JP4433785B2 - ステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの駆動力を左右の駆動輪に配分する駆動力配分手段と、駆動輪を転舵させる駆動輪転舵機構とを備えたステアリング装置の技術分野に属する。

従来のステアリング装置としては、左右の駆動輪の駆動力配分差に応じて、駆動輪の転舵角を制御することにより、車体スリップアングルを補正し、運転者に与える違和感の低減を図るものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
ここで、車体スリップアングルとは、旋回状態にある車両を上から見たとき、車両の進行方向と車両中心面の向きとのなす角度をいう。
特開平５−２６２２５３号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、目標ヨーレイトが大きい場合、ヨーレイトが減少してしまい、車体スリップアングルの低減と目標とするヨーレイトの確保とが両立できないという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、車体スリップアングルの低減と目標とするヨーレイトの確保を両立できるステアリング装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明では、左右の駆動輪の間に設けられ、エンジンから駆動輪に伝達される駆動力の左右への配分を変更可能な駆動力配分手段と、操向輪の転舵角を変化させる操向輪転舵機構と、前記駆動輪の転舵角を変化させる駆動輪転舵機構と、走行状態に応じて、操向輪転舵機構と駆動輪転舵機構とに対し、転舵角を変化させる制御指令を出力する転舵制御手段と、を備えたステアリング装置において、前記転舵制御手段は、左右の駆動輪の駆動力配分量差に応じて生じる車体スリップアングルの変化を打ち消すように駆動輪の転舵角を変化させる制御指令を出力すると共に、当該駆動輪の転舵角変化により生じるヨーレイトの変化を打ち消すように操向輪の転舵角を変化させる制御指令を出力することとした。

本発明のステアリング装置にあっては、駆動力配分量差に応じて生じる車体スリップアングルの変化を打ち消すように駆動輪転舵角を制御するのに加えて、当該駆動輪転舵角の変化により生じるヨーレイトの変化を打ち消すように操向輪転舵角を制御するため、目標ヨーレイトを確保しつつ、運転者に違和感を与える車体スリップアングルを減少させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１〜３に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は、実施例１のステアリング装置を適用した車両のシステムブロック図であり、実施例１のステアリング装置は、ステアリングホイール１と、コラムシャフト２と、前輪転舵機構（操向輪転舵機構）３と、前輪（操向輪）４ａ，４ｂと、後輪転舵機構（駆動輪転舵機構）５と、後輪（駆動輪）６ａ，６ｂと、前輪転舵アクチュエータ７と、後輪転舵アクチュエータ８と、リミテッドスリップデフ（駆動力配分手段）９と、４輪転舵コントローラ１０（転舵制御手段）と、操舵角センサ１１と、車輪速センサ１２ａ〜１２ｄと、を備えている。

前輪転舵機構３は、ステアリングホイール１からコラムシャフト２に入力された回転を、ラックアンドピニオンにより車両の横方向運動へ変換し、前輪４ａ，４ｂを転舵させる。また、後輪転舵機構５は、後輪転舵アクチュエータ８の入力を車両横方向運動に変換し、後輪６，６を転舵させる。

前輪転舵アクチュエータ７は、例えば、モータと減速機等により構成され、モータの回転軸がコラムシャフト２に連結されている。この前輪転舵アクチュエータ７は、４輪転舵コントローラ１０からの指令信号に基づいて、前輪転舵角δに対する操舵角θの比であるステアリングギア比（θ／δ）を可変に制御する。

後輪転舵アクチュエータ８は、前輪転舵アクチュエータ７と同様に、モータと減速機等により構成され、モータの回転軸が後輪転舵機構５のラック軸と連結されている。この後輪転舵アクチュエータ８は、４輪転舵コントローラ１０からの指令信号に基づいて、後輪６ａ，６ｂの転舵角を可変に制御する。

リミテッドスリップデフ（Limited slip differrential:以下、LSD）９は、リアデフ１３に設けられ、例えば、多板クラッチ機構を用いた摩擦式の差動制限装置が用いられている。LSD９の駆動力配分量（後輪６ａと後輪６ｂの駆動力配分量差）は、多板クラッチに油圧を供給する図外の油圧コントロールバルブユニットにより制御される。この油圧コントロールバルブユニットは、４輪転舵コントローラ１０から出力される指令電流に基づいて制御される。

