JP2005059784A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フェイルの発生時に必要な連動連結手段に加わるトルクを低減でき、連動連結手段を小形化することができ、しかも、リンク式の車両用操舵装置においてアクティブ制御が行われた場合に運転者に違和感を与えないようにすることができるようにする。
【解決手段】 ステアリングホイール２の操作によって回転する伝動軸２５の回転を増速する第１の増速機構４と、車輪に繋がるピニオン軸１６の回転を増速する第２の増速機構５と、第１及び第２の増速機構４，５を連動連結可能とした第１及び第２の連結体６２，６４とを備える構成とし、フェイルの発生時には第１及び第２の連結体６２，６４を係合させ、アクティブ制御が行われる場合、第１及び第２の連結体６２，６４を離脱させるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、運転者により行われるステアリングホイール等の操舵部材の操作に応じて車輪を転舵する車両用操舵装置に関する。

車両用操舵装置は、操舵部材の操作によって回転する第１の回転部材と車輪に繋がる第２の回転部材とが機械的に連結されているリンク式と、第１及び第２の回転部材が機械的に連結されていないステアバイワイヤ式とが一般に知られている。

前者のリンク式は車室内に配置される第１の回転部材と、車室外に配置され、車輪に繋がるラック軸のラック歯に噛合するピニオンを備えた第２の回転部材とがユニバーサルジョイントにより連動連結された構成になっている（例えば、特許文献１参照。）。

また、リンク式の操舵装置として、横風による車両の横移動、雨水による車両の横滑り等、外部の状況によって車両が横移動するような状況になった場合、車両の横移動を自動的に小さく抑えるためのアクティブ制御手段を備えた車両用操舵装置も知られている。

後者のステアバイワイヤ式は、車室内の第１の回転部材を車室外の舵取機構から機械的に分離して配置する一方、舵取機構の一部に操舵アクチュエータを付設し、該操舵アクチュエータを、前記操舵部材の操作方向及び操作量の検出結果に基づいて動作させ、舵取機構に操舵力を加えて前記操舵部材の操作に応じた操舵を行わせる構成になっている（例えば、特許文献２参照。）。

また、ステアバイワイヤ式の車両用操舵装置においては、操舵アクチュエータ、走行状態を検出する各種のセンサ、及びこれらのセンサの検出結果に基づいて前記操舵アクチュエータを制御する操舵制御部のフェイルセーフ対策が必要であり、第１及び第２の回転部材間に電磁クラッチ又は噛み合いクラッチを介装し、この電磁クラッチ又は噛み合いクラッチをフェイル発生時に係合動作させ、操舵部材の操作力を舵取機構に機械的に伝達可能として、マニュアル操舵が行えるようにしている（例えば、特許文献３参照。）。
特開平９−２０２５６号公報 特開平１０−２１８０００号公報 特開２００１−３４１６５５号公報

ところが、従来のステアバイワイヤ式にあっては、第１の回転部材の回転が等速度で第２の回転部材に伝動されるため、電磁クラッチ又は噛み合いクラッチに加わるトルクが比較的大きくなる。この結果、トルクの増加に対応して電磁クラッチ又は噛み合いクラッチが大形となり、しかも、車両用操舵装置のコストの増大を招来するという問題があった。

また、アクティブ制御手段を備えた従来のリンク式の車両用操舵装置にあっては、車両の横移動が自動的に小さく抑えられる場合、アクティブ制御による抑止力と運転者による操舵部材の操作力とが干渉して運転者に違和感を与えることがあり、改善策が要望されていた。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、フェイルの発生時に必要な連結手段に加わるトルクを低減でき、連結手段を小形化することができ、しかも、リンク式の車両用操舵装置においてアクティブ制御が行われる場合に運転者に違和感を与えないようにすることができる車両用操舵装置を提供することを目的とする。

本発明に係る車両用操舵装置は、操舵部材の操作に応じて車輪を転舵する車両用操舵装置において、前記操舵部材の操作によって回転する第１の回転部材の回転を増速する第１の増速機構と、前記車輪に繋がる第２の回転部材の回転を増速する第２の増速機構と、第１及び第２の増速機構を連動連結可能とした連動連結手段とを備えていることを特徴とする。

