JP5807778B2 - 荷役車両用操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、フォークリフトなどの荷役車両に用いる荷役車両用操舵装置に関するものである。

フォークリフトは直角に近いコーナーを旋回することが多い。このような直角に近いコーナーを旋回する際、フォークリフトは後輪が転舵輪になっているので、小舵角で前部（フォーク部分）を軽く旋回方向に向けてから、急操舵で後部をコーナー外側に振るという、フォークリフト特有の操舵操作をする。
一方、フォークリフトは、運転室に設けられた操舵部材と転舵輪である後輪との間の機械的な連結が断たれた、いわゆるステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置が採用される。したがって、後輪から操舵部材に返される反力は本来ない。そこで従来、操舵側で模擬の反力を作って運転者に返していた。

またステアリングの操舵角と、転舵輪の転舵角との比であるストロークレシオは、従来から比例関係に設定されていた（特許文献１）。

特開2010-264833号公報

フォークリフトにおいては、その用途上、操舵角の範囲が広く、かつ、操舵の頻度も高い。そのため、運転者のハンドル操作量が大きく負担が大きい。
操舵側で作られる模擬の反力は、図４の「従来特性」のグラフに示すように、ある舵角までは舵角とともにリニアに増大し、その舵角を超えれば一定値を保持するという特性がある。このため、旋回の初期は、反力が小さすぎて操舵力が反力に打ち勝って、操舵角が、運転者の意図する操舵角よりも大きくなってしまうことが多い。また旋回の後期には、急操舵をしなければならないが、大きな反力にさからって急操舵するのに力が必要となり、運転者に作業負担を強いていた。このため、作業効率下がるという問題があった。

そこで、本発明は、操舵角に対する反力特性を適切に設定することにより、運転者の操舵負担を低減することができる荷役車両用操舵装置を提供することを目的とする。

本発明の荷役車両用操舵装置は、操舵部材と転舵輪駆動機構との機械的な連結が断たれたステアバイワイヤ式を採用する荷役車両用操舵装置であって、転舵輪を転舵させる前記転舵輪駆動機構と、前記操舵部材の操舵角を検出する操舵角検出部と、前記操舵部材に操舵反力を付与する反力アクチュエータと、前記転舵輪駆動機構を駆動する転舵アクチュエータと、前記転舵アクチュエータを制御する転舵アクチュエータ制御部と、操舵角が第１の切替角以下の第１の舵角領域にあるか、第１の切替角を超える第２の舵角領域にあるかを判定する操舵領域判定部と、操舵角が第１の舵角領域にあるときに操舵角の増加に伴って操舵反力を最大値まで立ち上げ、操舵角が第２の舵角領域に入ると操舵角の増加に伴って操舵反力が前記最大値から減少するように前記反力アクチュエータを制御する反力アクチュエータ制御部とを備えるものである。

この構成によれば、コーナーを旋回する場合、小舵角で前部を軽く旋回方向に向ける際に操舵角が存在する領域を第１の舵角領域に設定すれば、この領域では、操舵角の増加に伴って操舵反力が最大値まで立ち上がっているので、運転者はハンドルを回しながら大きな反力を感じることになる。したがって運転者の意図を超えてハンドルを回しすぎるという恐れが少ない。急操舵で後部をコーナー外側に振る際に操舵角が存在する領域を第２の舵角領域に設定すれば、この領域では、操舵角の増加に伴って操舵反力が最大値から減少しているので、運転者はハンドルを回すに連れて、反力が減少していくのを感じる。したがって、運転者は少ない力で車両の操舵ができるので、運転者の操舵負担を低減することができる。

