JP2006347281A - 車両の操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両の旋回状態にて、車両に作用する車体の横滑り角分の横力の影響を積極的に低減し、車両の旋回時における挙動を安定させる車両の操舵装置を提供すること。
【解決手段】 電子制御ユニット４５は、ステップＳ１１にて、車体の横滑り角βを入力する。次に、電子制御ユニット４５は、ステップＳ１２にて、運転者によって入力された補正量Nを入力する。次に、電子制御ユニット４５は、ステップＳ１５にて、車体の横滑り角βに起因して車両に発生する横力を低減するために、操舵入力軸１２の回転量と所定の関係にある転舵出力軸１３の回転量（K1・θ）から補正項（N・β）を減算することにより、目標転舵角δaを計算する。そして、電子制御ユニット４５は、ステップＳ１６，１７にて、転舵出力軸１３に回転量が目標転舵角δaとなるまで、可変ギア比アクチュエータ２０の電動モータ２１を駆動制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、運転者によって回動操作される操舵ハンドルに一体的に接続される操舵入力軸と、転舵輪を転舵するための転舵機構に接続される転舵出力軸と、前記操舵入力軸の回転量に対して前記転舵出力軸の回転量を相対的に変化させる電気アクチュエータとを備えた車両の操舵装置に関する。

近年、車両の旋回状態における運動性能の向上と挙動安定性の向上を両立させる車両の操舵装置の開発は、盛んに行われている。そして、例えば、下記特許文献１に示されるような４輪操舵車両の操舵制御方法を採用した車両の操舵装置においては、前輪および後輪の舵力、横力または横滑り角のいずれかを検出し、前輪および後輪の舵力または横力がそれぞれ横滑り角に比例するものとして、前輪舵角を前輪操舵角に前輪横滑り角に比例する補正舵角を加算した値で制御し、後輪舵角を後輪横滑り角に比例して制御するようになっている。これにより、前輪の横滑り角および後輪の横滑り角に対する比例係数すなわち前輪転舵係数および後輪転舵係数をそれぞれ別個に可変制御することができるため、操舵に対するヨーイングモーメントの発生の位相の発生の遅れを防ぐことができるとともに、前後輪のコーナリングパワーのバランスを変えて、ステア特性を自由に制御できるようになっている。
特開平２−９５９８２号公報

ところで、車両が旋回するために必要な横力は、前後輪に装着されたタイヤと路面との間の摩擦力により与えられる。この旋回に必要な横力を詳細に考察すると、同横力は、４輪操舵車の場合には前後輪が転舵（前輪転舵車の場合には前輪が転舵）されることによって発生する転舵角分の横力と、前後輪（より詳しくは、タイヤ）が横滑り角を有することによって発生する横滑り角分の横力とが合算されたものとなる。そして、前後輪は車体に組み付けられているため、前後輪が横滑り角を有して車両が旋回状態にあれば、車体にも横滑り角が発生することになる。したがって、車両が旋回するために必要な横力は、転舵角分の横力と、車体が横滑り角を有することによって発生する横滑り角分の横力とが合算されたものともいえる。ここで、横滑り角は、車速が大きいほど大きく発生しやすく、横滑り角分横力は、前後輪のタイヤの横滑り角が大きいほど大きく発生する。

ここで、上記従来の操舵制御方法を採用した車両の操舵装置において、運転者が操舵ハンドルを操舵した場合には、前後輪が転舵されることにより、前後輪のタイヤの横滑り角が増加する。これにより、車両に作用する横力は、転舵角分の横力に対して、前後輪の増加した横滑り角分の横力が追加されるためにより大きな横力となり、車両はより旋回しやすくなる。言い換えれば、運転者が操舵ハンドルを操舵して前後輪が転舵された場合には、同転舵によって発生した車体の横滑り角分の横力が追加されて、前後輪が追加転舵された場合と同様になる。この場合、例えば、車両が高速走行している場合では、上記従来の操舵制御方法は、前後輪を同位相に転舵することにより、車体の横滑り角を小さくして、横滑り角分の横力の発生を抑制するようにしている。しかし、車体の横滑り角は小さくなるものの、後輪が転舵されることには変わりなく、前後輪に大きな横滑り角が発生して横力が生じるため、結果として、車両には運転者が意図しない大きな横力が作用することになる。

この点に関し、上記従来の操舵制御方法は、後輪の転舵を禁止するとともに、前輪の転舵角を、同輪に発生した横滑り角に比例する補正転舵角を加算することによって補正することもできる。しかしながら、この場合の補正は、前輪の横滑り角分の横力を低減するのみであって、車両の旋回に伴って転舵が禁止された後輪側で発生する横滑り角分の横力を低減する補正ではない。その結果、旋回状態にある車両の車体に発生した横滑り角を補正することができず、依然として、車両には、運転者が意図しない車体の横滑り角分の横力が作用することになる。

