JP2017035959A - 油圧式ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操縦者が操作部材から操舵状態に応じた反力を感じることができる油圧式ステアリング装置を提供する。
【解決手段】油圧式ステアリング装置は、ステアリングホイールの操作量に応じて前部車体を後部車体に対して揺動させる油圧シリンダと、ステアリングホイールに連結されたステアリングシャフトの操舵角を取得する操舵角センサ６と、ステアリングシャフトに対して操舵方向とは反対の方向に反力を付与する反力付与装置と、を備え、反力付与装置は、ステアリングシャフトに反力を付与する電動モータ３１と、操舵角センサ６によって取得された操舵角に基づいて、ステアリングシャフトに付与する反力の目標電流Ｉを決定する目標反力決定部４１と、を有し、電動モータ３１は、目標電流Ｉに基づいて制御される。
【選択図】図３

Description

本発明は、油圧式ステアリング装置に関するものである。

特許文献１には、前部車体と後部車体とが連結ピンを介して回動自在に接続されたアーティキュレート式の建設機械に適用される油圧式ステアリング装置が記載されている。特許文献１に記載の油圧式ステアリング装置では、ユーザが操作レバーを左右に傾動させてパイロットバルブを介してステアリングバルブの位置を切り替えて、車体に取り付けられた２本のシリンダを伸縮させることで前部車体を後部車体に対して左右に回動させている。

特開２００７−１０６３０８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の油圧式ステアリング装置では、操作レバーと前部車体とが機械的につながっていないため、前部車体を後部車体に対して左右に回動させた際に前部車体のホイールが受ける反力を操作レバーから感じることができなかった。このように操作レバーから反力を感じられないと、操縦者は、操作レバーがどのような角度位置にあるのかといった操舵の状態を操作レバーから感覚的に認識することが難しい。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、操縦者が操作部材から操舵状態に応じた反力を感じることができる油圧式ステアリング装置を提供することを目的とする。

第１発明は、前部車体と、連結機構によって前部車体と揺動自在に連結された後部車体と、を有する作業車両を操舵する油圧式ステアリング装置であって、ポンプから供給される作動流体によって駆動され、操舵部材の操作量に応じて前部車体を後部車体に対して揺動させる流体圧アクチュエータと、操舵部材に連結された操舵軸の操舵角を取得する操舵角取得部と、操舵軸に対して操舵方向とは反対の方向に反力を付与する反力付与装置と、を備え、反力付与装置は、操舵軸に反力を付与する電動モータと、操舵角取得部によって取得された操舵角に基づいて、操舵軸に付与する反力の目標値を決定する目標反力決定部と、を有し、電動モータは、目標反力決定部によって決定された目標値に基づいて制御されることを特徴とする。

第１の発明では、操舵角取得部によって取得された操舵角に基づいて電動モータを制御することによって、操舵軸に反力が付与される。

第２の発明は、操舵軸に付与される反力の目標値は、作業車両の車速に応じて決定されることを特徴とする。

第２の発明では、操舵軸には、操舵部材の操舵角に加え、車速に応じた反力が付与されるので、操舵フィーリングが向上する。

第３の発明は、操舵軸における操舵部材と反力付与装置との間に作用する操舵トルクを検出するトルクセンサをさらに備え、電動モータは、目標反力決定部によって決定された目標値と、トルクセンサによって検出された前記操舵トルクと、の差に基づいて制御されることを特徴とする。

第３の発明では、電動モータ３１は、目標反力決定部によって決定された目標値と、トルクセンサによって検出された操舵トルクと、の差に基づいて制御されるので、操舵軸に作用する反力を精度良く付与することができる。

第４の発明は、反力付与装置は、操舵部材の速度を演算する速度演算部をさらに備え、操舵軸に付与される反力の目標値は、速度演算部によって演算された速度によって補正されることを特徴とすることを特徴とする。

第４の発明では、操舵軸には、操舵部材の操舵角に加え、操舵部材の操舵速度に応じた反力が付与されるので、操舵フィーリングが向上する。

第５の発明は、目標反力決定部は、操舵角取得部によって取得された操舵角と、前部車体と後部車体との屈曲角と、の差に基づいて、操舵軸に付与する反力の目標値を決定することを特徴とする。

第５の発明では、操舵角と屈曲角との差に基づいて操舵軸に反力が付与されるため、操縦者は、操舵部材の操舵に対して前部車体が追従できていないことを操舵部材から感覚的に認識できる。

第６の発明は、反力付与装置は、操舵角と屈曲角との差の変化率を演算する変化率演算部をさらに備え、操舵軸に付与される反力の目標値は、変化率演算部によって演算された変化率によって補正されることを特徴とする。

第６の発明では、操舵軸に付与される反力の目標値は、さらに操舵角と屈曲角との差の変化率によって補正されるので、操縦者は、前部車体の追従の遅れの変化を操舵部材から感覚的に認識できる。

第７の発明は、操作部材は、揺動レバーであって、揺動レバーには、揺動レバーを中立位置に付勢する付勢ばねが揺動方向の両側に設けられることを特徴とする。

第７の発明では、付勢ばねが揺動レバーを中立位置に付勢する。これにより、反力付与装置が万が一故障して操舵軸に反力を付与することができなくなっても、付勢ばねの付勢力によって操舵状態を感覚的に認識することができる。

