JP2006175980A - 車両用操舵装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 車両には、ステアリングホイール10に接続されたステアリングギヤボックス7と、ステアリングギヤボックス7の左右に接続されたアクチュエータ6,8と、が搭載される。アクチュエータ6,8は、車両旋回時に、コントロールユニット16の実舵角の調節指令に従って伸縮することで、旋回内輪の実舵角よりも、旋回外輪の実舵角を大きくする。これにより、荷重移動に伴って輪荷重が増大する旋回外輪に、より大きな横力を発生させることができるので、両輪の横力平均を高めることができ、より高横加速度領域でもコーナリングパワーが得られ、車両の操舵性に優れる。
【選択図】図1
Description
上述の問題点については、ステアリング特性がアッカーマンステアリング特性側に近づくほどその影響を受けやすい。
本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたものであり、旋回限界を高めることができる車両用操舵装置を提供する。
(第一実施形態)
図1に、第一実施形態にかかる車両用操舵装置の概略構成を示す。
図1の車両1には、車両前部にフロントサスペンションメンバ9が取り付けられており、これにサスペンションリンク20を介して、前右輪2及び前左輪3が取り付けられている。フロントサスペンションメンバ9には、ステアリングホイール10に接続されたステアリングギヤボックス7と、ステアリングギヤボックス7の左右に接続されたアクチュエータ6,8と、が搭載される。
ステアリングホイール20からの操舵入力は、ステアリングシャフト10aを介して、ラックアンドピニオンのラック21に伝達される。これにより、ラック21は、操舵角に応じた量だけ左右に変位する。
このアクチュエータ6,8は、油圧回路11からの作動油圧によって駆動され、当該油圧回路11からの作動油圧がコントロールユニット16からの指令値に応じて制御される。この油圧回路11は、各種の油圧源及び油圧制御弁を備えて構成される。
上述した一対のアクチュエータ6,8によって、本発明の舵角制御手段を構成している。
また、前述の構成では、ステアリングホイール10からの操舵入力は機械的接合により、ステアリングギヤボックス7へ入力しているが、本発明の適用はこのような構成に限定されない。例えば、ステアリングギヤボックス7を設けず、ステアリングホイール10からの操舵角をコントロールユニット16に入力して適切な実舵角を演算させ、これに基づきアクチュエータ6,8を動作させることで、左右前輪の実舵角を調節してもよい。
コントロールユニット16は、図3に示すように、本発明の横力和推定手段である横力和推定部16aと、本発明の各輪横力演算手段である各輪横力演算部16bと、本発明の輪荷重検出手段である輪荷重推定部16cと、本発明の最大横力推定手段である最大横力推定部16dと、各輪実舵角演算部16eと、の各機能ブロックを備え、実舵角の演算処理を実現する。これらは、例えば、1以上のサブルーチンプログラムとして構成され、これらプログラム群による一連の処理は所定時間毎(例えば、10msec毎)のタイマ割込み処理によって実行される。
Fyf=Kf(Ay)・{N・δH−β−(lf/V)・γ} ・・・(1)
ここで、Kf(Ay)は、横加速度の関数である前輪コーナリングパワーであり、Nは、ステアリングギヤボックスのギヤ比であり、βは車両横すべり角であり、lfは二輪モデルにおける前輪から車両重心までの距離である。
なお、上記Kf(Ay)は、横加速度の関数として、コントロールユニット16のメモリに予め記憶される前輪コーナリングパワーのモデルであり、本発明を適用した場合に左右輪の平均のコーナリングパワーとして算出される特性値である。図4には、本発明を適用した場合の左右輪の横力平均を示す(図中太線a)。これは、本発明を適用した場合に旋回外輪の横力と旋回内輪の横力との平均を、各横加速度において得たものであり、図中では各横加速度における旋回外輪の横力と旋回内輪の横力とを実線bで結んで示す。そして、図5の実線cで示すように、この横力平均の各横加速度における傾きが、前記前輪コーナリングパワーに相当する。
