JP4524641B2

JP4524641B2 - 車両操舵装置

Info

Publication number: JP4524641B2
Application number: JP2005117401A
Authority: JP
Inventors: 貴大古平; 慎利中津; 浩志澤村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2025-04-14
Also published as: JP2006290302A

Description

本発明は、車両に含まれる一対の操舵輪を操舵するための車両操舵装置に関する。

従来から、車両の操舵輪を転舵させるための車両操舵装置として、操舵輪ごとに操舵用アクチュエータを有して左右の操舵輪をそれぞれ独立に操舵させることができる車両操舵装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。なお、左右の操舵輪の舵角を調整可能な車両操舵装置としては、操舵ギヤボックスのラックと左右何れか一方の操舵輪との間の距離を変化させる舵角可変装置を有するものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００３−１１２６５０号公報特開平１０−３２４２５３号公報

上述のように、左右の操舵輪に対してそれぞれ操舵用アクチュエータを備えれば、各操舵輪の舵角を独立に調整することが可能となる。しかしながら、操舵ギヤ比を可変にしたり、転舵角を大きくしたりするためには、各操舵用アクチュエータとして高出力かつストロークが大きいものを用いる必要が生じる。このため、上記従来例においては、車両操舵装置のコンパクト化やエネルギ消費量の低減化を図ることは困難である。

そこで、本発明は、可変伝達比機能を有すると共に、装置のコンパクト化、エネルギ消費量の低減化を容易に達成可能な車両操舵装置の提供を目的とする。

本発明による車両操舵装置は、車両に含まれる一対の操舵輪を操舵するための車両操舵装置において、操舵ハンドルと連結されたステアリングシャフトと、各操舵輪を転舵させるための操舵ロッドと、ステアリングシャフトの回転運動を操舵ロッドの左右の直線運動に変換する操舵角伝達機構と、操舵ハンドルと操舵角伝達機構との間に設けられており、操舵ハンドルの操舵角と操舵輪の転舵角との間の伝達比を変化させる伝達比可変手段と、操舵角伝達機構と操舵輪の一方との間に設けられており、操舵ロッドの実効長さを変化させるアクチュエータと、伝達比可変手段とアクチュエータとを制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

この車両操舵装置では、基本的に、一対の操舵輪の転舵角が伝達比可変手段によって設定され、一対の操舵輪の転舵角を独立に設定する際には、アクチュエータが作動させられる。これにより、大型のアクチュエータを複数用いることなく可変伝達機能を実現すると共に、一対の操舵輪の転舵角を独立に設定するためのアクチュエータとして比較的低出力のものを採用することが可能となる。従って、この車両操舵装置では、可変伝達比機能を実現しつつ、装置全体をコンパクト化すると共にエネルギ消費量の低減化することが可能となる。

また、本発明による車両操舵装置は、伝達比可変手段とアクチュエータとの間に設けられ、操舵ロッドの直線運動をアシストするためのモータを含む電動アシストユニットを更に備えると好ましい。

このような構成のもとでは、伝達比可変手段が電動アシストユニットの支援下で操舵ハンドルの操舵角と操舵輪の転舵角との間の伝達比を変化させることから、伝達比可変手段として低出力かつコンパクトなものを採用することが可能となる。

更に、制御手段は、電動アシストユニットの作動中にアクチュエータの作動を許容すると好ましい。

このように、アクチュエータによる一対の操舵輪の独立操舵が電動アシストユニットによるアシスト時に実行されるようにすれば、アクチュエータの負荷を減らすことができるので、アクチュエータを小型化して装置全体のコンパクト化、低消費エネルギ化を図ることが可能となる。

また、制御手段は、電動アシストユニットによるアシスト量を設定するアシスト量設定手段と、ドライバーの操舵入力に応じた目標操舵反力を取得する目標操舵反力取得手段と、アクチュエータを作動させて操舵ロッドの実効長さを変化させた際の実操舵反力を取得する実操舵反力取得手段と、アクチュエータが作動させられた際に、目標操舵反力と実操舵反力との偏差に基づいて電動アシストユニットによるアシスト量を補正する補正手段とを含むと好ましい。

上述のアクチュエータによる一対の操舵輪の独立操舵が行われると、各操舵輪の転舵角が異なることに起因して各操舵輪に対する路面反力が互いに異なることになる。このため、アクチュエータによる一対の操舵輪の独立操舵が行われた場合と行われなかった場合とでは操舵反力が異なることになるので、所望の転舵角を得るために操舵ハンドルに入力すべき操舵力も変動してしまう。このような点に鑑みて、この車両操舵装置では、ドライバーの操舵入力に応じた目標操舵反力と、アクチュエータを作動させて操舵ロッドの実効長さを変化させた際の実操舵反力との偏差に基づいて電動アシストユニットによるアシスト量が補正される。これにより、電動アシストユニットによって操舵輪の独立操舵に起因する操舵反力の変動の影響を抑えて操舵力の変動を良好に抑制することが可能となる。

