JP6019574B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ステアリングホイール(ハンドル)の操作量に対する転舵輪の転舵角の変化量を変化させることが可能な車両用操舵装置に関する。
従来、この種の車両用操舵装置としては、例えば特許文献1に記載の装置が知られている。この特許文献1に記載の車両用操舵装置では、ステアリングシャフトが、ステアリングホイール側の第1シャフトと、転舵輪側の第2シャフトとから構成されており、これらのシャフトの間に、各シャフトの伝達比を可変とする伝達比可変装置が設けられている。なお、伝達比とは、第1シャフトの回転角の変化量に対する第2シャフトの回転角の変化量の比を示す。このような車両用操舵装置によれば、例えば低速走行時には伝達比可変装置の伝達比を大きく設定することで、ステアリングホイールを操作するのに必要な操作量を少なくすることができるため、車庫入れや縦列駐車などを容易に行うことが可能となる。これに対し、高速走行時には伝達比可変装置の伝達比を小さく設定することで、ステアリングホイールの操作量に対する転舵輪の転舵量が小さくなるため、高速走行時の安定性を確保することが可能となる。これにより、車両の操作性が大幅に向上するようになる。
特開2005−306216号公報
ところで、このような車両用操舵装置では、例えば車両走行時に転舵輪が縁石に乗り上げてしまったような場合、転舵輪に過大な衝撃荷重が付与されることがある。転舵輪に過大な衝撃荷重が付与されると、この衝撃荷重に基づくトルク(逆入力トルク)がラック軸やギアボックス、ステアリングシャフトなどの操舵伝達系を介してステアリングホイールに伝達され、ステアリングホイールが強制的に回されてしまう。このとき、ステアリングホイールが操舵限界位置まで回転してその回転運動が急停止すると、ステアリングホイールの慣性により操舵伝達系に過大な衝撃力が作用してしまう。そのため、従来の車両用操舵装置では、このような衝撃力に対する耐久性を確保する必要があり、コスト低減の妨げとなっていた。
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、転舵輪側から操舵伝達系に逆入力が伝達された場合に、操舵伝達系に作用する衝撃力を低減可能な車両用操舵装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、ステアリングホイール側の第1シャフトと転舵輪側の第2シャフトとの間の伝達比を可変とする伝達比可変装置と、前記転舵輪側から前記第2シャフトに伝達される逆入力を前記第2シャフトの角速度として検出する逆入力検出手段と、を備え、前記逆入力検出手段は、前記第2シャフトの角速度に基づき前記逆入力となる所定以上の角速度を検出するものであり、前記逆入力検出手段を通じて所定以上の逆入力が検出されるとき、前記第2シャフトの角速度よりも前記第1シャフトの角速度が遅くなるように前記伝達比を設定することを要旨とする。
ステアリングホイールが操舵限界位置まで回転してその回転運動が急停止した際に操舵伝達系に働く衝撃力の大きさは、そのときのステアリングホイールの角速度に比例する。この点、上記構成によれば、操舵伝達系に逆入力が働いたとき、転舵輪側の第2シャフトの角速度よりもステアリングホイール側の第1シャフトの角速度が遅くなるように伝達比可変装置の伝達比が設定される。これにより、ステアリングホイールの角速度が遅くなるため、操舵伝達系に働く衝撃力を低減することが可能となる。
そしてこの場合、前記逆入力検出手段は、前記第2シャフトの角速度に基づき前記逆入力を検出するものである、といった構成を採用することにより転舵輪側から操舵伝達系に伝達される逆入力を容易且つ的確に検出することが可能となる。
請求項に記載の発明は、請求項に記載の車両用操舵装置において、前記伝達比可変装置は、前記第1及び第2シャフトのいずれか一方のシャフトの回転にモータの回転軸の回転を上乗せして他方のシャフトに伝達することにより前記伝達比を変更するものであり、前記モータは、前記回転軸の回転角を検出する回転角センサを有し、前記第2シャフトの角速度の検出は、前記回転角センサを通じて検出される前記回転軸の回転角についてその単位時間当たりの変化量を演算することにより行われることを要旨とする。
