JP2005526933A - 遊びのないステアリングギア - Google Patents
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Abstract
車両の操舵のためのウオームギアトランスミッションが提案され,それにおいてセルフロックはウオームギアトランスミッション1のウオームホイール(19)に作用するモーメントMの回転方向に依存しない。
Description
本発明は,軸上に相対回動不能に配置されているウオームと,そのウオームに噛合するウオームホイールとを有する,車両操舵のためのウオームギアトランスミッションに関するものであって,その場合にウオームとウオームホイールは半径方向に付勢されている。
従来の車両操舵,重畳トランスミッションを有する車両操舵とステア−バイ−ワイヤ操舵設備は,1つ又は複数のステアリングギアを必要とし,それを用いてステアリングホイールの回転運動が操舵される車輪の回転運動に変換される。
従来の電気的なサーボ操舵においては,さらに電動機によってもたらされるモーメントが操舵に結合されなければならない。ステア−バイ−ワイヤ操舵設備においては,ステアリングホイールと操舵される車輪との間に,機械的又は油圧的な結合は存在しない。操舵操作装置は,運転者意図と,例えばヨーレート又は走行速度などの他の変量に応じて操舵車輪の位置を制御する。操舵車輪の操舵運動は,自由にプログラミング可能であって,全操舵作業は,電気的又は油圧的な操舵操作装置によってもたらされる。
重畳トランスミッションを有する車両操舵において,運転者意図とは関係なく操舵介入を可能にするために,従来の操舵が重畳トランスミッションと組合わされる。このことにより,ステア−バイ−ワイヤ操舵設備の特性が最も進んだ形で達成される。この重畳トランスミッションにおいては,遊びは望ましくない。というのは,それが操舵感覚を劣化させ,操舵介入の正確さが低減され,さらに,回転方向を変える際に「バキッという音」に気づいて不快になるからである。
上述した目的のために,電動機を有するウオームギアトランスミッションが使用されることが多い。というのは,これは通常セルフロックするものであり,従ってウオームギアトランスミッションが回転しなくなった場合に,電動機を電流なしに切り替えることができるからである。
未公開のローベルトボッシュ社の書類記号DE10051506.9(出願日2000年10月17日)を有する特許出願から,車両操舵のためのトランスミッションが知られており,そのトランスミッションにおいてはウオームギアトランスミッションのウオームが固定されている軸は,半径方向に揺動可能に軸承されている。2つの軸受の一方が,半径方向に摺動することができる。半径方向のばね力を加えることによって,軸は固定軸受を中心に揺動されて,従ってウオームホイール内のウオームの遊びのない噛合が保証される。
ウオームギアトランスミッションの電気的な駆動装置が駆動されない場合には,ウオームギアトランスミッションはセルフロックすることによって,ステアリングホイールの操舵運動が直接,かつ変化されずに操舵車輪へ伝達される。
請求項1の特徴を有するウオームギアトランスミッションにおいては,ウオームギアトランスミッションのセルフロックは,電動機がオフにされた場合にウオームホイールに作用するモーメントの方向性に依存しない。従ってウオームギアトランスミッションの行動は,電動機が電流なしに切り替った場合でも,回転方向に無関係である。
それによって,本発明に基づくウオームギアトランスミッションを搭載した車両のための操舵設備の機能安全性は,特に電動機又は制御装置が故障している場合でも,高められる。この利点は,極めて重要である。というのは,操舵設備は,車両の電気的設備の一部が故障した場合でも,さらに機能できなければならないからである。
本発明の変形例においては,軸はハウジング内で固定軸受と少なくとも1つの可動軸受とによって軸承されており,1つ又は複数の可動軸受はハウジング内で半径方向に摺動可能であって,及び/又はハウジングは可動軸受を収容するための長孔を有しており,長孔の長手軸が半径方向に延びている。この変形例においては,軸の揺動運動は長孔によって予め与えられる。接線方向に軸が変位することは,不可能である。さらに,長孔は製造技術的に容易に形成される。本発明の他の補足においては,長孔は支持リングを介してハウジングに対して支持されるので,可動軸受は半径方向負荷を供給されず,あるいは線形の半径方向負荷を供給されず,ハウジング内の可動軸受のガイドが改良される。
