JP3951574B2

JP3951574B2 - ステアリング系運転支援装置

Info

Publication number: JP3951574B2
Application number: JP2000268217A
Authority: JP
Inventors: 仁小野; 克弘須田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2020-09-05
Also published as: JP2002067994A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動パワーステアリング装置や自動運転装置等として適用されるステアリング系運転支援装置の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ステアリング系運転支援装置としては、例えば、図１０に示すものが知られている。
【０００３】
この従来装置は、ステアリングコラムにはコラムシャフトが内挿支持され、コラムシャフトの上端部にはステアリングホイール取り付け部が形成され、コラムシャフトの下端部には図外のステアリング機構が連結され、コラムシャフトの途中位置にはレーン逸脱の可能性があると判断されるとハンドル戻しトルクを付与するレーン逸脱警報アクチュエータが設けられている。
【０００４】
そして、前記レーン逸脱警報アシストアクチュエータは、モーター＆クラッチとベルト式減速機構により構成され、ベルト式減速機構の駆動側プーリがモーターにより駆動され、ベルト式減速機構の被駆動側プーリがコラムシャフトに設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のステアリング系運転支援装置にあっては、被駆動側プーリをコラムシャフトに対し結合し、このコラムシャフトを、被駆動側プーリの両側位置において２個のベアリングによりステアリングコラムに対し回転可能に支持し、コラムシャフトを、ステアリングホイール取り付け部側のベアリングと合わせて３個のベアリングによりステアリングコラムに支持する構成となっていたため、レーン逸脱警報アクチュエータのステアリングコラムへの取り付け部製造の誤差や取り付け誤差やコラムシャフトの曲がり等が、間隔の短い２個のベアリングへのこじり入力となってラジアル荷重が増加し、コラムシャフトのフリクションが増加するという問題があった。
【０００６】
すなわち、図１１に示すように、レーン逸脱警報アクチュエータのケースとステアリングコラムとが軸ずれ状態で取り付けられた場合、こじりにより間隔の短い２個のベアリングへのラジアル荷重入力が増加する。また、図１２に示すように、レーン逸脱警報アクチュエータのケースに対しステアリングコラムの垂直度が不良状態で取り付けられた場合も同様に、こじりにより間隔の短い２個のベアリングへのラジアル荷重入力が増加する。
【０００７】
一方、ステアリング系運転支援装置により補助トルクの大きさを、目標出力が実出力に一致するようにフィードバック制御するような場合、アシストアクチュエータから実出力情報が制御情報として必要になる。
【０００８】
従来、ステアリング系にてこの実出力を検出する手段としては、トーションバーをコラムシャフトの一部に組み込み、このトーションバーのねじれ角を検出し、検出されたねじれ角により実出力を推定する手段が知られている。
【０００９】
しかしながら、この従来の実出力検出装置にあっては、両端に作用するトルク差によりねじれ角が生じる径の小さいトーションバーをコラムシャフトの一部に組み込むものであるため、ステアリング系の剛性が低下してしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、第１の目的とするところは、アシストアクチュエータに設けられる２個のベアリングへのラジアル荷重の低減により、フリクションの増加を抑えることができると共に、コラムシャフトの軸ずれや振れ回りの吸収により、ステアリングホイールの振れ回りが発生せずに上下・左右の支持剛性を高く取ることができると共に、ステアリング系の剛性を低下させることなく、アシストアクチュエータによる実際の補助トルク、つまり、実出力を精度良く推定することができるステアリング系運転支援装置を提供することにある。
