JP4595814B2

JP4595814B2 - 車両の操舵装置

Info

Publication number: JP4595814B2
Application number: JP2006006041A
Authority: JP
Inventors: 英樹酒井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2026-01-13
Also published as: JP2007186099A

Description

本発明は、前輪および後輪のうちの少なくともいずれか一方を左右それぞれ独立に転舵可能な車両の操舵装置に関する。

従来から、例えば下記特許文献１に示されているように、操舵ハンドルの操舵操作に応じて左右前輪を転舵して車両を旋回させる車両の操舵装置において、車高の変化に応じて左右前輪の転舵量を補正して、車高変化に伴うアライメント変化による車両旋回量の変動を打ち消すようにすることは知られている。
特開２００２−１０４２１５号公報

しかし、上記特許文献１に記載された車両の操舵装置は、左右前輪の補正転舵により車両の走行安定性を良好にするものであるが、前記特許文献１には車両の姿勢を制御することには言及されていない。

本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、車両旋回時に車体の姿勢を制御して、乗員が感じる車体のロール感を良好にした車両の操舵装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、操舵ハンドルの操舵操作に応じて車両を旋回させる車両の操舵装置において、左右前輪および左右後輪のうちの少なくとも一方の一対の車輪をそれぞれ独立に転舵する転舵手段と、車体のロール角を取得するロール角取得手段と、前記取得されたロール角に基づいて、車体の目標ピッチ角を計算する目標ピッチ角計算手段と、前記計算された目標ピッチ角に基づいて、車体のピッチ角を制御するための前記少なくとも一方の一対の車輪の目標トー角を計算する目標トー角計算手段と、前記計算された目標トー角を用いて前記転舵手段を制御して、前記少なくとも一方の一対の車輪を前記計算された目標トー角に転舵する転舵制御手段とを設けたことにある。

この場合、目標トー角計算手段によって計算される目標トー角は、車体を前傾させるためのトー角であるとよい。

上記のように構成した本発明の特徴においては、目標ピッチ角計算手段がロール角取得手段によって取得されたロール角に基づいて目標ピッチ角を計算し、目標トー角計算手段が前記計算された目標ピッチ角に基づいて車体のピッチ角を制御するための左右前輪および左右後輪のうちの少なくとも一方の一対の車輪の目標トー角を計算する。そして、転舵制御手段により、前記少なくとも一方の一対の車輪のトー角が前記計算された目標トー角に設定される。したがって、車両旋回時に、車体を前傾させることができ、乗員は車体のロールに対して良好なロール感を感じることができる。なお、車両を前傾させることが良好なロール感を乗員に与えることに関しては、社団法人自動車技術会発行の学術講演会前刷集９６５（１９９６−１０）に、「ロール感向上の為のサスペンション技術開発」として掲載されている。

以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明すると、図１は、同実施形態に係る車両の操舵装置の全体概略図である。この車両の操舵装置は、運転者によって操舵操作される操舵ハンドル１０と、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２および左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２をそれぞれ独立に転舵可能な転舵機構２０，３０，４０，５０を備えている。

操舵ハンドル１０は、軸線周りに一体回転するステアリングシャフト１１の上端に接続されている。ステアリングシャフト１１の下端には、電動モータおよび減速機構からなる反力アクチュエータ１２が設けられている。この反力アクチュエータ１２は、操舵ハンドル１０の操舵操作に対して操舵反力を付与する。

転舵機構２０，３０は、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を、図示しない車体に転舵可能に支持するアーム機構２１，３１をそれぞれ備えている。アーム機構２１，３１の各後端部は、電気アクチュエータ２２，３２により、駆動ロッド２３，３３を介して左右に駆動されるようになっている。電気アクチュエータ２２，３２は、そのハウジング内に、電気的に駆動される電動モータおよび電動モータの回転運動を減速するとともに直線運動に変換する変換機構を有していて、駆動ロッド２３，３３の各内側端を、駆動ロッド２３，３３に対して回転可能に係合したピン２４，３４を介して左右に駆動する。駆動ロッド２３，３３は、前記電気アクチュエータ２２，３２による駆動により、揺動しながら左右方向に変位して、アーム機構２１，３１の後端部を、駆動ロッド２３，３３に対して回転可能に係合したピン２５，３５を介して左右に駆動する。したがって、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は、電気アクチュエータ２２，３２により左右にそれぞれ独立して転舵される。

