JP2641743B2 - 四輪操舵車の後輪制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、四輪操舵車（以下4WS車と呼ぶ）の操舵応
答特性を改善するための後輪転舵角の制御方法に関する
ものである。

具体的には、高い横加速度（横Ｇ）で旋回中の操舵応
答特性を改善する目的で、横加速度に応じて前後輪の転
舵比を可変とする制御を行うものである。

［従来の技術及び課題］ 前輪のみ操舵する車両（以下2WS車と呼ぶ）の操舵応
答特性について、まず考察する。

2WS車では、直進時と旋回時でハンドル操舵に対する
ヨー応答特性が同じではなく、旋回時に、しかも横加速
度が高いほどヨーレイトゲインは低下することが多い。
これは主として、前輪タイヤのコーナリングパワーが横
すべり角の増大に伴って、低下するという非線形な特性
によるためである。

このように、2WS車の旋回時のヨー応答は、前輪タイ
ヤの横すべり角に対する横力発生の特性に支配される。
車両の重量、ヨー慣性モーメント、ホイールベース、ト
レッド、タイヤ等の諸元は同じままで、旋回時のヨー応
答特性を変えるには、前後サスペンションのロール剛性
配分やアライメント変化を調整する方法が一般的にとら
れる。しかし、この方法は、旋回時の車体の応答を受動
的に利用して、前後輪タイヤの横力発生特性を旋回状態
に応じて変えるという原理を応用しているので、ヨー応
答を変えられる巾はそれほど大きくなく、かつ、車速や
横加速度等の各種の運動状態に応じてきめ細かく設計者
の希望する特性となるようにヨー応答を設定する自由度
もない。

また、かなり高い横加速度の旋回状態では、前輪タイ
ヤのコーナリングパワーはほとんど零に近くなり、ヨー
レイトゲインも零に近くなるが、このときには、車体を
ヨー方向に回転させるために前輪が発生する横力がほぼ
頭打ち（飽和）になっているので、サスペンション細部
の調整を行っても、ヨー応答はほとんど変化しない。

そして、4WS車において、後輪の前輪に対する転舵比
を横加速度に応じて制御することが公知であり、前後輪
の同位相転舵での旋回状態において、高い横加速度では
転舵比を低い値に切換える方法もある（例えば特開昭60
−166561号公報等参照）。しかし、このように、ある一
定値の横加速度で転舵比を低い値に切換える方法では、
高い横加速度までスムースなヨー応答を得ることはでき
ない。

本発明は、以上の点を改善するために、前輪に加えて
積極的に後輪転舵角の制御を行うものである。

即ち、旋回中の横加速度の大きさに応じて、後輪の前
輪に対する転舵比を可変として、直進から高い横加速度
の旋回にいたる各種の旋回状態で、ヨー応答の設定の自
由度を大巾に上げることを狙いとしている。特に、本発
明は、意図する旋回方向にヨーレイト変化を発生させる
ことができ、従来の4WS車と比較して高い横加速度まで
スムースなヨー応答を得ることができるようにするもの
である。

［課題を解決するための手段］ 以上の課題を達成すべく本発明は、操舵操作により転
舵される前輪と、前輪の転舵に応じて転舵される後輪
と、横加速度検出手段を備え、後輪の前輪に対する転舵
比を横加速度に応じて可変制御する4WS車において、 転舵比ｇ（_０）を f₁（_０）−ｇ（_０）×f₂（_０）≧０ （但し、f₁（_０）＝C_f0/m_f,f₂（_０）＝C_r0/m_r、
_０は横加速度、C_f0,C_r0は定常円旋回状態での前後輪の
等価コーナリングパワー、m_f,m_rは前後車軸上の等価質
量）を満たす範囲に設定したことを特徴とする。

［発明の原理］ 定常円旋回中にさらに微小な操舵を加えたときの車両
のヨー応答について、力学的な考察を行う。

ヨー応答は一般的に、前後輪横力F₁,F₂を用いて、 で示す、ヨーモーメントによって支配される。

但し、I_z:車両のヨー慣性モーメント、r:ヨーレイ
ト、a:重心から前車軸までの距離、b:重心から後車軸ま
での距離。

今、車両は第１図に示す二輪車モデルとし、定常円旋
回中にあり、そのときのハンドル角δ_sw0に微小操舵Δ
δ_swを瞬間的に加えたときの応答を考える。定常円旋回
状態での前後輪横力をF₁₀,F₂₀、前後輪転舵角をδ_f0,δ
_r0とし、微小操舵に対応した前後輪横力及び前後輪転舵
角の増量分をそれぞれΔF₁,ΔF₂,Δδ_f,Δδ_ｒとすると
ヨーモーメントの釣合条件F₁₀a＝F₂₀bより 今、旋回状態の定常横加速度を_０とすると、 F₁₀/m_f＝F₂₀/m_r＝_０ （３） の関係がある。但し、m_f,m_rは前後車軸上の等価質量を
表す。

