JP2007001564A - Steer-by-wire system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ステアリングホイールから転舵輪までを機械的に非連結にして、ステアリングホイールの操舵角を電気的に検出し、当該検出信号に基づいて制御装置により転舵輪の転舵角を算出し、転舵用アクチュエータの駆動力により転舵輪を転舵するステアバイワイヤシステムに関する。 The present invention mechanically disconnects from the steering wheel to the steered wheel, electrically detects the steering angle of the steering wheel, calculates the steered angle of the steered wheel by the control device based on the detection signal, The present invention relates to a steer-by-wire system that steers a steered wheel with a driving force of a steer actuator.
ステアリングホイールから転舵輪までを機械的に連結しない、ステアバイワイヤ(SBW)によるステアリングシステムが提案されている。 A steering system using steer-by-wire (SBW) that does not mechanically connect a steering wheel to a steered wheel has been proposed.
このステアリングシステムは、ステアリングホイールの操舵角を電気的に検出し、この検出信号に基づき制御装置(ECU)が転舵輪の転舵角を算出し、ステアリングホイールとは機械的に独立したアクチュエータを駆動制御して、転舵輪を転舵駆動するものである。 This steering system electrically detects the steering angle of the steering wheel, and based on this detection signal, the control unit (ECU) calculates the turning angle of the steered wheel and drives an actuator that is mechanically independent from the steering wheel. The steering wheel is steered and driven.
このようなステアバイワイヤを採用した場合、ステアリングシステムを構成する各種装置の配置や設計自由度等が拡大し、全体的なステアリングシステムの小型化等を図り易くなる。 When such a steer-by-wire is adopted, the arrangement of various devices constituting the steering system, the degree of design freedom, and the like are expanded, and the overall steering system can be easily downsized.
特許文献1では、ステアバイワイヤであって、ラックアンドピニオン式ステアリングにより、タイロッドを直動運動させて、左右独立に車輪を転舵するように構成してある。
In
特許文献2では、ステアバイワイヤであって、ボールねじ式により、タイロッドを直動運動させて、左右独立に車輪を転舵するように構成してある。
In
また、非特許文献1では、ピットマンアームを用いたいわゆるボールねじ式ステアリング機構も公知である。
しかしながら、特許文献1及び2に於いて、タイロッドを直動運動させて転舵を行う方式では、アクチュエータが軸方向に長くなり、エンジンレイアウトなどほかの部品に制約を与えていた。
However, in
また、特許文献1及び2では、アクチュエータに万一異常があった場合には、正常に転舵ができない問題もあった。
Moreover, in
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、左右輪を独立に転舵可能にして、車両の運動性能を向上し、同時に、コンパクトな転舵機構を提供して、エンジン部品等のレイアウト性を向上し、加えて、フェールセーフ機能を備えたステアバイワイヤシステムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and allows the left and right wheels to be steered independently, improving the motion performance of the vehicle, and at the same time providing a compact steering mechanism, An object of the present invention is to provide a steer-by-wire system that improves the layout of engine parts and the like and has a fail-safe function.
上記の目的を達成するため、本発明に係るステアバイワイヤシステムは、入力装置から転舵輪までを機械的に非連結にして、前記入力装置の入力に従って制御装置が転舵用アクチュエータを制御し、その駆動力により転舵輪を転舵するステアバイワイヤシステムに於いて、
前記転舵用アクチュエータは、揺動回転運動を出力し、タイロッドアームを移動して、転舵輪を転舵することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the steer-by-wire system according to the present invention mechanically disconnects from the input device to the steered wheels, and the control device controls the steering actuator according to the input of the input device. In the steer-by-wire system that steers the steered wheels by the driving force,
The steering actuator outputs a swinging and rotating motion, moves a tie rod arm, and steers the steered wheels.
好適には、前記転舵用アクチュエータは、車両の左右の転舵輪に対応して、1対、設けてある。 Preferably, a pair of the steering actuators are provided corresponding to the left and right steered wheels of the vehicle.
また、好適には、前記転舵用アクチュエータは、そのハウジングが車両に固定してあり、前記揺動回転運動をピットマンアームから出力し、
前記タイロッドアームは、その一端に、当該ピットマンアームが連結してあり、その他端に、ナックルアームが連結してある。
Preferably, the steering actuator has a housing fixed to the vehicle, and outputs the oscillating rotational motion from a pitman arm.
The tie rod arm has one end connected to the pitman arm and the other end connected to a knuckle arm.
さらに、好適には、一方の転舵用アクチュエータの駆動力を、他方の転舵用アクチュエータに機械的に伝達するフェールセーフ機構を、更に具備する。 Furthermore, it is preferable to further include a fail-safe mechanism that mechanically transmits the driving force of one steering actuator to the other steering actuator.
さらに、好適には、揺動回転出力軸と電動モータの駆動軸とは、ウォーム減速機構を介して略直交してある。 Further preferably, the swing rotation output shaft and the drive shaft of the electric motor are substantially orthogonal to each other via a worm reduction mechanism.
さらに、好適には、揺動回転出力軸は、遊星歯車機構によって駆動され、
当該遊星歯車機構は、
ハウジングに固定された固定内歯歯車と、
出力軸を駆動する出力軸内歯歯車と、
固定内歯歯車と出力軸内歯歯車に噛み合い、一体となって公転および自転する公転歯車列と、
当該公転歯車列を公転させる入力キャリアと、
を具備する。入力キャリアはウォームホイールにより駆動される。
Further preferably, the oscillating rotation output shaft is driven by a planetary gear mechanism,
The planetary gear mechanism is
A fixed internal gear fixed to the housing;
An output shaft internal gear for driving the output shaft;
A revolving gear train that meshes with the fixed internal gear and the output shaft internal gear and revolves and rotates together;
An input carrier for revolving the revolution gear train,
It comprises. The input carrier is driven by a worm wheel.
