JP5804201B2 - 操舵伝達系の特性変化検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵伝達系における特性変化を検出する技術に関する。

車両横滑り防止制御（ＶＳＣ：VeihicleStabilityControl）などの車両挙動制御技術では、ステアリングホイールに取り付けられた操舵角センサの検出値を使用して種々の制御を実行する。相対角を出力するタイプの操舵角センサを使用する場合、まず操舵角センサのゼロ点（中立位置）を検出し、検出したゼロ点に基づき操舵絶対角を算出する（例えば特許文献１を参照）。そのため、操舵角ゼロ点を精度良く検出することが重要である。

特開２００４−２７６７３４号公報

ステアリングホイールから車輪に至る操舵伝達系の様々な部品は、ステアリングの振動低減、操舵フィーリングの調整、コンプライアンスステアの確保などの目的のため、部品と車体との間がゴムブシュなどの弾性部材を介して支持されているものが多い。これらの弾性部材の経年劣化により操舵伝達系にガタが生じるなどの伝達特性が変化すると、操舵角と操舵輪切れ角との間の線形性が維持されなくなり、操舵フィーリングが変化したり、操舵角情報に基づく車両状態量の推定精度が低下するという問題がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両の走行中に操舵伝達系における弾性部材の特性変化を検出する技術を提供することにある。

本発明のある態様は、操舵伝達系の特性変化検出装置である。この装置は、ステアリングホイールの操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、ステアリングホイールの操舵角を検出する操舵角センサと、操舵トルクが所定値以下であるときに、操舵角から算出される車両の目標挙動と実際の車両挙動との差分が基準値以上となった回数が所定期間中に所定回数以上であるとき、操舵伝達系の特性変化と判定する異常判定部と、を備える。前記所定期間は、車両が直進走行している状態からステアリングホイールの操舵を行って再び直進走行に戻す運転操作の間である。

この態様によると、電動パワーステアリング装置に装備されている操舵トルクセンサおよび操舵角センサの検出値を利用して、ゴムブシュなどの弾性部品の経年劣化などによる操舵伝達系の特性変化（例えばガタの発生）を検出することが可能になる。

本発明によれば、車両の走行中に操舵伝達系における弾性部材の特性変化を検出することができる。

本発明の一実施形態に係る操舵伝達系の特性変化検出装置を備えた車両の概略構成を示す図である。 ブレーキＥＣＵのうち、本実施形態に係る操舵伝達系の特性変化検出に関与する部分の構成を示す機能ブロック図である。 ステアリングホイールの操舵角から求められる目標車両状態と実際の車両状態とが一致しているか否かを判定する方法を説明する図である。 一実施形態に係る操舵伝達系の異常判定を表すフローチャートである。 実測車両状態とブレーキ制御量低下時間との関係を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る操舵伝達系の特性変化検出装置を備えた車両１０の概略構成を示す。図１は、四輪の車両のうち前輪部分の模式図である。転舵輪である右前輪ＦＲおよび左前輪ＦＬを操舵することによって車両の進行方向が変更される。

車両１０は電動パワーステアリング装置（以下「ＥＰＳ」と呼ぶ）を備える。ＥＰＳは、ドライバーにより操舵されるステアリングホイール１２と、ステアリングホイールに連結されたステアリングシャフト１４と、ステアリングシャフトの下端に設けられた減速機構４４と、出力軸が減速機構４４に接続された操舵アシスト用モータ２４とを備える。操舵アシスト用モータ２４は、ステアリングシャフト１４を回転駆動することで、ステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する。

ステアリングシャフト１４には、図示しないトーションバーと、トーションバーに生じるトルクを検出する操舵トルクセンサ１６と、ステアリングホイール１２の操舵角を検出する操舵角センサ１８とが設置される。これらセンサの出力は、ステアリング電子制御ユニット（ＥＣＵ）７０およびブレーキＥＣＵ１００に送信される。

ステアリングシャフト１４は、自在継手３０、３２を介して、インターミディエイトシャフト１７、ピニオンシャフト１９に連結される。ピニオンシャフト１９は、車両の左右方向（車幅方向）に延設され軸長方向に摺動するラックバー２２を含むラックアンドピニオン機構２０と連結されている。インターミディエイトシャフト１７は、ゴムカップリングをその一部として含む。

