JP4483357B2 - ステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、車速に応じてステアリングギア比を可変させる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では、車速に応じて設定した基本ステアリングギア比に対し、操舵角速度に基づいて設定したギア比補正ゲインを乗じてステアリングギア比を演算している。ギア比補正ゲインは、操舵角速度が高いほど小さくなるように設定され、操舵角速度が高いほどステアリングギア比は大きくなる（ステアリングギア比を操舵角に対する転舵角の比と定義した場合）。すなわち、運転者がステアリングを速く切った場合には、ステアリング操舵応答をクイックとすることで、障害物回避操舵等、急操舵時における軽く良好な操舵感を達成している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１１４１２０号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、操舵角速度が高くなるほどステアリングギア比が大きな値に設定されるため、運転者が障害物回避のために急操舵を行ったとき、過大なヨーレイトが発生している場合でも、操舵応答がクイックとなり、車両挙動の不安定化を招く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、定常的な回頭性の確保と車両挙動の安定化との両立を図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、ステアリング操作部材に加えた操舵角に対する操向輪転舵角の比であるステアリングギア比を任意に変更可能な可変ギア比アクチュエータと、車速に応じて基本ステアリングギア比を演算する基本ステアリングギア比演算部と、前記ステアリング操作部材の操舵角速度が高いほど基本ステアリングギア比を補正した補正ステアリングギア比を大きくする補正ステアリングギア比演算部と、前記可変ギア比アクチュエータに対し補正ステアリングギア比を得る制御指令を出力するアクチュエータ駆動部と、を有する可変ギア比制御手段と、を備えたステアリング装置において、
車両のヨー角加速度を検出するヨー角加速度検出手段と、
車速および操舵角から、目標ヨー角加速度を演算する目標ヨー角加速度演算手段と、を設け、
前記補正ステアリングギア比演算部は、前記ヨー角加速度と前記目標ヨー角加速度との差分があらかじめ設定されたしきい値以上のとき、前記差分が大きくなるほど基本ステアリングギア比に対する補正ステアリングギア比の操舵角速度に応じた変化率を減少させることを特徴とする。

本発明のステアリング装置にあっては、発生したヨー角加速度と目標ヨー角加速度との差分があらかじめ設定されたしきい値以上のとき、差分が大きくなるほど操舵応答が過渡的にスローとなるため、過大なヨー角加速度の発生が抑制され、過渡的な不安定性を排除できる。すなわち、定常的な回頭性の確保と車両挙動の安定化とを両立できる。

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る。
ステアリングホイール（ステアリング操作部材）１は、図示しない車室内部に運転者と対向するように、アッパコラム３ａの上端に連結されている。ステアリングホイール１とアッパコラム３ａとの間には、ステアリングホイール１の操舵角を検出する操舵角センサ４が設けられている。

舵取機構２は、ロアコラム３ｂの下端に一体形成されたピニオン６と、これに噛合するラック軸７とを備えるラック&ピニオン式の舵取り装置により構成される。ラック軸７は、図示しない車両前部に、左右方向摺動可能に固定され、ラック軸７の両端は、左右のタイロッド８，９を介して前輪（操向輪）１０，１１に連結されている。

可変ギア比アクチュエータ５は、例えば、減速機を備えたDCブラシレスモータ（以下、モータ）を備え、アッパコラムシャフト３ａとロアコラムシャフト３ｂとの間の位置に配置されている。この可変ギア比アクチュエータ５は、アッパコラムシャフト３ａを介して入力される回転を、ステアリングギア比により減速してロアコラムシャフト３ｂへ出力する。これにより、ステアリングホイール１の操舵角θに対する前輪転舵角δの比であるステアリングギア比（δ／θ）を変化させる。

操舵角センサ４は、ステアリングホイール１の操舵角θを検出し、可変ギア比コントローラ（可変ギア比制御手段）１２へ出力する。車速センサ１３は、各車輪の回転速度から車速（車体速）を検出し、可変ギア比コントローラ１２へ出力する。ヨーレイトセンサ１４は、車両のヨーレイトを検出し、可変ギア比コントローラ１２へ出力する。