さらに、好適には、前記転舵用アクチュエータは、モータの回転を減速機を介して、前記揺動回転運動として出力し、
前記減速機は、
中心軸で回転する太陽歯車と、
当該太陽歯車の外周歯に噛合しながら、公転・自転する複数の第1遊星歯車と、
当該第1遊星歯車を内接しながら、噛合する非回転の第1外輪歯車と、
前記第1遊星歯車と異なる歯数を有し、前記第1遊星歯車と一体的に自転・公転する複数の第2遊星歯車と、
当該第2遊星歯車を内接しながら、噛合して回転し、これにより、前記ピットマンアームに、前記揺動回転運動を出力する第1外輪歯車と、を具備する。
Further preferably, the steering actuator outputs the rotation of the motor as the oscillating rotational motion through a reduction gear,
The speed reducer is
A sun gear rotating around the central axis;
A plurality of first planetary gears that revolve and rotate while meshing with the outer peripheral teeth of the sun gear,
A non-rotating first outer ring gear that meshes with the first planetary gear inscribed,
A plurality of second planetary gears having a different number of teeth from the first planetary gears and rotating and revolving integrally with the first planetary gears;
The first planetary gear includes a first outer ring gear that rotates while meshing with the second planetary gear while being inscribed, thereby outputting the oscillating rotational motion to the pitman arm.
本発明によれば、転舵用アクチュエータは、揺動回転運動を出力し、タイロッドアームを移動して、転舵輪を転舵することから、車両の運動性能を向上することができ、また、コンパクトな転舵機構を提供してエンジン部品等のレイアウト性を向上することができる。 According to the present invention, the steering actuator outputs a swinging rotary motion, moves the tie rod arm, and steers the steered wheels, so that the motion performance of the vehicle can be improved, and the compact A simple steering mechanism can be provided to improve the layout of engine parts and the like.
さらに、車両レイアウトの自由度を高めることができ、遊星歯車機構を用いた場合のバックラッシの低減を図り、騒音を低減しつつ、操縦性を向上することができる。 Furthermore, the degree of freedom of the vehicle layout can be increased, the backlash when the planetary gear mechanism is used can be reduced, and the maneuverability can be improved while reducing the noise.
以下、本発明の実施の形態に係るステアバイワイヤシステムを図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, a steer-by-wire system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施の形態)
図1は、本発明の第1実施の形態に係るステアバイワイヤシステムを搭載した車両の平面模式図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic plan view of a vehicle equipped with a steer-by-wire system according to a first embodiment of the present invention.
本実施の形態では、大略的には、直動式のアクチュエータを用いず、ピットマンアーム2を回転(揺動)させる転舵用アクチュエータ1(ロータリーアクチュエータ)を用いて、タイロッドアーム3やナックルアーム4を動かし、前輪(転舵輪)を転舵させる。また、転舵用アクチュエータ1を、一対用いることで、左右それぞれの前輪を転舵させる。
In the present embodiment, generally, a
このように、転舵用アクチュエータ1を用いた転舵方式により、車両中央部分には、ステアリング機構はなくなるため、エンジンなど他部品のレイアウト性が向上する。
Thus, the steering system using the
また、一対の転舵用アクチュエータ1によって、左右独立に操舵が可能となるため、左右それぞれのコーナリング力が最大に得られるように、タイヤ角度を変化させて操舵し、車両の運動性能を向上させることができる。
Further, since the left and right steering can be performed independently by the pair of
図2(a)は、ピットマンアームの角度と前輪の角度との関係を示す平面模式図である。 FIG. 2A is a schematic plan view showing the relationship between the angle of the pitman arm and the angle of the front wheel.
左右一対の転舵用アクチュエータ1を、同じ角度だけ回転させた時に、左右の車輪がアッカーマン条件(それぞれの車軸の延長線がある一点(車両の回転中心近傍)を通る条件)をおおよそ満たすように設計しておくと、制御が容易で安定した転舵ができる。
When the pair of left and
さらに、一方の転舵用アクチュエータ1の動きを、他方の転舵用アクチュエータ1に機械的に伝える構成とすることが望ましい。これにより、一つの転舵用アクチュエータ1が故障しても、転舵が可能なフェールセーフな特性とすることができる。
Furthermore, it is desirable that the movement of one
また、左右輪の独立操舵が可能なように、接続機構にある程度の不感帯(小さい角度変化は伝えない機構)を設けることも可能である。 In addition, it is possible to provide a certain dead zone (a mechanism that does not transmit a small change in angle) in the connection mechanism so that the left and right wheels can be independently steered.
図2(b)は、変形例に係り、ピットマンアームと前輪の位置関係を示す平面模式図である。 FIG. 2B is a schematic plan view showing the positional relationship between the pitman arm and the front wheels according to a modification.
図2(c)は、他の変形例に係り、ピットマンアームと前輪の位置関係を示す正面模式図である。 FIG. 2C is a schematic front view showing the positional relationship between the pitman arm and the front wheels according to another modification.
転舵用アクチュエータ1の配置方法としては、図2(a)以外にも、図2(b)のような方法があり、座席やエンジン、駆動系のレイアウトに合わせて、転舵用アクチュエータ1の配置の選択が可能である。
As a method for arranging the
タイロッドアーム3が車軸より後方か前方か交互かの組み合わせがあり、また、転舵用アクチュエータ1がタイロッドアーム3より軸側か反軸側かの組み合わせがあり、さらに、図2(c)に示すように、転舵用アクチュエータ1の立体配置の組み合わせがあり、その組み合わせは、多数(32通り)が可能である。
There is a combination of whether the
また、左右独立に制御が可能なため、トーイン、トーアウト(ハの宇もしくは逆ハの時に前輪が向くこと)や、左右転舵角比率をアクティブに変更することが可能である。 In addition, since the left and right can be controlled independently, it is possible to actively change toe-in, toe-out (the front wheels are turned in the case of c) or the left-right turning angle ratio.
例えば、前輪駆動車では、駆動力とサスペンション弾性によって生じるトーインをアクティブ補正し、前輪の転がり抵抗を減らし、燃費を向上させることも可能である。 For example, in a front-wheel drive vehicle, toe-in caused by the driving force and suspension elasticity can be actively corrected, the front wheel rolling resistance can be reduced, and fuel consumption can be improved.
サスペンション・ストロークによって前輪の角度が変化してしまうバンプステアを補正することや、左右輪のコーナリング力に応じて転舵角比を変更して、旋回性能を向上することも可能である。 It is also possible to correct the bump steer that changes the angle of the front wheel due to the suspension stroke, and to change the turning angle ratio according to the cornering force of the left and right wheels to improve the turning performance.