伝達比可変装置に設けられるモータの回転軸の角速度と、同モータの回転軸の回転に基づき伝達比が変更される第1及び第2シャフトのそれぞれの角速度との間には、基本的には、相関関係がある。したがって、上記構成によるように、第2シャフトの角速度の検出を、伝達比可変装置に設けられている回転角センサを通じて検出されるモータの回転軸の回転角についてその単位時間当たりの変化量を演算することにより行うこととすれば、第2シャフトの角速度を検出するための新たなセンサを設ける必要がなくなる。よって、構造の簡素化、並びにコストの低減を図ることが可能となる。
本発明にかかる車両用操舵装置によれば、転舵輪側から操舵伝達系に逆入力が伝達された場合に、操舵伝達系に作用する衝撃力を低減することができるようになる。
本発明にかかる車両用操舵装置の一実施形態についてその概略構成を示すブロック図。 同実施形態にかかる車両用操舵装置についてその伝達比可変装置の断面構造を示す断面図。 同実施形態の車両用操舵装置による伝達比設定処理についてその手順を示すフローチャート。
以下、本発明にかかる車両用操舵装置の一実施形態について図1〜図3を参照して説明する。はじめに、図1を参照して、本実施形態にかかる車両用操舵装置の概要について説明する。
図1に示すように、この車両用操舵装置では、ステアリングホイール(ハンドル)1が運転者により操作されると、ステアリングホイール1に付与された操舵力に基づきステアリングシャフト2が回転する。ステアリングシャフト2は、コラムシャフト3、インターミディエイトシャフト4、及びピニオンシャフト5をそれぞれ連結してなる。このうち、ピニオンシャフト5の下端部には、ステアリングシャフト2の回転をラック軸7の軸方向の直線運動に変換するギアボックス6が連結されている。そして、ラック軸7の軸方向の直線運動がその両端に連結されたタイロッド8を介して転舵輪9に伝達されることにより、転舵輪9の転舵角、すなわち車両の進行方向が変更される。このように、本実施形態では、ステアリングホイール1の回転運動を転舵輪9に伝達する操舵伝達系が、ステアリングシャフト2、ギアボックス6、ラック軸7、及びタイロッド8により構成されている。
一方、この車両用操舵装置には、ステアリングホイール1の操作量や車両の状態量を検出するための各種センサが設けられている。例えばコラムシャフト3には、ステアリングホイール1の操作に伴いステアリングシャフト2に入力されるトルク、すなわち操舵トルクを検出するトルクセンサ10が設けられている。また、コラムシャフト3には、その回転角、すなわちステアリングホイール1の操舵角を検出する舵角センサ11が設けられている。さらに、車両には、車両の速度を検出する車速センサ12が設けられている。
本実施形態の車両用操舵装置は、コラムシャフト3にアシスト力を付与するパワーステアリング装置20である。また、インターミディエイトシャフト4には、ステアリングホイール1の操作量に対する転舵輪9の転舵角の変化量を可変とする伝達比可変装置30が設けられている。
ここで、パワーステアリング装置20は、ギア機構22を介してコラムシャフト3に連結されるモータ21、及びモータ21の駆動を制御するEPS制御装置23を備えている。このうち、EPS制御装置23には、CAN(Controller Area Network)などの車載ネットワーク13を介してトルクセンサ10及び車速センサ12の出力が取り込まれている。このEPS制御装置23は、トルクセンサ10を通じて検出される操舵トルク、及び車速センサ12を通じて検出される車両の速度に基づきアシスト力の目標値である目標トルクを設定し、モータ21からコラムシャフト3に付与されるアシスト力が目標トルクとなるようにモータ21に供給される電流をフィードバック制御する。これにより、モータ21の回転がギア機構22を介してコラムシャフト3に伝達されることにより、モータトルクがアシスト力としてステアリングシャフト2に付与され、ステアリングホイール1の操作が補助される。