可変ギア比コントローラ１２は、操舵角と車速とヨーレイトとに基づいて、可変ギア比アクチュエータ５を駆動制御する。

ステアリングギア比は、車速に応じてあらかじめ設定された基本ステアリングギア比マップ（図５参照）に基づいて設定される。基本ステアリングギア比特性は、低〜中速域ではステアリングギア比を大きくして操舵応答をクイックにし、高速域ではステアリングギア比を小さくして操舵応答をスローにすることで、低〜中速域における軽く良好な操舵感と、高速域における緩やかで安定感のある操舵感を両立できるように設定されている。

図２は、可変ギア比コントローラ１２の制御ブロック図であり、可変ギア比コントローラ１２は、基本ステアリングギア比演算部１５と、補正ステアリングギア比演算部１６と、乗算器１７と、アクチュエータ駆動部１８とを備えている。

基本ステアリングギア比演算部１５は、車速Ｖと操舵角θとに基づいて、基本ステアリングギア比Ｇstdを演算する。

補正ステアリングギア比演算部１６は、基本ステアリングギア比Ｇstdと車速Ｖと車両のヨーレイトψ'とに基づいて、補正ステアリングギア比Ｇcompを演算する。

乗算器１７は、補正ステアリングギア比Ｇcompと操舵角θとを乗算した値である目標転舵角δ*を出力する。

アクチュエータ駆動部１８は、実転舵角δが目標転舵角δ*と一致するように、可変ギア比アクチュエータ５に対し転舵角指令値を出力する。

図３は、補正ステアリングギア比演算部１６の制御ブロック図であり、補正ステアリングギア比演算部１６は、操舵角速度に応じたギア比補正ゲイン演算部１６ａと、ヨー角加速度に応じたギア比補正ゲイン演算部１６ｂと、２つの乗算器１６ｃ，１６ｄとを備えている。

操舵角速度に応じたギア比補正ゲイン演算部１６ａは、操舵角θから操舵角速度θ'を演算し、操舵角速度θ'と図６に示す操舵角速度に応じたギア比補正ゲインマップに基づいて操舵角速度補正ステアリング補正ゲインｇ_dθを演算する。ギア比補正ゲインｇ_dθは、操舵角速度θ'が高くなるに従って大きくなるような特性に設定されている。すなわち、運転者のステアリング操舵が速い場合は、よりクイックな操舵応答となる。

ヨー角加速度に応じたギア比補正ゲイン演算部１６ｂは、ヨーレイトψ'から発生ヨー角加速度ψ"を求めるとともに、操舵角θ、車速Ｖから目標ヨー角加速度ψ"*を演算し、発生ヨー角加速度ψ"と目標ヨー角加速度ψ"*の差分Δψ"と、図７に示すヨー角加速度に応じたギア比補正ゲインマップとに基づいて、ヨー角加速度補正ステアリング補正ゲインｇ_ψ'を演算する。補正ゲインｇ_ψ'の特性は、差分Δψ"があらかじめ設定されたしきい値未満のとき１となり、差分Δψ"がしきい値以上のとき、差分Δψ"が大きいほど小さくなるように設定されている。そして、差分Δψ"がしきい値よりも大きなある所定値Δψ₀"を超えたとき、補正ゲインｇ_ψ'は１／ｇ_dθよりも小さくなる。このとき、補正ステアリングギア比Ｇcompは、基本ステアリングギア比Ｇstdよりも小さくなる。

乗算器１６ｃは、操舵角速度補正ステアリング補正ゲインｇ_dθとヨー角加速度補正ステアリング補正ゲインｇ_ψ'とを乗算した値を出力する。

乗算器１６ｄは、乗算器１６ｃの出力値と基本ステアリングギア比Ｇstdとを乗算した値である補正ステアリングギア比Ｇcompを出力する。

次に、作用を説明する。
［基本ステアリングギア比補正制御処理］
図４は、可変ギア比コントローラ１２で実行される、基本ステアリングギア比補正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、車速センサ１３の出力と操舵角センサ４の出力から、車速Ｖと操舵角θを読み込み、ステップＳ２へ移行する。