図3は、本発明の第1実施の形態に係るステアバイワイヤシステムの背面模式図である。図3は、前輪の操舵装置であり、後方から前方を見た図である。 FIG. 3 is a schematic back view of the steer-by-wire system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a front wheel steering device, as viewed from the rear.
操舵入力装置10(ステアリングホイールやジョイスティック)と、転舵輪の転舵角を変える転舵用アクチュエータ1とは、電気的につながっているステアバイワイヤの構成となっている。右、左の転舵輪の角度を変えるために、それぞれ個別に、転舵用アクチュエータ(ロータリーアクチュエータ)が接続されている。
The steering input device 10 (steering wheel or joystick) and the
一対の転舵用アクチュエータ1は、操舵制御駆動装置20によって、電気的に駆動され、操舵入力装置10の入力角度、トルク信号および車速等の車両情報に従って制御される。
The pair of
また、操舵制御駆動装置20は、軸力センサ21や転舵用アクチュエータ1の電流信号、角度信号から得られる路面反力情報を、車両情報を加味して、反カアクチュエータ11にフィードバックし、運転者へ適切な情報を送る。
Further, the steering
操舵制御駆動装置20は、また、転舵用アクチュエータ1の摩擦や慣性を補償し、操舵系の見かけの慣性などインピーダンスを変更する制御を行い、運転者の操舵感や車両の運動性能を向上させる制御を行うこともできる。
The steering
なお、転舵用アクチュエータ1は、車体5に固定してある。車両制御装置30は、サスペンションセンサ31やハブセンサ32からの信号などを受け、車速、車輪速、ヨーレートなどを制御し、操舵制御駆動装置20に、転舵角などの信号を送るようになっている。
The
転舵用アクチュエータ1によりピットマンアーム2は、図3のように、約±60°回転し、その回転がボールジョイント結合されたタイロッドアーム3、ナックルアーム4のリンク機構を介して転舵輪に伝わり、転舵角度が約−40°〜+33°変化する。なお、符号のプラスは、旋回における外側車輪の角度を意味する。
The
一対の転舵用アクチュエータ1は、同じ特性のものが左右に配され、リンクが左右対称に配されている。
The pair of
前述の−40〜+33°の角度は、左右の転舵用アクチュエータ1が同じ角度作動すると、アッカーマン条件をほぼ満たすように設計されたものであり、これにより、左右の転舵用アクチュエータ1を同じ角度回転させると、通常の転舵、旋回が可能となる。
The aforementioned angle of −40 to + 33 ° is designed so that the Ackermann condition is substantially satisfied when the left and
なお、前述の−40〜+33°の角度は、車両の最小回転半径や輪間距離で変わる設計パラメータであり、一例にすぎない。 The angle of −40 to + 33 ° described above is a design parameter that varies depending on the minimum turning radius of the vehicle and the distance between wheels, and is merely an example.
図4は、本発明の第1実施の形態に係るステアバイワイヤシステムの操舵用アクチュエータ(ロータリーアクチュエータ)の断面図である。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the steering actuator (rotary actuator) of the steer-by-wire system according to the first embodiment of the present invention.
ピットマンアームを回転させるためには、非常に大きなトルクが必要であるが、モータを小型にするため、1/200程度の減速比で大きなトルクを得る必要がある。 In order to rotate the pitman arm, a very large torque is required. However, in order to reduce the size of the motor, it is necessary to obtain a large torque with a reduction ratio of about 1/200.
本実施の形態では、通常の遊星減速機(2KH型)と3K型遊星減速機を組み合わせることにより、それをコンパクトな構成にて実現している。 In the present embodiment, a normal planetary speed reducer (2KH type) and a 3K type planetary speed reducer are combined to achieve a compact configuration.
減速部について説明する。電動モータ40の出力は、通常の遊星減速機構である第一段部の入力太陽歯車41に接続されて減速される。その出力が次段の3K型遊星減速部の太陽歯車42に接続されている。なお、符号43は、第一段遊星歯車であり、符号44は、第1段出力キャリアである。
A deceleration part is demonstrated. The output of the
太陽歯車42が回転すると、第1外輪歯車45は、固定されているので、第1遊星歯車46は、太陽歯車42と第1外輪歯車45の歯数比にしたがって自転しながら公転する。
When the
第2遊星歯車47は、弾性キー48を介して第1遊星歯車46と一体の運動をする。
The second
第2遊星歯車47の歯数は、第1遊星歯車46の歯数と異なるため、第2遊星歯車47に外接する第2外輪歯車49が減速されて回転することとなり、第2外輪歯車49に接続された出力軸50が回転する。これにより、ピットマンアーム2を揺動回転運動することができる。
Since the number of teeth of the second
ここで、弾性キー48は、複数の遊星歯車のうち、1つの歯車だけに大きな力がかからないようにするためのもので、さらにはバックラッシを低減若しくは除去するために用いている。
Here, the
第1遊星歯車46と第2遊星歯車47の回転位相が弾性キー48の弾性で捩れることが可能なため、円周上における複数の歯車の応力が平均化される。
Since the rotational phases of the first
第1遊星歯車46と第2遊星歯車47のある一対(もしくは複数の対)の回転位相を理想値よりも僅かにずらして、弾性キー48で接続すると、バックラッシを低減・除去することが可能である。バックラッシを低減・除去を除去し、遊びをなくすことは、操舵安定性の向上と歯あたり音(ラトル音)の低減に有効である。
When the rotational phase of a pair (or a plurality of pairs) of the first
3K型の減速比は、後述する図5に示すように、歯数をZ1(入力太陽歯車41)、Z2(第1遊星歯車46)、Z3(第1外輪歯車45)、Z4(第2遊星歯車47)、Z5(第2外輪歯車49)とすると、
減速比= 2*Z2*Z5/(Z2−Z4)/Z1
となる。Z2とZ4の差を小さくすると、非常に大きな減速比が得られる。本実施の形態では、減速比を、1段目で6.5、2段目の3K型で37.1、総合で約240としている。
As shown in FIG. 5, which will be described later, the 3K type reduction ratio has the number of teeth of Z1 (input sun gear 41), Z2 (first planetary gear 46), Z3 (first outer ring gear 45), Z4 (second planetary gear). Gear 47), Z5 (second outer ring gear 49)
Reduction ratio = 2 * Z2 * Z5 / (Z2-Z4) / Z1
It becomes. If the difference between Z2 and Z4 is reduced, a very large reduction ratio can be obtained. In the present embodiment, the reduction ratio is 6.5 for the first stage, 37.1 for the 3K type of the second stage, and about 240 in total.