今、前後輪タイヤのコーナリングフォースF₁,F₂をそ
れぞれm_f,m_rで除した値の変化をタイヤ横すべり角に対
して描くと、アンダーステア特性の車両では第２図のよ
うになる。このとき（３）式の定常状態での前後輪タイ
ヤ横すべり角は、点P_f,P_rで示される。

m_f＝mb/l,m_r＝ma/lの関係から（２）式は と表せられる。

微小操舵によって増す前後輪タイヤ横すべり角は、操
舵直後では前後輪の微小転舵角Δδ_f,Δδ_ｒに一致す
る。従って前後輪の横力の微小増加は、 ΔF₁≒C_f0・Δδ_f,ΔF₂≒C_r0・Δδ_ｒ …（４） 但し、C_f0＝（∂F₁/∂α_１）,C_r0＝（∂F₂/∂α_２）
は定常円旋回状態での等価コーナリングパワーを表す
（左右輪の和）。

（４）を（２）に代入し、 の関係を用いると、 但し、∂δ_r/∂δ_ｒは微小転舵時の前後舵角比を示
す。

（６）の式を（２）′の表現で置き換えると、操舵直
後のモーメント（以下残存ヨーモーメントと呼ぶ）は、 操舵直後の微小時間Δｔ内にヨーレイトの増加する量
をΔｒとすると、 だから、 従って、操舵直後の過渡的ヨーレイトゲインは、ほぼ
次のようにみなせる。

（６）′式の残存ヨーモーメントと（９）式の過渡的
ヨーレイトゲインは本質的には同じものであり、旋回中
の操舵に対するヨー応答はこれらの式をめやすに評価で
きる。

実際に、車両のヨー応答特性を設定する場合には、直
進時のヨーレイトゲインは、ハンドル角に対する前輪転
舵角のギヤ比ｎによって自由に設定できるので、絶対値
よりも、横加速度が増加するにつれ、ヨー応答特性がど
のような割合で変化するかが問題となる。

それ故、（６）′式，（９）式に共通となっている、 に注目し、横加速度の増加により、どの程度の割合で変
化するかを考察する。

（10）式のC_f0/m_f,C_r0/m_rは第２図のF₁/m_f,F₂/m_rをタ
イヤすべり角で微分すれば得られ、第３図のように_０
の関数になる。

これらの関数を と置くと、（10）は （ｉ）2WS車の場合 2WS車の場合には、後輪転舵角は常に零であるので、 従って、 となって、Ｊ（_０）の変化は前輪タイヤのコーナリン
グパワーの変化に一致する。

即ち、Ｊは定常横加速度_０が増すにつれ、徐々に減
少し、第４図のように_０がa_fを越えるとＪは零となる
ため、ドライバーがハンドル操作を行っても車両のヨー
運動の制御は行えなくなる。

以上のように2WS車では、横加速度の増加に伴うヨー
応答の変化は、前輪タイヤの横力特性に主に支配され
る。

（ii）後輪を前輪と一定の比率ｋで比例転舵する4WS車
の場合 後輪を前輪と同位相に一定の比率で転舵すると、操舵
に対する横加速度応答の遅れが減少し、中高速走行でド
ライバーにとって操舵が易しくなることは、既に知られ
ている。

このような、後輪転舵角の制御を行ったときには、 であるから、 ＝f₁（_０）−ｋ×f₂（_０） （17） となり、Ｊは第５図のf₁（_０）とｋ×f₂（_０）の差
となり、第６図に示すようになる。

即ち、Ｊは定常横加速度_０がある値a_kを超えると、
負になり、ヨー応答の方向が逆転する。

このように、後輪を前輪と同位相に一定の比率で転舵
する制御を行っただけでは、横加速度の増加に伴い、ヨ
ー応答がスムースでない変化を起こす領域ができる。

（iii）本発明の効果：後輪の前輪に対する転舵比を横
加速度の大きさに応じて可変に制御する4WS車の場合 とすると、 Ｊ（_０）＝f₁（_０）−ｇ（_０）×f₂（_０） …（19） 例えば、第７図のようにｇ（_０）を設定したとする
と、第８図に示すように、横加速度の増加に対して、Ｊ
（_０）の減少する比率を少なくでき、高い横加速度ま
でスムースなヨー応答が得られる。