更に、本発明による車両操舵装置は、操舵ハンドルの操舵角を検出する操舵角検出手段と、車両の車速を検出する車速検出手段とを更に備えるとよく、制御手段は、操舵角検出手段によって検出される操舵角に基づいてアッカーマン角が所定値になるように第１目標転舵角を取得する第１目標転舵角取得手段と、予め作成された車両運動モデルを用いて操舵角検出手段によって検出される操舵角に応じた第２目標転舵角を取得する第２目標転舵角取得手段と、車速検出手段によって検出される車速に応じて、第１目標転舵角および第２目標転舵角の何れか一方を目標転舵角として設定する目標転舵角設定手段とを含むと好ましい。

このような構成を採用すれば、車速と操舵角とに応じて最適な目標転舵角を設定して車両の走行性能や取り回し性を向上させることが可能となる。

この場合、目標転舵角設定手段は、車速検出手段によって検出される車速が所定値を下回っている場合に第１目標転舵角を目標転舵角として設定する一方、車速検出手段によって検出される車速が所定値以上である場合に第２目標転舵角を目標転舵角として設定すると好ましい。

本発明によれば、可変伝達比機能を有すると共に、装置のコンパクト化、エネルギ消費量の低減化を容易に達成可能な車両操舵装置の実現が可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明による車両操舵装置を備えた車両の要部を示す概略構成図である。同図に示されるように、車両１は、本実施形態では前輪である左右一対の操舵輪２Ｌ，２Ｒまたは図示されない後輪を駆動するための内燃機関、電気モータ、あるいはこれらを組み合わせたハイブリッド動力ユニットといった駆動源（図示省略）を有すると共に、左側の操舵輪２Ｌおよび右側の操舵輪２Ｒを操舵するための車両操舵装置１０を含む。操舵輪２Ｌ，２Ｒは、それぞれホイールとタイヤとを含み、各操舵輪２Ｌ，２Ｒのホイールは、ブレーキユニットを構成するディスクロータ３を介してナックル４により支持されている。ナックル４には、ナックルアーム５が一体化または連結されており、ナックル４は、車両１の懸架装置を構成するストラットバーやロワアーム等を介して車体に対して支持されている。また、各操舵輪２Ｌおよび２Ｒのホイールの内部には、ディスクロータ３を介して各操舵輪２Ｌおよび２Ｒに制動力を付与するためのブレーキキャリパ６が配置されている。

一方、車両１の車両操舵装置１０は、ドライバーによって操作される操舵ハンドル１１を含む。操舵ハンドル１１は、ステアリングシャフト１２の一端に固定されており、ステアリングシャフト１２の他端は、操舵ギヤボックス１４に連結されている。操舵ギヤボックス１４は、ステアリングシャフト１２の端部に固定される図示されないピニオンギヤと、このピニオンギヤと噛合する操舵ロッドとしてのラック１５とを含み、ステアリングシャフト１２の回転運動をラック１５の左右の直線運動に変換する操舵角伝達機構として機能する。また、ステアリングシャフト１２には、操舵ハンドル１１と操舵ギヤボックス１４との間位置するように、伝達比可変機構１６が組み込まれている。この伝達比可変機構１６は、操舵ハンドル１１の操舵角に対する操舵輪２Ｌおよび２Ｒの転舵角の比である伝達比を変化させる機能を有するものであり、この伝達比を変化させるための駆動源としてのＤＣモータを主構成要素とするアクチュエータ１６ａと、減速機（差動装置）１６ｂとを含む。

そして、車両操舵装置１０は、いわゆる電動パワーステアリングユニットとして構成されており、ラック１５（操舵ロッド）にトルクを付与してその直線運動をアシストする電動アシストユニット１７を有している。本実施形態において、電動アシストユニット１７は、伝達比可変機構１６と後述のアクチュエータ２０との間、より詳細には、操舵ギヤボックス１４とアクチュエータ２０との間に設けられる。電動アシストユニット１７は、ステータおよびロータを含むモータ１８を有し、例えば、いわゆるボールスクリュ式のアシストユニットとして構成される。本実施形態では、モータ１８のロータに、図示されないボールねじナットが固定されており、このボールネジナットと、何れも図示されないボールおよびラック１５の一端側（本実施形態では、操舵輪２Ｌ側）に形成されたねじ溝とを介してモータ１８からラック１５にトルクが伝達されることになる。

更に、車両操舵装置１０は、操舵ギヤボックス１４すなわち電動アシストユニット１７と一方の操舵輪２Ｌとの間に配置されたアクチュエータ２０を有している。アクチュエータ２０は、操舵ギヤボックス１４から電動アシストユニット１７を介して延出するラック１５に連結されており、操舵ロッドとしてのラック１５の実効長さを変化させるものである。かかるアクチュエータ２０は、図２に示されるように、ハウジング２１を含み、このハウジング２１内には、上述のラック１５の端部が収容される。ハウジング２１内に収容されるラック１５の端部には、拡径された筒状部１５ａが形成されており、この筒状部１５ａの内周面には、電動モータを構成するステータ２２が固定されている。ラック１５の筒状部１５ａの内部には、軸受２３を介して、ねじシャフト２４が回転自在に支持されている。ねじシャフト２４は、外周にねじ溝を有し、ステータ２２を含むモータのロータとして機能する。

