(57)【要約】  電気機械式又は電気油圧式操舵システムを備えた自動車における横力の計算方法を提案する。この方法は、以下の工程を有する。先ずは、ステアリングロッド力を検出し、それから、復元トルク全体を計算する。復元トルク全体は、車輪に作用する様々な力によって引き起こされる復元トルクを含む。これらの復元トルクには、横力によって引き起こされる復元トルクとその他の復元トルクが有る。その他の復元トルクは、測定値にもとづき量的に検出して、復元トルク全体から引き算し、横力によって引き起こされる復元トルクを決定する。最後に、横力によって引き起こされる復元トルクから、横力を算出する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械式又は電気油圧式操舵システムを備えた自動車における横力を計算する方法において、
ステアリングロッド力（ＦL ）を検出する工程と、
ステアリングロッド力から、横力（ＦY ）によって引き起こされる復元トルク（ＭZ,Y ）とその他の復元トルク（ＭZ,B ，ＭZ,R ，ＭZ,A ，ＭZ,Z1，ＭZ,Z2）を含む復元トルク全体（ＭZ ）を計算する工程と、
その他の復元トルクを測定値にもとづき量的に決定する工程と、
復元トルク全体からその他の復元トルクを減算して、横力によって引き起こされる復元トルクを決定する工程と、
横力によって引き起こされる復元トルク（ＭZ,Y ）から横力（ＦY ）を算出する工程と、
を有する方法。
【請求項２】
当該の横力の計算に、ステアリングロッド力（ＦL ）と復元トルク全体（ＭZ ）との間の伝達係数を含めることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
伝達係数（ｉL2（δ））が、操舵角に依存するものであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
当該の横力（ＦY ）の計算に、キングピン傾斜角（σ）及び／又はキャスター角（τ）を含めることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
その他の復元トルクが、転がり抵抗（ＦR ）、制動力（ＦB ）、駆動力（ＦA ）、垂直力の中の一つ以上によって引き起こされる復元トルク（ＭZ,B ，ＭZ,R ，ＭZ,A ，ＭZ,Z1，ＭZ,Z2）を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
当該のステアリングロッド力が、左と右のタイロッドに作用する力として、或いはステアリングロッド力全体（ＦL ）として検出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ステアリングロッド力全体（ＦL ）が、運転者が加える操舵トルク（ＭL ）、ステアリング増幅率（ＶL ）及びステアリング伝達係数（ｉL1（δ））から計算されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
当該のステアリングロッド力（ＦL ）の計算に、操舵角に依存するステアリング伝達係数（ｉL1（δ））を含めることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
当該のステアリングロッド力全体が、電気機械式又は電気油圧式操舵システムの一つ以上の電気モーター（８）のモーター電流及び／又はモーター位置から算出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
算出した横力（ＦY ）から、横滑り角を計算することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
算出した横力（ＦY ）から、摩擦係数を計算することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気機械式又は電気油圧式操舵システムを備えた自動車におけるタイヤ横力を求める方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最新の多くの自動車は、車両の能動的な安全性を向上するために、既に非常に広く普及しているＡＢＳブレーキシステムの他に、走行動特性制御システムも備えていることが益々多くなってきている。走行動特性制御は、車両の垂直軸周りのヨーイング運動を制御及び制限するために採用されている。センサーは、例えば、操舵角、アクセルペダル位置、ブレーキ圧などの運転者が設定する変量を検出する。更に、横加速度及び車両の各車輪の回転挙動を測定している。走行動特性制御の性能は、自動車の動的な挙動に影響を及ぼす別の変量を検出することによって、一層向上させることができる。これらの変量には、例えば、車両の車輪と走路との摩擦係数や、速度ベクトルの車両の中心線からの角度偏差を示す横滑り角が有る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
