JP2013116705A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で高強度のステアリング機構を備える車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】車両用操舵装置は、転舵輪を転舵するステアリング機構１００を備えている。ステアリング機構１００は、電動モータ２１と、電動モータ２１によって回転駆動されるウォーム２４と、ウォーム２４に噛み合うウォームホイール２５と、ウォームホイール２５に連結されたピニオン２７と、ピニオン２７に噛み合うラック２６とを含む。ウォーム２４の進み角γは、５度以下である。電動モータ２１は、ステアリングホイールの回転に伴ってステアリングホイールよりも低速でピニオン２７を回転させる。
【選択図】図２

Description

この発明は、車両用操舵装置に関する。

車両用操舵装置として電動パワーステアリング装置が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１、３には、ラック＆ピニオン機構を備える電動パワーステアリング装置が開示されている。

特開昭６３−９７４６３号公報 特開平１−１６８５６８号公報 特開２００７−２３９８４９号公報

車両用操舵装置は、ラック軸などの転舵輪に軸力を入力することより、転舵軸に連結された転舵輪を転舵する。フォークリフトなどの荷役車両に搭載される車両用操舵装置と、乗用車に搭載される車両用操舵装置とでは、転舵輪を転舵する際にステアリング機構内で伝達される力の大きさが異なる。すなわち、フォークリフト用の操舵装置において伝達される力の方が、乗用車用の操舵装置よりも大きい。そのため、乗用車用のラック＆ピニオン機構を荷役車両用のステアリング機構として用いた場合には、ステアリング機構の強度が十分でない。

乗用車用のラック＆ピニオン機構を荷役車両用のステアリング機構として用いる代わりに、電動モータと、この電動モータの回転を転舵軸の軸方向移動に変換するボールねじ機構とを含むステアリング機構を荷役車両用のステアリング機構として用いることが考えられる。しかしながら、ボールねじ機構が高価であるので、この場合、車両用操舵装置のコストが増加してしまう。さらに、ボールねじ機構の減速比を高い値に設定できないので、より大きな力を転舵軸に伝達するために、高トルク型の電動モータを使用する必要がある。しかしながら、高トルク型の電動モータは高価であるので、車両用操舵装置のコストがさらに増加してしまう。ラック＆ピニオン機構であれば、電動モータおよびボールねじ機構を含むステアリング機構よりもコストを低減できるが、前述のように、乗用車用のラック＆ピニオン機構では、強度が十分でない。

この発明は、かかる背景のもとになされたものであり、安価で高強度のステアリング機構を備える車両用操舵装置を提供することである。

本発明の一実施形態は、運転者によって操作されるステアリングホイール（２）と転舵輪を転舵するステアリング機構（１００）との機械的な連結が解除されたステアバイワイヤ式の車両用操舵装置であって、前記ステアリング機構は、電動モータ（２１）と、前記電動モータによって回転駆動されるウォーム（２４）と、前記ウォームに噛み合うウォームホイール（２５）と、前記ウォームホイールに連結されたピニオン（２７）と、前記ピニオンに噛み合うラック（２６）とを含み、前記ウォームの進み角が、５度以下であり、前記電動モータが、前記ステアリングホイールの回転に伴って前記ステアリングホイールよりも低速で前記ピニオンを回転させる、車両用操舵装置（１）を提供する。

この構成によれば、電動モータが、ステアリングホイールの回転に伴ってウォームを回転させる。電動モータがウォームを回転駆動することにより、ウォームホイールおよびピニオンがステアリングホイールよりも低速で一体回転し、ラックがその軸方向に移動する。これにより、転舵輪が転舵される。
ウォームの直径（ピッチ円直径）は、進み角の減少に伴って増加する。ウォームの進み角が、５度以下であり小さいので、ウォームの直径が大きい。したがって、ウォームは、高い強度を有している。さらに、後述するように、ウォームの直径が大きいと、ウォームの歯とウォームホイールの歯との接触面積が増加し、ウォームホイールの歯に加わる面圧が低下する。そのため、ウォームホイールの強度を増加させることができる。したがって、ステアリング機構は、より大きな力を伝達することができる。さらに、安価なラック＆ピニオン機構がステアリング機構に備えられているので、ステアリング機構のコストを低減できる。これにより、車両用操舵装置全体のコストを低減できる。

