JPH07500069A - 軌道に拘束されない車両における操舵支援 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 軌道に拘束されない車両における操舵支援本発明は、それぞれ１つの右車輪と１ つの左車輪を持つ少なくとも２つの車輪対を有し、少なくとも１つの車輪対はス テアリングホイールによって操向可能であり、少なくとも１つの車輪対は左右の 車輪がそれぞれ個別駆動部によって駆動される軌道に拘束されない車両に関する 。

通常、内燃機関によって駆動される乗用車、トラック、バスなど、軌道に拘束さ れない車両においては、操向補助手段（パワーステアリング）が一般的に使用さ れている。内燃機関によって駆動される油圧ポンプがエネルギー源として使用さ れ、このエネルギー源がステアリングホイールを介して、運転者によって操向が 行なわれた車輪にかかる力を増倍するために必要なエネルギーを供給している。

油圧ポンプのほかに、制御弁や操向弁、操向シリンダ、オイルタンク、配管接続 部が必要である。これによって、従来の操向補助手段はかなりの費用がかかるも のとなる。

最近になって、何十年にもわたって一般に使われてきた内燃機関による駆動方式 とは著しく異なった、新しい車両駆動方式が開発された。例えば、バッテリーに よって給電される電気モータ駆動部を有する、軌道に拘束されない車両が提案さ れた。その他に、ハイブリッド駆動も提案された。ハイブリッド駆動の場合では 、車両において内燃機関−ジエネレータ−ユニットが設けられており、ジェネレ ータが供給する電気エネルギーが動力エレクトロニクス部を経由し、駆動される 車輪と固定して連結されている電気モータに供給される。このような駆動方式は 、純粋な内燃機関駆動方式に比べ、よりきめ細かな制御が可能になるので、ある 種の利点がある。

少なくとも２つの車輪において電気モータ駆動部を有する車両において、１つの 重要な特徴は、駆動される車輪がそれぞれ個別の駆動部を有していることである 。

単に内燃機関によって駆動される自動車から、電気自動車への、もしくはハイブ リッド駆動部を有する車両へのゆるやかな転換を考える場合に、これらの新しい 車両の操作を、内燃機関によって駆動される車両の取り扱いに適合させることが 関心の的になっている。

このことは、車両の操向に関していえば、操向補助手段または操向支援手段が用 意されるべきことを意味している。なぜならば特に、ゴムタイヤを有する重量の 重い車両の場合には、操向を行なう際に、著しい抵抗に打ち勝たなければならな いからである。そこでまず、操舵支援に対する従来の技術の使用が考えられる。

すなわち、電気で駆動される油圧モータの場合には、通常のパワーステアリング を設けることが可能である。

また、操向機構を電気モータ方式にすることも可能である。すなわち、ステアリ ングロッドアセンブリを動かすために、ステアリングホイールの位置に依存して 電気モータを動かすことになる。しかしながら、このような操舵支援方式も、著 しい費用をともなうものになる。

特開昭６２−１８１９１８Ａによって周知なように、油圧式のクラッチによって 制御される機械式ギヤが、車両の後部軸に対して設けられている車両駆動方式が ある。この機械式ギヤにより、車両の速度と、ステアリングホイールの角度と、 ステアリングホイールの操作速度とに依存して、カーブの内側駆動輪よりもカー ブの外側駆動輪の方がより大きな回転モーメントを受けるよう、後部軸の左右の ２つの駆動輪の間で回転モーメントの分配に影響を及ぼすことが可能である。こ の構造に対して必要となる費用は非常に大きなものである。また、モーメントの 調整に使われる制御方式については、詳しい説明がない。

本発明の課題は、費用をほとんどかけることなく、高い効率性の操舵支援を有す る、冒頭に述べたような、軌道に拘束されない車両を提供することである。この 明細書において、操舵支援とは、カーブするときに内輪の回転速度と外輪の回転 速度に差を与えることをいう。

