JP7320348B2 - ステアリングシステムおよびこれを備えた車両 - Google Patents
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Description
しかしながら、ハンドルとステアリング装置とが機械的に接続されている車両においては、路面の凹凸などによる車輪からの逆入力により、ハンドルがとられ、車両がふらついてしまうという問題がある。
またコーナリング時においては、運転者の習熟度または路面等の環境条件のばらつきで、走行安定性およびハンドル操作に対する追従性が低下するという問題がある。
しかし、第2のステアリング装置は、車両走行時の制御中に、電源からいずれか一方の電力系統または両方の電力系統に異常が発生した場合、タイヤの向きが電力系統の異常時の方向で固定され、ハンドル操作が困難になってしまう問題がある。
操舵指令装置200,200Aが出力する操舵量の指令に従い前記車両100の左右の前輪9F,9Fを操舵する第1のステアリング装置11と、
前記車両100に設けられた操舵用アクチュエータ5の駆動により前後輪のいずれか一方または両方の左右輪をそれぞれ個別に操舵させる第2のステアリング装置150と、
前記第2のステアリング装置150に電力を供給する主電源Bmおよび副電源Bsと、
前記車両の状態を表す車両情報を検出する車両情報検出部110と、を備え、
前記第2のステアリング装置150は、前記左右輪におけるいずれか一方の車輪の操舵角を含む前記車両情報に基づいて、前記左右輪における他方の車輪の前記操舵用アクチュエータ5を個別に制御する左右輪のアクチュエータ制御装置31L,31Rを備え、
前記左右輪のアクチュエータ制御装置31L,31Rは、前記主電源Bmから前記各アクチュエータ制御装置31R,31Lに供給される各電力系統223R,223Lに異常があるか否かをそれぞれ検出する左右輪の異常検出部221,222を備え、前記左右輪の異常検出部221,222における一方の異常検出部は、対応する電力系統の異常を検出したときその異常検出情報を、前記左右輪の異常検出部221,222における他方の異常検出部に互いに与える相互監視機能を有し、
前記左右輪の異常検出部221,222によりいずれの電力系統にも異常がないとき前記主電源Bmから前記左右輪のアクチュエータ制御装置31L,31Rにそれぞれ電力を供給し、
前記左右輪の異常検出部221,222における一方の異常検出部から前記左右輪の異常検出部における他方の異常検出部に異常検出情報が与えられると、異常がある電力系統に代えて、前記副電源Bsから、前記一方の異常検出部を備えるアクチュエータ制御装置に電力を供給する。
コーナリング時においては、車両情報に応じて運転者のハンドル操作を、より効率的に車両が曲がれるよう、左右輪各々の操舵量を補正することで理想のラインでコーナリングが可能となり、運転者のハンドル操作負荷を軽減できるため、車両100の操縦安定性を向上することができる。
左右輪のアクチュエータ制御装置31L,31Rは、相互監視機能を有する左右輪の異常検出部221,222を備えるため、主電源Bmから一方のアクチュエータ制御装置に供給される電力系統に異常が発生した場合、一方のアクチュエータ制御装置における一方の異常検出部は、異常発生情報を他方の異常検出部に与える。前記異常発生情報が与えられた他方の異常検出部を備える他方のアクチュエータ制御装置は、異常がある電力系統に代えて、副電源Bsから一方のアクチュエータ制御装置に電力を供給する。
高速域では、左右輪のアクチュエータ制御装置31L,31Rは、前輪9F,9Fの操舵角に対して左右の後輪9R,9Rを同位相に操舵させることにより横滑りを抑えて、車線変更などでの車両の安定性を向上することが可能となる。
一方の前記第2のステアリング装置1501と、前記第1のステアリング装置11とは、同一の車輪の操舵を行い、
他方の前記第2のステアリング装置1502と、前記第1のステアリング装置11とは、互いに異なる車輪の操舵を行うものであってもよい。
