JPH02114064A - ステアリングギヤ比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、車両のステアリングホイール及び転舵輪間
の伝達比、所謂ステアリングギヤ比（操舵比）を制御す
るステアリングギヤ比制御装置の改良に関し、特に、操
舵周波数によらず、最適な操舵特性が得られるようにし
たものである。

〔従来の技術〕

車両のステアリングホイールと転舵輪との間の伝達比を
、例えば車速等に応じて適宜変更させると、高速走行時
の走行安定性や低速走行時の操作性等を向上させること
ができるため、従来から種々の技術が提案されている。

例えば特開昭６１−１９３９６９号公報に記載される技
術（第１従来技術）は、車両に発生するヨーレートゲイ
ン（即ち、ヨーレート／操舵角）が一定になるように、
車速に基づいてステアリングホイール及び転舵輪間の伝
達比を変更して、車両挙動の安定性を確保するようにし
ている。

また、特開昭６１−２１５１６８号公報や特開昭６２−
１８３６６号公報に記載される技術（第２従来技術）で
は、ステアリングホイールの転舵速度に応じて上記伝達
比を変更するようにしたものであって、これにより、例
えば緊象、回避時等に転舵輪を素早く転舵することがで
きた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記第１従来技術にあっては、操舵周波
数を無視した定常ヨーレートゲインのみに基づいて制御
を行うため、実際のヨーレートゲインは操舵周波数に応
じて変動してしまうので、常に一定のヨーレートゲイン
を得ることは不可能であるし、位相もずれてしまうとい
う未解決の課題があった。

また、上記第２従来技術にあっては、転舵速度に応じて
一律にステアリングギヤ比を変更するものであり、車両
の性能（特に、ヨー共振周波数）を考慮していなかった
ため、操舵周波数に応じてヨーレートゲインが変化する
と共に位相がずれてしまい、操舵特性が損なわれ、その
結果、良好な操舵感覚を得ることができないという未解
決の課題があった。

この発明は、このような従来技術における種々の未解決
の課題に着目してなされたものであり、操舵周波数が変
動しても、最適な操舵特性が得ら°れるステアリングギ
ヤ比制御装置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、この発明は、車両のステア
リングホイール及び転舵輪間の伝達比を変更可能なステ
アリングギヤ比可変手段と、前記車両の走行速度を検出
する車速検出手段と、前記ステアリングホイールの操舵
角を検出する操舵角検出手段と、前記車速検出手段の車
速検出値及び前記操舵角検出手段の操舵角検出値に基づ
いて前記ステアリングギヤ比可変手段を制御する制御手
段と、を備えたステアリングギヤ比制御装置において、
前記制御手段は、前記操舵角θ（Ｓ）及び前記転舵輪の
実舵角δ（Ｓ）間の伝達関数Ｇ　（Ｓ）が、（但し、Ａ
は車速に比例する係数、Ｂは車速と定常ヨーレートゲイ
ンの目標値との関数、Ｃは定常ヨーレートゲインの目標
値の関数、Ｄは車速と定常ヨーレートゲインの目標値と
の関数、Ｓはラプラス演算子である。）となるように前
記ステアリングギヤ比可変手段を制御するようにした。

〔作用〕

車両の走行速度が車速検出手段で検出され、ステアリン
グホイールの操舵角が操舵角検出手段で検出され、これ
ら雨検出手段の検出値が、制御手段に供給される。

また、制御手段では、両センサから供給される検出値に
基づいて、操舵角θ（Ｓ）及び転舵輪の実舵角δ（Ｓ）
間の伝達関数Ｃ（Ｓ）が上記（１）式となるようにステ
アリングギヤ比可変手段を制御して、ステアリングホイ
ール及び転舵輪間の伝達比を変更する。即ち、ステアリ
ングホイール及び転舵輪間の伝達比Ｎ　（Ｓ）は、下記
の（２）式のようになるから、これを満足するようにス
テアリングギヤ比可変手段を制御してやればよい。