転舵機構４０，５０は、左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２を、図示しない車体に転舵可能に支持するアーム機構４１，５１をそれぞれ備えている。アーム機構４１，５１の各前端部は、電気アクチュエータ４２，５２により、駆動ロッド４３，５３を介して左右に駆動されるようになっている。電気アクチュエータ４２，５２は、前記電気アクチュエータ２２，３２と同様に構成されていて、駆動ロッド４３，５３の各内側端を、駆動ロッド４３，５３に対して回転可能に係合したピン４４，５４を介して左右に駆動する。駆動ロッド４３，５３は、電気アクチュエータ４２，５２による駆動により、揺動しながら左右方向に変位して、アーム機構４１，５１の前端部を、駆動ロッド４３，５３に対して回転可能に係合したピン４５，５５を介して左右に駆動する。したがって、左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２は、電気アクチュエータ４２，５２により左右にそれぞれ独立して転舵される。

次に、反力アクチュエータ１２および電気アクチュエータ２２，３２，４２，５２を制御する電気制御装置について説明する。電気制御装置は、ハンドル操舵角センサ６１、左前輪転舵角センサ６２、右前輪転舵角センサ６３、左後輪転舵角センサ６４、右後輪転舵角センサ６５および車速センサ６６を備えている。ハンドル操舵角センサ６１は、ステアリングシャフト１１に組み付けられて、操舵ハンドル１０の回転角であるハンドル操舵角θｈを検出する。なお、ハンドル操舵角θｈは、操舵ハンドル１０の中立位置を「０」とし、操舵ハンドル１０の左方向の回転角を負の値で表し、操舵ハンドル１０の右方向の回転角を正の値で表す。

左前輪転舵角センサ６２および右前輪転舵角センサ６３は、電気アクチュエータ３２，４２内の電動モータに組み込まれた回転角センサによってそれぞれ構成され、各電動モータの回転角を検出することによって左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角θf1，θf2をそれぞれ検出する。なお、左右前輪転舵角θf1，θf2も、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の中立位置を「０」とし、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の左方向の転舵角を負の値で表し、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の右方向の転舵角を正の値で表す。また、これらの左前輪転舵角センサ６２および右前輪転舵角センサ６３に代えて、アーム機構２１，３１または駆動ロッド２３，３３の変位によって左右前輪転舵角θf1，θf2を検出するセンサを用いてもよい。

左後輪転舵角センサ６４および右後輪転舵角センサ６５は、電気アクチュエータ４２，５２内の電動モータに組み込まれた回転角センサによってそれぞれ構成され、各電動モータの回転角を検出することによって左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２の転舵角θr1，θr2をそれぞれ検出する。なお、左右後輪転舵角θfr1，θr2も、左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２の中立位置を「０」とし、左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２の左方向の転舵角を負の値で表し、左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２の右方向の転舵角を正の値で表す。また、これらの左後輪転舵角センサ６４および右後輪転舵角センサ６５に代えて、アーム機構４１，５１または駆動ロッド４３，５３の変位によって左右後輪転舵角θr1，θr2を検出するセンサを用いてもよい。車速センサ６６は、車速Ｖを検出する。

これらのセンサ６１〜６６は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）７０に接続されている。ＥＣＵ７０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータを主要構成部品とするもので、図２の前後輪転舵プログラム（図３の前後輪トー角計算ルーチンを含む）を所定の短時間ごとに繰り返し実行することにより、前記センサ６１〜６６の検出信号に応じて駆動回路７１〜７５を介して、反力アクチュエータ１２および電気アクチュエータ２２，３２，４２，５２を駆動制御する。