４輪転舵コントローラ１０は、操舵角センサ１１から入力される操舵角と、各車輪速センサ１２ａ〜１２ｄから入力される各車輪速から推定した車体速（＝車速）とに基づいて、LSD９の駆動力配分量を制御する。また、４輪転舵コントローラ１０は、操舵角、車体速およびLSD９の駆動力配分量に基づいて、目標前輪転舵角θfと目標後輪転舵角θrを生成する。そして、前輪転舵アクチュエータ７と後輪転舵アクチュエータ８からフィードバックされる実際の前輪転舵角と後輪転舵角が、目標前輪転舵角θfと目標後輪転舵角θrと一致するように、前輪転舵アクチュエータ７と後輪転舵アクチュエータ８に対し、指令電流を出力する。

次に、作用を説明する。
［目標転舵角設定制御処理］
図２は、４輪転舵コントローラ１０で実行される目標転舵角設定制御処理の流れを示すフローチャートであり、以下、各ステップについて説明する。

ステップS1では、操舵角センサ１１の出力値、各車輪速センサ１２ａ〜１２ｄの出力から推定される車体速に基づいて、LSD９の駆動力配分量を設定する。そして、LSD９を駆動する油圧コントロールバルブユニットに対し、指令電流を出力し、ステップS2へ移行する。

ステップS2では、LSD９に出力された指令電流値から、目標後輪転舵角θrを決定し、ステップS3へ移行する。

ステップS3では、前輪４ａ，４ｂの目標前輪転舵角θfを決定し、ステップS4へ移行する。

ステップS4では、実前輪転舵角，実後輪転舵角が、目標前輪転舵角θf，目標後輪転舵角θrと一致するように、前輪転舵アクチュエータ７と後輪転舵アクチュエータ８に対し、制御電流を出力し、本制御を終了する。

［駆動力配分量に基づく目標転舵角の決定］
定常状態の車両運動方程式を下記の式１，２とおくと、
ｍＧy＝Ｃf＋Ｃr …式１
ＣfＬf−ＣrＬr＝０ …式２
なお、ｍは車重、Ｇyは横Ｇ、Ｃfは前輪コーナリングフォース、Ｃrは後輪コーナリングフォース、Ｌfは車の重心から前輪までの前輪ホイールベース、Ｌrは車の重心から後輪までの後輪ホイールベースである。

LSDによるモーメントＭLSDを加えた場合、
ｍＧy＝Ｃf＋Ｃr …式１'
Ｃf'Ｌf−Ｃr'Ｌr＋ＭLSD＝０ …式２'
となり、下記の式３，４を得る。なお、ＭLSDはLSD９が発生するモーメントである。
Ｃf'＝Ｃf−ＭLSD／（Ｌf−Ｌr） …式３
Ｃr'＝Ｃr＋ＭLSD／（Ｌf＋Ｌr） …式４

ここで、
Ｃf＝Ｋfβf …式５
Ｃr＝Ｋrβr …式６
とすると、
Ｃf'＝Ｋfβf' …式５'
Ｃr'＝Ｋrβr' …式６'
となる。なお、Ｋfは前輪コーナリングパワー、Ｋrは前輪コーナリングパワー、βfは前輪タイヤスリップアングル、βrは後輪タイヤスリップアングルである。

このとき、式４のＭLSDによって、
Ｃr'≧Ｃr …式７
よって、
βr'≧βr …式８
となり
β'＝βr' …式９
であるとすると、車体スリップアングルβも増加する。

また、式４を式６，６'で書き換えると、
Ｋrβr'＝Ｋrβr＋ＭLSD／Ｌ …式１０
よって、
βr'−βr＝ＭLSD／Ｌ・Ｋr …式１１
となり、（βr'−βr）が後輪転舵角の制御転舵分となる。
すなわち、LSD９による後輪６ａ，６ｂの駆動力配分量は、出力電流値に比例するため、この出力電流値に基づいて目標後輪転舵角θrが決定できる。

