JP2005262969A - ステアバイワイヤシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 電気系統の故障による影響や消費電力が小さく、システム全体がコンパクトとなり、空転時の引き摺りトルクが小さくなるようなステアバイワイヤシステムを提供する。
【解決手段】 ステアバイワイヤシステム100に不具合が生じた場合にクラッチ10を連結状態にし、ステアバイワイヤシステム100によらずに直接ステアリングホイール2によって操舵することが可能となるステアバイワイヤシステム100のフェールセーフ機構であるクラッチ10を、機械式クラッチ部（11，12，13，14）と、前記機械式クラッチ部を制御する電磁コイル17とで構成し、電磁コイル17が通電状態で機械式クラッチ部が非連結状態となり、電磁コイル17が非通電状態で機械式クラッチ部が連結状態となる逆作動型クラッチとした。
【選択図】 図１

Description

この発明はステアバイワイヤシステムに関し、より詳しくは、ステアバイワイヤシステムに不具合が生じたときに、ステアリングホイールに直結されたシャフトとステアリングギヤに連結されたシャフトを連結し、ステアリングホイールによる直接操舵を可能とするステアバイワイヤシステムのフェールセーフ機構に関する。

ステアバイワイヤシステムは、自動車のステアリングホイールとステアリングギヤが機械的に連結されておらず、電気的信号を介してモータを回転させることにより操舵角度を制御するようにしたものである。ステアバイワイヤシステムは、ステアリングホイールとステアリングギヤを連結するためのステアリングシャフト等が不要であるため車内レイアウトの自由度が増し、また、車速に応じた車輪舵角の自動制御が可能であることから、車両の安定走行や運動性能の向上を可能とするものとして期待されている。

図１４はステアバイワイヤシステム１を模式的に図解したものである。ステアリングホール２とステアリングギヤ３は機械的に連結されておらず、ステアリングホイール２の舵角に応じて、コントローラ６により制御された操舵アクチュエータ５を介してステアリングギヤ３の舵角を操作するとともに、コントローラ６により制御された操舵反力を、反力シミュレータ４によってステアリングホイール２に与える。

このようにステアリングホイール２とステアリングギヤ３が機械的に結合されていないステアバイワイヤシステム１では、万一、操舵アクチュエータ５や反力シミュレータ４等に不具合が生じた場合、ステアリングによる車両の制御に不具合を生じる可能性がある。そのため、特開２００１−３０１６３９号公報では、これに対するフェールセーフ機構として、電磁クラッチによりステアリングホイールとステアリングギヤを直結し、ステアリングホイールで直接操舵できるようにしている。
特開２００１―３０１６３９号公報（段落番号００４４、図１）

特許文献１に記載されているステアバイワイヤシステムでは、電磁クラッチを使用しているため、電気系統の故障等により電力の供給が遮断された場合、電磁クラッチを切り替えることができないため、ステアリングホイールとステアリングギヤの連結が不可能となってしまう。また、電磁クラッチは摩擦伝達式クラッチであるため、ある程度の電力供給能力が必要である上、システム全体をコンパクトにすることが困難である。さらに、電磁クラッチのような摩擦伝達式クラッチは、空転時の引き摺りトルクが大きいというデメリットもある。

本発明の目的は、電気系統の故障による影響や消費電力が小さく、システム全体がコンパクトとなり、空転時の引き摺りトルクが小さくなるようなステアバイワイヤシステムを提供することにある。

