JP4945244B2 - 自動車の補助パワーアシスト式操舵システム - Google Patents

Description

本発明は、操舵ギヤ装置（ステアリングギヤボックス）と累積ユニット（オーバーレイユニット）とを備えた、自動車（モータビークル）の補助パワーアシスト式操舵システムに関し、前記操舵ギヤ装置が、操舵ハンドルを用いて運転者により設定された操舵要望を、操舵可能な車輪に付設されているタイロッドのスライド運動に転換するためのものであり、また前記累積ユニットを用い、運転者により設定された操舵角に対し、同方向の又は反対方向の追加の操舵角が付加され得て、それにより、運転者によって選択された操舵角に対する操舵ギヤ装置におけるタイロッドスライド運動のためのギヤ比（ギヤレシオ：減速比）が、操舵ギヤ装置により設定されているギヤ比に対して変更可能である。技術的な周辺環境については特許文献１の他に特許文献２が参照とされる。

操舵（ステリング）即ち自動車の操舵可能な車輪を旋回させることは力（パワー）或いは出力を必要とし、つまり操舵される車輪の回転速度が小さいほどその程度は大きい。従って最大の出力要求は、車輪の制動を伴う車両の駐車時に存在する、即ち操舵可能な車輪が制動され、それにより回転しないようにロックされると同時に旋回される即ち操舵される場合である。更に両側の可能な終端位置の領域、即ち各々最大に可能な操舵切れ角の近くにおけるパワー要求は特に高く、とりわけその理由は車輪操舵角の増加と共に車輪・タイヤの横歪みが増大するためである。

通常、操舵システム或いは機械式の操舵ギヤ装置は次のように設計されている。つまり、エンドストッパの近く、即ちラック＆ピニオン式操舵機構の場合でラック行程の終端位置の領域において、全ギヤレシオがよりダイレクトになり、それで操舵ハンドルに車両の運転者により加えられるべき全操舵角が一方のエンドストッパ（リミットストップ）から他方のエンドストッパ（リミットストップ）まで是認可能な値に制限されるように設計されている。更にタイロッドにおいて変化するギヤ比に基づき、操舵角の増加と共にタイロッド力も強く増大する。両方とも（ラック＆ピニオン式操舵機構の場合）ラック行程の終端位置において特に大きな出力要求となる。

補助パワーアシスト式操舵システムが通例であり、この際、補助パワーは主に液圧的に加えられる；しかしその他に電動式補助パワーシステムも知られている。どの補助パワーシステムが具体的な適用事例で取り付けられるかに依存せず、中でもラック行程の終端位置において或いは大きな操舵角の領域内（各々のエンドストッパの近く）で補助パワー操舵システムの出力要求が既述したように大きいことに基づき、補助パワーアシストの対応的に大きな寸法決定が必要である。つまり対応的に強いモータ又は液圧ポンプが設けられなくてはならず、それらの駆動装置の方も大きなエネルギーを必要とし、このことは、自動車の駆動構成ユニットが通常どおり（ダイレクトに又はインダイレクトに）操舵システムのための補助パワーを提供する構成ユニットをも駆動するのであれば、自動車の駆動構成ユニットのエネルギー収支或いは燃料消費性能の負担となる。

これらの問題点に対する可能な対抗措置が特許文献１に記載されていて、それによると操舵ギヤ装置ギヤレシオが終端位置においてよりインダイレクトに（ダイレクト感を弱めるように）設計されていて、その結果、操舵システムのための補助パワーを提供する構成ユニット（＝特許文献１では所謂サーボ装置）ができるだけ小さく寸法決定され得る。終端位置においてより小さい操舵ギヤレシオは、ラック＆ピニオン式操舵機構の場合、操舵ハンドルなどを用いて運転者により設定された操舵角の単位ごとでより小さいラック行程をもち、その結果、必然的にその際には必要な出力がより小さくなる。しかし、操舵ギヤレシオのそのような設計の直接的な結果として、操舵可能な車輪が例えば一方のエンドストッパから他方のエンドストッパまで旋回されるべき場合には、運転者の操舵ハンドルにおける操舵角領域が拡大されることになる。運転者にとって快適とは言えないこの結果を低減し、同時に、操舵ハンドルのゼロ位置の領域内で、即ち直進走行箇所において可能な限りインダイレクトな操舵を提供するために、特許文献１によると操舵ギヤ装置の設計は、ゼロ位置と各々のエンドストッパとの間の中間領域内で、各々、比較的ダイレクトなギヤ装置ギヤレシオが設けられているように成されている。ギヤ装置ギヤレシオの経過、即ち操舵ハンドルを用いて運転者により設定された操舵角に対するラック行程（これは、操舵ギヤ装置におけるタイロッド枢着点の行程である）は、それにより（ゼロ位置から出発して）先ずは増大する領域を有し、その後（操舵角が大きくなると共に）下降する領域を有する。