なお、符号51は、ニードル軸受を示し、符号52は、モーメントキャリアピンを示し、符号53は、ニードル軸受を示し、符号54は、電動モータの駆動軸を示し、符号55は、ニードル軸受を示し、符号56は、固定されるハウジングを示し、符号57は、モーメントキャリアを示し、符号58は、ボールジョイントを示している。また、フェールセーフ機構に関しては、後に詳述する。
以上のように、遊星歯車式減速機構を用いると、コンパクトで高減速が可能な減速装置が得られるため、転舵用アクチュエータ1の小型、軽量化が可能となる。
As described above, when the planetary gear speed reduction mechanism is used, a compact reduction gear capable of high speed reduction is obtained, and thus the
この減速機構は、3K型の遊星歯車減速機構と呼ばれ、公知(機械の研究(養研堂)vol49,Noll,1179頁−1181頁)の構成ではあるが、考察すると、大きなトルクを受ける歯が外輪歯車(内歯車)との噛み合い部のみで歯面接触面圧および応力が小さくなるため、歯車の小型化が可能である。構成部品も通常の遊星歯車減速機構(2KH型の2段)より少ないことがわかる。 This speed reduction mechanism is called a 3K type planetary gear speed reduction mechanism, and is a known structure (Mechanical Research (Yakkendo) vol 49, Noll, pages 1179 to 1181). Since the tooth surface contact surface pressure and stress are reduced only at the meshing portion with the outer ring gear (internal gear), the gear can be miniaturized. It can be seen that the number of components is also smaller than that of a normal planetary gear speed reduction mechanism (2KH type two-stage).
本減速機構を特に小型化、コンパクト化が必要なステアリング装置に適用する効果は大きい。 The effect of applying this speed reduction mechanism to a steering device that requires a particularly small and compact size is great.
また、ステアリングに用いる場合には、車両の自己操舵安定性(直進方向への復元特性)のために、逆作動(タイロッドアーム3からの軸力の入力に対してピットマンアーム2が回転すること)の逆作動効率がよいことが望ましいが、本減速機構は、適切に設計することで、このような条件も満たすことができる。
Also, when used for steering, reverse operation (the
図5は、本発明の第1実施の形態に係り、3K型と通常型(2KH型)の遊星歯車減速機の釣り合いを説明する模式図である。 FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the balance between the 3K type and the normal type (2KH type) planetary gear speed reducers according to the first embodiment of the present invention.
本実施の形態では、3K型減速機を用いて小型化を図っている。その点について説明する。図5は、減速機における力の釣り合いを考え、ギアおよびキャリアが受ける反力をあらわした図である。 In the present embodiment, a 3K type reduction gear is used to reduce the size. This will be described. FIG. 5 is a diagram showing reaction forces received by the gear and the carrier in consideration of balance of forces in the reduction gear.
通常の遊星減速機(2KH型)では、出力ギアZ3が受ける接線力Fout と入力ギアZ1が受ける接線力Finは、同一である(トルクは、減速比倍されるが)。 In a normal planetary reduction gear (2KH type), the tangential force Fout received by the output gear Z3 and the tangential force Fin received by the input gear Z1 are the same (although the torque is multiplied by the reduction ratio).
この場合、入力ギアZ1の歯面応力が大きくなるため、減速比を小さくしてZ1の直径を大きくするか、装置を大型にする(Z3を大きくするか、軸方向に長くする)必要がある。 In this case, since the tooth surface stress of the input gear Z1 increases, it is necessary to reduce the reduction ratio to increase the diameter of Z1, or to increase the size of the device (Z3 is increased or lengthened in the axial direction). .
さらには、キャリアがうける反力は、Foutの2倍であるため、キャリアも、高強度のものを用意する必要があるので、装置の小型化が難しい。 Furthermore, since the reaction force received by the carrier is twice that of Fout, it is necessary to prepare a carrier having a high strength, so it is difficult to reduce the size of the apparatus.
それに対し、3K型のギアが受ける力では、出力段の接線力Foutに対し、ギアZ2の接線力Frc、入力ギアの接線力Finは、次式のように小さくなる。 On the other hand, with the force received by the 3K type gear, the tangential force Frc of the gear Z2 and the tangential force Fin of the input gear are smaller than the tangential force Fout of the output stage as shown in the following equation.
Frc=(Z2+Z4)÷(2×Z2)×Fout
Fin=(Z2−Z4)÷(2×Z2)×Fout
式からもわかるように、入力ギアの接線力は、Foutの1/2以下となり、Z2とZ4の差によっては、非常に小さな値になる。
Frc = (Z2 + Z4) ÷ (2 × Z2) × Fout
Fin = (Z2−Z4) ÷ (2 × Z2) × Fout
As can be seen from the equation, the tangential force of the input gear is ½ or less of Fout, and becomes a very small value depending on the difference between Z2 and Z4.
大きな力のかかるFre部とFout部は、内歯歯車と外歯車とのかみ合いなので、かみ合い率も大きく、歯元曲げ応力や歯面面圧も小さくなり、小型化には有利である。 Since the Fre part and Fout part where a large force is applied are in mesh with the internal gear and the external gear, the meshing rate is large, the root bending stress and the tooth surface pressure are small, which is advantageous for downsizing.
キャリアには、FoutとRrcが軸方向にずれていることによるモーメント荷重Fml,Fm2(軸方向距離に依存する値)が発生するが、値が小さいため、キャリアも小型化できる。 The carriers generate moment loads Fml and Fm2 (values depending on the axial distance) due to the deviation of Fout and Rrc in the axial direction. However, since the values are small, the carrier can also be reduced in size.
3K型は、高減速比が得られる上、応力の面から見ても非常に有利である。 The 3K type provides a high reduction ratio and is very advantageous from the viewpoint of stress.