一方、本実施形態では、インターミディエイトシャフト4が、コラムシャフト3に連結される第1シャフト4aと、ピニオンシャフト5に連結される第2シャフト4bとから構成されており、これら第1シャフト4aと第2シャフト4bとの間に伝達比可変装置30が設けられている。次に、図2を参照して、この伝達比可変装置30について詳述する。
図2に示すように、この伝達比可変装置30は、第1シャフト4aと第2シャフト4bとを連結する差動機構31、及びこの差動機構31を駆動するモータ32を備え、これら差動機構31及びモータ32が、略有底円筒状に形成されたハウジング33の内部に収容される構造をなしている。
このうち、ハウジング33の上壁部33aには、第1シャフト4aがスプライン結合される連結部33bが形成されており、この連結部33bを介してハウジング33が第1シャフト4aに一体回転可能に連結されている。また、ハウジング33の内部に収容されたモータ32は、その回転軸32aがハウジング33の中心軸と同軸となるようにハウジング33に固定されている。
一方、差動機構31は、同軸に並設された一対のサーキュラスプライン34,35、サーキュラスプライン34,35の内部においてこれらと噛合されるフレクスプライン36、及びその噛合部を回転させる波動発生器37を備える周知の波動歯車機構からなるものである。
ここで、第1のサーキュラスプライン34は、モータ32の回転軸32aと同軸となるようにハウジング33の内部に固定されている。また、第2のサーキュラスプライン35は、連結部材38を介して第2シャフト4bに連結されている。なお、第1及び第2のサーキュラスプライン34,35にそれぞれ形成されている内歯は、互いに異なる歯数に設定されている。一方、フレクスプライン36は、楕円状にたわめられた状態でサーキュラスプライン34,35の内側に配置されることにより、その外歯がサーキュラスプライン34,35の内歯とそれぞれ部分的に噛合されている。これにより、ハウジング33の回転に基づき第1のサーキュラスプライン34が回転すると、第1のサーキュラスプライン34の回転がフレクスプライン36を介して第2のサーキュラスプライン35に伝達されるため、第1シャフト4aの回転が第2シャフト4bに伝達されるようになっている。
一方、波動発生器37は、フレクスプライン36の内側に配置されている。また、波動発生器37の中央部は、モータ32の回転軸32aに連結されている。これにより、モータ32の回転軸32aの回転に伴い波動発生器37がフレクスプライン36の内部を回転すると、フレクスプライン36とサーキュラスプライン34,35との間の噛合部分が回転する。このとき、第1のサーキュラスプライン34と第2のサーキュラスプライン35との間の歯数差が反映されるかたちで第2のサーキュラスプライン35が第1のサーキュラスプライン34に対して相対回転することで、モータ32の回転軸32aの回転が減速されて第2シャフト4bに伝達されるようになっている。
なお、図1に示すように、モータ32には、回転軸32aの回転角度を検出する回転角センサ41が設けられている。また、回転角センサ41の出力の外部機器への取り込みや、モータ32の駆動の制御は、図2に示すように、ハウジング33の上壁部33aに設けられたスパイラルケーブル装置39を介して行われる。
そして、図1に示すように、回転角センサ41の出力は、伝達比可変装置30の駆動にかかる制御を統括的に司るIFS制御装置40に取り込まれている。また、前述した舵角センサ11及び車速センサ12の出力も、車載ネットワーク13を介してIFS制御装置40に取り込まれている。このIFS制御装置40は、これらのセンサ11,12,41の出力に基づいてモータ32の駆動を制御する。すなわち、IFS制御装置40は、舵角センサ11を通じて検出される操舵角、及び車速センサ12を通じて検出される車両の速度に基づいて、第1シャフト4aの回転に上乗せする回転量の目標値であるACT指令角を演算する。また、IFS制御装置40は、回転角センサ41を通じて検出されるモータ32の回転軸32aの回転角に基づいて、実際に第1シャフト4aに上乗せされている回転量である実ACT角を演算する。そして、IFS制御装置40は、実ACT角をACT指令角に追従させるべく、モータ32に流されている電流をフィードバック制御する。これにより、第1シャフト4aの回転にモータ32の回転軸32aの回転が上乗せされて第2シャフト4bに伝達され、第1シャフト4aと第2シャフト4bとの間の伝達比が変更される。