以上のことを出発点として、この発明の課題は、車両の動的な挙動に影響を及ぼす少なくとも一つの別の変量を算出することができる方法を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は、請求項１にもとづく方法によって解決される。この発明では、電気機械式又は電気油圧式操舵システムを備えた自動車における横力を計算する方法を提案する。この方法は、以下の工程を有する。
【０００５】
・ステアリングロッド力を検出する工程
・ステアリングロッド力から、横力によって引き起こされる復元トルクとその他の復元    トルクを含む復元トルク全体を計算する工程
・その他の復元トルクを測定値にもとづき量的に決定する工程
・復元トルク全体からその他の復元トルクを減算して、横力によって引き起こされる復    元トルクを決定する工程
・横力によって引き起こされる復元トルクから横力を算出する工程
多くの走行動特性制御システムにとって、車輪における横力は、有利な入力変量である。横力は、例えば、摩擦係数の決定又は横滑り角の見積りに使用することができる。
【０００６】
最新の電気機械式又は電気油圧式により支援される操舵システム又は運転者によって機械式に解除される電気機械式又は電気油圧式操舵システムは、その原理により、ステアリングロッド（ラックピニオン式舵取り装置でのラック）力又はタイロッド力を測定又は計算するための力又はトルクセンサーを有する。前記の力から、タイヤ横力を求めることができる。この発明による方法は、このセンサーを使用して、タイヤ横力を求めるものである。
【０００７】
この発明の改善構成では、ステアリングロッド力と復元トルク全体との間の伝達係数を横力の計算に含める。目的に適うこととして、この伝達係数を操舵角に依存させることができる。
【０００８】
有利には、キングピン傾斜角及び／又はキャスター角を横力の計算に含める。
【０００９】
この発明に関して重要なその他の復元トルクは、転がり抵抗、制動力、駆動力、垂直力の中の一つ以上によって引き起こされる復元トルクを含むことができる。
【００１０】
この発明による方法の異なる実施構成では、左と右のタイロッドに作用する力又はステアリングロッド力全体として、ステアリングロッド力を検出することができる。
【００１１】
有利には、運転者が加える操舵トルク、ステアリング増幅率及びステアリング伝達係数から、ステアリングロッド力全体を計算する。この場合、操舵角に依存したステアリング伝達係数をステアリングロッド力の計算に含めるものと規定することができる。
【００１２】
この発明の実施例では、電気機械式又は電気油圧式操舵システムの一つ以上の電気モーターのモーター電流及び／又はモーター位置から、ステアリングロッド力全体を算出する。
【００１３】
目的に適うこととして、この発明による方法は、検出した横力から、横滑り角及び／又は摩擦係数を算出するように拡張することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図面には、この発明による方法を使用することができる電気機械式操舵システムを模式的に図示している。
【００１５】
図１には、自動車の前車軸と操舵システムを模式的に図示している。運転者は、所望の走行方向にハンドル１を回転させることによって、車両を誘導する。ハンドル１の操舵動作は、ステアリングコラム２を介して、機械式にピニオン３に伝達される。ピニオン３は、ラック４と噛み合っている。従って、ハンドル１の回転運動は、ラック４を左右に運動させることとなる。ラック４は、その両端において、ラック４の動きを車両の前輪７ｌ又は７ｒに伝達する左と右のタイロッド６ｌ，６ｒとそれぞれ接続されている。車両の前輪７ｌ，７ｒのサスペンションは、見易くするために、図１では省略されている。ここまでに述べた操舵システムは、純粋に機械式によるものであって、車両の重量が大きい場合、運転者の大きな操舵力を必要とする。このため、ステアリングコラム２は、駆動の観点から、運転者のハンドル１に対する操舵動作を支援する電気モーター８と更に連結されている。このモーター８は、図１では、確かにステアリングコラム２の傍に図示されているが、実際には、ステアリングコラム２を駆動して、ピニオン３に作用している。モーター８は、モーター制御部９によって制御され、バッテリー１１からエネルギーを供給される。ステアリングコラム２は、運転者が加える操舵トルクＭL の大きさを検出して、モーター制御部９及び横力計算ユニット１３に出力する回転トルクセンサー１２ａと測定値変換器１２ｂとを更に備えている。更に、モーター制御ユニット９が、信号ＶL を横力計算ユニット１３に出力する。この信号ＶL は、運転者が加える操舵トルクＭL の増幅率を表すものである。横力計算ユニット１３は、前輪７ｌ，７ｒに作用する横力ＦY を表す出力信号を出力する。
