JP7240924B2 - ステアリング装置 - Google Patents
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Description
また、特許文献2には、ラックバーに作用する軸力を用いて車両の直進状態を判定するとともに、判定された直進状態における舵角中点を用いて制御舵角中点を決定することが記載されている。
このようにタイロッドの軸力に左右差が存在する場合には、直進状態から転舵する場合の車両の応答性(応答遅れ)に左右で違いが生じ、例えばドライバが手動で操舵操作を行う場合には、ドライバが違和感や操縦安定性に関する不満感を覚える原因となる。
また、車両が自律的に転舵を行う運転支援制御や自動運転制御においても、タイロッドの軸力の左右差は、車線逸脱防止制御における左右の逸脱量の違いや、車線中央維持制御における車両のふらつきの原因となる。
これに対し、上述した従来技術のステアリング装置においては、ステアリングギアボックス内部のラックの軸力を用いて中立状態を判定しているため、ステアリングギアボックス内部のフリクションの中点のみしか検出することができず、タイロッドの軸力に左右差があったとしても看過してしまう問題があった。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、直進状態から左右に転舵開始する際の応答性を均一化したステアリング装置を提供することである。
請求項1に係る発明は、車輪が回転可能に取り付けられ所定の軸回りに転舵方向に回動可能に支持されたハウジングと、モータにより駆動され車幅方向に並進するステアリングラックを有するステアリングギアボックスと、車幅方向外側の端部が前記ハウジングに連結されるとともに車幅方向内側の端部が前記ステアリングラックに連結されたタイロッドと、前記モータを制御するモータ制御部とを備えるステアリング装置であって、前記タイロッドに作用する力を検出するタイロッド作用力検出部と、車両の直進状態を判別する直進状態判別部とを備え、前記モータ制御部は、前記直進状態において前記タイロッドに作用する力の左右差が所定値以上となった場合に、前記モータの制御における中立時の出力軸角度位置を前記左右差が減少する方向に補正することを特徴とするステアリング装置である。
これによれば、車両の直進状態を判別した際に、タイロッドに作用する力の左右差を減少するようにモータの中立時の出力軸角度位置を左右差が減少する方向に補正することにより、旋回開始時の応答遅れの左右差を低減することができる。
これによれば、旋回開始時の応答遅れの左右差をより低減することができる。
これによれば、例えばロードセルや歪みゲージ等の既存のセンサを用いて、タイロッドに作用する力を簡単かつ精度よく検出し、上述した効果を確保することができる。
これによれば、ステア・バイ・ワイヤ式の構成とした場合に、ドライバによる操舵操作に対する車両応答の左右差を抑制することができる。
実施形態のステアリング装置1は、例えば乗用車等の自動車に設けられ、操舵輪である前輪を操向するものである。
図1は、実施形態のステアリング装置の構成を模式的に示すブロック図である。
ステアリングホイール10は、車両の車室内において、運転席と対向して配置されている。
ステアリングホイール10には、ステアリングシャフト11、舵角センサ12、トルクセンサ13が設けられている。
舵角センサ12は、ステアリングシャフト11の中間部に設けられ、ステアリングシャフト11の回転角度位置を検出する操舵操作量検出部である。
トルクセンサ13は、ステアリングシャフト11の中間部であって、舵角センサ12に対して反力発生装置20側の領域に設けられ、ステアリングシャフト11に負荷されるトルク(ドライバによるステアリングホイール11の操作力又は保持力)を検出するものである。
舵角センサ12、トルクセンサ13の出力は、ステアリング制御ユニット80に伝達される。
反力発生装置20の出力軸部は、ステアリングシャフト11のステアリングホイール10側とは反対側の端部に接続されている。
ラック軸30は、車体に対して車幅方向に並進可能に支持されている。
ラック軸30の一部には、ピニオンシャフト73のピニオンギアと噛合うラックギア31が形成されている。
ラック軸30は、ステアリングシャフト20の回転に応じて、ピニオンギアによってラックギア31が駆動され、車幅方向に沿って並進(直進)する。
ラックハウジング40は、ラック軸30、ピニオンシャフト73等と協働して、ステアリングギアボックスを構成する。