本発明の他の補足においては,可動軸受とハウジングの間,あるいは支持リングとハウジングの間に少なくとも1つのばね部材,特に螺旋ばね又は皿ばねが設けられているので,簡単かつ安価な方法で,ウオームとウオームホイールあるいは歯付きロッドの間の定められた付勢を調節することができる。その場合に付勢力は,大体において1つ又は複数のばね部材のばね率に依存し,支持リングとハウジングの製造許容誤差にはわずかな範囲でしか依存しない。
本発明の特に好ましい形態においては,可動軸受は板ばねを介してハウジングと結合されており,板ばねは軸の長手軸線に対して垂直かつ可動軸受が摺動できる方向に対して垂直に,ハウジングと可動軸受との間に延びている。板ばねはハウジングに,ウオームとウオームホイールとの間に所望の圧接力が達成されるように,固定される。この実施形態においては,構成部品の数が削減される。というのは,板ばねは,ばね機能もガイド機能も引き受けるからである。さらに,この仕様は,極めて簡単に組み立てられる。
本発明の他の形態においては,可動軸受とハウジングの間,又は支持リングとハウジングの間に捻れ防止手段が取り付けられているので,可動軸受はハウジング内で捻れることはできず,捻れた場合には機能が損なわれる可能性がある。
本発明の他の補足においては,ウオームは電動機のロータ軸上に相対回動不能に配置されているので,構成部品の数が削減され,本発明に基づくトランスミッションの特にコンパクトな構造が可能となる。
極端な場合において可能な,セルフロックが失われた場合に,車両操舵の機能能力と駆動行動への作用を最小限に抑えるために,さらに,ウオームギアトランスミッションを電動機を介してロックすることができる。ウオームギアトランスミッションのこのロックは,電動機のカウンターモーメントの構築によってアクティブに,あるいは電動機の少なくとも2つの相の短絡によってパッシブに達成することができる。パッシブなロックは,電動機が回転しない場合に,電動機の少なくとも2つの相が短絡され,かつ電圧供給から分離されることによって行われる。電動機がこの状態においてウオームギアトランスミッションのセルフロックにもかかわらず駆動された場合に,電動機は相の短絡によってブレーキモーメントを構築する。それによって意図されない回転運動が,著しく減少される。
好ましくは,電動機の少なくとも2つの相の短絡によるパッシブなロックは,リレーによって,あるいはFET半導体素子によって行われる。
ウオームギアトランスミッションのアクティブ及びパッシブなロックは,本発明に基づく非対称の歯切りに関係なく,好ましくは減速トランスミッションを有する他の電気的な駆動装置においても使用することができる。
そして,本発明に基づくウオームギアトランスミッションは,電子的なサーボ操舵のサーボユニット内,歯付きロッドステアリングギア内,重畳トランスミッションを有する操舵操作装置内で,あるいはステア−バイ−ワイヤ操舵設備の電動の操舵操作装置として使用することができる。
本発明の他の利点と好ましい形態は,以下の図面とその説明から明らかにされる。
それによって,本発明に基づくウオームギアトランスミッションを搭載した車両のための操舵設備の機能安全性は,特に電動機又は制御装置が故障している場合でも,高められる。この利点は,極めて重要である。というのは,操舵設備は,車両の電気的設備の一部が故障した場合でも,さらに機能できなければならないからである。
図1には,本発明に基づくウオームギアトランスミッション1の第1の実施例が示されている。トランスミッション1は,軸5を有する電動機3からなり,その軸がロータ7を支持している。軸5は,その一方の端部において概略的にだけ図示されている固定軸受9によって電動機3のハウジング11内に軸承されている。電動機3の反対側の端部には,可動軸受13が設けられている。軸5の軸端部15上にウオーム17が相対回動不能に固定されている(図示せず)。従って,ウオーム17は,軸5上に片持ちで軸承されており,ウオームホイール19と噛合し,そのウオームホイールは従動軸21上に固定されている。従動軸21の軸承は,図1には示されていない。ウオーム17とウオームホイール19の間の歯切り内の遊びを防止するために,軸5は固定軸受9を中心に矢印X1方向に揺動することができる。軸5の揺動運動は,可動軸受13がハウジング11内でウオームホイール19の方向に摺動可能に取り付けられることによって可能にされる。可動軸受13が軸5と共に摺動可能な方向が,矢印23で示されている。