本課題は、請求項１の特徴を有する車両によって解決される。さらに、本発明の 有利な発展形態は、請求項２ないし請求項４に記載されている。

当然のことであるが、カーブを走行する場合において、内輪よりも外輪の回転数 の方が大きくなる。計算の基礎となるのは、いわゆるシングルトラックモデルで あり、添付の図１にしたがってこのモデルから、カーブの目標半径がＲである場 合には、ステアリングホイール角度に依存するステアリング角度δ、はアッカー マンにより、以下のように計算される。

ｔａｎ６Ａ＝　ｌ　／　（Ｒ２−１２２）　”２（１）ｌ　＝　軸間距離 １２＝　後部軸からの重心ＳＰまでの距離Ｒ＝　カーブの目標半径 δヮ＝　ステアリング角度 ｍＶ＝　前輪軸の重みつき負荷 ｍ、＝　車両の総重量 このシングルトラックモデルをもとにすれば、車両の車輪距離を考慮に入れなが ら、車両の外輪と内輪との間における百分率車輪回転数差をめることができる。

車両の外輪と内輪との間における百分率車輪回転数差を、車輪のそれぞれのステ アリング角度に関してプロットすると、理論上、線形的な関係が得られる。車輪 のステアリング角度が約１０’である場合、百分率車輪回転数差は約１０％であ る。

個別駆動の車輪を有する車両を運転する場合、駆動の動力は、運転者がアクセル ペダルを操作することによって決定される。この駆動動力は、全体として駆動輪 に伝達されなければならない。つまり、運転者が決定する全体の駆動動力は、個 別車輪の駆動動力の和である。

本発明によれば、ステアリングホイール角度、したがって車輪におけるステアリ ング角度に依存して、カーブの外輪に伝達されるモーメントもしくはカーブの外 輪に伝達される動力（動力とモーメントは、回転数を介して線形関係にある）が 増大され、その一方で、内輪のモーメントもしくは動力が相応して減少される。

車両の運転者は、車両の操向性が軽いことから、外輪と内輪の駆動モーメントの 変化をかならず感じる。

本発明において特に有利な点は、駆動輪に対する個別駆動部が電気モータで構成 されており、この個別駆動部がいずれにしても個別に制御されていることである 。そのため、駆動用電気モータへの電流供給の制御に、ステアリング角度を非常 に簡単に考慮に入れることができる。

本発明の基本となる考えによると、駆動輪について行なうモーメントの増大もし くは減少は、ステアリング角度に依存し、理論的に得られる百分率車輪回転数差 に合わせて行なう。このことは特に、車両の速度が比較的小さい場合（例えば、 ５０ｋｍ／ｈ以下）に有効で、理論上の値が完全もしくはほぼ完全に（例えば、 ８０％または９０％）守られる。

しかしながら、一方では一般的な経験から、他方では発明上の観点から、車両が 高速である場合においては、アッカーマンによる理論上の線形特性曲線からの偏 差を大きくする。以下、これについて詳しく説明する。

図３において、直線Ａにより、ステアリングホイール角度δと、左車輪と右車輪 との間の百分率車輪回転数差との間のアッカーマンによる理論上の線形関係が示 されている。カーブを走行する場合、運転者は車両のステアリングホイールを切 る。この場合に、ある一定の回転数と、それによって操向の行なわれる車輪にお いて回転数差が生じる。センサーにより、車輪の回転数を把握することができ、 また、把握した回転数からめた差異に基づいて、図３のように、実際の差異と目 標の差異との間の偏差を計算することができる。

この偏差は、カーブの外側ないしは内側に位置する個々の駆動輪に対する駆動モ ーメントを、増大したり減少したりするための調整量として使用される。

車両の速度がきわめて遅い場合では、周知のように、実際の車輪回転数差は、理 論上の値かられずかしかずれていない。車両の速度が速くなればなるほど、実際 の車輪回転数差は、理論上の値からますますずれることになる。このことは、図 ３において、車両速度Ｖをパラメータとする特性曲線群によって示されている。