前記第１の切替角よりも大きな第２の切替角が設定され、前記転舵アクチュエータ制御部は、操舵角に対する転舵角の比は、操舵角が前記第１の切替角から前記第２の切替角までは、第１の傾きをとり、操舵角が前記第２の切替角以上では前記第１の傾きよりも小さな第２の傾きをとるように前記転舵アクチュエータを制御することが好ましい。従来の技術であれば第１の傾きも第２の傾きも同じ値であったが、本発明では、第１の傾き＞第２の傾きとなるので、第２の舵角領域の前半（第１の切替角から第２の切替角まで）で、ストロークレシオが大きく急操舵がしやすくなる。第２の舵角領域の後半（第２の切替角以上）ではストロークレシオは小さくなり操舵は緩やかになる。従って、前述のように、第２の舵角領域にあるときに、操舵角の増加に伴って操舵反力が最大値から減少していくという設定と協働させることにより、運転者は少ない力で急操舵ができるので、運転者の操舵負担を低減することができる。

フォークリフトの概略構成を示す模式的側面図である。 車両用操舵装置の全体を示す構成図である。 反力系ＥＣＵ１６によって反力制御するための制御ブロック図である。 反力トルク−操舵角特性記憶部Ｂ４に記憶された操舵角θhと目標反力トルクとの関係を図示するグラフである。 転舵系ＥＣＵ２２によって制御される転舵制御ブロック図である。 転舵角−操舵角特性記憶部Ｃ４に記憶された操舵角θhと目標転舵角との関係（ストロークレシオ）を図示するグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の荷役車両としてのフォークリフト１の概略構成を示す模式的側面図である。フォークリフト１は、車体２と、その車体２の前部に設けられた荷役装置３と、車体２を支持する駆動輪としての前輪５及び転舵輪としての後輪６と、後輪６を転舵させるための車両用操舵装置７とを備えている。

車両用操舵装置７は、運転室８に設けられた操舵部材１０と転舵輪である後輪６との間の機械的な連結が断たれた、いわゆるステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置である。本実施形態では、操舵部材１０は、ノブ１０ａ付きの手回しステアリングホイールであり、運転者は、ステアリングホイールに回転可能に設けられたノブ１０ａを把持し、ステアリングホイールを回転させたり止めたりする。

図２は、車両用操舵装置７の全体を示す構成図である。車両用操舵装置７は、操舵部材１０が連結されたシャフト１１と、シャフト１１を回転自在に支持する円筒状のコラム１２と、操舵部材１０の操舵角θhを検出する操舵角センサ１３と、コラム１２の中に配置され操舵部材１０の操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１４と、ギヤ１７を介して操舵部材１０に操舵反力を付与する反力アクチュエータとして機能する反力モータ１５と、反力モータ１５を駆動制御する反力系ＥＣＵ１６（電子制御ユニット）１６とを備えている。操舵トルクセンサ１４は、シャフト１１の中間に介装されたトーションバーの捩れ角を検出することにより操舵トルクを検出する。操舵角センサ１３は操舵部材１０のシャフト１１の外周に取り付けられた磁石の磁気をホールセンサで検出することによりシャフト１１の回転角を検出する。なおこの実施形態では、操舵角センサ１３は操舵部材１０の中立位置から操舵部材１０の正逆両方向への回転角を検出するものであり、中立位置から右方向への回転角を正の値として出力し、中立位置から左方向への回転角を負の値として出力するものとする。反力モータ１５はシャフト１１と別軸に設置され、ギヤ１７によって決まる所定のギヤ比でシャフト１１を回転駆動する直流モータである。なお反力モータ１５は、コラム同軸に配置されていても良い。

また車両用操舵装置７は、車体に保持され、車両の左右方向に延びる転舵軸としてのラック軸１７と、ラック軸１７を移動可能に支持するラック支持体１８と、ラック軸１７を移動させる転舵モータ１９と、転舵モータ１９を駆動制御する転舵系ＥＣＵ２２と、後輪６の転舵位置（本明細書では「転舵角」という）を検出する転舵角センサ２０とを備えている。転舵モータ１９は、ラック支持体１８の中に内蔵されているラック同軸型の直流モータである。転舵モータ１９の回転運動は、ラック支持体１８に内蔵されている転舵ギヤを介してラック軸１７の往復運動に変換され、ラック軸１７の一対の端部にそれぞれ連結されたタイロッド２１Ｌ，２１Ｒを介して後輪６に伝達され、これにより後輪６が転舵される。転舵角センサ２０は、ラック軸１７の変位位置と後輪６の転舵角とが対応することを利用して、ラック軸１７の変位位置をストロークセンサで検出することで、後輪６の転舵角を検出している。