この場合、車両情報に応じて、全ての車輪の角度を独立して調整することが可能であり、ステアリングジオメトリを自由に変更できるため、車両の運動性能を向上させることができる。
前記定められた基準値は、設計等によって任意に定める基準値であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な基準値を求めて定められる。
この場合、左右輪のトー角を定められた基準値に戻すように各操舵用アクチュエータ5を制御するため、副電源Bsとして容量の小さいもので足りステアリングシステム101の小型化を図ることが可能となる。
車輪9F(9R)を支持するハブベアリング15を有するハブユニット本体2と、
懸架装置12の足回りフレーム部品6に設けられ、前記ハブユニット本体2を上下方向に延びる転舵軸心A回りに回転自在に支持するユニット支持部材3と
前記ハブユニット本体2を前記転舵軸心A回りに回転駆動させる操舵用アクチュエータ5を備える、操舵機能付ハブユニット1を使用するものであってもよい。
この発明の第1の実施形態を図1ないし図13と共に説明する。
図1は、この実施形態に係るステアリングシステム101を搭載した自動車等の車両100の概念構成を概略示す図である。車両100は、左右の前輪(左右輪)9F,9Fと、左右の後輪9R,9Rとを有する四輪車両であり、駆動方式は、前輪駆動、後輪駆動、四輪駆動のいずれであってもよい。
第1のステアリング装置11は、ハンドル等の操舵指令装置200に対する運転者の操作により車両100の操舵輪となる左右の前輪9F,9Fを操舵する装置であり、この実施形態では前輪操舵形式とされている。
車両100の左右の前輪9F,9Fが機械的に連動し、操舵指令装置200が出力する操舵量の指令に従い車両100の左右の前輪9F,9Fを、これら左右の前輪9F,9Fが設置される懸架装置12の左右の足回りフレーム部品であるナックル6,6の角度変更によって操舵する第1のステアリング装置11と、
左右の前輪9F,9Fに対してそれぞれ設けられた操舵用アクチュエータ5(図2)を駆動することで前記足回りフレーム部品であるナックル6,6に対する前輪9F,9Fの角度を変えて左右の前輪9F,9Fを個別に操舵させる第2のステアリング装置150と、
後述する車両情報検出部110と、
第2のステアリング装置150に電力を供給する主電源Bmおよび副電源Bsと、を備える。
ECU130は、車両100の全体の協調制御または統括制御を行う制御装置であり、VCUとも称される。
第1のステアリング装置11は、運転者によるハンドル等の操舵指令装置200に対する入力に応じて、左右の前輪9F,9Fを連動して操舵するシステムであり、ステアリングシャフト32、ラックアンドピニオン(図示せず)、タイロッド14等、周知の機械的な構成を備える。運転者が操舵指令装置200に対して回転入力を行うと、ステアリングシャフト32も連動して回転する。ステアリングシャフト32が回転すると、ラックアンドピニオンによってステアリングシャフト32と連結されているタイロッド14が車幅方向に移動することで、前輪9Fの向きが変わり、左右の前輪9F,9Fを連動して操舵することが可能である。
図1および図9に示すように、第2のステアリング装置150は、左右の前輪9F,9Fを独立して操舵可能である。この第2のステアリング装置150の機構部150aとして右輪ハブユニット1Rおよび左輪ハブユニット1Lを備える。これら右輪ハブユニット1Rおよび左輪ハブユニット1Lは、タイヤハウジング105内に設けられた操舵用アクチュエータ5(図2)により前輪9F,9Fの操舵を行う。
第2のステアリング装置150の機構部150aは、前述のように右輪ハブユニット1Rおよび左輪ハブユニット1Lを備えるが、これら右輪ハブユニット1Rおよび左輪ハブユニット1Lは、いずれも図2に示す操舵機能付ハブユニット1として構成されている。