前記輪荷重推定部16cでは、横加速度センサ13から横加速度Ayの入力を受け、これに基づき左右各前輪の輪荷重を算出し、結果を最大横力推定部16dに出力する。輪荷重の算出は、旋回時のモーメントのつりあいより導出される図6に示すような横加速度倍数の一次式を用いて行う。なお、図6中、Wは車重、Woutは前旋回外輪輪荷重、Winは前旋回内輪輪荷重を示す。
2Fyf=Fyfin+Fyout ・・・(2)
また、本実施形態では、前内輪最大横力(Fyfin)max及び前外輪最大横力(Fyfout)maxの関係を下記式(3)のように規定する。
Fyfin Fyfout
――――――――― = ――――――――― ・・・(3)
(Fyfin)max (Fyfout)max
2Fyfin
Fyfin = ――――――――――――――――――Fyf ・・・(4)
(Fyfin)max+(Fyfout)max
2Fyfout
Fyfout = ――――――――――――――――――Fyf ・・・(5)
(Fyfin)max+(Fyfout)max
と表すことができ、横力輪推定部16aで算出された前輪の横力和を、左右でどのように分配するかを決定することができる。
具体的には、まず前内輪横力Fyfin、前外輪横力Fyfoutを発生するタイヤ横すべり角αin、αoutを求める。すなわち、輪荷重推定部16cで用いたものと同様のタイヤ特性値により、輪荷重推定部16cで算出した前左右各輪の輪荷重において、前内輪横力Fyfin及び前外輪横力Fyfoutを発生するタイヤ横すべり角αin、αoutを特定する。
δin = 1/N{αin−β−(lf/V)・γ} ・・・(6)
δout = 1/N{αout−β−(lf/V)・γ} ・・・(7)
さらに、実舵角δin、δoutと、ステアリングホイール10からの操舵入力により調節される舵角との差分を算出し、アクチュエータによる調節舵角Δδin,Δδoutを算出する。
そして、このアクチュエータによる調節舵角Δδin,Δδoutを所定の車輪に付加するための目標アクチュエータ位置を算出する。
以上がコントロールユニット16による実舵角の演算処理である。
車両の走行中に、ステアリングホイール10に操舵入力がなされると、ラック21が例えば右に変位し、左右前輪が左操舵される。コンロロールユニット16では、この旋回を検出し、車両状態量及び操舵角の入力に基づいて、実舵角の演算処理を行う。この結果、算出された実舵角δoutと現在の舵角とに差のある前右輪2が、アクチュエータ6の作動により、算出された実舵角δoutに調節される。一方、前左輪3は実舵角δinと現在の舵角とに差がないため、コントロールユニット16から実舵角の調節指令がなされず、アクチュエータ8は作動しない。これにより、図9に示すように、旋回外輪である前右輪2の実舵角が、旋回内輪である前左輪3の実舵角よりも大きく調節された状態で車両が旋回する。
図4(a)は、操舵輪で生じるタイヤ横力平均、タイヤ横すべり角及び横加速度の関係を示すグラフであり、本発明を適用した場合を実線aで、従来のパラレルステアリング方式を採用した場合を点線dで示す。同図から明らかなように、本発明を適用した場合には、従来技術に比べて横加速度が大きくなるまで飽和せず、例えば従来技術ではタイヤ横力平均が飽和し始める0.6Gよりも高い横加速度領域においても依然タイヤ横力平均の傾きが大きいことが確認される。図4(b)は、この違いを明らかにするために、0.6Gを超える横加速度(一点鎖線fで示す)でのタイヤ横力平均の傾きを取り出して示したグラフである。このタイヤ横力平均の傾きは、コーナリングパワーに相当するものであり、従って、本発明を適用した場合には車両が優れた操舵応答性を発揮することが分かる。
一般に、タイヤ横力とタイヤ横すべり角との関係においては、輪荷重の増加に従い発生するタイヤ横力も増加し、また最大横力を発生するタイヤ横すべり角も大きくなる。逆に、輪荷重が小さいと、小さなタイヤ横すべり角で最大横力になる(飽和する)。本発明はこれを利用したもので、図4に示すように、横加速度の増加に従い荷重移動により輪荷重が大きくなる旋回外輪のタイヤ横すべり角を大きくとり、両輪で発生すべき横力のうち旋回外輪で発生させる横力の割合を高めることで、より高い横加速度に対応してコーナリングフォースを発生できる。さらに、この横力を、左右各操舵輪で発生可能な最大横力に対する、当該輪で発生する横力の比が、左右操舵輪間で同等又は略同等となるように配分することで、横加速度の増加に従って旋回外輪で発生させる横力の割合を高め、また旋回内輪の飽和を遅らせることができる。これにより、本発明の効果は、横加速度の高い領域で顕著である。
