンドル1と操舵車輪制御機構5により回転させられるサンギア201間にねじれが生じ、反カトルク検出手段10によりこのねじれが反力トルク1001として検出される。
【0026】
ここで、反力トルク検出手段10により検出された反カトルク1001が反カトルク制御手段16へ入力され、反カトルク制御手段16は入力された反力トルク1001が所定の値となるように、反カトルク生成手段8により第1の遊星ギア機構2のリングギア204を回転させると、ハンドル1とサンギア201のねじれ角が反力トルク制御手段16に与えられている目標反力トルク1501相当のねじれとなるよう自動制御されることになる。
【0027】
即ち、反力トルク1001を制御することにより、ハンドル1の操舵角と、操舵車輪7a,7bの操舵角が異なるような動作をさせる場合においても、副操舵角(ハンドル1の操舵角と実操舵角との差に相当する)を求めれば、リングギア204の回転角を求める必要はなく、実操舵角とハンドル1に印加される反力トルク1001を独立して制御することができる。
【0028】
以上説明したように、上記前提技術では、運転者が操舵するハンドル1の操舵や、他システムからの信号等により適切な目標車輪舵角を計算して、車輪舵角制御装置により車輪舵角を制御するとともに、同時に適切な操舵反力を計算して、ハンドル反力がハンドル1に生じるよう制御している。
【0029】
しかしながら上記前提技術では、第1の遊星ギア機構2とハンドル1を連結しているシャフト1Aは一般に金属製であり、そのバネ定数(ねじりこわさ)が大きいため、少しのねじれ角で大きなねじれ弾力に変換されていた。そのため、少しのねじれ角で第1の遊星ギア機構2のリングギア204を回転させるウオームギア205とウオームホイール802の摩擦が増加し、それに伴い接触面の面圧が上昇し、ねじれ弾力がセルフロック領域を超えてしまい自動的にセルフロックが発生していた。そして、このセルフロックが頻繁に発生するため、反力トルク制御が安定して制御できないことがあった。
【0030】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、第1の遊星ギア機構2とハンドル角検出手段12を連結しているシャフト1Aのバネ定数を適度にすることにより、好適な反力トルク制御が実施でき、運転者に違和感を与えない車両用操舵装置を提供する。
【0031】
実施の形態1.
図2はこの発明の実施の形態1に係る車両用操舵装置を示す構成図である。図において、ハンドル1、第1の遊星ギア機構2、第2の遊星ギア機構3、第1の遊星ギア機構2と第2の遊星ギア機構3を接続するシャフト4、操舵車輪制御機構5、ナックルアーム6a,6b、操舵車輪7a,7b、反力トルク生成手段8、操舵機構駆動手段9、反力トルク検出手段10、車輪舵角検出手段11、ハンドル角検出手段12、目標車輪舵角生成手段13、車輪舵角制御手段14、他システムからの操舵要求20、車両状態信号21は、前提技術と同一であり、詳細な説明を省略する。
【0032】
本実施の形態において特徴となる弾性体22は、ハンドル1と第1の遊星ギア機構2を連結しているシャフトであって、ハンドル角検出手段12と第1の遊星ギア機構2の間に設置されている。
【0033】
次に、本実施の形態の弾性体22の作用について説明する。図3の点線で示すように、本実施の形態では弾性体22を設置することによりシャフト1Aの剛性を所定の適度な剛性にする。その結果、シャフト1Aのねじれ角によって生じるねじれ弾力を低下させることができ、これにより第1の遊星ギア機構2のリングギア204を回転させるウオームギア205とウオームホイール802の間で生じる摩擦が低下し、面圧の上昇を防げるために、セルフロックの発生を緩和することができる。
【0034】