図３における曲線Ｂは、車両の速度が５０　ｋ　ｍ　／　ｈの場合において、ス テアリングホイール角度に依存する実際の車輪回転数差を定性的に示している。

特性曲線ＣおよびＤは、車両の速度が１００　ｋ　ｍ　／　ｈおよび１５０　ｋ 　ｍ　／　ｈの場合に定性的に有効な特性曲線である。

外輪および内輪の異なる駆動モーメントを調整するために、理論的な特性曲線Ａ にのみしたがって対応させるとすれば、車両が高速である場合、駆動モーメント の差異が大きくなりすぎ、操舵支援が非常に強力となって、運転者にとっては過 剰なステアリングとして感じられる。

そのため、本発明においては、少なくとも車両が低速である場合には、個別駆動 部の調整が、外輪と内輪との間の百分率車輪回転数差がアッカーマンによる理論 的な幾何学的な関係を満たすよう行なわれる。この場合、個別駆動部の調整のた めの調整量として、実際の車輪回転数差と理論的な目標の車輪回転数差との間の 差異が使用される。その一方で、車両が高速である場合には、このアッカーマン の幾何学的な関係からの偏差を大きくする。

本発明の有利な発展形態では、カーブの外側の車輪とカーブの内側の車輪との間 のモーメント差は、以下の場合に、より大きくする。

ａ）ステアリングホイール角速度が速い場合および／または ｂ）ステアリングホイール角度が大きい場合。

車両がより大きな速度である場合で、比較的小さなモーメント差による小さな車 輪回転数差の調整は、図３における特性曲線群に相当している。その結果、図４ において示されているごとく、車両駆動部の制御装置によって調整される、理論 的な目標車輪回転数差の成分すなわち理論値に対する調整量の比率が得られる。

運転速度がＯの近くの領域では、車輪回転数差の調整は、理論的な特性曲線Ａに １００％したがって行なわれるか、または、例えば特性曲線Ａかられずかしかず れていない図３の特性曲線Ａ°にしたがって行なわれる。車両の速度が大きくな ればなるほど、理論的な特性曲線からより大きな偏差を許容する。したがって、 そのときどきの車輪回転数差は、ますます小さくなる。

すなわち、理論上の目標回転数差のごく一部しか調整されないことになる。した がって、車両が高速である場合には、操舵支援は事実上もはや行なわれることな く、操向はほぼ“直接的”に車輪の方向によって行なわれる。

この関連性において、低速というのは４０ｋｍ／ｈ以下の速度である。この速度 までは、目標とされている回転数差（目標車輪回転数差）は、アッカーマンによ る理論的な回転数差よりも２０％以上小さくなってはならない。例えば２５ｋｍ ／ｈよりも低速である場合には、アッカーマンによる理論的な回転数差からの偏 差は１０％以下でなければならない。速度が１０ｋｍ／ｈ以下の場合では、アッ カーマンによる回転数差をできる限り守るべきである。これとは反対に、車両が より大きな速度である場合では、アッカーマンによる理論的な差異の一部しか調 整されないことになる。

例えば１００　ｋ　ｍ　／　ｈ以上では、アッカーマンによる理論的な差異の６ ０％以下である。

上記のａ）の場合、ステアリングホイール角速度が速い場合には、個々の駆動輪 について行なわれる駆動モーメントの差異が大きくなる。すなわち、ステアリン グホイールを非常に速く回転した場合には、非常に強力な操舵支援か行なわれる 。この関係は、図６において概略的に示されている。図６ではモーメント差が、 ト差が、ステアリングホイール角速度さの定性的な関数として現わされている。

