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車両用操舵装置 - 日産自動車株式会社
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発明の名称 車両用操舵装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−15473(P2007−15473A)
公開日 平成19年1月25日(2007.1.25)
出願番号 特願2005−197052(P2005−197052)
出願日 平成17年7月6日(2005.7.6)
代理人 【識別番号】100119644
【弁理士】
【氏名又は名称】綾田 正道
発明者 牧田 光弘 / 園田 恭幸
要約 課題
操向輪の転舵応答性を確保できる車両用操舵装置を提供する。

解決手段
前輪10-FL,10-FRのキャンバ角を左右独立に制御する演算回路24を備えた車両用操舵装置において、演算回路24は、前輪10-FL,10-FRの転舵時、前輪10-FL,10-FRのスリップ角による横力発生方向に対し、旋回内輪側のキャンバスラストによる横力発生方向を逆方向、旋回外輪側のキャンバスラストによる横力発生方向を同方向とするキャンバ角逆方向制御を実施する。
特許請求の範囲
【請求項1】
操向輪のキャンバ角を左右独立に制御するキャンバ角制御手段を備えた車両用操舵装置において、
前記キャンバ角制御手段は、前記操向輪の転舵時、操向輪のスリップ角による横力発生方向に対し、旋回内輪に逆方向の横力を発生させ、旋回外輪に同方向の横力を発生させるキャンバ角逆方向制御を実施す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、
前記操向輪に補助舵角を付加する操向輪アクティブ操舵手段を備え、
前記キャンバ角制御手段は、前記補助舵角の付加時、前記キャンバ角逆方向制御を実施することを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載の車両用操舵装置において、
操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段を備え、
前記キャンバ角制御手段は、検出された操舵角速度が急操舵しきい値を超えたとき、前記キャンバ角逆方向制御を実施することを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項4】
請求項1ないし請求項3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、操舵開始から一定時間経過後、前記操向輪のスリップ角による横力発生方向に対し、旋回内輪側のキャンバスラストによる横力発生方向を同方向とするキャンバ角同方向制御を実施することを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項5】
操向輪のキャンバ角を左右独立に制御する車両用操舵装置において、
前記操向輪の転舵時、操向輪のスリップ角による横力発生方向に対し、旋回内輪側のキャンバスラストによる横力発生方向を逆方向、旋回外輪側のキャンバスラストによる横力発生方向を同方向とす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、操向輪のキャンバ角を左右独立に可変するキャンバ角可変手段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、アクティブ操舵によって、前輪に補助舵角を付加するシステムに対し、前輪の左右輪で独立にキャンバ角制御を行うことで、タイヤの抵抗を低減し、走行安定性の向上を図る技術が開示されている。この従来技術では、ドライバ操舵分による前輪の転舵角に加え、補助舵角の追加やキャンバ角の付加により、前輪の発生するタイヤ横力の位相を進め、車両運動の安定化を図ることができる(例えば、特許文献1参照)。
【特許文献1】特開2001−130427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、前輪のアクティブ操舵機能とアクティブキャンバ制御機能を両立させようとした場合、特に旋回初期の応答性をあげるために両機能を同時に独立に作動させた場合を考えると、タイヤスリップ角とキャンバ角が共に同じ方向に横力を発生する方向へ制御させるのが一般的であるが、この場合、特に旋回内輪側においてキングピン軸の着地位置と輪荷重着力中心との距離が離れるため、前輪アクティブ操舵に伴うタイヤの抵抗が過大となり、制御の応答性悪化が懸念される。
【0004】
本発明は、上記従来技術が抱える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、操向輪の転舵応答性を確保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、本発明では、
操向輪のキャンバ角を左右独立に制御するキャンバ角制御手段を備えた車両用操舵装置において、
前記キャンバ角制御手段は、前記操向輪の転舵時、操向輪のスリップ角による横力発生方向に対し、旋回内輪に逆方向の横力を発生させ、旋回外輪に同方向の横力を発生させるキャンバ角逆方向制御を実施することを特徴とする。
【発明の効果】
【0006】
本発明によれば、旋回内外輪共にキングピン軸の着地点〜接地面荷重中心の距離が短く抑えられ、キャンバ角の付与に伴うタイヤの抵抗増大を抑制できるため、操向輪の転舵応答性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
以下、本発明の車両用操舵装置を実施するための最良の形態を、実施例1に基づいて説明する。
【実施例1】
【0008】
まず、構成を説明する。
図1は、実施例1の車両用操舵装置におけるキャンバ角可変機構Aの構成を示す図である。
【0009】
