(57)【要約】【課題】  操舵初期の旋回応答性を高めつつ、タイヤの片減りを防止でき、しかも旋回挙動への影響を最小限に抑えることができる車両用操舵装置を提供する。【解決手段】  前輪の転舵角を可変する前輪転舵アクチュエータ４と、前輪のキャンバ角を可変する前輪キャンバアクチュエータ５と、操舵角を検出する操舵角検出部１と、車両状態を検出する車両状態検出部３と、操舵角と車両状態とに応じた目標転舵角の定常成分に基づいて前輪転舵アクチュエータ４を駆動制御すると共に、操舵角と車両状態とに応じた目標キャンバ角の過渡成分に基づいて前輪キャンバアクチュエータ５を駆動制御する制御装置部２と、を備える。【選択図】      図１
2006282066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操向輪のキャンバ角を可変するキャンバアクチュエータと、
前記操舵角を検出する操舵角検出手段と、
車両状態を検出する車両状態検出手段と、
前記操舵角と車両状態とに基づいて、前記操向輪の目標キャンバ角を設定する目標キャンバ角設定手段と、
前記目標キャンバ角の過渡成分に基づいて、前記キャンバアクチュエータを駆動制御するキャンバ角制御手段と、
を備えることを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用操舵装置において、
前記操向輪の転舵角を可変する転舵アクチュエータと、
前記操舵角と車両状態とに応じて目標転舵角を設定する目標転舵角設定手段と、
前記目標転舵角の定常成分に基づいて、前記転舵アクチュエータを駆動制御する転舵角制御手段と、
を備えることを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項３】
請求項２に記載の車両用操舵装置において、
前記キャンバアクチュエータおよび転舵アクチュエータを、前輪転舵機構に設けたことを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項４】
請求項２に記載の車両用操舵装置において、
後輪の転舵角を可変する後輪転舵機構を備え、
前記キャンバアクチュエータおよび転舵アクチュエータを、前記後輪転舵機構に設けたことを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
前記キャンバ角制御手段は、操舵初期の過渡状態域で前輪、または後輪の横力の立ち上がりを前輪、または後輪のキャンバアクチュエータによるキャンバ角の付与で発生させることを特徴とする車両用操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操向輪にキャンバ角を付与するキャンバアクチュエータを備えた車両用操舵装置の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来の車両用操舵装置では、操向輪のキャンバ角を可変するキャンバアクチュエータを備え、操舵状態に応じてキャンバ角を可変することで、操舵初期の旋回応答性を高めるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−９６９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来技術にあっては、操舵初期の過渡状態域のみならず、定常状態域でも操舵角に応じたキャンバ角が付与されるため、タイヤが片減りするという問題があった。また、操舵状態に応じて常にアライメント変化が発生するため、旋回挙動に影響を及ぼすという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、操舵初期の旋回応答性を高めつつ、タイヤの片減りを防止でき、しかも旋回挙動への影響を最小限に抑えることができる車両用操舵装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明にあっては、
操向輪のキャンバ角を可変するキャンバアクチュエータと、
前記操舵角を検出する操舵角検出手段と、
車両状態を検出する車両状態検出手段と、
前記操舵角と車両状態とに基づいて、前記操向輪の目標キャンバ角を設定する目標キャンバ角設定手段と、
前記目標キャンバ角の過渡成分に基づいて、前記キャンバアクチュエータを駆動制御するキャンバ角制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明にあっては、操舵初期の過渡状態域では、横力の立ち上がりをキャンバ角で発生させることができるため、操舵の過渡応答性を向上させることができる。また、操舵初期以降の定常状態域では、キャンバ角を可変せず、操向輪の転舵のみで横力を発生させるため、定常的に操向輪にキャンバ角を付与する従来技術に比して、タイヤの偏摩耗を抑制できると共に、キャンバ角変化が旋回挙動に及ぼす影響を最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１，２に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００８】