【００１２】
第２の目的とするところは、第１の目的に加え、簡単な比較処理によりモーターが正常であるか異常であるかを判定することができるステアリング系運転支援装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するため、請求項１記載の発明では、ステアリングコラムにはコラムシャフトが内挿支持され、前記コラムシャフトの上端部にはステアリングホイールが設けられ、前記コラムシャフトの下端部には車輪を転舵するステアリング機構が連結され、前記コラムシャフトの途中位置には補助舵角や補助トルクを付与するアシストアクチュエータが設けられ、前記アシストアクチュエータは、モーターと減速機構を有して構成され、減速機構の駆動伝達要素がモーターにより駆動され、減速機構の被駆動伝達要素がコラムシャフトに設けられたステアリング系運転支援装置において、前記被駆動伝達要素の両側位置を、２個のベアリングによりステアリングコラムに対し回転可能に支持し、且つ、被駆動伝達要素とコラムシャフトとを、弾性体を介して結合させ、前記コラムシャフトに設けられ該コラムシャフトの回転角を検出する出力軸回転角検出手段と、前記アシストアクチュエータに設けられ前記被駆動伝達要素の回転角を検出する被駆動伝達要素回転角検出手段と、出力軸回転角検出値と被駆動伝達要素回転角検出値の回転角度差に基づいて、アシストアクチュエータの実出力を推定するアクチュエータ出力推定手段とを設けたことを特徴とする。
【００１５】
上記第２の目的を達成するため、請求項２記載の発明では、請求項１に記載のステアリング系運転支援装置において、前記モーターへの印加電流を検出するモーター印加電流検出手段を設け、前記アクチュエータ出力推定手段により推定された実出力とモーター印加電流とを比較し、モーターが正常であるか異常であるかを判定するモーター異常判定手段を設けたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の作用および効果】
請求項１記載の発明にあっては、例えば、走行時にコラムシャフトに補助トルクを付与するときは、アシストアクチュエータのモーターが駆動され、このモーター出力が減速機構により増大され、減速機構の被駆動伝達要素を介してコラムシャフトに補助トルクを付与する。
【００１７】
この被駆動伝達要素は、その両側位置が、２個のベアリングによりステアリングコラムに対し回転可能に支持され、且つ、被駆動伝達要素とコラムシャフトとは、弾性体を介して結合されている。
【００１８】
すなわち、被駆動伝達要素を支持する間隔の狭い２個のベアリングとコラムシャフトとのとの間に弾性体が介装される構造となっている。このため、アシストアクチュエータのステアリングコラムへの取り付け部製造の誤差や取り付け誤差やコラムシャフトの曲がり等があっても、間隔の短い２個のベアリングへのこじり入力は弾性体のこじり変形により吸収され、２個のベアリングへのラジアル荷重が減少することになる。
【００１９】
よって、弾性体のこじり剛性に反比例してアシストアクチュエータに設けられる２個のベアリングへのラジアル荷重が低減されることで、フリクションの増加を抑えることができる。
【００２０】
また、コラムシャフトの軸ずれや振れ回りを弾性体が吸収することにより、ステアリングホイールの振れ回りが発生せずに上下・左右の支持剛性を高く取ることができる。
【００２１】
さらに、車輪からステアリング機構を経過してモーターへ伝達される操舵反力を、この操舵反力伝達経路の途中に設けられた弾性体により減少させることができる。
【００２２】
加えて、モータからコラムシャフトを経過してステアリングホイールへ伝達されるモータ振動を、このモータ振動伝達経路の途中に設けられた弾性体により減少させることができる。
【００２３】