Ｎ（Ｓ）＝Ｓθ（Ｓ）　／Ｓδ（Ｓ） ＝１／Ｇ（Ｓ）　　　　　　　　　　・・・・・・（２
）そして、伝達関数Ｇ　（Ｓ）が（２次／１次）の形式
であるから、制御系における入出力の次数がそろえられ
るので、上記（１）弐におけるＡ、Ｂ、Ｃ及びＤを車両
諸元を考慮して適宜選定することにより、操舵周波数に
よらずヨーレートゲインが一定になり、位相遅れが零と
なる。

〔実施例］ 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

先ず、構成を説明すると、第１図は、本発明を適用した
車両の概念図であり、上端にステアリングホイール１が
取り付けられた入力側ステアリングシャフト２の下端と
、下端が等速ジヨイント等を介して公知のラックピニオ
ン式ステアリング装置５のピニオン軸４に連結された出
力側ステアリングシャフト３の上端とが、ステアリング
ギヤ北回変装Ｗ７を介して連結されている。

このステアリングギヤ比可変装置７は、入力側ステアリ
ングシャフト２と一体に回動する入力側サンギヤ７ａと
、出力側ステアリングシャフト３と一体に回動する出力
側サンギヤ７ｂと、前記入力側サンギヤ７ａに噛合する
入力側プラネタリギヤ７Ｃと、この入力側プラネタリギ
ヤ７ｃと一体に同軸成形され且つ前記出力側サンギヤ７
ｂに噛合する出力側プラネタリギヤ７ｄと、これら両プ
ラネタリギヤ７ｃ及び７ｄを移動させるプラネタリキャ
リヤ７ｅとで構成されている。

この内、プラネタリキャリヤ７ｅは、入力側ステアリン
グシャフト２と同軸に設けられた可変速モータ日の出力
軸８ａに連結されていて、この可変速モータ８が後述す
る制御装置から供給される駆動電流によって駆動すると
、プラネタリキャリヤ７ｅも回動するから、上記プラネ
タリギヤ７ｃ及び７ｄが、上記サンギヤ７ａ及び７ｂ回
りを移動する。

ここで、ステアリングギヤ比可変装置７及び可変速モー
タ８によって、ステアリングギヤ比可変手段が構成され
る。

一方、ラックピニオン式ステアリング装置５は、前記ピ
ニオン軸４に噛合し且つこのピニオン軸４の回転力を軸
方向の力に変換するラック軸５ａを有していて、このラ
ック軸５ａの両端には、転舵輪としての前輪６，６を回
動自在に支持するナックル６ａ、６ａが連結されている
。

また、入力側ステアリングシャフト２には、ステアリン
グホイール１の操舵角を検出する操舵角検出手段として
の舵角センサ９が設けられていて、この舵角センサ９は
、例えば、入力側ステアリングシャフト２の回動位置を
検出し、その回動位置（即ち、操舵角）に応じたパルス
信号でなる舵角検出信号Ｄθを出力する。

さらに、車速を検出する車速検出手段としての車速セン
サ１０があり、この車速センサ１０は、例えば、図示し
ない変速機の出力軸の回転数を検出して、これに対応し
た周期パルス信号からなる車速検出信号ＤＶを出力する
。

そして、上記舵角センサ９及び車速センサ１０が出力す
る舵角検出信号Ｄθ及び車速検出信号ＤＶが供給される
制御手段としての制御装置１１が設けられている。この
制御装置１１は、図示しない入出力回路やマイクロコン
ピュータ等から構成されていて、供給される検出信号Ｄ
θ及びＤＶに基づいて所定の演算処理を実行し、可変速
モータ８に駆動電流Ｉ０を出力するものである。

ここで、入力側ステアリングシャフト２の回転速度をω
、出力側ステアリングシャフト３の回転速度をω。、プ
ラネタリキャリヤ７ｅの回転速度をωＣ，ステアリング
ギヤ比可変装置７の各ギヤ７ａ〜７ｄの歯数をそれぞれ
Ｚａ〜Ｚｄとすれば、これらの間には、下記の（３）式
のような関係がある。

