JP4995044B2 - 車両の操舵制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、左右輪の操舵角を独立して制御自在な車両の操舵制御装置に関する。

近年、車両においては、効率の良い操舵を実現するために、様々な操舵装置の技術が提案され、実用化されている。

例えば、特開２００５−３０６２４６号公報では、ピニオンの回転運動をラックの車幅方向の直線運動に変換することによって、車輪に操舵角を付けるラックアンドピニオン式ステアリング装置において、ラックを、車幅方向に延在し、一端がタイロッドを介して左右の車輪に接続される左右の軸棒の他端を保持する軸棒保持部材と、該軸棒保持部材を内部に回転自在に保持すると共に、ピニオンのピニオンギヤに噛合するラックギヤが形成されたハウジングとで形成し、左右の軸棒をハウジングに対して車幅方向に移動させ、左右の軸棒の他端間の距離を変化させるラック長可変機構を備えた操舵装置が開示されている。
特開２００５−３０６２４６号公報

ところで、上述の特許文献１に開示されるような操舵装置の技術では、駆動時や制動時などの操舵輪に前後力が加わる場合、操舵系の構造からその力の幾何学的なベクトルにより意図しないセルフステアが生じることがあり、また、直進時においても路面の凹凸などによる不意のセルフステアが生じることがあり、このようなセルフステアを防止することが望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、意図しないセルフステアを確実に防止して、安定した操舵を行うことができる車両の操舵制御装置を提供することを目的としている。

本発明は、左右輪の操舵角を独立して制御自在な車両の操舵制御装置において、左右輪のトー角の差が現在のトー角の差より一定以上大きくなることを規制する規制手段と、操舵輪に作用する前後力が予め設定する値以下となっていると推定できる場合に、上記規制手段による規制を解除させる制御手段とを備えたことを特徴としている。

本発明による車両の操舵制御装置によれば、意図しないセルフステアを確実に防止して、安定した操舵を行うことが可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１〜図７は本発明の実施の形態を示し、図１は前輪操舵系の全体構成図、図２はステアリングギヤボックス内の概略構成図、図３はクラッチの構造の概略説明図、図４は前輪操舵制御プログラムのフローチャート、図５はハンドル角と車速に応じて設定されるモータ回転角の特性図、図６は操舵時の操舵輪の様子を示す説明図、図７は図６における各操舵輪に作用する力の説明図である。

図１において、符号１は車両の操舵装置を示し、ステアリングホイール２から入力される操舵力は、ステアリング軸３、ピニオン軸４を介してステアリングギヤボックス５内の操舵機構に伝達され、左右の操舵輪６Ｌ、６Ｒを転舵する操舵力として左右のタイロッド７Ｌ、７Ｒから左右のナックルアーム８Ｌ、８Ｒに伝達される。

また、符号１０は、コラムアシスト型の電動パワーステアリングを実現する電動パワーステアリングモータを示し、この電動パワーステアリングモータ１０の出力軸１０ａに設けたドライブギヤ１１は、ステアリング軸３に設けたドリブンギヤ１２と噛合され、電動パワーステアリングモータ１０による操舵アシスト力が伝達されるようになっている。この操舵アシスト力は、例えば、予め設定された、ドライバによる操舵トルクと車速に応じた特性マップにより設定される。尚、電動パワーステアリングの形式は、他の周知の形式、すなわち、ラックアシスト型、ピニオンアシスト型のものを採用可能であることは云うまでもない。

ステアリングギヤボックス５内には、図２（ａ）の上面図、図２（ｂ）の正面図に示すように、ステアリング軸３と接続されたピニオン軸４とラックアンドピニオン機構１３を介して連接されて車幅方向に移動される第１のロッド１４と、一端が左のタイロッド７Ｌと連接されて車幅方向に移動される第２のロッド１５と、一端が右のタイロッド７Ｒと連接されて車幅方向に移動される第３のロッド１６と、第２のロッド１５と第３のロッド１６に対して垂直に設けた回転軸１７が第１のロッド１４に回転自在に軸支され、第２のロッド１５と第３のロッド１６との間の車輪側とは反対側の対向部分に介装されて第２のロッド１５と第３のロッド１６の車幅方向の相対移動を自在にする回転部材としてのトーコントロールギヤ１８と、トーコントロールギヤ１８の回転軸１７をモータ軸として第１のロッド１４に固設されたトーコントロールモータ１９と、トーコントロールギヤ１８の回転を規制自在な規制手段としてのクラッチ２０とが主要に設けられている。