同図2に示すように、このハブユニット1は、ハブユニット本体2と、ユニット支持部材3と、回転許容支持部品4と、操舵用アクチュエータ5とを備える。足回りフレーム部品であるナックル6に一体にユニット支持部材3が設けられている。
図3および図4に示すように、ハブユニット本体2とアクチュエータ本体7とはジョイント部8により連結されている。通常、このジョイント部8は、防水、防塵のために図示外のブーツが取り付けられている。
図2に示すように、ハブユニット本体2は、前輪9Fの支持用のハブベアリング15と、アウターリング16と、後述の操舵力受け部であるアーム部17(図4)とを備える。
図8に示すように、ハブベアリング15は、内輪18と、外輪19と、これら内外輪18,19間に介在したボール等の転動体20とを有し、車体側の部材と前輪9F(図2)とを繋ぐ役目をしている。
図3に示すように、ブレーキ21は、ブレーキロータ21aと、ブレーキキャリパ21bとを有する。ブレーキキャリパ21bは、外輪19に一体にアーム状に突出して形成された上下二箇所のブレーキキャリパ取付部22(図6)に取付けられる。
図8に示すように、各回転許容支持部品4は転がり軸受から成る。この例では、転がり軸受として、円すいころ軸受が適用されている。転がり軸受は、取付軸部16bの外周に嵌合された内輪4aと、ユニット支持部材3に嵌合された外輪4bと、内外輪4a,4b間に介在する複数の転動体4cとを有する。
図3に示すように、操舵用アクチュエータ5は、ハブユニット本体2を転舵軸心A(図2)回りに回転駆動させるアクチュエータ本体7を有する。アクチュエータ本体7は、モータ26と、モータ26の回転を減速する減速機27と、この減速機27の正逆の回転出力を直動出力部25aの往復直線動作に変換する直動機構25とを備える。モータ26は、例えば永久磁石型同期モータとされるが、直流モータであっても、誘導モータであってもよい。
図9に示すように、車両情報検出部110は、車両情報を検出しECU130へ出力する。車両情報検出部110は、車速検出部111、操舵角検出部112、車高検出部113、実ヨーレート検出部114、実横加速度検出部115、アクセルペダルセンサ116、およびブレーキペダルセンサ117を備える。
操舵角検出部112は、例えば第1のステアリング装置11が備えるモータ部に取り付けられたレゾルバ等のセンサ(図示せず)の出力に基づいて操舵角を検出し、ECU130へ操舵角情報(単に「操舵角」とも言う)を出力する。
実横加速度検出部115は、例えば車両100(図1)に取り付けられたジャイロセンサ等のセンサの出力に基づいて、実横加速度を検出し、ECU130へ実横加速度情報(単に「実横加速度」とも言う)を出力する。
ブレーキペダルセンサ117は、運転者によるブレーキペダル220への入力を検出し、検出した値をブレーキ指令値としてECU130へ出力する。
ECU130は、これらの車両情報を第2のステアリング装置150の制御部150bに出力する。
第2のステアリング装置150の制御部150bは、ECU130から、車速情報、操舵角情報、車高情報、実ヨーレート情報、実横加速度情報、アクセル指令値、およびブレーキ指令値を含む車両情報を取得し、取得した車両情報に基づいて、操舵制御部151が右輪のアクチュエータ制御装置31R、左輪のアクチュエータ制御装置31Lを制御することで、右輪ハブユニット1R、および左輪ハブユニット1Lが備えるモータ26を駆動し、左右の前輪である左右輪を独立して操舵可能である。
制御部150bは、例えば専用のECUとして設けられるが、メインのECU130の一部として設けてもよい。
主電源Bmから左輪のアクチュエータ制御装置31Lに供給される電力系統223Lに異常が発生すると、その異常が右輪の異常検出部222で検出され、同右輪の異常検出部222はその異常検出情報を左輪の異常検出部221に与える。異常検出情報が与えられた右輪のアクチュエータ制御装置31Rは、異常がある電力系統223Lに代えて、左輪用バックアップ電源Bsbから左輪のアクチュエータ制御装置31Lに電力を供給する。