また、目標前輪転舵角θfは、４輪転舵制御を作動させた場合でも、前輪コーナリングフォースＣf'に変化がないように前輪タイヤスリップアングルβfを変更する。つまり、（β'−β）だけ増加するようにすればよい。

ただし、LSD９が発生するモーメントＭLSDは、下記のように算出される。
ＭLSD＝Ｌ・ΔＦx／２×２
ΔＦx＝Ｔeng×Ｇmf×Ｔdist／Ｒ
なお、Ｌはホイールベース（Ｌ＝Ｌf＋Ｌr）、Ｔengはエンジントルク推定値、Ｇmfはギア比（T/M×Final）、Ｔdistは配分トルク、Ｒはタイヤ半径である。
ここで、エンジントルクが変化しないとき、配分トルクＴdistは、図３に示すトルク配分特性図に示すように、LSD９の制御電流値Ａに比例して与えられる。
また、エンジントルク推定値Ｔengは、アクセル開度−エンジン回転数マップ等から算出する。

以上より、
ＭLSD＝Ｋdist×Ｔeng×Ｔdist …式１２
なお、Ｋdistは定数であり、図３に示したトルク配分特性の傾きである。

式１１，１２より、目標前輪転舵角θfと目標後輪転舵角θrは、下式となる。
θr＝（Ｋdist×Ｔeng／Ｌ・Ｋr×Ｋa）×Ａ
θf＝θr

［駆動力配分量に基づく４輪転舵制御作用］
従来技術（特開平５−２６２２５３号公報）には、LSD等の駆動力配分装置による駆動力の発生と、発生した駆動力に基づく後輪転舵により、旋回性能の向上を図る技術が記載されている。

しかしながら、従来技術のように、駆動力に基づいて後輪のみを転舵させる構成では、車体スリップアングルの減少と目標ヨーレイトへの追従の両立が困難である。図４(a)に示すように、駆動力配分制御のみの状態では、車体スリップアングルが大きくついて、運転者に違和感を与えてしまう。また、図４(b)では、後輪を転舵させて車体スリップアングルを補正しているが、目標ヨーレイトが大きい場合には、ヨーレイトが減少し、車体スリップアングルの減少との両立が図れない。

また、従来技術では、図５(b)に示すように、より大きな目標ヨーレイトとなった場合に、後輪を逆相制御してヨーレイトを発生させる構成であるため、車体スリップアングルは適正な値を保つことができない。すなわち、駆動力配分制御によってヨーレイトを増加させているが、後輪の転舵制御によって車体スリップアングルを減少させると、ヨーレイトが減少してしまい、目標ヨーレイトの確保と車体スリップアングルの減少とがトレードオフの関係になるという問題があった。

これに対し、実施例１のステアリング装置では、図６(b)に示すように、後輪の駆動力配分量に応じて、後輪と前輪の転舵角を変化させるため、駆動力配分制御に起因する車体スリップアングルの増加を後輪転舵制御により打ち消しつつ、前輪転舵制御により目標とするヨーレイトを確保できる。

次に、効果を説明する。
実施例１のステアリング装置にあっては、下記の効果が得られる。

(1) ４輪転舵コントローラ１０は、LSD９の制御電流値Ａに基づいて、目標前輪転舵角θfと目標後輪転舵角θrを決定するため、目標ヨーレイトの確保と車体スリップアングルの減少とを両立できる。

(2) ４輪転舵コントローラ１０は、エンジントルクが変化しないとき、LSD９の制御電流値Ａに比例して、目標前輪転舵角θfと目標後輪転舵角θrを大きくするため、発生する車体スリップアングルの増加に伴ってそれを打ち消す転舵角を与えることができる。よって、リニアリティのある走行感が得られ、運転者に違和感を与えない。

(3) ４輪転舵コントローラ１０は、目標前輪転舵角θfを目標後輪転舵角θrと一致させるため、変化する車体スリップアングルを全て打ち消すことができる。さらに、なおかつ発生するヨーレイトも全く変化しない。

まず、構成を説明する。
実施例１では、４輪転舵コントローラ１０によりLSDの駆動力配分を制御する構成を示したが、実施例２のステアリング装置は、駆動力配分装置として、回転数感応式の差動制限装置を用いた点で実施例１と異なる。