また、ラック１５の筒状部１５ａの内部には、ラック１５と共に操舵ロッドを構成するアクチュエータロッド２５の一端に形成された筒状部２５ａが挿入される。アクチュエータロッド２５の筒状部２５ａの内周面には、ボールねじナット２６が固定されており、当該ボールねじナット２６は、図示されないボールを介してねじシャフト２４のねじ溝と係合する。これにより、ステータ２２およびロータとしてのねじシャフト２４とにより構成されるモータに電力を供給すれば、ねじシャフト２４が回転する。そして、ねじシャフト２４の回転に伴ってボールねじナット２６および筒状部２５ａが回転し、それにより、アクチュエータロッド２５がラック１５の軸方向に進退移動することになる。このように、アクチュエータ２０を作動させてアクチュエータロッド２５を伸縮させることにより、ラック１５およびアクチュエータロッド２５により構成される操舵ロッドの実効長さを変化させることができる。なお、ステータ２２には、スパイラルケーブル２７を介して外部の図示されない電源から電力が供給される。

ラック１５の筒状部１５ａの端部には、アクチュエータロッド２５の筒状部２５ａと当接可能なナットストッパ２８が取り付けられる。この場合、ナットストッパ２８の内周部と筒状部２５ａの外周部とをスプライン係合させ、それにより、ナットストッパ２８に、アクチュエータロッド２５の回転を阻止する回り止め機能をもたせるとよい。また、ナットストッパ２８の内周に互いに平行な２つの平面を形成すると共に、筒状部２５ａの外周にナットストッパ２８の内周の２平面と係合する２つの平面を形成してもよい。このような構成を採用しても、ナットストッパ２８に、アクチュエータロッド２５の回転を阻止する機能をもたせることができる。

ハウジング２１から延出するアクチュエータロッド２５の端部は、タイロッド１９を介して、左側の操舵輪２Ｌのナックルアーム５に連結される。そして、アクチュエータ２０のハウジング２１の端部には、アクチュエータロッド２５とタイロッド１９との連結部周辺を覆うブーツ２９が装着される。また、操舵ギヤボックス１４から操舵輪２Ｒ側に延出するラック１５の端部は、タイロッド１９を介して、右側の操舵輪２Ｒのナックルアーム５に連結される。

上述のように構成される車両操舵装置１０は、図１に示されるように、制御手段としての操舵用電子制御ユニット（以下「操舵ＥＣＵ」という）３０によって制御される。すなわち、車両操舵装置１０に含まれる伝達比可変機構１６、電動アシストユニット１７およびアクチュエータ２０は、それぞれ操舵ＥＣＵ３０によって制御される。操舵ＥＣＵ３０は、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ、入出力インターフェース、メモリ等を備えるものである。

そして、操舵ＥＣＵ３０の入出力インターフェースには、操舵角センサ３１、操舵トルクセンサ３２、アクチュエータ作動角センサ３３、ＥＰＳトルクセンサ３４、ストロークセンサ３５、電流計３６、車輪速センサ３７およびヨーレートセンサ３８が接続されている。操舵角センサ３１は、操舵ハンドル１１の操舵角を検知し、検知した値を示す信号を操舵ＥＣＵ３０に与える。操舵トルクセンサ３２は、ドライバーから操舵ハンドル１１に与えられた操舵トルクを検知し、検知した値を示す信号を操舵ＥＣＵ３０に与える。アクチュエータ作動角センサ３３は、伝達比可変機構１６が作動したことによる操舵角の変化分（増加分）を検知し、検知した値を示す信号を操舵ＥＣＵ３０に与える。

ＥＰＳトルクセンサ３４は、電動アシストユニット１７によるアシストトルクを検知し、検知した値を示す信号を操舵ＥＣＵ３０に与える。ストロークセンサ３５は、アクチュエータ２０に含まれるアクチュエータロッド２５の変位を検知し、検知した値を示す信号を操舵ＥＣＵ３０に与える。電流計３６は、アクチュエータ２０のモータを構成するステータ２２に供給される電流の値を検知し、検知した値を示す信号を操舵ＥＣＵ３０に与える。車輪速センサ３７は、操舵輪２Ｌ，２Ｒを含むすべての車輪に備えられている。各車輪速センサ３７は、対応する車輪の回転速度を検知し、それぞれ検知した値を示す信号を操舵ＥＣＵ３０に与える。ヨーレートセンサ３８は、車両１の鉛直軸回りの回転角速度（ヨーレート）を検知し、検知した値を示す信号を操舵ＥＣＵ３０に与える。操舵ＥＣＵ３０は、各センサ３１〜３８等からの信号に基づいて、伝達比可変機構１６、電動アシストユニット１７およびアクチュエータ２０を制御する。