実施例1のキャンバ角可変機構Aは、左右前輪(操向輪)10-FL,10-FRに接続するアクスル部分がヒンジ部14-FL,14-FRによって、タイヤ側アクスル部13-FL,13-FRとキングピン軸側アクスル部15-FL,15-FRとに分割された構造となっている。アクスル部全体は、図外のモータにより前輪舵角に補助舵角を与える前輪転舵アクチュエータ(操向輪アクティブ操舵手段)17(図2参照)を含む操舵部12によってキングピン軸(キングピン中心線)周りに回転する。タイヤ側アクスル部13-FL,13-FRと車体16との間には、例えば、油圧または空気圧シリンダを用いたキャンバ角アクチュエータ11-FL,11-FRが介装され、このキャンバ角アクチュエータ11-FL,11-FRのピストンストローク量を変化させることにより、前右輪10-FRと前左輪10-FLの対地キャンバ角が可変される。
【0010】
図2は、実施例1の車両用操舵装置における制御系のブロック図であり、制御部Bは、演算回路(キャンバ角制御手段)24と、前輪アクティブ操舵量制御信号発生器25と、前右輪キャンバ角制御信号発生器26-FRと、前左輪キャンバ角制御信号発生器26-FLとを備えている。
【0011】
演算回路24には、ハンドル操舵角を検出する操舵角センサ20からの信号に基づいて、前輪10-FL,10-FRの目標転舵角、前右輪10-FRの目標キャンバ角、前左輪10-FLの目標キャンバ角を演算し、前輪アクティブ操舵量制御信号発生器25、前右輪キャンバ角制御信号発生器26-FRおよび前左輪キャンバ角制御信号発生器26-FLへ出力する。
【0012】
前輪アクティブ操舵量制御信号発生器25は、目標転舵角に応じた制御信号を前輪転舵アクチュエータ17へ出力する。前右輪キャンバ角制御信号発生器26-FRは、前右輪10-FRの目標キャンバ角に応じた制御信号を前右キャンバアクチュエータ11-FRへ出力する。前左輪キャンバ角信号発生器26-FLは、前左輪10-FLの目標キャンバ角に応じた制御信号を前左キャンバアクチュエータ11-FLへ出力する。
【0013】
演算回路24は、前輪10-FL,10-FRの転舵開始時、前輪10-FL,10-FRのスリップ角による横力発生方向に対し、旋回内輪側のキャンバスラストによる横力発生方向が逆方向、旋回外輪側のキャンバスラストによる横力発生方向が同方向となるように、左右目標キャンバ角を演算するキャンバ角逆方向制御を実施する。
ここで、「キャンバスラスト」とは、タイヤを傾けて(キャンバ角を与えて)転がしたとき、接地面に生じるタイヤの傾いた方向に向かう力(スラスト)をいう。
【0014】
次に、作用を説明する。
[キャンバ角制御処理]
図3は、実施例1の演算回路24で実行されるキャンバ角制御処理の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する。なお、この処理は、所定の制御周期で繰り返す実行される。
【0015】
ステップS1では、操舵角センサ20の信号を読み取り、ステップS2へ移行する。
【0016】
ステップS2では、ステップS1で読み取った操舵角θを微分して操舵角速度dθ/dtを推定し、ステップS3へ移行する(操舵角速度検出手段に相当)。
【0017】
ステップS3では、ステップS2で推定した操舵角速度dθ/dtがあらかじめ設定された設定値(急操舵しきい値)よりも大きいか否かを判定する。YESの場合にはステップS4へ移行し、NOの場合にはステップS8へ移行する。
【0018】
ステップS4では、旋回初期の立ち上がりの目印とする旋回開始フラグを立ち上げ(=1)、ステップS5へ移行する。
【0019】
ステップS5では、操舵角速度dθ/dtの符号から、前輪10の転舵方向を推定し、ステップS6へ移行する。
【0020】
ステップS6では、旋回内輪側の転舵方向に応じてキャンバ角を旋回外側へ発生させるよう、ステップS7へ移行する。
【0021】
ステップS7では、旋回開始フラグ立ち上げから一定時間経過するまで待機した後、旋回開始フラグをゼロに戻し、ステップS8へ移行する。
【0022】
ステップS8では、旋回内輪側の転舵方向に応じてキャンバ角を旋回内側へ発生させるよう、ステップS9へ移行する。
【0023】
ステップS9では、旋回外輪側の転舵方向に応じてキャンバ角を旋回内側へ発生させるよう、リターンへ移行する。
【0024】
[キャンバ角制御作動]
ドライバが急操舵を行った場合には、図3のフローチャートにおいて、ステップS1→ステップS2→ステップS3→ステップS4→ステップS5→ステップS6→ステップS7へと進む。よって、急操舵を行った場合には、旋回開始から一定時間が経過するまでの過渡的旋回状態において、旋回内輪側のキャンバ角を旋回外側へと傾斜させ、旋回外輪側のキャンバ角が旋回内側へと傾斜させるキャンバ角逆方向制御が実施される。
【0025】
旋回開始から一定時間経過後は、ステップS7→ステップS9へと進み、旋回内輪側のキャンバ角を旋回外輪側のキャンバ角と同様に、旋回内側へと傾斜させる。よって、過渡的旋回状態が終了した定常操舵域では、左右キャンバ角を旋回方向へと傾斜させるキャンバ角同方向制御が実施される。
【0026】
また、ドライバがゆっくりと操舵した場合には、ステップS1→ステップS2→ステップS3→ステップS8→ステップS9へと進み、旋回内輪側のキャンバ角と旋回外輪側のキャンバ角を、共に旋回内側へ傾斜させるキャンバ角同方向制御が実施される。
【0027】
[タイヤねじり剛性の概念]
図4はキングピンと接地面との位置関係を示す図である。
タイヤの転動速度(車両進行方向への回転速度)に比べ、転舵速度が速い場合には、タイヤの接地面をねじる効果が大きくなり、キングピン軸まわりの過渡的なねじり剛性が無視できなくなる。トレッドのせん断剛性は、厳密に考えると、接地荷重が異なればトレッド自身のつぶれ具合そのものが異なってくるが、計算を簡単にするため、ここでは接地荷重分布にかかわらず一定として扱う。
【0028】
ねじり中心をタイヤ中心として、そこを原点にとると、原点から r ( {x,y} )だけ離れた所でのトレッドのせん断力の大きさは、ねじり角をδ(図5参照)、せん断剛性をkとすると、下記の式(1)で表すことができる。
k・r・δ = k・{(X2+Y2)1/2}・δ …(1)
このせん断力のタイヤ中心周りのモーメントは、下記の式(2)となる。
k・r2・δ = k・(X2+Y2)・δ …(2)
【0029】
式(2)で得られたタイヤ中心回りのモーメントを接地面内で積分する。簡単のためタイヤ接地面を接地長さL、接地幅Wの矩形とし、トレッドせん断剛性とねじれ角を単位量1として省略する。
【数1】