ω。−Ｚ×ω＋　＋　（Ｉ　　Ｚ）　×ω。　・旧・・
（３）但し、Ｚ＝　（Ｚ−×Ｚｂ　）　／　（Ｚｃ　Ｘ
Ｚ、ｉ　）である。

そして、出力側ステアリングシャフト３及び前輪６間の
伝達比は車両諸元によって一定であるから、制御装置１
１は、この３及び６間の伝達比を考慮しつつ、ステアリ
ングホイールｌの操舵角及び前輪６の実舵角間の伝達関
数が、前記（１）弐を満足する、即ち、ステアリングホ
イール１及び前輪６間の伝達比が前記（２）式を満足す
るようにプラネタリキャリヤ７ｅの回転速度ω。を調整
して、出力側ステアリングシャフト３の回転速度ω。を
制御するものである。

次に、上記（１）式に示す制御伝達関数Ｇ　（Ｓ）の決
定方法について説明する。

先ず、通常の前輪操舵の４輪車両を、第２図に示すよう
な２輪モデルに置き換えて考える。但し、同図上方が前
輪、下方が後輪をそれぞれ表している。

そして、使用する記号の意味を以下のように統一する。

Ｍ：車両質量　Ｉ：ヨー慣性モーメントＩ！：ホイール
ベース　ａ：重心点〜前輪間距離ｂ二重心点〜後輪間距
離　φ：ヨーレート９：重心点横移動速度　α：重心点
横加速度Ｆｆ　：前輪横力（２輪分） Ｆ、、：後輪横力（２輪分） Ｃｆ　：前輪等価コーナリングパワー（２輪分）Ｃ１：
後輪等価コーナリングパワー（２輪分）βｔ　：前輪横
すべり角　βＦ　＝後輪横すべり角β：重心点横すべり
角　δ：前輪実舵角Ｖ：車速　　　　　　　Ｓニラプラ
ス演算子すると、第２図に示すモデルの運動方程式は、
下記の（４）及び（５）式のようになる。

Ｍα＝Ｍ　（５Ｆ＋Ｖφ）＝Ｆ、＋Ｆ、　　　　・・・
・・・（４）■φ＝　ａ　Ｆｆ−ｂ　Ｆｒ−−・・−・
−（５）また、前輪横力Ｆｒ及び後輪横力Ｆ、は、下記
の（６）及び（７）式のようになる。

Ｆｒ＝Ｃｔβｔ ＝ｃｔＣδ−（９＋ａφ）／Ｖ）　　　・・−・−（６
）Ｆ、＝Ｃ，β。

＝　　Ｃｒ（ｙ　　ｂφ）／Ｖ　　　　　　・・・・・
・（７）ここで、伝達関数Ｇ　（Ｓ）の定義から、下記
の（８）式が成り立つ。

δ（Ｓ）　＝Ｃ（Ｓ）　　θ（Ｓ）　　　　　　　　　
　・・・・・・（８）そして、上記（４）〜（７）式を
、ラプラス変換表示でまとめると、下記の（９）及び０
０）式のようになる。

ＭＳ？（Ｓ）＋ＭＶφ（Ｓ） ＩＳφ（Ｓ） ■ そして、上記（９）及び０ω式に上記（８）式を代入し
てθ（Ｓ）で割ると、下記の（Ｉｎ及び０り弐のように
なる。

＝Ｃ，Ｇ（Ｓ） ・・・・・・ＯＤ るから、この式をθで割って、ラプラス変換すると、下
記の０ω式が求められる。

■　　　　　　　　θ（Ｓ） ＝　ａ　Ｃｔ　　Ｇ　（Ｓ）　　　　　　　”Ｑ７Ｊ続
いて、上記（１１）及び０２）式を解くと、下記の面及
び０４）式のようになる。

θ（Ｓ） ＭＩ（Ｓ２＋２　ξ　ω、ｌＳトωｎｚ）・・・・・・
圓 但し、 そして、上記０５）式に側及びＣ４）式を代入して整理
すると、下記の０６）式が求められる。