上述の車両操舵装置１０を備えた車両１では、操舵ＥＣＵ３０により、例えば各車輪速センサ３７の検出値から求められる車両１の車速に応じた操舵角と転舵角との伝達比が定められ、当該伝達比が実現されるように伝達比可変機構１６が制御される。これにより、一対の操舵輪２Ｌおよび２Ｒの転舵角が伝達比可変機構１６によって設定されることになる。また、一対の操舵輪２Ｌおよび２Ｒの転舵角を独立に設定する際には、操舵ＥＣＵ３０によってアクチュエータ２０が作動させられ、ラック１５およびアクチュエータロッド２５により構成される操舵ロッドの実効長さが変化させられる。この結果、車両操舵装置１０では、大型のアクチュエータを複数用いることなく可変伝達機能を実現すると共に、一対の操舵輪２Ｌおよび２Ｒの転舵角を独立に設定するためのアクチュエータ２０として高出力のものを採用する必要がなくなる。従って、車両操舵装置１０では、装置全体をコンパクト化すると共にエネルギ消費量の低減化を図ることが可能となる。

更に、車両操舵装置１０では、伝達比可変機構１６とアクチュエータ２０との間にラック１５の直線運動をアシストする電動アシストユニット１７が備えられているので、伝達比可変機構１６は、電動アシストユニット１７の支援下で操舵ハンドル１１の操舵角と操舵輪２Ｌ，２Ｒの転舵角との間の伝達比を変化させることができる。従って、車両操舵装置１０においては、伝達比可変機構１６として低出力かつコンパクトなものを採用することが可能となる。なお、電動アシストユニット１７は、上述のようなラックアシスト式のものに限られず、伝達比可変機構１６とアクチュエータ２０との間に設けられるのであれば、ピニオンアシスト式あるいはコラムアシスト式のものであってもよい。

また、車両操舵装置１０では、基本的に、電動アシストユニット１７の作動中に操舵ＥＣＵ３０によってアクチュエータ２０の作動が許容される。このように、アクチュエータ２０による一対の操舵輪２Ｌおよび２Ｒの独立操舵を電動アシストユニット１７によるアシスト時に概ね限定して許容することにより、アクチュエータ２０の負荷を減らすことができるので、アクチュエータ２０を小型化して装置全体をコンパクト化、低消費エネルギ化を図ることが可能となる。

更に、車両操舵装置１０では、上述のように電動アシストユニット１７の作動中にアクチュエータ２０の作動を許容するため、更には、ドライバーの操舵負担を確実に軽減する観点から、電動アシストユニット１７、伝達比可変機構１６、アクチュエータ２０の順で制御の優先順位が定められている。すなわち、仮に一対の操舵輪２Ｌ，２Ｒの独立制御が実行されなくても、基本的には車両１の通常走行に支障はない。また、伝達比可変機構１６を作動させなくても、ドライバーのハンドル操作量を増やすことにより、所望の転舵角を得ることができる。従って、ドライバーの操舵負担軽減等を優先して上述の優先順位に従って電動アシストユニット１７、伝達比可変機構１６およびアクチュエータ２０が制御されるようにすれば、左右の操舵輪２Ｌ，２Ｒの転舵状態を安定化させると共に、制御ロスを低減化することが可能となる。

そして、車両操舵装置１０においては、車両１の操舵性能を安定化させる共に、制御ロスをより一層低減させるべく、図３に示される手順に従い、車速と操舵角とに応じた制御が実行される。図３は、車両１の車速と操舵角とに応じて車両操舵装置１０の制御を切り換える手順を説明するためのフローチャートである。同図に示されるルーチンは、操舵ＥＣＵ３０によって所定時間おきに繰り返し実行されるものである。この場合、操舵ＥＣＵ３０は、まず、各車輪速センサ３７からの信号に基づいて車両１の車速を取得すると共に、操舵角センサ３１からの信号に基づいてドライバーにより設定された操舵角を取得する（Ｓ１０）。更に、操舵ＥＣＵ３０は、Ｓ１０にて取得した車速が予め定められている閾値を下回っているか否か判定する（Ｓ１２）。Ｓ１２にて用いられる閾値は、例えば５〜１０ｋｍ程度の範囲から定められ、車両１の車速が当該閾値を下回っていると判断すると（Ｓ１２におけるＹｅｓ）、操舵ＥＣＵ３０は、左右の操舵輪２Ｌおよび２Ｒの間における転舵角の差であるアッカーマン角を最適化する処理を実行する（Ｓ１４）。

