JP5504537B2 - トルク演算装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラック・アンド・ピニオン式の電動パワーステアリング装置が有するラックが、当該ラックの可動範囲を規制する規制部材により規制された際にピニオンに作用する捩りトルクを演算するトルク演算装置に関する。

従来、車両の乗員によるステアリング操作をアシストする電動パワーステアリング装置が知られている（例えば特許文献１）。このような電動パワーステアリング装置の中には、ラックとピニオンとを用いたラック・アンド・ピニオン式の電動パワーステアリング装置がある。

特開２０００−１９０８５６号公報

このようなラック・アンド・ピニオン式の電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールの操舵範囲を規制するために、ラックの可動範囲を規制する規制部材が用いられる。このような規制部材はラックの可動範囲を規制すべく当該可動範囲の両端に設けられ、ラックが規制部材に当たることで機械的に規制される。電動パワーステアリング装置が開発されると、このような規制部材の強度の評価が行われる。以下では、このような評価を「端当て評価」と称して説明する。

詳細は省略するが、このような端当て評価では、パラメータとしてピニオンに作用する捩りトルクが必要となる。従来、このような捩りトルクは実際に作業者が操作した際に得られるデータを解析して導出していた。このようなデータは、信頼性を高めるために、数十人の作業者に例えば百回以上のステアリング操作を行わせて取得していたので、非常に効率が悪いものであった。

そこで、本発明の目的は、上記問題に鑑み、ピニオンに作用する捩りトルクを効率良く求めることが可能なトルク演算装置を提供することにある。

上記目的を達成するための第１発明に係るトルク演算装置の特徴は、ラック・アンド・ピニオン式の電動パワーステアリング装置が有するラックが、当該ラックの可動範囲を規制する規制部材により規制された際にピニオンに作用する捩りトルクを演算するために、ステアリング操作をアシストする前記電動パワーステアリング装置が備えるモータの定格電流を電流情報として入力する電流情報入力部と、前記アシスト時のモータの出力を示すモータ出力情報を入力するモータ出力情報入力部と、前記ステアリング操作に応じた操舵力が入力されるステアリングシャフトに前記モータの出力を減速して伝達する減速機の減速比を示す減速比情報を入力する減速比情報入力部と、前記電流情報、前記モータ出力情報、及び前記減速比情報を用いて前記捩りトルクを演算するトルク演算部と、を備える点にある。

上記第１発明の特徴によれば、作業者によるステアリング操作を行うことなく、ピニオンに作用する捩りトルクを演算することができるので効率的である。また、電動パワーステアリング装置が備えるモータの定格電流、モータの出力（定格出力）、減速機の減速比をパラメータとしているので、モータの諸元のみにより捩りトルクを演算することができる。したがって、容易に捩りトルクを演算することが可能となり、このような捩りトルクを用いて行う端当て評価を効率良く行うことが可能となる。

また、第２発明に係るトルク演算装置の特徴は、前記電動パワーステアリング装置が備えられる車両の操舵輪のタイヤ幅を示すタイヤ幅情報を入力するタイヤ幅情報入力部と、前記車両の重量を示す車重情報を入力する車重情報入力部と、を、更に備え、前記トルク演算部が、前記電流情報、前記モータ出力情報、及び前記減速比情報と共に、前記タイヤ幅情報と前記車重情報とを用いて前記捩りトルクを演算する点にある。

上記第２発明の特徴によれば、上述のモータの諸元により規定されるパラメータに、操舵輪のタイヤ幅と車両の重量とを加えて捩りトルクを演算するので精度の良い演算ができる。したがって、捩りトルクを用いて行う端当て評価を精度良く行うことが可能となる。

電動パワーステアリング装置の概略構成を模式的に示した図である。 トルク演算装置を模式的に示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明に係るトルク演算装置は、ラック・アンド・ピニオン式の電動パワーステアリング装置が有するラックが、当該ラックの可動範囲を規制する規制部材により規制された際にピニオンに作用する捩りトルクを演算する機能を備えている。本実施形態では、電動パワーステアリング装置が、車両に搭載されている場合を例に挙げて説明する。図１には、電動パワーステアリング装置１００の概略構成を模式的に示したブロック図が示される。

１．電動パワーステアリング装置
上述のように、電動パワーステアリング装置１００は車両（図示せず）に搭載される。本実施形態では、電動パワーステアリング装置１００は、所謂ラック・アンド・ピニオン式からなり、図１に示されるように、ステアリングホイール１０、ステアリングシャフト１１、トルクセンサ１２、モータ１３、減速機１４、モータ制御部１５、ピニオン１６、ラック１７を備えて構成される。