説明したこの周知の措置を用いても、運転者により操舵ハンドルにおいて加えられなくてはならない全操舵角が是認可能な大きさで維持される場合には、操舵ハンドルの直進位置の領域においてまだ比較的ダイレクトな操舵ギヤレシオが必要とされる。この際、走行速度が高めの場合にも操舵角入力が小さい場合の車両の切り損ねを回避し、それで十分な安定性を保証するために、ゼロ位置の領域において操舵が所定のインダイレクト性を有するべきであることがその短所である。特許文献１によるこの周知のシステムの他の短所は、操舵ギヤ装置のギヤ比の経過がラック輪郭線において固定（つまり機械的であること）式で表されているということである。つまり様々なギヤレシオ経過を実現することは可能でない。

更に、請求項１の前提部に係る操舵システムにおいて、所謂累積ユニットが装備された操舵システムが知られている。この累積ユニットが、運転者の操舵ハンドルを用いて運転者により設定された操舵角に対し、同方向の又は反対方向の追加の操舵角を付加し得る。例えばこの累積ユニットは、遊星ギヤ装置を有する調整モータであり、その第１インプットは運転者の操舵ハンドルと接続されていて、その第２インプットは、電気調整モータにより駆動されるウォーム伝動装置と接続されていて、そのアウトプットは操舵ギヤ装置のインプットと機械的に接続されている。従って、ウォーム伝動装置を有する電気モータを介し、追加的な操舵角が制御入力され、この操舵角は、その後、操舵ギヤ装置へと転送される。

ドイツ特許出願公開第１０１２６４２４号明細書 ドイツ特許出願公開第１００３２３４０号明細書（特開２００４−５０２５８７号公報に対応する）

請求項１の前提部に係る操舵システムのために、操舵可能な車両の車輪を旋回させるための最大の出力要求が、既述したように中でも両側のエンドストッパの近くでは特に大きいものであるが、本質的な短所を甘受することなく減少させ得る措置が提示されるべきである（＝本発明の課題）。

この課題の解決策は、補助パワーアシストを提供する操舵システムにとっての出力限界値を運転者により設定された操舵要望が超過する場合に、運転者により設定された操舵角に対する、操舵ギヤ装置におけるタイロッドスライドのためのギヤ比が、所定のギヤ比に対し、時間的な遅延を伴うように調節されることにより特徴付けられている。有利な構成は下位請求項の内容である。

従って基本的に、補助パワーアシストの出力要求を減少するための措置であり以下においてより詳細に説明する措置の１つを、要求に依存してのみ、即ち実質的に、補助パワーアシストを提供する構成ユニット若しくは操作システムにおいて実際に必要とされる出力に依存して、実施することが提案される。この際（好ましくは設定されている）閾値又は限界値との比較が行なわれるが、このことは必ずしも必須ではない。出力要求を減少させる措置は、出力限界値を超過することが予期され得る場合にも実施され得る。それに対し、出力要求のための具体的な閾値が設定されているならば、この閾値は好ましくは、例えば摩擦値が高くなるほど極めて迅速な操舵で駐車操作する時のような極端な状況の場合にだけ到達されるように選択される。この閾値に到達する或いはこの閾値を超過する場合にだけ、出力要求を低下させるための措置が開始される。