また、ウォームの進み角が小さい場合、ウォームおよびウォームホイールを含むウォーム減速機がセルフロックする場合がある。ステアリングホイールとステアリング機構とが機械的に連結されている従来の車両用操舵装置では、ウォーム減速機がセルクロックしないように、進み角等を設定する必要がある。しかしながら、本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置は、ステアリングホイールとステアリング機構との機械的な連結が解除されたステアバイワイヤ式の車両用操舵装置であるから、ウォーム減速機がセルフロックしたとしても何ら問題ない。

前述の車両用操舵装置において、前記ピニオン１回転あたりの前記ラックの軸方向移動量は、６０ｍｍ以上であってもよい。この場合、ピニオン１回転あたりのラックの軸方向移動量が大きいから、ピニオンの直径（ピッチ円直径）も大きい。ピニオンは、インボリュート歯車であるから、ピニオンの直径が増加すると、ピニオンの歯面の曲率が減少する。ピニオンの歯面の曲率が減少すると、ピニオンの歯とラックの歯との接触面積が増加するので、ラックの歯に加わる面圧が減少する。よって、ピニオンからラックにより大きな力を伝達することができる。したがって、ステアリング機構は、より大きな力を伝達することができる。

なお、前記において、括弧内の数字は、後述の実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るステアリング機構について説明するための模式図である。 ウォーム減速機およびラック＆ピニオン機構の諸元について説明するための図である。 ウォームの歯とウォームホイールの歯との接触面積について説明するための図である。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置１の概略構成を示す模式図である。
車両用操舵装置１は、例えば、ステアリングホイール２とステアリング機構１００との機械的な連結が解除されたステアバイワイヤ式の車両用操舵装置である。車両用操舵装置１は、操舵部材としてのステアリングホイール２が連結されるステアリングシャフト９と、ステアリングホイール２の操作に連動して転舵輪３を転舵するステアリング機構１００と、ステアリングホイール２の操作に応じてステアリング機構１００を制御する制御装置としてのＥＣＵ１９（Electronic Control Unit ：電子制御ユニット）とを備えている。さらに、車両用操舵装置１は、ステアリングホイール２に反力を与える反力アクチュエータ１０と、ステアリングホイール２を直進位置（操舵原点位置）に復帰させる弾性部材１１とを含む。

ステアリングシャフト９は、車体に対して回転可能に支持される。ステアリングシャフト９の一端部は、ステアリングホイール２に連結されており、ステアリングシャフト９の他端部は、弾性部材１１に連結されている。反力アクチュエータ１０は、ステアリングシャフト９の中間部に連結されている。反力アクチュエータ１０は、ステアリングシャフト９に連結されたロータを有するモータを含む。弾性部材１１は、渦巻きばねを含む。ステアリングホイール２が操作されると、ステアリングホイール２を直進位置に復帰させる力（弾性部材１１の復元力）が、ステアリングシャフト９に加わる。

ステアリング機構１００は、車両の左右方向Ｘ０（車幅方向）に延びる転舵軸６と、転舵軸６を収容する筒状の転舵ハウジング５と、転舵軸６を駆動する転舵アクチュエータ４とを含む。転舵軸６は、転舵ハウジング５に支持されている。転舵ハウジング５は、車体側部材に固定される。転舵軸６は、転舵ハウジング５に対して左右方向Ｘ０に移動可能である。転舵軸６の各端部は、タイロッド７およびナックルアーム８を介して転舵輪３に連結される。後述するように転舵アクチュエータ４は、電動モータを含む。転舵アクチュエータ４の回転は、後述する運動変換機構によって転舵軸６の軸方向運動に変換される。左右の転舵輪３は、転舵軸６の軸方向移動に伴って転舵される。

車両用操舵装置１は、ステアリングホイール２の操舵角θhを検出する操舵角センサ１２と、ステアリングホイール２に加えられた操舵トルクＴを検出するトルクセンサ１３と、転舵輪３の転舵角δw（タイヤ角）を検出する転舵角センサ１４とをさらに含む。これらのセンサ１２〜１４は、ＥＣＵ１９に接続されている。これらのセンサ１２〜１４の他にも、車速Ｖを検出する車速センサ１５と、車体の上下加速度Ｇzを検出する悪路状態検出センサとしての上下加速度センサ１６と、車両の横加速度Ｇyを検出する横加速度センサ１７と、車両のヨーレートγを検出するヨーレートセンサ１８とが、ＥＣＵ１９に接続されている。各センサ１２〜１８の検出値は、ＥＣＵ１９に入力される。ＥＣＵ１９は、各センサ１２〜１８の検出値に基づいて車両用操舵装置１を制御する。