本発明にあっては、第１の回転部材の回転を第２の回転部材に伝動する必要がない場合、第１及び第２の増速機構は連動連結されていないため、第１の回転部材の回転は第２の回転部材に伝動されていない。また、第１の回転部材の回転を第２の回転部材に伝動する必要がある場合、連動連結手段を動作させることにより、第１の回転部材の回転を第１の増速機構、連動連結手段及び第２の増速機構から第２の回転部材に伝動することができる。この場合、操舵部材の操作によって回転する第１の回転部材の回転は第１の増速機構により増速されて連動連結手段に伝動され、逆入力荷重によって回転する第２の回転部材の回転は第２の増速機構により増速されて連動連結手段に伝動されるため、連動連結手段に加わるトルクを低減でき、連動連結手段を小形化することができる。

また、アクティブ制御手段を備えたリンク式の車両用操舵装置において、アクティブ制御が行われていない場合、連動連結手段により第１及び第２の増速機構が連動連結されており、第１の回転部材の回転は第１の増速機構により増速されて連動連結手段に伝動され、さらに第２の増速機構により減速されて第２の回転部材に伝動することができる。そして、アクティブ制御が行われる場合、連動連結手段による第１及び第２の増速機構の連動連結が解除され、第１及び第２の回転部材の連結が解除され、第１の回転部材の回転が第２の回転部材に伝動されなくなる。

本発明によれば、第１及び第２の回転部材の回転を第１及び第２の増速機構により増速して連動連結手段に伝動するため、連動連結手段に加わるトルクを低減でき、しかも、連動連結手段を小形化、ひいては車両用操舵装置の全体を小形にできるとともにコストの低減を図ることができる。また、第１及び第２の増速機構と連動連結手段とを備える簡単な構成によりフェイルの発生及びアクティブ制御に対応することができる。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。

実施の形態１
図１は本発明に係る車両用操舵装置の実施の形態１の全体構成を示す模式図である。

図示の車両用操舵装置は、車体の左右に配された一対の操舵用の車輪１０，１０を操舵させるための舵取機構１と、該舵取機構１から機械的に分離して配され、操舵のために回転操作されるステアリングホイール（操舵部材）２とを備え、更にステアリングホイール２の操作に応じた操舵を実現すべく舵取機構１に付設された操舵モータＭ１を制御し、またステアリングホイール２に操舵反力を加えるべく反力モータＭ２を制御する操舵制御部３を備えるステアバイワイヤ式の操舵装置として構成されており、操舵動作中の各種のフェイル発生時に、舵取機構１とステアリングホイール２との間に機械的な連結状態を得るべく、これらの間に介装して用いられる第１及び第２の増速機構４，５と、この増速機構４，５を連動連結可能とした連動連結手段６とを備えている。

舵取機構１は、車体の左右方向に延設された筒形をなすハウジングＨ１と、該ハウジングＨ１の内部に軸長方向への移動自在に支持された操舵軸１１とを備えており、ハウジングＨ１の両側に突出する操舵軸１１の両端部を、操舵用の車輪１０，１０のナックルアーム１２，１２に各別のタイロッド１３，１３を介して連結し、操舵軸１１の両方向への移動によりタイロッド１３，１３を介してナックルアーム１２，１２を押し引きし、車輪１０，１０を左右に操舵せしめる構成となっている。

操舵モータＭ１は、操舵軸１１を支持するハウジングＨ１の一側半部の外位置に取り付けられ、該ハウジングＨ１の内部において、ボールねじ機構等の運動変換機構を介して操舵軸１１の中途に伝動構成されており、操舵制御部３から図示しない駆動回路に与えられる制御指令に従って回転駆動されるようになしてある。操舵制御部３は、ステアリングホイール２の回転操作に応じた操舵を行わせるべく前記制御指令を発し、操舵モータＭ１を駆動せしめる操舵制御動作を行う。