本発明によれば、操縦者が操作部材から操舵状態に応じた反力を感じることができる油圧式ステアリング装置を提供できる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る作業車両及び油圧式ステアリング装置の概念図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る油圧式ステアリング装置の概念図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係るコントローラのブロック図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係るコントローラに記憶されたマップである。 図５は、本発明の第２実施形態に係るコントローラのブロック図である。 図６は、本発明の第２実施形態に係るコントローラに記憶されたマップである。 図７は、本発明の第３実施形態に係るコントローラのブロック図である。 図８は、本発明の第４実施形態に係るコントローラのブロック図である。 図９は、本発明の第４実施形態に係るコントローラに記憶されたマップである。 図１０は、本発明の第５実施形態に係るコントローラのブロック図である。 図１１は、本発明の第５実施形態に係るコントローラに記憶されたマップである。 図１２は、本発明の第５実施形態に係るコントローラに記憶されたマップである。 図１３は、本発明の実施形態の変形例に係る油圧式ステアリング装置の操舵部材の構成図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１から図４を参照しながら本発明の第１実施形態の油圧式ステアリング装置１００について説明する。

油圧式ステアリング装置１００は、例えば、前部車体と後部車体とが連結ピンを介して回動自在に接続された、いわゆるアーティキュレート式のホイールローダ等の作業車両に用いられる。

図１に示すように、作業車両１０は、ローダバケット１５が取り付けられる前部車体１１と、連結機構としてのピン１３によって前部車体１１と揺動自在に連結された後部車体１２と、前部車体１１を後部車体１２に対して屈曲させる油圧式ステアリング装置１００と、前部車体１１と後部車体１２との屈曲角θを取得する屈曲角取得部としての屈曲角センサ１６と、を有する。後部車体１２には、図示しない運転席を備えたキャビンが設けられる。前部車体１１と後部車体１２は、それぞれ一対のホイール１４を備える。屈曲角センサ１６は、ピン１３の近傍に設けられる。

油圧式ステアリング装置１００は、作動流体としての作動油を供給するポンプ２１と、ポンプ２１から供給される作動油によって駆動され、前部車体１１を後部車体１２に対して揺動させる一対の流体圧アクチュエータとしての油圧シリンダ２２ａ、２２ｂと、ポンプ２１から油圧シリンダ２２ａ、２２ｂに供給される作動油の給排を制御するロータリー式の制御バルブ２３と、を備える。制御バルブ２３は、後部車体１２に設けられる。

制御バルブ２３は、ポンプ２１に連通する供給ポート２３ａと、油圧シリンダ２２ａのピストン側室および油圧シリンダ２２ｂのロッド側室に連通する第１シリンダポート２３ｂと、油圧シリンダ２２ａのロッド側室および油圧シリンダ２２ｂのピストン側室に連通する第２シリンダポート２３ｃと、タンク２４に連通する排出ポート２３ｄと、を有する。

制御バルブ２３は、図示しないバルブボディ内に回転自在に収容されるアウタースリーブ２３Ａと、アウタースリーブ２３Ａの内部に回転可能に収容されるインナースリーブ２３Ｂと、を備える。制御バルブ２３は、アウタースリーブ２３Ａの内周面とインナースリーブ２３Ｂの外周面とが摺動するように構成される。アウタースリーブ２３Ａとインナースリーブ２３Ｂとを相対回転させることによって、制御バルブ２３は、供給ポート２３ａと排出ポート２３ｄとが連通し、第１、第２シリンダポート２３ｂ、２３ｃを遮断する中立位置Ａと、供給ポート２３ａと第２シリンダポート２３ｃとが連通し、第１シリンダポート２３ｂと排出ポート２３ｄとが連通する切換位置Ｂと、供給ポート２３ａと第１シリンダポート２３ｂとが連通し、第２シリンダポート２３ｃと排出ポート２３ｄとが連通する切換位置Ｃと、に切り換えられる。

インナースリーブ２３Ｂは、操舵軸としてのステアリングシャフト２を介して、操舵部材としてのステアリングホイール１に連結される。アウタースリーブ２３Ａは、リンク機構２０を介して前部車体１１に連結される。

リンク機構２０は、前部車体１１と後部車体１２との屈曲角θを制御バルブ２３に対してフィードバックするための機構である。具体的には、リンク機構２０は、前部車体１１が後部車体１２に対して屈曲した屈曲角θに応じてアウタースリーブ２３Ａを回転させる。

図２に示すように、ステアリングシャフト２は、ステアリングホイール１に連係して操舵トルクが伝達される入力シャフト３と、下端がインナースリーブ２３Ｂに連結される出力シャフト４と、入力シャフト３と出力シャフト４を連結するトーションバー５と、を有する。操縦者の操作によってステアリングホイール１に入力される操舵トルクが、入力シャフト３及びトーションバー５を介して出力シャフト４に伝達されて、出力シャフト４とともにインナースリーブ２３Ｂが回転する。なお、出力シャフト４とインナースリーブ２３Ｂとの間に減速機を設けてもよい。

油圧式ステアリング装置１００は、入力シャフト３の操舵角を取得する操舵角取得部としての操舵角センサ６と、ステアリングホイール１を操舵したときにトーションバー５に作用する操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ７と、操舵角センサ６によって取得された操舵角に基づいて反力を付与する反力付与装置３０と、をさらに備える。反力付与装置３０は、ステアリングシャフト２の出力シャフト４に設けられる。

次に、油圧式ステアリング装置１００における操舵について、図１を参照しながら説明する。図１は、前部車体１１が右方向に回動した状態を示している。

まず、作業車両１０を右方向に所定の角度回動させる場合について説明する。操縦者は、ステアリングホイール１を中立状態（作業車両１０の直進状態）から右方向に操舵させる。ステアリングホイール１の回転は、ステアリングシャフト２を介してインナースリーブ２３Ｂに伝達される。これにより、インナースリーブ２３Ｂはステアリングホイール１の操舵量に応じた角度アウタースリーブ２３Ａに対して相対回転し、制御バルブ２３が中立位置Ａから切換位置Ｂに切り換わる。

