JP2006175925A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステアバイワイヤシステムを採用した車両操舵装置において、システムの小型化を行うと共に、システム失陥時の良好なフェールセーフを実現することのできる車両操舵装置を提供する。
【解決手段】ステアリングホイール１２に操舵伝達機構１４を介して、第１車輪１６を機械的に結合する。一方、他方の第２車輪２０には、第１車輪１６の転舵状態に応じて駆動する転舵アクチュエータ２２を結合する。運転者は、操舵伝達機構１４に結合した第１車輪１６を直接操舵することにより、常時第１車輪を自らの意志で転舵することができる。一方、転舵アクチュエータ２２に結合した第２車輪２０は、第１車輪１６の転舵状態に応じて、また、車両の状態に応じてＥＣＵ２４により計算された操舵角に応じ操舵され、第１車輪１６、第２車輪２０により車両の走行状態や旋回状態に適した転舵を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用操舵装置、いわゆるステアバイワイヤシステムを採用した車両用操舵装置の改良に関する。

近年、いわゆるステアバイワイヤシステムと称される自動車の操舵に関するシステムが実用化へ向けて種々開発されている。従来の車両は、ステアリングホイールと操舵輪がラック＆ピニオンのような機構を通じて機械的に結合されているものが一般的である。しかし、ステアバイワイヤシステムにおいては、これらの機械的接続はなく、運転者からの入力、例えばトルクや操舵角度をセンサで検出し、また他の車両センサからの情報とあわせて、車両の走行状態に適した舵角を求め、その舵角指令値を操舵用アクチュエータに送り、実際に車輪の転舵を行うものである（例えば、特許文献１参照）。

また、左右の操舵輪の個別に操舵用アクチュエータを設け、左右異なる舵角を任意に実現するシステムもある（例えば、特許文献２参照）。

このような、ステアバイワイヤシステムを採用することにより、車両の高精度の姿勢制御が容易に行えたり、自動操舵を実現する場合にもステアリングホイールの挙動に違和感を与えないようにすることなどが可能になる。
特開２００１−１０６１１１号公報 特開２００３−１１２６５０号公報

ところで、ステアバイワイヤシステムを採用する場合、システムが失陥した場合に操舵性能を確保するために、ステアバイワイヤシステムとは別途にステアリングホイールと操舵輪とを機械的に結合する結合機構または、それに類する機構、いわゆるフェールセーフのための機構を準備しておくことが一般的である。

この場合、通常はステアバイワイヤシステムを利用するが、システム失陥時には、ステアリングホイールと操舵輪とを例えばクラッチ機構などを用いて機械的に結合する必要があった。その結果、通常は利用しない、バックアップ機構を含むこととなり、システムが大掛かりで複雑なものになってしまう傾向があった。

また、従来車両では操舵反力によって運転者は車両の走行状態などを知ることができたが、ステアバイワイヤシステムにおいては、機械的な結合がないため、ステアリングホイールに接続されたモータなどを駆動することによって仮想的な反力を再現する必要があり、良好な操舵感が容易に得られなかったり、さらにシステムの大型化を招いていた。

そこで、本発明は、上述の事情を鑑みてなされたものであり、ステアバイワイヤシステムを採用した車両操舵装置において、システムの小型化を行うと共に、システム失陥時の良好なフェールセーフを実現することのできる車両操舵装置を提供することを目的とする。

本発明の車両用操舵装置は、左右の操舵輪のうちいずれか一方の第１車輪に機械的に接続され前記操舵手段の操舵状態を伝達し、当該第１車輪の転舵を行う操舵伝達機構と、前記第１車輪と異なる第２車輪に接続され、当該第２車輪の転舵を行う転舵アクチュエータと、前記第１車輪の転舵状態に応じて前記転舵アクチュエータを制御する制御手段と、を含むことを特徴とする。