ラックハウジング40の両端部には、ラックブーツ41が設けられている。
ラックブーツ41は、ラックハウジング40に対するタイロッド50の相対変位を許容しつつ、ラックハウジング40内へのダスト等の異物の侵入を防止する部材である。
ラックブーツ41は、例えばエラストマー等の樹脂系材料によって、可撓性を有する蛇腹筒状に形成されている。
タイロッド50の車幅方向内側の端部は、ボールジョイント51を介して、タイロッド30の端部に揺動可能に連結されている。
タイロッド50の車幅方向外側の端部は、ボールジョイント52を介して、ハウジング60のナックルアーム61に連結されている。
タイロッド50とボールジョイント52との接続部には、トーイン調整用のターンバックル機構が設けられる。
軸力センサ53は、例えば、タイロッド50の軸力に応じた電気的信号を発生するロードセルを有して構成されている。
軸力センサ53の出力は、ステアリング制御ユニット80に伝達される。
ハウジング60は、車軸に対して前方側に突き出して形成されたナックルアーム61を有する。
ハウジング60は、所定の回転中心軸であるキングピン軸回りに回動可能に支持されている。
キングピン軸は、例えば、車両のフロントサスペンションがマクファーソン式ストラット式である場合には、ストラットトップマウントのベアリング中心と、ハウジング60下部とロワアーム120とを接続するボールジョイントの中心とを結んだ仮想軸である。この点について、後に詳しく説明する。
ハウジング60は、タイロッド50を介してラック軸30により車幅方向に押し引きされることにより、キングピン軸回りに回動し、車輪Wを転舵させる。
アクチュエータユニット70は、モータ71、ギアボックス72、ピニオンシャフト73等を有して構成されている。
モータ71は、ピニオンシャフト73に与えられる駆動力を発生する電動アクチュエータである。
モータ71は、回転方向及び出力トルクを、ステアリング制御ユニット80によって制御している。
モータ71の出力軸角度位置(回転角)は、ステアリング制御ユニット80にフィードバックされるよう構成されている。
ギアボックス72は、モータ71の回転出力を減速(トルク増幅)してピニオンシャフト73に伝達する減速ギア列を備えている。
ピニオンシャフト73は、ギアボックス72を介してモータ71により回転駆動される回転軸である。
ピニオンシャフト73の先端部には、ラック軸30のラックギア31と噛み合ってラック軸30を駆動するピニオンギアが形成されている。
ステアリング制御ユニット80は、例えば、CPU等の情報処理部、RAMやROM等の記憶部、入出力インターフェイス、及び、これらを接続するバス等を有して構成されている。
車速センサ81は、車両の走行速度を検出するものである。
車速センサ81は、例えば、車輪のハブ部に設けられ、車輪の回転速度に比例した周波数の車速信号を発生する。
ヨーレートセンサ82は、車体の鉛直軸回りの自転速度であるヨーレートを検出するものである。
横加速度センサ83は、車体に作用する車幅方向の加速度(横G)を検出するものである。
これらのセンサの出力は、ステアリング制御ユニット80に伝達される。
また、車両の自動運転時においては、ステアリング制御ユニット80は、図示しない自動運転制御装置から与えられる指令に基づいて、モータ71に与えられる指令値を設定する。
また、ステアリングホイール10が中立位置にある車両の直進状態(舵角センサ12の出力値が直進状態に相当する値である場合)においては、ステアリング制御ユニット80は、モータ71の出力軸の角度位置を、所定のゼロ点(中点・中立時の角度位置)となるように制御する。
このゼロ点は、車両の直線走行時に、左右のタイロッド50の軸力が実質的に同等となるように適宜補正される。
ステアリング制御ユニット80は、本発明にいうモータ制御部として機能する。
この点については後に詳しく説明する。
図2は、実施形態のステアリング装置が設けられる車両のフロントサスペンションを車幅方向外側から見た図である。
実施形態において、フロントサスペンションは、例えば、マクファーソンストラット式のものである。
ストラット110は、ショックアブソーバ111、スプリング112、トップマウント113を備えている。
ショックアブソーバ111は、油圧式の緩衝装置(ダンパ)であって、そのロッドの軸線方向は、下端部に対して上端部が車幅方向内側でありかつ後方側となるように傾斜して配置されている。