また、その他の連続増加関数（２回微分が正または負の単調増加関数）も適用可 能である。

さらに、モーメント差はステアリングホイール角度にも依存している。ステアリ ングホイールをより大きく切った場合、つまりステアリングホイール角度がより 大きい場合には、ｂ）によって、外輪と内輪との間のモーメント差がより大きく なければならない。この場合では図７かられかるように、依存関係は線形的なも のでなく、より大きなステアリングホイール角度の場合には、曲線がやや平らに なっている。これにより、例えば車両の車庫入れ等の操車する場合に、ステアリ ングホイールを大きく切った場合には非常に強力な操舵支援が行なわれるという 利点が得られる。それによって例えば、駐車作業が非常に快適なものになる。さ らにステアリングホイールを非常に速く回転すると、カーブの外側の駆動輪と内 側の駆動輪との間の短時間でのより大きなモーメント差に起因して、非常に短い 時間だけ極めて大きい操舵支援がおこり、これにより操舵支援について高い反応 感度が達成される。

図７においては、車両の速度に依存するモーメントの変化も示されている。曲線 Ｘは車両が低速である場合に対するもので、曲線Ｙは車両が中速度である場合に 対するもので、曲線Ｚは車両が高速である場合に対するものである。

以上の考察を要約すれば、ステアリングホイール角度δの時間的な変化に対し、 図５において具体例に即して示されているように、カーブの外輪とカーブの内輪 との間のモーメント差ΔＭが得られる。車両が一定の中速度であることを仮定し た場合、最初、ステアリングホイール角度δを連続的にゆっくり変化させると、 それに合わせて、モーメント差、すなわち操舵支援の程度も変化する。セクショ ン△ｔでは、ステアリングホイールの回転運動が加速される。そのため、図６に 示したように、ステアリングホイールの角速度が大きくなるため、モーメント差 ΔＭが大きくなり、したがって操舵支援も大きくなる。さらに、ステアリングホ イールをより大きく切ったため、図７により、操舵支援はさらに増加される。図 ５において、モーメント差ΔＭは、増加の大きいセクションによって示されてい る。図５において曲線δのゆっくりとした漸増によって示されているように、ス テアリングホイールの運動を再度遅くすると操舵支援がやや減少する。図７に示 されている特性曲線群により、ステアリングホイール角度δをさらに一様に連続 的に増加しても、操舵支援はあまり増大しない。これは、図７における曲線群が 、δの値が大きい場合には、平坦になるためである。

したがって、本発明により、個別車輪駆動の場合において、操舵支援をきわめて 少ない費用で実現できる。

また、同様に費用をあまりかけることなく、事実上すべての状況において車両の 軽（かつより安全な操向を可能にする措置を講じることができる。

以下、図に基づいて、本発明の実施例を詳しく説明する。

図１は、カーブを走行する車両において車輪回転数差の計算を具体的に説明する ための図、図２は、内燃機関−ジエネレータ−ユニット（ＶＧＥ）が装備されて いる、本発明による操舵支援付きの車両の概略図、 図３は、ステアリングホイール角度に依存する車輪回転数差をグラフ表示した図 、 図４は、車両の速度に依存して車輪回転数差の補正をグラフ表示した図、 図５は、図２による車両の個別駆動輪において、操舵支援のために発生されるモ ーメント差と、ステアリングホイール角度との間の関係を時間に依存してグラフ 表示した図、 図６は、個別駆動される車輪に対し、ステアリングホイール角速度とモーメント 差との間の関係をグラフ表示した図、 図７は、車両の速度をパラメータとして、個別駆動される車輪において発生する モーメント差をステアリングホイール角度に依存してグラフ表示した図である。

図２は、駆動されない後輪対と駆動される前輪対とを有する乗用車２を概略的に 示すものである。この図において駆動される前輪対は、左方向へのカーブを走行 するため、ステアリング角度δ６に調整されている。

カーブに対して外側となる前輪４は、この前輪と連結されている電気モータ８に よって駆動され、内側となる前輪６は、この前輪と連結されている電気モータ１ ０によって駆動されている。従来のように構成されているステアリングロッドア センブリは、ステアリングギヤ１２とステアリングシャフト２２を経由し、ステ アリングホイール２０と連結されている。ステアリングホイールを角度δ回転し た場合に、前輪４と前輪６のステアリング角度δ６が得られる。