実施例１は、ドライバの入力する操舵角に対し、前輪の転舵角と前輪のキャンバ角を任意に制御可能な車両に適用した例である。
【０００９】
まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の車両用操舵装置の構成を示すブロック図であり、実施例１の車両用操舵装置は、操舵角検出部（操舵角検出手段）１と、制御装置部２と、車両状態検出部（車両状態検出手段）３と、前輪転舵アクチュエータ４と、前輪キャンバアクチュエータ５と、を備えている。
【００１０】
ドライバは、ステアリングホイールを回転して操舵角を入力する。ドライバの入力した操舵角を操舵角検出部１で検出し、制御装置部２に伝える。車両状態検出部３において検出された各種車両状態も制御装置部２に伝えられる。ここで使用される各種車両状態には、車両運動制御に関わる車両状態である、車速、ヨーレート、横Ｇの内の１つ以上を指す。
【００１１】
制御装置部２では、操舵角と車両状態（車速、ヨーレート、横Ｇ）から、前輪（操向輪）の目標転舵角を生成する（目標転舵角設定手段）。また、操舵角と車両状態から、前輪の目標キャンバ角を生成する（目標キャンバ角設定手段）。制御装置部２は、目標転舵角と目標キャンバ角に基づいて、前輪転舵機構Ａに設けられた前輪転舵アクチュエータ４と前輪キャンバアクチュエータ５にそれぞれ指令出力を伝える（転舵角制御手段，キャンバ角制御手段）。前輪転舵アクチュエータ４と前輪キャンバアクチュエータ５は、前輪の転舵角と対地キャンバ角を指令値に追従させる。
【００１２】
ここで、操舵角、前輪転舵角、対地キャンバ角は、図２，３に示すように、ステアリングホイール６を反時計周りに回す方向を正、車両上方から見て前輪７を反時計回りに回す方向を正、車両後方から見て前輪７を反時計回りに倒す方向を正とする。実施例１では、前輪７が路面に対して垂直な状態をキャンバ角の初期位置とする。
【００１３】
制御装置部２では、目標キャンバ角の過渡成分に基づいて、前輪キャンバアクチュエータ５を駆動制御し、目標転舵角の定常成分に基づいて、前輪転舵アクチュエータ４を駆動制御する。すなわち、操舵初期の過渡状態域でのみ、前輪７の横力の立ち上げ勾配を前輪キャンバアクチュエータ５によるキャンバ角の付与で発生させ、過渡状態域以降の定常状態域では、キャンバ角を初期位置まで戻し、前輪７の転舵角のみによって横力を発生させる。
【００１４】
次に、作用を説明する。
［目標転舵角，目標キャンバ角生成方法］
制御装置部２における目標転舵角，目標キャンバ角の生成方法を説明する。
操舵角：θ[rad]
前輪転舵角：δf[rad]
後輪転舵角：δr[rad]
前輪対地キャンバ角：φf[rad]
後輪対地キャンバ角：φr[rad]
車両横滑り角：β[rad]
前輪横滑り角：βf[rad]
後輪輪横滑り角：βr[rad]
前輪コーナリングパワー：Cf[N/rad]
後輪コーナリングパワー：Cr[N/rad]
前輪横力：Ff[N]
後輪横力：Fr[N]
車速：v[m/s]
車重：m[kg]
ヨーレート：γ[rad/s]
横Ｇ：α[m/s2]
ラプラス演算子：s
【００１５】
前輪操舵車両の運動は、以下の式(1)で表せる。
【数１】
2006282066.tif 000003
【００１６】
ただし、それぞれの変数は以下の通りである。
【数２】
2006282066.tif 000004
【００１７】
式(1)は、以下のように変形でき、車両横滑り角β，ヨーレートγは式(2)，(3)で示される。
【数３】
2006282066.tif 000005
【００１８】
ヨーレートγは、式(4)に示すように１次/２次の式として表せる。
【数４】
2006282066.tif 000006
【００１９】
ただし、各パラメータは以下の通りである。
【数５】
2006282066.tif 000007
【００２０】
ヨーレートγの目標値γ*を操舵角の１次遅れとなるように設定する時、ヨーレートゲインをGr、ステアリングギア比をGsgとおくと、以下の式(5)に示す式で表せる。
【数６】
2006282066.tif 000008
【００２１】
ここで、前輪転舵角δfを以下の式(6)で表すものとすると、操舵角θに対する車両の応答は式(7)の形となる。
【数７】
2006282066.tif 000009
【００２２】