（ｉ）〜（iii）でそれぞれ得られたＪ（_０）の
_０の増加に対する変化の割合を比較するため、_０＝０
のときのＪ（０）でそれぞれ割って無次元化したものを
描くと、第９図に示すようになる。

また、本発明では、希望とするＪ（_０）の目標値J₀
（_０）が与えられたとき、その目標を達成するための
前後転舵比ｇ（_０）の設定方法もきわめて簡単に行え
る。

（19）式から f₁（_０）−ｇ（_０）×f₂（_０）＝J₀（_０） …（20） この式をｇ（_０）について解くと、 この（21）式のｇ（_０）によって、目標ヨー応答J₀
（_０）が達成できる。

（21）式を用いるには、f₁（_０）,f₂（_０）をあ
る程度正確に知る必要がある。しかし、実走中タイヤの
コーナリングパワーC_f0,C_r0は路面状況によって変化し
たり、車両のサスペンション構成によって、タイヤ単体
の特性とは違うものになることも多い。

それ故、（21）式をだいたいのめやすとして、ｇ（
_０）の設定をまず行い、それから実走テストによってヨ
ー応答を確認して、ｇ（_０）の詳細な調整を行うこと
が実際的と言える。

また、実走中に操舵に対するヨー応答を常時実測し、
これと、望ましいヨー応答の規範モデルに対する応答を
コンピュータの数値計算によって出したものと比較し、
その後差に応じて、ｇ（_０）を調整するという「モデ
ル規範型適応制御」を行えば、制御の効果はさらに大き
くなる。

次に第10図に示した定常円旋回中の四輪車における挙
動について解説する。ここで説明の簡単化のため、重心
から前後車軸までの距離が等しい四輪車を基にしてい
る。

2WS車の場合には、（15）式のＪ（_０）＝f
₁（_０）及び第４図のヨー応答特性から、定常横加速
度_０がa_f未満（_０＝a_i,a_i＜a_f）では、第11図
（ａ）のように前輪横力F₁が発生するものの、_０がa_f
以上（_０≧a_f）になると、第11図（ｂ）のようにF₁＝
０となり、車両にヨーレイト変化が出なくなる。

転舵比ｋ一定の4WS車の場合は、（17）式のＪ
（_０）＝f₁（_０）−ｋ×f₂（_０）及び第６図のヨ
ー応答特性から、前後輪の同位相転舵状態において、
_０がa_k未満（_０＝a_i,a_i＜a_k）で、第12図（ａ）のよ
うに後輪横力F₂も発生し、F₁＞F₂＞０となっているが、
_０がa_k以上（_０≧a_k,a_k＜a_f＜a_r）になると、ヨー
応答が零または負の領域となる。

即ち、横加速度の増加に伴い、ヨー応答がスムースな
変化をしない領域ができる。

つまり_０＝a_kで、第12図（ｂ）のようにF₁＝F₂とな
り、ヨーレイト変化が出なくなること、また_０＝a
_fで、第12図（ｃ）のようにF₂のみ発生してF₁＝０とな
り、意図する旋回方向と逆方向にヨーレイト変化が出て
しまうこと、さらに_０がa_r以上（_０≧a_r）になる
と、第12図（ｄ）のようにF₁＝F₂＝０となり、ヨーレイ
ト変化が出なくなることによる。

本発明の後輪制御方法による4WS車の場合には、（1
9）式のＪ（_０）＝f₁（_０）−ｇ（_０）×f₂（
_０）及び第９図のヨー応答特性から、f₁（_０）−ｇ
（_０）×f₂（_０）≧０であり、前後輪の同位相転舵
状態において、_０がa_rに達する（_０＝a_i,a_i＜a_r）
まで、第13図（ａ）のようにF₁＞F₂＞０となっており、
意図する旋回方向にヨーレイト変化を発生させることが
できる。このように_０が高い横加速度a_rを超えて（
_０≧a_r）から始めて第13図（ｂ）のようにF₁＝F₂＝０と
なる。