また、請求項１記載の発明にあっては、アクチュエータ出力推定手段において、出力軸回転角検出手段からの出力軸回転角検出値と被駆動伝達要素回転角検出手段からの被駆動伝達要素回転角検出値の回転角度差に基づいて、アシストアクチュエータの実出力が推定される。
【００２４】
すなわち、コラムシャフト（出力軸）と被駆動伝達要素との間には弾性体が介装されているため、アシストアクチュエータを駆動させると、実出力の大きさに応じて弾性体がねじれ変形し、出力軸と被駆動伝達要素との間には大きなねじれ角が発生する。つまり、ねじれ角（＝回転角度差）が分かれば実出力の大きさを推定できる。
【００２５】
よって、トーションバーをコラムシャフトに組み付ける場合にようにステアリング系の剛性を低下させることなく、出力軸と被駆動伝達要素の回転角度差の検出により、アシストアクチュエータによる実際の補助トルク、つまり、実出力を精度良く推定することができる。
【００２６】
請求項２記載の発明にあっては、モーター異常判定手段において、アクチュエータ出力推定手段により推定された実出力と、モーター印加電流検出手段により検出されたモーター印加電流とが比較され、モーターが正常であるか異常であるかが判定される。この比較では、例えば、実出力と電流との関係を表す判定マップを用い、実出力と電流との関係点がモーター正常領域に存在する場合は、モーターが正常であると判定され、実出力と電流との関係点がモーター異常領域に存在する場合は、モーターが異常であると判定される。
【００２７】
よって、判定マップ等を用いた簡単な比較処理により、モーターが正常であるか異常であるかを判定することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
実施の形態１は請求項１，２に記載の発明に対応するステアリング系運転支援装置で、まず、構成を説明する。
【００２９】
図１はステアリング系運転支援装置を示す全体システム図で、ステアリングコラム１にはコラムシャフト２が内挿支持され、前記コラムシャフト２の上端部にはステアリングホイール３が設けられ、前記コラムシャフト２の下端部には左右の車輪４，５を転舵するラック＆ピニオン式ステアリング機構６が連結され、前記コラムシャフト２の途中位置には補助舵角や補助トルクを付与するアシストアクチュエータ７が設けられている。
【００３０】
前記アシストアクチュエータ７は、モーター８と、モータ軸に設けられた電磁クラッチ９と、該電磁クラッチ９を介してモーター８により回転駆動される駆動歯車１０（駆動伝達要素）と、該駆動歯車１０に噛み合うと共にコラムシャフト２との間に弾性体１１が介装された被駆動歯車１２（被駆動伝達要素）によるウォーム歯車対減速機構を有して構成されている。
【００３１】
前記コラムシャフト２のステアリングホイール３に近い位置には、コラムシャフト２の回転角度を検出する操舵角センサー１３（出力軸回転角検出手段）が設けられ、また、前記駆動歯車１０の電磁クラッチ９とは反対側の歯車軸端部には、駆動歯車１０の回転角度を検出する角度センサー１４（被駆動伝達要素回転角検出手段）が設けられ、操舵角センサー１３及び角度センサー１４からのセンサ信号は、運転支援のために補助舵角や補助トルクを制御するコントローラ１５に入力される。
【００３２】
前記コントローラ１５には、実際の補助トルクである実出力推定部や、モーター８の異常判定部等を制御プログラムの一部として有し、コントローラ１５からは、モーター８に対しモーター駆動指令が出力されると共に、電磁クラッチ９に対し断接指令が出力される。
【００３３】
図２はアシストアクチュエータ部を示す断面図、図３はアシストアクチュエータユニットを示す一部断面図、図４はアシストアクチュエータユニットを示す図３のＩ−Ｉ線断面図であり、図２〜図４を用いてアシストアクチュエータ構造を説明する。
【００３４】