・・・・・・０６） さらに、車両重心点の横すべり角βは、β＝ｓ　ｉｎ−
’　□ｒ／Ｖ）３；／Ｖであるから、上記０４）式に基
づいて、下記の０η式が求められる。

θ（Ｓ） Ｖ　　θ（Ｓ） である。

また、重心点検加速度αは、α＝　ｙ　十ｖφであつま
り、ステアリング操作に対する応答の内、ヨ一応答は上
記０式、横Ｇ応答は上記０６）式、横滑り角の応答は上
記ｑ′ｒ）式によって求めることができる。

そこで、操舵周波数によらず、ヨーレートゲイン（ヨー
レート／操舵角）を一定に保つには、ヨ一応答を表す上
記０式において、Ｇ　（Ｓ）を１次進み、若しくは（２
次／１次）の形式にして、０■式の分子及び分母の次数
をそろえる必要がある。

先ず、Ｇ　（Ｓ）を１次進み（ＴＳ＋Ｋ）と設定し、こ
れについて考えてみる。

上記（１３）式（７）　Ｇ　（Ｓ）を（ＴＳ＋Ｋ）とし
、ソノ式の出力（φ（Ｓ）／θ（Ｓ））を定数（定常ヨ
ーレートゲインの目標値ψ。）とすれば、Ｓの次数に従
って、下記の（ａ）〜（Ｃ）の連立方程式が得られる。

Ｓ２：ψＪｌ　＝ａＣｒＭＴ　　　　　　　　　　　”
”　”’（ａ）形にして、未知数及び方程式の数をそれ
ぞれ４つとする。

即ち、Ｇ　（Ｓ）を上記（１）式に設定して上記０式に
代入し、且つその式の出力（φ（Ｓ）／θ（Ｓ））を定
数（定常ヨーレートゲインの目標値ψ、）とすれば、Ｓ
の次数に従って、下記の（ロ）〜（２）の連立方程式が
得られる。

３３、ψｏＭＩＡ−ａＣｒＭＢ　　　　　　　　　　”
”（ｄ）・・・・・・（ｅ） ・・・・・・（ｆ） しかし、上記連立方程式（ａ）〜（Ｃ）は、未知数がＴ
及びＫの２つに対し、方程式が３式あるため、これら３
式を同時に満足するＴ及びＫは無い。

従って、本実施例では、Ｇ　（Ｓ）を２次／１次の■ そして、上記連立方程式（ｄ）〜（６）をＡ−Ｄについ
て解けば、下記の（ロ）〜（ト）のようになる。

し、Ｌ このように、Ａは車速■に比例する係数、Ｂは車速■と
定常ヨーレートゲインの目標値ψ。との関数、Ｃは定常
ヨーレートゲインの目標値ψ。の関数、Ｄは車速■と定
常ヨーレートゲインの目標値ψ。との関数になっている
ことが判る。

つまり、定常ヨーレートゲインの目標値ψ。を任意に設
定すると共に、この目標値ψ。と車速■とから求められ
るＡ−Ｄによって決定される伝達関数Ｇ　（Ｓ）が成り
立つように、制御装置１１で可変速モータ８を制御する
ようにすれば、車両に発生するヨーレートゲイン（上記
０＄式参照）は適宜設定された目標値ψ。に一致するよ
うになる。

次に、上記実施例の動作を説明する。

第３図は、制御装置１１のマイクロコンピュータ内で実
行される処理手順を示したフローチャートである。

先ず、ステップ■において、舵角センサ９及び車速セン
サ１０から供給される舵角検出信号Ｄθ及び車速検出信
号ＤＶを読み込み、ステップ■に移行し、ステップ■で
読み込んだ各検出信号のパルス数又はパルス幅に基づい
て、操舵角θ及び車速■を算出する。