図７は、実施例２のステアリング装置を適用した車両のシステムブロック図であり、リアデフ１３には、ビスカスLSD１４が設けられている。図８に示すように、このビスカスLSD１４は、右側後輪６ａと左側後輪６ｂの車輪速差により、駆動力配分量が決定される。すなわち、車輪速差により目標前輪転舵角θfと目標後輪転舵角θrが決定される。

実施例１の式１１，１２より、（βr'−βr）は、ビスカスLSD１４のモーメントＭLSDに比例となるため、目標前輪転舵角θfと目標後輪転舵角θrは、右側後輪６ａと左側後輪６ｂの車輪速差によって決定できる。この車輪速差は、車輪速センサ１２ｃ，１２ｄの出力から求まる。

４輪転舵コントローラ１０は、エンジントルクが変化しないとき、右側後輪６ａと左側後輪６ｂの車輪速差が大きいほど、目標前輪転舵角θfと目標後輪転舵角θrを大きくする。

次に、作用を説明する。
［後輪車輪速差に基づく４輪転舵制御作用］
図９(a)に示すように、左旋回時には、左側後輪の車輪速は、右側後輪の車輪速よりも小さくなる。このとき、ビスカスLSD１４によって車輪速差に比例した駆動力配分がなされ、左側後輪側により多くの駆動力が配分されるため、車両ヨーレイトが減少する。

実施例２では、図９(b)に示すように、エンジントルクが変化しないとき、車輪速差が大きいほど後輪と前輪の転舵角を共に大きくするため、車体スリップアングルを減少させつつ、車両ヨーレイトを確保できる。

次に、効果を説明する。
実施例２のステアリング装置にあっては、以下に列挙する効果が得られる。

(4) ４輪転舵コントローラ１０は、右側後輪６ａと左側後輪６ｂの車輪速差に基づいて、目標前輪転舵角θfと目標後輪転舵角θrを決定するため、回転数感応式の差動制限装置（ビスカスLSD１４）を用いた構成において、目標とするヨーレイトを確保しつつ、車体スリップアングルを減少させることができる。

(5) ４輪転舵コントローラ１０は、エンジントルクが変化しないとき、車輪速差が大きいほど目標前輪転舵角θfと目標後輪転舵角θrを共に大きくするため、発生する車体スリップアングルの増加に伴って、それを打ち消す転舵角を与えることができ、リニアリティのある走行感が得られ、運転者に与える違和感を低減できる。

まず、構成を説明する。
実施例３のステアリング装置は、駆動力配分装置として、トルク比例式LSDを用いた点で実施例２と異なり、他の部分の構成は、図７に示した実施例２の構成と同一であるため、説明を省力する。

実施例３では、実施例２の図８に示した駆動輪車輪速差と駆動力配分量の関係を、図１０に示すような、エンジントルク出力と駆動力配分量との関係に置き換えることができる。なお、エンジントルクの推定については、複数の実用的な方法があるが、例えば、エンジン回転数（図１１(a)）とアクセル開度（図１１(b)）から、図１１(c)のように推定するのが簡便である。

図１１(d)は、エンジントルクに基づく駆動力配分量であり、駆動力配分量に基づく目標後輪転舵角θrと目標前輪転舵角θfは、図１１(e)，(f)のように決定される。すなわち、エンジントルクが大きいほど、目標前輪転舵角θfと目標後輪転舵角θrは大きくなるように設定される。

次に、作用を説明する。
［エンジントルクに基づく４輪転舵制御作用］
図１２(a)に示すように、左旋回時には、左側後輪の車輪速は、右側後輪の車輪速よりも小さくなる。このとき、トルク比例式LSDによって車輪速差に比例した駆動力配分がなされ、左側後輪により多くの駆動力が配分されるため、車両ヨーレイトが減少する。

実施例３では、図１２(b)に示すように、エンジントルクが大きいほど後輪と前輪の転舵角を共に大きくするため、車体スリップアングルを減少させつつ、車両ヨーレイトを確保できる。

次に、効果を説明する。
実施例３のステアリング装置にあっては、以下に列挙する効果が得られる。

(6) ４輪転舵コントローラ１０は、エンジントルクに応じて、目標前輪転舵角θfと目標後輪転舵角θrを決定するため、駆動力配分装置としてトルク比例式LSDを用いた構成において、目標とするヨーレイトを確保しつつ、車体スリップアングルを減少させることができる。

