JP4296899B2 - 車両の操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、運転者によって操舵操作される操舵ハンドルと、転舵用アクチュエータを有し操舵ハンドルの操舵操作に応じて転舵輪を転舵する転舵装置とを備えたステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置に関する。

従来、この種の装置は、操舵ハンドルの操舵操作に対して操舵反力を付与する反力装置を備え、反力装置は、操舵ハンドルを中立位置（すなわち、転舵輪の転舵角が零となる操舵操作位置）に戻すように作用するとともに、中立位置からの操舵操作量の増加に従って増加する操舵反力を発生するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−５３００８号公報

しかし、上記従来の装置においては、操舵反力は、操舵ハンドルの中立位置からの操舵操作量の増加に従って増加するので、車両旋回時における操舵反力が大きくなり過ぎて操縦性が悪化したり、転舵輪のスリップ時（ドリフト時）に操舵ハンドルの中立位置方向に操舵反力が作用するために車両挙動が不安定になったりするおそれがある。

本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、車両の操縦性を良好にするとともに、車両の挙動を安定化させるようにした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、運転者によって操舵操作される操舵ハンドルと、転舵用アクチュエータを有し操舵ハンドルの操舵操作に応じて転舵輪を転舵する転舵装置とを備えたステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置において、運転者による操舵ハンドルの操舵操作に対し、操舵ハンドルを反力中立位置に戻すように作用するとともに反力中立位置からの操舵操作量の増加に従って増加する操舵反力を発生する反力装置と、車輪横滑り角が零となる転舵輪の転舵角に対応した操舵ハンドルの操舵操作位置を検出する操舵操作位置検出手段と、前記検出された操舵操作位置が反力中立位置となるように反力装置を制御する中立位置制御手段とを設けたことにある。

この場合、操舵操作位置検出手段を、例えば、車速を検出する車速センサと、車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサと、車両の横加速度を検出する横加速度センサと、転舵輪の実転舵角を検出する転舵角センサと、前記検出された車速、ヨーレート、横加速度および実転舵角を用いて、車輪横滑り角が零となる転舵輪の転舵角に対応した操舵ハンドルの操舵操作位置を計算する計算手段とで構成するとよい。また、操舵操作位置検出手段を、転舵用アクチュエータにより発生されて転舵輪を転舵するための転舵トルクを検出する転舵トルクセンサと、転舵輪の実転舵角を検出する転舵角センサと、前記検出された転舵トルクおよび実転舵角を用いて、車輪横滑り角が零となる転舵輪の転舵角に対応した操舵ハンドルの操舵操作位置を計算する計算手段とで構成してもよい。

上記のように構成した本発明においては、車輪横滑り角が零となる転舵輪の転舵角に対応した操舵ハンドルの操舵操作位置が反力装置の反力発生の中立位置となるので、車両旋回時における操舵反力を小さくすることができて車両の操縦性が良好になる。また、転舵輪のスリップ時（ドリフト時）には、車輪横滑り角が零となる転舵輪の転舵角に対応した操舵ハンドルの操舵操作位置に戻るように操舵反力が付与されるので、車両の挙動を安定化させることができる。

以下、本発明の一実施形態に係る車両の操舵装置について図面を用いて説明する。図１は、同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、運転者によって回転操作される操作部としての操舵ハンドル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、操舵入力軸１２には反力装置２０が組み付けられている。

反力装置２０は、図２に示すように、スリーブ２１、スプリング２２および電動モータ２３を備えている。スリーブ２１は、円筒状に形成され、操舵入力軸１２の外周面上に軸線方向に移動不能かつ軸線回りに回転可能に組み付けられている。スリーブ２１の外周面上には大ギヤ２４がスリーブ２１と一体回転するように固定され、同大ギヤ２４には係止片２５が固定されている。スプリング２２は、自然長よりも若干引っ張った状態で、その上端にて前記係止片２５に係止されるとともに、その下端にて操舵入力軸１２の下端に固定した係止片２６に係止されている。電動モータ２３は、反力中立位置調整用アクチュエータを構成するもので、その回転軸２３aの先端には小ギヤ２７が回転軸２３ａと一体回転するように固定されている。小ギヤ２７は、大ギヤ２４に噛み合っている。この構成により、反力装置２０は、操舵ハンドル１１の回動操作に対して、スプリング２２のばね力による反力を付与する。すなわち、この反力は、操舵ハンドル１１の回転位置を係止片２５の位置（中立位置）に戻すように作用するとともに、操舵ハンドル１１の中立位置からの回動操作量の増加に従って増加する。また、この反力装置２０においては、電動モータ２３によって回転される大ギヤ２４の回転により、操舵ハンドル１１の回動操作に対する反力の中立位置が変化する。