まず、アシストアクチュエータユニットは、図３及び図４に示すように、駆動歯車１０と被駆動歯車１２を内部に収容するユニットハウジング１６の一端側にモーター８及び電磁クラッチ９が固定され、他端側に角度センサー１４が固定されている。前記駆動歯車１０はその両端部から歯車軸部１０ａ，１０ｂが延出され、歯車軸部１０ａは電磁クラッチ９に連結されると共に、ベアリング１７によりユニットハウジング１６に支持されている。歯車軸部１０ｂは角度センサー１４に連結されると共に、ベアリング１８によりユニットハウジング１６に支持されている。
【００３５】
前記被駆動歯車１２は、図４に示すように、内径部に両側に延びる鍔部１２ａを有する凸断面形状であり、この鍔部１２ａの外面及び側面位置、つまり、被駆動歯車１２の両側位置が２個のベアリング１９，２０によりユニットハウジング１６に対し回転可能に支持されている。なお、ユニットハウジング１６は、図２に示すように、ステアリングコラム１に一体結合される。
【００３６】
前記弾性体１１は、図４に示すように、円筒状のアウタープレート１１ａと、円筒上のインナープレート１１ｂと、両プレート１１ａ，１１ｂ間に加硫接着等により結合された弾性ゴム１１ｃにより構成されている。そして、図２に示すように、弾性体１１のアウタープレート１１ａは、被駆動歯車１２の鍔部１２ａの内面に圧入され、弾性体１１のインナープレート１１ｂは、コラムシャフト２にセレーション結合された固定プレート２１に対しナット２２の締め付けによる軸力で結合されている。すなわち、被駆動歯車１２は、両側位置が２個のベアリング１９，２０によりステアリングコラム１に対し回転可能に支持され、且つ、被駆動歯車１２とコラムシャフト２とは、弾性体１１を介して結合されている。
【００３７】
次に、作用効果を説明する。
【００３８】
［こじり吸収作用］
例えば、走行時にコラムシャフト２に補助トルクを付与するときは、アシストアクチュエータ７のモーター８が駆動され、このモーター出力が両歯車１０，１２により構成されたウォーム歯車減速機構により増大され、ウォーム歯車減速機構の被駆動歯車１２を介してコラムシャフト２に補助トルクを付与する。
【００３９】
この被駆動歯車１２は、図５に示すように、両側位置が２個のベアリング１９，２０によりユニットハウジング１６（＝ステアリングコラム１）に対し回転可能に支持され、且つ、被駆動歯車１２とコラムシャフト２とは、弾性体１１を介して結合されている。すなわち、被駆動歯車１２を支持する間隔の狭い２個のベアリング１９，２０とコラムシャフト２とのとの間に弾性体１１が介装される構造となっている。
【００４０】
このため、図５に示すように、アシストアクチュエータ７のステアリングコラム１への取り付け部製造の誤差や取り付け誤差やコラムシャフト２の曲がり等があり、被駆動歯車１２の軸心とコラムシャフト２の軸心にずれがあっても、間隔の短い２個のベアリング１９，２０へのこじり入力は弾性体１１のこじり変形により吸収され、２個のベアリング１９，２０へのラジアル荷重が減少することになる。
【００４１】
よって、弾性体１１のこじり剛性に反比例してアシストアクチュエータ７に設けられる２個のベアリング１９，２０へのラジアル荷重が低減されることになるため、ステアリング系のフリクション増加を抑えることができる。
【００４２】
また、コラムシャフト２の軸ずれや振れ回りを弾性体１１が吸収することにより、ステアリングホイール３の振れ回りが発生せずに上下・左右の支持剛性を高く取ることができる。
【００４３】
さらに、車輪４，５からラックギヤ式ステアリング機構を経過してモーター８へ伝達される操舵反力を、この操舵反力伝達経路の途中に設けられた弾性体１１により減少させることができる。
【００４４】
加えて、モータ８からコラムシャフト２を経過してステアリングホイール３へ伝達されるモータ振動を、このモータ振動伝達経路の途中に設けられた弾性体１１により減少させることができる。
【００４５】
［アクチュエータ出力推定及びモーター異常判定処理］
図６はコントローラ１５で行われるアクチュエータ出力推定及びモーター異常判定処理作動の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する。
【００４６】