本発明のステアバイワイヤシステム１００は、ステアリングホイール２に連結された第一シャフト８と、第一シャフト８に操舵反力を与える第一モータ４と、ステアリングギヤ３に連結された第二シャフト９と、第二シャフト９に操舵力を与える第二モータ５と、第一シャフト８と第二シャフト９との間に装着され第一シャフト８と第二シャフト９を連結または非連結状態に切り替えるクラッチ１０とを備え、常時は前記クラッチ１０を非連結状態にし、第一モータ４から第一シャフト８へ操舵反力を与えるとともに、第二モータ５から第二シャフト９へ操舵力を与えて操舵するステアバイワイヤシステムにおいて、
前記クラッチ１０を、機械式クラッチ部（１１，１２，１３，１４）と、前記機械式クラッチ部（１１，１２，１３，１４）を制御する電磁コイル１７とで構成し、電磁コイル１７が通電状態では機械式クラッチ部（１１，１２，１３，１４）が非連結状態となり、電磁コイル１７が非通電状態では機械式クラッチ部（１１，１２，１３，１４）が連結状態となる逆作動型クラッチであることを特徴とするものである。

前記クラッチ１０は次の要素を具備することができる。

第一シャフト８および第二シャフト９のうちのいずれか一方に連結された内輪１１と、他方に連結された外輪１２、
前記内輪１１および前記外輪１２のいずれか一方に形成されたカム面１９と、他方に形成された円筒面２０とで形成された楔空間、
前記カム面１９を形成した部材（１１または１２）に対し回転方向に関して弾性的に保持された保持器１３、
前記内輪１１と前記外輪１２との間に介在し前記保持器１３により保持された係合子１４、
前記保持器１３に対して軸方向にのみ移動可能なアーマチュア１５、
前記円筒面２０を形成した部材（１２または１１）に対し軸方向にのみ移動可能なスイッチングプレート２６、
前記円筒面２０を形成した部材（１２または１１）に固定され、前記スイッチングプレート２６と対向するロータ１６、
前記スイッチングプレート２６を前記ロータ１６から遠ざかり、かつ、前記アーマチュア１５に近づく向きに押す弾性部材２９、および、
通電により前記弾性部材２９に抗してスイッチングプレート２６をロータ１６側に移動させる電磁コイル１７。

この場合、電磁コイル１７の通電時には、アーマチュア１５とスイッチングプレート２６との間にすきまが形成され、機械式クラッチ部が非連結状態となる。電磁コイル１７の非通電時には、弾性部材２９の作用でアーマチュア１５とスイッチングプレート２６とが摩擦接触し、機械式クラッチ部が連結状態となる。

また、前記クラッチ１０は次の要素を具備することができる。

第一シャフト８および第二シャフト９のうちのいずれか一方に連結された内輪１１と、他方に連結された外輪１２、
前記内輪１１および前記外輪１２のいずれか一方に形成されたカム面１９と、他方に形成された円筒面２０とで形成された楔空間、
前記カム面１９を形成した部材（１１または１２）に対し回転方向に関して弾性的に保持された保持器１３、
前記内輪１１と前記外輪１２との間に介在し前記保持器１３により保持された係合子１４、
前記保持器１３に対して軸方向にのみ移動可能なアーマチュア３１、
前記円筒面２０を形成した部材（１２または１１）に固定され、前記アーマチュア３１と対向するロータ３２、
前記アーマチュア３１を前記ロータ３２から遠ざかる向きに押す弾性部材３６、
前記ロータ３２の前記アーマチュア３１に対向する面に形成したスリット３５、
前記スリット３５内に固定され、その磁束によって前記弾性部材３６に抗して前記アーマチュア３１を前記ロータ３２側へ移動させる永久磁石３４および電磁コイル１７。

この場合、電磁コイル１７の通電時には、アーマチュア３１に作用する吸引力が減少し、弾性部材３６の作用でアーマチュア３１がロータ３２から離れ、機械式クラッチ部（１１，１２，１３，１４）が非連結状態となる。電磁コイル１７の非通電時には、永久磁石３４から発生する磁束によって、アーマチュア３１を弾性部材３６に抗してロータ３２側に吸引し、アーマチュア３１とロータ３２が摩擦接触することで、機械式クラッチ部（１１，１２，１３，１４）が連結状態となる。