【００１６】
以下においては、ここまでに述べた操舵システムの機能形態と横力ＦY の計算方法を記述する。
【００１７】
この発明の理解を深めるために、図２ａ〜２ｃには、前輪のサスペンションの特性値を図解している。見易くするために、これらの特性値は、符号７で表した車両の右前輪の例だけを示している。操舵動作の際、車輪は、操舵軸１６として表した、車両に対して固定された各回転軸の周りを旋回する。操舵軸１６は、二つの地点ＥとＧで、車体と固く接続されている。車体に対して固定された座標Ｘ，Ｙ，Ｚに関する操舵軸１６の姿勢は、以下の特性値によって表される。
【００１８】
図２ａは、車輪７の側面図を示している。車両の縦方向断面内における操舵軸１６と走路の垂線１７との間の角度は、キャスター角τと称される。車両の縦方向断面内における操舵軸１６の走路２１との交点１８と理想的な車輪の接触点１９との間の間隔は、キャスタートレール
【００１９】
【数１】
2007530341.tif 000003
【００２０】
と称される。
【００２１】
図２ｂは、車輪７を前方から見た図を示している。車両の横方向断面内における操舵軸１６と走路の垂線１７との間の角度は、キングピン傾斜角σと称される。車両の横方向断面内における操舵軸１６の走路２１との交点１８と理想的な車輪の接触点１９との間の間隔は、スクラブ半径
【００２２】
【数２】
2007530341.tif 000004
【００２３】
と称される。
【００２４】
最後に、図２ｃには、車輪７を前方斜めから見た図を示しており、キャスター角τとキングピン傾斜角σも図示されている。
【００２５】
電気機械式又は電気油圧式により支援される操舵システムでは、運転者が加える操舵トルクＭL を測定して、電気モーターが付与すべき増幅率ＶL を計算し、設定している。通常操舵角に依存する、ハンドルトルクとステアリングロッド力の合計ＦL,sum との間の伝達係数ｉL1（δ）及びステアリング増幅率ＶL を用いて、ステアリングロッド力の合計は、以下の通り計算される。
ＦL,sum ＝ＭL ・ＶL ・ｉL1（δ）      （１）
ステアリングロッド力の合計ＦL,sum は、右と左のタイロッドにより垂直にステアリングロッドに対して作用する力ＦLrとＦLlを合算することによって得られる。
【００２６】
運転者が機械式に解除する電気機械式又は電気油圧式操舵では、両方のタイロッド力を個別に（ＦL,r とＦL,l ）又は同じくタイロッド力の合計ＦL,sum を測定するか、或いは電気モーターのモーター電流及び／又はモーター位置から見積もる。これらの力は、例えば、触覚による操舵感覚を生成するために必要である。
【００２７】
個々のステアリングロッド力ＦL,r とＦL,l を計算するための手法は、パラメータと力の作用方向を除いては同じであり、従って、以下では、一方の車輪７を例にして、車輪の指数を付けない形で説明する。ステアリングロッド力ＦL は、車輪７に作用するとともに、様々な力によって引き起こされる復元トルクを補償するものである。復元トルク全体は、図２に図示された座標系のｚ軸の周りに作用するので、復元トルクの合計は、ＭZ で表す。
【００２８】
ステアリングロッド力ＦL と操舵軸１６の周りの復元トルク全体ＭZ との間には、同じく操舵角に依存する第二の伝達係数ｉL2（δ）が働いている。
ＭZ ＝ＦL ・ｉL2（δ）    （２）
復元トルク全体には、横力ＦY によって引き起こされる復元トルクも含まれている。以下において、横力ＦY とそれによって引き起こされる復元トルクとの間の関係を説明する。
【００２９】
図３ａには、車両の車輪７が、側方から見た図で示されている。横力ＦY は、車輪接触点で車輪７に作用する。操舵軸１６が、鉛直線に対してキャスター角τだけ傾いているので、横力ＦY は、操舵軸１６に対してずれた形で作用する。車輪接触点と一致する、横力ＦY の作用点と操舵軸１６との間の間隔は、運動力学的な横力モーメントアーム
【００３０】
【数３】
2007530341.tif 000005
【００３１】
と称される。横力モーメントアーム
【００３２】
【数４】
2007530341.tif 000006