次に、上記のように構成した実施形態の動作を説明する。イグニッションスイッチの投入により、ＥＣＵ７０は図２の前後輪転舵プログラムを所定の短時間ごとに繰り返し実行し始め、この前後輪転舵プログラムの実行により、操舵ハンドル１０の回動操作に応じて左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２および左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２を独立に転舵制御する。なお、本発明には直接関係しないので、詳しい説明を省略するが、図示しないプログラムの実行により、反力アクチュエータ１２も駆動制御されて、操舵ハンドル１０の操舵操作に対して適度な反力が付与される。

前後輪転舵プログラムの実行はステップＳ１０にて開始され、ＥＣＵ３５はステップＳ１１にてハンドル操舵角センサ６１からハンドル操舵角θｈを入力する。そして、ステップＳ１２にて、下記式１，２の演算の実行により、目標前輪転舵角θf＊および目標後輪転舵角θr＊を計算する。

なお、前記式１中のＫは、ハンドル操舵角θｈに対する左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の操舵角の比を表す車両に応じて予め定められた所定の定数である。

次に、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１３にて前後輪トー角計算ルーチンを実行する。この前後輪トー角計算ルーチンの実行は図３のステップＳ２０にて開始され、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２１にて、車速センサ６６から車速Ｖを入力する。ステップＳ２１の処理後、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２２にて、前記計算した目標前輪転舵角θf＊および前記入力した車速Ｖを用いた下記式３の演算の実行により車体横加速度Ｇｙを計算する。

なお、前記式３中において、Ｌは車両のホイールベースを表し、Ａは車両のスタビリティファクタを表し、Ｌ，Ａは共に車両に応じて予め定められた定数である。また、前記式３中の目標前輪転舵角θf＊に代えて、左右前輪転舵角センサ６２，６３によって検出された左右前輪転舵角θf1，θf2の平均値またはハンドル操舵角θhを用いるようにしてもよい。

前記ステップＳ２２の処理後、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２３にて、前記計算した車体横加速度Ｇｙを用いた下記式４の演算の実行により車体ロール角φｒを計算する。

なお、前記式４中において、ｍは車両のばね上質量を表し、ｈaは車両のロールアーム長を表し、Ｉyは車両のロール慣性モーメントを表し、Ｃyは車両のロール減衰係数を表し、Ｋyは車両のロール剛性を表し、ｇは重力加速度を表し、Ｓはラプラス演算子を表す。そして、これらのｍ，ｈa，Ｉy，Ｃy，Ｋyは、車両に応じて予め定められた定数である。

前記ステップＳ２３の処理後、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２４にて、前記計算した車体ロール角φｒを用いた下記式５の演算の実行により目標ピッチ角φpを計算する。

これにより、車体ロール角φｒに応じて増加して、車体ロール角φｒに対して適当な目標ピッチ角φpが計算される。

次に、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２５にて、目標ピッチ角φpを用いた下記式６，７の演算の実行により、目標ピッチ角φpを実現するための目標前後輪ジャッキアップ力Ｆzf，Ｆzrを計算する。

なお、前記式６，７中において、Ｉxは車両のピッチ慣性モーメントを表し、Ｃxは車両のピッチ減衰係数を表し、Ｋxは車両のピッチ剛性を表し、Ｌは車両のホイールベースを表し、Ｓはラプラス演算子を表す。そして、これらのＩx，Ｃx，Ｋx，Ｌは、車両に応じて予め定められた定数である。また、これらの目標前後輪ジャッキアップ力Ｆzf，Ｆzrは上方向を正で、下方向を負で表す。

次に、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２６にて、目標前後輪ジャッキアップ力Ｆzf，Ｆzrを用いた下記式８，９の演算の実行により、目標前後輪ジャッキアップ力Ｆzf，Ｆzrを実現するための目標前後輪トー角λf，λrを計算する。

