JP2013244855A - 操舵伝達系の特性変化検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の走行中に操舵伝達系における弾性部材の特性変化を検出する。
【解決手段】操舵トルクセンサ１６は、ステアリングホイールの操舵トルクを検出する。操舵角センサ１８は、ステアリングホイールの操舵角を検出する。操舵データ記録部１０２は、ステアリングホイールの切り込み中の操舵トルクと操舵角とを対応させて記録する。特性変化判定部１１０は、操舵データ記録部に記録された操舵角と操舵トルクの間の関係と、予め記憶されている正常車両における操舵角と操舵トルクの間の関係との比較に基づき、操舵伝達系の特性変化を判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、操舵伝達系における特性変化を検出する技術に関する。

車両横滑り防止制御（ＶＳＣ：VeihicleStabilityControl）などの車両挙動制御技術では、ステアリングホイールに取り付けられた操舵角センサの検出値を使用して種々の制御を実行する。相対角を出力するタイプの操舵角センサを使用する場合、まず操舵角センサのゼロ点（中立位置）を検出し、検出したゼロ点に基づき操舵絶対角を算出する（例えば特許文献１を参照）。そのため、操舵角ゼロ点を精度良く検出することが重要である。

特開２０１０−１２０５０４号公報

ステアリングホイールから車輪に至る操舵伝達系の様々な部品は、ステアリングの振動低減、操舵フィーリングの調整、コンプライアンスステアの確保などの目的のため、部品と車体との間がゴムブシュなどの弾性部材を介して支持されているものが多い。これらの弾性部材の経年劣化により操舵伝達系にガタが生じるなどの伝達特性が変化すると、操舵角とタイヤ角との間の線形性が維持されなくなり、操舵フィーリングが変化したり、操舵角情報に基づく車両状態量の推定精度が低下するという問題がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両の走行中に操舵伝達系における弾性部材の特性変化を検出する技術を提供することにある。

本発明のある態様の操舵伝達系の特性変化検出装置は、ステアリングホイールの操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、ステアリングホイールの操舵角を検出する操舵角センサと、ステアリングホイールの切り込み中の操舵トルクと操舵角とを対応させて記録するデータ記録部と、前記データ記録部に記録された操舵角と操舵トルクの間の関係と、予め記憶されている正常車両における操舵角と操舵トルクの間の関係との比較に基づき、操舵伝達系の特性変化を判定する特性変化判定部と、を備える。

この態様によると、操舵トルクと操舵角の間の関係の変化を検出することで、操舵伝達系に使用されている弾性部材の経年劣化などによる特性変化を検出することが可能になる。

本発明によれば、車両の走行中に操舵伝達系における弾性部材の特性変化を検出することができる。

本発明の一実施形態に係る操舵伝達系の特性変化検出装置を備えた車両の概略構成を示す図である。 ステアリングＥＣＵのうち、操舵伝達系の特性変化検出に関与する部分の構成を示す機能ブロック図である。 ステアリングホイールの一周期分の操舵角と操舵トルクの関係を表したグラフである。 一実施形態に係る特性変化検出装置の動作を示すフローチャートである。

図１は、本発明の一実施形態に係る操舵伝達系の特性変化検出装置を備えた車両１０の概略構成を示す。図１は、四輪の車両のうち前輪部分の模式図である。転舵輪である右前輪ＦＲおよび左前輪ＦＬを操舵することによって車両の進行方向が変更される。

車両１０は電動パワーステアリング装置（以下「ＥＰＳ」と呼ぶ）を備える。ＥＰＳは、ドライバーにより操舵されるステアリングホイール１２と、ステアリングホイールに連結されたステアリングシャフト１４と、ステアリングシャフトの下端に設けられた減速機構４４と、出力軸が減速機構４４に接続された操舵アシスト用モータ２４とを備える。操舵アシスト用モータ２４は、ステアリングシャフト１４を回転駆動することで、ステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する。

ステアリングシャフト１４には、図示しないトーションバーと、トーションバーに生じるトルクを検出する操舵トルクセンサ１６と、ステアリングホイール１２の操舵角を検出する操舵角センサ１８とが設置される。これらセンサの出力は、ステアリング電子制御ユニット（以下「ステアリングＥＣＵ」と呼ぶ）１００に送信される。

ステアリングシャフト１４は、自在継手３０、３２を介して、インターミディエイトシャフト１７、ピニオンシャフト１９に連結される。ピニオンシャフト１９は、車両の左右方向（車幅方向）に延設され軸長方向に摺動するラックバー２２を含むラックアンドピニオン機構２０と連結されている。インターミディエイトシャフト１７は、ゴムカップリングをその一部として含む。