ただし、3K型では、あまり減速比を大きくすると、大きな力を受ける歯面が高速でかみ合うことになるため、効率が悪くなる欠点がある。 However, the 3K type has a drawback that if the reduction ratio is increased too much, the tooth surfaces that receive a large force mesh at high speed, resulting in poor efficiency.
そこで、本実施の形態では、1段目に通常の遊星減速機(2KH型)を用いて減速を行ってから、3K型を用いて減速を行っている。 Therefore, in the present embodiment, the first stage is decelerated using a normal planetary reduction gear (2KH type), and then the 3K type is used for deceleration.
図6は、一対の歯車の効率を98%としてエネルギバランスより減速機の効率を求めた結果である。 FIG. 6 shows the result of the reduction gear efficiency obtained from the energy balance with the efficiency of the pair of gears set to 98%.
本装置の歯車は、平歯車で、一般に適切に設計を行うと、一対の歯車の効率を、98〜99%にすることが可能である。 The gears of this device are spur gears, and the efficiency of a pair of gears can be made 98 to 99% when they are generally designed appropriately.
正効率とは、通常の減速機の効率、逆効率とは、減速機を増速機として使用した場合の効率である。 The normal efficiency is the efficiency of a normal speed reducer, and the reverse efficiency is the efficiency when the speed reducer is used as a speed increaser.
3K型のみの構成では、シンプルでコンパクトな減速機とすることができるが、高減速比では、効率が低く、特に、減速比140以上では、逆効率が0つまり逆作動が不可能でステアリング機構には使用不能である。 With a configuration of only 3K type, a simple and compact speed reducer can be obtained, but the efficiency is low at a high reduction ratio, and especially when the reduction ratio is 140 or more, the reverse efficiency is 0, that is, the reverse operation is impossible, and the steering mechanism. Is unusable.
これに対して、本実施の形態の3K型+通常の遊星減速機(2KH型)の構成では、多段の2KH型遊星減速機よりは若干効率は劣るものの、ほとんど同等の効率が達成できる上、減速機の質量を約半分に抑えることができる。 On the other hand, the configuration of the 3K type + normal planetary speed reducer (2KH type) of the present embodiment is slightly inferior to the multistage 2KH type planetary speed reducer, but can achieve almost the same efficiency. Reducer mass can be reduced to about half.
図7は、本発明の第1実施の形態に係り、フェールセーフ機構を示す平面模式図である。 FIG. 7 is a schematic plan view showing a fail-safe mechanism according to the first embodiment of the present invention.
左右の転舵用アクチュエータ1は、フェールセーフワイヤ60によって接続されている。
The left and
フェールセーフワイヤ60は、自転車のブレーキワイヤのように、ケーブルスリーブ61の中にワイヤ62が通っているボーデンケーブルであり、右回転、左回転で、それぞれ引っ張り力を伝達する2本のワイヤ62で接続されている。
The fail-
これにより、一方の転舵用アクチュエータ1が故障して出力トルクを発生しない場合でも、他方のアクチュエータの動きが伝わり、左右輪が正常に転舵されるフェールセーフな構成となっている。
Thereby, even when one of the
フェールセーフワイヤ60は、転舵用用アクチュエータ1が正常に作動しているとき、僅かに遊びがあるようこ調整されていて、左右の転舵用アクチュエータ1は、ある程度の独立した出力が可能となっている。
The fail-
図4に戻って、フェールセーフワイヤ60について説明する。
Returning to FIG. 4, the
フェールセーフワイヤ60は、ケーブルスリーブ61の中にワイヤ62が通っており、引っ張り力を伝達することができるボーデンワイヤであり、ケーブルスリーブ61の一端が転舵用アクチュエータ1の側方に取り付けられている。
The fail
ワイヤ62は、3K型減速部のモーメントキャリアの外周に形成されたプーリーに巻きつけられている。図示例では、モーメントキャリア兼ワイヤープーリー63に巻回してある。
The
ワイヤ62は、右回転、左回転のそれぞれに張力が発生するように、図7のように、一対、出力されている。
A pair of
ケーブルスリーブ61の反対端は、反対側の転舵用アクチュエータ1に、右回転、左回転の関係を逆にして、同様に取り付けられている。
The opposite end of the
通常、モーメントキャリア(63)は、第1及び第2遊星歯車46,47の公転と共に回転して、モーメントによる歯車の傾きをなくすことを目的としている。
Usually, the moment carrier (63) rotates with the revolution of the first and second
ところが、モーメントキャリア(63)を回転させれば、出力軸50を回転させることも可能であるため、これをフェールセーフワイヤ60に利用している。余分な部品を付加せずフェールセーフ機構の提供することができる。
However, since the
モーメントキャリア(63)の回転は、3K型の減速機では、
キャリア対出力軸減速比=Z2×Z5/(Z2−Z4)/(Z1+Z2)
の減速比で減速出力される。
The rotation of the moment carrier (63) is 3K type
Carrier to output shaft reduction ratio = Z2 × Z5 / (Z2−Z4) / (Z1 + Z2)
Is output at a reduction ratio of.
この減速比とピットマンアーム2の旋回半径、プーリー半径の関係より、ピットマンアーム推力に対するワイヤの発生張力が定まる。
From the relationship between the reduction ratio, the turning radius of the
本実施の形態では、ピットマンアーム推力に対するワイヤ張力の比率(張力比)は、2/5程度となっている。 In the present embodiment, the ratio of the wire tension to the pitman arm thrust (tension ratio) is about 2/5.
ワイヤ張力は、小さいほど、ケーブルスリーブ61を細くできるが、あまり張力比を小さくすると、ワイヤ長が長くなり、プーリーが大型化(軸長が増大)するので、張力比は、1/2〜1/5程度が望ましい。
The
また、ワイヤ62のたるみを調整するためケーブルアジャスター64が設けられている。本実施の形態では、ケーブルアジャスター64をねじ込むと、ワイヤがたるむ仕組みになっている。左右独立制御のために、ある程度(ピットマンアーム角度で1〜5度程度)のたるみを設けておくことが望ましい。
A
以上のように、一対の転舵用アクチュエータ1を機械的接続機構(フェールセーフ機構)によって接続している。
As described above, the pair of
これにより、万一、一方の転舵用アクチュエータ1が故障して、出力が不能となっても、他方の転舵用アクチュエータ1の動きが伝わるため、操舵不能といった重大な事態を招くことがなく、フェールセーフな構成とすることができる。
As a result, even if one of the
さらに、機械的な接続機構としては、従来のピットマンアーム方式のステアリングのように、リレーロッドを用いてもよいが、ワイヤ(ボーデンケーブル)や油圧を用いることが望ましく、これにより、他部品のレイアウト性をほとんど犠牲にすることなく、一対の転舵用アクチュエータ1の接続が可能となる。
Further, as a mechanical connection mechanism, a relay rod may be used as in a conventional pitman arm type steering, but it is preferable to use a wire (Borden cable) or hydraulic pressure, thereby laying out other parts. The pair of
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、種々変形可能である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various deformation | transformation is possible.