制御バルブ２３が切換位置Ｂに切り換わると、ポンプ２１から吐出された作動油は、供給ポート２３ａ及び第２シリンダポート２３ｃを通じて、油圧シリンダ２２ａのピストン側室および油圧シリンダ２２ｂのロッド側室に供給される。これと同時に、油圧シリンダ２２ａのロッド側室および油圧シリンダ２２ｂのピストン側室の作動油が、第１シリンダポート２３ｂ及び排出ポート２３ｄを通じてタンク２４に排出される。これにより、油圧シリンダ２２ａは伸長動作する一方、油圧シリンダ２２ｂは収縮動作するため、前部車体１１が、後部車体１２に対して右方向に屈曲するように移動する。

上述のように、アウタースリーブ２３Ａは、前部車体１１が後部車体１２に対して屈曲した角度（屈曲角θ）に応じて回転する。これにより、油圧シリンダ２２ａが伸長し、油圧シリンダ２２ｂが収縮して屈曲角θがステアリングホイール１の操舵量に応じた角度に近づくにつれて、アウタースリーブ２３Ａとインナースリーブ２３Ｂとの相対角度は徐々に小さくなる。そして、アウタースリーブ２３Ａとインナースリーブ２３Ｂとの相対角度が０(ゼロ)になると、制御バルブ２３は中立位置Ａに戻る。このようにして、ステアリングホイール１の操舵量に応じて前部車体１１は後部車体１２に対して回動する。

次に、作業車両１０を左方向に所定の角度回動させる場合について説明する。操縦者は、ステアリングホイール１を中立状態（作業車両１０の直進状態）から左方向に操舵させる。ステアリングホイール１の回転は、ステアリングシャフト２を介してインナースリーブ２３Ｂに伝達される。これにより、インナースリーブ２３Ｂはステアリングホイール１の操舵量に応じた角度アウタースリーブ２３Ａに対して相対回転し、制御バルブ２３が中立位置Ａから切換位置Ｃに切り換わる。

制御バルブ２３が切換位置Ｃに切り換わると、ポンプ２１から吐出された作動油は、供給ポート２３ａ及び第１シリンダポート２３ｂを通じて、油圧シリンダ２２ａのロッド側室および油圧シリンダ２２ｂのピストン側室に供給される。これと同時に、油圧シリンダ２２ａのピストン側室および油圧シリンダ２２ｂのロッド側室の作動油が、第２シリンダポート２３ｃ及び排出ポート２３ｄを通じてタンク２４に排出される。これにより、油圧シリンダ２２ａは収縮動作を開始する一方、油圧シリンダ２２ｂは伸長動作するため、前部車体１１が、後部車体１２に対して左方向に屈曲するように移動する。

上述のように、アウタースリーブ２３Ａは、前部車体１１が後部車体１２に対して屈曲した角度（屈曲角θ）に応じて回転する。これにより、油圧シリンダ２２ａが収縮し、油圧シリンダ２２ｂが伸長して屈曲角θがステアリングホイール１の操舵量に応じた角度に近づくにつれて、アウタースリーブ２３Ａとインナースリーブ２３Ｂとの相対角度は徐々に小さくなる。そして、アウタースリーブ２３Ａとインナースリーブ２３Ｂとの相対角度が０(ゼロ)になると、制御バルブ２３は中立位置Ａに戻る。このようにして、ステアリングホイール１の操舵量に応じて前部車体１１は後部車体１２に対して回動する。

ステアリングホイール１と前部車体１１は機械的につながっていないため、前部車体１１が後部車体１２に対して回動するときに、操縦者は、前部車体１１のホイール１４が受ける反力をステアリングホイール１から感じることができない。このため、油圧式ステアリング装置１００には、操縦者が操舵状態に応じた反力をステアリングホイール１から感じることができるように反力付与装置３０が設けられる。以下に、反力付与装置３０の構成について、図２から図４を参照しながら説明する。

図２に示すように、反力付与装置３０は、ステアリングシャフト２に反力を付与する電動モータ３１と、電動モータ３１の回転をステアリングシャフト２に減速して伝達する第１、第２減速機３２、３３と、電動モータ３１を制御するコントローラ４０と、を備える。電動モータ３１は、操縦者によるステアリングホイール１の操舵に対して反力を付与するための動力源である。電動モータ３１には、印加される電流を検出する電流センサ９が設けられる。電動モータ３１が出力する回転トルクは、第１、第２減速機３２、３３によって減速されてステアリングシャフト２の出力シャフト４に反力として伝達される。第１減速機３２は遊星歯車式の減速機であり、第２減速機３３はウォーム減速機である。なお、減速機は、第２減速機３３のみであってもよい。

次に、図３及び図４を参照して、コントローラ４０について説明する。図３は、コントローラ４０のブロック図である。

コントローラ４０は、電動モータ３１の動作を制御するＣＰＵと、ＣＰＵの処理動作に必要な制御プログラムやマップ等が記憶されたＲＯＭと、操舵角センサ６などの各種センサが取得した情報を一時的に記憶するＲＡＭと、を備える。

コントローラ４０は、操舵角センサ６によって取得された操舵角に基づいて、ステアリングシャフト２に付与する反力の目標値としての目標電流Ｉを決定する目標反力決定部４１と、目標反力決定部４１によって決定された目標値に基づいて電動モータ３１に印加する電流を制御するモータ制御部４２と、を有する。目標反力決定部４１には、図４に示すマップがあらかじめ記憶されている。

目標反力決定部４１には、操舵角センサ６によって取得された操舵角が入力される。目標反力決定部４１は、図４に示すマップを基に、入力された操舵角に応じた目標電流Ｉを決定してモータ制御部４２に出力する。