ステップ６０では、操舵角センサー１３及び角度センサー１４からのセンサー信号が読み込まれる。
【００４７】
ステップ６１では、コラムシャフト２の回転角である操舵角θが操舵角センサー１３からのセンサー信号に基づいて算出される。
【００４８】
ステップ６２では、被駆動歯車角度ψが角度センサー１４からのセンサー信号に基づいて算出される。すなわち、角度センサー１４では駆動歯車角度が検出されるが、この角度に２つの歯車の減速比を考慮することで被駆動歯車角度ψを得ることができる。
【００４９】
ステップ６３では、算出された操舵角θと被駆動歯車角度ψにより回転角度差△φ（＝θ−ψ）が算出される。
【００５０】
ステップ６４では、算出された回転角度差△φと、図８に示すような変換マップ、若しくは、変換式に基づいて、アシストアクチュエータ７の実出力であるアクチュエータ実出力Ｔ_ＯＵＴが推定される（アクチュエータ出力推定手段）。
【００５１】
ステップ６５では、モーター８への印加電流ｉ_Ｍが検出される（モーター印加電流検出手段）。
【００５２】
ステップ６６では、アクチュエータ実出力Ｔ_ＯＵＴとモーター印加電流ｉ_Ｍとが図９に示すような判定マップ上で比較され、モーター正常域にあるかどうかが判定される。
【００５３】
ステップ６６でモーター正常域にあるとの判定時には、ステップ６７へ進み、モーター正常と判定され、ステップ６６でモーター異常域にあるとの判定時には、ステップ６８へ進み、モーター異常と判定される。なお、ステップ６６〜ステップ６８は、モーター異常判定手段に相当する。
【００５４】
［アクチュエータ出力推定作用］
まず、歯車によるモーター８の減速機構では、印加電流と実出力との関係が、図７に示すように、行き特性（正効率）と帰り特性（逆効率）との間には、大きなヒステリシスを持ち、印加電流から実出力を推定するのは難しい。すなわち、図７に示すように、例え印加電流がＡでも、行き特性では実出力がａで、帰り特性では実出力ががというように、実出力はａ〜ｂの間となり、印加電流から時油出力を精度良く推定することはできない。
【００５５】
これに対し、コラムシャフト２と被駆動歯車１２との間には弾性体１１が介装されているため、アシストアクチュエータ７を駆動させると、実出力の大きさに応じて弾性体１１がねじれ変形し、コラムシャフト２と被駆動歯車１２との間には大きなねじれ角が発生する。
【００５６】
このねじれ角と実出力とは、図８に示すように、比例関係にあり、ねじれ角が分かれば実出力の大きさを推定できる。このねじれ角は、操舵角θと被駆動歯車角度ψとの回転角度差△φとして検出することができるので、図８に示すようなねじれ角に対する実出力特性を予め測定しておくことで、回転角度差△φから精度良くアクチュエータ実出力Ｔ_ＯＵＴを推定することができる。
【００５７】
よって、トーションバーをコラムシャフトに組み付ける実出力検出手段の場合にようにステアリング系の剛性を低下させることなく、回転角度差△φの検出により、アシストアクチュエータ７による実際の補助トルク、つまり、アクチュエータ実出力Ｔ_ＯＵＴを精度良く推定することができる。
【００５８】
［モーター異常判定作用］
アクチュエータ実出力Ｔ_ＯＵＴとモータ印加電流ｉ_Ｍとの関係は、アクチュエータ実出力Ｔ_ＯＵＴが大きくなるほどモータ印加電流ｉ_Ｍが大きくなるというように、ほぼ比例の関係にある。
【００５９】
そこで、モータ印加電流ｉ_Ｍを検出する手段を追加し、且つ、アクチュエータ実出力Ｔ_ＯＵＴとモータ印加電流ｉ_Ｍとの正常・異常領域を表す図９に示す異常判定マップを用意する。
【００６０】
これによって、上記のように精度良く推定されたアクチュエータ実出力Ｔ_ＯＵＴとモータ印加電流ｉ_Ｍとの関係点がモーター正常領域に存在する場合は、モーター８が正常であると判定でき、アクチュエータ実出力Ｔ_ＯＵＴとモータ印加電流ｉ_Ｍとの関係点がモーター異常領域に存在する場合は、モーター８が異常であると判定できる。例えば、モータ印加電流ｉ_Ｍが高いにもかかわらず、アクチュエータ実出力Ｔ_ＯＵＴがゼロや低い値の場合には、モータロックによる異常であると判定することができる。