上述した実施の形態に於いて、電動モータ40は、DCブラシレスモータであり、モータ内部には、レゾルバ式の角度センサが内蔵されており、操舵制御駆動装置30より、トルクや速度、位置の制御がなされる。また、電流を検知して、ピットマンアーム2のトルクの推定も行われる。
In the above-described embodiment, the
減速装置によって大きく減速されているため、電動モータ40の出力トルクは、比較的少なくすみ、2N.m程度の出力トルクで、ピットマンアーム2で、400N.mの大トルクを出力することができる。1.5ton程度の乗用車に適用できる。
Since it is greatly decelerated by the reduction gear, the output torque of the
出力軸50には、ピットマンアーム2がタイロッドアーム3からうける大きな反力を支えるため、ニードル軸受55と玉軸受59が使用され、ギアには余分な力が働かないよう設計されている。
The
次に、図8は、本発明の第1実施の形態の変形例に係るステアバイワイヤシステムの操舵用アクチュエータ(ロータリーアクチュエータ)の断面図である。 Next, FIG. 8 is a cross-sectional view of the steering actuator (rotary actuator) of the steer-by-wire system according to a modification of the first embodiment of the present invention.
本変形例は、ハウジング56に、複数の歪ゲージ70を貼り、軸カセンサ21(図3)の代替としたものである。
In this modification, a plurality of
上述した図3の軸カセンサ21は、可動部であるタイロッドアーム3に取り付けられており、配線が切れないよう注意する必要がある。ハウジング56にセンサ(歪ゲージ70)を取り付けると、センサ(歪ゲージ70)は動かないため、そのような心配はなく、信頼性の高い荷重測定ができる。
The above-described
なお、歪ゲージ70の貼り付け位置は、高精度の測定を行うため、図8に図示したような応力が大きくなる部分を適当に選定する。
Note that the position where the
また、タイロッドアーム3の軸力と歪ゲージ70の歪量の関係は、ピットマンアーム2の角度に依存して変化するが、あらかじめ関係を把握しておき演算により算出してもよい。
Further, the relationship between the axial force of the
次いで、図9は、本発明の第1実施の形態の他の変形例に係るステアバイワイヤシステムの操舵用アクチュエータ(ロータリーアクチュエータ)の断面図である。 Next, FIG. 9 is a cross-sectional view of a steering actuator (rotary actuator) of a steer-by-wire system according to another modification of the first embodiment of the present invention.
本変形例は、1段目の減速機に、歯車機構ではなく、トラクションドライブ減速機80(例えば、遊星ローラ減速機)を用いている。 In this modification, a traction drive speed reducer 80 (for example, a planetary roller speed reducer) is used as the first stage speed reducer instead of the gear mechanism.
転舵用アクチュエータ1の減速比は、240と大きいため、一段目の入力軸回転速度は、3000〜5000min−1と高速になる。このため、歯車を使用すると騒音が問題となる。
Since the reduction ratio of the
上述した図4では、これに対応するため1段目のみ歯面の研磨を行ったり、樹脂のギアを用いる工夫をしている。 In FIG. 4 described above, in order to cope with this, the tooth surface is polished only in the first stage, or a device using a resin gear is devised.
しかし、より高い静粛性を求められる場合には、本変形例のように、1段目をトラクションドライブ減速機80(例えば、遊星ローラ減速機)とする。かみ合いがなく、転がり接触のため、高い静粛性が得られる。 However, when higher silence is required, the first stage is the traction drive speed reducer 80 (for example, a planetary roller speed reducer) as in this modification. There is no meshing, and high quietness is obtained due to rolling contact.
図9では、トラクションドライブ減速機80として、遊星ローラ減速機を用いている。他に、くさび効果を用いたトラクションドライブ減速機も使用可能である。
In FIG. 9, a planetary roller speed reducer is used as the traction
さらに、出力軸50には、回転角センサとしてレゾルバ90(出力軸角センサ)を用いている。
Further, the
本レゾルバ90は、いわゆる3Xのレゾルバであり、120°範囲で絶対角度を検出できる。士60°のピットマンアーム2の絶対角度位置を知ることができ、制御の信頼性が上がる。
The
本変形例では、トラクションドライブ減速機80が使用されており、トラクションドライブの減速比の変動(すべりや温度による寸法変化による変動)があっても、本レゾルバ90によって、それを補正することが可能である。
In this modification, a traction
また、このような構成した場合、一対の転舵用アクチュエータ1について考えると、角度センサ(電動モータ40の内部の角度センサ(レゾルバ)と出力角センサ)が合計4個となる。
In such a configuration, when considering the pair of
これにより、多数決論理によるセンサの異常判定ができ、センサのいずれか1つが故障しても操舵が可能なフェールセーフの構成とすることもできる。 Accordingly, it is possible to determine the abnormality of the sensor based on majority logic, and it is possible to adopt a fail-safe configuration that enables steering even if any one of the sensors fails.
(第2実施の形態)
図12は、従来例に係るステアバイワイヤシステムのピットマンアーム式操舵用アクチュエータ(ロータリーアクチュエータ)の断面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 12 is a sectional view of a pitman arm type steering actuator (rotary actuator) of a steer-by-wire system according to a conventional example.