次いで、ステップ■に移行し、前記ステップ■で算出し
た車速Ｖに基づき、第４図実線に示すような記憶テーブ
ルを参照して、定常ヨーレートゲインの目標値ψ。を決
定する。なお、本実施例では、低速走行時の目標値φ。

を比較的大きく設定し、高速走行時のそれを比較的小さ
く設定しているが、このようにすると、低速走行時の旋
回性能が向上すると共に、高速走行時の安定性を高める
ことができる。なお、第４図破線は、制御を実施しない
場合における車速Ｖに対するヨーレートゲインの変化を
示したものである。

次いで、ステップ■に移行し、上記ステップ■で求めた
車速Ｖ及び上記ステップ■で決定された目標値φ。に基
づき、上記（ロ）〜（ト）式に従って、伝達間数Ｇ　（
Ｓ）に使用されるＡ−Ｄを算出する。

次い−で、ステップ■に移行し、前記ステップ■で求め
た操舵角θと、所定時間前の処理で算出された別の操舵
角との差から、操舵角速度６を算出する。また、ステッ
プ■では、この操舵角速度−と、所定時間前の処理で算
出された別の操舵角速度との差から、操舵角加速度ｉを
算出する。

そして、ステップ■に移行し、下記の０８）式を計算し
て、伝達関数Ｇ　（Ｓ）の分子に相当する値Ｗを求める
。

Ｗ＝Ｂｉ＋Ｃｄ＋Ｄθ　　　　　　　・・・・・・０８
）上記０８）式の右辺第１項が伝達関数Ｇ　（Ｓ）のＳ
２の項に対応し、第２項が同様にＳ′の項に、第３項が
同様に３０の項に対応している。

次いで、ステップ■に移行し、ステップ■で算出された
値Ｗを、伝達関数Ｇ　（Ｓ）の分母に相当する１次遅れ
フィルタ（１／ＡＳ＋１）でフィルタ処理を行う。つま
り、ステップ■及びステップ■の処理を実行することに
より、前輪６の目標舵角δ。が得られる。

そして、ステップ■で、ステアリングホイールｌの操舵
角θと、前輪６の目標舵角δ。との間の伝達比Ｎ（＝θ
／δ。）を求める。

ここで、ステップ■で求められる伝達比Ｎは、第５図に
示すように、車速■の増加と共に増加する傾向にあるも
のの、操舵周波数に応じて、その変化の仕方は大きく異
なる。

次いで、ステップ［相］に移行し、出力側ステアリング
シャフト３と前輪６との間の伝達比を考慮しつつ、入力
側ステアリングシャフト２及び出力側ステアリングシャ
フト３間の目標伝達比Ｎ０を求めて、プラネタリキャリ
ヤ７ｅの回転速度ω。を算出し、駆動電流■。を決定す
る６ 具体的には、上記（３）式において、入力側ステアリン
グシャフト２の回転速度ω、と出力側ステアリングシャ
フト３の回転速度ω。との比、即ち、ω「／ω０が、目
標伝達比Ｎ０に等しくなればよい。そこで、上記（３）
式にω。＝ω、／Ｎ０を代入して整理し、下記の０式を
求める。

そして、入力側ステアリングシャフト２の回転速度ω１
は、ステアリングホイール１の回転速度６に等しいこと
から、これを上記Ｏｇ）式に代入すればプラネタリキャ
リヤ７ｅの回転速度ω。が算出され、駆動電流■。を決
定することができる。

次いで、ステップ■に移行し、上記ステップ［相］で決
定された駆動電流１ｏを可変速モータ８に供給して、プ
ラネタリキャリヤ７ｅの回転速度を調整することにより
、入力側ステアリングシャフト２及び出力側ステアリン
グシャフト３間の伝達比を目標伝達比Ｎ０にし、もって
、ステアリングホイール１及び前輪６間の伝達比を上記
ステップ■で求めた伝達比Ｎにする。