【００６１】
なお、ねじれ角（回転角度差△φ）とモータ印加電流ｉ_Ｍを用いてモーター８が正常であるか異常であるかを判定するようにしても良い。
【００６２】
（他の実施の形態）
実施の形態１では、ウォーム歯車対による歯車減速機構の例を示したが、他の形式の歯車減速機構を用いても良いし、また、駆動プーリと被駆動プーリとの間にベルトが掛け渡されたベルト減速機構を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１のステアリング系運転支援装置を示す全体システム図である。
【図２】実施の形態１のステアリング系運転支援装置におけるアシストアクチュエータ部を示す断面図である。
【図３】実施の形態１のステアリング系運転支援装置におけるアシストアクチュエータユニットを示す一部断面図である。
【図４】実施の形態１のステアリング系運転支援装置におけるアシストアクチュエータユニットを示す図３のＩ−Ｉ線断面図である。
【図５】実施の形態１のステアリング系運転支援装置での弾性体によるこじりの吸収作用説明図である。
【図６】実施の形態１のステアリング系運転支援装置におけるコントローラで行われるアクチュエータ出力推定及びモーター異常判定処理作動の流れを示すフローチャートである。
【図７】ステアリング系運転支援装置での印加電流と実出力との関係特性図である。
【図８】ステアリング系運転支援装置でのねじれ角と実出力との関係特性図である。
【図９】モータ印加電流と実出力をパラメータとするモータ異常判定マップである。
【図１０】従来のステアリング系運転支援装置を示す図である。
【図１１】従来のステアリング系運転支援装置で軸ずれを原因とする出力軸のこじりにより２つのベアリングに入力されるラジアル荷重を示す作用説明図である。
【図１２】従来のステアリング系運転支援装置で垂直度不良を原因とする出力軸のこじりにより２つのベアリングに入力されるラジアル荷重を示す作用説明図である。
【符号の説明】
１ステアリングコラム
２コラムシャフト
３ステアリングホイール
４，５左右の車輪
６ラック＆ピニオン式ステアリング機構
７アシストアクチュエータ
８モーター
９電磁クラッチ
１０駆動歯車（駆動伝達要素）
１１弾性体
１２被駆動歯車（被駆動伝達要素）
１３操舵角センサー（出力軸回転角検出手段）
１４角度センサー（被駆動伝達要素回転角検出手段）
１５コントローラ
１６ユニットハウジング
１９，２０ベアリング

Claims

ステアリングコラムにはコラムシャフトが内挿支持され、前記コラムシャフトの上端部にはステアリングホイールが設けられ、前記コラムシャフトの下端部には車輪を転舵するステアリング機構が連結され、前記コラムシャフトの途中位置には補助舵角や補助トルクを付与するアシストアクチュエータが設けられ、
前記アシストアクチュエータは、モーターと減速機構を有して構成され、減速機構の駆動伝達要素がモーターにより駆動され、減速機構の被駆動伝達要素がコラムシャフトに設けられたステアリング系運転支援装置において、
前記被駆動伝達要素の両側位置を、２個のベアリングによりステアリングコラムに対し回転可能に支持し、且つ、被駆動伝達要素とコラムシャフトとを、弾性体を介して結合させ、
前記コラムシャフトに設けられ該コラムシャフトの回転角を検出する出力軸回転角検出手段と、前記アシストアクチュエータに設けられ前記被駆動伝達要素の回転角を検出する被駆動伝達要素回転角検出手段と、出力軸回転角検出値と被駆動伝達要素回転角検出値の回転角度差に基づいて、アシストアクチュエータの実出力を推定するアクチュエータ出力推定手段とを設けたことを特徴とするステアリング系運転支援装置。
請求項１に記載のステアリング系運転支援装置において、
前記モーターへの印加電流を検出するモーター印加電流検出手段を設け、前記アクチュエータ出力推定手段により推定された実出力とモーター印加電流とを比較し、モーターが正常であるか異常であるかを判定するモーター異常判定手段を設けたことを特徴とするステアリング系運転支援装置。