【0030】
この値を基準として、タイヤ回転中心(キングピン軸と接地面との交点)がタイヤ中心から(x0,y0)だけ移動した場合のねじり剛性変化比率を求める。まず、タイヤ回転中心が(x0,y0)の場合のねじり剛性を求める。このとき、接地長さLと接地幅Wは変わらない。
【数2】


【0031】
式(4)を式(3)で割ることで、タイヤ回転中心移動によるねじり剛性変化比率は、下記の式(5)から求まる。
【数3】


式(5)より、キングピン軸がタイヤの中心(輪荷重着力中心)からずれるほどねじり剛性が大きくなることがわかる。
【0032】
[キャンバ角とタイヤ接地面]
図6には、タイヤにキャンバ角がついた場合において、タイヤの幾何学的な接地面中心と、接地荷重の中心がどのようになるかの概念図を示す。図6(a)に示すように、キャンバ角が付加されない場合においては、接地荷重はほぼタイヤの幾何学中心と一致している。
【0033】
一方、図6(b)に示すように、キャンバ角が付加された場合には、接地面形状はキャンバ角がついた方向に接地面が広がる台形状となる。これにあわせて、接地面荷重中心も台形の面心方向に移動する。式(5)より、接地面荷重中心と転舵軸(キングピン軸)の距離が大きくなればねじり剛性が増加するために、タイヤ転舵に伴う抵抗が大きくなり、転舵応答性の確保が難しくなる。前輪アクティブ操舵においては、アクティブ操舵の転舵角の大きさもさることながら、応答性能が機能を確保する上で重要であるため、このタイヤのねじり剛性分増大による悪影響を低減する必要がある。
【0034】
[タイヤのねじり剛性低減による操舵の過渡応答性向上作用]
前輪アクティブ操舵は、転舵初期の応答性を高めるために利用されるが、その場合、通常の車両では、タイヤ中心着地点とキングピン軸着地点との間に距離(スクラブ半径)が存在するため、前輪アクティブ操舵はスクラブ半径が離れていれば応答性を確保するには大きな転舵トルクを必要とする。
【0035】
実施例1では、キャンバ角アクチュエータ11-FL,11-FRを作動し、キャンバ角を制御することで、旋回内外輪ともにスクラブ半径を低減させ、前輪アクティブ操舵の応答性確保を行う。図7に示すように、ネガティブスクラブ(タイヤ中心着地点がキングピン軸着地点よりも車幅方向内側となるホイールアライメント)を採用する一般的な車両の場合、旋回外輪側のキャンバ角制御方向は、前輪アクティブ操舵とキャンバ制御を組み合わせるか否かにかかわらず、キャンバ制御単独で考えた場合における定常的なキャンバ角付加方向と一致する。ところが、旋回内輪側に関しては、キャンバ角単独で考えた場合の方向にキャンバ角を発生させたときには、キングピン軸の着地点〜接地面荷重中心の距離が増加するため、転舵トルクが増大してアクチュエータが過負荷となり、転舵応答性が低下してしまう。
【0036】
これに対し、実施例1では、前輪アクティブ操舵が発生している操舵初期には、前輪アクティブ操舵に合わせて旋回内輪側のキャンバ角を旋回内輪側のキャンバ角とは逆に旋回外側に傾斜させるキャンバ角逆方向制御を実施する。これにより、旋回内外輪共にキングピン軸の着地点〜接地面荷重中心の距離を短くできるため、キングピン軸まわりの過渡的なねじり剛性が過大となる前輪アクティブステア作動開始時において、前輪転舵アクチュエータ17の負荷を抑制でき、転舵応答性を高めることができる。
【0037】
また、実施例1では、操舵開始から一定時間が経過したとき、すなわち、操舵定常域では、旋回内輪側と旋回外輪側のキャンバ角を共に旋回内側へ傾斜させるため、左右のキャンバスラストによる横力発生方向を、前輪10-FL,10-FRのスリップ角による横力発生方向と一致させることで、定常旋回時の横力を十分発生させることができ、車両安定性を向上できる。