ラックアンドピニオン機構２０は、ピニオンシャフト１９の一端に形成されたピニオン歯とラック軸とを噛合させることにより構成される。また、ラックアンドピニオン機構２０は、ステアリングギアマウントブシュ２３を介して車両のボデーに支持される。

ドライバーがステアリングホイール１２を操作すると、ステアリングシャフト１４の回転がシャフト１７、１９を通してラックアンドピニオン機構２０に伝達され、ラックアンドピニオン機構２０によってラックバー２２の左右方向への直線運動に変換される。ラックバー２２の両端には、それぞれタイロッド（図示せず）の一端が接続される。タイロッドの他端は、右前輪ＦＲ、左前輪ＦＬを支持するナックルアーム（図示せず）に連結されている。ラックバー２２が直線運動をすると、右前輪ＦＲおよび左前輪ＦＬが転舵される。

車輪の近傍には、車輪の回転数を検出して車速を出力する車速センサ３６が取り付けられる。車速センサ３６の代わりに、図示しないＧＰＳ（Global Positioning System）のデータから車速を求めるようにしてもよい。車体の左右方向の加速度を検出する横加速度センサ４２も車体に設けられる。これらのセンサによる検出値はブレーキＥＣＵ１００に送信される。

ステアリングＥＣＵ７０は、各センサから受け取った検出値に基づき操舵トルクのアシスト値を算出し、これに応じた制御信号を操舵アシスト用モータ２４に出力する。なお、上記のようなＥＰＳを含む操舵機構自体は周知であるため、本明細書ではこれ以上の詳細な説明を省略する。

上述したように、ゴムブシュなどの弾性部材の経年劣化により操舵伝達系にガタが生じるなどの特性変化が発生すると、操舵角と操舵輪切れ角との間の線形性が維持されなくなり、操舵フィーリングが変化したり、操舵角情報に基づく車両状態量の推定精度が低下したりするという問題がある。より具体的には、ブレーキＥＣＵ１００は、操舵角に基づきＶＳＣを作動させるか否かを判定している。このため、操舵角が検出でないと、ＶＳＣの作動タイミングが不適切になったり、ＶＳＣによるブレーキ制御量が不適切になってしまう。

そこで、本実施形態では、ＥＰＳに装備されている操舵角センサおよび操舵トルクセンサで検出される情報に基づき、操舵伝達系における弾性部材の特性変化を検出するようにした。

図２は、ブレーキＥＣＵ１００のうち、本実施形態に係る操舵伝達系の特性変化検出に関与する部分の構成を示す機能ブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や電気回路で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラムなどによって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組み合わせによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

操舵トルク判定部１０２は、操舵トルクセンサ１６の検出値ＭＴを受け取り、操舵トルクが所定値より小さいか否かを判定する。この判定は、ＶＳＣが作動しないような操舵力が小さい運転状態、例えば、ステアリングホイールに軽く手を添える程度で操舵できる運転状態であるか否かを判定するものであり、所定値は例えば１．２Ｎｍである。

操舵トルクが小さい領域で以下に述べる操舵伝達系の異常判定を行うのは、次の理由による。すなわち、操舵トルクが小さければ、タイロッドにかかる軸力が非常に小さいため、ラックアンドピニオン機構２０等の操舵伝達系の各部にかかる力も小さい。この状況であれば、車両挙動の変化が小さく、車両挙動による異常判定への影響が小さいため、正確な異常判定に適していると考えられるからである。

目標値算出部１０４は、車速センサ３６の検出値Ｖと操舵角センサ１８の検出値ＭＡを受け取り、この値から目標横加速度（以下「目標Ｇｙ」と呼ぶ）または目標ヨーレート（以下「目標ＹＲ」と呼ぶ）のいずれかを算出する。目標Ｇｙまたは目標ＹＲは、次式によって算出される。
目標Ｇｙ＝Ｖ^２・ＭＡ／Ｎ／ＷＢ
目標ＹＲ＝Ｖ・ＭＡ／Ｎ／ＷＢ
ここで、Ｎはオーバーオールステアリング比（操舵角／操舵輪切れ角）を表し、ＷＲはホイールベースである。これらの値は、予め目標値算出部１０４に記録されている。