本発明のステアバイワイヤシステム１００は、内外輪１１，１２間に係合子１４がかみあう機械式クラッチ部と電磁コイル１７とを備え、電磁コイル１７が通電状態のときは機械式クラッチ部が非連結状態となり、電磁コイル１７が非通電状態のときは機械式クラッチ部は連結状態となる。したがって、電磁コイル１７の通電状態を制御することで、実際のフェールセーフ機構として働く機械式クラッチ部を容易に制御することが可能であり、電磁コイル１７が非通電状態のとき機械式クラッチ部が連結することから、電気系統の不具合によって操舵不可能となることを防ぐことができ、ステアバイワイヤシステムの安全性が向上する。

また、電磁コイル１７は機械式クラッチ部の連結状態の制御用であり、直接動力を伝達する電磁クラッチと比較して消費電力を減少させることが可能である。
また、ステアリングホイール２とステアリングギヤ３を連結、非連結にしている部分は機械式クラッチであり、電磁クラッチ等の摩擦式クラッチと比較して許容伝達トルクが大きいことから、クラッチ部をコンパクトにすることが可能である。

さらに、電磁クラッチや湿式多板クラッチ等の摩擦式クラッチと比較して空転時の引き摺りトルクが小さいため、エネルギーロスも小さい。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。ここで、図１はステアバイワイヤシステム１の全体構成を示し、図２〜７は第一の実施の形態、図８〜１３は第二の実施の形態を示す。

まず、図１に従ってステアバイワイヤシステムの全体構成を説明すると、ステアリングホイール２とステアリングギヤ３は機械的に連結されておらず、ステアリングホイール２の舵角に応じて、コントローラ６により制御された操舵アクチュエータ５を介してステアリングギヤ３の舵角を操作するとともに、コントローラ６により制御された操舵反力を、反力シミュレータ４によってステアリングホイール２に与えるようになっている点は、図１４の従来の技術と基本的に同じである。なお、符号７は車輪を示す。ステアリングホイール２に直結された第一シャフト８には、第一シャフト８に操舵反力を伝える第一モータ４が取り付けてある。ステアリングギヤ３に直結された第二シャフト９には、第二シャフト９に操舵力を伝える第二モータ５が取り付けてある。第一シャフト８と第二シャフト９との間にクラッチ１０が配置してある。このクラッチ１０は、第一シャフト８と第二シャフト９とを連結または非連結状態に切り替える構造となっていて、ステアバイワイヤシステム１のフェールセーフ機構を構成する。すなわち、ステアバイワイヤシステム１に不具合が生じた場合、クラッチ１０を連結状態にしてステアリングホイール２による直接操舵が可能な構造となっている。

クラッチ１０は、内外輪間に配置された係合子がかみあって連結状態となる機械式クラッチであり、電磁コイルに通電された時に機械式クラッチが非連結状態となり、電磁コイルが通電されていない時に機械式クラッチが連結状態となる構造である。クラッチ１０の具体的な構造を説明すると次のとおりである。

クラッチ１０は、図２および図４に示すように、相対回転可能に支持された内輪１１と外輪１２を有する。外輪１２の内周面を円筒面２０とし、内輪１１の外周面に外輪１２の円筒面２０との間に楔空間を形成するカム面１９が形成してある。内輪１１のカム面１９と外輪１２の円筒面２０との間に、内輪１１に対して回転可能に保持器１３が介在させてある。保持器１３は内輪１１のカム面１９と同数のポケット２１を有し、各ポケット２１にローラ１４が組み込んである。

図３に示すように、保持器１３は円周方向に関してはスイッチばね１８により弾性的に支持されている。スイッチばね１８は円環部とほぼ半径方向に延びた一対の係合部とからなり、円環部は内輪１１の端部に形成された周溝に装着され、係合部は内輪１１を半径方向に貫通した穴から突出して保持器１３の切欠きと係合している。保持器１３は、通常、ローラ１４が内輪１１のカム面１９と外輪１２の円筒面２０とに同時に接触しないような中立位置（図３）に保持され、したがって、内輪１１と外輪１２は相対回転可能な状態にある。図６に示すように、保持器１３が回転することによりローラ１４が所定量移動すると、ローラ１４は内輪１１のカム面１９と外輪１２の円筒面２０との間に形成された楔空間に食い込み、内輪１１と外輪１２とを一体化させる。