図11は、電力系統の異常発生時の処理を段階的に示すフローチャートである。図9、図10等も適宜参照しつつ説明する。車両走行中、左右輪の異常検出部221,222は、各電力系統223R,223Lに異常があるか否かを検出する(ステップS1)。各電力系統223R,223Lに異常がないとき(ステップS1:No)、ステップS1に戻る。この場合、主電源Bmから左右輪のアクチュエータ制御装置31L,31Rにそれぞれ電力を供給する。いずれかの電力系統223R,223Lに異常が発生すると(ステップS1:Yes)、異常検出情報が与えられたアクチュエータ制御装置31R,31Lは、主電源Bmから対応するバックアップ電源Bsa,Bsbに切替える(ステップS2)。
図12に示すように、操舵制御部151は、規範横加速度計算部152、右輪タイヤ角度計算部153、左輪タイヤ角度計算部154、右輪路面摩擦係数計算部155、目標ヨーレート計算部156、左輪路面摩擦係数計算部157、目標ヨーレート補正部158、目標左右輪タイヤ角度計算部159、右輪指令値計算部160、および左輪指令値計算部161を備える。
右輪路面摩擦係数計算部155および左輪路面摩擦係数計算部157は、ECU130から取得する実横加速度情報および規範横加速度計算部152から入力される規範横加速度情報に基づいて、路面摩擦係数の計算を行う。具体的には、右輪路面摩擦係数計算部155および左輪路面摩擦係数計算部157は、規範横加速度計算部152から規範横加速度情報が入力されると、右輪タイヤ角度計算部153および左輪タイヤ角度計算部154からタイヤ角度情報を取得する。右輪路面摩擦係数計算部155および左輪路面摩擦係数計算部157は、前記マップ(図13)に基づいて、実横加速度/規範横加速度とタイヤ角度とから、路面摩擦係数を算出する。右輪路面摩擦係数計算部155および左輪路面摩擦係数計算部157は、算出した右輪の路面摩擦係数である右輪路面摩擦係数情報と、左輪の路面摩擦係数である左輪路面摩擦係数情報とを、目標ヨーレート補正部158に出力する。
目標ヨーレート補正部158は、右輪路面摩擦係数計算部155および左輪路面摩擦係数計算部157から、右輪路面摩擦係数情報および左輪路面摩擦係数情報を取得し、目標ヨーレート計算部156から目標ヨーレート情報を取得し、右輪路面摩擦係数情報および左輪路面摩擦係数情報で表される路面摩擦係数に応じて目標ヨーレートの補正を行う。目標ヨーレート補正部158は、補正後の目標ヨーレートを補正後ヨーレート情報として目標左右輪タイヤ角度計算部159へ出力する。
目標左右輪タイヤ角度計算部159は、計算した左右輪それぞれの目標タイヤ角度を目標タイヤ角度情報として、右輪指令値計算部160および左輪指令値計算部161へ出力する。
具体的には、図9および図12に示すように、右輪のアクチュエータ制御装置31Rおよび左輪のアクチュエータ制御装置31Lは、右輪指令値計算部160および左輪指令値計算部161から右輪操舵量情報および左輪操舵量情報が入力されると、現在の右輪ハブユニット1R、および左輪ハブユニット1Lの操舵角を表す各モータ26の位置情報を取得し、右輪操舵量情報および左輪操舵量情報に基づいてモータ26の目標位置を決定し、各モータ26へ流す電流を出力し、右輪ハブユニット1Rおよび左輪ハブユニット1Lの操舵角を修正する。右輪舵角センサSRおよび左輪舵角センサSLより、操舵制御部151に、右輪ハブユニット1Rおよび左輪ハブユニット1Lの操舵角情報を出力する。
以上説明したステアリングシステム101によれば、第2のステアリング装置150を設けることにより、ハンドルの操作によらず操舵を補正することが可能となる。すなわち、従来の車両では、車両が僅かにふらついた場合に、運転者がふらつきを補正するために修正操舵を行う必要があったが、第2のステアリング装置150を備える車両では、運転者がハンドルの操作を行わなくても、車両のふらつきを補正することが可能となる。そのため、車両の直進安定性が向上する。