ステアリングホイール１０は、運転者により操舵される。本実施形態では、運転者による操舵をステアリング操作と称する。ステアリングホイール１０には、ステアリングシャフト１１が連結される。ステアリングシャフト１１は、入力側シャフト１１ａ及び出力側シャフト１１ｂを備えて構成される。入力側シャフト１１ａは、ステアリング操作に応じた操舵力が入力される。入力側シャフト１１ａと出力側シャフト１１ｂとの間には、トルクセンサ１２が設けられる。また、出力側シャフト１１ｂには減速機１４が設けられる。入力側シャフト１１ａの回転トルクはトルクセンサ１２により検出される。トルクセンサ１２による検出結果は、後述するモータ制御部１５に伝達される。

モータ制御部１５は、トルクセンサ１２から伝達される入力側シャフト１１ａの回転トルクと、車両の速度を示す車速信号とに基づいて、モータ１３の回転を制御する。車速信号は、車輪（本実施形態では「操舵輪３１」が相当）の回転速度を検出する車輪速センサ（図示しない）から伝達する構成とすることができる。係る場合、車輪速センサの検出結果が車速信号となる。モータ制御部１５は、入力側シャフト１１ａの回転トルクと車速信号とに基づいてモータ１３が有するコイル（図示しない）に供給する電流を制御し、モータ１３の出力トルクを調節する。

モータ１３の回転軸２０ａには、減速機１４が連結される。減速機１４は、モータ１３の回転軸２０ａの回転数を所定の回転数に減速する。このような減速機１４は、モータ１３の回転軸２０ａと一体回転可能に設けられる入力ギヤ１４ａと、当該入力ギヤ１４ａと嵌合し出力側シャフト１１ｂと一体回転可能に設けられる出力ギヤ１４ｂとを備えて構成される。減速機１４は、出力側シャフト１１ｂが連結される。これにより、ステアリング操作をモータ１３の回転力で運転者によるステアリング操作をアシストすることが可能となる。

出力側シャフト１１ｂには、ユニバーサルジョイント１８を介してピニオン１６が連結される。したがって、ピニオン１６は出力側シャフト１１ｂと一体的に回転する。ピニオン１６は、当該ピニオン１６の回転を伝達可能にラック１７が連結される。ラック１７は、タイロッド１９及びナックルアーム（図示しない）を介して操舵輪３１に連結される。

また、電動パワーステアリング装置１００には、ラック１７の左右の可動範囲を規制する左右の規制部材２１が備えられる。ここで、本実施形態では、ラック１７は、運転者のステアリング操作に応じて水平方向に移動する。規制部材２１は、ラック１７に設けられる被規制部１７ａの両端から水平方向に所定の間隔を有して設けられる。この所定の間隔が、ステアリングホイール１０を中立にした状態からのラック１７が移動可能な量に相当する。したがって、ステアリング操作に応じて水平方向に移動するラック１７が予め設定された量以上、移動しないようにすることができる。このような規制部材２１は、ラック１７が収納される図示しないケースと一体的に設けても良いし、ボディに付設して設けても良い。電動パワーステアリング装置１００は、このような構成からなる。

２．トルク演算装置
上述の電動パワーステアリング装置１００は、車種毎に設計される。係る場合、車種毎に、端当て評価が行われる。端当て評価を行うにあたり、ラック１７が規制部材２１に当たった際にピニオン１６に作用する捩りトルクが必要となる。本発明に係るトルク演算装置２００によれば、このような捩りトルクを実際に測定することなく、演算により求めることが可能である。

図２には、このようなトルク演算装置２００の概略構成が示される。トルク演算装置２００は、電流情報入力部５１、モータ出力情報入力部５２、減速比情報入力部５３、タイヤ幅情報入力部５４、車重情報入力部５５、トルク演算部５６の各機能部を備えて構成される。このようなトルク演算装置２００は、ＣＰＵを中核部材としてピニオン１６に作用する捩りトルクの演算に関する種々の動作を行うための機能部をハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。なお、図２には、トルク演算部５６で演算された捩りトルクを出力する出力部６０も示される。