しかし、上記理論は前輪横力Ffが前輪横滑り角βfに比例するとき、すなわち式(8)で表されるときに成り立つものであるが、Ffは式(9)に示されるように、過渡的にはβfに対して１次遅れとして近似される。ただしTδは車速vに依存した時定数である。
【数８】
2006282066.tif 000010
【００２３】
一方、前輪横力Ffと前輪キャンバ角φfの関係も同じように定常ゲインDfと時定数Tφを用いて以下の式(10)のように表されうる。Tφは車速vに依存した時定数である。
【数９】
2006282066.tif 000011
【００２４】
ここで、キャンバ角φfに対する前輪横力Ffの時定数Tφは、横滑り角βfに対する前輪横力Ffの時定数Tδと比較して半分程度であり、キャンバ角を用いた方が横力の発生は２倍程度早めることができる。しかし、キャンバ角により発生する横力は、同じ横滑り角により発生する横力と比較して小さいこと、定常旋回時にキャンバ角を付け続けるとタイヤが偏磨耗すること、サスペンションの上下動により横力が変化すること、等の理由により、応答性を必要としない定常状態域においては、横滑り角を用いた横力発生方法を用いた方が望ましい。
【００２５】
ここで、前輪キャンバ角φfと前輪転舵角δfを、以下の式(11)，(12)で示すものとすることで、操舵初期のみキャンバ角による横力を発生して横力の応答性を確保し、定常状態域ではφfをゼロとし転舵による横滑り角を用いて横力を発生することで、応答性の確保とタイヤの偏磨耗等の防止との両立を図ることができる。
【数１０】
2006282066.tif 000012
【００２６】
ここで各変数は以下のとおりである。
【数１１】
2006282066.tif 000013
【００２７】
また、前輪キャンバ角φfの最大値φfmaxが規定されている場合には、式(13)〜(16)に示すように、前輪キャンバ角φfを決めることで、φfがφfmax以下となるようにしてもよい。
【数１２】
2006282066.tif 000014
【００２８】
また、ここまでは前輪転舵アクチュエータ４の性能が充分高く、前輪転舵角指令値δf*に対して前輪転舵角δfが一意に決まる場合を考えたが、応答性の向上には前輪キャンバ角を用いることで、前輪転舵アクチュエータ４の性能を低くすることができ、その場合には前輪転舵角指令値δf*に対する前輪転舵角δfの応答遅れが横力指令値指令値Ff*の応答に対して遅れが大きくなる。δfの応答は式(17)に示す２次遅れ系で近似でき、式(18)，(19)に示すように、前輪転舵角指令δf*と前輪キャンバ角指令φf*を決定することで、前輪転舵アクチュエータ４の応答性が低くても望ましい応答を得ることができる。
【数１３】
2006282066.tif 000015
【００２９】
［技術背景］
キャンバ角によって生じる横力であるキャンバスラストは、タイヤ横滑り角によって生じる横力に比べて応答性が高いという特徴を有する一方、キャンバ角によって発生可能な横力は、同じ操舵角によって発生する横力の６分の１程度であり、同じ横力を出すためには操舵角より大きいキャンバ角を付けなければならない。
【００３０】
そこで、特開平５−９６９２５号公報に記載の車両のキャンバ角制御装置では、操舵初期の過渡状態域ではオーバーステア傾向、過渡状態域以降の定常状態域ではアンダーステア傾向となるように、キャンバ角を制御している。これにより、操舵初期の旋回応答性を向上させつつ、定常状態域における必要横力は、転舵角による横力で発生させることができる。
【００３１】
ところが、上記従来技術では、定常的にキャンバ角をつけた状態で走行を継続するため、タイヤの片減り等の問題が生じる。また、キャンバ角は地面の凹凸等に起因するサスペンションストロークにより変化してしまう可能性があり、所望の横力が得られない等の問題点を有する。
【００３２】
また、操舵状態に応じて常にアライメント変化が生じるため、旋回挙動に悪影響を及ぼすおそれがある。すなわち、キャンバ角の変化によりキングピン傾角、キャスター角およびトー角が変化するため、アライメントに狂いが生じ、ハンドルの取られ、振動、タイヤの偏摩耗等の不具合が生じる。
【００３３】
［実施例１の横力応答作用］
これに対し、実施例１では、目標キャンバ角の過渡成分に基づいてキャンバ角φfを可変し、目標転舵角の定常成分に基づいて転舵角δfを可変している。すなわち、操舵初期のみキャンバ角φfによる横力Ffの発生により応答性を確保し、定常状態域ではφfをゼロとしてキャンバ角を初期位置に戻し、転舵による横滑り角βfを用いて横力Ffを発生させることで、操舵初期の旋回応答性を確保しつつ、タイヤの偏磨耗等を防ぐことができる。
【００３４】
