JP4468509B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、前輪操舵車両若しくは４輪操舵車両に適用可能な補助操舵機構を備えた車両用操舵装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
前側の２輪のみがステアリングホイールの回転角に応じて操舵される２輪操舵車両（以下２ＷＳ車と略称する）の場合、旋回時に後輪に横滑り角をつけるには、車体横滑り角をつけるしかない。車体横滑り角がつくためには、ヨーイングモーメントの作用で車体が重心軸回りで回転を始めねばならない。これは高い旋回応答性を得る上での障害となるだけでなく、ヨーイング運動の収斂性、つまり挙動の収まりにも悪影響を及ぼす。そこで前後輪を共に操舵して後輪横滑り角を積極的に制御するようにした４輪操舵車両（以下４ＷＳ車と略称する）が開発され、既に多くの市販４ＷＳ車が見られる。
【０００３】
このような４ＷＳ車の制御方法として、後輪横滑り角に基づく微分要素を用いて後輪舵角を制御するものが特開平０２−３７０８０号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、旋回における後輪の横滑り角は必ず旋回円の接線に対して内向き（正方向）につくものなので、上記公報に提案された技術では、同公報の第４図および第５図に示されている通り、安定性の向上は認められるものの、高周波領域での特性は２ＷＳ車と同等であり、操舵初期の回頭性についての改善効果は期待できないものと推測される。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の不都合を改善するべく案出されたものであり、その主な目的は、旋回初期の回頭性と旋回中の安定性とをより一層高次元に両立することが可能なように構成された車両用操舵装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明においては、ステアリングホイール９の回転角に応じて前輪８Ｒ・８Ｌの舵角を変化させる主操舵機構（実施の形態中の前輪操舵機構１０）と、車体横滑り角速度を検出若しくは推定して出力する車体横滑り角速度出力手段（実施の形態中の横滑り角速度演算部１１）と、車体横滑り角速度の正負および絶対値に基づき、車体横滑り角速度の絶対値を減少させるように後輪舵角をアクチュエータ（実施の形態中の電動機２）で変化させる後輪補助操舵機構とを有する車両用操舵装置であって、
前記車体横滑り角速度出力手段は、後車軸よりも前方のある点における車体横滑り角速度を検出若しくは推定するものとした。
【０００７】
これによれば、旋回初期に旋回円の接線に外向する車体横滑り角速度が立ち上がる、つまり車体横滑り角が変化すると、その変化を抑えるために自ずと補助操舵機構の舵角が主操舵機構の舵角に対して逆位相となるので、ヨーレイトが立ち上がり易くなって回頭性が高まる。そのまま旋回を続けると、車体後部が振られて所謂スピン傾向となるが、その時は、旋回円の接線に内向する車体横滑り角速度の立ち上がりを抑えるために補助操舵機構の舵角が主操舵機構の舵角に対して同位相となる。そして、車体横滑り角が変化しない定常円旋回では、自ずと補助操舵力が作用せずに２ＷＳ車と同等の特性を呈するようになる。
【０００８】
特に車体横滑り角速度に対する補助操舵量のゲインを車速の増大に応じて高めることにより、車速が高くなるに連れてアクチュエータの制御量を増大させるものとすれば、高速域での回頭性、安定性の低下を抑制することができ、慣性力の影響が相対的に小さくなる中低速域では逆位相操舵されなくなるので安定性が向上する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明による車両用操舵装置ついて詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明による補助操舵機構を後車輪に適用した車両の概略図を示している。この後輪補助操舵機構１は、電動機２と操舵軸３とを同軸上に配置したものである。コントロールユニット４からの駆動電流によって発生する電動機２の回転トルクは、ボールスクリュー機構などの回転力／軸力変換機構を介し、操舵軸３の左右方向への軸力からなる補助操舵力に変換される。
【００１１】
操舵軸３の両端は、操舵リンク部材５Ｒ・５Ｌを介してリアナックルアーム６Ｒ・６Ｌに連結されており、操舵軸３の左右方向への変位を後輪７Ｒ・７Ｌの舵角に変換する。