このように駆動される操舵モータＭ１の回転は、前記運動変換機構により操舵軸１１の軸長方向の移動に変換されて前述した操舵がなされる。この操舵により変化する操舵用の車輪１０，１０の実舵角は、操舵軸１１と一側のタイロッド１３との連結部の変位を検出すべく構成された実舵角センサ１４により検出され、操舵制御部３に与えられている。また、一側のタイロッド１３には、軸方向に作用する軸力を検出するタイロッド軸力センサ１５が付設されており、この検出結果は、操舵に伴って舵取機構１に実際に加わる操舵反力を示す信号として、操舵制御部３に与えられている。

ハウジングＨ１の他側半部には、これと交叉するようにピニオンハウジングＨ２が連設されており、該ピニオンハウジングＨ２の内部には、軸心回りでの回動自在にピニオン軸１６（第２の回転部材）が支持されている。ピニオンハウジングＨ２の内部に位置するピニオン軸１６の下半部には、図示しないピニオンが一体形成され、ハウジングＨ１との交叉部において、操舵軸１１の該当部位に形成された図示しないラック歯に噛合させてある。

ピニオン軸１６の上端部はピニオンハウジングＨ２の上部に突出され、該上端部に第２の増速機構５の大歯車５１が外嵌固定されている。

以上の構成により、操舵のために操舵軸１１が軸長方向に移動した場合、この移動は、前記ラック歯及びピニオンの噛合部においてピニオン軸１６の軸回りの回転に変換される。このようにピニオン軸１６は操舵軸１１の移動、即ち、舵取機構１の動作に伴って軸回りに回転する。

また逆に、第１の増速機構４及び連動連結手段６からピニオン軸１６に回転力が加えられた場合、この回転力は、前記ピニオン及びラック歯の噛合部において運動変換され、操舵軸１１に軸長方向の移動力が加えられる。

以上のような舵取機構１から分離して配されたステアリングホイール２は、コラム軸２０の先端に嵌着固定され、該コラム軸２０を回転自在に支承するコラムハウジングＨ３を介して車室内の適宜部位に支持されている。コラムハウジングＨ３の中途部には、ステアリングホイール２に操舵反力を加えるべく回転駆動される反力モータＭ２が付設されている。該反力モータＭ２の出力軸は、コラムハウジングＨ３の内部に延設され、ウォームギヤ等の減速装置（図示せず）を介してコラム軸２０の中途部に伝動構成されており、反力モータＭ２が回転駆動された場合、この回転力が前記減速装置による減速下にてコラム軸２０に付加され、該コラム軸２０の上端部に固定されたステアリングホイール２に操舵反力が付与されるようになしてある。

反力モータＭ２は、操舵制御部３から図示しない駆動回路に与えられる制御指令に従って駆動される。操舵制御部３は、舵取機構１に実際に加わる操舵反力に基づいて前記制御指令を発し、ステアリングホイール２に適正な操舵反力を付与すべく反力モータＭ２を駆動せしめる反力制御動作を行う。

この操舵反力に抗して回転操作されるステアリングホイール２の操作角は、コラムハウジングＨ３の中途部に付設された操舵角センサ２１により検出され、操舵制御部３に与えられている。更に、操舵制御部３には、車速、ヨーレート、横加速度、前後加速度等、操舵に影響を与える走行状態の検出結果が、車両の各部に設置された走行状態センサ２２から与えられている。

以上のようなステアリングホイール２の回転軸となるコラム軸２０は、コラムハウジングＨ３の下方に適長突出する連動軸２３及び中間軸２４を介して伝動軸（第１の回転部材）２５に連結されている。尚、伝動軸２５は操舵部材としてのステアリングホイール２の操作に応じて回転する部材であればよい。このような伝動軸２５の下端部に第１の増速機構４の大歯車４１が外嵌固定されている。