また、この操舵装置は、転舵用アクチュエータとしての電動モータ３１を備えている。この電動モータ３１の転舵力は、転舵出力軸３２、ピニオンギヤ３３およびラックバー３４を介して左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２に伝達される。この構成により、電動モータ３１の回転は転舵出力軸３２を介してピニオンギヤ３３に伝達され、ピニオンギヤ３３の回転によりラックバー３４を軸線方向に変位させて、このラックバー３４の軸線方向の変位により、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は左右に転舵される。

次に、これらの電動モータ２３，３１の回転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、操舵角センサ４１、転舵角センサ４２、車速センサ４３、ヨーレートセンサ４４、横加速度センサ４５および回転角センサ４６を備えている。

操舵角センサ４１は、操舵入力軸１２に組み付けられて、操舵ハンドル１１の中立位置からの回転角を検出して操舵角θとして出力する。転舵角センサ４２は、転舵出力軸３２に組み付けられて、同出力軸３２の中立位置からの回転角を検出して実転舵角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および実転舵角δは、中立位置を「０」とし、左方向の回転角を正の値で表すとともに、右方向の回転角を負の値でそれぞれ表す。車速センサ４３は、車速Ｖを検出して出力する。ヨーレートセンサ４４は、車両のヨーレートγを検出して出力する。なお、ヨーレートγは、左方向の回転を正で表すとともに、右方向の回転を負で表す。横加速度センサ４５は、車両の横加速度Ｇyを検出して出力する。なお、横加速度Ｇyは、左方向の加速度を正で表し、右方向の加速度を負で表す。回転角センサ４６は、大ギヤ２４（または小ギヤ２７）の中立位置（操舵角の中立位置と同じ）からの回転角θgを検出して出力する。なお、この回転角θgも、左方向を正で表し、右方向を負で表す。

これらのセンサ４１〜４６は、電子制御ユニット５０に接続されている。電子制御ユニット５０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、図３のプログラムを所定の短時間ごとに繰返し実行して、両電動モータ２３，３１の作動をそれぞれ制御する。電子制御ユニット５０の出力側には、電動モータ２３，３１を駆動するための駆動回路５１，５２がそれぞれ接続されている。

次に、上記のように構成した実施形態の動作を説明する。電子制御ユニット５０は、ステップＳ１０にてプログラムの実行を開始し、ステップＳ１２にて操舵角センサ４１から操舵角θを入力する。次に、ステップＳ１４にて、電子制御ユニット５０内に予め用意した目標転舵角テーブルを参照して、前記入力した操舵角θに対応する目標転舵角δ＊を計算する。この目標転舵角テーブルは、図４に示すように、操舵角θに略比例する特性を有する目標転舵角δ＊を記憶している。なお、目標転舵角テーブルを用いるのに代えて、操舵角θと目標転舵角δ＊との関係を予め定めた関数を予め用意しておいて、同関数を用いて前記入力した操舵角θに対応する目標転舵角δ＊を計算するようにしてもよい。

前記目標転舵角δ＊の計算後、ステップＳ１６にて、転舵角センサ４２から実転舵角δを入力しながら、目標転舵角δ＊と前記入力した実転舵角δとの差δ＊−δを計算して、同差δ＊−δを表す信号を駆動回路５２に出力する。駆動回路５２は、前記入力信号に応じて電動モータ３１の回転を制御することにより、転舵出力軸３２、ピニオンギヤ３３およびラックバー３４を介して左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を転舵制御して、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２を目標転舵角δ＊に転舵する。その結果、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２は、操舵ハンドル１１の回動操作に応じて転舵されるようになる。

前記ステップＳ１６の処理後、電子制御ユニット５０は、ステップＳ１８にて、車速センサ４３、ヨーレートセンサ４４、横加速度センサ４５および転舵角センサ４２から車速Ｖ、ヨーレートγ、横加速度Ｇyおよび実転舵角δをそれぞれ入力する。次に、ステップＳ１８にて下記式１に従って左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の横滑り角βfを計算する。
βf＝(γ−Ｇy/Ｖ)/Ｓ＋Ｌf・γ/Ｖ−δ …式１
ただし、Lfは車両重心から左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の車軸中心までの距離であり、Sはラプラス演算子である。