また、キャンバ角φfは操舵の過渡状態域でのみ変化し、定常状態域では初期位置に戻るため、キャンバ角の変化がホイールアライメントに与える影響を最小限に抑えることができ、旋回挙動に悪影響を与えることがない。
【００３５】
図４は、運動補償（実施例１では、ヨーレートの目標値γ*の補償）を前輪転舵角のみで行った場合の角度応答を示す図であり、操舵初期の過渡状態域では、旋回応答性を高めるために、前輪転舵アクチュエータに対する転舵角指令値は、過渡状態域以降の定常状態域よりも大きな値となるため、アクチュエータにかかる負荷が大きくなる。
【００３６】
図５は、実施例１の車両用操舵装置の角度応答、すなわち、運動補償を転舵角とキャンバ角とで行った場合の角度応答を示す図である。図５に示すように、操舵初期の過渡状態域では、横力の立ち上げ勾配をキャンバ角の付与で発生させ、転舵角は、定常的な目標値に対し、緩やかに立ち上がっている。よって、応答性の低い前輪転舵アクチュエータ４を用いたとしても、所望の過渡特性が得られ、アクチュエータの小型化を図ることができる。
【００３７】
また、キャンバ角φfに対する前輪横力Ffの時定数Tφは、横滑り角βfに対する前輪横力Ffの時定数Tδと比較して半分程度であるため、図６に示すように、前輪転舵角のみを用いた場合と比較して、高い応答性で横力を発生させることができる。
【００３８】
次に、効果を説明する。
実施例１の車両用操舵装置にあっては、以下に列挙する効果が得られる。
【００３９】
(1) 前輪７のキャンバ角を可変する前輪キャンバアクチュエータ５と、操舵角を検出する操舵角検出部１と、車両状態を検出する車両状態検出部３と、操舵角と車両状態とに基づいて、前輪７の目標キャンバ角を設定する目標キャンバ角設定手段と、目標キャンバ角の過渡成分に基づいて、前輪キャンバアクチュエータ５を駆動制御するキャンバ角制御手段と、を備える。よって、操舵初期の旋回応答性を高めつつ、タイヤの片減りを防止でき、しかも旋回挙動への影響を最小限に抑えることができる。
【００４０】
(2) 前輪７の転舵角を可変する前輪転舵アクチュエータ４と、操舵角と車両状態とに応じて目標転舵角を設定する目標転舵角設定手段と、目標転舵角の定常成分に基づいて、前輪転舵アクチュエータ４を駆動制御する転舵角制御手段と、を備える。よって、目標とする旋回挙動（ヨーレートの目標値γ*）を実現するための定常的な横力を、転舵角制御により達成でき、操舵初期の過渡状態域から定常状態域まで、所望の旋回挙動が得られる。
【００４１】
(3) 前輪キャンバアクチュエータ５および前輪転舵アクチュエータ４を、前輪転舵機構Ａに設けたため、操舵角や車速に応じてステアリングギア比を可変に制御可能なシステムにおいて、前輪転舵アクチュエータ４の小型化を図りつつ、所望の操舵過渡特性を実現できる。
【実施例２】
【００４２】
実施例２は、ドライバの入力する操舵角に対し、前輪の転舵角が一意で決まり、後輪の転舵角と後輪のキャンバ角を任意に制御可能な車両に適用した例である。
【００４３】
まず、構成を説明する。
図７は、実施例２の車両用操舵装置の構成を示すブロック図であり、実施例２の車両用操舵装置は、操舵角検出部１と、制御装置部２と、車両状態検出部３と、後輪転舵アクチュエータ８と、後輪キャンバアクチュエータ９と、を備えている。
【００４４】
ドライバは、ステアリングホイールを回転して操舵角を入力する。ドライバの入力した操舵角を操舵角検出部１で検出し、制御装置部２に伝える。車両状態検出部３において検出された各種車両状態も制御装置部に伝えられる。ここで使用される各種車両状態には、車両運動制御に関わる車両状態である、車速、ヨーレート、横Ｇの内の１つ以上を指す。
【００４５】
制御装置部２では操舵角と車両状態（車速、ヨーレート、横Ｇ）から、後輪の目標転舵角と目標キャンバ角を生成し、後輪転舵機構Ｂに設けられた後輪転舵アクチュエータ８と後輪キャンバアクチュエータ９に指令出力を伝える。後輪転舵アクチュエータ８と後輪キャンバアクチュエータ９は、後輪の転舵角とキャンバ角を指令値に追従させる。なお、実施例２において、前輪は操舵角から機械的に決定される前輪転舵角を持つ。
【００４６】
ここで、後輪転舵角、対地キャンバ角は、図８，９に示すように、車両上方から見て後輪１０を反時計回りに回す方向を正、車両後方から見て後輪１０を反時計回りに倒す方向を正とする。
【００４７】
制御装置部２では、目標キャンバ角の過渡成分に基づいて、後輪キャンバアクチュエータ９を駆動制御し、目標転舵角の定常成分に基づいて、後輪転舵アクチュエータ８を駆動制御する。すなわち、操舵初期の過渡状態域でのみ、後輪１０の横力の立ち上げ勾配を後輪キャンバアクチュエータ９によるキャンバ角の付与で発生させ、過渡状態域以降の定常状態域では、キャンバ角を初期位置まで戻し、後輪１０の転舵角のみによって横力を発生させる。
【００４８】
次に、作用を説明する。