Ｓ１４において、操舵ＥＣＵ３０は、まず、Ｓ１０にて取得した操舵角に基づいて車両１の目標旋回半径を求める。更に、操舵ＥＣＵ３０は、予め定められているマップ等を用いて、求めた目標旋回半径と車両１のホイールベースおよびトレッドとからアッカーマン角が最適になるように各操舵輪２Ｌ，２Ｒの目標転舵角（第１目標転舵角）を算出する。各操舵輪２Ｌ，２Ｒの目標転舵角を算出すると、操舵ＥＣＵ３０は、左右独立操舵のためのアクチュエータ２０が設けられていない側の操舵輪２Ｒの転舵角を得るための伝達比可変機構１６の作動量を算出する。次いで、操舵ＥＣＵ３０は、左右独立操舵のためのアクチュエータ２０が設けられている側の操舵輪２Ｌについて、伝達比可変機構１６により設定される転舵角を算出すると共に、得られた操舵輪２Ｌの転舵角と、操舵輪２Ｌの目標転舵角との偏差に基づいてアクチュエータ２０の作動量、すなわち、アクチュエータロッド２５の変位を算出する。

このようにして、伝達比可変機構１６の作動量と、アクチュエータ２０の作動量とを算出すると、操舵ＥＣＵ３０は、伝達比可変機構１６とアクチュエータ２０とに対し、それぞれを求めた作動量だけ作動させるための制御信号を与える。これにより、伝達比可変機構１６およびアクチュエータ２０によって、操舵輪２Ｌおよび２Ｒのうち、内側に位置する車輪の転舵角が外側の車輪の転舵角よりも所定量だけ大きくなるように、各操舵輪２Ｌ，２Ｒの転舵角が設定される。このように、車両操舵装置１０では、車速が予め定められた閾値よりも低い場合、アッカーマン角が最適化されるように伝達比可変機構１６およびアクチュエータ２０が制御される。この結果、アッカーマン角の最適化により車輪に加えられる横力が極めて小さくなるので、車両１を所望の方向にスムースに旋回させることが可能となる。

Ｓ１４の処理を実行とすると、操舵ＥＣＵ３０は、アクチュエータ２０が過剰に作動して左右の操舵輪２Ｌ，２Ｒの転舵角差が必要以上に大きくなることを抑制すべく、アクチュエータ２０の作動量が所定の閾値を超えないようにガード値を設定した上で（Ｓ１６）、再度Ｓ１０以降の処理を繰り返し実行する。

一方、Ｓ１２にて車両１の車速が上記閾値を下回っていないと判断すると（Ｓ１２におけるＮｏ）、操舵ＥＣＵ３０は、Ｓ１０にて取得した操舵角が予め定められている閾値を下回っているか否か判定する（Ｓ１８）。Ｓ１８にて用いられる閾値は、車両１が概ね直進しているとみなせる程度の値とされる。操舵角が当該閾値を下回っており、ドライバーが車両１を直進させようと意図していると判断すると（Ｓ１８におけるＹｅｓ）、操舵ＥＣＵ３０は、車両１の直進走行を安定化させるための処理を実行する（Ｓ２０）。

Ｓ２０において、操舵ＥＣＵ３０は、左右の操舵輪２Ｌおよび２Ｒがそれぞれ所定角度だけトーイン側に転舵するように伝達比可変機構１６およびアクチュエータ２０を制御する。すなわち、操舵ＥＣＵ３０は、左右独立操舵のためのアクチュエータ２０が設けられていない側の操舵輪２Ｒのトーイン角を得るための伝達比可変機構１６の作動量を算出する。次いで、操舵ＥＣＵ３０は、左右独立操舵のためのアクチュエータ２０が設けられている側の操舵輪２Ｌについて、伝達比可変機構１６により設定される転舵角を算出すると共に、得られた操舵輪２Ｌの転舵角と、操舵輪２Ｌのトーイン角との偏差に基づいてアクチュエータ２０の作動量、すなわち、アクチュエータロッド２５の変位を算出する。

伝達比可変機構１６の作動量と、アクチュエータ２０の作動量とを算出すると、操舵ＥＣＵ３０は、伝達比可変機構１６とアクチュエータ２０とに対し、それぞれを求めた作動量だけ作動させるための制御信号を与える。これにより、伝達比可変機構１６とアクチュエータ２０とにより、左右の操舵輪２Ｌおよび２Ｒが所定角度だけトーイン側に転舵させられる。これにより、車両操舵装置１０では、ドライバーの操舵入力が予め定められた量よりも少ない場合、車両１の直進安定性を良好に確保することが可能となる。Ｓ２０の処理を実行とすると、操舵ＥＣＵ３０は、アクチュエータ２０の作動量が所定の閾値を超えないようにガード値を設定した上で（Ｓ１６）、再度Ｓ１０以降の処理を繰り返し実行する。