異常判定部１０６は、目標値算出部１０４で算出された目標Ｇｙまたは目標ＹＲと、横加速度センサ４２による検出値（以下「実測Ｇｙ」と呼ぶ）またはヨーレートセンサ４８による検出値（以下「実測ＹＲ」と呼ぶ）とを比較して、ステアリングホイールの操舵角から推定される車両状態と実際の車両状態とが一致しているか否かを判定する。この判定手法については、図３を参照して後述する。両者が不一致である場合、異常判定部１０６は、操舵伝達系の特性変化が生じていると判定する。

ブレーキ制御量指示部１０８は、異常判定部１０６によって操舵伝達系の特性変化が生じていると判定された場合に、ＶＳＣにおけるブレーキの制御量を徐々に減少させていき、最終的にはＶＳＣ制御を停止する。より具体的には、ＶＳＣブレーキ制御量に応じて各車輪に設置されているホイールシリンダの油圧を制御する。

なお、ＶＳＣにおけるブレーキ制御量の変更を行わず、操舵伝達系の特性変化が検出された旨をスピーカまたはランプ等を用いてドライバーに報知する構成としてもよいし、単にＶＳＣの実施を禁止する構成としてもよい。

図３は、異常判定部１０６による、ステアリングホイールの操舵角から推定される車両状態と実際の車両状態とが一致しているか否かを判定する方法を説明する概念図である。図中の横軸がステアリングホイールの操舵角から算出された目標Ｇｙ（または目標ＹＲ）を表し、縦軸が横加速度センサ４２またはヨーレートセンサ４８で検出された実測Ｇｙ（または実測ＹＲ）を表す。

図３では、車両が直進走行している状態からステアリングホイールの操舵および戻しを行い、再び直進走行に戻るまでの運転操作（以下「一操舵」と呼ぶ）の間の目標Ｇｙ（または目標ＹＲ）と実測Ｇｙ（または実測ＹＲ）との関係を表している。なお、この一操舵は、横加速度センサまたはヨーレートセンサの温度ドリフトの影響が無視できる比較的短時間（例えば３０秒）以内に行われることが望ましい。

なお、上述したように、操舵トルクＭＴが小さい場合のみ操舵伝達系の異常判定が行われるので、上記の「直進→操舵→戻し→直進」という過程は、例えば車線変更などの操舵角が比較的小さい運転操作のときに生じるものに限られる。

図中の細実線は、正常な車両、すなわち操舵伝達系の特性変化が生じていない車両における目標Ｇｙ（または目標ＹＲ）と実測Ｇｙ（または実測ＹＲ）との関係を示す。正常な車両であれば、ステアリングホイールの遊びや摩擦などに起因するヒステリシス成分が存在するために完全な比例関係にはならないものの、両者の間には比例に近い関係が存在する。そのため、図中のグラフは左下から右上方向に延びる細長い円環形状になる。原点から右上に向かう区間、および原点から左下に向かう区間がステアリングホイールの切り込みに対応し、右上から原点に向かう区間、および左下から原点に向かう区間がステアリングホイールの戻しに対応する。操舵トルクおよび操舵角の正負は、中立位置からの時計回りまたは反時計回りの回転のいずれかにそれぞれ対応する。

図中の太実線は、操舵伝達系に特性変化が生じている車両における目標Ｇｙ（または目標ＹＲ）と実測Ｇｙ（または実測ＹＲ）との関係を示す。目標Ｇｙ（または目標ＹＲ）と実測Ｇｙ（または実測ＹＲ）の間の比例関係が崩れ、グラフが大きな円環状となっていることが分かる。このように、操舵伝達系に特性変化が生じている車両で比例関係が崩れるのは、操舵角の変化に操舵輪の切れ角が追従するのに時間がかかるため、すなわち、操舵伝達系のガタが生じていたり部品の剛性が低下しているためであると考えられる。

異常判定部１０６は、上述の一操舵の間に、目標Ｇｙ（または目標ＹＲ）と実測Ｇｙ（または実測ＹＲ）との差分の絶対値が基準値以上となった回数が所定回数以上となったとき、操舵伝達系の特性変化が生じていると判定する。