第１のロッド１４のラックアンドピニオン機構１３は、第１のロッド１４の左側部分に形成したラックギヤ１４ａにピニオン軸４端部のピニオンギヤ４ａが噛合されて構成されている。

また、第２のロッド１５と第３のロッド１６の他端部のそれぞれのロッドに対向する部分には、第２のラックギヤ１５ａと第３のラックギヤ１６ａが対向して形成されており、ピニオンギヤであるトーコントロールギヤ１８がこれら第２のラックギヤ１５ａと第３のラックギヤ１６ａとに噛合されてラックアンドピニオン機構を構成している。

クラッチ２０は、図３に示すように、トーコントロールギヤ１８の回転軸１７の端部に固設され、歯車状に複数の凹部２１ａが形成されたクラッチプレート２１と、このクラッチプレート２１の凹部２１ａに先端部２２ａが遊挿されてクラッチプレート２１を介してトーコントロールギヤ１８の回転軸１７の回転を規制自在なロックレバー２２と、このロックレバー２２を回動する図示しない電磁ソレノイド等を有して構成されている。

すなわち、電磁ソレノイドが励磁されていないクラッチ非作動の通常時においては、ロックレバー２２の先端部２２ａは、クラッチプレート２１の凹部２１ａから離間される一方、電磁ソレノイドが励磁されたクラッチ作動の場合においては、ロックレバー２２の先端部２２ａは、クラッチプレート２１の凹部２１ａに遊挿され、クラッチプレート２１を介してトーコントロールギヤ１８の回転軸１７の回転を規制する。

また、クラッチプレート２１の凹部２１ａとロックレバー２２の先端部２２ａとの当接面は、図３（ｂ）に示すように、Δｔの余裕を持って形成されており、クラッチ２０が作動してロックレバー２２がクラッチプレート２１を係止しても、クラッチプレート２１は、上述のΔｔの角度だけ回転が許容されるようになっている。これにより、クラッチ２０が作動してロックレバー２２がクラッチプレート２１を係止した際、操舵初期の応答性が確保されるようになっている。

そして、上述のトーコントロールモータ１９は、後述の操舵制御部２５により制御信号が入力されるトーコントロールモータ駆動部２６からの信号により駆動され、クラッチ２０は、同じく操舵制御部２５により制御信号が入力されるクラッチ駆動部２７により駆動される。

操舵制御部２５には、車速センサ３１、ハンドル角センサ３２、トーコントロールモータ１９のモータ角センサ３３、ブレーキ液圧センサ３４、エンジン制御部３５、トランスミッション制御部３６が接続され、車速Ｖ、ハンドル角θＨ、トーコントロールモータ１９のモータ回転角θＭ、ブレーキ液圧ＰBR、エンジン出力トルクＴｅ、トランスミッションギヤ比ｉ、トルクコンバータのトルコン比ｔconvが入力される。

操舵制御部２５は、上述の各入力信号に基づき、後述する前輪操舵制御プログラムに従って、前輪操舵制御を実行する。具体的には、予め設定されたトーコントロールモータ１９のモータ回転角の特性図のマップ（図５）を参照し、車速Ｖ及びハンドル角θＨに応じてトーコントロールモータ１９のモータ回転角θＭを設定し、トーコントロールモータ駆動部２６に信号出力してトーコントロールモータ１９を制御することを基本とし、何らかの異常時（フェール時）、或いは、通常時においても直進走行状態や加減速状態の場合は、クラッチ駆動部２７に信号出力してクラッチ２０を作動させ、トーコントロールギヤ１８の回転軸１７の回転を規制する。これにより、フェール時、或いは、通常時においても直進走行状態や加減速状態の場合においては、トーコントロールギヤ１８の回転が規制されるため、ドライバによりステアリングホイール２が回転されて第１のロッド１４が車幅方向に移動されると、この移動に伴い第２のロッド１５と第３のロッド１６とが車幅方向に一体的に移動される。従って、フェール時においては、ドライバによる操舵が確実に行われ、また、通常時においても直進走行状態や加減速状態の場合においては、意図しないセルフステアが確実に防止され、安定した操舵が行われるようになっている。すなわち、操舵制御部２５は制御手段としての機能を有して構成されている。