ところで、このような車両用操舵装置では、前述のように、転舵輪9側から逆入力トルクが操舵伝達系に伝達されると、ステアリングシャフト2が強制的に回転させられるため、例えばインターミディエイトシャフト4の第2シャフト4bの角速度に基づいて逆入力トルクを検出することが可能である。一方、伝達比可変装置30に設けられているモータ32の回転軸32aの角速度と、このモータ32の回転が伝達されるインターミディエイトシャフト4の第2シャフト4bの角速度との間には、基本的には相関関係がある。そこで本実施形態では、回転角センサ41を通じて検出されるモータ32の回転軸32aの回転角についてその単位時間当たりの変化量を求めることによりモータ32の回転軸32aの角速度を演算し、この演算される角速度が予め定められた閾値ωth以上であることをもって、操舵伝達系に逆入力トルクが働いたと判断することとしている。このように、本実施形態では、回転角センサ41を逆入力検出手段として利用することとしている。なお、閾値ωthは、逆入力トルクを検出することができるように予めの実験などを通じて設定され、IFS制御装置40に内蔵されるメモリ40a内に記憶されている。
一方、逆入力トルクによりステアリングホイール1が強制的に回転させられたとき、ステアリングホイール1が操舵限界位置まで操作された際に操舵伝達系に働く衝撃力(衝撃エネルギ)の大きさは、ステアリングホイール1の慣性モーメント及びその角速度の2乗に比例するとともに、操舵限界位置で停止するのに要した時間に反比例する。よって、ステアリングホイール1の角速度を遅くすることができれば、操舵伝達系に働く衝撃力を小さくすることが可能である。そこで本実施形態では、操舵伝達系に逆入力トルクが働いたことを検出したとき、伝達比可変装置30の伝達比を、第1シャフト4aの角速度を第2シャフト4bの角速度よりも遅くさせることが可能な所定値Raに設定するようにしている。なお、所定値Raは、操舵伝達系に働く衝撃力を低減することができるように予めの実験などを通じて設定され、IFS制御装置40のメモリ40a内に記憶されている。また、所定値Raは、伝達比可変装置30において通常用いられる範囲の伝達比の値であってもよいし、通常用いられる範囲以外の伝達比の値であってもよい。
次に、図3を参照して、このような操舵伝達系に逆入力トルクが働いた際に、IFS制御装置40を通じて実行される処理の手順について総括する。なお、図3に示す処理は、実際には所定の演算周期をもって繰り返し実行される。
図3に示すように、この処理では、はじめに、回転角センサ41を通じて検出されるモータ32の回転軸32aの回転角についてその単位時間当たりの変化量を求めることにより、モータ32の回転軸32aの角速度が演算される(ステップS1)。また、続くステップS2の処理として、演算されたモータ32の回転軸32aの角速度が閾値ωth以上であるか否かが判断される。そして、モータ32の回転軸32aの角速度が閾値ωth以上である場合には(ステップS2:YES)、操舵伝達系に所定以上の逆入力トルクが働いたと判断されて、伝達比可変装置30の伝達比が所定値Raに設定される(ステップS3)。
一方、モータ32の回転軸32aの角速度が閾値ωth未満である場合には(ステップS2:NO)、IFS制御装置40はこの一連の処理を終了する。
次に図1を参照して、本実施形態にかかる車両用操舵装置の動作例(作用)について説明する。
例えば車両走行時に転舵輪9が縁石に乗り上げるなどして操舵伝達系に逆入力トルクが働いたとする。このとき、伝達比可変装置30に設けられているモータ32の回転軸32aの角速度が閾値ωth以上になると、操舵伝達系に逆入力トルクが働いたことが検出されて、伝達比可変装置30の伝達比が所定値Raに設定される。これにより、第2シャフト4bの角速度よりも第1シャフト4aの角速度が遅くなるため、ステアリングホイール1が操舵限界位置まで回転してその回転運動が停止した際に操舵伝達系に働く衝撃力を低減することができる。