(7) ４輪転舵コントローラ１０は、エンジントルクが大きいほど目標前輪転舵角θfと目標後輪転舵角θrを共に大きくするため、発生する車体スリップアングルの増加に伴って、それを打ち消す転舵角を与えることができ、リニアリティのある走行感が得られ、運転者に与える違和感を低減できる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１〜３に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、実施例１〜３に限定されるものではなく、駆動輪が前輪または前後輪の場合でも適用されるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。

実施例１のステアリング装置を適用した車両のシステムブロック図である。 ４輪転舵コントローラ１０で実行される目標転舵角設定制御処理の流れを示すフローチャートである。 トルク配分特性図である。 従来例の問題点を示す説明図である。 従来例の問題点を示す説明図である。 実施例１の作用を示す説明図である。 実施例２のステアリング装置を適用した車両のシステムブロック図である。 後輪車輪速差に対する駆動力配分量の特性図である。 実施例２の作用を示す説明図である。 エンジントルク出力に対する駆動力配分量の特性図である。 エンジントルク推定方法、および目標前輪転舵角と目標後輪転舵角の決定方法を示す説明図である。 実施例３の作用を示す説明図である。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ コラムシャフト
３ 前輪転舵機構
４ａ 右側前輪
４ｂ 前輪
５ 後輪転舵機構
６ａ 右側後輪
６ｂ 左側後輪
７ 前輪転舵アクチュエータ
８ 後輪転舵アクチュエータ
９ リミテッドスリップデフ
１０ 輪転舵コントローラ
１１ 操舵角センサ
１２ａ〜１２ｄ 車輪速センサ
１３ リアデフ
１４ ビスカスLSD

Claims (6)

1. 左右の駆動輪の間に設けられ、エンジンから駆動輪に伝達される駆動力の左右への配分を変更可能な駆動力配分手段と、
   操向輪の転舵角を変化させる操向輪転舵機構と、
   前記駆動輪の転舵角を変化させる駆動輪転舵機構と、
   走行状態に応じて、操向輪転舵機構と駆動輪転舵機構とに対し、転舵角を変化させる制御指令を出力する転舵制御手段と、
   を備えたステアリング装置において、
   前記転舵制御手段は、左右の駆動輪の駆動力配分量差に応じて生じる車体スリップアングルの変化を打ち消すように駆動輪の転舵角を変化させる制御指令を出力すると共に、当該駆動輪の転舵角変化により生じるヨーレイトの変化を打ち消すように操向輪の転舵角を変化させる制御指令を出力することを特徴とするステアリング装置。
2. 請求項１に記載のステアリング装置において、
   前記操向輪は、駆動力が伝達されない従動輪であり、
   前記転舵制御手段は、エンジントルクが変化しないとき、左右の駆動輪の駆動力配分量差が大きいほど、操向輪と駆動輪の転舵角を共に大きくさせる制御指令を出力することを特徴とするステアリング装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のステアリング装置において、
   前記駆動力配分手段を、回転数感応式の作動制限装置とし、
   前記転舵制御手段は、左右の駆動輪の車輪速差に応じて、操向輪と駆動輪の転舵角を変化させる制御指令を出力することを特徴とするステアリング装置。
4. 請求項３に記載のステアリング装置において、
   前記転舵制御手段は、エンジントルクが変化しないとき、左右の駆動輪の車輪速差が大きいほど、操向輪と駆動輪の転舵角を共に大きくさせる制御指令を出力することを特徴とするステアリング装置。
5. 請求項１または請求項２に記載のステアリング装置において、
   前記駆動力配分手段を、トルク比例式の作動制限装置とし、
   前記転舵制御手段は、エンジントルクに応じて、操向輪と駆動輪の転舵角を変化させる制御指令を出力することを特徴とするステアリング装置。
6. 請求項５に記載のステアリング装置において、
   前記転舵制御手段は、エンジントルクが大きいほど、操向輪と駆動輪の転舵角を共に大きくさせる制御指令を出力することを特徴とするステアリング装置。

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