この態様によれば、左右のいずれか一方の車輪は、操舵伝達機構を介して常時機械的に結合される。つまり、通常利用する機構自体でフェールセーフ機構を構成するので、別途システム失陥時のフェールセーフ機構を設ける必要がなく装置全体を小型化することができる。また、操舵手段は、常時第１車輪側から操舵反力を取得することができるので、新たに反力生成機構を設けることなく、運転者に車両の走行状態を認識させることができる。

また、上記構成において、前記操舵手段は、操舵力の補助を行う操舵補助装置を含んでもよい。

ここで、操舵補助手段とは、例えばモータや油圧を用いた装置が利用可能であり、任意にトルクを発生し、操舵力の増減補助を行うことができるものが好ましい。この態様によれば、操舵手段に発生する操舵力を任意に制御し、運転者に適切な操舵反力を提供することができる。

また、上記構成において、前記操舵伝達機構が接続された第１車輪は、操舵手段が設けられた側の車輪であるようにすることができる。

この態様によれば、左右の車輪に関連する機械的構成を分離することになり、エンジンなど他の機械構成部品と車両用操舵装置を構成する機構部品の干渉を容易に回避することができると共に、各部品のレイアウトの自由度が向上する。

本発明によれば、ステアバイワイヤシステムを採用した車両の車両用操舵装置において、フェールセーフ機能を十分に確保しつつ、システムの小型化、簡略化を容易に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に基づいて説明する。

本実施形態の車両用操舵装置は、操舵手段に左右いずれか一方の操舵輪が操舵伝達機構を介して機械的に結合している。なお、本実施形態において、操舵伝達機構と結合する操舵輪を第１車輪と呼ぶ場合もある。一方、他方の操舵輪には、第１車輪の転舵状態に応じて駆動する転舵アクチュエータが結合している。なお、本実施形態において、転舵アクチュエータに結合する操舵輪を第２車輪と呼ぶ場合もある。運転者は、操舵伝達機構に結合した第１車輪を直接操舵することにより、常時第１車輪を自らの意志で転舵することができる。一方、転舵アクチュエータに結合した第２車輪は、第１車輪の転舵状態に応じて、また、車両の状態に応じて任意に転舵し、車両の走行状態や旋回状態に適した転舵を行う。

図１は、本実施形態の車両用操舵装置１０の構成概念を説明する構成概念図である。なお、図１には、前輪操舵タイプの車両の概念が示されている。上述のように、車両用操舵装置１０は、操舵手段として、例えばステアリングホイール１２が周知のラックアンドピニオン機構などで構成される操舵伝達機構１４を介して、左右の操舵輪のうち、一方の第１車輪１６に接続されている。つまり、運転者がステアリングホイール１２を操舵すると、その回転運動が操舵伝達機構１４により車幅方向の往復運動に変換され、タイロッド１８を進退させ第１車輪１６の転舵を行うことができる。

一方、第２車輪２０には、例えばモータなどで駆動する転舵アクチュエータ２２が接続されている。したがって、第２車輪２０は、転舵アクチュエータ２２の駆動量に基づく転舵を行うことができる。転舵アクチュエータ２２を制御する制御部（ＥＣＵ）２４は、操舵伝達機構１４や、その他ステアリングホイール１２からタイロッド１８の間のいずれかの位置に配置された舵角センサなどからの情報に基づき、第１車輪１６の転舵角に応じた第２車輪２０の転舵角の算出を行い、転舵アクチュエータ２２の駆動量を決定する。

また、本実施形態の車両用操舵装置１０には、運転者が操作するステアリングホイール１２の操舵力の補助を行う操舵補助装置として、電動パワーステアリングシステム（ＥＰＳ）２６が装着されている。ＥＰＳ２６は、ステアリングホイール１２に連設されるステアリングシャフト２８に取り付けられたホイールギア３０と、ホイールギア３０に噛合するウォームギア３２と、ウォームギア３２を回転駆動するモータ３４などで構成される。そして、操舵時には、モータ３４を駆動しアシストトルクを発生させ、ステアリングホイール１２操作力を軽減させている。