なお、前記式８，９中において、Ｔfは左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２のトレッドを表し、Ｔrは左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２のトレッドを表し、ｈcは車両のロールセンター高さを表し、Ｋfは左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２のコーナリングパワーを表し、Ｋrは左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２のコーナリングパワーを表す。そして、これらのＴf，Ｔr，ｈc，Ｋf，Ｋrは、車両に応じて予め定められた定数である。また、これらの目標前後輪トー角λf，λrは、トーアウト量を負で表し、トーイン量を正で表す。

前記ステップＳ２６の処理後、破線で示すステップＳ２７にて、下記式１０，１１に示す位相補償演算を実行して、ステップＳ２８にてこの前後輪トー角計算ルーチンの実行を終了する。

なお、前記式１０，１１中のτは予め決められた制御ゲインであり、Ｓはラプラス演算子である。なお、このステップＳ２７は、必要に応じて行われる処理であり、省力してもよい。

この前後輪トー角計算ルーチンの実行後、ＥＣＵ７０は、ふたたび図２の前後輪転舵プログラムの実行に戻り、ステップＳ１４にて、前記ステップＳ１２の処理によって計算した目標前後輪転舵角θf＊，θr＊を、目標前後輪トー角λf，λrを用いた下記式１３〜１６の演算の実行により補正して、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２および左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２の目標転舵角θf1＊，θf2＊，θr1＊，θr2＊をそれぞれ計算する。

前記ステップＳ１４の処理後、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１５にて左右前後輪転舵角センサ６２〜６５から検出転舵角θf1，θf2，θr1，θr2をそれぞれ入力して、前記検出転舵角θf1，θf2，θr1，θr2が、前記計算した目標転舵角θf1＊，θf2＊，θr1＊，θr2＊にそれぞれ等しくなるように電気アクチュエータ２２，３２，４２，５２をそれぞれ駆動制御する。この駆動制御により、電気アクチュエータ２２，３２，４２，５２は、駆動ロッド２３，３３，４３，５３を介してアーム機構２１，３１，４１，５１をそれぞれ回転させる。これにより、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は目標左右前輪転舵角θf1＊，θf2＊に転舵されるとともに、左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２は目標左右後輪転舵角θr1＊，θr2＊に転舵される。そして、ステップＳ１６にて、この前輪転舵プログラムの実行が終了される。

このような転舵制御の結果、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は操舵ハンドル１０の操舵操作に応じて転舵角に加え、目標前輪トー角λfだけ補正転舵される。また、左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２は、目標後輪トー角λrだけ転舵される。この場合、目標前輪トー角λfは負の値すなわちトーアウト方向の転舵量を示すので、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２はハンドル操舵角θhに対応した転舵角に対して目標前輪トー角λfだけトーアウト方向に転舵される。また、目標後輪トー角λrは正の値すなわちトーイン方向の転舵量を示すので、左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２は目標後輪トー角λrだけトーイン方向に転舵される。

このような左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２のトーアウト方向の転舵および左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２のトーイン方向に転舵により、車体前部は下方に変位するとともに、車体後部は上方に変位し、車体は前傾姿勢となる。その結果、車両旋回時に、乗員は車体のロールに良好なロール感を感じることができる。特に、ステップＳ２４の処理によって車体のロール角φrに対して適切な目標ピッチ角φpが計算され、ステップＳ２５，Ｓ２６の処理により、この目標ピッチ角φpを得るための目標前後輪トー角λf，λrが計算される。したがって、車両の前傾のピッチ角は車体のロールに対して適切な値に設定される。