ステップＳ２では、基本ステアリングギア比演算部１５において、ステップＳ１で読み込んだ車速Ｖと基本ステアリングギア比マップとに基づいて、基本ステアリングギア比Ｇstdを演算し、ステップＳ３へ移行する。

ステップＳ３では、補正ステアリングギア比演算部１６において、ステップＳ１で読み込んだ操舵角θから、操舵角速度θ'を演算し、ステップＳ４へ移行する。

ステップＳ４では、操舵角に応じたギア比補正ゲイン演算部１６ａにおいて、ステップＳ３で求めた操舵角速度θ'と、図６の操舵角速度に応じたギア比補正ゲインマップとに基づいて、操舵角速度補正ステアリング補正ゲインｇ_dθを算出し、ステップＳ５へ移行する。

ステップＳ５では、ヨー角加速度に応じたギア比補正ゲイン演算部１６ｂにおいて、ヨーレイトセンサ１４の出力からヨーレイトψ'を読み込むとともに、ヨーレイトψ'から発生ヨー角加速度ψ"を演算し、ステップＳ６へ移行する。

ステップＳ６では、ヨー角加速度に応じたギア比補正ゲイン演算部１６ｂにおいて、ステップＳ５で求めた発生ヨー角加速度ψ"と車速Ｖおよび操舵角θから求めた目標ヨー角加速度ψ"*との差分Δψ"を演算する。差分Δψ"があらかじめ設定されたしきい値以上である場合には、ステップＳ７へ移行し、差分Δψ"がしきい値未満である場合には、ステップＳ８へ移行する。

ステップＳ７では、ヨー角加速度に応じたギア比補正ゲイン演算部１６ｂにおいて、差分Δψ"と図７に示すヨー角加速度に応じたギア比補正ゲインマップとに基づいて、ヨー角加速度補正ステアリング補正ゲインｇ_ψ'を演算する。

続いて、補正ステアリングギア比演算部１６では、乗算器１６ｃにより、操舵角速度補正ステアリング補正ゲインｇ_dθにヨー角加速度補正ステアリング補正ゲインｇ_ψ'を乗算し、さらに、乗算器１６ｄにより、基本ステアリングギア比Ｇstdを乗算して補正ステアリングギア比Ｇcompを演算し、ステップＳ８へ移行する。

ステップＳ８では、乗算器１７により、補正ステアリングギア比Ｇcompと操舵角θから目標転舵角δ*を演算し、ステップＳ９へ移行する。

ステップＳ９では、アクチュエータ駆動部１８において、実転舵角δが目標転舵角δ*と一致するよう、可変ギア比アクチュエータ５を作動させ、リターンへ移行する。

［基本ステアリングギア比補正制御作動］
(i) 発生ヨー角加速度ψ"と車速Ｖおよび操舵角θから求めた目標ヨー角加速度ψ"*との差分Δψ"がしきい値未満である場合には、図４のフローチャートにおいて、ステップＳ１→ステップＳ２→ステップＳ３→ステップＳ４→ステップＳ５→ステップＳ６→ステップＳ８→ステップＳ９へと進む流れとなる。

すなわち、基本ステアリングギア比Ｇstdと操舵角速度補正ステアリング補正ゲインｇ_dθとを乗算して補正ステアリングギア比Ｇcompが演算される。よって、従来のステアリング装置と同様、操舵角速度θ'が高くなるに従って操舵応答はよりクイックとなる。

(ii) 発生ヨー角加速度ψ"と車速Ｖおよび操舵角θから求めた目標ヨー角加速度ψ"*との差分Δψ"がしきい値以上である場合には、図４のフローチャートにおいて、ステップＳ１→ステップＳ２→ステップＳ３→ステップＳ４→ステップＳ５→ステップＳ６→ステップＳ７→ステップＳ８→ステップＳ９へと進む流れとなる。

すなわち、ステップＳ７において、ヨー角加速度補正ステアリング補正ゲインｇ_ψ'（＜１）が演算され、この補正ゲインｇ_ψ'により操舵角速度補正ステアリング補正ゲインｇ_dθが補正される。よって、(i)の場合と比較して、同じ操舵角速度θ'であっても差分Δψ"が大きいほど基本ステアリングギア比Ｇstdに対する補正ステアリングギア比Ｇcompの操舵角速度θ'に応じた変化率が減少するため、操舵応答が過渡的にスローとなる。