［実施例２の横力応答作用］
実施例２のように後輪を操舵可能な車両の一例として、特開平４−１９３６８４号公報に記載の、後輪を２次/２次で制御する車両用四輪操舵装置が知られている。このような後輪操舵車両や前後輪アクティブ操舵車両についても、実施例１と同様な方法を用いて横力を制御することが可能である。
【００４９】
実施例２でも、実施例１と同様、目標とする旋回挙動（ヨーレートの目標値γ*）を達成するために必要な後輪１０の目標転舵角を、定常的な横力を発生させる項（目標転舵角の定常成分）と応答性向上のための操舵初期のみ必要となる項（目標キャンバ角の過渡成分）に分解する。
【００５０】
そして、定常的な項を後輪転舵アクチュエータ８による後輪１０の転舵により実現し（図１１の実線）、応答性向上のための非定常な（過渡的な）項のみを後輪キャンバアクチュエータ９によるキャンバ角の付加で実現する（図１１の破線）。これにより、運動補償を後輪転舵角のみで行った場合（図１０）と比較して、望ましい応答を実現することができる（図１２）。
【００５１】
次に、効果を説明する。
実施例２の車両用操舵装置にあっては、実施例１の効果(1)，(2)に加え、以下の効果が得られる。
【００５２】
(4) 後輪１０の転舵角を可変する後輪転舵機構Ｂを備え、後輪キャンバアクチュエータ９および後輪転舵アクチュエータ８を、後輪転舵機構Ｂに設けたため、操舵角や車速に応じて後輪１０を同相／逆相制御可能なシステムにおいて、後輪転舵アクチュエータ８の小型化を図りつつ、所望の操舵過渡特性を実現できる。
【００５３】
（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１，２に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、各実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
【００５４】
例えば、実施例では、ドライバの操舵入力に対する前輪（後輪）操舵角の補償をドライバの操舵角と車両パラメータから求めたフィードフォワード項を用いて求めたが、車両ヨーレート、車両横Ｇなどを計測してフィードバック制御する場合であっても有効である。
【００５５】
実施例では、前輪または後輪転舵アクチュエータを備えた車両用操舵装置について説明したが、本発明は、転舵アクチュエータを用いないシステムや、転舵アクチュエータおよびキャンバアクチュエータを前後輪に備えたシステムにも適用可能である。
【００５６】
また、本発明は、ステアリングホイールと前輪転舵機構との間が機械的に切り離された、いわゆるステア・バイ・ワイヤシステムにも適用でき、実施例と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施例１の車両用操舵装置の構成を示すブロック図である。
【図２】操舵角と前輪転舵角の定義を示す説明図である。
【図３】前輪の対地キャンバ角の定義を示す説明図である。
【図４】運動補償を前輪転舵角のみで行った場合の角度応答を示す図である。
【図５】運動補償を転舵角とキャンバ角とで行った場合の角度応答を示す図である。
【図６】運動補償を転舵角とキャンバ角とで行った場合の横力応答を示す図である。
【図７】実施例２の車両用操舵装置の構成を示すブロック図である。
【図８】後輪転舵角の定義を示す説明図である。
【図９】後輪の対地キャンバ角の定義を示す説明図である。
【図１０】運動補償を後輪転舵角のみで行った場合の角度応答を示す図である。
【図１１】運動補償を後輪転舵角とキャンバ角とで行った場合の角度応答を示す図である。
【図１２】運動補償を後輪転舵角とキャンバ角とで行った場合の横力応答を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  操舵角検出部
２  制御装置部
３  車両状態検出部
４  前輪転舵アクチュエータ
５  前輪キャンバアクチュエータ
６  ステアリングホイール
７  前輪
【図１】
2006282066.tif 000016
【図２】
2006282066.tif 000017
【図３】
2006282066.tif 000018
【図４】
2006282066.tif 000019
【図５】
2006282066.tif 000020
【図６】
2006282066.tif 000021
【図７】
2006282066.tif 000022
【図８】
2006282066.tif 000023
【図９】
2006282066.tif 000024
【図１０】
2006282066.tif 000025
【図１１】
2006282066.tif 000026
【図１２】
2006282066.tif 000027