【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10-FL,10-FRのキャンバ角を左右独立に制御する演算回路24を備えた車両用操舵装置において、演算回路24は、前輪10-FL,10-FRの転舵時、前輪10-FL,10-FRのスリップ角による横力発生方向に対し、旋回内輪側のキャンバスラストによる横力発生方向を逆方向、旋回外輪側のキャンバスラストによる横力発生方向を同方向とするキャンバ角逆方向制御を実施する。これにより、旋回内外輪共にキングピン軸の着地点〜接地面荷重中心の距離を短く抑えることができるため、キャンバ角の付与に伴うタイヤの抵抗増大を抑制でき、前輪10-FL,10-FRの転舵応答性を確保できる。
【0040】
(2) 前輪10-FL,10-FRに補助舵角を付加する前輪転舵アクチュエーア17を備え、演算回路24は、補助舵角の付加時、キャンバ角逆方向制御を実施するため、転舵角に補助舵角を付加することで、タイヤのねじり剛性が過大となるアクティブ操舵の作動開始時において、前輪転舵アクチュエータ17の負荷を抑制でき、転舵応答性を高めることができる。
【0041】
(3) 操舵角速度dθ/dtを推定(検出)する操舵角速度検出手段(ステップS2)を備え、演算回路24は、推定された操舵角速度dθ/dtが設定値を超えたとき、キャンバ角逆方向制御を実施するため、タイヤのねじり剛性が過大となる急操舵時において、転舵応答性を高めることができる。
【0042】
(4) 演算回路24は、操舵開始から一定時間経過後、前輪10-FL,10-FRのスリップ角による横力発生方向に対し、旋回内輪側のキャンバスラストによる横力発生方向を同方向とするキャンバ角同方向制御を実施するため、定常旋回時の車両安定性を確保できる。
【0043】
(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。
【0044】
例えば、本発明は、スリップ角による横力とキャンバ角によるキャンバスラストを発生可能な構成であれば、キャンバ角制御を備えた操舵装置全般に適用できるものであり、実施例1に示したアクティブ操舵に限ったものではない。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】実施例1の車両用操舵装置におけるキャンバ角可変機構Aの構成を示す図である。
【図2】実施例1の車両用操舵装置における制御系のブロック図である。
【図3】実施例1の演算回路24で実行されるキャンバ角制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図4】キングピンと接地面との位置関係を示す図である。
【図5】タイヤ接地面とねじり角との関係を示す図である。
【図6】対地キャンバ角とタイヤ接地面との関係を示す図である。
【図7】ネガティブスクラブを採用した車両のホイールアライメントを示す図である。
【図8】実施例1のタイヤのねじり剛性低減作用を示す図である。
【符号の説明】
【0046】
A キャンバ角可変機構
B 制御部
10-FL 前左輪
10-FR 前右輪
11-FL 左キャンバ角アクチュエータ
11-FR 右キャンバ角アクチュエータ
13-FL 左タイヤ側アクスル部
13-FR 右タイヤ側アクスル部
14-FL 左ヒンジ部
14-FR 右ヒンジ部
15-FL 左キングピン側アクスル部
15-FR 右キングピン側アクスル部
16 車体
24 演算回路
25 前輪アクティブ操舵量制御信号発生器
26-FL 前左輪キャンバ角制御信号発生器
26-FR 前右輪キャンバ角制御信号発生器




 

 


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