操舵角設定値にとっての限界値を超過することによる、出力要求を低下させるための措置の開始は、同じ方向に向かう。運転者が、この運転者の操舵ハンドルを用い、適切に設定された限界値を上回る（従って基本的に実施のための特に高い出力を必要とする）特に大きい操舵角（又は操舵ハンドル角度）を設定する場合には絶えず、出力要求を低下させるための措置が開始される。

出力要求を低下させるための提案された措置は、先ず全般的に記載するが、少なくとも時間的な見方で、運転者による操舵角設定値と、操舵ギヤ装置におけるタイロッド枢着点の行程との間のギヤ比が、操舵ギヤ装置により設定されているギヤ比に対してよりインダイレクトに調節されることにある。よりインダイレクトなギヤ比は、上述したように、軽減された出力要求を結果として伴う。インダイレクトなギヤ比の意味において具体的には（操舵ギヤ装置における）タイロッド枢着点の移動速度が操舵角設定値の変更速度に対して減少され得て、このことは、前記の累積ユニットが、運転者により設定された操舵角に対し、反対方向の追加の操舵角を付加することによる、即ち、所謂累積操舵機構が、前記の限界値（出力限界値又は操舵角・限界値）の超過後にインダイレクトな操舵ギヤレシオを設定し、ラック＆ピニオン式操舵機構の場合、操舵角設定値・速度を変えず、ラック・行程速度を低下させることによる。それにより、最大の出力が必要とされることが回避される。この際には、付加された追加の操舵角の大きさの分、操舵機構エンドストッパに至るまでに必要な操舵角が増すことになる。

本発明に従うシステムの適用時には、運転者が車両の操舵ハンドルを直進位置へと逆回転運動させる場合、先の回転運動時と同じギヤレシオ経過に沿って元の位置に操舵することが顧慮されるべきで、その理由は、そうでなければ追加的な操舵角の高さで操舵ハンドル傾き状態が発生するためである。また、運転者が、出力の要求に応じ、各状況で操舵ストッパに至るまで同じ操舵角を加えなくてもよいということが顧慮されるべきで、その結果、完全な再現可能性は存在しない。それにより最大に可能な操舵角差が運転者によりまだ邪魔なものとしては感じられない。つまりこの機能のための設計基準は追加的に必要な所定の操舵角要求である。

操舵ギヤ装置のラックのより小さい行程速度によりタイロッドにおける出力要求を減少させるための他の可能性は、調整区間内の遅延要素の使用を提供する。この機能は、出力に依存する操舵ギヤレシオに極めて類似し、その理由は、少なくとも時間的な見方のもと、インダイレクトな操舵ギヤレシオが設定されるためである。この際、具体的には、所定の出力の要求（＝前記の出力限界値）の到達により又は（運転者による）操舵角設定値にとっての限界値の超過により、操舵可能な車両・車輪における操舵角を運転者による操舵運動又は操舵設定値に対して遅延させ、従ってゆっくりと構成すること、即ち前記の限界値の超過によりタイロッド枢着点の行程が時間遅延されて運転者による操舵角設定値に追従してゆくことが提案される。出力に依存する操舵ギヤレシオに対するこの機能の長所は（機械的な）操舵ストッパの到達に至るまで操舵角が変わらないということにある。時間遅延に応じ、ラック行程速度、及びそれによりタイロッドにおける出力要求が、所定分だけ減少され得る。

このコンセプトにおいて、操舵ハンドル・角度と、操舵可能な車両・車輪における操舵角とは、原則的には互いに依存しないで構成され、車輪における操舵過程の終了前に操舵ハンドルがストッパに到達すべきであるので、操舵ストッパを表す追加的なアクチュエータなどを、例えば操舵コラム内でつまりは車両の操舵ハンドルへの作用をもって設けることが推奨され得る。この機能は例えば電気的な操舵ハンドルロックにより担われ得る。