また操舵部材１０の操作に応じて後輪６を転舵させるため、反力系ＥＣＵ１６と転舵系ＥＣＵ２２とは車内ＬＡＮ（例えばＣＡＮ）によって接続されている。
さらに前輪５又は後輪６のロータには、車輪の回転速度を検出する車輪速センサ３４が取り付けられている。車輪速センサ３４は、車輪のロータの回転速度を光学的に読み取るセンサであって、読み取った回転速度に、タイヤの有効回転半径をかけることにより、車速ｖを検出する。

転舵系ＥＣＵ２２は、操舵角センサ１３によって検出された操舵角に基づいて転舵モータ１９を回転駆動する。転舵モータ１９の回転は、転舵ギヤを介してラック軸１７の往復運動に変換され、ラック軸１７の一対の端部にそれぞれ連結されているタイロッド２１Ｌ，２１Ｒを介して後輪６に伝達され、これにより後輪６が転舵される。
図３は反力系ＥＣＵ１６によって制御される反力制御ブロック図を示す。反力系ＥＣＵ１６の目標反力電流算出部Ｂ１には、操舵角センサ１３から検出操舵角θhを表す操舵角信号が車内ＬＡＮを経由して入力される。

不揮発性メモリからなる反力トルク−操舵角特性記憶部Ｂ４は、操舵角θhと目標反力トルクとの関係を関数として記憶している。
図４の「提案特性」のグラフは、反力トルク−操舵角特性記憶部Ｂ４に記憶された操舵角θhと目標反力トルクとの関係を図示している。このグラフにおいて、第１の切替角θh1が設定され、操舵角が第１の切替角θh1以下の第１の舵角領域Ｉにあるときに操舵角の増加に伴って目標反力トルクを最大値まで立ち上げ、操舵角が第１の切替角θh1を超えた第２の舵角領域ＩＩに入ると操舵角の増加に伴って目標反力トルクが前記最大値から単調に減少するようになっている。目標反力トルクは上限操舵角θh3において、第２の舵角領域ＩＩの範囲内で最も低い値をとる。なお「上限操舵角θh3」はこれ以上操舵部材１０を回すことができない角度のことである。

第１の切替角θh1は例えば操舵角９０度に設定され、上限操舵角θh3は例えば８１０度に設定されている。目標反力トルクは、第１の切替角θh1である操舵角９０度のときに最大値０．６Ｎｍをとるようにされ、上限操舵角８１０度のときに最低値０．１５Ｎｍをとるようにされている。後述する操舵角と後輪６の転舵角との関係（図６の「提案特性」のグラフ参照）を用いて、操舵角９０度を転舵角に換算すると８度となる。上限操舵角８１０度を転舵角に換算すると７５度となる。

この実施例では第１の切替角θh1はタイヤの転舵角に換算して８度に設定されているが、８度に限定されるものではない。第１の切替角θh1は、旋回初期に回される舵角を目安として選定すればよく、例えばタイヤの転舵角に換算して５〜１５度の範囲の中から選定すればよい。この範囲のうち、特に８〜１０度の範囲から選ぶことが好ましい。
目標反力電流算出部Ｂ１は、前述した操舵角θhと目標反力トルクとの関係に基づいて、操舵角θhを目標反力電流に変換する。目標反力電流は、電流制御部Ｂ２に入力される。一方、反力モータ１５に流れる電流Ｉmが検出され、その反転信号が電流制御部Ｂ２に入力され、電流制御部Ｂ２で目標反力電流と反力モータ１５に流れる電流Ｉmとの差がとられて、この差がＰＷＭ出力回路Ｂ３に供給され、反力モータ１５を駆動するためのＰＷＭ駆動信号が生成される。そしてこのＰＷＭ駆動信号を反力モータ１５に供給することにより、反力モータ１５→ギヤ１７→シャフト１１を介して、操舵部材１０に反力トルクが与えられる。