そして、上述のように構成される操舵装置１では、ステアリングホイール２により操舵が行われると、ステアリング軸３、ピニオン軸４を介してステアリングギヤボックス５内の第１のロッド１４がラックアンドピニオン機構１３により車幅方向に平行移動され、トーコントロールギヤ１８も移動される。この時、左右輪６Ｌ、６Ｒに対する路面反力が等しい場合には、トーコントロールギヤ１８にモーメントが働かず、左右輪６Ｌ、６Ｒは等しく転舵される。

逆に、左右輪６Ｌ、６Ｒに対する路面反力が異なる場合には、路面反力の差に比例したモーメントがトーコントロールギヤ１８に働き、トーコントロールギヤ１８が回転し、左右輪６Ｌ、６Ｒの転舵量が変化する。そして、転舵量が大きいほど路面反力が大きくなるため、いずれは左右輪６Ｌ、６Ｒの横力が等しく釣り合うようになる。

次に、図４のフローチャートにより、上述の前輪操舵制御プログラムを説明する。
まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１で、必要パラメータ、すなわち、車速Ｖ、ハンドル角θＨ、トーコントロールモータ１９のモータ回転角θＭ、ブレーキ液圧ＰBR、エンジン出力トルクＴｅ、トランスミッションギヤ比ｉ、トルクコンバータのトルコン比ｔconvを読み込む。

次いで、Ｓ１０２に進み、正常な制御状態（例えば、モータ回転角θＭが異常な値を示していない場合等）か否か判定し、正常な制御状態であればＳ１０３に進む。

Ｓ１０３では、車両が直進走行状態か否か判定し、直進走行状態でない場合はＳ１０４に進む。この直進走行状態か否かの判定は、例えば、ハンドル角の絶対値｜θＨ｜が予め設定した値θHC（略０に近い値）以下（｜θＨ｜≦θHC）か否かによって行われ、｜θＨ｜≦θHCの場合は直進走行状態と判定し、｜θＨ｜＞θHCの場合は直進走行状態ではないと判定する。尚、他にも、例えば、電動パワーステアリングの操舵トルクが略０の場合、前輪の左右車輪速が略等しい場合、後輪の左右車輪速が略等しい場合、ヨーレートが略０の場合、横加速度が略０の場合等を直進走行状態と判定するようにしても良い。

また、Ｓ１０３で直進走行状態でないと判定されてＳ１０４に進むと、車両が加速状態か否か判定し、加速状態ではない場合はＳ１０５に進む。この加速状態か否かの判定は、例えば、トランスミッション出力トルクＴtmout（＝Ｔｅ・ｉ・ｉｆ・ｔconv：ｉｆはファイナルギヤ比）が予め設定した値Ｔtmc1以上（Ｔtmout≧Ｔtmc1）か否かによって行われ、Ｔtmout≧Ｔtmc1の場合は加速状態と判定し、Ｔtmout＜Ｔtmc1の場合は加速状態ではないと判定する。尚、他にも、例えば、アクセル開度が設定値（１％）以上の場合、スロットル開度が設定値（１％）以上の場合、エンジン出力トルクＴｅが設定値以上の場合、モータ駆動車においてはモータ電流値に基づいて推定されるモータトルクが設定値以上の場合等を加速状態と判定するようにしても良い。

Ｓ１０４で加速状態ではないと判定されてＳ１０５に進むと、車両が減速状態か否か判定し、減速状態ではない場合はＳ１０６に進む。この減速状態か否かの判定は、例えば、トランスミッション出力トルクＴtmoutが予め設定した値Ｔtmc2以下（Ｔtmout≦Ｔtmc2）か否かによって行われ、Ｔtmout≦Ｔtmc2の場合は減速状態と判定し、Ｔtmout＞Ｔtmc2の場合は減速状態ではないと判定する。尚、他にも、例えば、ブレーキ液圧ＰBRが予め設定した値以上の場合、アクセル開度が設定値（略０％）以下の場合、スロットル開度が設定値（略０％）以下の場合、エンジン出力トルクＴｅが設定値以下の場合、モータ駆動車においてはモータ電流値に基づいて推定されるモータトルクが設定値以下の場合等を減速状態と判定するようにしても良い。