螺旋ばねとして形成されているばね部材25は,ウオーム17をウオームホイール19上へ押圧するので,電動機3の回転運動が従動軸21上に遊びなしに伝達される。ばね部材25のばね率と付勢は,電動機3の回転方向及びモーメントと関係なく,ウオーム17及びウオームホイール19の歯側面間に発生する力が,ばね部材25のばね力に抗して軸5を揺動不可能な大きさに設計されている。他方で,本発明に基づくトランスミッションが動きにくくなって,摩耗が不必要に大きくなることを防止するために,ばね部材25のばね力が必要以上に大きくならないように注意される。
電動機3の機能を保証するために,可動軸受13の揺動距離X2は,ロータ7が電動機のステータ27を擦ることができないような大きさに設計されることが必要である。さらに,電動機3の(場合によっては存在している)ブラシ又は回転角度センサ41が軸5の揺動によってその機能を損なわれることがないように,注意される。これは,ロータ7とステータ27の間の間隙X3が,ロータ7とステータ27との接触が生じることのないような大きさに設計されなければならないことを意味している。
ブラシ29又は図示されていない回転角度センサは,好ましくは固定軸受9の近傍に配置される。ハウジング11内の可動軸受13の配置を,以下,図3において詳細に説明する。
図1においては,ウオームホイール19の歯31の右の歯側面(20)の噛合角度αrは,歯31の左の歯側面(22)の噛合角度αlと等しい。ウオームギアトランスミッション1は,セルフロックするように形成されているので,電動機3の電流がなくなった場合には,ウオームホイール19は回転することはできない。セルフロックは,ウオーム17のピッチ角度(図示せず)の適切な選択と高い摩擦係数によって達成し,あるいは改良することができる。
ウオーム17がウオームホイール19上にモーメントを伝達した場合に,ウオーム17に半径方向力Frが生じる。半径方向力Frは,ばね部材25のばね力FFederに拮抗作用する。さらに,ウオーム17からウオームホイール19へモーメントを伝達することによって,軸力FAも発生する。回転方向に従って,軸力FAはその方向を変化させる。ばね部材25は,ばね部材25の圧接モーメント
FFeder x a
が,モーメント
FR x b−FA x c
よりも大きくなるように,設計されなければならない。
FFeder x a
が,モーメント
FR x b−FA x c
よりも大きくなるように,設計されなければならない。
ウオームホイール19上に従動軸21を介してモーメントMが伝達された場合に,ウオーム17とウオームホイール19の歯31の間の歯切りに関して次のようなモーメント収支が生じる:
場合1:モーメントMは,反時計方向に作用する(数学的に正):
ΣM=Fa,r x c−FFeder x a+Fr,r x b=0
なお,
FN,r:歯31の右の歯側面20とウオーム17の間の垂直力
Fa,r:FN,rの軸方向成分
Fr,r:FN,rの径方向成分
a,b,c:有効な梃子の腕の長さ
ΣM=Fa,r x c−FFeder x a+Fr,r x b=0
なお,
FN,r:歯31の右の歯側面20とウオーム17の間の垂直力
Fa,r:FN,rの軸方向成分
Fr,r:FN,rの径方向成分
a,b,c:有効な梃子の腕の長さ
場合2:モーメントMは,時計方向に作用する(数学的に負):
ΣM=−Fa,l x c−FFeder x a+Fr,r x b=0
なお,
FN,l:歯31の左の歯側面22とウオーム17の間の垂直力
Fa,l:FN,lの軸方向成分
Fr,l:FN,lの径方向成分
a,b,c:有効な梃子の腕の長さ
ΣM=−Fa,l x c−FFeder x a+Fr,r x b=0
なお,
FN,l:歯31の左の歯側面22とウオーム17の間の垂直力
Fa,l:FN,lの軸方向成分
Fr,l:FN,lの径方向成分
a,b,c:有効な梃子の腕の長さ
Fa,rとFa,lの符号が異なることにより,図1に示すウオームギアトランスミッション1のセルフロックは,回転方向に関係する。この効果は,例えばウオームギアトランスミッション1が電気的なサーボ操舵のサーボユニット内,歯付きロッド操舵トランスミッション内,操舵操作装置内,重畳トランスミッション内及び/又はステア−バイ−ワイヤ操舵設備の操舵操作装置として使用される場合には,望ましくない。