具体的には、ＥＣＵ１９は、操舵角センサ１２によって検出された操舵角θhおよび車速センサ１５によって検出された車速Ｖに基づいて、目標転舵角を設定し、この目標転舵角と転舵角センサ１４によって検出された転舵角δwとの偏差に基づいて、第１駆動回路２０Ａを介して、転舵アクチュエータ４を制御（転舵制御）する。これにより、ステアリングホイール２の操舵角θhに基づいて転舵輪３が転舵される。また、ＥＣＵ１９は、センサ類１２〜１８が出力する検出信号に基づいて、第２駆動回路２０Ｂを介して、反力アクチュエータ１０を制御（反力制御）する。これにより、反力アクチュエータ１０の反力が、ステアリングホイール２を操作する運転者に伝達される。

図２は、本発明の一実施形態に係るステアリング機構１００について説明するための模式図である。
転舵アクチュエータ４は、電動モータ２１を含む。ステアリング機構１００は、電動モータ２１の回転を減速するウォーム減速機２２と、ウォーム減速機２２によって伝達された電動モータ２１からの回転を転舵軸６の直線運動に変換する運動変換機構としてのラック＆ピニオン機構２３とをさらに含む。電動モータ２１は、転舵ハウジング５の外に配置されており、転舵ハウジング５に連結されている。

ウォーム減速機２２は、電動モータ２１によって回転駆動されるウォーム２４と、ウォーム２４に噛み合うウォームホイール２５とを含む。ラック＆ピニオン機構２３は、転舵軸６に形成されたラック２６と、ラック２６に噛み合うピニオン２７とを含む。ウォーム２４、ウォームホイール２５、ラック２６、およびピニオン２７は、転舵ハウジング５内に配置されている。ラック２６は、転舵ハウジング５内で転舵軸６の軸方向Ｘ０（車両の左右方向Ｘ０と平行な方向）に延びている。

ウォーム２４は、電動モータ２１の回転軸２１ａに連結されている。ウォーム２４は、転舵ハウジング５によって、ウォーム２４の中心軸線まわりに回転可能に支持されている。ウォーム２４は、左右方向Ｘ０に延びている。ウォーム２４は、ウォームホイール２５の上方に配置されている。ウォームホイール２５とピニオン２７とは、前後方向（紙面に垂直な方向）に並んでいる。ウォームホイール２５およびピニオン２７は、同軸的に配置されており、ピニオン２７の外径は、ウォームホイール２５の外径よりも小さい。したがって、ピニオン２７は、ウォーム２４よりも下方に配置されている。ピニオン２７およびウォームホイール２５は、転舵ハウジング５によって、前後方向に延びる共通の水平軸線まわりに回転可能に支持されている。ラック２６は、ピニオン２７の下方に配置されており、前後方向から見ると、ラック２６は、ウォームホイール２５の下端部に重なっている。

ピニオン２７は、ウォームホイール２５に連結されており、ウォームホイール２５と共に回転する。ピニオン２７およびウォームホイール２５は、間接的に連結されていてもよいし、直接的に連結されていてもよい。すなわち、ピニオン２７およびウォームホイール２５は、他の部材を介して連結されていてもよいし、共通の部材の一部であってもよい。ウォームホイール２５は、ウォーム２４に噛み合う歯部を有している。ウォームホイール２５の歯部は、樹脂または金属によって形成されていてもよいし、樹脂部材と金属部材とによって形成されていてもよい。

ＥＣＵ１９（図１参照）は、ステアリングホイール２の操作に応じて電動モータ２１を駆動する。ＥＣＵ１９が電動モータ２１を回転させると、ウォーム２４が、その中心軸線まわりに回転する。そのため、ウォームホイール２５およびピニオン２７が、共通の軸線まわりに一体回転する。ＥＣＵ１９は、電動モータ２１を制御することにより、ステアリングホイール２の回転に伴って、ステアリングホイール２よりも低速でウォームホイール２５およびピニオン２７を一体回転させる。ピニオン２７の回転は、ラック２６およびピニオン２７によってラック２６の直線運動に変換される。これにより、転舵軸６が軸方向Ｘ０に移動し、左右の転舵輪３（図１参照）が転舵される。