Ｓ１０５で減速状態ではないと判定されてＳ１０６に進むと、トーコントロールモータ１９のモータ回転角θＭを設定し、トーコントロールモータ駆動部２６に信号出力してプログラムを抜ける。このＳ１０６におけるトーコントロールモータ１９のモータ回転角θＭの設定は、例えば、図５に示すように、予め設定しておいた車速Ｖ−ハンドル角θＨの特性マップを参照することにより実行される。この車速Ｖ−ハンドル角θＨの特性マップは、左右輪の横力が等しくなるような左右輪の操舵角の特性を、予め実験、計算等により求めて設定したものである。

尚、左右の操舵輪５Ｌ、５Ｒの最終的な操舵角θfl、θfrは、それぞれ以下の（１）式、（２）式となる。
θfl＝（θＨ／ｎ）＋（θＭ／ｍ） …（１）
θfr＝（θＨ／ｎ）−（θＭ／ｍ） …（２）
ここで、ｎはステアリングホイール２から左右輪６Ｌ、６Ｒへの減速比、ｍはトーコントロールモータ１９から、左右輪６Ｌ、６Ｒへの減速比である。

一方、上述のＳ１０２で正常ではないと判定した場合、或いは、Ｓ１０３で直進走行状態と判定した場合、或いは、Ｓ１０４で加速状態と判定した場合、或いは、Ｓ１０５で減速状態と判定した場合は、Ｓ１０７に進み、クラッチ駆動部２７に信号出力してクラッチ２０を作動させ、トーコントロールギヤ１８の回転を規制してプログラムを抜ける。

このように、本実施の形態によれば、ステアリングホイール２から入力される操舵力は、ラックアンドピニオン機構１３を介して第１のロッド１４に伝達され、第２、第３のロッド１５、１６に対して垂直に設けた回転軸１７が第１のロッド１４に回転自在に軸支されたトーコントロールギヤ１８からラックアンドピニオン機構を介して第２、第３のロッド１５、１６を車幅方向に移動する力として伝達されて左右輪６Ｌ、６Ｒが操舵される。このため、左右輪６Ｌ、６Ｒに作用する路面反力が異なる場合においても、これにより生じるモーメントは、トーコントロールギヤ１８を回転させるだけで第２のロッド１５と第３のロッド１６との相対位置を可変して左輪６Ｌと右輪６Ｒの操舵角が適切に調節され左右輪６Ｌ、６Ｒの横力が等しく釣り合うように設定されるので、最適な操舵角を不要な操舵反力が発生することなく効率良く、且つ、応答性良く得ることが可能となっている。

ここで、図６（ａ）に示すように、操舵輪の左右の横力が異なる場合の一例として、左輪側のみで横力を発生して旋回するような場合と、図６（ｂ）に示すように、操舵輪の左右の横力が等しい場合を考える。

図６（ａ）の左輪の横力Ｆfl1に対し、コーナリングフォースはＹfl1となりコーナリングドラッグはＤfl1となる。右輪では、横力、コーナリングフォース、コーナリングドラッグは０となっている。

図６（ｂ）では、左輪の横力Ｆfl2に対し、コーナリングフォースはＹfl2となりコーナリングドラッグはＤfl2となり、右輪の横力Ｆfr2に対し、コーナリングフォースはＹfr2となりコーナリングドラッグはＤfr2となっている。

そして、これら図６（ａ）の場合と図６（ｂ）の場合とを横力が等しい（Ｆfl1＝Ｆfl2＋Ｆfr2）として、重ねて比較すると、図７に示すように、コーナリングフォースは図６（ｂ）の方がΔＹ（＝Ｙfl2＋Ｙfr2−Ｙfl1）大きくなるが、コーナリングドラッグは図６（ａ）の方がΔＤ（＝Ｄfl1−Ｄfl2−Ｄfr2）大きくなる。

すなわち、左右輪の横力を等しくして旋回する方が、コーナリングドラッグを小さくすることができ、効率の良い旋回特性が得られ、操舵ゲインを向上することが可能となるのである。そして、コーナリングドラッグを小さくすることにより、走行抵抗を減少させることができ、トラクション性能の向上、及び、燃費の向上を図ることができる。また、タイヤにかかる負荷も小さくなるため、偏摩耗も有効に防止することができる。