第１の増速機構４は伝動軸２５の回転を増速して連動連結手段６に伝動するものであり、平歯の大歯車４１と該大歯車４１に噛合しコラムハウジングＨ３等の静止部材に回転及び軸長方向へ移動自在に支持された平歯の小歯車４２とを有する。小歯車４２は大歯車４１の歯幅寸法よりも広幅に形成されており、大歯車４１に噛合した状態で小歯車４２を伝動軸２５の中心軸線と平行的に移動させ、連動連結手段６の連結を離脱することができるように構成されている。また、小歯車４２は駆動部７により移動する。

駆動部７は可動部７１ａを有するソレノイド７１からなり、可動部７１ａに小歯車４２の中心部が結合されている。ソレノイド７１は操舵制御部３からの制御指令信号に応じて電磁コイルへ通電されることにより可動部７１ａが進出移動し、電磁コイルへの通電が禁止されたときコイルバネ等の力で可動部７１ａが後退移動するように構成されている。また、ソレノイド７１はコラムハウジングＨ３等の静止部材に取着されている。

第２の増速機構５はピニオン軸１６の回転を増速して連動連結手段６に伝動するものであり、ピニオン軸１６に外嵌固定された平歯の大歯車５１と該大歯車５１に噛合しピニオンハウジングＨ２等の静止部材に回転自在に支持された平歯の小歯車５２とを有する。

図２は図１のII−II線の拡大断面図である。

連動連結手段６は小歯車４２の中心部に軸体６１を介して連結され、非連結位置／連結位置への移動が可能な第１の連結体６２と、小歯車５２の中心部に軸体６３を介して連結された第２の連結体６４とを有する。第１の連結体６２は軸体６１の軸心に対して偏倚する凸部６２ａを有しており、第２の連結体６４は軸体６３の軸心に対して偏倚し凸部６２ａと係合可能な凸部６４ａを有しており、小歯車４２の移動により凸部６２ａ，６４ａ同士が凸部６２ａ，６４ａ間の周方向隙間分を周方向に相対移動して係合可能として、小歯車４２の回転を軸体６１、凸部６２ａ，６４ａ及び軸体６３を介して小歯車５２に伝動、又は、小歯車５２の回転を軸体６３、凸部６４ａ，６２ａ及び軸体６１を介して小歯車４２に伝動するように構成されている。

以上のように構成された本発明に係る車両用操舵装置において、操舵モータＭ１を対象とする操舵制御部３の操舵制御動作は、例えば、操舵角センサ２１により検出されるステアリングホイール２の操作角度に所定の制御ゲインを乗じて目標舵角を求め、この目標舵角と、実舵角センサ１４により検出される操舵用の車輪１０，１０の実舵角との偏差に基づくフィードバック制御により行われる。

このとき走行状態センサ２２により検出される走行状態は、前記制御ゲインの選定に用いられる。この制御ゲインは、例えば、車速の増大に伴って減少し、またヨーレート、横加速度により定まる車両の旋回程度の増大に伴って減少する値として設定されている。これにより、前記目標舵角は、高速走行中に小、低速走行中に大となり、また旋回走行中には、急旋回となるに従って小さくなり、このような目標舵角に基づく操舵モータＭ１の制御により、走行状態に応じた操舵特性が得られる。

また反力モータＭ２を対象とする操舵制御部３の反力制御動作は、例えば、タイロッド軸力センサ１５からの入力に基づいて舵取機構１に加わる実反力を求め、求められた実反力に所定の制御ゲインを乗じてステアリングホイール２に加えるべき目標反力を算出し、この目標反力に対応する駆動電流を反力モータＭ２に供給せしめて行われる。

このとき走行状態センサ２２により検出される走行状態は、前記制御ゲインの補正に用いられる。この補正は、例えば、車速及び旋回程度が大きくなるに従って制御ゲインを大とし、また、前後加速度により求められる減速程度が大きくなるに従って制御ゲインを大とするように行われる。また、操舵角センサ２１により検出されるステアリングホイール２の操作角度を前記目標反力の補正に用い、反力モータＭ２の駆動電流の増加特性を変更することも可能である。以上の反力制御動作によりステアリングホイール２には、コラム軸２０に加わる反力モータＭ２の回転力が操舵反力として付加される。この操舵反力は、舵取機構１に加わる実反力を走行状態に応じて補正したものであり、ステアリングホイール２を操作する運転者に良好な操舵感を体感させることができる。