図４に示すマップは、操舵角センサ６によって取得された操舵角と目標電流Ｉとの関係を示している。図４に示すマップでは、目標電流Ｉは操舵角の大きさに応じて比例的に変化する。具体的には、操舵角が右方向に大きくなるにつれて、目標電流Ｉは負側に大きくなる。逆に、操舵角が左方向に大きくなるにつれて、目標電流Ｉは正側に大きくなる。目標電流Ｉが負側の場合には、電動モータ３１はステアリングシャフト２を左方向に回転させる反力を発生し、目標電流Ｉが正側の場合には、電動モータ３１はステアリングシャフト２を右方向に回転させる反力を発生する。

モータ制御部４２は、ＰＩ制御を実施するための比例・積分部４３と、電動モータ３１に印加する電流を制御する駆動制御部４４と、を備える。比例・積分部４３は、目標電流Ｉと電流センサ９によって検出された電流との偏差に対してＰＩ制御を実施して駆動目標電流を演算する。駆動制御部４４は、演算された駆動目標電流に基づいて電動モータ３１に印加する電流を制御する。

次に、反力付与装置３０の具体的な作用について説明する。

操縦者が、ステアリングホイール１を操舵すると、ステアリングホイール１に連結されたステアリングシャフト２が回転する。このとき、操舵角センサ６は、ステアリングシャフト２の回転角、つまり、ステアリングホイール１の操舵角を取得し、取得した操舵角の信号をコントローラ４０に出力する（図２及び図３参照）。

コントローラ４０は、目標反力決定部４１において、図４に示すマップを参照して、入力された操舵角から目標電流Ｉを決定する。コントローラ４０は、モータ制御部４２によって目標電流Ｉに応じた反力を発生させるように電動モータ３１を制御する。電動モータ３１が出力する回転トルクは、第１、第２減速機３２、３３によって減速されてステアリングシャフト２の出力シャフト４に反力として伝達される。さらに、この反力は、ステアリングシャフト２に連結されたステアリングホイール１に伝達される。その後は、電流センサ９によって電動モータ３１に流れる電流を取得してフィードバック制御を行う。

油圧式ステアリング装置１００では、ステアリングホイール１の操舵角が大きいほど、目標電流Ｉは大きくなる。つまり、ステアリングホイール１の操舵角が大きいほど、反力は大きくなる。これにより、操縦者がステアリングホイール１を操舵したときに、操舵角に応じた反力がステアリングホイール１に作用するので、ステアリングホイール１がどのような操舵角にあるのかを感覚的に認識することができる。

以上の第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。

油圧式ステアリング装置１００では、反力付与装置３０が操舵角センサ６によって取得された操舵角に基づいてステアリングシャフト２に反力が付与される。これにより、操縦者がステアリングホイール１から操舵状態に応じた反力を感じることができる。つまり、操舵フィーリングが向上する。また、反力を操舵角に応じて比例的に変化させることで、ステアリングホイール１の操舵角の大きさを感覚的に認識することができる。

油圧式ステアリング装置１００では、反力付与装置３０によってステアリングホイール１が中立位置以外の場合に常に反力が発生する。つまり、反力付与装置３０は、ステアリングホイール１を常に中立位置に向かって付勢する。したがって、ステアリングホイール１を操舵した後に、中立状態に戻す操作を小さな力で行うことができる。また、ステアリングホイール１の中立状態が維持されやすくなるので、作業車両１０の直進性を確保することができる。

＜第２実施形態＞
図５及び図６を参照して、本発明の第２実施形態に係る油圧式ステアリング装置について説明する。以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、第１実施形態の油圧式ステアリングと同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

第１実施形態では、操舵角センサ６によって取得された操舵角に基づいて目標電流Ｉを決定しているが、第２実施形態では、これに加えて、車速センサ８によって取得された車速に応じて目標電流Ｉが決定される点で、上記第１実施形態と相違する。

作業車両１０には、作業車両１０の速度を取得する車速取得部としての車速センサ８が設けられる。コントローラ１４０には、車速センサ８が取得した作業車両１０の速度が入力される。コントローラ１４０は、操舵角センサ６によって取得された操舵角と車速センサ８によって取得された車速とに応じてステアリングシャフト２に付与する反力の目標電流Ｉを決定する目標反力決定部１４１を備える。目標反力決定部１４１には、図６に示すマップがあらかじめ記憶されている。

図６に示すマップは、操舵角センサ６によって取得された操舵角と目標電流Ｉとの関係を示している。さらに、図６に示すマップは、低速、中速、高速に対応した特性を有している。低速、中速、高速に対応した各特性は、目標電流Ｉが操舵角の大きさに応じて比例的に変化する。具体的には、操舵角が右方向に大きくなるにつれて、目標電流Ｉは負側に大きくなる。逆に、操舵角が左方向に大きくなるにつれて、目標電流Ｉは正側に大きくなる。目標電流Ｉが負側の場合には、電動モータ３１はステアリングシャフト２を左方向に回転させる反力を発生し、目標電流Ｉが正側の場合には、電動モータ３１はステアリングシャフト２を右方向に回転させる反力を発生する。

中速に対応する特性は、低速に対応する特性よりも操舵角の変化に対する目標電流Ｉの変化の割合が小さくなるように設定される。このため、操舵角が同じであっても、中速時には低速時に比べて小さな反力が付与されることになる。高速に対応する特性は、中速に対応する特性よりも操舵角の変化に対する目標電流Ｉの変化の割合がさらに小さくなるように設定される。このため、操舵角が同じであっても、高速時には中速時に比べてさらに小さな反力が付与されることになる。

目標反力決定部１４１は、車速センサ８によって取得された車速に応じて低速、中速、高速のいずれかの特性を選択する。さらに、目標反力決定部１４１は、選択された特性を参照して操舵角センサ６によって取得された操舵角から目標電流Ｉを決定する。なお、図６では、低圧、中圧、及び高圧の特性は段階的なものを示しているが、連続的に特性を変化させてもよい。