ラックアンドピニオン機構２０は、ピニオンシャフト１９の一端に形成されたピニオン歯とラック軸とを噛合させることにより構成される。また、ラックアンドピニオン機構２０は、ステアリングギアマウントブシュ２３を介して車両のボデーに支持される。

ドライバーがステアリングホイール１２を操作すると、ステアリングシャフト１４の回転がシャフト１７、１９を通してラックアンドピニオン機構２０に伝達され、ラックアンドピニオン機構２０によってラックバー２２の左右方向への直線運動に変換される。ラックバー２２の両端には、それぞれタイロッド（図示せず）の一端が接続される。タイロッドの他端は、右前輪ＦＲ、左前輪ＦＬを支持するナックルアーム（図示せず）に連結されている。ラックバー２２が直線運動をすると、右前輪ＦＲおよび左前輪ＦＬが転舵される。

車輪の近傍には、車輪の回転数を検出して車速を出力する車速センサ３６が取り付けられる。車速センサ３６の代わりに、図示しないＧＰＳ（Global Positioning System）のデータから車速を求めるようにしてもよい。車体の左右方向の加速度を検出する横加速度センサ４２も車体に設けられる。これらのセンサによる検出値はステアリングＥＣＵ１００に送信される。

ステアリングＥＣＵ１００は、各センサから受け取った検出値に基づき操舵トルクのアシスト値を算出し、これに応じた制御信号を操舵アシスト用モータ２４に出力する。モータによりシャフトに与えられたトルクは、アシストトルクセンサ４６によって検出される。なお、上記のようなＥＰＳを含む操舵機構自体は周知であるため、本明細書ではこれ以上の詳細な説明を省略する。

上述したように、ゴムブシュなどの弾性部材の経年劣化により操舵伝達系にガタが生じるなどの特性変化が発生すると、操舵角とタイヤ角との間の線形性が維持されなくなり、操舵フィーリングが変化したり、操舵角情報に基づく車両状態量の推定精度が低下したりするという問題がある。

そこで、本実施形態では、車両の走行中に車体に取り付けられた種々のセンサで検出される情報に基づき、操舵伝達系における弾性部材の特性変化を検出するようにした。

図２は、ステアリングＥＣＵ１００のうち、本実施形態に係る操舵伝達系の特性変化検出に関与する部分の構成を示す機能ブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や電気回路で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラムなどによって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組み合わせによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

操舵データ記録部１０２は、操舵トルクセンサ１６および操舵角センサ１８の検出値を受け取り、ステアリングホイールの切り込み中の操舵トルクと操舵角を互いに関連づけて記録する。なお、操舵トルクセンサ１６の代わりに、アシストトルクセンサ４６の検出値から操舵トルクを推定するようにしてもよい。また、操舵角センサ１８の代わりに、モータ２４の回転角を検出する回転角センサ２６の検出値から操舵角を推定するようにしてもよい。

路面状態検出部１０６は、車両が走行中の路面が均一な高摩擦係数（μ）路面であるかを否かを検出する。路面の摩擦係数は、横加速度センサ４２の検出値やセルフアライニングトルクの推定値などから推定することができる。このような摩擦係数の推定は周知であるので、詳細な説明は省略する。

運転状態判定部１０８は、後述する操舵伝達系の特性変化判定を実施するのに適した運転状態であるか否かを判定する。具体的には、１．ステアリングホイールが切り込み中、２．走行中の路面が均一な高摩擦係数路面、３．車速が所定値以上の三つの条件を全て満たすか否かを判定する。

操舵角変化判定部１０４は、操舵データ記録部１０２に記録されたデータが、予め記録されている正常車両における操舵時のデータと異なるか否かを判定する。詳細は後述するが、この判定は、操舵トルクの絶対値が所定値Ｔ未満である場合と、所定値Ｔ以上である場合とで異なる基準に基づき行われる。

操舵トルクの絶対値が所定値Ｔ未満である場合、切り込み中の操舵角変化量（傾き）が正常車両に比べて大きいか否かを判定する。操舵トルクの絶対値が所定値Ｔ以上である場合、切り込み中の操舵角絶対値が正常車両に比べて大きいか否かを判定する。