このような制御を行うと、伝達関数Ｇ　（Ｓ）に使用さ
れるＡ−Ｄを上述したように設定しているから、車両に
発生するヨーレートゲインは、第４図実線に基づいて設
定された定常ヨーレートゲインの目標値ψ。に等しくな
るため、低速走行時にはヨーレートゲインが大きくなっ
てきびきびした走行をすることができるし、高速走行時
には逆にヨーレートゲインが小さくなって安定性の高い
走行をすることができる。しかも、定常ヨーレートゲイ
ンの目標値ψ。と車速との関係は任意に設定することが
できるから、所望する操舵特性を容易に実現することが
可能である。

また、ステアリングホイールｌ及び前輪６間の伝達比が
、第５図に示すように操舵周波数に従って適宜変化する
ため、本制御系におけるヨーレートゲインの周波数応答
は、第６図の実線で示すように、操舵周波数によらず一
定（所謂ヨーレートフラット制御が達成された状ａ）で
あり、位相がずれることもないから、ヨーレートが自然
に且つ素早く発生する。なお、第６図破線で示す特性は
従来技術の周波数応答である。

なお、上記実施例では、ステアリングギヤ北回変装Ｗ７
を、遊星歯車機構で構成した場合について説明したが、
これに限定されるものではなく、例えば、差動歯車機構
を用いることもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、ステアリングホ
イールの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達関数Ｇ　
（Ｓ）が、 θ（Ｓ）　　　　　　Ａ　−Ｓ　＋　１となるように、
ステアリングホイール及び転舵輪間の伝達比を制御する
ようにしたため、操舵周波数によらずヨーレートゲイン
を一定にして位相遅れをなくすことができるから、ヨー
レートを自然に且つ素早く発生させることができるし、
また、車速とヨーレートゲインの目標値との関係も任意
に設定できるから、例えば高速走行時の安定性を高める
一方で、低速走行時のきびきびした走りも実現できると
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は４輪
車両の等価的な２輪モデルを表す説明図、第３図は制御
装置内のマイクロコンビュータテ実行される処理手順を
示したフローチャート、第４図は車速と定常ヨーレート
ゲインの目標値との関係を示すグラフ、第５図は車速を
パラメータとした操舵周波数と伝達比との関係を示すグ
ラフ、第６図は本実施例の周波数応答を示すボード線図
である。 ｌ・・・ステアリングホイール、２・・・入力側ステア
リングシャフト、３・・・出力側ステアリングシャフト
、５・・・ラックピニオン式ステアリング装置、６・・
・前輪（転舵輪）、７・・・ステアリングギヤ比可変装
置、８・・・可変速モータ（７及び８でステアリングギ
ヤ比可変手段）、９・・・舵角センサ（操舵角検出手段
）、１０・・・車速センサ（車速検出手段）、１１・・
・制御装置（制御手段）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）車両のステアリングホィール及び転舵輪間の伝達
   比を変更可能なステアリングギヤ比可変手段と、前記車
   両の走行速度を検出する車速検出手段と、前記ステアリ
   ングホィールの操舵角を検出する操舵角検出手段と、前
   記車速検出手段の車速検出値及び前記操舵角検出手段の
   操舵角検出値に基づいて前記ステアリングギヤ比可変手
   段を制御する制御手段と、を備えたステアリングギヤ比
   制御装置において、 前記制御手段は、前記操舵角θ（Ｓ）及び前記転舵輪の
   実舵角δ（Ｓ）間の伝達関数Ｇ（Ｓ）が、Ｇ（Ｓ）＝δ
   （Ｓ）／θ（Ｓ）＝（Ｂ・Ｓ＾２＋Ｃ・Ｓ＋Ｄ）／（Ａ
   ・Ｓ＋１）（但し、Ａは車速に比例する係数、Ｂは車速
   と定常ヨーレートゲインの目標値との関数、Ｃは定常ヨ
   ーレートゲインの目標値の関数、Ｄは車速と定常ヨーレ
   ートゲインの目標値との関数、Ｓはラプラス演算子であ
   る。）となるように前記ステアリングギヤ比可変手段を
   制御することを特徴とするステアリングギヤ比制御装置
   。