このようにして決定された目標電流Ｉは、モータ制御部４２に入力される。モータ制御部４２による電動モータ３１の制御は、第１実施形態と同じであるので説明を省略する。

以上の第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。

反力付与装置３０は、操舵角センサ６によって取得された操舵角と車速センサ８によって取得された作業車両１０の車速とに基づいた反力をステアリングシャフト２に付与する。これにより、ステアリングシャフト２には、ステアリングホイール１の操舵角に加え、車速に応じた反力が付与されるので、操舵フィーリングが向上する。

＜第３実施形態＞
図７を参照して、本発明の第３実施形態に係る油圧式ステアリング装置について説明する。以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、第１実施形態の油圧式ステアリングと同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

第３実施形態では、ステアリングシャフト２におけるステアリングホイール１と反力付与装置３０との間に作用する操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ７を備え、電動モータ３１が目標電流Ｉと操舵トルクとの差に基づいて制御される点で、上記第１実施形態と相違する。

上述のように、ステアリングホイール１に連係して操舵トルクが伝達される入力シャフト３と、下端がインナースリーブ２３Ｂに連結される出力シャフト４と、の間にはトーションバー５が設けられている（図２参照）。操縦者がステアリングホイール１を操舵しているときに、電動モータ３１によってステアリングシャフト２に反力が付与されると、トーションバー５にトルク（ねじれ）が生じる。このトルク（以下では、「操舵トルク」と称する。）は、操舵トルクセンサ７によって検出される。操舵トルクは、操縦者がステアリングホイール１を操舵した際に実際に感じる反力に相当する。目標電流Ｉに基づいて電動モータ３１がステアリングシャフト２に付与した反力は、ステアリングホイール１に伝達されるまでに機械的なロスなどによって小さくなってしまうことがある。つまり、操縦者がステアリングホイール１から感じる反力は、目標とする反力よりも小さくなってしまうことがある。そこで、コントローラ２４０は、操縦者がステアリングホイール１から感じる反力を、目標とする反力に一致させるように、目標電流Ｉと操舵トルクとの差に基づいて電動モータ３１をフィードバック制御する。これにより、操縦者がステアリングホイール１から感じる反力を、目標とする反力に一致させることができる。以下に、具体的な構成について説明する。

図７に示すように、コントローラ２４０は、目標電流Ｉから操舵トルクセンサ７によって検出された操舵トルクを減算する。つまり、コントローラ２４０は、目標電流Ｉと操舵トルク操舵トルクとの差を演算する。コントローラ２４０は、目標電流Ｉと操舵トルクとの差に対して比例部２４６においてＰ制御を実施しモータ制御部４２に最終的な目標値を入力する。なお、モータ制御部４２による電動モータ３１の制御は、第１実施形態と同じであるので説明を省略する。なお、比例部２４６においてＰ制御を実施したが、ＰＩ制御やＰＩＤ制御であってもよい。

以上の第３実施形態によれば、第１実施形態の作用効果に加えて、以下の効果を奏する。

電動モータ３１は、目標反力決定部４１によって決定された目標電流Ｉと操舵トルクセンサ７によって検出された操舵トルクとの差に基づいて、操縦者がステアリングホイール１から感じる反力が目標とする反力に一致するように制御される。これにより、ステアリングシャフト２に対して目標とする反力を確実に付与することができる。

＜第４実施形態＞
図８及び図９を参照して、本発明の第４実施形態に係る油圧式ステアリング装置について説明する。以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、第１実施形態の油圧式ステアリングと同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

第４実施形態では、コントローラ３４０が速度演算部３４５を備える点で、上記第１実施形態と相違する。

図８に示すように、コントローラ３４０は、操舵角センサ６によって検出された操舵角に基づいてステアリングホイール１の操舵速度を演算する速度演算部３４５をさらに備える。

速度演算部３４５は、単位時間当たりの操舵角の変化からステアリングホイール１の操舵速度を演算する。

速度演算部３４５には、図９に示すマップがあらかじめ記憶されている。速度演算部３４５は、図９に示すマップを基に、演算されたステアリングホイール１の操舵速度に応じた速度補償電流Ｉｓを決定する。

図９に示すマップは、演算されたステアリングホイール１の操舵速度と速度補償電流Ｉｓとの関係を示している。図９に示すマップでは、速度補償電流Ｉｓは操舵速度の大きさに応じて比例的に変化する。具体的には、ステアリングホイール１が右方向に操舵されている状態では、操舵速度が大きくなるにつれて、速度補償電流Ｉｓは負側に大きくなる。逆に、ステアリングホイール１が左方向に操舵されている状態では、操舵速度が大きくなるにつれて、速度補償電流Ｉｓは正側に大きくなる。速度補償電流Ｉｓが負側の場合には、電動モータ３１はステアリングシャフト２を左方向に回転させる反力を発生し、速度補償電流Ｉｓが正側の場合には、電動モータ３１はステアリングシャフト２を右方向に回転させる反力を発生する。

目標電流Ｉには、このようにして決定された速度補償電流Ｉｓが加算されて、モータ制御部４２に入力される。言い換えると、目標電流Ｉは、速度補償電流Ｉｓによって補正されてモータ制御部４２に入力される。これにより、ステアリングシャフト２には、ステアリングホイール１の操舵角に加え、ステアリングホイール１の操舵速度に応じた反力が付与される。なお、モータ制御部４２による電動モータ３１の制御は、第１実施形態と同じであるので説明を省略する。