図12の従来例では、電動モータ201の回転を、波動歯車減速装置203によって減速し、ピットマンアーム209で揺動回転出力を得る。電動モータ201の駆動軸202と出力軸207が同軸上にあり、出力軸207には、角度センサ208(レゾルバ)もあるため、軸方向に長い構成となっている。軸方向に長いと、車両に搭載する上で、エンジンや駆動部品との干渉で問題が生じていた。なお、符号204は、ウェーブジェネレータであり、符号205は、サーキュラスプラインであり、符号206は、フレックススプラインである。
In the conventional example of FIG. 12, the rotation of the
また、ピットマンアーム式アクチュエータは、大トルクを得るため、減速比が大きく、電動モータは、高速回転するが、その際、ギアの噛み合い音が発生する問題もあった。 In addition, the pitman arm actuator has a large reduction ratio in order to obtain a large torque, and the electric motor rotates at a high speed, but there is also a problem that a gear meshing sound is generated.
図12の従来例では、バックラッシのない波動歯車減速装置203を用いている。バックラッシの問題はないが、衝撃荷重に対する歯飛び(ラチェッテイング現象)が起きる場合があり、一度歯飛びを起こすと、耐荷重性が落ち安定した走行が不可能になる問題もある。
In the conventional example of FIG. 12, a wave
一方、上述した第1実施の形態(図4)の遊星歯車機構では、歯飛びもしくは歯の欠損といった現象は発生しないが、バックラッシを低減するのが難しかった。 On the other hand, in the planetary gear mechanism of the above-described first embodiment (FIG. 4), although a phenomenon such as tooth skipping or tooth loss does not occur, it is difficult to reduce backlash.
すなわち、上述した第1実施の形態(図4)の遊星歯車機構では、相関のある3つの噛み合い(入力の太陽歯車42と第一段遊星歯車43の噛み合い、第一段遊星歯車43と第1外輪歯車45との噛み合い、第2遊星歯車47と出力軸50の第2外輪歯車49の噛み合い)を同時に調整して、バックラッシを減少させる必要があり、バックラッシの低減が困難であった。
That is, in the planetary gear mechanism of the first embodiment (FIG. 4) described above, there are three correlated meshes (the meshing of the
これらに対して、本実施の形態では、大略的には、ウォーム減速機構を用いて電動モータと出力軸を直交させ、アクチュエークが縦長になるのを防ぐ。また、ウォーム減速機構は、すべり接触を基本とするため、歯車機構のような噛み合い音がしないため、騒音の面で有利となる。ウォーム減速機構は、電動パワーステアリング装置でも広く使用されており、高効率(80%以上)で、高減速比(1:20程度)を得ることができる。 In contrast, in the present embodiment, the electric motor and the output shaft are generally orthogonalized by using a worm reduction mechanism to prevent the actuator from becoming vertically long. Further, since the worm speed reduction mechanism is based on sliding contact, there is no meshing noise as in the gear mechanism, which is advantageous in terms of noise. The worm reduction mechanism is also widely used in electric power steering devices, and can obtain a high reduction ratio (about 1:20) with high efficiency (80% or more).
また、本実施の形態に係る遊星歯車機構では、上述した第1実施の形態(図4)の遊星歯車機構に対し、入力の太陽歯車をなくし、遊星歯車の公転を入力とすることで、歯車のバックラッシの発生個所を3箇所から2箇所にし、バックラッシ調整を容易にしている。 Further, in the planetary gear mechanism according to the present embodiment, the input sun gear is eliminated from the planetary gear mechanism of the first embodiment (FIG. 4) described above, and the revolution of the planetary gear is used as the input. The occurrence of backlash has been changed from three to two to facilitate backlash adjustment.
図10(a)は、本発明の第2実施の形態に係るステアバイワイヤシステムの操舵用アクチュエータ(ロータリーアクチュエータ)の断面図であり、(b)は、操舵用アクチュエータ(ロータリーアクチュエータ)の断面を含む斜視図である。なお、図10(b)では、出力軸は、断面化してあり、ハウジングや細かい部品は描かれていない。 FIG. 10A is a cross-sectional view of the steering actuator (rotary actuator) of the steer-by-wire system according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 10B includes a cross-section of the steering actuator (rotary actuator). It is a perspective view. In FIG. 10 (b), the output shaft is sectioned, and the housing and fine parts are not drawn.
出力軸110と、電動モータ100の駆動軸(ウォーム101)とは、ウォーム減速機構を介して略直交してある。
The
遊星歯車機構は、ハウジング120に固定された固定内歯歯車105と、出力軸110を駆動する出力軸内歯歯車108と、固定内歯歯車105と出力軸内歯歯車108に噛み合い、一体となって公転および自転する公転歯車列(第1遊星歯車106及び第2遊星歯車107)と、これら公転歯車列(第1遊星歯車106及び第2遊星歯車107)を公転させる入力キャリア102(ウォームホイール)と、を具備している。
The planetary gear mechanism meshes with the fixed
電動モータ100は、ウォーム減速機構を介して、出力軸110に直交方向に配置されている。このようなレイアウトであると、車両の横(幅)方向に電動モータ100が配置され、従来のラックアンドピニオン方式に近いレイアウトとなり、エンジンレイアウト等、他の部品と干渉することが少ない。
The
電動モータ100の回転は、ウォーム101で減速され、ウォームホイール102に伝えられる。ウォームホイール102に取付けられたキャリアピン103によって、第1遊星歯車106及び第2遊星歯車107は、公転する。第1遊星歯車106及び第2遊星歯車107は、キー104で結合されている。
The rotation of the
第2遊星歯車107は、ハウジング120に固定された固定内歯歯車105に噛み合っているので、キャリアピン103で第2遊星歯車107が公転運動すると、第2遊星歯車107は、固定内歯歯車105との歯数比にしたがって自転する。
Since the second
第1遊星歯車106は、自転も公転も、第2遊星歯車107と同じ回転を行うので、出力軸内歯歯車108は、その自転と公転に見合うような回転をして、減速される。
Since the first
この機構は、上述した第1実施の形態(図4)の遊星歯車機構にくらべ、入力である中央のピニオン(太陽歯車)がない構成である。ピニオン部でのバックラッシ発生がないため、バックラッシ調整の必要個所が、3箇所から2箇所(第2遊星歯車107と固定内歯歯車105、及び、第1遊星歯車106と出力軸内歯歯車108)と少なくなる。歯車の噛み合いも、内歯歯車と外歯歯車の噛み合いのみであるので、従来機構に対して、さちに応力が小さく、小型化も可能となる。
This mechanism does not have a central pinion (sun gear) as an input, compared to the planetary gear mechanism of the first embodiment (FIG. 4) described above. Since no backlash occurs at the pinion part, there are three to two places where the backlash adjustment is necessary (the second
以上から、本実施の形態によれば、車両レイアウトの自由度を高めることができ、遊星歯車機構を用いた場合のバックラッシの低減を図り、騒音を低減しつつ、操縦性を向上することができる。 As described above, according to the present embodiment, the degree of freedom of the vehicle layout can be increased, the backlash when the planetary gear mechanism is used can be reduced, and the maneuverability can be improved while reducing the noise. .