内輪１１はステアバイワイヤシステム１００の第一シャフト８および第二シャフト９のうちのいずれか一方と連結した第一回転軸２２とセレーションまたはスプラインによってトルク伝達可能に結合している。外輪１２はステアバイワイヤシステム１００の第一シャフト８および第二シャフト９のうちの他方と連結した第二回転軸２３とセレーションまたはスプラインによってトルク伝達可能に結合している。したがって、クラッチ１０の連結、非連結状態を制御することで、ステアバイワイヤシステム１００の第一シャフト８と第二シャフト９の連結、非連結状態を決定することが可能となる。

上述の機械式クラッチ部分の基本構造に関しては、以下に説明する第一および第二の実施の形態を通じて共通である。それぞれの実施の形態では、機械式クラッチの連結、非連結状態を制御する手段が異なる。その詳細を続いて説明する。

図２〜図７に示す第一の実施の形態について説明する。回転軸２２にロータ１６が取り付けてある。ロータ１６はここでは転がり軸受を介して支持され、回転軸２２とロータ１６とは相対回転が可能である。ロータ１６は非磁性体でできたロータガイド２７を介して外輪１２と嵌合させてある。ロータ１６の一端に半径方向外方に折り曲げた突起が形成してあり、この突起を外輪１２の切欠きに進入させることによって両者の回り止めを図ってある。ロータ１６と外輪１２との間にアーマチュア１５とスイッチングプレート２６が介在させてある。アーマチュア１５は保持器１３に対して軸方向以外には相対移動できない関係にある。すなわち、保持器１３の軸方向に延びた一部をアーマチュア１５の貫通穴に進入させることにより、アーマチュア１５と保持器１３とは相対回転が不可能で、軸方向にのみ相対移動が可能である。アーマチュア１５と内輪１１の端面との間に、アーマチュア１５をスイッチングプレート２６側に押圧する弾性部材２８を介在させてある。アーマチュア１５のスイッチングプレート２６側への移動は、回転軸２２に装着した止め輪３０によって制限される。スイッチングプレート２６とロータ１６との間に弾性部材２９を介在させてある。スイッチングプレート２６とロータ１６およびロータガイド２７とは軸方向にのみ相対移動できる関係にある。すなわち、スイッチングプレート２６は半径方向に突出した突起を有し、その突起をロータガイド２７の内周面に形成した軸方向溝に係合させてある。ロータ１６は、電磁コイル１７を受け入れる凹部を有し、その凹部からスイッチングプレート２６側に向かって軸方向に貫通したスリット２５が設けてある。電磁コイル１７は静止系であるケース２４に固定してある。ロータ１６と電磁コイル１７との間にはすきまがあり、両者は相対回転が可能である。

図２および図４は電磁コイル１７が通電状態にあるときを表している。すなわち、電磁コイル１７に通電すると、スイッチングプレート２６がロータ１６に吸引される。このとき、弾性部材２８の作用でアーマチュア１５が止め輪３０に接触する位置まで移動させられる。止め輪３０は、スイッチングプレート２６がロータ１６に吸引されたとき、アーマチュア１５がスイッチングプレート２６と接触しないようにする役割を果たす。これにより、アーマチュア１５は外輪１２（あるいは、外輪１２に対し回転方向の自由度を奪われた部材）と接触せず、ローラ１４はスイッチばね１８の作用で中立位置に保持され（図３）、内輪１１および外輪１２は非連結状態を維持する。