ウオームギアトランスミッション1の対称の行動は,歯31の右の歯側面20の噛合角度αrと左の歯側面22の噛合角度αlが異なるように選択された場合に得ることができる。
図2には,本発明に基づくウオームギアトランスミッション1の実施例が,概略的に示されている。同一の構成部分には同一の参照符号が設けられており,図1に関して説明したことが,同様に当てはまる。
図2に示す歯切りにおいては,歯31の右の歯側面20の噛合角度αrは,左の歯側面22の噛合角度αlよりも小さい。右と左の噛合角度αrとαlを適切に選択することによって,ウオームギアトランスミッション1の回転方向に依存しない行動を得ることができる。その場合に,梃子の腕の長さa,b,cとばね力FFederが,噛合角度αrとαlの選択に影響を与える。原理的に,ばね力FFederは,摩擦と摩耗を最小限に抑えるために可能な限り小さくすべきである。
ウオームギアトランスミッション1のセルフロックは,図2に示すように,可動軸受13が滑り軸受として形成される場合に,さらに改良される。滑り軸受は,軸端部15と結合されたジャケット32と軸受シェル33からなり,その軸受シェルはハウジング内に矢印23の方向に摺動可能に配置されている。ばね部材25は,所望のように遊びのないことを保証するために,力FFederを軸受シェル33上加える。滑り軸受として形成されている可動軸受13の,ハウジング11内の配置を,以下の図4で詳細に説明する。ジャケット32は,軸端部15全体にわたって延びることもでき,ウオームホイールをジャケット32と結合することもできる。この形態は,図示されていない。
可動軸受が滑り軸受として形成されており,かつ軸5が回転しない場合には,ジャケット32と軸受シェル33との間に滑り摩擦が作用する。付着摩擦係数μHaftは,軸5が回転する場合の抵抗にとって重要な,滑り摩擦係数μGleitよりも大きい。この効果によって,本発明に基づくウオームギアトランスミッション1のセルフロックはさらに改良され,電動機3によるウオームギアトランスミッション1の駆動にとって取り立てて言うほどの欠点は生じない。
ウオームギアトランスミッション1と滑り軸受の歯切りのために適当な潤滑剤を選択することによっても,この効果を強化することができる。潤滑剤は,一方では,小さい滑り摩擦係数μGleitを有し,他方では軸5が静止している場合にジャケット32と軸受シェル33及びウオーム17とウオームホイール19をできる限り堅固に結合する。
極端な例外場合において,ウオームギアトランスミッション1のセルフロックが十分でなく,かつ電動機がウオームを介して駆動される場合には,この回転運動が回転角度センサ41(図1を参照;図2には示されていない)によって検出される。図示されていない制御装置が電動機3を,電動機が再び元の位置を占めて,電動機によってカウンターモーメントが構築されるように駆動するので,ウオームギアトランスミッション1がロックされる。このロックは,本発明との関連において,アクティブロックと称される。
このアクティブロックの代わりに,ウオームギアトランスミッション1のいわゆるパッシブなロックのために,いわゆる電動力を利用することができ,それを以下で図2を用いて説明する。
図2には,電動機3の3つの相u,vとwが暗示的に示されている。電動機3が回転されない場合には,従来技術によれば,3つの相u,v及びwは電流なしへ切り替えられる。この場合においては,ウオームギアトランスミッション1のセルフロックのみが,ウオームホイール19からウオームギアトランスミッション1内へ導入されるモーメントMが電動機3の回転運動をもたらさないようにさせる。極端な場合において,セルフロックが機能しない場合には,本発明によれば,少なくとも2つの相u,v又はwを短絡させ,かつ電動機3を電圧供給(図示せず)から分離することによって,電動機3の電動力をトランスミッションのロックのために利用することができる。電動機が短絡されて,ウオームギアトランスミッションを介して駆動される場合には,モータがジェネレータ駆動においてブレーキモーメントを構築する。このブレーキモーメントは,電動機の回転数に伴って線形に増大する。電動機の回転数が小さい場合にすでに,モーメントMあるいはウオーム17を介して電動機3の軸5へ導入されるモーメントと釣り合うブレーキモーメントが生じる。相u,v及び/又はwの短絡は,リレー又はFET半導体素子を介して実施することができる。