このように、運転者による操舵ハンドルの操舵に依存して発生する転舵角分の横力に対して、運転者が意図しない車体の横滑り角分の横力が付加される状況では、操舵ハンドルを操舵した以上に車両に横力が作用するため、舵が効きすぎる状態となる。この結果、車両のステア特性は、運転者が意図する旋回半径よりも小さな旋回半径で旋回する、所謂、オーバーステア特性となる可能性がある。このため、例えば、高速走行している場合や雪上、氷上を走行している場合には、運転を熟知した運転者であっても、車両の旋回時における挙動を安定させることが難しい。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、車両の旋回状態にて、車両に作用する車体の横滑り角分の横力の影響を積極的に低減し、車両の旋回時における挙動を安定させる車両の操舵装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、運転者によって回動操作される操舵ハンドルに一体的に接続される操舵入力軸と、転舵輪を転舵するための転舵機構に接続される転舵出力軸と、前記操舵入力軸の回転量に対して前記転舵出力軸の回転量を相対的に変化させる電気アクチュエータとを備えた車両の操舵装置において、車両が旋回状態にあるときに発生する車体の横滑り角を検出する横滑り角検出手段と、前記車体の横滑り角に起因して車両に発生する横力の前記車両の旋回状態に対する影響を低減するために、前記横滑り角検出手段により検出した車体の横滑り角に応じて定めた補正項を加味して、前記転舵出力軸の目標回転量を計算する目標回転量計算手段と、前記目標回転量計算手段によって計算した目標回転量に基づいて、前記電気アクチュエータの駆動を制御する駆動制御手段とを備えたことにある。この場合、前記目標回転量計算手段は、前記操舵入力軸の回転量に対して予め定められた関係にある前記転舵出力軸の回転量から、前記補正項を減ずることによって目標回転量を計算するとよい。

これらの場合、前記補正項は、旋回状態にある車両の前後輪と路面との間における摩擦力に基づいて車両の旋回中心方向に作用するコーナリングフォースを用いて計算される係数と前記検出した車体の横滑り角とを乗算して計算されるとよい。また、運転者によって操作されて、前記横力の車両の旋回状態に対する影響を低減する度合いを表す調整値を入力するための調整値入力手段を備え、前記補正項は、前記調整値入力手段を用いて入力された前記調整値と前記検出した車体の横滑り角とを乗算して計算されるとよい。

これらによれば、例えば、可変ギア機構を有する操舵装置やステアリングバイワイヤ方式の操舵装置など、操舵入力軸の回転量に対して転舵出力軸の回転量を相対的に変化させることが可能な操舵装置において、目標回転量計算手段は、車体に発生して横滑り角検出手段によって検出された車体の横滑り角に応じて定めた補正項を加味して、転舵出力軸の目標回転角を計算することができる。ここで、目標回転量の計算に際して、より具体的には、操舵入力軸の回転量に対して予め定めた関係（例えば、操舵入力軸の回転を転舵出力軸へ伝達する伝達比など）に基づいて回転された転舵出力軸の回転量から、補正項を減算して計算することができる。そして、駆動制御手段は、電気アクチュエータを駆動制御して、転舵出力軸を計算された目標回転量に回転させることができ、転舵輪は、転舵機構を介して伝達される目標回転量に対応する転舵角に転舵される。

このように、転舵出力軸の目標回転量を、車体に発生した横滑り角に応じて定めた補正項を加味して計算することにより、旋回状態にある車両に作用する運転者の意図しない横力の影響を低減することができる。この結果、運転者が操舵ハンドルを回動操作した場合には、見かけ上、この回動操作に基づく横力、すなわち、転舵角分の横力のみが車両に作用することになる。これにより、運転者の操舵ハンドルの操作に一致して、言い換えれば、操舵ハンドルを回動操作した分だけ車両を旋回させることができる。したがって、車両の運転を熟知していない運転者が、高速走行、雪上あるいは氷上を走行する場合であっても、車両の旋回時における挙動を安定させ、意のままに車両を運転することができる。

また、目標回転量を計算するための補正項は、前後輪のコーナリングフォースを用いて計算される係数と車体の横滑り角との乗算することによって計算することができる。これにより、車両の旋回状態に応じて最適な補正項を決定することができ、車両を極めて容易にかつ安定した状態で旋回させることができる。さらには、補正項は、運転者によって入力されて、車体の横滑り角に起因して車両の旋回状態に影響を及ぼす横力の低減度合いを表す調整値と車体の横滑り角とを乗算することによっても計算することができる。これによれば、運転者の好みに応じて補正の程度を決定することができる。したがって、旋回状態にある車両の挙動を安定させることができるとともに、運転者は、良好な操舵フィーリングを確保した状態で意のままに車両を運転することができる。

さらに、車両の車速を検出する車速検出手段と、前記車速検出手段によって検出した車速が所定の車速未満のとき、前記目標回転量計算手段による目標回転量の計算を禁止する禁止手段とを備えることもできる。これによれば、車速に応じて目標回転量の計算の要否を決定することができるため、状況に応じた最適な車両の旋回状態を得ることができる。これによっても、運転者は、意のままに車両を運転することができる。