ここで、前記式１の根拠について、図６を用いて説明しておく。まず、前後の各左右車輪を一つにまとめて、前後輪のみとした自動車の２輪モデルを想定する。車両が、前輪の実転舵角δ、車体の前後方向の速度ｕ、車体の横方向の速度ｖおよびヨーレートγで走行しているとき、車体の前後方向に対する前輪の進行方向角度がδoであり、前輪の横滑り角がβfとあるとすると、下記式２が成立する。
δo＝βf＋δ＝tan^-1{(ｖ＋Ｌf・γ)/ｕ} …式２

前記式２で、(ｖ＋Ｌf・γ)/ｕが小さいことを考慮すれば、前記式２は下記式３のように変形される。
δo＝βf＋δ＝(ｖ＋Ｌf・γ)/ｕ …式３

ここで、車速をVとし、車体の横滑り角をβとするとともに、βが小さいことを考慮すれば、下記式４が成立する。
ｕ＝Ｖ・cosβ≒Ｖ …式４
また、車両の重心点の横加速度Ｇyは下記式５により表され、ラプラス変換を用いれば、下記式６が成立する。Ｓはラプラス演算子である。
dｖ/dt＝ｕ・γ−Ｇy …式５
ｖ＝(ｕ・γ−Ｇy)/Ｓ …式６
そして、前記式４〜６を用いると、前記式３は上記式１のように変形されて、前輪の横滑り角βfが、車速Ｖ、ヨーレートγ、横加速度Ｇyおよび実転舵角δを用いて計算されることになる。

前記ステップＳ２０の横滑り角βfの計算後、ステップＳ２２にて、横滑り角βfおよび実転舵角δを用いた下記式７に従って操舵ハンドル１１の反力中立角θtを計算する。
θt＝K(δ)・(βf＋δ) …式７
この式７におけるK(δ)は左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角δと操舵ハンドル１１の操舵角θとの関係を表すものであり、式７の計算においては、上述した目標転舵角テーブルを用いるとともに、目標転舵角βf＋δに対応した操舵角θの値を反力中立角θtとすればよい。なお、この場合も、目標転舵角（転舵角βf＋δに対応）と操舵角（反力中立角θtに対応）との関係を表す予め決められた関数を用いるようにしてもよい。そして、この反力中立角θtは、横滑り角βfが零となる左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角に対応した操舵ハンドル１１の操舵角を表している。

次に、ステップＳ２４にて、回転角センサ４６から回転角θgを入力しながら、反力中立角θtと前記入力した回転角θgとの差θt−θgを計算して、同差θt−θgを表す信号を駆動回路５１に出力して、ステップS２６にてこのプログラムの実行を一旦終了する。駆動回路５１は、前記入力信号に応じて電動モータ２３の回転を制御することにより、スリーブ２１を回転させて、スプリング２２の上端が取り付けられている係止片２５の回転位置を反力中立角θtに制御する。これにより、図５に実線で示すように、操舵ハンドル１１の操舵操作に対して反力中立角θtを中立位置として、操舵ハンドル１１が反力中立角θtから左右へ操舵操作されるに従って増加する操舵反力が操舵ハンドル１１の操舵に対して付与される。

上記作動説明からも理解できるように、横滑り角βfが零となる左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角に対応した操舵ハンドル１１の回動位置がスプリング２２による反力装置２０の反力発生の中立位置となるとともに、操舵ハンドル１１の前記回動位置を中心にした左右への操舵量の増加に従って増加する操舵反力が操舵ハンドル１１の操舵に対して付与される。したがって、車両旋回時における操舵ハンドル１１の回動操作に対する操舵反力を小さくすることができて、車両の操縦性が良好になる。また、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２のスリップ時（ドリフト時）には、横滑り角βfが零となる左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角に対応した操舵ハンドル１１の回動位置に戻るように操舵反力が付与されるので、車両の挙動を安定化させることもできる。

また、上記実施形態においては、スプリング２２の弾性力により、操舵ハンドル１１の回動操作に対する反力を付与するようにした。したがって、例えば、操舵入力軸１２自体を電動モータなどのアクチュエータで駆動することによって前記反力を得るものに比べて、簡単な構成で、運転者による操舵ハンドル１１の回動操作に対して反力を付与することができるようにもなる。