コーナリング時においては、車両情報に応じて運転者のハンドル操作を、より効率的に車両が曲がれるよう、左右輪各々の操舵量を補正することで理想のラインでコーナリングが可能となり、運転者のハンドル操作負荷を軽減できるため、車両の操縦安定性を向上することができる。
以下の説明においては、各実施の形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
この発明の第2の実施形態を図14ないし図16と共に説明する。
図14に示すように、第2の実施形態に係るステアリングシステム101は、第1のステアリング装置11と第2のステアリング装置150とが互いに異なる車輪を操舵する点で、第1の実施形態とは異なる。すなわち、このステアリングシステム101は、左右の前輪9F,9Fの操舵を行い、第2のステアリング装置150が左右の後輪9R,9Rの操舵を行う。第2のステアリング装置150の機構部150aは、後輪9Rのタイヤハウジング105内に設置されている。
そして、操舵制御部151の目標左右輪タイヤ角度計算部159は、下記式(2)に基づいて、左右それぞれのタイヤの目標の角度を算出する。
第1のステアリング装置11と第2のステアリング装置150とが互いに異なる車輪を操舵する場合であっても、第2のステアリング装置150は、第1のステアリング装置11の操舵角および車速に応じて、操舵させることができ、車両の走行安定性を向上させることが可能となる。
この発明の第3の実施形態を図17および図18と共に説明する。
第3の実施形態に係るステアリングシステム101は、二つの第2のステアリング装置1501、1502を備えている点で、第1の実施形態とは異なる。
一方の第2のステアリング装置1501は、第1の実施形態の第2のステアリング装置150と同様の動作を行い、他方の第2のステアリング装置1502は、第2の実施形態の第2のステアリング装置150と同様の動作を行う。
また、第1,第2の実施形態と同様に、主電源Bm(図10)から一方のアクチュエータ制御装置に供給される電力系統に異常が発生した場合、一方のアクチュエータ制御装置における一方の異常検出部は、異常発生情報を他方の異常検出部に与える。前記異常発生情報が与えられた他方の異常検出部を備える他方のアクチュエータ制御装置は、異常がある電力系統に代えて、副電源から一方のアクチュエータ制御装置に電力を供給する。その後、左右輪のトー角をそれぞれ定められた基準値に動作させ、モータ制御を停止する。左右輪のトー角を定められた基準値に戻し、台形ねじ等の滑りねじを用いた送りねじ機構25b(図3)により路面からの逆入力を防止すれば、制御を停止した状態でハブユニットのふらつきは防止可能であり、運転者のハンドル操作によって車両を確実に停止できる状態まで移動させて、安全を確保することができる。
この場合、いずれかの電力系統に異常が発生しても、第2のステアリング装置は、左右輪をそれぞれ個別に操舵させ、左右輪各々のトー角を個別に且つ継続して調整することが可能である。
Claims (12)
- 車両が備えるステアリングシステムであって、
操舵指令装置が出力する操舵量の指令に従い前記車両の左右の前輪を操舵する第1のステアリング装置と、
前記第1のステアリング装置による前記左右の前輪の操舵に付加して、前記車両に設けられた操舵用アクチュエータの駆動により前後輪のいずれか一方または両方の左右輪をそれぞれ個別に操舵させる第2のステアリング装置と、
前記第2のステアリング装置に電力を供給する主電源および副電源と、
前記車両の状態を表す車両情報を検出する車両情報検出部と、を備え、
前記第2のステアリング装置は、前記左右輪の操舵角を含む前記車両情報に基づいて、前記左右輪における前記操舵用アクチュエータを個別に制御することで前記左右輪を操舵させる左右輪のアクチュエータ制御装置を備え、
前記左右輪のアクチュエータ制御装置は、前記主電源から前記各アクチュエータ制御装置に供給される各電力系統に異常があるか否かをそれぞれ検出する左右輪の異常検出部を備え、前記左右輪の異常検出部における一方の異常検出部は、対応する電力系統の異常を検出したときその異常検出情報を、前記左右輪の異常検出部における他方の異常検出部に互いに与える相互監視機能を有し、