車両２は、エネルギー源として内燃機関−ジエネレータ−ユニット（ＶＧＥ）１ ６を有している。ジェネレータ部は、動力エレクトロニクス部が装備されている エネルギーディストリビュータ１４に電流を供給し、このエネルギーディストリ ビュータ１４が、２つの電気モータ８と１０への電流供給を電線Ｌ１とＬ２を経 由し、個別に制御する。エネルギーディストリビュータ１４と内燃機関−ジエネ レータ−ユニット１６の制御、さらに、ここでは関心の対象外である車両２のそ の他のコンポーネントの制御は、マイクロプロセッサが装備されている制御装置 １８によって行なわれる。

制御のために、制御装置１８は、さまざまなセンサーからセンサー信号を受信す る。

制御装置１８は特に、前輪４と前輪６とに連結されている電気モータ８と電気モ ータ１０において測定される車輪回転数信号を受信する。信号路は、図２におい て点線で示されている。

制御装置１８はさらに、操向機構の領域に取り付けられているセンサー２４によ って位置信号を受信する。

この位置信号は、ステアリングホイール角度、つまりステアリングホイールを切 った角度δを表わすものである。

制御装置１８は、ここでは図示されていないアクセルペダルから、運転者が要求 する動力に特徴的な信号を受信する。制御装置１８は、この信号に応じて内燃機 関−ジエネレータ−ユニット１６およびエネルギーディストリビュータ１４を制 御し、電気モータ８と電気モータ１０を経由し、運転者が要求する動力が車輪４ と車輪６で得られるようにする。制御装置１８は、ステアリング角度δあ、すな わちステアリングホイール角度δに依存し、エネルギーディストリビュータ１４ を経由し、外輪４と内輪６との間の百分率車輪走行差に相当する駆動モーメント 差を生じさせる。全体的な駆動動力から出発して、外輪４に連結されている電気 モータ８の動力または回転モーメントが一定量増加され、また、内輪６に連結さ れている電気モータ１０の動力が（例えば同−分）減少される。

別の実施例では、車両の４つの車輪にそれぞれ独自の電気モータを備え付けるこ とが可能である。これによってカーブを走行する場合に、すべての車輪を個別に 制御することができる。

さらに別の実施例では、車両の後輪を駆動し、その一方、前輪は単に追従するだ けであり、また、操向機構と連結されている。駆動される個々の車輪は、操向が 行なわれる車輪と同一とすることが可能であるが、かならずしも同一でなければ ならないというわけではない。

図２において、ステアリングホイールに簡略的に示されているセンサー２４は、 ステアリングギヤ１２またはステアリングロッドアセンブリに配置することが実 用的である。

以上に説明したように、カーブを走行する場合に百分率車輪回転数差は、理論上 は、図３における直線Ａに相当している。速度が非常に低い場合には、ステアリ ングホイール角度δに依存し、モーメントの分配は、個別に駆動されるそれぞれ の車輪に対して行なわれる駆動モーメントにより、図３の直線Ａに相当する目標 の車輪回転数差が達成されるよう行なわれる。換言すれば、図３の直線Ａによる 目標の車輪回転数差と、電気モータ８と電気モータ１０におけるセンサーによっ て制御装置１８が把握する実際の車輪回転数差との間の差異が制御される量であ る。

カーブを走行する場合に、駆動モーメント差を調整することにより、車両の外側 が内側よりもより強く駆動される。極端な場合では、モーメントのこのような分 配により、内側の２つの車輪もしくは内側の１本の車輪の制動が引き起こされる 。モーメントの分配により、操向が積極的に支援されるものとなる。なぜならば 、カーブを走行する場合に、モーメント差を調整しない場合に比べ、ステアリン グロッドアセンブリを動かすために必要な力が著しく少なくなっているからであ る。

以上、すでに説明したように、モーメント差は車両の速度に依存して調整される 。車両の速度が大きければ大きいほど差が小さくなる。このことは、図３と図４ において概略的に示されている。