また、反力トルク生成手段8は、リングギア204を目標反力1501と操舵反力1001の偏差を無くすように制御している。すなわち、反力トルク制御とは、ハンドル1と第1の遊星ギア機構2とを連結するシャフト1Aのねじれ角を、第1の遊星ギア機構2のリングギア204を駆動制御することにより、運転者に操舵反力を与えている。ここで、本実施の形態の弾性体22を設置することにより、ハンドル角検出手段12と遊星ギア機構2を連結するシャフト1Aのバネ定数は所定の適度な値となり、図3の制御範囲に示すように、反力トルク制御の制御範囲を拡大し、広範囲で安定した反力トルク制御を行うことができる。
【0035】
図4は本実施の形態の弾性体の構成例を示したもので、弾性体22とそれを連結するカップリング33の構成を示す。図において、30はハンドル1と連結されるシャフトの一端であって、32は第1の遊星ギア機構2と連結されるシャフトの一端である。22は弾性体を示しており、ここで弾性体とはシャフトのバネ定数(ねじりこわさ)を低減することのできるゴム部材等のことを指す。この弾性体22によりハンドル角検出手段12と第1の遊星ギア機構2を連結するシャフトのバネ定数を約50[Nm/rad]としている。33は弾性体22とシャフトを連結するカップリングを示している。
【0036】
以上のように実施の形態1によれば、ハンドル角検出手段12と副操舵機構を構成する第1の遊星ギア機構2を連結しているシャフトに対して、弾性体22を設ける構成を採用したので、ハンドル角検出手段12と遊星ギア機構2を連結しているシャフトのバネ定数を適度にすることができ、かつ、遊星ギア機構2のウオームギア205とウオームホイール802のセルフロックの発生を緩和することができる。その結果、安定した反力トルク制御が実施でき、運転者に違和感を与えない効果がある。
【0037】
本実施の形態では、さらに弾性体22に対してそのねじれ角を制限するねじれ角制限機構を設けている。図5は弾性体22のねじれ角を制限するねじれ角制限機構を備えたカップリング構成を示す図である。図において、ハンドル1と連結されるシャフトの一端30は、カップリング33aを介して弾性体22が連結されている。一方、第1の遊星ギア機構2と連結されるシャフトの一端32は、カップリング33bを介して弾性体22が連結されている。この弾性体22は、実施の形態1と同様、シャフトのバネ定数(ねじりこわさ)を低減することのできるゴム部材等のことを指す。
【0038】
本実施の形態のねじれ角制限機構として、ハンドル1側のシャフトの一端30には、切り欠き部35aを設けたフランジ35が固定されており、一方、第1の遊星ギア機構2側のカップリング33bには、前記フランジ35の切り欠き部35aを貫くバー34が設けられている。図6はこのねじれ角制限機構を有する弾性体の作用を表わすグラフである。すなわち、弾性体22が所定のねじれ角θを越えると、前記フランジ35の切り欠き部35aを貫くバー34が、当該切り欠き部35aに当接し、弾性体22を介さずに、ハンドル1側のシャフト30と第1の遊星ギア機構2側のシャフト32が一体となって回転する。
【0039】
図2に示す車両用操舵装置が、マニュアル操舵される場合、ここで、マニュアル操舵とは、前記説明したように、ウオームギア204とウオームホイール205とがセルフロックした状態になり、遊星ギア機構2のリングギア204が固定状態のことで、ハンドル1と操舵車輪7a、7bが連結された状態であるが、この場合に、弾性体22の撓みやねじれの影響が大きいと、ハンドル1の操作に対し操舵車輪7a、bの動きが遅れ、運転者に違和感を与えてしまう。そこで、図6に示すような特性をもつねじれ角制限機構を設けることにより、弾性体22の撓みやねじれの影響を少なくし、ハンドル1を操作したときに、操舵車輪7a,7bの動作が遅れないようにすることができる。
【0040】
このように、弾性体22に対してねじれ角を制限するねじれ角制限機構を設けることにより、遊星ギア機構2のリングギア204がセルフロックし、ハンドル1と操舵車輪7が連結された状態において、弾性体22の撓みや捻れの影響を少なくすることができ、ハンドル操作に対し、操舵車輪の動作が遅れないようになる。このため、ハンドル1と操舵車輪7が連結された状態でも運転者に違和感を与えない車両用操舵装置を提供することができる。
【0041】
その他の実施の形態.