【００３３】
に作用する横力ＦY は、以下に式にもとづき、復元回転トルクＭz,y を生成する。
【００３４】
【数５】
2007530341.tif 000007
【００３５】
この考察は、車両の動きが無く、かつ車輪７の傾斜した回転が無い場合にのみ成り立つ。
【００３６】
傾斜した回転によって、横力ＦY の作用点が、車輪中央の後方にニーマチックトレールだけ移動し、それにより横力モーメントアームが伸びることとなる。横力モーメントアームが、運動力学的な横力モーメントアーム
【００３７】
【数６】
2007530341.tif 000008
【００３８】
に追加して、操舵軸に対して垂直な成分であるニーマチックトレール
【００３９】
【数７】
2007530341.tif 000009
【００４０】
だけ伸びて、その結果横力モーメントアーム全体
【００４１】
【数８】
2007530341.tif 000010
【００４２】
に関しては、以下の式が成り立つ。
【００４３】
【数９】
2007530341.tif 000011
【００４４】
求める横力ＦY は、横力モーメントアーム
【００４５】
【数１０】
2007530341.tif 000012
【００４６】
と運動力学的なキングピン傾斜角σを介して、復元トルクＭZ に含まれている。横力ＦY によって引き起こされる復元トルクは、ＭZ,Y で表す。
【００４７】
【数１１】
2007530341.tif 000013
【００４８】
式（４）を式（５）に代入することによって、復元トルクＭZ,Y に関して、以下の通りとなる。
【００４９】
【数１２】
2007530341.tif 000014
【００５０】
横力ＦY 以外に、別の力が、操舵軸にモーメントを加える形で作用する。これらのモーメントを横力によって生成されるモーメントＭZ,Y から分離することができるようにするために、個々の計算式を以下に列挙する。
【００５１】
モーメントを加える形で操舵軸１６に作用する別の力には、走路２１から車輪７に伝達される制動力ＦB が有る。図４には、前方から見た車両の前輪７が図示されている。走路２１から車輪７に伝達される制動力ＦB は、操舵軸１６の走路２１との交点１８から間隔
【００５２】
【数１３】
2007530341.tif 000015
【００５３】
だけ離れた所に加わる。操舵軸１６に対して垂直な制動力モーメントアームｒb の長さは、以下の通りとなる。
【００５４】
【数１４】
2007530341.tif 000016
【００５５】
ここで、σは、キングピン傾斜角を表す。キャスター角τを考慮すると、制動力ＦB によって操舵軸１６の周りに引き起こされるモーメントが、以下の通り得られる。
ＭZ,B ＝ＦB ・ｃｏｓτ・ｒb       （８）
従って、制動力によって生じる復元トルクＭZ,B は、以下の通り得られる。
ＭZ,B ＝ＦB ・ｃｏｓτ・ｒb ・ｃｏｓσ      （９）
この計算は、アウトボードブレーキを備えた車両に関してのみ有効である。インボードブレーキを備えた車両に関しては、制動力モーメントアームｒb の代わりに、次の段落で紹介する外力モーメントアームｒa を用いる。
【００５６】
図５に図示した通り、制動力に対して、転がり抵抗力と駆動力が、制動力モーメントアームｒb によってではなく、前に言及した外力モーメントアームによって、モーメントを加える形で操舵軸１６に作用する。駆動力と転がり抵抗力ＦR に関して、車輪とホイールキャリヤとの間には、モーメントではなく、力だけが伝達されるので、様々な作用アームが成り立つ。車輪中央を横切る場合、ＦR ' ＝ＦR となる（図５参照）。従って、転がり抵抗力ＦR によって引き起こされる復元トルクＭZ,R は、以下の通りとなる。
ＭZ,R ＝ＦR ・ｃｏｓτ・ｒa     （１０）
この場合、ｒa は、操舵軸１６に対して垂直な外力モーメントアームであり、ｃｏｓτは、キャスター角τによる力の分割を考慮したものである。転がり抵抗力ＦR は、垂直力ＦZ と転がり抵抗係数とから得ることができる。
【００５７】
同様に、駆動力ＦA は、以下の通り、外力モーメントアームｒa によって、操舵軸１６の周りにモーメントＭA を生成する。
ＭZ,A ＝ＦA ・ｃｏｓτ・ｒa     （１１）
更に、垂直力ＦZ は、特に、速度が低い時に、小さい横力だけが生じる場合に重要となる復元トルクを生成する。
【００５８】
キングピン傾斜角σにもとづき、ｃｏｓτを係数として持つ垂直力ＦZ は、操舵角δに依存して、垂直力モーメントアームｑにより、図６に図示した通りの復元トルクとして作用する。
ＭZ,Z1＝ＦZ ・ｃｏｓτ・ｓｉｎσ・ｓｉｎδ・ｑ      （１２）