一方、Ｓ１８にて操舵角が予め定められている閾値を下回っていないと判断すると（Ｓ１８におけるＮｏ）、操舵ＥＣＵ３０は、車両１を旋回させるための制御を実行する（Ｓ２２）。Ｓ２２において、操舵ＥＣＵ３０は、Ｓ１０にて取得した操舵角に基づいて車両１の目標旋回半径を求める。更に、操舵ＥＣＵ３０は、予め作成されている車両運動モデルを用いて、求めた目標旋回半径に応じた各操舵輪２Ｌ，２Ｒの目標転舵角（第２目標転舵角）を算出する。ここで用いられる車両運動モデルは、車両１のホイールベースおよびトレッド、車両１の旋回中に車輪に加わる遠心力等を考慮した上で、目標旋回半径に応じた最適な各操舵輪２Ｌ，２Ｒの目標転舵角を規定するように実験および解析に基づいて作成されるものである。

各操舵輪２Ｌ，２Ｒの目標転舵角を算出すると、操舵ＥＣＵ３０は、左右独立操舵のためのアクチュエータ２０が設けられていない側の操舵輪２Ｒの転舵角を得るための伝達比可変機構１６の作動量を算出する。次いで、操舵ＥＣＵ３０は、左右独立操舵のためのアクチュエータ２０が設けられている側の操舵輪２Ｌについて、伝達比可変機構１６により設定される転舵角を算出すると共に、得られた操舵輪２Ｌの転舵角と、操舵輪２Ｌの目標転舵角との偏差に基づいてアクチュエータ２０の作動量、すなわち、アクチュエータロッド２５の変位を算出する。このようにして、伝達比可変機構１６の作動量と、アクチュエータ２０の作動量とを算出すると、操舵ＥＣＵ３０は、伝達比可変機構１６とアクチュエータ２０とに対し、それぞれを求めた作動量だけ作動させるための制御信号を与える。これにより、伝達比可変機構１６およびアクチュエータ２０によって、各操舵輪２Ｌ，２Ｒの転舵角が車輪に加わる遠心力に応じた横力を発生させ得る適切な値に設定される。

上述のように、車両操舵装置１０では、車両１の車速が所定値を下回っている場合、操舵角に基づいてアッカーマン角が所定値になるように目標転舵角（第１目標転舵角）が取得され、操舵輪２Ｌ，２Ｒの目標転舵角として設定される。また、車両１の車速が所定値以上である場合、予め作成された車両運動モデルを用いて操舵角に応じた目標転舵角（第２目標転舵角）が取得され、操舵輪２Ｌ，２Ｒの目標転舵角として設定される。このように、車速と操舵角とに応じて最適な目標転舵角を設定することにより、車両１の走行性能や取り回し性を向上させることが可能となる。

ところで、上述の車両１では、図４に示されるように、操舵輪２Ｌおよび２Ｒがそれぞれ僅かにトーイン側に転舵される直進走行時に、操舵輪２Ｌおよび２Ｒに加わる路面反力に応じた概ね同一の大きさで互いに逆向きの車輪反力ＲＬおよびＲＲがラック１５およびアクチュエータロッド２５により構成される操舵ロッドに加えられる。このため、アクチュエータ２０において、図４に示されるように、各操舵輪２Ｌ，２Ｒの転舵角を維持するための内力Ｆｉが発生する。また、アクチュエータ２０による操舵輪２Ｌ，２Ｒの独立操舵が行われない状態で、各操舵輪２Ｌ，２Ｒを例えば図中右向きに転舵させた場合、ラック１５およびアクチュエータロッド２５により構成される操舵ロッドには、図５に示されるように、概ね同一の大きさかつ同方向（図中左向き）の車輪反力ＲＬおよびＲＲが加えられる。このように、アクチュエータ２０による操舵輪２Ｌ，２Ｒの独立操舵が行われない状態で各操舵輪２Ｌ，２Ｒを転舵させた場合、アクチュエータ２０において発生する内力Ｆｉは直進走行時と殆ど変わらず、操舵反力は、各操舵輪２Ｌ，２Ｒの転舵角を維持するのに必要な操舵反力となる。

これに対して、図６に示されるように、各操舵輪２Ｌ，２Ｒを例えば図中右向きに転舵させると共に、アクチュエータ２０を作動させて例えば左側の操舵輪２Ｌの転舵角を右側の操舵輪２Ｒの転舵角よりも大きくした場合、ラック１５およびアクチュエータロッド２５により構成される操舵ロッドには、路面反力に応じて図６に示されるような向きの車輪反力ＲＬおよびＲＲが加えられる。図６の例の場合、左側の操舵輪２Ｌからの車輪反力ＲＬが右側の操舵輪２Ｒからの車輪反力ＲＲよりも大きくなる。そして、この場合、各操舵輪２Ｌ，２Ｒの転舵角を維持するためのアクチュエータ２０の内力Ｆｉは、操舵輪２Ｌ，２Ｒの独立操舵が行われない場合に比較して大きくなる。