アシスト力の方向およびアシスト力の大きさは、操舵トルクセンサからの信号および車両に搭載された車速センサからの信号に基づいて、例えばＥＣＵ２４で決定することができる。そして、通常、車速が遅い時は、アシスト力を多くしてステアリングホイール１２の操舵抵抗を軽くし、容易にステアリングホイール１２の回転操作が可能になるようにしている。逆に、車速が速いときは、アシスト力を少なくしてステアリングホイール１２をの操舵抵抗を重くし、操舵安定性を向上させると共に、急ハンドル等を防止するようにしている。なお、ホイールギア３０は、ステアリングシャフト２８とステアリングホイール１２の間に設けられるステアリングコラムに取り付けられる場合もある。

このように構成される本実施形態の車両用操舵装置１０は、操舵伝達機構１４に結合した第１車輪１６を直接操舵することにより、運転者は常時第１車輪１６を自らの意志で転舵することができる。一方、転舵アクチュエータ２２に結合した第２車輪２０は、第１車輪１６の転舵状態に応じて、または、車両の状態に応じて任意に転舵し、車両の走行状態や旋回状態に適した車輪姿勢に制御される。すなわち、操舵輪の一方、つまり、第１車輪１６が機械的に常時運転者の意志により操舵可能であり、他方の操舵輪である第２車輪２０がステアバイワイヤシステムを採用した電気的制御により第１車輪１６に対して、独立的に任意に転舵制御されることが可能になる。

図２には、ＥＣＵ２４を中心として、各種センサや駆動するアクチュエータなどの関連を説明するブロック図が示されている。

前述したように、ＥＣＵ２４には、ＥＰＳ２６のモータ３４や転舵アクチュエータ２２の制御量を演算するために、舵角センサ３６や操舵トルクセンサ３８からの検出情報が提供される。舵角センサ３６は例えば、タイロッド１８の一部に配置され、当該タイロッド１８の進退量および進退方向によって舵角を検出することができる。また、操舵トルクセンサ３８は、ステアリングシャフト２８や操舵伝達機構１４などに配置されている。この他、ＥＣＵ２４には、車速センサ４０や車輪速センサなど接続されている。

ＥＣＵ２４の内部には、ＥＰＳアシスト計算部２４ａと第２車輪２０の転舵角を算出する転舵角計算部２４ｂなどが含まれる。ＥＰＳアシスト計算部２４ａは、車速センサ４０から取得する現在の車両の速度や、舵角センサ３６から得られる操舵方向、操舵トルクセンサ３８から得られる第１車輪１６の現状の操舵トルクなどに基づき、目標トルクアシスト量を算出し、ＥＰＳのモータ３４を駆動する。この場合、アシストする車輪は第１車輪１６のみであり、従来２つの操舵輪を転舵する場合に比べ、半分のアシスト力の発生で済むため、従来より低出力で小型のモータ３４でＥＰＳ２６を構成することができる。

また、転舵角計算部２４ｂにも、舵角センサ３６や操舵トルクセンサ３８からの情報が提供され、第１車輪１６の転舵状態に応じて、第２車輪２０を転舵するように転舵アクチュエータ２２を駆動する。

図３に示すように、一般的に、車両４２が旋回をするとき、車輪に無理な力を与えないでなめらかに旋回できるようにするためには、各車輪４４，４６，４８，５０のアクスル中心線が車両の旋回中心Ｏを通らなければならない。また、後輪４８，５０のリアアクスルが操向されない場合、旋回中心Ｏはリアアクスルの延長線上に存在することになる。そのため、旋回時に内側の前輪４４が外側の前輪４６より大きく方向を変える必要がある。いわゆるアッカーマン率が最適になるようにタイロッドやナックルアームのどの設定を行う必要があった。