従って従来の4WS車と比較して高い横加速度までスム
ースなヨー応答を得ることができるものである。

［実施例］ 以下に第14図以降に示した実施例につき説明する。

4WSシステムの一例としての概略構成を示す第14図に
おいて、１はステアリングハンドル、３はフロントステ
アリングギヤ機構、９は前輪、11は電動機（アクチュエ
ータ）、13はリヤステアリングギヤ機構、19は後輪、2
4,25,26,27,28は各種センサー、29は後輪制御装置（コ
ントローラ）である。ステアリングシャフト２のピニオ
ン４とラック５によるフロントステアリングギヤ機構３
が設けられ、ラックシャフト６の両端にタイロッド7,7
を介して前輪用ナックルアーム8,8が連結されている。
また電動機11からピニオンシャフト12のピニオン14とラ
ック15によるリヤステアリングギヤ機構13が設けられ、
ラックシャフト16の両端にタイロッド17,17を介して後
輪用ナックルアーム18,18が連結されている。電動機11
とピニオンシャフト12との間に傘歯車機構21が設けら
れ、22,23は傘歯車である。そして前輪舵角センサー2
4、後輪舵角センサー25、車速センサー26、横加速度セ
ンサー27、ヨーレイトセンサー28が設けられている。

各種センサー24,25,26,27,28の検出信号がコントロー
ラ29に送られ、このコントローラ29によってアクチュエ
ータである電動機11を駆動し、前輪9,9の転舵に対応し
て以下の如く後輪19,19の転舵を行う。

尚、第14図では完全電子制御タイプの4WSシステムを
例示したが、本発明の後輪制御は機械式（ギヤ比可変機
構付き等）＋電子ハイブリッドタイプの4WSシステムに
ついても成立するものである。

そして後輪制御の信号処理の流れを第15図に示した。

本発明は前述の（19）式のＪ（_０）＝f₁（_０）−
ｇ（_０）×f₂（_０）に基づき後輪制御を行うもので
あり、前記第９図から、f₁（_０）−ｇ（_０）×f
₂（_０）≧０となっている。

まず第１案の制御は第16図から第19図に示すようにし
て行う。

即ち、第16図において、ステップ（P₁）にて横加速度
₀,ハンドル角（前輪舵角）θ_Ｆを読込み、次のステッ
プ（P₂）で横加速度_０をアドレスとして転舵比ｋを第
17図のデータテーブル１からマップ検索する。そして次
のステップ（P₃）にて転舵比ｋと前輪舵角θ_Ｆに基づき
後輪目標舵角θ_R0を決定して、次のステップ（P₄）で後
輪転舵を指令する。

さらに第18図に示す後輪転舵ルーチンにおいては、ス
テップ（P₁₁）で後輪実舵角θ_Ｒを読込み、次のステッ
プ（P₁₂）にて目標舵角θ_R0から実舵角θ_Ｒを減じて偏
差Δθ_Ｒを算出する。そして次のステップ（P₁₃）にて
偏差Δθ_Ｒをアドレスとして第19図のデータテーブル２
からデューティーＤをマップ検索して、次のステップ
（P₁₄）で偏差Δθ_ＲとデューティーＤに基づきアクチ
ュエータ11を駆動する。

このような後輪制御によって例えば前後輪の同位相転
舵状態において、前記第13図のように横加速度_０が前
記第９図のa_rに達するまで、意図する旋回方向にヨーレ
イト変化を発生させることができ、従来の4WS車と比較
して高い横加速度までスムースなヨー応答を得ることが
できる。

尚、横加速度の検出としては、実施例のようにセンサ
ー27により直接検出するものの他、車速と舵角により演
算にて_０を求めるようにしても良い。

また第２案の制御は第20図及び第21図に示すようにし
て行うものである。

即ち、第20図において、ステップ（P₂₁）にて横加速
度₀,ハンドル角（前輪舵角）θ_Ｆ及び車速Ｖを読込
み、次のステップ（P₂₂）で車速Ｖをアドレスとして転
舵比ｋ′を第21図のデータテーブル３からマップ検索す
る。そして次のステップ（P₂₃）において、車速Ｖが前
後輪の逆位相領域（低速度）または同位相領域（中高速
度）のいずれにあるかを判別する。つまり逆位相領域と
同位相領域との境界車速V₁（第21図参照）以下の車速Ｖ
では（低速、逆位相領域）、ステップ（P₂₄）にて転舵
比ｋ′と後輪実舵角θ_Ｒから目標舵角θ_R0を決定する一
方、境界車速V₁を超える車速Ｖでは（中高速、同位相領
域）、次のステップ（P₂₅）にて横加速度_０をアドレ
スとして転舵比ｋを前記第17図のデータテーブル１から
マップ検索する。