シェルケース111は、ショックアブソーバ111のバネ下側に設けられる外筒であって、転舵時にハウジング60と連動してキングピン軸A回りに回転する回転部である。ここで、本明細書において「バネ下側」とは、フロントサスペンション100のストローク(ショックアブソーバ111及びスプリング112の伸縮)に応じて車輪Wと連動して車体に対して相対変位する部分を指すものとする。
ハウジングブラケット111bは、シェルケース111aの下端部に固定され、シェルケース111aとハウジング60とを固定するものである。
スプリングシート111cは、スプリング112の下端部と当接するものであって、シェルケース111aの上端部側の外周面から外径側につば状に張り出して形成されている。
スプリング112は、上端部がトップマウント113に設けられたスプリングシート113aと当接し、下端部が上述したショックアブソーバ111のスプリングシート111cと当接して配置されている。
A:キングピン軸
B:タイヤ垂直荷重(FZはBのスカラ量)
PA:キングピン軸上の任意の点(一例としてトップマウントベアリング中心)
PB:タイヤ垂直荷重上の任意の点(一例としてタイヤ接地点)
l:AとBとの最短距離
F’Z:キングピンを回すためのFzの成分
L:ナックルアーム長
・車体の寸法ばらつき
・サスペンションの組み付けばらつき
・タイヤの経年変化(摩耗等)
・サスペンション構成部材(ブッシュ等)の劣化
・タイヤ交換
・サスペンション部品の交換
・タイヤの空気圧、温度の変化
・乗車人員、乗車場所などの積載条件の変化
図3は、実施形態のステアリング装置におけるモータのゼロ点補正時の動作を示すフローチャートである。
以下、ステップ毎に順を追って説明する。
ステアリング制御ユニット80は、車速センサ81が車両の所定速度以上の走行状態を検出した場合に、ヨーレートセンサ82及び横加速度センサ83の出力に基づいて、車両の直進状態を判別する。
このとき、ステアリング制御ユニット80は、車両の直進状態を判別する直進状態判別部として機能する。
例えば、ヨーレートγが所定値以下(例えば、略ゼロ)であり、横加速度Gyが所定値以下(例えば、略ゼロ)である場合に、ステアリング制御ユニット80は直進状態を判定してステップS02に進み、その他の場合はステップS01を繰り返す。
ステアリング制御ユニット80は、左のタイロッド50の軸力FLと、右のタイロッド50の軸力FRとを比較する。
軸力FL,FRの差が所定値以下(例えば、軸力FL,FRが略一致)である場合は、ステップS04に進み、その他の場合はステップS03に進む。
ステアリング制御ユニット80は、モータ71の出力軸の回転角δを、軸力FL,FRが一致する方向に変化させる。
その後、ステップS02に戻り、以降の処理を繰り返す。
ステアリング制御ユニット80は、ステップS03において左右のタイロッド50の軸力FL,FRが実質的に一致した際(つり合った際)の回転角δを、ステアリングホイール10が中立位置にあるときの回転角であるゼロ点(中点)として再定義する補正を行う。
その後、一連の処理を終了(リターン)する。
図4において、横軸はモータ71の出力軸の回転角δを示し、縦軸はモータ71のトルクを示している。
図4に示すように、直進状態からモータ71の駆動を開始すると、回転角δの変化が微小な領域においてトルクが大きく変化し、その後回転角δの変化が大きくなる。
ここで、回転角δは、ギア比を考慮して換算することにより、舵角と読み換えることができる。
一方、モータ71のトルクは、ギア比を考慮して換算することにより、タイロッド50の軸力と読み換えることができる。
この状態から左右へ転舵を行った場合、左転舵と右転舵とで実際に舵角が発生するタイミングにずれ(時間応答遅れ)が生じることになる。
これに対し、図4に示す補正後のゼロ点をもとにステアリング装置1の制御を行った場合、左右いずれに転舵する場合であっても、時間応答遅れを実質同等として、車体、サスペンション、タイヤ等のばらつきが発生した場合であっても、旋回開始時の実舵角の応答遅れの左右差を抑制することができる。
(1)車両の直進状態を判別した際に、タイロッド50に作用する力の左右差を減少するように、モータ71の中立時の出力軸の回転角δを、左右差が減少する方向に補正することにより、旋回開始時の応答遅れの左右差を低減することができる。
(2)回転角δの補正を、タイロッド50に作用する力の左右差が実質的になくなるように行うことにより、旋回開始時の応答遅れの左右差をより低減することができる。