次に図５は、転舵系ＥＣＵ２２によって制御される転舵制御ブロック図を示す。転舵系ＥＣＵ２２の目標転舵角算出部Ｃ１には、操舵角センサ１３から検出操舵角θhを表す操舵角信号が車内ＬＡＮを経由して入力される。
不揮発性メモリからなる転舵角−操舵角特性記憶部Ｃ４は、操舵角θhと目標転舵角との関係を関数として記憶している。

図６は、転舵角−操舵角特性記憶部Ｃ４に記憶された操舵角θhと目標転舵角との関係（ストロークレシオ）を図示している。このグラフにおいて、第１の切替角θh1よりも大きく上限操舵角θh3よりも小さい第２の切替角θh2が設定され、操舵角に対する転舵角の比は、操舵角が前記第１の切替角θh1から前記第２の切替角θh2までの舵角領域ＩＩ−１では、第１の傾きをとり、操舵角が前記第２の切替角θh2から上限操舵角θh3までの舵角領域ＩＩ−２では前記第１の傾きよりも小さな第２の傾きをとる。すなわち、第１の切替角θh1から上限操舵角θh3まで転舵角同士を直線で結んだ傾き（従来特性）を「第三の傾き」とすると、第１の傾き＞第三の傾き＞第２の傾き、という不等式が成り立つ。

第２の切替角θh2は例えば操舵角４００度に設定されている。操舵角４００度を目標転舵角に換算すると５１度となる。なおこの実施例では第２の切替角θh2はタイヤの転舵角に換算して５１度に設定されていたが、５１度に限定されるものではない。第２の切替角θh2は、第１の切替角θh1と上限操舵角との間から選定すればよい。
このように設定すれば、フォークリフトが直角コーナリングした後の荷物の積み下ろし（荷役作業）に際して、荷物の前で停車した際の操舵角がＩＩ−２の領域にあるので、荷役作業を始める時のフォーク先端の左右方向の微調整操舵（切り込んだり、戻したり）をＩＩ−２領域で行う際に、操舵のレシオがスローなので作業がしやすくなる。

なお、車両の速度ｖに応じて、速度ｖが速いほどストロークレシオを全体的に小さくし、速度ｖが遅いほどストロークレシオを全体的に大きくする、という設定も可能である。
目標転舵角算出部Ｃ１は、前述した操舵角θhと目標転舵角との関係に基づいて、操舵角θhを目標転舵角に変換する。目標転舵角の信号は、電流制御部Ｃ２に入力される。一方、転舵角センサ２０によって後輪６の転舵角が検出され、その反転信号が電流制御部Ｃ２に入力され、電流制御部Ｃ２で目標転舵角と後輪６の転舵角検出値との差がとられて、この差がＰＷＭ出力回路Ｃ３に供給され、転舵モータ１９を駆動するためのＰＷＭ駆動信号が生成される。そしてこのＰＷＭ駆動信号を転舵モータ１９に供給することにより、その回転がラック軸１７の平行運動に変換され、タイロッド２１Ｌ，２１Ｒを介して後輪６に伝達され、これにより後輪６が転舵される。

以上のように本発明の実施形態によれば、フォークリフト１の運転者は、車両旋回時の旋回初期、すなわち第１の舵角領域Ｉにあるとき、操舵部材１０を回し始めて、第１の切替角θh1までは大きな操舵反力を感じながらフォークリフト１を転舵させるので、小舵角で前部を軽く向けるという運転者の意図を超えて操舵部材１０を回しすぎる恐れが少ない。そして旋回後期には、操舵角は第１の切替角θh1を超えた第２の舵角領域ＩＩにある。このとき、操舵角の増加に伴って操舵反力が最大値から単調に減少しているので、運転者は操舵部材１０を回すに連れて、反力が減少していくのを感じる。したがって運転者は、より少ない力で操舵部材１０を回して、フォークリフト１の後部を容易に振ることができる。