［ヨー角加速度に応じたステアリングギア比補正作用］
従来のステアリング装置（特開２００１−１１４１２０号公報）では、操舵角速度の高さに比例して基本ステアリングギア比に補正ゲイン（＞１）を乗じ、操舵応答をクイックにしている。また、目標ヨーレイトと発生ヨーレイトの差分が一定値を超えた場合も、基本ステアリングギア比に補正ゲイン（＞１）を乗じて操舵応答をクイックにしている。これにより、障害物回避操作等の急操舵時における回頭性を確保している。

ところが、従来技術では、操舵角速度の高さに応じて一律に操舵応答がクイックとなるため、運転者が急操舵して車両挙動が不安定に陥った場合でも、操舵応答がクイックに設定されてしまう。さらに、車両のヨーレイトが過渡的に過大で不安定な状態に陥る可能性がある場合でも、操舵応答をクイックに設定してしまうため、ヨーレイトの増大を招く。

これに対し、実施例１のステアリング装置では、発生ヨー角加速度ψ"と目標ヨー角加速度ψ"*との差分Δψ"がしきい値以上となった場合には、車両挙動が不安定に陥る可能性があると判断し、操舵角速度θ'に応じた補正ゲインｇ_dθに対し、ヨー角加速度補正ステアリング補正ゲインｇ_ψ'（＜１）を乗ずる。このとき、補正ステアリングギア比Ｇcompは、下記の式(1)を用いて演算される。
Ｇcomp＝ｇ_dθ×ｇ_ψ'×Ｇstd …(1)

すなわち、実施例１では、発生ヨー角加速度ψ"が過大にならない領域では、操舵角速度θ'に応じて操舵応答をクイックにすることにより、障害物回避性能を向上させる。さらに、運転者の操舵入力や走行条件などにより過大なヨー角加速度ψ"が発生した場合には、ヨー角加速度補正ステアリング補正ゲインｇ_ψ'（＜１）により、操舵角速度θ'に応じてクイック側に補正した操舵応答を、スロー側に変更する。これにより、過渡的な操舵応答のクイック化を抑制することで、車両が不安定になるのを防止できる。

さらに、発生ヨー角加速度ψ"と目標ヨー角加速度ψ"*との差分Δψ"が大きな領域（図７のマップにおいて、差分Δψ"が所定値Δψ₀"以上の領域）では、ヨー角加速度補正ステアリング補正ゲインｇ_ψ'を１／ｇ_dθより小さくすることで、操舵応答を過渡的に、よりスローとし、車両挙動をより安定させることができる。

このように、ヨー角加速度をフィードバックしてステアリングギア比を補正するため、必要以上に操舵応答をスローとすることがなく、緊急回避性能は保たれる。同様に過渡的なヨー角加速度に着目してステアリングギア比を補正するため、定常的なステアリングギア比は保たれ、回頭性を損なうことはない。

図８は、実施例１の作用を示すタイムチャートである。
運転者が速い操舵を行った場合、その操舵角速度θ'に応じて基本ステアリングギア比Ｇstdが補正される。その結果、実転舵角δとしては基本ステアリングギア比Ｇstdの場合と比較して、過渡的な切り増しが行われる。

ここで、従来例では、操舵角速度θ'に応じて一律に切り増しを行うのに対し、実施例１では、発生ヨー角加速度ψ"に応じて転舵角速度δ'を減らし、過渡的な転舵量を減らすことにより、ヨー角加速度の発生を抑えヨーレイトψ'の安定を図っている。また、発生ヨー角加速度ψ"によっては、基本ステアリングギア比Ｇstdよりもステアリングギア比を小さく設定することにより、過大なヨーレイトψ'の発生を確実に防止できる。

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、下記に列挙する効果が得られる。

(1) 可変ギア比コントローラ１２は、検出されたヨー角加速度ψ"が高いほど、基本ステアリングギア比Ｇstdに対する補正ステアリングギア比Ｇcompの操舵角速度θ'に応じた変化率を減少させるため、過大なヨー角加速度ψ"の発生が抑制され、過渡的な不安定性を排除できる。
また、ヨー角加速度ψ"を基にステアリングギア比を補正するため、過渡的な不安定性を除きつつ、定常的な回頭性を確保できる。さらに、走行条件などにより前輪１０，１１の転舵角速度が過大となってしまった場合に、その分を適切に補正できる。