このような操舵制御及び反力制御によりなされる通常の操舵中には、第１の増速機構４の小歯車４２が移動していないため、第１の連結体６２は非連結位置にあり、凸部６２ａ，６４ａ同士の係合が解除されており、伝動軸２５の回転はピニオン軸１６に伝動されない。

図３はフェイルが発生したときの状態を示す模式図である。

一方、以上のような操舵制御及び反力制御動作の実施中に操舵制御部３は、入力側の各センサ、出力側の操舵モータＭ１及び反力モータＭ２のフェイル判定を行っており、この判定の結果、いずれかがフェイル状態にあると判定された場合、操舵制御部３からソレノイド７１に制御指令信号が発信され、電磁コイルへ通電される。この結果、ソレノイド７１の可動部７１ａが進出移動し、第１の増速機構４の小歯車４２が大歯車４１との噛合が離脱しない状態で移動し、第１の連結体６２が連結位置へ移動して凸部６２ａ，６４ａ同士が凸部６２ａ，６４ａ間の周方向隙間分を周方向に相対移動して係合可能として、伝動軸２５とピニオン軸１６とを機械的に連動連結させることができる。これに伴いステアリングホイール２の操作に応じてマニュアル操舵が可能となる。これにより運転者は、至近の目的地までの運転が可能となり、例えば、修理工場、サービスセンターに車両を移送し、故障修理を依頼することもできる。

また、伝動軸２５の回転を第１の増速機構４により増速して連動連結手段６に伝動し、ピニオン軸１６の回転を第２の増速機構５により増速して連動連結手段６に伝動するため、ステアリングホイール２の操作により伝動軸２５を介して連動連結手段６に加わるトルク、及び逆入力荷重によりピニオン軸１６を介して連動連結手段６に加わるトルクを低減できる。

しかも、ステアリングホイール２が操舵操作される場合の遊びは、凸部６２ａ，６４ａ間の周方向隙間に相当する第１の連動体６２の回転量に対して第１の増速機構４の増速比分の１となり、ステアリングホイール２を操作する運転者に違和感のない操舵感を体感させることができる。

また、ステアリングホイール２に繋がる伝動軸２５及び操舵軸１１に繋がるピニオン軸１６とは別個の部材（第１の連結体６２）を移動させるため、中間軸２４の位置が変化せず、トルクむらの発生をなくすることができる。

実施の形態２
図４は本発明に係る車両用操舵装置の実施の形態２の全体構成を示す模式図である。

この車両用操舵装置は、ステアバイワイヤ式が備える反力モータＭ２をなくし、伝動軸２５の回転を増速する第１の増速機構４と、ピニオン軸１６の回転を増速する第２の増速機構５と、第１及び第２の増速機構４，５を連動連結可能とした連動連結手段６とにより伝動軸２５及びピニオン軸１６を機械的に連結し、操舵制御部３にアクティブ制御手段を備えたリンク式の操舵装置として構成したものである。

実施の形態２において、第１の増速機構４の小歯車４２を移動させるためのソレノイド７１は、操舵制御部３からの制御指令信号に応じて電磁コイルへ通電されることにより可動部７１ａが後退移動し、電磁コイルへの通電が禁止されたときコイルバネ等の力で可動部７１ａが進出移動するように構成されている。可動部７１ａに結合されている小歯車４２は大歯車４１に対して軸長方向へ移動し、該小歯車４２に結合された第１の連結体６２は連結位置にあり、凸部６２ａ，６４ａ同士が係合可能な位置にある。

この実施の形態２にあっては、伝動軸２５とピニオン軸１６とが第１及び第２の増速機構４，５と、第１及び第２の連結体６２，６４とにより連動連結されているため、ステアリングホイール２を操作することにより、伝動軸２５と連動してピニオン軸１６を回転させ、操舵制御部３からの動作指令信号に応じて操舵モータＭ１を制御し、操舵用の車輪１０，１０を操舵させることができる。