このため、アクチュエータ２０による一対の操舵輪２Ｌ，２Ｒの独立操舵が行われなかった場合と、行われた場合とでは、アクチュエータ２０で発生する内力Ｆｉの大きさの違いに応じて、図５および図６に示されるように、ラック１５およびアクチュエータロッド２５により構成される操舵ロッドに加えられる軸力Ｆｓの大きさが変化する。この結果、操舵輪２Ｌ，２Ｒの独立操舵が行われなかった場合と、行われた場合とでは、ドライバーに対する操舵反力が異なることになるので、所望の転舵角を得るために操舵ハンドルに入力すべき操舵力も変動してしまう。

すなわち、アクチュエータ２０による一対の操舵輪２Ｌ，２Ｒの独立操舵が行われなかった場合、ドライバーによる操舵力（操舵トルク）と操舵反力との間には、図７において実線で示されるような相関が成立するのに対して、アクチュエータ２０による一対の操舵輪２Ｌ，２Ｒの独立操舵が行われた場合には、アクチュエータ２０で発生する内力Ｆｉが大きくなることに起因して、両者の相関は、図７において二点鎖線で示されるようなものとなる。そして、図７からわかるように、操舵輪２Ｌ，２Ｒの独立操舵が行われてアクチュエータ２０で発生する内力Ｆｉが大きくなると、所望の転舵角を得るためには、内力Ｆｉの増加分に応じて操舵ハンドル１１に加えるべき操舵力を大きくしなければならない。

このような点に鑑みて、上述の車両１では、各操舵輪２Ｌ，２Ｒの操舵時に、操舵ＥＣＵ３０によってドライバーの操舵力の変動を抑制するためのルーチンが実行される。図８は、車両１の操舵時にドライバーの操舵力の変動を抑制するためのルーチンを示すフローチャートである。同図に示されるルーチンは、操舵ＥＣＵ３０によって車両１の操舵時に実行されるものである。図８に示されるように、操舵ＥＣＵ３０は、ドライバーによる操舵指令の有無を判定しており（Ｓ３０）、操舵指令がなされたと判断すると（Ｓ３０におけるＹｅｓ）、各車輪速センサ３７からの信号に基づいて車両１の車速を取得し、操舵角センサ３１からの信号に基づいてドライバーにより設定された操舵角を取得すると共に、操舵トルクセンサ３２からの信号に基づいてドライバーにより操舵ハンドルに入力された操舵トルクを取得する（Ｓ３２）。更に、操舵ＥＣＵ３０は、車速、操舵角およびドライバーによる操舵力（操舵トルク）と、それに応じた目標操舵反力との相関を規定するように予め作成されたマップからＳ１０にて取得した車速、操舵角および操舵トルクに応じた目標操舵反力を取得する（Ｓ３４）。

Ｓ３４の処理の後、操舵ＥＣＵ３０は、Ｓ３２にて取得した車速や操舵角等に基づいてアクチュエータ２０による左右の操舵輪２Ｌ，２Ｒの独立操舵が行われているか否か判定する（Ｓ３６）。操舵ＥＣＵ３０は、操舵輪２Ｌ，２Ｒの独立操舵が行われていると判断すると（Ｓ３６のＹｅｓ）、アクチュエータ２０に対する供給電流値を検出する電流計３６の検出値に基づいて、その時点における実際の操舵反力（実操舵反力）を取得する（Ｓ３８）。上述のように、操舵反力は、アクチュエータ２０で発生する内力Ｆｉの大きさに依存するものである。また、アクチュエータ２０で発生する内力Ｆｉは、各操舵輪２Ｌ，２Ｒの転舵角を維持するためにアクチュエータ２０に供給される電流の値に概ね比例する。従って、実操舵反力は、電流計３６によって検出されるアクチュエータ２０に対する供給電流値から推定することが可能である。このため、Ｓ３８において、操舵ＥＣＵ３０は、アクチュエータ２０に対する供給電流値と実操舵反力との相関を規定するように予め作成されたマップを用いて、アクチュエータ２０に対する供給電流値に応じた実操舵反力を取得する。

次いで、操舵ＥＣＵ３０は、Ｓ３４にて取得した目標操舵反力とＳ３８にて取得した実操舵反力との偏差を求め（Ｓ４０）、更に、当該偏差を偏差がゼロになるように電動アシストユニット１７によるアシスト量の補正量を算出する（Ｓ４２）。アシスト量の補正量を算出すると、操舵ＥＣＵ３０は、当該補正量を用いて電動アシストユニット１７によるアシスト量を設定する（Ｓ４４）。このように、車両操舵装置１０を備えた車両１では、ドライバーの操舵入力に応じた目標操舵反力と、アクチュエータ２０を作動させてラック１５およびアクチュエータロッド２５からなる操舵ロッドの実効長さを変化させた際の実操舵反力との偏差に基づいて電動アシストユニット１７によるアシスト量が補正される。これにより、電動アシストユニット１７によって操舵輪２Ｌ，２Ｒの独立操舵に起因する操舵反力の変動の影響を抑えて操舵力の変動を良好に抑制することが可能となる。