図11は、バックラッシ調整機構を説明するための模式図である。 FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the backlash adjustment mechanism.
本実施の形態では、バックラッシ調整機構として、以下のような方法を採っている。 In the present embodiment, the following method is adopted as the backlash adjustment mechanism.
図11のように、キャリア109の弾性変形により、第1及び第2遊星歯車106,107のPCDが可変となるキャリアとし、第1及び第2遊星歯車106,107を内歯歯車(固定内歯歯車105、出力軸内歯歯車108)に押し当てる構造をとしている。
As shown in FIG. 11, the first and second
ピニオン歯車を設けない構成のため、このようなバックラッシの除去が可能となる。 Since the configuration is such that no pinion gear is provided, such backlash can be removed.
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、種々変形可能である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various deformation | transformation is possible.
1 転舵用アクチュエータ(ロータリーアクチュエータ)
2 ピットマンアーム
3 タイロッドアーム
4 ナックルアーム
5 車体
10 操舵入力装置(ステアリングホイール)
11 反力アクチュエータ
20 操舵制御駆動装置
21 軸力センサ
30 車両制御装置
31 サスペンションセンサ
32 ハブセンサ
40 電動モータ
41 第一段入力太陽歯車
42 太陽歯車
43 第一段遊星歯車
44 第一段出力キャリア
45 第1外輪歯車
46 第1遊星歯車
47 第2遊星歯車
48 弾性キー
49 第2外輪歯車
50 出力軸
51 ニードル軸受
52 モーメントキャリアピン
53 ニードル軸受
54 駆動軸
55 ニードル軸受
56 ハウジング
57 モーメントキャリア
58 ボールジョイント
59 玉軸受
60 フェールセーフワイヤ
61 ケーブルスリーブ
62 ワイヤ
63 モーメントキャリア兼ワイヤープーリー
64 ケーブルアジャスター
70 歪ゲージ
80 トラクションドライブ減速機(例えば、遊星ローラ減速機)
90 レゾルバ(出力軸角センサ)
100 電動モータ
101 ウォーム
102 入力キャリア(ウォームホイール)
103 キャリアピン
104 キー
105 固定内歯歯車
106 第1遊星歯車
107 第2遊星歯車
108 出力軸内歯歯車
109 キャリア
110 出力軸
111 ピットマンアーム
120 ハウジング
201 電動モータ
202 駆動軸
203 波動歯車減速装置
204 ウェーブジェネレータ
205 サーキュラスプライン
206 フレックススプライン
207 出力軸
208 角度センサ(レゾルバ)
209 ピットマンアーム
1 Steering actuator (rotary actuator)
2
DESCRIPTION OF
90 resolver (output shaft angle sensor)
100
103
209 Pitman Arm
Claims (7)
前記転舵用アクチュエータは、揺動回転運動を出力し、タイロッドアームを移動して、転舵輪を転舵することを特徴とするステアバイワイヤシステム。 In the steer-by-wire system in which the input device to the steered wheel are mechanically disconnected, the control device controls the steered actuator according to the input of the input device, and the steered wheel is steered by its driving force.
The steer-by-wire system, wherein the steering actuator outputs a swinging and rotating motion, moves a tie rod arm, and steers the steered wheels.
前記タイロッドアームは、その一端に、当該ピットマンアームが連結してあり、その他端に、ナックルアームが連結してあることを特徴とする請求項1又は2に記載のステアバイワイヤシステム。 The steering actuator has a housing fixed to the vehicle, and outputs the oscillating rotational motion from a pitman arm.
The steer-by-wire system according to claim 1 or 2, wherein the tie rod arm has one end connected to the pitman arm and the other end connected to a knuckle arm.
当該遊星歯車機構は、
ハウジングに固定された固定内歯歯車と、
出力軸を駆動する出力軸内歯歯車と、
固定内歯歯車と出力軸内歯歯車に噛み合い、一体となって公転および自転する公転歯車列と、
当該公転歯車列を公転させる入力キャリアと、
を具備することを特徴とする請求項5に記載のステアバイワイヤシステム。 The swing rotation output shaft is driven by a planetary gear mechanism,
The planetary gear mechanism is
A fixed internal gear fixed to the housing;
An output shaft internal gear for driving the output shaft;
A revolving gear train that meshes with the fixed internal gear and the output shaft internal gear and revolves and rotates together;
An input carrier for revolving the revolution gear train,
The steer-by-wire system according to claim 5, comprising:
前記減速機は、
中心軸で回転する太陽歯車と、
当該太陽歯車の外周歯に噛合しながら、公転・自転する複数の第1遊星歯車と、
当該第1遊星歯車を内接しながら、噛合する非回転の第1外輪歯車と、
前記第1遊星歯車と異なる歯数を有し、前記第1遊星歯車と一体的に自転・公転する複数の第2遊星歯車と、
当該第2遊星歯車を内接しながら、噛合して回転し、これにより、前記ピットマンアームに、前記揺動回転運動を出力する第1外輪歯車と、を具備することを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載のステアバイワイヤシステム。 The steering actuator outputs the rotation of the motor through the speed reducer as the oscillating rotational motion,
The speed reducer is
A sun gear rotating around the central axis;
A plurality of first planetary gears that revolve and rotate while meshing with the outer peripheral teeth of the sun gear,
A non-rotating first outer ring gear that meshes with the first planetary gear inscribed,
A plurality of second planetary gears having a different number of teeth from the first planetary gears and rotating and revolving integrally with the first planetary gears;
2. A first outer ring gear that rotates in mesh with the second planetary gear while inscribed therein, and thereby outputs the oscillating rotational motion to the pitman arm. The steer-by-wire system according to any one of 4.
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