図５および図６は電磁コイル１７が非通電状態にあるときを表している。この状態では、弾性部材２９の作用でスイッチングプレート２６がロータ１６から離れ、アーマチュア１５と摩擦接触している。ここで、内輪１１と外輪１２が相対回転すると、ローラ１４がスイッチばね１７の弾性力に抗して楔空間に移動して食い込み、内輪１１と外輪１２とが連結状態となる。ここで、弾性部材２９の押し付け力Ｆ₂₉を弾性部材２８の押し付け力Ｆ₂₈より大きく、アーマチュア１５が外輪１２まで押し付けられ摩擦接触するように設定しておくことにより、摩擦面積を増加させることができ、より小さな力で非連結状態から連結状態へと切り替えることが可能である。さらに、アーマチュア１５を非磁性体とすることで、電磁コイル１７に通電した際に発生する磁束の影響を受けにくくなり、作動性を安定させることができる。

次に、図８乃至図１３に従って第二の実施の形態について説明する。この実施の形態は、上述の第一の実施の形態におけるスイッチングプレート２６を廃止し、永久磁石３４を付加したものである。第一の実施の形態における部品ないし部位と実質的に同じ部品ないし部位には同じ符号を用い、重複した説明を省略することとする。

図８、図９、図１０は非連結状態を示す。図８に示すように、磁性体でできたアーマチュア３１は第一の実施の形態におけるアーマチュア１５と同様に、保持器１３に対して軸方向にのみ相対移動可能な関係にある。外輪１２には、アーマチュア３１と対向するようにロータ３２が非磁性体のロータガイド３３と共に固定されている。ロータ３２は、電磁コイル１７を収容した凹部からアーマチュア３１側に向かって貫通したスリット３５を有し、このスリット３５に永久磁石３４が固定してある。ここで、電磁コイル１７に通電すると、図１０の破線で示すように、電磁コイル１７の磁束がアーマチュア３１内を通過する永久磁石３４の磁束（実線矢印）と反対向きに発生する。その結果、アーマチュア３１での磁束による吸引力が打ち消され、弾性部材３６の作用でアーマチュア３１はロータ３２から離れる。

図１１、図１２、図１３は連結状態を示す。この場合、電磁コイル１７が非通電状態であり、永久磁石３４で発生する磁束が図１３に実線矢印で示すようにアーマチュア３１を通過する。これにより、アーマチュア３１がロータ３２に吸着され、アーマチュア３１とロータ３２が摩擦接触する結果、クラッチが連結状態となる。

上述のとおり、第一の実施の形態および第二の実施の形態共に、ステアバイワイヤシステムのフェールセーフ機構として、電磁コイルに通電すると非連結状態となり、電磁コイルを非通電状態とすると連結状態となる、逆作動型のクラッチを使用したものである。なお、外輪側を円筒面とし、内輪にカム面を形成した場合を例にとって説明したが、これとは逆に、内輪側を円筒面とし、外輪にカム面を形成してもよい。

実施の形態を示すステアバイワイヤシステムの模式図である。 第一の実施の形態を示すクラッチ部分の縦断面図である。 図２のIII−III断面図である。 図２の要部拡大図である。 クラッチ作動時を示す図２と類似の縦断面図である。 図５のVI−VI断面図である。 図５の要部拡大図である。 第二の実施の形態を示すクラッチ部分の縦断面図である。 図８のIX−IX断面図である。 図８の要部拡大図である。 クラッチ作動時を示す図８と類似の縦断面図である。 図１１のXII−XII断面図である。 図１１の要部拡大図である。 従来の技術を示すステアバイワイヤシステムの模式図である。

符号の説明

１ ステアバイワイヤシステム
２ ステアリングホイール
３ ステアリングギヤ
４ 第一モータ
５ 第二モータ
６ コントローラ
７ 車輪
８ 第一シャフト
９ 第二シャフト
１０ クラッチ
１１ 内輪
１２ 外輪
１３ 保持器
１４ ローラ
１５，３１ アーマチュア
１６，３２ ロータ
１７ 電磁コイル
１８ スイッチばね
１９ カム面
２０ 円筒面
２１ ポケット
２２ 第一回転軸
２３ 第二回転軸
２４ ケース
２５，３５ スリット
２６ スイッチングプレート
２７，３３ ロータガイド
２８，２９，３６ 弾性部材
３０ 止め輪
３４ 永久磁石