図５はアクティブ制御が行われる場合の状態を示す模式図である。

通常の操舵中に横風による車両の横移動、雨水による車両の横滑り等、外部の状況によって車両が横移動するような状況になり、アクティブ制御が行われる場合、操舵制御部３からの動作指令信号によりソレノイド７１が動作し、可動部７１ａが後退移動して第１の増速機構４の小歯車４２を介して第１の連結体６２が非連結位置へ移動し、第１及び第２の連結体６２，６４による伝動軸２５とピニオン軸１６との連結が解除される。この結果、アクティブ制御による抑止力と運転者によるステアリングホイールの操作力との干渉を防ぐことができ、ステアリングホイール２を操作する運転者に違和感のない操舵感を体感させることができる。

一方外部の状況変化により車両が横移動するような状況でなくなりアクティブ制御が行われなくなった場合、操舵制御部３からソレノイド７１の電磁コイルへの通電が禁止され、ソレノイド７１の可動部７１ａがコイルバネ等の力で進出移動し、第１の増速機構４の小歯車４２を介して第１の連結体６２が連結位置へ移動し、伝動軸２５とピニオン軸１６とが第１及び第２の増速機構４，５と、第１及び第２の連結体６２，６４とにより連動連結される。

その他の構成及び作用は実施の形態１と同様であるため、同様の部品については同じ符号を付し、その詳細な説明及び作用効果の説明を省略する。

尚、以上説明した実施の形態では連動連結手段６の第１の連結体６２を移動させる手段として第１の増速機構４の小歯車４２を伝動軸２５の中心軸線と平行的に移動させるようにしたが、その他、例えば第２の増速機構５の小歯車５２をピニオン軸１６の中心軸線と平行的に移動可能に構成してもよいし、また、小歯車４２，５２を移動させる代わりに、第１の連結体６２を小歯車４２に対して移動可能又は第２の連結体６４を小歯車５２に対して移動可能としてもよい。この後者の場合、例えば小歯車４２（又は５２）の中心部に非円形の貫通孔を設け、この貫通孔に軸体６１（又は６３）を相対回転不可能かつ軸長方向相対移動可能に嵌入し、該軸体６１（又は６３）をソレノイド７１の可動部７１ａに結合した構成とする。

また、以上説明した実施の形態における第１及び第２の連結体６２，６４は凸部６２ａ，６４ａを小歯車４２，５２の一側面に突設した構成としてもよい。また、連動連結手段６は実施の形態のようにピニオン軸１６と中間軸２４との間に配置した構成である他、例えばピニオン軸１６に連結された中間軸２４等の第２の回転部材と連動軸２３等の第１の回転部材との間に配置した構成としてもよい。

また、増速機構４，５は平歯の大歯車４１，５１及び小歯車４２，５２を有する構成としたが、増速機構４，５の構成は特に制限されない。

本発明に係る車両用操舵装置の実施の形態１の全体構成を示す模式図である。 図１のII−II線の拡大断面図である。 実施の形態１のフェイルが発生したときの状態を示す模式図である。 本発明に係る車両用操舵装置の実施の形態２の全体構成を示す模式図である。 実施の形態２のアクティブ制御が行われる場合の状態を示す模式図である。

符号の説明

２ ステアリングホイール（操舵部材）
４ 第１の増速機構
５ 第２の増速機構
６ 連動連結手段
１６ ピニオン軸（第２の回転部材）
２５ 伝動軸（第１の回転部材）
４１，５１ 大歯車
４２，５２ 小歯車

Claims (1)

1. 操舵部材の操作に応じて車輪を転舵する車両用操舵装置において、前記操舵部材の操作によって回転する第１の回転部材の回転を増速する第１の増速機構と、前記車輪に繋がる第２の回転部材の回転を増速する第２の増速機構と、第１及び第２の増速機構を連動連結可能とした連動連結手段とを備えていることを特徴とする車両用操舵装置。

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