以下、本発明の実施形態に係る車両の操舵装置について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、実施形態に係る車両の操舵装置を概略的に示している。

この操舵装置は、転舵輪としての左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を転舵するために、運転者によって回動操作される操舵ハンドル１１を備えている。操舵ハンドル１１は、操舵入力軸１２の上端に固定されており、操舵入力軸１２の下端は、電気アクチュエータとしての可変ギア比アクチュエータ２０に接続されている。可変ギア比アクチュエータ２０は、電動モータ２１および減速機２２を備えており、操舵入力軸１２の回転量（すなわち操舵角θ）に対して、減速機２２に接続された転舵出力軸１３の回転量（すなわち転舵角δ）を適宜相対的に変更するものである。

電動モータ２１は、そのモータハウジングが操舵入力軸１２と一体的に接続されており、運転者による操舵ハンドル１１の回動操作に従って一体的に回転するようになっている。また、電動モータ２１の駆動シャフト２１ａは減速機２２に接続されており、同電動モータ２１の回転力が駆動シャフト２１ａを介して減速機２２に伝達されるようになっている。減速機２２は、所定のギア機構（例えば、遊星ギア機構など）によって構成されており、転舵出力軸１３はこのギア機構に接続されている。これにより、減速機２２は、電動モータ２１の回転力が駆動シャフト２１ａを介して伝達されると、所定のギア機構によって駆動シャフト２１ａの回転を適宜減速して転舵出力軸１３に回転を伝達することができる。

これにより、可変ギア比アクチュエータ２０は、電動モータ２１の駆動シャフト２１ａおよび減速機２２を介して、操舵入力軸１２と転舵出力軸１３とを相対回転可能に連結しており、操舵入力軸１２の操舵角θに対する転舵出力軸１３の転舵角δの比、すなわち、操舵入力軸１２から転舵出力軸１３への回転量の伝達比Kを適宜変更することができる。したがって、転舵出力軸１３の転舵角δは操舵入力軸１２の操舵角θを用いて下記式１に従って表される。
δ＝K・θ …式１

また、この実施形態における操舵装置は、転舵出力軸１３の下端に接続された転舵ギアユニット３０を備えている。転舵ギアユニット３０は、例えば、ラックアンドピニオン方式を採用したギアユニットであり、転舵出力軸１３の下端に一体的に組み付けられたピニオンギア３１の回転がラックバー３２に伝達されるようになっている。これにより、ラックバー３２は、ピニオンギア３１からの回転力によって軸線方向に変位する。したがって、ラックバー３２の両端に接続された左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は、転舵角δに転舵されるようになっている。

次に、上述した可変ギア比アクチュエータ２０の作動（より詳しくは、電動モータ２１の駆動）を制御する電気制御装置について説明する。電気制御装置は、車速センサ４１、操舵角センサ４２、転舵角センサ４３および横滑り角センサ４４を備えている。車速センサ４１は、車両の車速Vを検出して出力する。操舵角センサ４２は、操舵ハンドル１１の中立位置からの回動操作量すなわち操舵入力軸１２の回転量を検出して操舵角θとして出力する。転舵角センサ４３は、転舵出力軸１３の中立位置からの回転量を検出して転舵角δ（左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角に対応）として出力する。なお、操舵角θおよび転舵角δは、中立位置を「０」とし、左方向の回転量を正の値で表すとともに、右方向の回転量を負の値でそれぞれ表す。

横滑り角センサ４４は、旋回状態にある車両の車体に発生した横滑り角βを検出して出力する。ただし、車体の横滑り角βは、車両の前後方向に対して、左方向に生じる横滑り角を負の値で表し、右方向に生じる横滑り角を正の値で表す。ここで、車体の横滑り角βの検出については、種々の方法が考えられるが、例えば、以下に示すように検出するとよい。すなわち、今、車両の前後方向の車速を車速Vxとし、車両の左右方向の車速を車速Vyとすれば、車体の横滑り角βは、下記式２に従って計算して検出することができる。
β＝tan⁻¹(Vy／Vx) …式２
なお、車速Vxおよび車速Vyは、例えば、光または音響を利用した検出器を用いて検出するとよい。

これらのセンサ４１〜４４は、電子制御ユニット４５に接続されている。電子制御ユニット４５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータを主要構成部品とするもので、プログラムの実行により可変ギア比アクチュエータ２０の電動モータ２１の作動を制御する。そして、電子制御ユニット４５の出力側には、電動モータ２１を駆動するための駆動回路４６が接続されている。駆動回路４６内には、電動モータ２１に流れる駆動電流を検出するための電流検出器４６ａが設けられている。電流検出器４６ａによって検出された駆動電流は、電動モータ２１の駆動を制御するために、電子制御ユニット４５にフィードバックされる。