特性変化判定部１１０は、操舵トルクの絶対値が所定値Ｔ未満である場合と、所定値Ｔ以上である場合のそれぞれについて、操舵角変化判定部１０４において肯定的な判定がなされると、カウンタを１だけインクリメントする。そして、カウント値が所定のしきい値に達すると、操舵伝達系に特性変化が生じたと判定する。このようにカウンタを使用するのは、例えば突然の路面状態の変化などが原因で、操舵角変化量や操舵角絶対値が正常車両に比べて大きくなる場合もあり得るので、単発の事象の検出に基づく誤判定を避けるためである。

通知部１１２は、特性変化判定部１１０によって特性変化が生じていると判定された場合、車両のドライバーにその事実を報知したり、または操舵角を利用した各種車両制御の実行の停止を図示しない車両制御ＥＣＵに指示したりする。

続いて、図３を使用して、本実施形態に係る特性変化検出装置の作用を説明する。図３は、ステアリングホイールの一周期分の操舵角と操舵トルクの関係を表したグラフである。図３の横軸が操舵トルクを、縦軸が操舵角を表す。以下では、車両が均一な高摩擦係数路面を所定速度以上で走行しているものとして説明する。

一般に、操舵トルクと操舵角との間には摩擦などに起因するヒステリシス成分が存在する。そのため、ドライバーによる操舵トルク入力に対する操舵角の関係は、図示するように左下から右上方向に延びる円環形状になる。原点から右上に向かう方向、および原点から左下に向かう方向がステアリングホイールを切り込む方向に対応し、操舵トルクおよび操舵角の正負は、中立位置からの反時計回りの回転に対応する。

図３には、正常な車両、すなわち特性変化が生じていない車両における操舵トルクと操舵角の関係（実線で示す）と、操舵伝達系にガタが発生した車両における操舵トルクと操舵角の関係（点線で示す）がともに示されている。

正常車両の場合、図中の全域で線形特性を示す。

ガタ発生車両の場合、図中の領域Ａ（例えば、操舵トルクの絶対値が６Ｎｍ未満）では、操舵トルクと操舵角の関係が非線形特性を示し、領域Ｂ（例えば、操舵トルクの絶対値が６Ｎｍ以上）では、操舵トルクと操舵角の関係が線形特性を示す。

上記の非線形特性領域は、操舵伝達系のガタにより発生する。そのため、ガタの発生していない正常車両では、領域ＡおよびＢともに、操舵トルクと操舵角の関係が線形特性を示す。これに対し、ガタ発生車両では、中立位置付近から非線形特性の領域（領域Ａ）が発生する。但し、舵角が大きい領域（領域Ｂ）では、ガタが詰まるために線形特性になる。このため、図３から分かるように、領域Ａでは、同一操舵トルクに対する切り込み中の操舵角変化量（傾き）が、ガタ発生車両の方が正常車両よりも大きくなっている。また、領域Ｂでは、同一操舵トルクに対する操舵角の絶対値が、ガタ発生車両の方が正常車両よりも大きくなっている。

本実施形態では、上記の特性を利用して、操舵トルクの絶対値に基づいて操舵伝達系のガタつき判定方法を変更する。すなわち、操舵トルクの絶対値が所定値未満の領域（領域Ａ：非線形領域）では、操舵角変化量を利用してガタつき判定を実施する。操舵トルクの絶対値が所定値以上の領域（領域Ｂ：線形領域）では、操舵角絶対値を利用してガタつき判定を実施する。

なお、領域Ａと領域Ｂとの境界となる操舵トルク絶対値のしきい値Ｔは、操舵伝達系のガタの発生による影響が出にくくなる（ガタが詰まる）操舵トルクの値を実験等で求めるようにしてもよい。

図４は、本実施形態に係る特性変化検出装置の動作を示すフローチャートである。このフローは、車両の走行中に所定の間隔で繰り返し実行される。

まず、運転状態判定部１０８は、操舵伝達系の特性変化判定を実施するのに適した運転状態であるか否かを判定する。具体的には、１．ステアリングホイールが切り込み中、２．走行中の路面が均一な高摩擦係数（μ）路面、３．車速が所定値以上の三つの条件を全て満たすか否かを判定する（Ｓ１０）。

なお、車速が所定値以上という条件は、車両停止中の据え切りや低速走行中では、操舵角と操舵トルクのヒステリシス成分が大きく、比例関係となる領域が現れにくいことに基づく。また、高摩擦係数路面と低摩擦係数路面とでは、操舵トルクに対する操舵角の関係が変化（図３中の線の傾きが変化）するため、高摩擦係数路面であるときにのみ以降の処理を実施する。