この状態で,ステアリングホイールにおいて操舵プロセスが実施され,同時にウオームギアトランスミッション1のセルフロックが機能しなくなった場合には,電動機はジェネレータ駆動において小さい回転数で回転する。その場合に,生じる回転数は小さいので,それによって操舵プロセスが危険にさらされることはなく,かつステアリングホイールから操舵される車輪への確実な貫通操舵が保証されている。
代替的に,セルフロックが機能しない場合でも電動機3を図示されていない制御装置によって,ロータ7が回転せず,ウオームホイール19上に作用するモーメントMに対するカウンターモーメントが構築されるように,駆動することができる。そのためには,図2に示すような,回転角度センサ41が設けられていることが必要である。しかし,回転角度センサには,通常,車両操舵のための本発明に基づくウオームギアトランスミッションにおいては初めから設けられている。というのは,ステアリングギアの位置を監視しなければならないからである。
本発明に基づく非対称の歯切りと電動機3の配線は,図2において説明したウオームギアトランスミッション1においても使用できることに,はっきりと言及しておく。
図3は,図1に示す可動軸受13の断面を示している。軸端部15は,玉軸受37によって支持リング47内に軸承されている。支持リング47も,ハウジング11の長穴49内に収容されている。長穴49は,矢印23の方向において支持リング47が長さX2の倍だけ摺動することができるような寸法に設計されている。即ち,半径方向における長穴49の長さによって,摺動距離X2が定められる。ばね部材25は,直接玉軸受37の外輪に作用するか,あるいは間接的に支持リング47を介して軸端部15へ作用する。接線方向(ここでは矢印51によって示唆される)において,長穴49は,支持リング47が長穴49内へ遊びなしで嵌め込まれるような寸法に設計されている。ばね部材25は,支持リング47が長穴49内で捻れるのを防止するために,同時に捻れ防止に用いられる。接線方向に遊びがなく,半径方向においては距離X2の2倍だけ支持リング47の摺動を許す,他の形態も保護されるべきである。
図4は,図2に示す本発明に基づく可動軸受13の他の実施例を断面で示している。軸端部15は,ジャケット32によって押圧されている。ジャケット32は,軸受シェル33内で回転することができる。ばね部材25は,この実施例においては板ばねとして形成されており,かつハウジング11と,所望のばね力FFederをウオーム17(図2を参照)上をもたらすように,結合されている。軸受シェル33とばね部材25は,図示の実施例においては,一体的に形成されている。−例えば噛合力が大きい場合の−終端ストッパは,モータハウジング11内に破線で示されている孔53によってもたらされる。
ばね部材25とハウジング11との間の結合は,ばね力FFederと接線方向(矢印51を参照)に作用する力がばね部材25によって確実に伝達できるように,構成されている。摺動可能な可動軸受のこの実施例は,特に製造,組立て及び機能において好ましい。さらに,この配置は接線方向において(矢印51を参照)完全に遊びがない。
本発明とその利用可能性は,実施例に示すウオームギアトランスミッションに限定されるものではなく,他の構造のトランスミッションにおいても,効果的に使用することができる。
明細書,図面及び特許請求項に記載されているすべての特徴は,単独でも,あるいは任意の組合わせにおいても発明の本質をなすことができる。
本発明の実施例を図面に示し,以下で説明する。
外歯切りを有する,本発明に基づくウオームギアトランスミッションの第1の実施例を示している。
本発明に基づくウオームギアトランスミッションの第2の実施例を示している。
本発明に基づく軸軸承の第1の実施形態の詳細を示している。
本発明に基づく軸軸承の第2の実施形態の詳細を示している。
Claims (14)
- 半径方向(23)に揺動可能に軸承された軸(5)と,前記軸(5)上に相対回動不能に配置されているウオーム(17)と,前記ウオーム(17)と噛合するウオームホイール(19)とを有し,その場合に,前記ウオーム(17)と前記ウオームホイール(19)が半径方向に付勢されている車両操舵のウオームギアトランスミッションにおいて,