代替的に、異常判定部１０６は、目標Ｇｙ（または目標ＹＲ）と実測Ｇｙ（または実測ＹＲ）の関係を表す線が、図３中に点線で示す所定のしきい線を越える事象（図３中に白丸で表す）が所定回数（例えば４回）以上となったとき、操舵伝達系の特性変化が生じていると判定してもよい。これらのしきい線は、例えば、操舵角と操舵輪切れ角とにずれがある（例えば±１５°）と仮定したときの、目標Ｇｙ（または目標ＹＲ）と実測Ｇｙ（または実測ＹＲ）との間の関係を示す曲線として、実験またはシミュレーションによって予め設定される。

上記のように、異常判定部１０６がしきい線を越えた回数のカウントに基づく判定を行う理由は、例えば突然の路面状態の変化などが原因で、実測Ｇｙ（または実測ＹＲ）が目標Ｇｙ（または実測ＹＲ）から乖離する場合も起こり得るので、単発の事象の検出に基づく誤判定を避けるためである。

図４は、本実施形態に係る操舵伝達系の異常判定を表すフローチャートである。 まず、ＶＳＣ、ＥＰＳが正常に動作しているか否かを判定する（Ｓ１０）。両者とも正常である場合（Ｓ１０のＹ）、操舵トルク判定部１０２は、操舵トルクセンサ１６の検出値ＭＴがしきい値以下であるかを判定する（Ｓ１２）。操舵トルク検出値ＭＴがしきい値以下であれば（Ｓ１２のＹ）、目標値算出部１０４は、操舵角センサ１８の検出値ＭＡから目標Ｇｙまたは目標ＹＲを算出する（Ｓ１４）。

続いて、異常判定部１０６は、Ｓ１４で算出された目標Ｇｙまたは目標ＹＲと、横加速度センサ４２またはヨーレートセンサ４８による実測Ｇｙまたは実測ＹＲとが不一致であるか否かを、図３を用いて上述した方法により判定する（Ｓ１６）。両者が不一致である場合（Ｓ１６のＹ）、操舵伝達系の特性変化が生じていると判定する（Ｓ１８）。このとき、ブレーキ制御量指示部１０８は、ＶＳＣにおけるブレーキ制御量を、実測Ｇｙまたは実測ＹＲの値に応じた時間をかけて減少させる（Ｓ２０）。両者の関係は、例えば図５に示すように、時間に上下限のガードがかけられていてもよい。

以上説明したように、本実施形態によると、ＥＰＳに設けられている操舵トルクセンサおよび操舵角センサの検出値を利用して、ゴムブシュなどの弾性部品の経年劣化などによる操舵伝達系の特性変化（例えばガタの発生）を検出することが可能になる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態はあくまで例示であり、実施の形態どうしの任意の組み合わせ、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスの任意の組み合わせなどの変形例もまた、本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更などの変形を加えることも可能である。各図に示す構成は、一例を説明するためのもので、同様な機能を達成できる構成であれば、適宜変更可能である。

実施の形態では、一操舵の間に、目標Ｇｙ（または目標ＹＲ）と実測Ｇｙ（または実測ＹＲ）との差分の絶対値が基準値以上となった回数が所定回数以上となったとき、操舵伝達系の特性変化が生じていると判定することを述べた。しかし、この判定は、一操舵の間に限られない。例えば、車両の直進走行時に判定を行ってもよいし、一操舵を複数回実施したときに判定を行ってもよい。

１０ 車両、 １２ ステアリングホイール、 １６ 操舵トルクセンサ、 １８ 操舵角センサ、 ３６ 車速センサ、 ４２ 横加速度センサ、 ４８ ヨーレートセンサ、 ７０ ステアリングＥＣＵ、 １００ ブレーキＥＣＵ、 １０２ 操舵トルク判定部、 １０４ 目標値算出部、 １０６ 異常判定部、 １０８ ブレーキ制御量指示部。

Claims (2)

1. ステアリングホイールの操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、
   ステアリングホイールの操舵角を検出する操舵角センサと、
   操舵トルクが所定値以下であるときに、操舵角から算出される車両の目標挙動と実際の車両挙動との差分が基準値以上となった回数が所定期間中に所定回数以上であるとき、操舵伝達系の特性変化と判定する異常判定部と、を備え、
   前記所定期間は、車両が直進走行している状態からステアリングホイールの操舵を行って再び直進走行に戻す運転操作の間であることを特徴とする操舵伝達系の特性変化検出装置。
2. 車両挙動を測定するセンサとして横加速度センサまたはヨーレートセンサを備えることを特徴とする請求項１に記載の特性変化検出装置。

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