次に、上記実施形態の反力中立角θtの計算方法を変更した上記実施形態の変形例について説明する。この変形例は、図１に破線で示すように、車速センサ４３、ヨーレートセンサ４４および横加速度センサ４５に代えて、駆動回路５２内に電動モータ３１の駆動電流Iを検出する電流センサ４７を備えている。そして、電子制御ユニット５０は、上記図３のプログラムに代えて図７のプログラムを実行する。これらの点以外については、上記実施形態と同一であるので、上記実施形態と同一符号を付してその説明を省略する。

この変形例においても、電子制御ユニット５０は、図７のプログラムの実行を所定の短時間ごとに繰り返し実行する。このプログラムは、上記実施形態の図３のプログラムのステップＳ１８〜Ｓ２２の処理をステップＳ３２〜Ｓ３６の処理に変更したものである。ステップＳ３２においては、電流センサ４７から電動モータ３１に流れている駆動電流Ｉを表す検出信号を入力するとともに、転舵角センサ４２から実転舵角δを入力する。次に、ステップＳ３４にて、この駆動電流Ｉに基づいて、電動モータ３１の発生トルクによる転舵輪の転舵モーメントＴmを計算する。この場合、転舵モーメントＴmは電動モータ３１の駆動電流Iと所定の関係（例えば、比例関係）にあるので、同関係を表すテーブルまたは関数を用意しておいて、同用意されたテーブルまたは関数を用いることにより、駆動電流Ｉに基づいて転舵モーメントＴmを計算できる。

前記ステップＳ３４の処理後、ステップＳ３６にて、転舵モーメントＴmおよび実転舵角δを用いた下記式８に従って反力中立角θtを計算する。
θt＝−{K(δ)・Ｔm}/(２・ξ・Kf)＋K(δ)・δ …式８
ただし、K(δ)は左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角δと操舵ハンドル１１の操舵角θとの関係を表す予め決められた関数であり、ξは左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２に関するトレール（サスペンションのアライメントで決まるキャスタートレールと、タイヤの特性で決まるニューマチックトレールとを加算した値）を表す予め決められた定数であり、Kfは左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２のコーナリングパワーを表す予め決められた定数である。

ここで、前記式８の根拠について、図６を用いて説明しておく。車両の旋回走行によって路面から左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２（転舵輪）に働くモーメントをＴtとすると、このモーメントTtは下記式９によって表される。
Tt＝２・ξ・Kf・βf …式９
ただし、βfは左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の横滑り角である。これと釣り合っている力は電動モータ３１の発生トルクによる左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２に対する転舵モーメントTmである。したがって、両モーメントＴt，Ｔmの間には下記式１０が成立する。
Ｔm＝−Ｔt …式１０

ここで、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２が発生するモーメントが「０」となるような左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角をδoとし、左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の実転舵角をδとすると、下記式１１が成立する。
δo＝βf＋δ＝−Ｔm/(２・ξ・Kf)＋δ …式１１
一方、操舵ハンドル１１の操舵角θと左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の実転舵角δとは、下記式１２によって表される。
θ＝K(δ)・δ …式１２
そして、前記式９〜１２により、横滑り角βfが「０」となる左右前輪ＦＷ１，ＦＷ２の転舵角δoに対応した操舵ハンドル１１の反力中立角θtは、下記式１３によって表され、前記式８が成立することが分かる。
θt＝K(δ)・δo＝−{K(δ)・Ｔm}/(２・ξ・Kf)＋K(δ)・δ …式１３

前記ステップＳ３６の反力中立角θtの計算後、電子制御ユニット５０は、上記実施形態と同様なステップＳ２４の処理により、回転角センサ４６から回転角θgを入力しながら、反力中立角θtおよび前記入力した回転角θgにより駆動回路５１を制御して、スプリング２２の上端が取り付けられている係止片２５の回転位置が反力中立角θtになるように制御する。これにより、図５に実線で示すように、操舵ハンドル１１の操舵操作に対して反力中立角θtを中立位置として、操舵ハンドル１１が反力中立角θtから左右へ操舵操作されるに従って増加する操舵反力が操舵ハンドル１１の操舵に対して付与される。したがって、この変形例によっても、上記実施形態と同様な効果が期待される。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態及びその変形例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、上記実施形態における反力装置２０を変形して、操舵反力の特性を変更できるようにしてもよい。図８はこの変形例を示すもので、例えば、スリーブ２１の外周面上にL字状に曲げたスライドプレート６１を固定し、スプリング２２の上端部を係止する係止片２５がスライドプレート６１上をスリーブ２１の軸線方向に移動可能にしている。この場合、係止片２５をスライドプレート６１にスリーブ２１の軸線方向に変位可能に組付けるとともに、係止片２５に固定されたナット部材６２に螺合したスクリューロッド６３を電動モータ６４により回転させるようにするとよい。