前記左右輪の異常検出部によりいずれの電力系統にも異常がないとき前記主電源から前記左右輪のアクチュエータ制御装置にそれぞれ電力を供給し、
前記左右輪の異常検出部における一方の異常検出部から前記左右輪の異常検出部における他方の異常検出部に異常検出情報が与えられると、異常がある電力系統に代えて、前記副電源から、前記一方の異常検出部を備えるアクチュエータ制御装置に電力を供給するステアリングシステム。 - 請求項1に記載のステアリングシステムであって、前記第1のステアリング装置は、左右の前記前輪を連動して操舵させるものであり、前記第2のステアリング装置は、前記左右輪を独立して操舵可能であるステアリングシステム。
- 請求項1または請求項2に記載のステアリングシステムであって、前記第1および第2のステアリング装置は、同一の車輪である前記前輪の操舵を行うステアリングシステム。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のステアリングシステムであって、前記車両情報は、車速、操舵角、車高、実ヨーレート、実横加速度、アクセル指令値およびブレーキ指令値を含むステアリングシステム。
- 請求項1または請求項2に記載のステアリングシステムであって前記第1のステアリング装置と、前記第2のステアリング装置とは、互いに異なる車輪の操舵を行うステアリングシステム。
- 請求項5に記載のステアリングシステムであって、前記車両情報は、車速、操舵角、実ヨーレート、実横加速度、アクセル指令値およびブレーキ指令値を含むステアリングシステム。
- 請求項1または請求項2に記載のステアリングシステムであって、前記第2のステアリング装置を二つ備え、
一方の前記第2のステアリング装置と、前記第1のステアリング装置とは、同一の車輪の操舵を行い、
他方の前記第2のステアリング装置と、前記第1のステアリング装置とは、互いに異なる車輪の操舵を行うステアリングシステム。 - 請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のステアリングシステムであって、前記左右輪のアクチュエータ制御装置は、一方の異常検出部から他方の異常検出部に異常検出情報が与えられると、前記副電源から、前記一方の異常検出部を備えるアクチュエータ制御装置に電力を供給して前記操舵用アクチュエータの制御を継続するステアリングシステム。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のステアリングシステムであって、前記左右輪のアクチュエータ制御装置は、一方の異常検出部から他方の異常検出部に異常検出情報が与えられると、左右輪のトー角を定められた基準値に戻すように前記各操舵用アクチュエータを制御するステアリングシステム。
- 請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載のステアリングシステムであって、前記副電源として、二次電池、キャパシタまたはコンデンサを使用するステアリングシステム。
- 請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載のステアリングシステムであって、前記第2のステアリング装置として、
車輪を支持するハブベアリングを有するハブユニット本体と、
懸架装置の足回りフレーム部品に設けられ、前記ハブユニット本体を上下方向に延びる転舵軸心回りに回転自在に支持するユニット支持部材と
前記ハブユニット本体を前記転舵軸心回りに回転駆動させる操舵用アクチュエータとを備える、操舵機能付ハブユニットを使用するステアリングシステム。 - 請求項1ないし請求項11のいずれか1項に記載のステアリングシステムを備えた車両。
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