そして次のステップ（P₂₆）において、転舵比ｋと前
記転舵比ｋ′とを比較判別する。つまりｋがｋ′以上で
は、前記ステップ（P₂₄）の処理を行う一方、ｋがｋ′
未満の場合には、次のステップ（P₂₇）にて転舵比ｋと
後輪実舵角θ_Ｒから目標舵角θ_R0を決定する。このよう
にしてステップ（P₂₄）またはステップ（P₂₇）で決定さ
れた目標舵角θ_R0に基づき次のステップ（P₂₈）で後輪
転舵を指令する。

即ち、高速時における車速に応じた高い操縦応答性と
良好なヨー応答性及び、低速時における小廻り性の向上
が得られる。

このような舵角、横加速度及び車速に対応したきめ細
かい転舵比可変の後輪制御によれば、前記第13図の同位
相転舵状態において特にヨー応答の向上のために必要と
なる、横加速度_０が前記第９図のa_rに達するまで、意
図する旋回方向にヨーレイト変化を発生させることがで
き、同位相転舵領域での高い横加速度までスムースなヨ
ー応答を得ることができる。

尚、以上のフローチャートでは省略したが、第15図の
ブロック図に示したようにコントローラ29において、検
出されたヨーレイトｒからヨー応答を解析し、補正して
前記（21）式 に基づきｇ（_０）を計算し、さらに後輪転舵角を計算
してアクチュエータ11を駆動を行うものである。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、後輪の前輪に対する転
舵比を横加速度に応じて可変制御する4WS車において、f
₁（_０）−ｇ（_０）×f₂（_０）≧０に従って後輪
制御を行うため、意図する旋回方向にヨーレイト変化を
発生させることができ、従来よりも高い横加速度までス
ムースなヨー応答を得ることができ、直進から高い横加
速度の旋回にいたる各種の旋回状態で、ヨー応答の設定
の自由度を大巾に上げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第13図までは本発明の原理を説明するための
もので、第１図は操舵応答の二輪車モデルの平面図、第
２図は定常円旋回中の前後輪の単位質量当たりのコーナ
リングフォースの特性図、第３図は同コーナリングパワ
ーの特性図、第４図は2WS車の場合のヨー応答の特性
図、第５図は転舵比一定の4WS車の場合の横加速度関数
の特性図、第６図は同ヨー応答の特性図、第７図は本発
明の4WS車の場合の転舵比関数の特性図、第８図は同ヨ
ー応答の特性図、第９図は2WS車及び転舵比一定4WS車と
本発明4WS車とのヨー応答を比較した特性図、第10図は
定常円旋回中の四輪車の平面図、第11図（ａ）及び
（ｂ）は2WS車の挙動を説明する各平面図、第12図
（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）は転舵比一定4WS車
の挙動を説明する各平面図、第13図（ａ）及び（ｂ）は
本発明4WS車の挙動を説明する各平面図、第14図から第2
1図までは本発明の原理を適用した実施例を説明するた
めのもので、第14図は4WS装置の一例としての概略構成
図、第15図は後輪制御のブロック図、第16図は第１案を
説明する後輪転舵のフローチャート、第17図はデータテ
ーブル１のマップ、第18図は後輪転舵ルーチンのフロー
チャート、第19図はデータテーブル２のマップ、第20図
はさらに第２案を説明する後輪転舵のフローチャート、
第21図はデータテーブル３のマップである。 尚、図面中、１はステアリングハンドル、３はフロント
ステアリングギヤ機構、９は前輪、11はアクチュエー
タ、13はリヤステアリングギヤ機構、19は後輪、24,25
は舵角センサー、26は車速センサー、27は横加速度セン
サー、28はヨーレイトセンサー、29はコントローラであ
る。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ６２Ｄ 137:00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】操舵操作により転舵される前輪と、前輪の
   転舵に応じて転舵される後輪と、横加速度検出手段を備
   え、後輪の前輪に対する転舵比を横加速度に応じて可変
   制御する四輪操舵車において、 転舵比ｇ（_０）を f₁（_０）−ｇ（_０）×f₂（_０）≧０ （但し、f₁（_０）＝C_f0/m_f、f₂（_０）＝C_r0/m_r、
   _０は横加速度、C_f0,C_r0は定常円旋回状態での前後輪の
   等価コーナリングパワー、m_f,m_rは前後輪車軸上の等価
   質量）を満たす範囲に設定したことを特徴とする四輪操
   舵車の後輪制御方法。