電流情報入力部５１は、ステアリング操作をアシストする電動パワーステアリング装置１００が備えるモータ１３の定格電流を電流情報として入力する。ステアリング操作をアシストするとは、運転者のステアリング操作を軽減するために補助することである。このようなアシストは、上述のモータ１３の出力が利用される。モータ１３の定格電流とは、モータ１３の許容電流に相当する。すなわち、モータ１３の出力を最大にした場合にモータ１３に通電される電流である。ここで、モータ１３の通電が停止された際、慣性により回転軸２０ａが回転し続ける力として慣性力が作用する。このような慣性力は、モータ１３のサイズに依存する。モータ１３は、サイズが大きくなる程、定格出力が大きくなり、サイズが小さくなる程、定格出力が小さくなる。そこで、本トルク演算装置２００では、上述のモータ１３の慣性力を定格電流に置き換えて捩りトルクを演算する。このような定格電流は、モータ１３の諸元として規定される。電流情報入力部５１は、このようなモータ１３の定格電流を電流情報として後述するトルク演算部５６に入力する。

モータ出力情報入力部５２は、アシスト時のモータ１３の出力を示すモータ出力情報を入力する。アシスト時のモータ１３の出力とは、運転者のステアリング操作をアシストする際のモータ１３の出力トルクである。特に、本実施形態で用いられる出力トルクは、モータ１３の定格出力トルクであり、モータ１３から出力可能な最大の出力トルクである。このような出力トルクも、上述のモータ１３の定格電流と同様に、モータ１３の諸元として規定される。本実施形態では、このようなモータ１３の出力トルクがモータ出力情報に相当する。したがって、本実施形態では、モータ出力情報入力部５２は、モータ１３の出力トルクを後述するトルク演算部５６に入力する。

減速比情報入力部５３は、ステアリング操作に応じた操舵力が入力されるステアリングシャフト１１にモータ１３の出力を減速して伝達する減速機１４の減速比を示す減速比情報を入力する。減速機１４の減速比は、減速機１４が有する入力ギヤ１４ａと出力ギヤ１４ｂとのギヤ比により定まる。本実施形態では、このような入力ギヤ１４ａと出力ギヤ１４ｂとのギヤ比が減速比情報に相当する。したがって、本実施形態では、減速比情報入力部５３は、このような減速比情報を後述するトルク演算部５６に入力する。

タイヤ幅情報入力部５４は、電動パワーステアリング装置１００が備えられる車両の操舵輪３１のタイヤ幅Ｗを示すタイヤ幅情報を入力する。操舵輪３１とは、ステアリング操作に応じて舵角が変更される車輪である。本実施形態では、操舵輪３１とは車両の前輪であり、以下では前輪に符号３１を付して説明する。したがって、操舵輪３１のタイヤ幅Ｗとは、前輪３１のタイヤの幅が相当する。ここで、前輪３１のタイヤは、左前輪のタイヤと右前輪のタイヤとがあるが、本実施形態では、タイヤ幅情報とはいずれか一方が相当する。したがって、本実施形態では、タイヤ幅情報入力部５４は、左前輪のタイヤ及び右前輪のタイヤのいずれか一方のタイヤ幅Ｗをタイヤ幅情報として後述するトルク演算部５６に入力する。

車重情報入力部５５は、車両の重量を示す車重情報を入力する。本実施形態では、車両の重量は、車両の重量のうち、操舵輪３１、すなわち前輪３１にかかる重量が相当する。ここで、車重は前輪３１と後輪（図示せず）との夫々が分担する荷重割合が予め設定されている。このため、前輪３１にかかる重量は、このような前輪３１が分担する荷重が相当する。したがって、本実施形態では、車重情報入力部５５は、前輪３１が分担する荷重を車重情報として後述するトルク演算部５６に入力する。

トルク演算部５６は、電流情報、モータ出力情報、及び減速比情報と共に、タイヤ幅情報と車重情報とを用いて捩りトルクを演算する。電流情報は上述の電流情報入力部５１から入力される。モータ出力情報は上述のモータ出力情報入力部５２から入力される。減速比情報は上述の減速比情報入力部５３から入力される。タイヤ幅情報は上述のタイヤ幅情報入力部５４から入力される。車重情報は上述の車重情報入力部５５から入力される。ここで、トルク演算部５６には、予め以下に示される（１）式が記憶されている。（１）式は目的変数を捩りトルクとし、説明変数を定格電流、前輪３１が負担する荷重、タイヤ幅Ｗ、モータ出力、減速比として重回帰分析により求められた式である。

捩りトルク＝Ｋ１×定格電流＋Ｋ２×前輪が負担する荷重＋Ｋ３×タイヤ幅＋Ｋ４×モータ出力×減速比＋Ｋ５ ・・・ （１）
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５は、重回帰分析により求められた係数である。このため、これらの係数は負の値をとり得るものである。