これによれば、電動モータ６４の回転によって係止片２５を図８の下方に移動させれば、スプリング２２に弛みを持たせることができ、図５に破線で示すように、反力中立角θtの近傍に操舵反力の不感帯を設けることができる。そして、スプリング２２の弛み量を調整することにより、この不感帯の幅を任意に制御できる。この場合、この不感帯の幅は、運転者の好みによって変更したり、車速に応じて変更、例えば高速走行時には不感帯を広げることにより操舵反力の発生を抑えて操縦性を向上させるようにする。

また、上記実施形態では車両の運動状態に応じた操舵反力の制御についてのみ説明したが、上記実施形態で計算した横滑り角βfなどの車両の運動状態量をエンジン、ブレーキなどの他の装置の制御にも利用できる。また、上記実施形態における操舵ハンドル１１の操舵角θに対する目標転舵角δ＊の計算においても、前記運動状態量を用いて目標転舵角δ*を補正するようにしてもよい。さらに、エンジン、ブレーキなどの他の制御回路から信号を入力して、目標転舵角δ＊および反力中立角θtを補正するようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る車両の操舵装置の概略図である。 図１の反力装置の具体例を示す概略図である。 図１の電子制御ユニットによって実行されるコンピュータプログラムのフローチャートである。 操舵角と目標転舵角（または転舵角）との関係を示すグラフである。 操舵角と操舵反力との関係を示すグラフである。 車両および転舵輪の運動状態を説明するための説明図である。 前記実施形態の変形例に係り、図１の電子制御ユニットによって実行されるコンピュータプログラムのフローチャートである。 反力装置の変形例を示す概略図である。

符号の説明

ＦＷ１，ＦＷ２…前輪、１１…操舵ハンドル、１２…操舵入力軸、２０…反力装置、２１…スリーブ、２２…スプリング、２３，３１…電動モータ、４１…操舵角センサ、４２…転舵角センサ、４３…車速センサ、４４…ヨーレートセンサ、４５…横加速度センサ、４６…回転角センサ、４７…電流センサ、５０…電子制御ユニット

Claims (3)

1. 運転者によって操舵操作される操舵ハンドルと、転舵用アクチュエータを有し操舵ハンドルの操舵操作に応じて転舵輪を転舵する転舵装置とを備えたステアリングバイワイヤ方式の車両の操舵装置において、
   運転者による操舵ハンドルの操舵操作に対し、操舵ハンドルを反力中立位置に戻すように作用するとともに反力中立位置からの操舵操作量の増加に従って増加する操舵反力を発生する反力装置と、
   車輪横滑り角が零となる転舵輪の転舵角に対応した操舵ハンドルの操舵操作位置を検出する操舵操作位置検出手段と、
   前記検出された操舵操作位置が前記反力中立位置となるように前記反力装置を制御する中立位置制御手段とを設けたことを特徴とする車両の操舵装置。
2. 前記請求項１に記載した車両の操舵装置において、
   前記操舵操作位置検出手段を、
   車速を検出する車速センサと、
   車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサと、
   車両の横加速度を検出する横加速度センサと、
   転舵輪の実転舵角を検出する転舵角センサと、
   前記検出された車速、ヨーレート、横加速度および実転舵角を用いて、車輪横滑り角が零となる転舵輪の転舵角に対応した操舵ハンドルの操舵操作位置を計算する計算手段とで構成した車両の操舵装置。
3. 前記請求項１に記載した車両の操舵装置において、
   前記操舵操作位置検出手段を、
   転舵用アクチュエータにより発生されて転舵輪を転舵するための転舵トルクを検出する転舵トルクセンサと、
   転舵輪の実転舵角を検出する転舵角センサと、
   前記検出された転舵トルクおよび実転舵角を用いて、車輪横滑り角が零となる転舵輪の転舵角に対応した操舵ハンドルの操舵操作位置を計算する計算手段とで構成した車両の操舵装置。

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