(2) 可変ギア比コントローラ１２は、発生ヨー角加速度ψ"と目標ヨー角加速度ψ"*との差分Δψ"がしきい値以上のとき、差分Δψ"が大きくなるほど基本ステアリングギア比Ｇstdに対する補正ステアリングギア比Ｇcompの操舵角速度θ'に応じた変化率を減少させるため、必要以上に操舵応答をスローとすることがなく、定常的なステアリングギア比は保たれ、緊急回避性能を保持できる。

(3) 可変ギア比コントローラ１２は、差分Δψ"がしきい値よりも大きな所定値Δψ₀"を超えたとき、差分Δψ"が大きくなるほど、補正ステアリングギア比Ｇcompを基本ステアリングギア比Ｇstdよりも小さくするため、過大なヨーレイトψ'の発生を確実に防止できる。

（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に限定されるものではなく、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。

例えば、基本ステアリングギア比の特性は、図５に示した特性に限らず、車速と操舵角速度以外の走行状態を含む特性を設定してもよい。

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。 可変ギア比コントローラ１２の制御ブロック図である。 補正ステアリングギア比演算部１６の制御ブロック図である。 可変ギア比コントローラ１２で実行される、基本ステアリングギア比補正制御処理の流れを示すフローチャートである。 基本ステアリングギア比マップである。 操舵角速度に応じたギア比補正ゲインマップである。 ヨー角加速度に応じたギア比補正ゲインマップである。 実施例１の作用を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ 舵取機構
３ａ アッパコラム
３ｂ ロアコラム
４ 操舵角センサ
５ 可変ギア比アクチュエータ
６ ピニオン
７ ラック軸
８，９ タイロッド
１０，１１ 前輪
１２ 可変ギア比コントローラ
１３ 車速センサ
１４ ヨーレイトセンサ
１５ 基本ステアリングギア比演算部
１６ 補正ステアリングギア比演算部
１６ａ 操舵角速度に応じたギア比補正ゲイン演算部
１６ｂ ヨー角加速度に応じたギア比補正ゲイン演算部
１６ｃ，１６ｄ 乗算器
１７ 乗算器
１８ アクチュエータ駆動部

Claims (3)

1. ステアリング操作部材に加えた操舵角に対する操向輪転舵角の比であるステアリングギア比を任意に変更可能な可変ギア比アクチュエータと、
   車速に応じて基本ステアリングギア比を演算する基本ステアリングギア比演算部と、前記ステアリング操作部材の操舵角速度が高いほど基本ステアリングギア比を補正した補正ステアリングギア比を大きくする補正ステアリングギア比演算部と、前記可変ギア比アクチュエータに対し補正ステアリングギア比を得る制御指令を出力するアクチュエータ駆動部と、を有する可変ギア比制御手段と、
   を備えたステアリング装置において、
   車両のヨー角加速度を検出するヨー角加速度検出手段と、
   車速および操舵角から、目標ヨー角加速度を演算する目標ヨー角加速度演算手段と、を設け、
   前記補正ステアリングギア比演算部は、前記ヨー角加速度と前記目標ヨー角加速度との差分があらかじめ設定されたしきい値以上のとき、前記差分が大きくなるほど基本ステアリングギア比に対する補正ステアリングギア比の操舵角速度に応じた変化率を減少させ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、
   車両のヨーレイトを検出するヨーレイト検出手段を設け、
   前記ヨー角加速度検出手段は、検出されたヨーレイトからヨー角加速度を演算して検出することを特徴とするステアリング装置。
3. 請求項２に記載のステアリング装置において、
   前記補正ステアリングギア比演算部は、前記差分が前記しきい値よりも大きなあらかじめ設定された所定値を超えたとき、前記差分が大きくなるほど補正ステアリングギア比を基本ステアリングギア比よりも小さくすることを特徴とするステアリング装置。

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