以上の第４実施形態によれば、第１実施形態の作用効果に加えて、以下の効果を奏する。

ステアリングシャフト２に付与される反力の目標電流Ｉは、速度演算部３４５によって演算された速度補償電流Ｉｓによって補正される。したがって、ステアリングシャフト２には、ステアリングホイール１の操舵角に加え、ステアリングホイール１の操舵速度に応じた反力が付与されるので、操舵速度をステアリングホイール１から感覚的に認識することができる。具体的には、例えば、ステアリングホイール１の操舵速度が速い場合に、ステアリングホイール１の操舵に対して、前部車体１１の回動が追従しないことがある。このような場合には、ステアリングシャフト２に付与される反力を大きくすることで、操縦者に操舵速度が速いことを認識させ、前部車体１１の回動が追従しない可能性のある操舵であることを認識させることができる。

＜第５実施形態＞
図１０〜図１２を参照して、本発明の第５実施形態に係る油圧式ステアリング装置について説明する。以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、第１実施形態の油圧式ステアリング装置１００と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

第１実施形態では、操舵角センサ６によって取得された操舵角に基づいて目標電流Ｉを決定しているが、第５実施形態では、操舵角センサ６によって取得された操舵角と屈曲角センサ１６によって取得された屈曲角との角度差に基づいて目標電流Ｉを決定する点、及び角度差の変化率に基づいて目標電流Ｉを補正する点で、上記第１実施形態と相違する。

図１０に示すように、コントローラ４４０には、屈曲角センサ１６によって取得された屈曲角が入力される。コントローラ４４０は、操舵角センサ６によって取得された操舵角と屈曲角センサ１６によって取得された屈曲角との角度差に基づいて、ステアリングシャフト２に付与する反力の目標電流Ｉを決定する目標反力決定部４４１と、を備える。目標反力決定部４４１には、図１１に示すマップがあらかじめ記憶されている。

目標反力決定部４４１には、操舵角センサ６によって取得された操舵角と屈曲角センサ１６によって取得された屈曲角との角度差が入力される。目標反力決定部４４１は、図１１に示すマップを基に、入力された角度差に応じた目標電流Ｉを決定する。

図１１に示すマップは、操舵角と屈曲角との角度差と、目標電流Ｉとの関係を示している。図１１に示すマップでは、目標電流Ｉは角度差の大きさに応じて比例的に変化する。具体的には、ステアリングホイール１が右方向に操舵されている状態では、操舵角と屈曲角との角度差が大きくなるにつれて、目標電流Ｉは負側に大きくなる。逆に、ステアリングホイール１が左方向に操舵されている状態では、操舵角と屈曲角との角度差が大きくなるにつれて、目標電流Ｉは正側に大きくなる。目標電流Ｉが負側の場合には、電動モータ３１はステアリングシャフト２を左方向に回転させる反力を発生し、目標電流Ｉが正側の場合には、電動モータ３１はステアリングシャフト２を右方向に回転させる反力を発生する。

コントローラ４４０は、操舵角と屈曲角との角度差の変化率を演算する変化率演算部４４２をさらに備える。変化率演算部４４２は、単位時間当たりの角度差の変化から角度差の変化率を演算する。

変化率演算部４４２には、図１２に示すマップがあらかじめ記憶されている。変化率演算部４４２は、図１２に示すマップを基に、演算されたステアリングホイール１の角度差の変化率に応じた変化率補償電流Ｉｒを決定する。

図１２に示すマップは、演算された角度差の変化率と変化率補償電流Ｉｒとの関係を示している。図１２に示すマップでは、変化率補償電流Ｉｒは操舵速度の大きさに応じて比例的に変化する。具体的には、ステアリングホイール１が右方向に操舵されている状態では、変化率が大きくなるにつれて、変化率補償電流Ｉｒは負側に大きくなる。逆に、ステアリングホイール１が左方向に操舵されている状態では、変化率が大きくなるにつれて、変化率補償電流Ｉｒは正側に大きくなる。変化率補償電流Ｉｒはが負側の場合には、電動モータ３１はステアリングシャフト２を左方向に回転させる反力を発生し、変化率補償電流Ｉｒはが正側の場合には、電動モータ３１はステアリングシャフト２を右方向に回転させる反力を発生する。

目標反力決定部４４１によって決定された目標電流Ｉは、変化率演算部４４２にて決定された変化率補償電流Ｉｒが加算されて、モータ制御部４２に入力される。言い換えると、目標電流Ｉは、変化率補償電流Ｉｒによって補正されてモータ制御部４２に入力される。補正された目標電流Ｉは、モータ制御部４２に入力される。モータ制御部４２による電動モータ３１の制御は、第１実施形態と同じであるので説明を省略する。

このように、操舵角と屈曲角との角度差に基づいて電動モータ３１を制御することにより、操縦者はステアリングホイール１から角度差に応じた反力を感じることができる。具体的には、例えば、作業車両１０がぬかるみなど走行している場合に、ステアリングホイール１の操舵に対して前部車体１１が追従しないことがある。このような場合には、操舵角と屈曲角との角度差が大きい状態が持続されるので、ステアリングシャフト２に付与される反力も大きい状態に維持される。これにより、操縦者は、ステアリングホイール１の操舵に対して前部車体１１が追従できていないことを、ステアリングホイール１から感覚的に認識できる。

また、目標電流Ｉを変化率補償電流Ｉｒによって補正することで、ステアリングホイール１の操舵に対して前部車体１１の追従がさらに遅れてしまうような場合に、ステアリングシャフト２に付与される反力が大きくなる。これにより、操縦者は、追従の更なる遅れをステアリングホイール１から感覚的に認識できる。

以上の第５実施形態によれば、以下の効果を奏する。

ステアリングシャフト２に付与される反力の目標電流Ｉは、操舵角と屈曲角との角度差に基づいて決定される。これにより、操縦者はステアリングホイール１から角度差に応じた反力を感じることができ、ステアリングホイール１を操舵したときに、前部車体１１が追従しているかどうかを感覚的に認識できる。