(3)タイロッド50に作用する力として、タイロッド50の軸力を軸力センサ53により検出することによって、タイロッド50に作用する力を簡単かつ精度よく検出し、上述した効果を確保することができる。
(4)ステア・バイ・ワイヤ式のステアリング装置1において、ステアリングホイール10が中立位置にあるときのモータ71の回転角δ(中点)を、タイロッド50の軸力の左右差がなくなるよう補正することによって、ドライバによる操舵操作に対する車両応答の左右差を抑制することができる。
本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
(1)ステアリング装置、サスペンション装置、車両等の構成は、上述した実施形態に限定されず、適宜変更することが可能である。
例えば、実施形態においては、タイロッドに作用する力として、タイロッドの軸力をロードセルを有する軸力センサを用いて検出しているが、これに限らず、他の手法によりタイロッドの軸力を検出してもよい。例えば、タイロッドの軸力を、タイロッドの表面に貼付した歪みゲージを用いて検出してもよい。
また、タイロッドの軸力に代えて、ボールジョイントに作用する力を検出してもよい。
(2)実施形態のステアリング装置は、例えば単一のステアリングラックの左右に左右前輪を転舵するタイロッドが連結される構成であったが、本発明はこれに限らず、例えば、左右の前輪(操向輪)を、独立した操舵機構及びモータを用いて転舵するステアリング装置にも適用することが可能である。
(3)実施形態のステアリング装置は、例えば、タイロッドがキングピン軸の前方に配置されるものであったが、本発明は、タイロッドがキングピン軸の後方に配置される車両にも適用することができる。
11 ステアリングシャフト 12 舵角センサ
13 トルクセンサ 20 反力発生装置
30 ラック軸 31 ラックギア
40 ラックハウジング 41 ラックブーツ
50 タイロッド 51 ボールジョイント
52 ボールジョイント 53 軸力センサ
60 ハウジング 61 ナックルアーム
70 アクチュエータユニット 71 モータ
72 ギアボックス 73 ピニオンシャフト
80 ステアリング制御ユニット 81 車速センサ
82 ヨーレートセンサ 83 横加速度センサ
100 フロントサスペンション 110 ストラット
111 ショックアブソーバ 111a シェルケース
111b ハウジングブラケット 111c スプリングシート
112 スプリング 113 トップマウント
113a スプリングシート
120 ロワアーム W 車輪
A キングピン軸 B タイヤ垂直荷重
PA トップマウントベアリング中心 PB タイヤ接地点
Claims (4)
- 車輪が回転可能に取り付けられ所定の軸回りに転舵方向に回動可能に支持されたハウジングと、
モータにより駆動され車幅方向に並進するステアリングラックを有するステアリングギアボックスと、
車幅方向外側の端部が前記ハウジングに連結されるとともに車幅方向内側の端部が前記ステアリングラックに連結されたタイロッドと、
前記モータを制御するモータ制御部と
を備えるステアリング装置であって、
前記タイロッドに作用する力を検出するタイロッド作用力検出部と、
車両の直進状態を判別する直進状態判別部とを備え、
前記モータ制御部は、前記直進状態において前記タイロッドに作用する力の左右差が所定値以上となった場合に、前記モータの制御における中立時の出力軸角度位置を前記左右差が減少する方向に補正すること
を特徴とするステアリング装置。 - 前記モータ制御部は、前記直進状態における左右の前記タイロッドに作用する力を実質的に一致させるよう前記補正を行うこと
を特徴とする請求項1に記載のステアリング装置。 - 前記タイロッド作用力検出部は、前記タイロッドの長手方向に沿って作用する軸力を検出すること
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載のステアリング装置。 - ドライバにより操舵操作が入力される操舵入力部と、
前記操舵入力部の操作量を検出する操舵操作量検出部とを備え、
前記モータ制御部は、前記操舵操作量検出部の出力信号に応じて前記モータを制御するとともに、前記操作量が直進状態に相当する値であるときに前記モータを前記中立時の出力軸角度位置とすること
を特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のステアリング装置。
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