一方、本実施形態の場合、第２車輪２０は転舵アクチュエータ２２の制御により、第１車輪１６とは独立的に転舵するので、第１車輪１６と第２車輪２０とは常時最適なアッカーマン率を取得できるように転舵することことができる。つまり、ＥＣＵ２４の転舵角計算部２４ｂは、舵角センサ３６から得られる第１車輪１６の転舵方向と舵角に基づき、第２車輪２０の転舵方向と理想的な舵角を算出し、転舵アクチュエータ２２を駆動する。その結果、本実施形態の車両用操舵装置１０によれば、常時最適なアッカーマン率の設定が可能になり、スムーズな操舵を容易に実現することができる。

また、図４には、転舵アクチュエータ２２の構成概念説明図が示されている。転舵アクチュエータ２２は内部に、ブラシレスモータ５２、減速機５４、台形ねじ５６などを含む。ブラシレスモータ５２のインナーロータ５２ａは、当該インナーロータ５２ａ先端に減速機５４に含まれるサンギアが固着され、このサンギアの回転が２段の遊星歯車で減速され、キャリアを介して台形ねじ５６に伝達される。台形雌ねじ５６ａの回転は、台形雄ねじ５６ｂに伝達される。台形雄ねじ５６ｂは、ラック６０に固着されている。また、ラック６０は、回転方向をケース６２のスプラインで規制されている。その結果、ラック６０はインナーロータ５２ａの回転に応じて図４左右方向にストロークする。したがって、ＥＣＵ２４からの制御によりブラシレスモータ５２が回転制御されると、第２車輪２０が所定の方向に所定の角度で転舵される。

なお、本実施形態において、転舵アクチュエータ２２の駆動伝達系に台形ねじ５６が使用されているので、第２車輪２０側からの入力に対する力の伝達効率が低い、もしくはゼロとすることができるので、走行中の路面状態により第２車輪２０が不用意に振れることを低減することが可能となり、走行安定性の向上を行うことができる。

ところで、本実施形態においては、図１に示すように、操舵伝達機構１４が接続された第１車輪１６は、操舵手段であるステアリングホイール１２が設けられた側の車輪である。このようなレイアウトを採用することにより、左右の操舵輪１６，２０に関する機構を左右独立とすることが可能になり、例えば、エンジンマウントなどとの干渉を回避し、車両レイアウトの自由度を向上させることができる。つまり、従来のステアバイワイヤシステムのように、操舵輪と操舵手段が完全に分離された構成や、さらに左右の操舵輪の転舵アクチュエータが分離された構成のステアバイワイヤシステムが有している車両搭載部材のレイアウト自由度の向上という効果を維持することができる。

その上で、第１車輪１６には、操舵伝達機構１４を介して操舵手段であるステアリングホイール１２が機械的に常時接続されているので、仮に、転舵アクチュエータ２２やＥＣＵ２４がフェールし機能できなくなった場合でも、第１車輪１６はステアリングホイール１２により転舵可能となり、車両を安全な場所まで迅速に移動することができる。具体的には、転舵アクチュエータ２２がフェールし動作停止となった場合、例えば、スプリングなどの付勢手段を用いたリセット機構により第２車輪２０が中立位置、すなわち、直進方向に向くように固定する。この状態でステアリングホイール１２により操舵可能な第１車輪１６の転舵による車輪発生力のみで車両を旋回させ、車両を安全な場所まで迅速に移動させる。

また、ＥＰＳ２６のモータ３４がフェールし機能しなくなった場合には、モータ３４をフリーの状態になるように切り替えることにより、ステアリングホイール１２による第１車輪１６の操舵を妨げないようにする。このとき、第１車輪１６の操舵は、ＥＰＳ２６によるアシストが無くなり、操舵抵抗が大きくなるのみで操舵可能であり、また、第２車輪２０は第１車輪１６の操舵に応じて転舵アクチュエータ２２により操舵されるので、車両を安全な場所まで迅速に移動させることができる。なお、本実施形態においては、ステアリングホイール１２には、第１車輪１６のみしか接続されていないので、ＥＰＳ２６のフェール時に、ステアリングホイール１２にかかる操舵抵抗は、通常のＥＰＳのフェール時に左右２輪に操舵抵抗がかかる場合に比べ半分となるので、少ない操舵力でステアリングホイール１２の操舵が可能であり、ＥＰＳフェール時にも容易に車両の操縦を行うことができるという効果もある。