次に、本発明の第二実施形態について説明する。
第二実施形態は、図10に示すとおり、ほぼ第一実施形態と同様の構成であるが、左右後輪5,4も左右独立に実舵角を決定可能な構成となっている点で異なる。第一実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。
左右後輪5,4はサスペンションリンク20を介して後部サスペンションメンバ17に取り付けられており、後部サスペンションメンバ17には後右輪4の実舵角を調節するアクチュエータ18、後左輪5の実舵角を調節するアクチュエータ19が取り付けられている。このアクチュエータ19,18は、タイロッド及びナックルアームを介して左右後輪5,4にそれぞれ接続されており、左右前輪3,2と同じ油圧回路11からの作動油圧によってそれぞれ駆動され、左右前輪3,2をそれぞれ操舵する。例えば、左後部のアクチュエータ19が伸長すると後左輪5が右操舵され、逆に収縮すると後左輪5が右操舵される。この油圧回路11は、左右前輪3,3と同じコントロールユニット16からの指令値に応じて制御される。
前記横力和推定部16aでは、後輪の横力和Fyrは、前述のように二輪モデルに置き換えて、下記式(8)を用いて算出する。
Fyr=Kr(Ay){δr−β−(lr/V)・γ} ・・・(8)
ここで、Kr(Ay)は、後輪コーナリングパワー(横加速度の関数)、δrは後輪平均実舵角、βは車両状態量から推定される車両横すべり角、lrは二輪モデルにおける後輪から車両重心までの距離である。
δr=δr(δH、Ay、γ、β、V) ・・・(9)
輪荷重推定部16c、最大横力推定部16dでは、輪荷重、最大横力を、前輪と同様にして算出し、各輪横力算出部16bでは、前記式(2)から式(5)を後輪へも適用することで、後輪内輪横力Fyrin、後輪外輪横力Fyroutを算出する。
δ´in = 1/N{α´in−β−(lr/V)・γ} ・・・(10)
δ´out = 1/N{α´out−β−(lr/V)・γ} ・・・(11)
図11に、後輪操舵車両で一般的に用いられている後輪同相操舵車両(同図(a))と後輪逆相操舵車両(同図(b))に本発明を適用した様子を示す。いずれの場合にも、旋回外輪の実舵各の方が大きい。このように、前輪及び後輪を操舵する場合に、前輪及び後輪ともに、旋回外輪の実舵角を旋回内輪の実舵角によりも大きくすることで、両輪操舵による効果を高めることができる。このため、両輪操舵により向上した分だけ、一方の輪、例えば後輪の操舵角を少なくさせることも可能となり、ユニットの軽量化、小型化も可能となる。
最後に、本発明の第三実施形態について説明する。
第三実施形態は、第一実施形態又は第二実施形態と同様の構成の車両に、さらに負のセルフアライニングトルク(以下、「SAT」と記す。)がステアリングホイール10に伝達されるのを防止するための手段を備える。
ここで、SATは、図12に示すような特性がある。正のSATは、タイヤ横すべり角が増加すると、タイヤ横すべり角を減らす方向に働くため(図12(b)参照)、その瞬間に力を加えていない状態であればステアリングホイールを元の位置に戻す特性がある。しかしあるタイヤ横すべり角がある大きさ以上になると、符号が負になる。負のSATは、図12に示すようにタイヤ横すべり角を増加させる方向に働くため、その瞬間に力を加えていない状態であればステアリングホイールは元の位置に戻らず、このためタイヤ横すべり角が増加してしまう。また、SATの方向が変わることで、ドライバーは所望の操舵角に合わせにくくなってしまう。
図13は、前右輪2を車両横方向から見た図であり、転舵軸であるキングピン軸が地面と交わる点と、車両横方向から見たタイヤ接地点と、の垂直距離であるキャスタトレールが、負のセルフアライニングトルクに起因して前輪の横すべり角を増加させる方向に作用する操舵トルクが生じるのを抑制する大きさとなっている。これにより、操舵角のコントロール性は向上する。