トルク演算部５６は、上述の（１）式を用いてピニオン１６に作用する捩りトルクを演算する。したがって、実際に作業者がステアリング操作を行うことなく、容易に捩りトルクを求めることが可能となる。なお、このようにして求められた捩りトルクは、発明者による実験の結果、複数回に亘ってステアリング操作を行い、実際のラック１７を規制部材２１に当てて求めた捩りトルクと、１〜２％程度の差しかないものであった。したがって、本トルク演算装置５６により求められた捩りトルクは、端当て評価を行うに当たり、必要十分な精度のものである。

トルク演算部５６により求められた捩りトルクは、出力部６０に伝達される。出力部６０は、例えばモニタで構成しても良いし、プリンタで構成しても良い。このような構成により、トルク演算装置２００のユーザが捩りトルクを認識することが可能となる。

このように、本トルク演算装置２００によれば、実際にステアリング操作を行うことなく、ピニオン１６に作用する捩りトルクを演算することができるので効率的である。また、電動パワーステアリング装置１００が備えるモータ１３の定格電流、モータ１３の出力（定格出力）、減速機１４の減速比、操舵輪３１のタイヤ幅Ｗ、車両の重量をパラメータとしているので、捩りトルクを精度良く演算することが可能となり、このような捩りトルクを用いて行う端当て評価を効率良く行うことが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、トルク演算部５６は、電流情報、モータ出力情報、減速比情報、タイヤ幅情報、及び車重情報を用いて捩りトルクを演算するとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、トルク演算部５６は、慣性力情報、モータ出力情報、及び減速比情報を用いて捩りトルクを演算することも当然に可能である。係る場合には、これらの情報は電動パワーステアリング装置１００の諸元により規定されるパラメータに起因するもののみであるので、簡便に捩りトルクを演算することが可能となる。

上記実施形態では、電流情報としてモータ１３の定格電流が用いられるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。電流情報として、モータ１３の回転部分の慣性力、すなわち、回転部分の重量を用いることも可能である。

上記実施形態では、タイヤ幅情報として操舵輪３１の片側のタイヤ幅Ｗのみを用いるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。タイヤ幅情報として、操舵輪３１の左右双方のタイヤ幅Ｗを用いることも当然に可能である。係る場合には、操舵輪３１の左右双方のタイヤ幅Ｗを用いて重回帰分析を行うことにより、（１）式における係数Ｋ３の値を求め、求められた係数Ｋ３が代入された（１）式を用いることにより適切に捩りトルクを演算することができる。

本発明は、ラック・アンド・ピニオン式の電動パワーステアリング装置が有するラックが、当該ラックの可動範囲を規制する規制部材により規制された際にピニオンに作用する捩りトルクを演算するトルク演算装置に利用可能である。

１０：ステアリングホイール
１１：ステアリングシャフト
１４：減速機
１６：ピニオン
１７：ラック
２０：モータ
２１：規制部材
５１：電流情報入力部
５２：モータ出力情報入力部
５３：減速比情報入力部
５４：タイヤ幅情報入力部
５５：車重情報入力部
５６：トルク演算部
１００：電動パワーステアリング装置
２００：トルク演算装置

Claims (2)

1. ラック・アンド・ピニオン式の電動パワーステアリング装置が有するラックが、当該ラックの可動範囲を規制する規制部材により規制された際にピニオンに作用する捩りトルクを演算するトルク演算装置であって、
   ステアリング操作をアシストする前記電動パワーステアリング装置が備えるモータの定格電流を電流情報として入力する電流情報入力部と、
   前記アシスト時のモータの出力を示すモータ出力情報を入力するモータ出力情報入力部と、
   前記ステアリング操作に応じた操舵力が入力されるステアリングシャフトに前記モータの出力を減速して伝達する減速機の減速比を示す減速比情報を入力する減速比情報入力部と、
   前記電流情報、前記モータ出力情報、及び前記減速比情報を用いて前記捩りトルクを演算するトルク演算部と、
   を備えるトルク演算装置。
2. 前記電動パワーステアリング装置が備えられる車両の操舵輪のタイヤ幅を示すタイヤ幅情報を入力するタイヤ幅情報入力部と、
   前記車両の重量を示す車重情報を入力する車重情報入力部と、
   を、更に備え、
   前記トルク演算部が、前記電流情報、前記モータ出力情報、及び前記減速比情報と共に、前記タイヤ幅情報と前記車重情報とを用いて前記捩りトルクを演算する請求項１に記載のトルク演算装置。

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