さらに、電子制御ユニット４５には、運転者によって操作される補正量調整スイッチ４７が接続されている。この補正量調整スイッチ４７は、後述する目標転舵角計算プログラムの実行により転舵出力軸１３（すなわち左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２）の目標転舵角δaを計算するときに用いられる補正項の値の大きさ（度合い）を調整するためのものである。このため、補正量調整スイッチ４７は、補正の度合い（程度）を表す補正量Nを、例えば、０〜５までの間で任意に設定できるように構成されており、設定された補正量Nを表す信号を電子制御ユニット４５に出力する。

次に、上記のように構成した実施形態の動作について詳細に説明する。運転者によって図示しないイグニッションスイッチがオン状態とされると、電子制御ユニット４５（より詳しくは、ＣＰＵ）は、図２に示す目標転舵角計算プログラムを所定の短時間ごとに繰り返し実行する。

すなわち、電子制御ユニット４５は、目標転舵角計算プログラムの実行をステップＳ１０にて開始し、ステップＳ１１にて、車速センサ４１、操舵角センサ４２および横滑り角センサ４４によって検出された各検出値、具体的には、車速V、操舵角θおよび横滑り角βを入力する。そして、電子制御ユニット４５は、各センサから各検出値を入力すると、ステップＳ１２にて、補正量調整スイッチ４７を利用して運転者により設定された補正量Nを表す信号を入力し、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３においては、電子制御ユニット４５は、前記ステップＳ１１にて操舵角センサ４２から入力した操舵角θの絶対値が予め設定された正の小さな操舵角θoよりも大きいか否かを判定する。ここで、操舵角θoは、車両の直進状態を維持できる操舵ハンドル１１の回動操作範囲を決定するための所定値である。したがって、このステップＳ１３における判定処理は、運転者によって入力された操舵ハンドル１１（操舵入力軸１２）の操舵角θに基づいて車両が旋回状態であるか否かを判定するものである。すなわち、入力した操舵角θの絶対値が正の操舵角θoよりも大きければ、運転者によって操舵ハンドル１１が積極的に回動操作されていて、車両は旋回状態にある。このため、電子制御ユニット４５は、「Ｙｅｓ」と判定して、ステップＳ１４以降の各処理を実行する。

一方、入力した操舵角θの絶対値が正の操舵角θo以下であれば、運転者によって操舵ハンドル１１が中立位置近傍で回動操作されている。このように、操舵ハンドル１１が中立位置近傍で回動操作されているときには、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は転舵されず、車両は直進状態にある。したがって、電子制御ユニット４５は、「Ｎｏ」と判定してステップＳ１９に進み、目標転舵角計算プログラムの実行を一旦終了する。そして、所定の短時間が経過すると、電子制御ユニット４５は、ふたたび、目標転舵角計算プログラムの実行をステップＳ１０にて開始する。

前記ステップＳ１３の判定処理によって「Ｙｅｓ」と判定すると、電子制御ユニット４５は、ステップＳ１４にて、前記ステップＳ１１にて車速センサ４１から入力した車速Vが予め設定された所定の小さな車速Voよりも大きいか否かを判定する。ここで、車速Voは、車両の旋回状態にて車体に大きな横滑り角βが生じない車速範囲を決定する所定値である。そして、このステップＳ１４における判定処理は、現在の検出車速Vに基づき、転舵角δを車体に発生した横滑り角βに応じて補正すなわち後述する目標転舵角δaを計算する必要があるか否かを判定するものである。すなわち、電子制御ユニット４５は、車速Vが所定の車速Voよりも大きければ、車体の横滑り角βの影響を加味して目標転舵角δaを計算する必要があるため、「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１５に進む。一方、電子制御ユニット４５は、車速Vが所定の車速Vo以下であれば、目標転舵角δaを計算する必要がないため、「Ｎｏ」と判定してステップＳ１９に進み、目標転舵角計算プログラムの実行を一旦終了する。そして、所定の短時間が経過すると、電子制御ユニット４５は、ふたたび、目標転舵角計算プログラムの実行をステップＳ１０にて開始する。

ここで、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２が、例えば、転舵角δcに転舵された車両の旋回状態に対して、車体の横滑り角βが与える影響について説明しておく。車両は、運転者によって操舵ハンドル１１を介して操舵角θcが入力されると、前記式１に従って計算される転舵角δcに左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２が転舵される。これにより、車両は、直進状態から旋回状態に移行し、または、旋回状態を維持する。このように、旋回状態にある車両には、旋回に伴って発生する遠心力と旋回の中心方向に発生する求心力とが作用している。そして、旋回状態にある車両に作用する求心力は、車両の前後輪（より詳しくは、前後輪に装着されたタイヤ）と路面との間にて旋回中心方向に作用する横力（以下、この横力をコーナリングフォースという）により与えられる。