垂直力モーメントアーム又はステアリングモーメントアームｑは、タイヤ半径ｒdyn 、スクラブ半径
【００５９】
【数１５】
2007530341.tif 000017
【００６０】
（図２ｂと４）及びキングピン傾斜角σから、以下の通り計算される。
【００６１】
【数１６】
2007530341.tif 000018
【００６２】
復元トルクは、垂直力モーメントアームにより、以下の通り計算される。
【００６３】
【数１７】
2007530341.tif 000019
【００６４】
ここで述べている幾何学的な関係は、図６に図示されている。
【００６５】
キングピン傾斜角によって生じるモーメントに追加して、垂直力ＦZ は、キャビン角τにもとづき、別の復元トルクＭZ,Z2を生成する。
【００６６】
【数１８】
2007530341.tif 000020
【００６７】
この場合、キャスターオフセット
【００６８】
【数１９】
2007530341.tif 000021
【００６９】
は、垂直力ＦZ の作用点と車両上の固定点との間の間隔を示す。この状況に関する幾何学的な関係は、図７に図示されている。
【００７０】
求める横力ＦY は、ステアリングロッド力ＦL により算出される復元トルク全体ＭZ から、以下の通り計算される。復元トルク全体ＭZ は、個々の復元トルクの合計であると言える。
ＭZ ＝ＭZ,Y ＋ＭZ,B ＋ＭZ,R ＋ＭZ,A ＋ＭZ,Z1＋ＭZ,Z2    （１６）
横力モーメントＭZ,Y に関して、式（６）が成り立つ。式（６）を式（１６）に代入して、順番を入れ換えると、以下の通りとなる。
【００７１】
【数２０】
2007530341.tif 000022
【００７２】
横力ＦY を算出するためには、この式に続いて、以下のパラメータを決定しなければならない。
【００７３】
σ：キングピン傾斜角
τ：キャスター角
δ：操舵角
【００７４】
【数２１】
2007530341.tif 000023
【００７５】
：スクラブ半径
【００７６】
【数２２】
2007530341.tif 000024
【００７７】
：キャスターオフセット
ｒdyn ：タイヤ半径
ｒa ：外力モーメントアーム
【００７８】
【数２３】
2007530341.tif 000025
【００７９】
：運動力学的な横力モーメントアーム
【００８０】
【数２４】
2007530341.tif 000026
【００８１】
：ニーマチックトレール
従来の走行動特性制御に関して既に存在するセンサーを用いて、前記のステアリングモーメントＭL 、ステアリングロッド力ＦL 、ステアリング増幅率ＶL 及び伝達係数ｉL1，ｉL2の他に、更に以下の変量を測定する。
【００８２】
ＦB ：制動力
ＦA ：駆動力
ＦZ ：垂直力
最終的には、前述した通り、パラメータ及び測定変量の全体により、式（１７）にもとづき、横力ＦY を算出することが可能である。
【００８３】
この発明は、確かに電気機械式操舵システムを例に挙げて述べてきたが、全く同様の手法により、電気油圧式操舵システムにも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】電気機械式操舵システムの模式図
【図２ａ】車両の車輪におけるキャスター角及びキングピン傾斜角
【図２ｂ】車両の車輪におけるキャスター角及びキングピン傾斜角
【図２ｃ】車両の車輪におけるキャスター角及びキングピン傾斜角
【図３ａ】車両の車輪における横力モーメントアーム
【図３ｂ】車両の車輪における横力モーメントアーム
【図４】車両の車輪における制動力モーメントアーム
【図５】車両の車輪における外力モーメントアーム
【図６】車両の車輪における垂直力モーメントアーム及びそのキングピン傾斜角との関係
【図７】車両の車輪における垂直力モーメントアーム及びそのキャスター角との関係
【図１】
2007530341.tif 000027
【図２ａ】
2007530341.tif 000028
【図２ｂ】
2007530341.tif 000029
【図２ｃ】
2007530341.tif 000030
【図３ａ】
2007530341.tif 000031
【図３ｂ】
2007530341.tif 000032
【図４】
2007530341.tif 000033
【図５】
2007530341.tif 000034
【図６】
2007530341.tif 000035
【図７】
2007530341.tif 000036
【国際調査報告】
2007530341.tif 000037
2007530341.tif 000038
2007530341.tif 000039
2007530341.tif 000040