いずれかの条件が満たされない場合（Ｓ１０のＮ）、このフローを終了する。全ての条件が満たされる場合（Ｓ１０のＹ）、操舵データ記録部１０２によってステアリングホイールの切り込み中に記録されたデータに基づき、操舵角変化判定部１０４は、操舵トルクの絶対値が所定のしきい値Ｔ未満であるか否かを判定する（Ｓ１２）。

操舵トルクの絶対値がしきい値Ｔ未満の場合（Ｓ１２のＹ）、操舵角変化判定部１０４は、同一の操舵トルクに対して、操舵データ記録部１０２に記録された操舵角変化量が、正常車両の操舵角変化量よりも大きいか否かを判定する（Ｓ１４）。正常車両の操舵角変化量よりも大きい場合は（Ｓ１４のＹ）、第１カウンタをインクリメントする（Ｓ１６）。

操舵トルクの絶対値がしきい値Ｔ以上の場合（Ｓ１２のＮ）、操舵角変化判定部１０４は、同一の操舵トルクに対して、操舵データ記録部１０２に記録された操舵角の絶対値が、正常車両の操舵角絶対値よりも大きいか否かを判定する（Ｓ１８）。正常車両の操舵角絶対値よりも大きい場合は（Ｓ１８のＹ）、第２カウンタをインクリメントする（Ｓ２０）。

特性変化判定部１１０は、第１カウンタまたは第２カウンタの値が、それぞれのしきい値Ｎ_１、Ｎ_２以上であるか否かを判定する（Ｓ２２）。いずれかのカウンタがしきい値以上である場合（Ｓ２２のＹ）、操舵伝達系の特性変化、すなわちガタが発生していると判定する（Ｓ２４）。

なお、Ｓ２２のようにカウンタを使用せずに、操舵データ記録部１０２に記録された操舵角変化量が正常車両の操舵角変化量よりも大きいという事象、または操舵データ記録部１０２に記録された操舵角の絶対値が正常車両の操舵角絶対値よりも大きいという事象が一回検出された時点で、操舵伝達系の特性変化が発生していると判定してもよい。

以上説明したように、本実施形態によると、操舵トルクと操舵角の間の関係の変化を検出することで、ゴムブシュなどの弾性部品の経年劣化などによる操舵伝達系の特性変化、すなわちガタの発生を検出することが可能になる。また、操舵トルクの絶対値に基づいて操舵伝達系のガタつき判定方法を変更することで、正確な判定が可能になる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態はあくまで例示であり、実施の形態どうしの任意の組み合わせ、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスの任意の組み合わせなどの変形例もまた、本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

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など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。

１０ 車両、 １２ ステアリングホイール、 １６ 操舵トルクセンサ、 １８ 操舵角センサ、 ３６ 車速センサ、 ４２ 横加速度センサ、 １００ ステアリングＥＣＵ、 １０２ 操舵データ記録部、 １０４ 操舵角変化判定部、 １０６ 路面状態検出部、 １０８ 運転状態判定部、 １１０ 特性変化判定部、 １１２ 通知部。

Claims (4)

1. ステアリングホイールの操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、
   ステアリングホイールの操舵角を検出する操舵角センサと、
   ステアリングホイールの切り込み中の操舵トルクと操舵角とを対応させて記録するデータ記録部と、
   前記データ記録部に記録された操舵角と操舵トルクの間の関係と、予め記憶されている正常車両における操舵角と操舵トルクの間の関係との比較に基づき、操舵伝達系のガタつきを判定する特性変化判定部と、
   を備えることを特徴とする操舵伝達系の特性変化検出装置。
2. 前記特性変化判定部は、操舵トルクの絶対値が所定値以上か否かに基づいてガタつき判定方法を変更することを特徴とする請求項１に記載の特性変化検出装置。
3. 前記特性変化判定部は、操舵トルクの絶対値が予め定められているしきい値未満であり、かつ操舵トルクに対する操舵角変化量が正常車両の操舵角変化量よりも大きいとき、操舵伝達系にガタつきが生じたと判定することを特徴とする請求項２に記載の特性変化検出装置。
4. 前記特性変化判定部は、操舵トルクの絶対値が予め定められているしきい値以上であり、かつ操舵トルクに対する操舵角絶対値が正常車両の操舵角絶対値よりも大きいとき、操舵伝達系にガタつきが生じたと判定することを特徴とする請求項２に記載の特性変化検出装置。

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