具体的に説明すると、旋回状態にある車両は、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角δcに基づいて決定される所定の旋回円上を走行（以下、この走行方向を進行方向という）する一方で、慣性力の作用方向に進もうとする。このため、旋回状態にある車体においては、進行方向と慣性力の作用方向との角度差で表される車体の横滑り角βを有することになる。ところで、前後輪は車体に一体的に組み付けられているため、車体が横滑り角βを有する状況においては、前後輪のタイヤは、前記慣性力の作用方向に、路面に対して相対的に変位しようとする。しかしながら、前後輪のタイヤが路面に対して相対的に変位しようとすれば、前後輪のタイヤと路面との間に摩擦力が発生し、この結果、車両は慣性力の作用方向ではなく旋回円上を進行方向に走行する。言い換えれば、この摩擦力に基づいてコーナリングフォースが発生し、この発生したコーナリングフォースによって車両を進行方向へ走行させるための求心力が発生する。

したがって、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２（転舵出力軸１３）が転舵角δcに転舵されて、旋回状態にある車両の求心力は、前後輪に発生するコーナリングフォースを用いた下記式３に従って計算することができる。
M・α＝2・Kf・δc＋2・(Kf＋Kr)・β＋ε …式３
ここで、前記式３中のMは車両の質量である。また、前記式３中のαは旋回の中心方向に作用する加速度（以下、この加速度を求心加速度という）であり、下記式４のように表すことができる。
α＝V²・(1／R) …式４
ただし、Rは転舵角δcすなわち運転者によって入力された操舵角θに基づいて決定される車両の旋回半径を表しており、1／Rは旋回円の曲率（所謂、旋回曲率）を表すものである。

ここで、転舵角δcと旋回曲率1／Rとの間には、下記式５に示す関係が成立する。
δc＝L・(1＋A・V²)・(1／R) …式５
ただし、前記式５中のLは車両のホイールベースを表す予め定められた所定値であり、Aは車両の挙動安定性を表す予め定められた所定値である。そして、前記式５を変形することにより、旋回曲率1／Rは、下記式６により表すことができる。
1／R＝δc／(L・(1＋A・V²)) …式６
さらに、前記式６に対して、前記式１を代入することによって、下記式７が成立する。
1／R＝(K／(L・(1＋A・V²)))・θc …式７
したがって、求心加速度αは、前記式４に対して、前記式７を代入することによって、下記式８により表すことができる。
α＝(K・V²／(L・(1＋A・V²)))・θc …式８
そして、前記式８によれば、求心加速度αは、運転者が操舵ハンドル１１の回動操作を介して入力した操舵角θcに基づいて決定されることが理解できる。

また、前記式３の右辺において、Kfは左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２に発生するコーナリングフォースを表す係数であり、Krは後輪に発生するコーナリングフォースを表す係数である。また、車体の横滑り角βは、上述したように、転舵角δが正すなわち車両が左方向に旋回していれば、右方向に発生するため正の値を有し、転舵角δが負すなわち車両が右方向に旋回していれば、左方向に発生するため負の値を有する。なお、前記式３の右辺において、εは、例えば、車両の旋回時に発生するヨーレートなどに関連して発生する極めて小さな力であるため、無視することができる。したがって、旋回状態にある車両の求心力は、前記式３に代えて、下記式９に示すように表すことができる。
M・α＝2・Kf・δc＋2・(Kf＋Kr)・β …式９

前記式９によれば、車両に発生する求心力M・αは、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角δcに比例する横力（以下、この横力を転舵横力という）と、車体の横滑り角βに比例する横力（以下、この横力をすべり横力という）とを合算して計算される。ところで、すべり横力は、前記式９からも明らかなように、車体に横滑り角βが発生する状況において必然的に発生する横力であって、運転者が操舵ハンドル１１を介して直接制御することが難しい横力である。このように必然的にすべり横力が発生することによって、運転者が操舵ハンドル１１の回動操作により見込んだ求心力よりも大きな求心力が車両に作用することになる。

これにより、車両は、運転者が操舵ハンドル１１の回動操作によって見込んだ旋回半径で旋回できず、運転者は、見込んだ旋回半径で車両が旋回するように、操舵ハンドル１１を適宜回動操作（以下、この回動操作を修正操舵という）して、転舵角δcを修正する必要がある。すなわち、運転者は、車両の旋回に伴って必然的に発生するであろうすべり横力分だけ求心力M・αが小さくなるように、操舵ハンドル１１を修正操舵する必要がある。このように、必然的に発生する車体の横滑り角βは、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２が転舵角δcに転舵された車両の旋回状態に対して影響を与える。

したがって、電子制御ユニット４５は、ステップＳ１５にて、旋回状態にある車両において必然的に発生したすべり横力（より詳しくは、車体の横滑り角β）の影響を排除して、運転者が操舵ハンドル１１の回動操作によって見込んだ旋回半径で車両を旋回させるための目標転舵角δaを計算する。以下、この目標転舵角δaの計算について詳細に説明する。