既述したようにこれらの措置は、操舵ハンドル角度或いは操舵角設定値にとっての又は補助パワーアシストを提供する機構ユニットの出力要求にとっての限界値又は閾値の到達或いは超過により始めて開始されるべきである。限界値又は閾値が超過されるかどうかは、各々の要求プロフィールから査定されるか、又は出力閾値の到達が具体的に確定され得る。つまり、例えば電気機械式のパワーステアリング（補助パワーアシスト）の場合にタイロッド内の合計力を計算するために、付属の電気モータにより受容された電流が測定され得る。液圧式の操舵支援機構の場合には例えばひずみゲージの形式の適切なセンサ装置がタイロッドに設けられ得る。場合により、電気モータ駆動式の累積ユニット（累積操舵機構）の電流受容も、操舵ギヤ装置のタイロッド内或いはラックにおける力の状態などに関する情報を提供し得る。

補助パワーアシストのための出力限界値が超過されるかどうか或いは超過されるであろうかどうかの査定の意味において、出力要求を減少する対応的な措置が所定の稼動状態においても開始され得る。つまりそのような措置は、出力要求の減少が実際にも必要である場合、即ち例えば駐車過程時にとられる。この駐車過程は、例えば自動車の走行速度が５ｋｍ／ｈの下に位置することにより示され得る。更に例えば、車輪が制動されている場合、必然的に高い出力要求を有する車両停止状態での操舵は、同様に、稼動状態であってこの稼動状態では、インダイレクトな操舵ギヤレシオを維持するために、提案されたギヤ比の変更が実行される、即ち特には運転者により大きな操舵角が設定される場合に反対方向の追加の操舵角が付加されるという稼動状態を表す。

更に操舵ギヤレシオを、実質的に、インダイレクトな調節が出力要求の比較的大きな低下をもたらす範囲内でのみ実施することが提案される。つまりその際には、少なくとも、操舵角であって０°の操舵角要望と最大に設定可能な操舵角との間の領域内で実質的に中間的な操舵角要望の上に位置する操舵角が運転者により設定されている特定の状態又は稼動状態で、設定された角度単位ごとに実行される（操舵ギヤ装置における）タイロッド枢着点の行程が、操舵角設定値の増加と共に、反対方向の追加の操舵角の累積により減少される。操舵ギヤ装置における出力要求を減少するために、操舵ギヤ装置内の操舵ギヤレシオはよりインダイレクトに構成されるが、これは、出力要求がそれ以外の場合では不釣合いに大きいであろう或いは大きいという領域及び稼動状態においてだけである。つまり、冒頭に記載した大きな出力要求を伴うエンドストッパ又は終端位置の近くの領域では、負の追加の操舵角の設定により、ギヤレシオがよりインダイレクトに調節される。つまりギヤレシオ経過は終端位置の近くで下降する部分を有し、それにより出力要求を減少する。終端位置の近くの「下降する」部分を有するこの領域は、この領域が、０°の操舵角要望と最大に設定可能な操舵角との間の領域内で実質的に中間的な操舵角要望の上に位置することでも示され得る。

以上の説明した措置、即ち（運転者により設定された）操舵角単位ごとに実行される（操舵ギヤ装置における）タイロッド枢着点の行程を、操舵角設定値の増加と共に（比較的大きな操舵角のための特定の稼動状態において）反対方向の追加の操舵角の累積により減少させる（従ってよりインダイレクトな操舵ギヤレシオを維持する）という措置が、先ず、ストッパからストッパで操舵ハンドルにおいてより大きな全操舵角を結果として伴うので、因みにこのことは快適性の理由から望まれないものであるが、更にゼロ位置（直進位置）付近の領域内の操舵ギヤレシオが、これらの特定の稼動状態において、累積ユニットによるプラスの追加の操舵角の制御入力により幾らかよりダイレクトに調節され得て、有利にも、合計としてエンドストッパからエンドストッパへの必要な運転者・操舵角が実質的に不変のままである。

添付の唯一の図は、例として、可能性としての操舵ギヤレシオ（ステアリングレシオ）を示し、これは、操舵ハンドルを用いて運転者によって選択された操舵角（°で表示）に応じたタイロッド枢着点の行程／作動距離（ｍｍ／°で表現）として表されている。この際、操舵ハンドルのゼロ位置（＝直進位置、０°）から始まりほぼ５４０°である最大のプラスの操舵角に至るまでの領域が描かれている。この際、符号「０」で特徴付けられた曲線は、ギヤレシオ経過の基本設計を表す、即ち、本発明の意味における「特定の稼動状態」ではない車両の多くの稼動状態にとって有効な設計である。