また、本実施の形態によれば、トーコントロールモータ１９でトーコントロールギヤ１８を回転制御することにより、第２のロッド１５と第３のロッド１６との相対位置を可変制御できるようになっているので、制動時や路面状態によりトーコントロールギヤ１８の回転角を適切に維持することが困難な場合であっても適切な操舵角に制御することができ、安定した操舵機構を実現することが可能である。

更に、本実施の形態によれば、トーコントロールモータ１９と、第２のロッド１５と第３のロッド１６との間にラックアンドピニオン機構で介装されたトーコントロールギヤ１８とを設けることで左右輪間の操舵角を最適に制御できるため、採用するモータの数やギヤの数も少なく構造も簡単に小型軽量を実現することができる。そして、制御対象もトーコントロールモータ１９と少ないため、簡単な制御で実現できる。

また、フェール時、或いは、通常時においても直進走行状態や加減速状態の場合においては、トーコントロールギヤ１８の回転が規制されるため、ドライバによりステアリングホイール２が回転されて第１のロッド１４が車幅方向に移動されると、この移動に伴い第２のロッド１５と第３のロッド１６とが車幅方向に一体的に移動される。従って、フェール時においては、ドライバによる操舵が確実に行われ、また、通常時においても直進走行状態や加減速状態の場合においては、意図しないセルフステアが確実に防止され、安定した操舵が行われるようになっている。

尚、本実施の形態では、フェール時、通常時における直進走行状態、加速状態、減速状態の場合に作動させるクラッチ２０は、１種類のクラッチプレート２１とし、クラッチプレート２１の凹部２１ａとロックレバー２２の先端部２２ａとの当接面の余裕はΔｔで共通な例を示しているが、それぞれの場合毎に作動されるクラッチプレートを変更し当接面の余裕が異なるようにしても良い。また、本実施の形態では、左右輪の操舵角を独立して制御自在な前輪の操舵輪に対して意図しないセルフステアの発生を防止すべくクラッチを設ける例を説明したが、後輪が左右輪の操舵角を独立して制御自在なものである場合、この後輪に対しても適用可能である。更に、本実施の形態で示すような操舵機構以外のものにおいても、本実施の形態で示すような、意図しないセルフステアの発生を防止するクラッチを採用することができることは云うまでもない。

前輪操舵系の全体構成図 ステアリングギヤボックス内の概略構成図 クラッチの構造の概略説明図 前輪操舵制御プログラムのフローチャート ハンドル角と車速に応じて設定されるモータ回転角の特性図 操舵時の操舵輪の様子を示す説明図 図６における各操舵輪に作用する力の説明図

符号の説明

１ 操舵装置
２ ステアリングホイール
３ ステアリング軸
４ ピニオン軸
５ ステアリングギヤボックス
６Ｌ、６Ｒ 操舵輪
７Ｌ、７Ｒ タイロッド
８Ｌ、８Ｒ ナックルアーム
１３ ラックアンドピニオン機構
１４ 第１のロッド
１５ 第２のロッド
１６ 第３のロッド
１７ 回転軸
１８ トーコントロールギヤ
１９ トーコントロールモータ
２０ クラッチ（規制手段）
２５ 操舵制御部（制御手段）
２６ トーコントロールモータ駆動部
２７ クラッチ駆動部

Claims (4)

1. 左右輪の操舵角を独立して制御自在な車両の操舵制御装置において、
   左右輪のトー角の差が現在のトー角の差より一定以上大きくなることを規制する規制手段と、
   操舵輪に作用する前後力が予め設定する値以下となっていると推定できる場合に、上記規制手段による規制を解除させる制御手段とを備えたことを特徴とする車両の操舵制御装置。
2. 左輪側と連結されて車幅方向に移動されるタイロッドと、右輪側と連結されて車幅方向に移動されるタイロッドとの間に設けられ、これらタイロッドの相対的な位置を可変させることにより左右輪のトー角に差を生じさせるトー角可変機構を有し、
   上記規制手段は、上記トー角可変機構の作動を規制するクラッチにより構成したことを特徴とする請求項１記載の車両の操舵制御装置。
3. 上記操舵輪に作用する前後力が予め設定する値以下となっていると推定できる場合は、加減速状態以外の運転状態の場合であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両の操舵制御装置。
4. 上記制御手段は、直進走行状態の場合は、上記規制手段による規制を解除させないことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の車両の操舵制御装置。

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