なお、図中に示すように、コラムシャフト3にモータ21が連結されている場合、逆入力トルクがコラムシャフト3及びギア機構22を介してモータ21に伝達され、モータ21のロータ(図示略)が逆入力トルクによって回されるおそれがある。このモータ21の回転は、操舵限界位置において、ステアリングホイール1及びコラムシャフト3の回転運動と同様に停止されるが、逆入力トルクによって回されたモータ21の慣性に起因する衝撃力がギア機構22を介してコラムシャフト3に作用する。このため、より大きな衝撃力が操舵伝達系に働くおそれがある。
この点、本実施形態の車両用操舵装置によれば、伝達比可変装置30の伝達比が所定値Raに設定されることにより、コラムシャフト3の角速度が遅くなるため、モータ21に伝達される逆入力トルクも小さくなる。その結果、逆入力トルクによって回されたモータ21の慣性に起因する衝撃力を低減することもできる。よって、このようなコラムシャフト3にアシスト力を付与するパワーステアリング装置20にあっては、本実施形態のような構成を採用することが特に有効となる。
以上説明したように、本実施形態にかかる車両用操舵装置によれば、以下のような効果が得られるようになる。
(1)転舵輪9側から操舵伝達系に伝達される逆入力トルクを検出したとき、インターミディエイトシャフト4の転舵輪9側の第2シャフト4bの角速度よりもステアリングホイール1側の第1シャフト4aの角速度が遅くなるように伝達比可変装置の伝達比を設定することとした。これにより、ステアリングホイール1が操舵限界位置まで回転したときに操舵伝達系に働く衝撃力を低減することができるようになる。
(2)第2シャフト4bの角速度の検出を、回転角センサ41を通じて検出されるモータ32の回転軸32aの角速度を求めることで行うこととした。そして、モータ32の回転軸32aの角速度に基づいて逆入力トルクを検出することとした。これにより、転舵輪9側から操舵伝達系に伝達される逆入力トルクを容易且つ的確に検出することが可能となる。また、第2シャフト4bの角速度を検出するための新たなセンサを設ける必要がなくなるため、構造の簡素化、並びにコストの低減を図ることができるようになる。
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、回転角センサ41を通じて検出されるモータ32の回転軸32aの角速度に基づいて第2シャフト4bの角速度を検出することとしたが、これに代えて、例えば第2シャフト4bの角速度を検出するセンサを新たに設けてもよい。また、コラムシャフト3あるいはピニオンシャフト5の角速度を検出するセンサを新たに設け、これらのシャフトの角速度に基づいて逆入力トルクを検出してもよい。
・上記実施形態では、転舵輪9側から操舵伝達系に伝達される逆入力トルクを検出したとき、伝達比可変装置30の伝達比を固定値Raに設定することとしたが、これに代えて、例えばモータ32の回転軸32aの角速度が大きいほど伝達比が大きくなるように設定してもよい。要は、転舵輪9側から操舵伝達系に伝達される逆入力トルクを検出したとき、インターミディエイトシャフト4の転舵輪9側の第2シャフト4bの角速度よりもステアリングホイール1側の第1シャフト4aの角速度が遅くなるように伝達比可変装置30の伝達比を設定するものであればよい。
・第2シャフト4b又はピニオンシャフト5に働くトルクを検出するトルクセンサを新たに設け、このトルクセンサを通じて検出されるトルクに基づいて逆入力トルクを検出してもよい。また、トルクセンサ10を通じて検出されるトルク、すなわちコラムシャフト3に働くトルクに基づいて逆入力トルクを検出してもよい。さらに、ラック軸7に加わる衝撃力を検出する軸力センサを新たに設け、このセンサを通じて検出される衝撃力に基づいて逆入力を検出してもよい。
・上記実施形態では、ステアリングシャフト2において、モータ21よりも転舵輪9側に伝達比可変装置30を配置することとしたが、これに代えて、モータ21よりもステアリングホイール1側に伝達比可変装置30を配置してもよい。
・上記実施形態では、伝達比可変装置30をインターミディエイトシャフト4に設けることとしたが、例えばコラムシャフト3やピニオンシャフト5に伝達比可変装置30を設けてもよい。