上述したように、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２が転舵角δcに転舵されることによって車体の横滑り角βが発生する状況においては、求心力M・αは、前記式９に従って転舵横力にすべり横力が合算されて（上乗せされて）計算される。このとき、操舵ハンドル１１の回動操作に起因して車両を旋回させるために必要な横力は転舵横力であり、すべり横力は不必要な横力となる。したがって、運転者が操舵ハンドル１１の回動操作によって見込んだ旋回半径で車両を旋回させるためには、目標転舵角δaを用いて、前記式９の両辺からすべり横力を減じた下記式１０に示す関係が成立するように転舵横力を決定すればよい。
2・Kf・δa＝M・α−2・(Kf＋Kr)・β …式１０
これにより、目標転舵角δaは、前記式１０を変形することによって、下記式１１により計算することができる。
δa＝(M／(2・Kf))・α−(1＋Kr／Kf)・β …式１１

この式１１によれば、目標転舵角δaは、求心加速度αに比例する項すなわち前記式８から明らかなように運転者によって入力された操舵角θに起因する項から車体の横滑り角βに比例する項すなわち補正項を減ずることによって決定される。このため、上述したように、運転者の入力した操舵角θに対して車両が見込んだ旋回半径で走行しない場合においては、運転者は、前記式１１に従って決定される目標転舵角δaとなるように修正操舵を行うことになる。

言い換えれば、運転者によって入力された操舵角θと所定の関係に基づいて回動する転舵出力軸１３の転舵角δから車体の横滑り角βに比例する補正項を減じて目標転舵角δaを決定すれば、車両の旋回状態に対するすべり横力すなわち車体の横滑り角βの影響を排除することができ、求心加速度α言い換えれば操舵角θのみに基づいて車両を旋回させることができる。これにより、運転者による修正操舵がなくても、操舵ハンドル１１の回動操作に一致して、車両は、運転者の見込む旋回半径で旋回することができる。

ここで、補正量調整スイッチ４８を利用して入力された補正量Nを、下記式１２に示すように、前記式１１にて車体の横滑り角βに乗算される(1＋Kr／Kf)に対応させて設定するとともに、前記式１を用いて前記式１１を変形すると、目標転舵角δaは下記式１３のように示すことができる。
N＝1＋Kr／Kf …式１２
δa＝K1・θ−N・β …式１３
ただし、前記式１３中の補正量Nは、初期値としてN＝２、すなわち、前記式１２に従ってコーナリングフォースKfとコーナリングフォースKrが等しい状態に設定されている。また、前記式１３中のK1は、可変ギア比アクチュエータ２０の減速機２２によって適宜変更される伝達比であり、下記式１４のように示すことができる。
K1＝(M／(2・Kf))・(K・V²／(L・(1＋A・V²))) …式１４
そして、電子制御ユニット４５は、前記ステップＳ１１にて入力した操舵角θおよび横滑り角βと、前記ステップＳ１２にて入力した補正量Nとを用い、前記式１３に従って、目標転舵角δaを計算する。

前記ステップＳ１５にて目標転舵角δaを計算すると、電子制御ユニット４５は、ステップＳ１６およびステップＳ１７を繰り返し実行して、転舵出力軸１３（すなわち左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２）が目標転舵角δaとなるまで、オーバーシュートさせることなく電動モータ２１を駆動制御する。具体的に説明すると、電子制御ユニット４５は、ステップＳ１６にて、駆動回路４６の電流検出器４６ａから可変ギア比アクチュエータ２０の電動モータ２１に流れる駆動電流を入力し、駆動電流が適切に電動モータ２１に流れるようにフィードバック制御する。これにより、電動モータ２１は、転舵出力軸１３を回転させる。そして、電子制御ユニット４５は、ステップＳ１７にて、転舵角センサ４３から入力した転舵出力軸１３の転舵角δが目標転舵角δaに一致するまで「Ｎｏ」と判定し続け、転舵角δが補正目標転舵角δaと一致すると、「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８においては、電子制御ユニット４５は、電動モータ２１の駆動を停止させ、ステップＳ１９にて、プログラムの実行を一旦終了する。そして、所定の短時間が経過すると、ふたたび、目標転舵角計算プログラムの実行を開始する。

以上の説明からも理解できるように、この実施形態によれば、電子制御ユニット４５は、前記式１３に従い、横滑り角センサ４４によって検出された車体の横滑り角βに応じて定められる補正項を加味して、転舵出力軸１３の目標転舵角δaを計算することができる。すなわち、電子制御ユニット４５は、前記式１に従って計算される転舵出力軸１３の転舵角δ（＝K1・θ）から、補正項（N・β）を減算して計算することができる。

これにより、旋回状態にある車両に作用する運転者の意図しない横力の影響を低減することができ、この結果、運転者が操舵ハンドル１１を回動操作した場合には、見かけ上、この回動操作に基づく横力、すなわち、転舵横力のみが車両に作用することになる。これにより、運転者の操舵ハンドル１１の操作に一致して、言い換えれば、操舵ハンドル１１を回動操作した分だけ車両を旋回させることができる。したがって、車両の運転を熟知していない運転者が、高速走行、雪上あるいは氷上を走行する場合であっても、車両の旋回時における挙動を安定させ、意のままに車両を運転することができる。