また第２の舵角領域ＩＩの前半舵角領域ＩＩ−１では、急レシオでフォークリフト１を転舵させることができ、後半舵角領域ＩＩ−２では、緩やかなレシオでフォークリフト１を転舵させることができる。したがって、第１の切替角θh1から上限操舵角θh3まで転舵角同士を直線で結んだ従来の一定レシオに比べて、最大値から低下したとは言っても操舵反力が比較的大きな前半舵角領域ＩＩ−１にあるときには、操舵部材１０を少し回すだけで大きく旋回させることができる。操舵反力がより低下する後半舵角領域ＩＩ−２にあるときには、操舵部材１０をより多く回さなければならないが、操舵反力が低下しているので、運転者に与える負担は少ない。加えて、領域ＩＩ−２において荷役作業をするときに、操舵のレシオがスローなので、フォーク先端の位置決め操作がしやすくなる。

このように操舵角に応じて操舵反力の設定と、操舵角に応じた操舵レシオの設定とをともに採用することにより、運転者は少ない力で急操舵がしやすくなり、運転者の操舵負担を低減することができる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、転舵輪として、車体２の左右にそれぞれ後輪６を設ける構成に代えて、単一の後輪６を車体２の左右方向の中央に設けてもよい。また、上述の実施形態では、転舵輪駆動機構として、転舵モータ１９によって駆動するラック軸１７を採用したが、電動式油圧ポンプによって駆動する油圧シリンダを採用しても良い。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

１…フォークリフト（荷役車両）、２…車体、３…荷役装置、５…前輪（駆動輪）、６…後輪（転舵輪）、７…車両用操舵装置、１０…操舵部材、１３…操舵角センサ、１４…操舵トルクセンサ、１５…反力モータ、１６…操舵側ＥＣＵ、１７…ラック軸、１９…転舵モータ、２０…転舵角センサ、２２…転舵側ＥＣＵ

Claims (4)

1. 操舵部材と転舵輪駆動機構との機械的な連結が断たれたステアバイワイヤ式を採用する荷役車両用操舵装置であって、
   転舵輪を転舵させる前記転舵輪駆動機構と、前記操舵部材の操舵角を検出する操舵角検出部と、前記操舵部材に操舵反力を付与する反力アクチュエータと、前記転舵輪駆動機構を駆動する転舵アクチュエータと、前記転舵アクチュエータを制御する転舵アクチュエータ制御部と、操舵角が第１の切替角以下の第１の舵角領域にあるか、第１の切替角を超える第２の舵角領域にあるかを判定する操舵領域判定部と、操舵角が第１の舵角領域にあるときに操舵角の増加に伴って操舵反力を最大値まで立ち上げ、操舵角が第２の舵角領域に入ると操舵角の増加に伴って操舵反力が前記最大値から減少するように前記反力アクチュエータを制御する反力アクチュエータ制御部とを備える、荷役車両用操舵装置。
2. 前記第１の切替角よりも大きな第２の切替角が設定され、
   前記転舵アクチュエータ制御部は、操舵角に対する転舵角の比は、操舵角が前記第１の切替角から前記第２の切替角までは、第１の傾きをとり、操舵角が前記第２の切替角以上では前記第１の傾きよりも小さな第２の傾きをとるように前記転舵アクチュエータを制御する、請求項１記載の荷役車両用操舵装置。
3. 前記第１の切替角は、転舵輪の転舵角に換算して、５〜１５度である、請求項１又は請求項２記載の荷役車両用操舵装置。
4. 前記第１の切替角は、転舵輪の転舵角に換算して、８〜１０度である、請求項３記載の荷役車両用操舵装置。

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