Claims (3)

1. ステアリングホイールに連結された第一シャフトと、第一シャフトに操舵反力を与える第一モータと、ステアリングギヤに連結された第二シャフトと、第二シャフトに操舵力を与える第二モータと、第一シャフトと第二シャフトとの間に装着され第一シャフトと第二シャフトを連結または非連結状態に切り替えるクラッチとを備え、常時は前記クラッチを非連結状態にし、第一モータから第一シャフトへ操舵反力を与えるとともに、第二モータから第二シャフトへ操舵力を与えて操舵するステアバイワイヤシステムにおいて、
   前記クラッチを、機械式クラッチ部と、前記機械式クラッチ部を制御する電磁コイルとで構成し、電磁コイルが通電状態では機械式クラッチ部が非連結状態となり、電磁コイルが非通電状態では機械式クラッチ部が連結状態となる逆作動型クラッチであることを特徴とするステアバイワイヤシステム。
2. 前記クラッチが、
   第一シャフトおよび第二シャフトのうちのいずれか一方に連結された内輪と、他方に連結された外輪、
   前記内輪および前記外輪のいずれか一方に形成されたカム面と、他方に形成された円筒面とで形成された楔空間、
   前記カム面を形成した部材に対し回転方向に関して弾性的に保持された保持器、
   前記内輪と前記外輪との間に介在し前記保持器により保持された係合子、
   前記保持器に対して軸方向にのみ移動可能なアーマチュア、
   前記円筒面を形成した部材に対し軸方向にのみ移動可能なスイッチングプレート、
   前記円筒面を形成した部材に固定され、前記スイッチングプレートと対向するロータ、
   前記スイッチングプレートを前記ロータから遠ざかり、かつ、前記アーマチュアに近づく向きに押す弾性部材、および、
   通電により前記弾性部材に抗してスイッチングプレートをロータ側に移動させる電磁コイル
   を具備し、電磁コイルの通電時には、アーマチュアとスイッチングプレートとの間にすきまが形成され、機械式クラッチ部が非連結状態となり、電磁コイルの非通電時には、弾性部材の作用でアーマチュアとスイッチングプレートとが摩擦接触して機械式クラッチ部が連結状態となることを特徴とする請求項１のステアバイワイヤシステム。
3. 前記クラッチが、
   第一シャフトおよび第二シャフトのうちのいずれか一方に連結された内輪と、他方に連結された外輪、
   前記内輪および前記外輪のいずれか一方に形成されたカム面と、他方に形成された円筒面とで形成された楔空間、
   前記カム面を形成した部材に対し回転方向に関して弾性的に保持された保持器、
   前記内輪と前記外輪との間に介在し前記保持器により保持された係合子、
   前記保持器に対して軸方向にのみ移動可能なアーマチュア、
   前記円筒面を形成した部材に固定され、前記アーマチュアと対向するロータ、
   前記アーマチュアを前記ロータから遠ざかる向きに押す弾性部材、
   前記ロータの前記アーマチュアに対向する面に形成したスリット、
   前記スリットに固定され、その磁束によって前記弾性部材に抗して前記アーマチュアを前記ロータ側へ移動させる永久磁石および電磁コイル
   を具備し、電磁コイルの通電時には、アーマチュアに作用する吸引力が減少し、弾性部材の作用でアーマチュアがロータから離れ、機械式クラッチ部が非連結状態となり、電磁コイルの非通電時には、永久磁石から発生する磁束によって、アーマチュアを弾性部材に抗してロータ側に吸引し、アーマチュアとロータが摩擦接触して機械式クラッチ部が連結状態となることを特徴とする請求項１のステアバイワイヤシステム。