また、補正項は、運転者によって入力された補正量Nと車体の横滑り角βとを乗算することによって計算することができるため、運転者の好みに応じて補正の程度を決定することができる。この結果、旋回状態にある車両の挙動を安定させることができるとともに、良好な操舵フィーリングを確保して意のままに車両を運転することができる。

さらに、検出車速Vに応じて目標転舵角δaの計算の要否を決定することができるため、状況に応じた最適な車両の旋回状態を得ることができる。これによっても、運転者は、意のままに車両を運転することができる。

本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態においては、可変ギア比アクチュエータ２０を介して操舵入力軸１２と転舵出力軸１３が連結されて、操舵入力軸１２と転舵出力軸１３とを相対的に回転可能な操舵装置について実施した。しかしながら、操舵入力軸１２と転舵出力軸１３とを相対的に回転可能な他の操舵装置、例えば、ステアリングバイワイヤ方式の操舵装置に上述した目標転舵角計算プログラムを適用して実施することも可能である。以下、この変形例について説明する。なお、上記実施形態と同一部分については、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この変形例における車両の操舵装置は、図３に示すように、操舵入力軸１２と転舵出力軸１３との機械的な連結が解除されたステアリングバイワイヤ方式を採用している。このため、操舵入力軸１２の下端には、電動モータおよび減速機構からなる反力アクチュエータ５０が接続されている。この反力アクチュエータ５０は、運転者のハンドル１１の回動操作に対して反力を付与するものである。一方、転舵出力軸１３の上端には、電気アクチュエータとしての転舵アクチュエータ６０を備えている。この転舵アクチュエータ６０は、電動モータ６１および減速機構６２を備えており、転舵出力軸１３を回転駆動させるものである。そして、転舵出力軸１３の回転は、上記実施形態と同様に、転舵ギアユニット３０に伝達される。これにより、ラックバー３２がニオンギア３１からの回転力によって軸線方向に変位することにより、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は左右に転舵される。

また、この変形例における車両の操舵装置の電子制御ユニット４５は、その出力側に、転舵アクチュエータ６０の電動モータ６１を駆動するための駆動回路４８が接続されている。この駆動回路４８内には、電動モータに流れる駆動電流を検出するための電流検出器４８ａが設けられており、同検出器４８ａによって検出された駆動電流は、電子制御ユニット４５にフィードバックされる。

そして、このように構成された変形例における車両の操舵装置においても、操舵入力軸１２の回転量（操舵角θ）に対して、転舵出力軸１３の回転量（転舵角δ）を相対的に変更することができる。具体的に説明すると、運転者によって操舵ハンドル１１が回動操作されると、操舵角センサ４２によって操舵入力軸１２の回転量すなわち操舵角θが検出される。電子制御ユニット４５は、この検出された操舵角θを入力すると、操舵入力軸１２の操舵角θに対する転舵出力軸１３の転舵角δの比、すなわち、伝達比Kを適宜設定し、上述した実施形態と同様に、前記式１に従って転舵出力軸１３の転舵角δを計算する。そして、電子制御ユニット４５は、転舵角センサ４３によって検出される転舵出力軸１３が転舵角δとなるまで、転舵アクチュエータ６０の電動モータ６１を駆動制御する。

これにより、上記実施形態と同様に、運転者が操舵ハンドル１１を介して入力した操舵角θに対して、予め定められた関係にある転舵角δで左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を転舵することができる。したがって、この変形例においても、上述した目標転舵角計算プログラムを実行することにより、上記実施形態と同様の効果が期待できる。

また、上記実施形態においては、横滑り角センサ４４が、検出器によって検出した車速Vxおよび車速Vyを用いた前記式２を計算することによって、車体の横滑り角βを検出するように実施した。これに代えて、例えば、車両に発生した横加速度α（求心加速度αに相当）やヨーレートωを検出するための加速度センサやヨーレートセンサが、予め車両に搭載されている場合には、これらのセンサによる検出値を用いて車体の横滑り角βを検出して実施することもできる。この場合には、車体の横滑り角βは、下記式１５に従って計算されて検出されるとよい。
β＝∫(ω−α／V)dt …式１５
ただし、前記式１５中のVは、車速センサ４１によって検出される車速Vである。

これによれば、横加速度αおよびヨーレートγが発生するまでの時間的な遅れなどにより、車体の横滑り角βの検出精度が若干劣るものの、上記実施形態のように、別途検出器を設ける必要が無い。このため、操舵装置の製造コストを低減することができる。