右の歯側面(20)の噛合角度αrと左の歯側面(22)の噛合角度αlが,互いに異なり,かつ,前記ウオーム(17)と前記ウオームホイール(19)の間の垂直力(FN)が,前記ウオームホイール(19)から前記ウオーム(17)へもたらされるモーメントの回転方向に依存しないように選択されている,
ことを特徴とするウオームギアトランスミッション。 - 前記軸(5)が,ハウジング(11)内に固定軸受(9)と少なくとも1つの可動軸受(13)によって軸承されており,かつ
1つ又は複数の可動軸受(13)が前記ハウジング(11)内で前記半径方向(23)に摺動可能である,
ことを特徴とする請求項1に記載のウオームギアトランスミッション。 - 前記ハウジング(11)は,前記可動軸受(13)を収容するための長孔(49)を有しており,かつ
前記長孔(49)の長手軸が前記半径方向(23)に延びている,
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のウオームギアトランスミッション。 - 前記可動軸受(13)は,支持リング(47)を介して前記ハウジング(11)に対して支持されている,ことを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項に記載のウオームギアトランスミッション。
- 前記可動軸受(13)と前記ハウジング(11)の間,あるいは前記支持リング(47)と前記ハウジング(11)の間に,少なくとも1つのばね部材(25)が設けられている,ことを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項に記載のウオームギアトランスミッション。
- 前記ばね部材(25)は,螺旋ばね又は皿ばねである,ことを特徴とする請求項5に記載のウオームギアトランスミッション。
- 前記可動軸受(13)と前記ハウジング(11)の間,あるいは前記支持リング(47)と前記ハウジング(11)の間に,捻れ防止手段が取り付けられている,
ことを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか1項に記載のウオームギアトランスミッション。 - 前記可動軸受(13)が板ばねを介して前記ハウジング(11)と結合されており,かつ
前記板ばねは,前記軸(5)の長手軸に対して垂直に,かつ前記可動軸受(13)が摺動できる方向(23)に対して垂直に,前記ハウジング(11)と前記可動軸受(13)の間に延びている,
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のウオームギアトランスミッション。 - 前記軸(5)は,電動機のロータ軸である,ことを特徴とする請求項1〜8のうちいずれか1項に記載のウオームギアトランスミッション。
- 前記ウオーム(17)は,前記軸(5)上に片持ちで軸承されている,ことを特徴とする請求項1〜9のうちいずれか1項に記載のウオームギアトランスミッション。
- 前記軸(5)は,滑り軸受(9)及び/又は転がり軸受(13)によってハウジング(11)内に軸承されている,ことを特徴とする請求項1〜10のうちいずれか1項に記載のウオームギアトランスミッション。
- 電動機(3)によって駆動される駆動軸(5)と従動軸(21)とを有する,請求項1から11のいずれか1項に記載の車両操舵のためのトランスミッションにおいて,
前記電動機(3)が回転しない場合には,前記電動機(3)の少なくとも2つの相(u,v,w)が短絡され,前記電動機(3)が電圧供給から分離される,
ことを特徴とする請求項1〜11のうちいずれか1項に記載のウオームギアトランスミッション。 - 前記電動機(3)の少なくとも2つの相(u,v,w)の短絡が,リレーによって,あるいはFET半導体素子によって行われる,
ことを特徴とする請求項1〜12のうちいずれか1項に記載のウオームギアトランスミッション。 - 請求項1〜13のうちいずれか1項に記載のウオームギアトランスミッションの使用において,
前記ウオームギアトランスミッション(1)が電気的サーボ操舵のサーボユニット内,歯付きロッドステアリングギア内,操舵操作装置内,重畳トランスミッション内及び/又はステア−バイ−ワイヤ操舵設備の操舵操作装置として使用される,ことを特徴とする使用。
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