さらに、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。

上記実施形態においては、図２のステップＳ１２にて目標前輪転舵角θf＊をハンドル操舵角θhに対して線形変化する値に設定した。しかし、これに限らず、ハンドル操舵角θhの絶対値｜θh｜の大きな領域で、上記実施形態の目標前輪転舵角θf＊の絶対値｜θf＊｜より大きな絶対値になるように非線形変化する目標前輪転舵角θf＊を計算するようにしてもよい。また、ハンドル操舵角θｈに加えて、車速Ｖなどの走行状態に応じて非線形変化する値に目標前輪転舵角θf＊を設定するようにしてもよい。例えば、車速Ｖの小さな領域で上記実施形態の目標前輪転舵角θf＊の絶対値｜θf＊｜よりも大きな値となり、車速Ｖの大きな領域で上記実施形態の目標前輪転舵角θf＊の絶対値｜θf＊｜よりも小さな値となる目標前輪操舵角θf＊を計算するようにしてもよい。さらに、車体に発生するヨーレート、横加速度などを考慮して目標前輪転舵角θf＊を決定するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、目標後輪転舵角をθr＊を「０」に設定するようにしたが、この目標後輪転舵角θr＊を、ハンドル操舵角θｈ、車速Ｖ、ヨーレート、横加速度などの車両の走行状態に応じて「０」以外の値に設定するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、図３のステップＳ２２の計算処理により、目標前輪転舵角θf＊（または左右前輪転舵角θf1，θf2の平均値、ハンドル操舵角θh）を用いて車体横加速度Ｇyを導出するようにした。しかし、これに代えて、車体横加速度Ｇyを検出するための加速度センサを車両に搭載して、ステップＳ２２にて、前記加速度センサによって検出された車体横加速度Ｇyを入力して、ステップＳ２３の車体ロール角φｒの計算に用いるようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、図３のステップＳ２３の計算処理により、車体横加速度Ｇyを用いて車体ロール角φｒを導出するようにした。しかし、これに代えて、車体ロール角φｒを検出するための角度センサ（すなわち傾斜角センサ）を車両に搭載して、ステップＳ２３にて、前記角度センサによって検出された車体ロール角φｒを入力して、ステップＳ２４の目標ピッチ角φｐの計算に用いるようにしてもよい。また、前記角度センサに代えて、車体ロール角速度を検出するための角速度センサを車両に搭載して、角速度センサによって検出された車体ロール角速度を積分演算して、車体ロール角φrを検出するようにしてもよい。

さらに、上記実施形態においては、車体が目標ピッチ角φpに前傾するように、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２および左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２の両方のトー角を制御するようにした。しかし、これに代えて、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２または左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２の一方のトー角のみを制御して、車体が目標ピッチ角φpに前傾するようにしてもよい。そして、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２のトー角のみを制御する場合には、上記実施形態のトーアウト量よりも大きく左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２をトーアウト方向に転舵する。また、左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２のトー角のみを制御する場合には、上記実施形態のトーイン量よりも大きく左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２をトーイン方向に転舵する。これによれば、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２または左右後輪ＲＷ１,ＲＷ２の一方のみを左右独立に転舵可能とすればよい。

本発明の一実施形態に係る車両の操舵装置の全体概略図である。図１のＥＣＵにより実行される前後輪転舵プログラムを示すフローチャートである。図２の前後輪トー角計算ルーチンの詳細を示すフローチャートである。

符号の説明

ＦＷ１，ＦＷ２…左右前輪、ＲＷ１,ＲＷ２…左右後輪、１０…操舵ハンドル、２０，３０，４０，５０…転舵機構、２２，３２，４２，５２…電気アクチュエータ、６１…ハンドル操舵角センサ、６２〜６５…転舵角センサ、６６…車速センサ、７０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）。

Claims

操舵ハンドルの操舵操作に応じて車両を旋回させる車両の操舵装置において、
左右前輪および左右後輪のうちの少なくとも一方の一対の車輪をそれぞれ独立に転舵する転舵手段と、
車体のロール角を取得するロール角取得手段と、
前記取得されたロール角に基づいて、車体の目標ピッチ角を計算する目標ピッチ角計算手段と、
前記計算された目標ピッチ角に基づいて、車体のピッチ角を制御するための前記少なくとも一方の一対の車輪の目標トー角を計算する目標トー角計算手段と、
前記計算された目標トー角を用いて前記転舵手段を制御して、前記少なくとも一方の一対の車輪を前記計算された目標トー角に転舵する転舵制御手段とを設けたことを特徴とする車両の操舵装置。
前記目標トー角計算手段によって計算される目標トー角は、車体を前傾させるためのトー角である請求項１に記載した車両の操舵装置。