また、ステアリングシャフト２に付与される反力の目標電流Ｉは、操舵角と屈曲角との角度差の変化率によって補正される。これにより、操縦者は、追従の遅れの変化をステアリングホイール１から感覚的に認識できる。

変化率演算部４４２は、反力の精度をより向上させるものであって、必須の構成ではない。

なお、第５実施形態における目標電流Ｉを、第２実施形態の如く、作業車両１０の車速に基づいて決定してもよい。また、第５実施形態における目標電流Ｉを、第３実施形態の如く、目標電流Ｉと操舵トルクセンサ７によって検出された操舵トルクとの差に基づいて、電動モータ３１を制御するように構成してもよい。

上記第１〜第５実施形態では、操舵部材が回転型であるステアリングホイール１を例にして説明したが、操舵部材は、図１３に示すような揺動レバーであってもよい。以下に、揺動レバー５１を用いた変形例について説明する。

図１３に示す変形例では、揺動レバー５１を中立位置に付勢する付勢ばね５２が揺動方向の両側に設けられる。これにより、揺動レバー５１を操舵したときには、付勢ばね５２によって反力が揺動レバー５１に作用する。したがって、反力付与装置３０が万が一故障してステアリングシャフト２に反力を付与することができなくなっても、付勢ばね５２の付勢力によって反力が付与されているので揺動レバー５１の操舵状態を感覚的に認識することができる。

以上のように構成された本発明の実施形態の構成、作用、及び効果をまとめて説明する。

油圧式ステアリング装置１００は、ポンプ２１から供給される作動流体によって駆動され、操舵部材（ステアリングホイール１、揺動レバー５１）の操作量に応じて前部車体１１を後部車体１２に対して揺動させる流体圧アクチュエータ（油圧シリンダ２２ａ、２２ｂ）と、操舵部材（ステアリングホイール１、揺動レバー５１）に連結された操舵軸（ステアリングシャフト２）の操舵角を取得する操舵角取得部（操舵角センサ６）と、操舵軸（ステアリングシャフト２）に対して操舵方向とは反対の方向に反力を付与する反力付与装置３０と、を備え、反力付与装置３０は、操舵軸（ステアリングシャフト２）に反力を付与する電動モータ３１と、操舵角取得部（操舵角センサ６）によって取得された操舵角に基づいて、操舵軸（ステアリングシャフト２）に付与する反力の目標値（目標電流Ｉ）を決定する目標反力決定部４１、１４１、４４１と、を有し、電動モータ３１は、目標反力決定部４１、１４１、４４１によって決定された目標値（目標電流Ｉ）に基づいて制御されることを特徴とする。

この構成によれば、操舵角取得部（操舵角センサ６）によって取得された操舵角に基づいて電動モータ３１を制御することによって、操舵軸（ステアリングシャフト２）に反力が付与される。これにより、操縦者が操舵軸（ステアリングシャフト２）から操舵状態に応じた反力を感じることができるので、操舵フィーリングが向上する。

また、油圧式ステアリング装置１００では、操舵軸（ステアリングシャフト２）に付与される反力の目標値（目標電流Ｉ）は、作業車両１０の車速に応じて決定されることを特徴とする。

この構成によれば、操舵軸（ステアリングシャフト２）には、操舵部材（ステアリングホイール１、揺動レバー５１）の操舵角に加え、車速に応じた反力が付与されるので、操舵フィーリングが向上する。

また、油圧式ステアリング装置１００は、操舵軸（ステアリングシャフト２）における操舵部材（ステアリングホイール１、揺動レバー５１）と反力付与装置３０との間に作用する操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ７をさらに備え、電動モータ３１は、目標反力決定部４１、１４１、４４１によって決定された目標値（目標電流Ｉ）と、操舵トルクセンサ７によって検出された操舵トルクと、の差に基づいて制御されることを特徴とする。

この構成では、電動モータ３１は、目標反力決定部４１、１４１、４４１によって決定された目標値（目標電流Ｉ）と、操舵トルクセンサ７によって検出された操舵トルクと、の差に基づいて制御されるので、操舵軸（ステアリングシャフト２）に作用する反力を精度良く付与することができる。

また、油圧式ステアリング装置１００は、操舵部材（ステアリングホイール１、揺動レバー５１）の速度を演算する速度演算部３４５をさらに備え、操舵軸（ステアリングシャフト２）に付与される反力の目標値（目標電流Ｉ）は、速度演算部３４５によって演算された速度によって補正されることを特徴とする。

この構成によれば、操舵軸（ステアリングシャフト２）には、操舵部材（ステアリングホイール１、揺動レバー５１）の操舵角に加え、操舵部材（ステアリングホイール１、揺動レバー５１）の操舵速度に応じた反力が付与されるので、操舵フィーリングが向上する。

また、油圧式ステアリング装置１００では、目標反力決定部４４１は、操舵角取得部（操舵角センサ６）によって取得された操舵角と、前部車体１１と後部車体１２との屈曲角θと、の差に基づいて、操舵軸（ステアリングシャフト２）に付与する反力の目標値（目標電流Ｉ）を決定することを特徴とする。

この構成によれば、操舵角と屈曲角θとの差に基づいて、操舵軸（ステアリングシャフト２）に反力が付与されるため、操縦者は、操舵部材（ステアリングホイール１、揺動レバー５１）の操舵に対して前部車体１１が追従できていないことを操舵部材（ステアリングホイール１、揺動レバー５１）から感覚的に認識できる。

また、油圧式ステアリング装置１００では、反力付与装置３０は、操舵角と屈曲角との差の変化率を演算する変化率演算部４４２をさらに備え、操舵軸（ステアリングシャフト２）に付与される反力の目標値（目標電流Ｉ）は、変化率演算部４４２によって演算された変化率によって補正されることを特徴とする。