それに対し、符号「１」で特徴付けられた曲線は、大きい操舵角のために５％分減らされた操舵ギヤレシオを表し、この操舵ギヤレシオは、もたらされるべき出力が操舵ギヤ装置におけるタイロッド枢着点の行程速度に比例するので、基本設計に比べて５％分の必要な出力の減少を生じる（車両の操舵ハンドルにおける同じ操舵角速度を前提とする）。それに応じた操舵ギヤレシオは、特定の稼動状態において、運転者により設定されたより大きい操舵角のために、適切な反対方向の追加の操舵角を累積すること、あるいは重ねあわされることにより調節される。

この際、曲線「１」に従う操舵ギヤレシオを用い、基本曲線「０」に従う操舵ギヤレシオと比べて或るストッパから次のストッパまで変わらない、操舵ハンドルにおける全操舵角を得るために、更に操舵ギヤレシオはゼロ位置の領域内においてプラスの追加の操舵角によりよりダイレクトに調節される。その理由は、数学的観点で考慮するとその要求を満たすためには、これらの両方の曲線０、１の積分が操舵角に関して同じ値をもたなくてはならないためである。このことは、図面内の斜線で覆われた面が同じ大きさである場合にあてはまる。比較として他の２つのギヤレシオ経過が符号２、３で表されていて、それらを用い、１０％分、１５％分のより強い出力減少が達成可能であるが、出力減少の増加と共にギヤレシオ経過の広がりも拡大し、このことは基本ギヤレシオ特性曲線への所望の連続的な移行を難しくする。

ここで述べた機能の実行により、補助パワーアシストを提供する構成ユニットの寸法決定に関する長所が得られ、このことは、より少ない構成空間要求、より少ない重量、より少ない出力消費をもたらす。車両の駆動ユニットにより駆動される操舵支援システムにおいて、この駆動ユニットに要求される出力は小さく、このことは燃費の節約となる。他の重要な効果として、出力減少により、より小さく且つより効果的な操舵支援システムが起用され得ることが挙げられる。また、上述の説明と異なる多数の詳細が、特許請求項の内容を逸脱することなく構成され得ることを指摘する。

可能な操舵ギヤレシオを示す図である。

０ 基本曲線
１ ５％分の減少を伴う操舵ギヤレシオ
２ １０％分の減少を伴う操舵ギヤレシオ
３ １５％分の減少を伴う操舵ギヤレシオ

Claims (4)

1. 操舵ギヤ装置と累積ユニットとを備えた、自動車の補助パワーアシスト式操舵システムであって、前記操舵ギヤ装置が、操舵ハンドルを用いて運転者により設定された操舵要望を、操舵可能な車輪に付設されているタイロッドのスライド運動に転換するためのものであり、また前記累積ユニットを用い、運転者により設定された操舵角に対し、同方向の又は反対方向の追加操舵角が付加され得て、それにより、前記運転者により設定された操舵角に対する前記操舵ギヤ装置でのタイロッドスライド運動のためのギヤ比が、操舵ギヤ装置により予め設定されている操舵ギヤ比に対して変更可能である、前記操舵システムにおいて、
   補助パワーアシストを提供する前記操舵システムにとっての出力限界値を前記運転者により設定された操舵要望が超過する場合、タイロッドスライド運動が時間的な遅延を伴いながら前記運転者により設定された操舵角に追従してゆくことにより、前記運転者により設定された操舵角に対する前記操舵ギヤ装置でのタイロッドスライド運動のためのギヤ比を調節変更することを特徴とする操舵システム。
2. 前記出力限界値の超過を検知するために、操舵システム内に設けられている電気モータにより受容され消費された電流が測定されること、又は、適切なパワー測定センサ装置がタイロッドに設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の操舵システム。
3. ５ｋｍ／ｈ未満の走行速度での自動車の駐車過程が、前記ギヤ比の変更を実行する稼動状態であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の操舵システム。
4. 車両が停止状態にあって車輪が制動されている場合の操舵が、前記ギヤ比の変更を実行する稼動状態であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の操舵システム。

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