このように、本実施形態の車両用操舵装置１０は、常時第１車輪１６の機械的結合を維持できるので、従来のステアバイワイヤシステムのように、別途バックアップ用の機械的結合機構、例えば、クラッチ機構などを準備する必要がなくなり、システムの小型化、シンプル化を行うことができる。

さらに、本実施形態の車両用操舵装置１０は、転舵システムとして機械制御と電気制御の２重系の構成となり、システムフェール時の操舵機能確保を容易に行うことができる。

また、ステアリングホイール１２は常時、第１車輪１６からの反力を受けているので、ステアリングホイール１２に対する操舵反力に現実の車輪からの反力を反映することが可能となる。つまり、従来のステアバイワイヤシステムの場合、仮想的な操舵反力を一から生成する必要があったが、本実施形態の車両用操舵装置１０によれば、現実の反力を常時利用し、操舵感覚の向上も行うことができる。

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等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。例えば、図１において、ステアリングホイール１２と第１車輪１６との機械的接続を機械的ワイヤによるステア機構で構成しても本実施形態と同様な効果を得ることができる。また、本実施形態では、操舵伝達機構１４が接続された第１車輪１６をステアリングホイール１２側の車輪として説明したが、ステアリングホイール１２の配置側と異なる側に操舵伝達機構１４が接続された第１車輪１６を配置し、ステアリングホイール１２側に転舵アクチュエータ２２が接続された第２車輪２０を配置するようにしても本実施形態と同様な効果を得ることができる。また、図２に示す構成は、一例であり、ＥＰＳ２６のモータ３４や転舵アクチュエータ２２を上述の説明と同等に駆動できれば、使用するセンサや利用する情報の種類は任意である。また、ＥＣＵ２４内の構成も任意である。また、本実施形態では、前輪操舵タイプの車両に関して説明を行ったが、後輪操舵タイプの車両に本実施形態の技術を適用しても同様な効果を得ることができる。

さらに、本実施形態で利用したパワーステアリングシステムや転舵アクチュエータに関しても同様な機能を有するものであれば、適宜変更可能であり、例えば油圧を用いたシステムやアクチュエータを用いることも可能であり、同様な効果を得ることができる。

本実施形態に係る車両用操舵装置の構成概念を説明する構成概念図である。 本実施形態に係る車両用操舵装置のＥＣＵを中心とするブロック図である。 車両用操舵装置に関するアッカーマン率を説明する説明図である。 本実施形態に係る車両用操舵装置の転舵アクチュエータの概略構成を説明する説明図である。

符号の説明

１０ 車両用操舵装置、１２ ステアリングホイール、１４ 操舵伝達機構、１６ 操舵輪、１６ 第１車輪、１８ タイロッド、２０ 第２車輪、２２ 転舵アクチュエータ、２４ ＥＣＵ、２４ａ ＥＰＳアシスト計算部、２４ｂ 転舵角計算部、２６ ＥＰＳ、２８ ステアリングシャフト、３０ ホイールギア、３２ ウォームギア、３４ モータ、３６ 舵角センサ、３８ 操舵トルクセンサ、４０ 車速センサ。

Claims (3)

1. 操舵手段と、
   左右の操舵輪のうちいずれか一方の第１車輪に機械的に接続され前記操舵手段の操舵状態を伝達し、当該第１車輪の転舵を行う操舵伝達機構と、
   前記第１車輪と異なる第２車輪に接続され、当該第２車輪の転舵を行う転舵アクチュエータと、
   前記第１車輪の転舵状態に応じて前記転舵アクチュエータを制御する制御手段と、
   を含むことを特徴とする車両用操舵装置。
2. 前記操舵手段は、操舵力の補助を行う操舵補助装置を含むことを特徴とする請求項１記載の車両用操舵装置。
3. 前記操舵伝達機構が接続された第１車輪は、操舵手段が設けられた側の車輪であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の車両用操舵装置。

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