操舵軸（ステアリングシャフト２）に付与される反力の目標値は、操舵角と屈曲角との差の変化率によって補正されるので、操縦者は、追従の遅れの変化を操舵部材（ステアリングホイール１、揺動レバー５１）から感覚的に認識できる。

また、操作部材は、揺動レバー５１であって、揺動レバー５１には、揺動レバー５１を中立位置に付勢する付勢ばね５２が揺動方向の両側に設けられることを特徴とする。

この構成によれば、反力付与装置３０が万が一故障して操舵軸（ステアリングシャフト２）に反力を付与することができなくなっても、付勢ばね５２の付勢力によって操舵状態を感覚的に認識することができる。

第１実施形態から第５実施形態における制御は、適宜組み合わせることができる。また、上記実施形態では、制御バルブ２３をロータリー式として説明したが、制御バルブ２３に対して屈曲角θをフィードバックできる構成を備えていれば、スプール式やポペット式など他の形式のものであってもよい。また、制御バルブ２３をパイロットバルブとして使用してもよい。この場合には、油圧シリンダ２２ａ、２２ｂを制御するための制御バルブを別途設け、この制御バルブのパイロット圧力を制御バルブ２３によって制御する。さらに、制御バルブ２３をパイロットバルブとして使用する場合には、ポンプ２１の他に、制御バルブ２３に作動油を供給するパイロットポンプを別途設けてもよい。

各実施形態におけるマップにおいて、目標電流Ｉに上限を設けてもよい。これにより、反力が過剰に付与されることがない。各実施形態において、マップを使用せずに目標電流Ｉを演算によって決定してもよい。

また、図４、図６などに示すマップは、操舵方向が右方向と左方向で同じ反力が発生するような特性になっているが、右方向と左方向で特性を異ならせてもよい。例えば、揺動レバー５１は通常片手で操作するので、操縦者が手に感じる反力は、感覚的に右方向と左方向（押す方向と引く方向）とで異なる。したがって、上述のように、右方向と左方向で特性を異ならせることにより、右方向と左方向（押す方向と引く方向）とで反力を同じ程度のものとして感じることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１００・・・油圧式ステアリング装置、１・・・ステアリングホイール（操舵部材）、２・・・ステアリングシャフト（操舵軸）、５・・・トーションバー、６・・・操舵角センサ（操舵角取得部）、７・・・操舵トルクセンサ、８・・・車速センサ（車速取得部）、９・・・電流センサ、１０・・・作業車両、１１・・・前部車体、１２・・・後部車体、１３・・・ピン（連結機構）、１６・・・屈曲角センサ、２１・・・ポンプ、２２ａ，２２ｂ・・・油圧シリンダ（流体圧アクチュエータ）、２３・・・制御バルブ、３０・・・反力付与装置、３１・・・電動モータ、４０，１４０，２４０，３４０，４４０・・・コントローラ 、４１、１４１，４４１・・・目標反力決定部、４２・・・モータ制御部、５１・・・揺動レバー（操舵部材）、５２・・・付勢ばね、３４５・・・速度演算部 、４４２・・・変化率演算部

Claims (7)

1. 前部車体と、連結機構によって前記前部車体と揺動自在に連結された後部車体と、を有する作業車両を操舵する油圧式ステアリング装置であって、
   ポンプから供給される作動流体によって駆動され、操舵部材の操作量に応じて前記前部車体を前記後部車体に対して揺動させる流体圧アクチュエータと、
   前記操舵部材に連結された操舵軸の操舵角を取得する操舵角取得部と、
   前記操舵軸に対して操舵方向とは反対の方向に反力を付与する反力付与装置と、を備え、
   前記反力付与装置は、
   前記操舵軸に反力を付与する電動モータと、
   前記操舵角取得部によって取得された前記操舵角に基づいて、前記操舵軸に付与する反力の目標値を決定する目標反力決定部と、を有し、
   前記電動モータは、前記目標反力決定部によって決定された前記目標値に基づいて制御されることを特徴とする油圧式ステアリング装置。
2. 前記操舵軸に付与される反力の前記目標値は、前記作業車両の車速に応じて決定されることを特徴とする請求項１に記載された油圧式ステアリング装置。
3. 前記操舵軸における前記操舵部材と前記反力付与装置との間に作用する操舵トルクを検出するトルクセンサをさらに備え、
   前記電動モータは、前記目標反力決定部によって決定された前記目標値と、前記トルクセンサによって検出された前記操舵トルクと、の差に基づいて制御されることを特徴とする請求項１または２に記載された油圧式ステアリング装置。
4. 前記反力付与装置は、前記操舵部材の速度を演算する速度演算部をさらに備え、
   前記操舵軸に付与される反力の前記目標値は、前記速度演算部によって演算された前記速度によって補正されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された油圧式ステアリング装置。
5. 前記目標反力決定部は、前記操舵角取得部によって取得された前記操舵角と、前記前部車体と前記後部車体との屈曲角と、の差に基づいて、前記操舵軸に付与する反力の前記目標値を決定することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載された油圧式ステアリング装置。
6. 前記反力付与装置は、前記操舵角と前記屈曲角との差の変化率を演算する変化率演算部をさらに備え、
   前記操舵軸に付与される反力の前記目標値は、前記変化率演算部によって演算された前記変化率によって補正されることを特徴とする請求項５に記載された油圧式ステアリング装置。
7. 前記操作部材は、揺動レバーであって、
   前記揺動レバーには、前記揺動レバーを中立位置に付勢する付勢ばねが揺動方向の両側に設けられることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の油圧式ステアリング装置。

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