図14に示す車両には、ステアリングシャフト10aに補助トルクを付与する電動式パワーステアリング装置23が搭載されている。また、ステアリングシャフト10aの補助トルクが付与される部分よりもステアリングギヤボックス7側にはトルクセンサ24が設けられ、当該部分におけるトルクが検出されるようになっている。トルクセンサ24は、トルクTFを検出すると、その値をコントロールユニット25に出力する。コントロールユニット25は、トルクセンサ24により検出されたトルクTFに基づき、当該トルクと反対方向で、かつ、同じ又はそれ以上の補助トルクTPを付与するように電動式パワーステアリング装置23に指令を出力する。
なお、電動式パワーステアリング装置を例に説明したが、パワーステアリング装置は電動式に限定されず、例えば油圧式であってもよい。
2 前右輪
3 前左輪
4 後右輪
5 後左輪
6,8 アクチュエータ(前輪用)
7 ステアリングギヤボックス
9 フロントサスペンションメンバ
10 ステアリングホイール
10a ステアリングシャフト
16 コンロロールユニット(油圧回路用)
17 後部サスペンションメンバ
19,18 アクチュエータ(後輪用)
20 サスペンションリンク
20 ステアリングホイール
21 ラック
22 アクチュエータロッド
23 電動式パワーステアリング装置
24 トルクセンサ
25 コントロールユニット(電動式パワーステアリング装置用)
Claims (8)
- 左右対の操舵輪の実舵角を左右独立に調節可能な舵角制御手段を備える車両用操舵装置において、
前記舵角制御手段は、車両旋回時に、旋回内輪の実舵角よりも、旋回外輪の実舵角を大きくすることを特徴とする車両用操舵装置。 - 前記操舵角制御手段は、車両旋回時に、旋回内輪の実舵角よりも、旋回外輪の実舵角を旋回内外輪の輪荷重に基づいて、大きくすることを特徴とする請求項1に記載の車両用操舵装置。
- 左右各操舵輪の輪荷重を検出する輪荷重検出手段と、前記輪荷重検出手段により検出された輪荷重において左右各操舵輪が発生可能な最大横力を推定する最大横力推定手段と、
左右操舵輪がそれぞれ発生すべき横力の和である横力和を推定する横力和推定手段と、
左右各操舵輪毎の、前記最大横力推定手段により推定された最大横力に対する左右各操舵輪で発生させる横力の比が、左右操舵輪間で同等又は略同等となるように、前記横力和推定手段が推定した横力和を左右各操舵輪に分配することで、前記左右各操舵輪で発生させる横力を算出する各輪横力演算手段と、を備え、
前記舵角制御手段は、前記各輪横力演算手段で算出した横力を前記左右各操舵輪が発生するように前記左右各操舵輪の実舵角を調節することを特徴とする請求項1に記載の車両用操舵装置。 - 車両状態量を検出する車両状態量検出手段と、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、を備え、
前記横力和推定手段は、前記車両状態量検出手段により検出された車両状態量及び前記操舵角検出手段により検出された操舵角に基づいて、前記横力和を推定することを特徴とする請求項3に記載の車両用操舵装置。 - 前記車両状態量は、横加速度、車両横すべり角、ヨーレート、及び、車両速度であることを特徴とする請求項4に記載の車両用操舵装置。
- キャスタートレールが設けられた車両用操舵装置において、
前記キャスタートレールは、前記操舵輪の横すべり角を増加させる方向に作用するセルフアライニングトルクに起因してステアリングホイールにトルクが伝達されるのを抑制可能な大きさであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の車両用操舵装置。 - 操舵系に補助トルクを付加するパワーステアリング装置を備えた車両用操舵装置において、
前記補助トルクは、車両旋回時、前記操舵輪の横すべり角を増加させる方向に作用するセルフアライニングトルクに起因してステアリングホイールに伝達されるトルクを打ち消すトルクであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の車両用操舵装置。 - 前輪及び後輪のそれぞれが前記操舵輪であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の車両用操舵装置。
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