【００１２】
前輪８Ｒ・８Ｌについては、ステアリングホイール９に加わる回転力が前輪操舵機構１０のラック軸の軸力に変換され、ステアリングホイール９の回転角に応じた舵角が前輪８Ｒ・８Ｌに与えられる。
【００１３】
この後輪補助操舵機構１のコントロールユニット４は、図２に示すように、図示しない車体上の後車軸よりも前方の任意の点における車体横滑り角速度を演算する横滑り角速度演算部１１と、横滑り角速度演算部１１から与えられた車体横滑り角速度値に基づいて後輪７Ｒ・７Ｌの舵角を決定する後輪目標舵角演算部１２と、後輪目標舵角演算部１２で求めた舵角値に基づいて後輪７Ｒ・７Ｌに舵角を与える後輪補助操舵機構１を制御する後輪転舵制御部１３とを備えている。
【００１４】
ここで前車軸から距離ｘだけ離れた点の車体横滑り角速度βｘは、車速センサ１４の出力Ｖ、横加速度センサ１５の出力αｙ、及びヨーレイトセンサ１６の出力γが求まると、以下の式から求められる。
【００１５】
βｘ＝γ＋〔（ｄγ／ｄｔ）・（ｘ−ａ）／Ｖ〕−（αｙ・１／Ｖ）
但し、ａは前車軸中心〜重心までの距離である。
【００１６】
なお、車体横滑り角速度βｘは、上式に限らず、例えば他の状態量を用いて推定したり（特願平１０−２３５４１５号明細書参照）、計測器の計測値から求めたりしても良い。
【００１７】
フィードバックゲイン演算部１８は、車速センサ１４の出力に基づいて、横滑り角速度演算部１１で得た車体横滑り角速度βｘに対するフィードバックゲインｋを決定する。このフィードバックゲインｋは、例えば図３に示すように、車速Ｖに正比例する値とされている。
【００１８】
後輪目標舵角δｒは、横滑り角速度演算部１１から出力される車体横滑り角速度βｘと、フィードバックゲイン演算部１８から出力されるフィードバックゲインｋとから、後輪目標舵角演算部１２に内蔵された次式により決定される。
【００１９】
δｒ＝ｋβｘ
【００２０】
さらに、この後輪目標舵角δｒは、後輪補助操舵機構１に設けられた後輪舵角センサ１９の出力δｒ₀と後輪舵角比較部２０にて比較され、実際に必要な舵角Δδｒが求められる。
【００２１】
Δδｒ＝δｒ−δｒ₀
【００２２】
この実際に必要な舵角Δδｒは、後輪転舵制御部１３にて電動機２の駆動電流に変換され、後輪補助操舵機構１の電動機２を駆動することにより、後輪７Ｒ・７Ｌが転舵される。
【００２３】
さて、図４に示すように、２ＷＳ車の場合、高速旋回においては、前輪を転舵しても旋回初期には慣性力で車体が直進状態を維持しようとするので、旋回円の接線に対して外向する車体横滑り角がつく傾向がある。また定常円旋回では、前後輪のコーナリングフォースと遠心力とが釣り合うが、車体にはヨーイングモーメントが作用するので、旋回円の接線に対して内向する車体横滑り角がつく。
【００２４】
本発明によれば、旋回初期に外向き（負方向）の車体横滑り角速度が立ち上がると、その車体横滑り角の変化を抑えるために自ずと後輪が逆位相操舵となるのでヨーレイトが立ち上がり易くなり、回頭性が高まる。
【００２５】
逆位相操舵のまま旋回を続けると、後輪のタイヤ横滑り角が小さくなるので遠心力に釣り合うコーナリングフォースを得るために内向き（正方向）の車体横滑り角が増大傾向となるが、本発明では、その車体横滑り角の変化を抑えるように後輪舵角を制御するので、後輪はタイヤ横滑り角を増大させるように転舵され、すなわち自ずと同位相操舵となって車体の挙動が安定する。
【００２６】
そして、車体横滑り角が変化しない、つまり車体横滑り角速度がゼロとなる定常円旋回では、自ずと補助操舵力が作用せずに２ＷＳ車と同等の特性を呈するようになる。
【００２７】
１２０km／ｈでの直進状態から９０度だけ急ハンドルを切った場合の車体横滑り角速度の応答は、図５に示すように、後車軸上では正方向のみに振れた後にゼロに収斂するのに対し、後車軸より前方へ行くに連れて、負方向へ一旦振れる傾向が強くなる。つまり後輪舵角を算出する際に用いる車体横滑り角速度の検出位置をより前方に設定するほど、旋回初期に於ける後輪の逆位相舵角のゲインが高まると言える。
【００２９】
１２０km／ｈで走行中に、前車軸上の車体横滑り角速度をもとに後輪舵角を制御した４ＷＳ車と、２ＷＳ車との特性の比較線図を図６に示す。図の左側がヨーレイト応答を、右側が横加速度応答をそれぞれ表し、また上から順にゲインの周波数応答、位相の周波数応答、ステアリングホイールを９０度急回転させた際のステップ応答を表している。
【００３０】