なお、上記実施の形態では、弾性体22の構成を図4及び図5に示したが、この構成に限定するものではなく、機構的に2つの回転角を加算できる全ての副操舵機構において、ハンドル角検出手段12と副操舵機構(上記実施の形態では第1の遊星ギア機構2に当る)を連結しているシャフトのバネ定数を適度にするものであればよい。
【0042】
【発明の効果】
この発明によれば、運転者が操作するハンドルと副操舵機構により操舵輪を操舵する操舵機構を有し、車輪舵角とハンドル反力とを独立して制御できる車両用操舵装置において、ハンドル角検出手段と副操舵機構を連結しているシャフトに対して弾性体を設ける構成を採用したので、ハンドル角検出手段と副操舵機構を連結しているシャフトのバネ定数を適度することができ、かつ反力トルク制御が行われる副操舵機構のセルフロックの発生を緩和することができ、安定した反力トルク制御を実施することができる。その結果、好適な操舵を行い得る車両用操舵装置を提供することができる。しかも、弾性体に対してねじれ角を制限するねじれ角制限機構を設けることにより、マニュアル操舵時においてハンドルと操舵車輪が連結された状態において、弾性体の撓みや捻れの影響を少なくすることができ、ハンドル操作に対して操舵車輪の動作が遅れないようになる。このため、ハンドルと操舵車輪とが連結された状態でも運転者に違和感を与えない車両用操舵装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の前提技術に係る車両用操舵装置を示す構成図である。
【図2】 この発明の実施の形態1に係る車両用操舵装置を示す構成図である。
【図3】 この発明の実施の形態1による弾性体のねじれ角とねじれ弾力との関係を示すグラフである。
【図4】 この発明の実施の形態1による弾性体の構成例を示す図である。
【図5】 この発明の実施の形態1によるねじれ角制限機構を備えた弾性体の構成例を示す図である。
【図6】 この発明の実施の形態1によるねじれ角制限機構を備えた弾性体の作用を示すグラフである。
【符号の説明】
1 ハンドル、2 副操舵機構を構成する第1の遊星ギア機構、
3 副操舵機構を構成する第2の遊星ギア機構、4 シャフト、5 車輪舵角制御機構、7a,b 操舵輪、8 反力トルク生成手段、9 操舵機構駆動手段、
10 反力トルク検出手段、11 車輪舵角検出手段、12 ハンドル角検出手段、
13 目標車輪舵角生成手段、14 車輪舵角制御手段、15 目標反力生成手段、
16 反力トルク制御手段、22 弾性体。
Claims (1)
- ハンドルの回転量と、駆動トルクを印加することにより前記ハンドルの回転量を補償する副操舵機構の付勢量とに応じて操舵車輪を操舵する操舵機構を有する車両用操舵装置において、
前記ハンドルと前記副操舵機構の間に設置されて前記ハンドルの操舵角を検出するハンドル角検出手段と、
前記ハンドルと前記副操舵機構の間に設置されて前記ハンドルに印加されている反力トルクを検出する反力トルク検出手段と、
前記ハンドルに印加する反力トルクの目標値を生成する目標反力生成手段と、
前記目標反力生成手段により生成された目標反力トルクと前記反力トルク検出手段により検出された反力トルクが一致するように前記副操舵機構に印加する駆動トルクを制御する反力トルク制御手段と、
前記操舵車輪の車輪舵角を制御する車輪舵角制御機構と、
前記操舵車輪の車輪舵角に相当する角度を検出する車輪舵角検出手段と、
前記操舵車輪の目標車輪舵角を生成する目標車輪舵角生成手段と、
前記目標車輪舵角生成手段により生成された目標車輪舵角と前記車輪舵角検出手段により検出された車輪舵角が一致するように前記車輪舵角制御機構を駆動制御する車輪舵角制御手段とを備え、
前記ハンドル角検出手段と前記副操舵機構とを連結するシャフトの間に弾性体を設けるとともに、前記弾性体に対してそのねじれ角を制限するねじれ角制限機構を備えることを特徴とする車両用操舵装置。
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