また、上記実施形態においては、目標転舵角計算プログラムのステップＳ１４にて、検出車速Vに応じて、目標転舵角δaの計算の要否を判定するように実施したが、ステップＳ１４を省略して実施することも可能である。この場合には、全車速域で目標転舵角δaが計算されること以外、上記実施形態と同様に実施することができる。したがって、この場合にも、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態においては、前記式１３に従って、転舵出力軸１３の転舵角δ（＝K1・θ）から補正項としてのN・βを減ずることにより、目標転舵角δaを計算するように実施した。しかしながら、電気アクチュエータとしての可変ギア比アクチュエータ２０によって、伝達比Kを自在に変更することができるため、前記式１中の伝達比Kに対して補正項（N・β）を加味し、同伝達比Kよりも小さいな伝達比K2を決定して実施することもできる。これによれば、伝達比K2は補正項（N・β）が加味されたものであるため、前記式１中の伝達比Kを伝達比K2に変更して計算される転舵角δは、上記実施形態の目標転舵角δaと等しくすることができる。したがって、上記実施形態と同様の効果が期待できる。

また、上記実施形態においては、運転者が補正量調整スイッチ４７を利用して任意に入力した補正量Nと車体の横滑り角βとを乗算することによって補正項を計算するように実施した。しかしながら、補正項を前後輪のコーナリングフォースを用いた係数(1＋Kr／Kf)と車体の横滑り角βとを自動的に乗算して、目標転舵角δaを計算するように実施可能であることはいうまでもない。これによれば、車両の旋回状態に応じて最適な補正項を自動的に決定することができ、車両を極めて容易にかつ安定した状態で旋回させることができる。

さらに、上記実施形態においては、転舵ギアユニット３０にラックアンドピニオン式を採用して実施したが、例えば、ボールねじ機構を採用して実施してもよい。また、可変ギア比アクチュエータ２０を電動モータ２１と減速機２２とから構成して実施したが、例えば、電動モータ２１にステップモータを採用して減速機２２を省略することも可能である。

本発明の実施形態に係る車両の操舵装置の概略図である。 図１の電子制御ユニットによって実行される目標転舵角計算プログラムを示すフローチャートである。 本発明の変形例に係る車両の操舵装置の概略図である。

符号の説明

ＦＷ１，ＦＷ２…前輪、１１…操舵ハンドル、１２…操舵入力軸、１３…転舵出力軸、２０…可変ギア比アクチュエータ、２１…電動モータ、２１ａ…駆動シャフト、２２…減速機、３０…転舵ギアユニット、３１…ピニオンギア、３２…ラックバー、４１…車速センサ、４２…操舵角センサ、４３…転舵角センサ、４４…横滑り角センサ、４５…電子制御ユニット、４６…駆動回路、４７…補正量調整スイッチ、６０…転舵アクチュエータ、６１…電動モータ、６２…減速機構

Claims (5)

1. 運転者によって回動操作される操舵ハンドルに一体的に接続された操舵入力軸と、転舵輪を転舵するための転舵機構に接続された転舵出力軸と、前記操舵入力軸の回転量に対して前記転舵出力軸の回転量を相対的に変化させる電気アクチュエータとを備えた車両の操舵装置において、
   車両が旋回状態にあるときに発生する車体の横滑り角を検出する横滑り角検出手段と、
   前記車体の横滑り角に起因して車両に発生する横力の前記車両の旋回状態に対する影響を低減するために、前記横滑り角検出手段により検出した車体の横滑り角に応じて定めた補正項を加味して、前記転舵出力軸の目標回転量を計算する目標回転量計算手段と、
   前記目標回転量計算手段によって計算した目標回転量に基づいて、前記電気アクチュエータの駆動を制御する駆動制御手段とを備えたことを特徴とする車両の操舵装置。
2. 請求項１に記載した車両の操舵装置において、
   前記目標回転量計算手段は、
   前記操舵入力軸の回転量に対して予め定められた関係にある前記転舵出力軸の回転量から、前記補正項を減ずることによって目標回転量を計算することを特徴とする車両の操舵装置。
3. 請求項１または請求項２に記載した車両の操舵装置において、
   前記補正項は、
   旋回状態にある車両の前後輪と路面との間における摩擦力に基づいて車両の旋回中心方向に作用するコーナリングフォースを用いて計算される係数と前記検出した車体の横滑り角とを乗算して計算されることを特徴とする車両の操舵装置。
4. 請求項１または請求項２に記載した車両の操舵装置において、
   運転者によって操作されて、前記横力の車両の旋回状態に対する影響を低減する度合いを表す調整値を入力するための調整値入力手段を備え、
   前記補正項は、
   前記調整値入力手段を用いて入力された前記調整値と前記検出した車体の横滑り角とを乗算して計算されることを特徴とする車両の操舵装置。
5. 請求項１または請求項２に記載した車両の操舵装置において、
   車両の車速を検出する車速検出手段と、
   前記車速検出手段によって検出した車速が所定の車速未満のとき、前記目標回転量計算手段による目標回転量の計算を禁止する禁止手段とを備えたことを特徴とする車両の操舵装置。
   

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