周波数（操舵速度）に対するヨーレイト応答については、２ＷＳ車に比してピークゲインが抑えられ、しかも高周波域での位相遅れが低減されており、応答性、安定性が共に向上していることが分かる。しかもステアリングホイールの転舵に対するヨーレイトの立ち上がりがシャープになり、かつオーバーシュートを起こしていないことから、挙動の収斂性が２ＷＳ車よりも高まっていることが分かる。
【００３１】
周波数に対する横加速度応答についても、２ＷＳ車に比して高周波でのゲイン増大と位相進みが共に解消され、安定性が向上していることが分かる。しかもステアリングホイールの転舵に対する応答も滑らかになっていることが分かる。
【００３２】
この結果から、本発明により、定常円旋回特性を変化させることなく回頭性と安定性とを高次元に両立することができることが分かる。
【００３３】
なお、後輪駆動の４ＷＳ車に本発明を適用すれば、高速時の定常円旋回状態では後輪の舵角制御が行われないためにコーナー出口で後輪に余分な負荷が加わらないことから、駆動しつつ旋回する際のトラクションの低下という問題を回避し得る。
【００３４】
【発明の効果】
このように本発明によれば、車体横滑り角速度演算手段によって求めた後車軸よりも前方の車体上の任意の点に於ける横滑り角速度の絶対値が減少するように補助舵角を制御するものとしたので、車体横滑り角速度の検出位置と補助舵角制御車輪との自由な組み合わせにより、４ＷＳ車の運動性能を任意に設定することが可能である。
また、車体横滑り角速度に基づいて制御を行うので、車体横滑り角速度がゼロ、つまり車体横滑り角が一定となる定常円旋回中は補助舵角制御が行われなくなることから、アクチュエータへの負荷が軽減される上、転舵量に対するヨーレイトや横加速度のゲインの低下を伴わずに過渡応答特性を向上させることができる。
さらに本発明の操舵装置は、ステアリングホイール入力に依存せずに舵角が制御され、しかも外乱に対しても車体横滑り角の変化を抑える、つまり直進姿勢を維持するように舵角が制御されることから、外乱に対する収束性が向上するので、外乱入力時の修正操舵量が低減されるという効果もある。
これらに加えて、一般的には、運動量に対する適正補助舵角を予め設定しておく必要があるが、本発明によれば目標特性の設定が不要なので、路面状況や乗車人員などの不確定要素に応じて目標特性値を補正または変更する必要がなくなるため、制御アルゴリズムが簡略化でき、しかも目標特性への無理な合わせ込みによるアクチュエータへの負荷増大といった問題も回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された車両の概略構成図
【図２】本発明の制御に係わるブロック図
【図３】フィードバックゲインと車速との関係線図
【図４】旋回中の車両挙動を表す概念図
【図５】旋回初期の車体横滑り角速度の応答特性線図
【図６】本発明が適用された車両と２ＷＳ車との比較運動特性線図
【符号の説明】
１ 補助操舵機構
２ 電動機（アクチュエータ）
７Ｒ・７Ｌ 後輪
８Ｒ・８Ｌ 前輪
９ ステアリングホイール
１０ 前輪操舵機構（主操舵機構）
１１ 横滑り角速度演算部（車体横滑り角速度出力手段）
１２ 後輪目標舵角演算部
１３ 後輪転舵制御部
２０ 後輪転舵角比較部

Claims (3)

1. ステアリングホイールの回転角に応じて前輪舵角を変化させる主操舵機構と、
   車体横滑り角速度を検出若しくは推定して出力する車体横滑り角速度出力手段と、
   車体横滑り角速度の正負および絶対値に基づき、当該車体横滑り角速度の絶対値を減少させるように後輪舵角をアクチュエータで変化させる後輪補助操舵機構と
   を有する車両用操舵装置であって、
   前記車体横滑り角速度出力手段は、後車軸よりも前方のある点における車体横滑り角速度を検出若しくは推定するものであることを特徴とする車両用操舵装置。
2. 車体横滑り角速度に対する補助操舵量のゲインを車速の増大に応じて高めることにより、車速が高くなるに連れて前記アクチュエータの制御量を増大させることを特徴とする、請求項１に記載の車両用操舵装置。
3. 車体横滑り角速度が正の場合には前輪舵角に対して後輪舵角を同位相とし、車体横滑り角速度が負の場合には前輪舵角に対して後輪舵角を逆位相とし、車体横滑り角速度が０の場合には後輪舵角を０とすることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の車両用操舵装置。

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