さらに、図６と図７において示されているように、操舵支援の程度、つまりモー メント差の程度は、ステアリングホイールの位置とステアリングホイールの角速 度に依存して行なわれる。

本発明はいうまでもなく、例えば、前部軸と後部軸の操向が行なわれる乗用車な ど、操向が行なわれる複数の車輪対を有する車両にも適用可能である。

ム 国際調査報告 フロントページの続き （７２）発明者　ルッツ、ディーター ドイツ連邦共和国、デー　８７２０　シュヴアインフルト、シュペツサートシュ トシーセ（７２）発明者　ナグシー、フランツ ドイツ連邦共和国、デー　８７２９　オッテンドルフ、アム・ツェーントグラー フェン（７２）発明者　オッホス、マルチインドイツ連邦共和国、デー　８７２ ０　シュヴアインフルト、二一バースペルクシュトシーセ１０ （７２）発明者　シーボルト、シュテファンドイツ連邦共和国、デー　８７２０ 　シュヴアインフルト、ギムナジウムシュトシーセ（７２）発明者　シュミット ープリュッケン、ハンスーヨアヒム ドイツ連邦共和国、デー　８７１２　ゲルダースハイム、ゾンネンシュトシーセ 　９ （７２）発明者　ティーシー、ヴオルフガンクドイツ連邦共和国、デー　８７２ ８　ハスフルト、カスタニエンヴエーク　１ （７２）発明者　ヴアークナー、ミヒャエルドイツ連邦共和国、デー　８７２１ 　二−ダーヴエルン、オツトーシュトラーセ　３ （７２）発明者　ヴエステンドルフ、ホルガードイツ連邦共和国、デー　８７２ １　ハンバッハ、ゲンゼライテ　８ （７２）発明者　ヴイヒナネック、ライナードイツ連邦共和国、デー　８７２１ 　マーデンハウゼン、エアレンブルンシュトシーセ（７２）発明者　レーダー、 マンフレートドイツ連邦共和国、デー　８７２１　シュヴエープハイム、ミット レレ・ハイデ　３０

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．それぞれ１つの右車輪と１つの左車輪（４、６）を持つ少なくとも２つの車 輪対を有し、少なくとも１つの車輪対はステアリングホイール（２０）によって 操向可能であり、少なくとも１つの車輪対は左右の車輪がそれぞれ個別駆動部（ ８、１０）によって駆動され、カーブを走行する場合の操舵支援のため、ステア リングホイール角度（δ）に依存して、（カーブの）外側の車輪（４）の個別駆 動部が相対的に大きなモーメントに、また、内側の車輪（６）の個別駆動部が相 対的に小さなモーメントに調整される、軌道に拘束されない車両において、 個別駆動部が電気モータ（８、１０）であり、車両の速度が遅い場合においては 、外輪と内輪との間の百分率車輪回転数差がアッカーマンによる理論的な幾何学 的な関係をほぼ満たし、車両の速度が速い場合においては、速度の増加とともに 、理論的な車輪回転数差よりも百分率車輪回転数差が小さくなるように、個別駆 動部が調整され、実際の車輪回転数差と目標の車輪回転数差との間の差異が個別 駆動部の調整のための制御量として使用されることを特徴とする軌道に拘束され ない車両。
2. ２．ステアリングホイール角速度またはステアリングホイール角度、もしくはそ の両者が大きければ大きいほど外輪と内輪との間のモーメント差が大きくなるよ う、個別駆動部の調整が行なわれることを特徴とする請求項１に記載の軌道に拘 束されない車両。
3. ３．内燃機関−ジェネレーターユニット（１６）が車両に装備されており、また 、ジェネレータ部が供給する電力が、動力エレクトロニクス部・エネルギーディ ストリビュータ（１４）を経由して制御された形で、電気モータ（８、１０）へ 分配されることを特徴とする請求項２に記載の軌道に拘束されない車両。
4. ４．そのときどきのステアリングホイールの位置が、ステアリングホイールセン サー（２４）によって把握されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１ 項に記載の軌道に拘束されない車両。