なお、Ｓ３６にて操舵輪２Ｌ，２Ｒの独立操舵が行われていないと判断された場合（Ｓ３６のＮｏ）、電動アシストユニット１７によるアシスト量の補正量がゼロとされ（Ｓ４６）、Ｓ４４にて電動アシストユニット１７によるアシスト量が設定されることになる。また、ドライバーにより操舵指令がなされていないと判断された場合（Ｓ３０におけるＮｏ）、Ｓ３２移行の処理はスキップされ、再度ドライバーによる操舵指令の有無が判定されることになる。

本発明による車両操舵装置を備えた車両の要部を示す概略構成図である。図１の車両操舵装置に含まれるアクチュエータを示す部分断面図である。図１の車両の車速と操舵角とに応じて車両操舵装置の制御を切り換える手順を説明するためのフローチャートである。図１の車両の走行中に車両操舵装置に作用する力を説明するための模式図である。図１の車両の走行中に車両操舵装置に作用する力を説明するための模式図である。図１の車両の走行中に車両操舵装置に作用する力を説明するための模式図である。操舵輪の独立操舵が行われない場合と行われた場合とにおける操舵力と操舵反力との相関を示すグラフである。車両の操舵時にドライバーの操舵力の変動を抑制するためのルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１車両、２Ｌ，２Ｒ操舵輪、３ディスクロータ、４ナックル、５ナックルアーム、６ブレーキキャリパ、１０車両操舵装置、１１操舵ハンドル、１２ステアリングシャフト、１４操舵ギヤボックス、１５ラック、１６伝達比可変機構、１７電動アシストユニット、１８モータ、１９タイロッド、２０アクチュエータ、２１ハウジング、２２ステータ、２３軸受、２４ねじシャフト、２５アクチュエータロッド、２６ボールねじナット、２７スパイラルケーブル、２８ナットストッパ、２９ブーツ、３０操舵ＥＣＵ、３１操舵角センサ、３２操舵トルクセンサ、３３アクチュエータ作動角センサ、３４ＥＰＳトルクセンサ、３５ストロークセンサ、３６電流計、３７車輪速センサ、３８ヨーレートセンサ。

Claims

車両に含まれる一対の操舵輪を操舵するための車両操舵装置において、
操舵ハンドルと連結されたステアリングシャフトと、
前記各操舵輪を転舵させるための操舵ロッドと、
前記ステアリングシャフトの回転運動を前記操舵ロッドの左右の直線運動に変換する操舵角伝達機構と、
前記操舵ハンドルと前記操舵角伝達機構との間に設けられており、前記操舵ハンドルの操舵角と前記操舵輪の転舵角との間の伝達比を変化させる伝達比可変手段と、
前記操舵角伝達機構と前記操舵輪の少なくとも一方との間に設けられており、前記一対の操舵輪の転舵角を独立に設定する際に、前記操舵ロッドの実効長さを変化させて転舵角を設定するアクチュエータと、
前記一対の操舵輪のうち内側に位置する車輪の転舵角が外側に位置する車輪の転舵角よりも大きくなるように、前記伝達比可変手段の作動量と前記アクチュエータの作動量を算出し、作動量に応じた制御信号を前記伝達比可変手段および前記アクチュエータに与える制御手段とを備えることを特徴とする車両操舵装置。
前記伝達比可変手段と前記アクチュエータとの間に設けられており、前記操舵ロッドの直線運動をアシストするためのモータを含む電動アシストユニットを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の車両操舵装置。
前記制御手段は、前記電動アシストユニットの作動中に前記アクチュエータの作動を許容することを特徴とする請求項２に記載の車両操舵装置。
前記制御手段は、
前記電動アシストユニットによるアシスト量を設定するアシスト量設定手段と、
ドライバーの操舵入力に応じた目標操舵反力を取得する目標操舵反力取得手段と、
前記アクチュエータを作動させて前記操舵ロッドの実効長さを変化させた際の実操舵反力を取得する実操舵反力取得手段と、
前記アクチュエータが作動させられた際に、前記目標操舵反力と前記実操舵反力との偏差に基づいて前記電動アシストユニットによるアシスト量を補正する補正手段とを含むことを特徴とする請求項２または３に記載の車両操舵装置。
前記操舵ハンドルの操舵角を検出する操舵角検出手段と、前記車両の車速を検出する車速検出手段とを更に備え、
前記制御手段は、
前記操舵角検出手段によって検出される操舵角に基づいてアッカーマン角が所定値になるように第１目標転舵角を取得する第１目標転舵角取得手段と、
予め作成された車両運動モデルを用いて前記操舵角検出手段によって検出される操舵角に応じた第２目標転舵角を取得する第２目標転舵角取得手段と、
前記車速検出手段によって検出される車速が所定値を下回っている場合に前記第１目標転舵角を目標転舵角として設定する一方、前記車速検出手段によって検出される車速が前記所定値以上である場合に前記第２目標転舵角を目標転舵角として設定する目標転舵角設定手段とを含むことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の車両操舵装置。