・上記実施形態では、パワーステアリング装置20が、モータ21の駆動力をアシスト力として利用する、いわゆる電動パワーステアリング装置であったが、これに代えて、例えば油圧をアシスト力として利用する油圧式のパワーステアリング装置であってもよい。
・上記実施形態のパワーステアリング装置20は、コラムシャフト3にモータ21のアシスト力を付与する構成であったが、アシスト力の付与は操舵伝達系のいずれの箇所であってもよい。例えばピニオンシャフト5やラック軸7にアシスト力を付与する構成のパワーステアリング装置であってもよい。
<付記>
次に、上記実施形態及びその変形例から把握できる技術的思想について追記する。
(イ)請求項に記載の車両用操舵装置において、前記第1シャフトには、同第1シャフトにアシスト力を付与することにより前記ステアリングホイールの操作を補助するモータが更に設けられてなることを特徴とする車両用操舵装置。車両用操舵装置としては、ステアリングホイール側の第1シャフトにアシスト力を付与することによりステアリングホイールの操作を補助するモータを備える、いわゆるパワーステアリング装置がある。ところで、このようなパワーステアリング装置では、逆入力が第1シャフトを介してモータに伝達され、モータのロータが逆入力により回されるおそれがある。このモータの回転は、ステアリングホイールの操舵限界位置において、ステアリングホイール及び第1シャフトの回転運動と同様に停止されるが、逆入力によって回されたモータの慣性に起因する衝撃力がギア機構を介して第1シャフトに作用する。このため、より大きな衝撃力が操舵伝達系に発生するおそれがある。この点、上記構成によれば、前述した伝達比可変装置における伝達比の設定により第1シャフトの角速度が遅くなるため、モータに伝達される逆入力も小さくなる。その結果、逆入力によって回されたモータ21の慣性に起因する衝撃力を低減することができる。このため、第1シャフトにアシスト力を付与するパワーステアリング装置にあっては、請求項にかかる発明を適用することが特に有効である。
1…ステアリングホイール、2…ステアリングシャフト、3…コラムシャフト、4…インターミディエイトシャフト、4a…第1シャフト、4b…第2シャフト、5…ピニオンシャフト、6…ギアボックス、7…ラック軸、8…タイロッド、9…転舵輪、10…トルクセンサ、11…舵角センサ、12…車速センサ、13…車載ネットワーク、20…パワーステアリング装置、21…モータ、22…ギア機構、23…EPS制御装置、30…伝達比可変装置、31…差動機構、32…モータ、32a…回転軸、33…ハウジング、33a…上壁部、33b…連結部、34…第1のサーキュラスプライン、35…第2のサーキュラスプライン、36…フレクスプライン、37…波動発生器、38…連結部材、39…スパイラルケーブル装置、40…IFS制御装置、40a…メモリ、41…回転角センサ。

Claims (2)

  1. ステアリングホイール側の第1シャフトと転舵輪側の第2シャフトとの間の伝達比を可変とする伝達比可変装置と、
    前記転舵輪側から前記第2シャフトに伝達される逆入力を前記第2シャフトの角速度として検出する逆入力検出手段と、を備え、
    前記逆入力検出手段を通じて所定以上の逆入力となる所定以上の角速度が検出されるとき、前記第2シャフトの角速度よりも前記第1シャフトの角速度が遅くなるように前記伝達比を設定する
    ことを特徴とする車両用操舵装置。
  2. 前記伝達比可変装置は、前記第1及び第2シャフトのいずれか一方のシャフトの回転にモータの回転軸の回転を上乗せして他方のシャフトに伝達することにより前記伝達比を変更するものであり、
    前記モータは、前記回転軸の回転角を検出する回転角センサを有し、
    前記第2シャフトの角速度の検出は、前記回転角センサを通じて検出される前記回転軸の回転角についてその単位時間当たりの変化量を演算することにより行われる
    請求項に記載の車両用操舵装置。
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