図３は、ウォーム減速機２２およびラック＆ピニオン機構２３の諸元について説明するための図である。また、図４は、ウォームの歯とウォームホイールの歯との接触面積について説明するための図である。
図３における実施形態に係る各数値は、車両用操舵装置１が、例えばフォークリフトなどの荷役車両用の操舵装置であるときの数値である。一方、図３における比較形態に係る各数値は、乗用車用の電動パワーステアリング装置に備えられたウォーム減速機およびラック＆ピニオン機構の数値である。

実施形態に係るラック＆ピニオン機構２３のレシオ（ピニオン２７の１回転あたりのラック２６の軸方向移動量）は、ステアリングホイール２の１回転あたりのラック２６の軸方向移動量よりも大きい。さらに、図３に示すように、実施形態に係るラック＆ピニオン機構２３のレシオは、７５ｍｍ／ｒｅｖであり、比較形態に係るラック＆ピニオン機構のレシオは、５０ｍｍ／ｒｅｖである。したがって、実施形態に係るレシオは、比較形態に係るレシオより大きい。そのため、実施形態に係るラック２６は、比較形態に係るラックよりも大きな強度を有している。

具体的には、実施形態に係るレシオが比較形態に係るレシオより大きいから、実施形態に係るピニオン２７の直径（ピッチ円直径）は、比較形態に係るピニオンの直径（ピッチ円直径）よりも大きい。ピニオン２７は、インボリュート歯車である。インボリュート歯車の歯面の曲率は、ピッチ円直径の増加に伴って小さくなる。そのため、実施形態に係るピニオン２７は、比較形態よりも歯面の曲率が小さい。したがって、ピニオン２７の歯とラック２６の歯との接触面積が増加し、ラック２６の歯に加わる面圧が減少する。よって、ピニオン２７からラック２６により大きな力を伝達することができる。そのため、図３に示すように、実施形態に係るラック２６の強度は、比較形態の３倍である３０ｋＮの軸力（ラック２６が伝達可能な軸方向Ｘ０への力の大きさ）の要求値を満足している。

このように、実施形態に係るラック＆ピニオン機構２３は、比較形態に係るラック＆ピニオン機構よりも大きな力をピニオン２７からラック２６に伝達することができる。しかしながら、ラック２６に伝達される力（軸力）が増加するから、ピニオン２７に入力されるトルクも増加する。さらに、実施形態に係るピニオン２７は、ウォームホイール２５に連結されているから、ウォームホイール２５に入力されるトルクも増加する。直径の増加によってピニオン２７の強度は増加しているから、ウォームホイール２５の強度を高める必要がある。本実施形態では、ウォーム２４の直径とウォームホイール２５の直径との増加とによって、ウォームホイール２５の強度が高められている。

具体的には、図３に示すように、実施形態に係るウォームホイール２５の直径（ピッチ円直径）は、１６５ｍｍであり、比較形態に係るウォームホイールの直径（ピッチ円直径）は、１１０ｍｍである。したがって、実施形態に係るウォームホイール２５の強度は、比較形態に係るウォームホイールの強度よりも大きい。これにより、ウォームホイール２５の強度が高められている。

また、図３に示すように、実施形態に係るウォーム２４の直径（ピッチ円直径）は、６０ｍｍであり、比較形態に係るウォームの直径（ピッチ円直径）は、１６ｍｍである。したがって、実施形態に係るウォーム２４は、比較形態に係るウォームより太い。すなわち、図３に示すように、実施形態に係るウォーム２４の進み角（ウォーム２４の歯筋に沿う軸線とウォーム２４の中心軸線に直交する軸線とがなす角。図２中の「γ」参照）は、２．７度であり、比較形態に係るウォームの進み角は、２０度である。したがって、実施形態に係るウォーム２４の進み角は、比較形態に係るウォームの進み角よりも小さい。ウォーム２４の直径は、進み角が小さくなるほど増加する。そのため、実施形態に係るウォーム２４は、比較形態に係るウォームより太い。

図４に示すように、ウォームの歯とウォームホイールの歯との接触面積（図４においてハッチングされた領域の面積）は、ウォームの直径が、ウォームホイールの歯切りを行うカッター（ホブ）の直径に近づくほど増加する。実施形態に係るウォーム２４の直径は、比較形態に係るウォームの直径よりも大きいから、本実施形態では、ウォーム２４の歯とウォームホイール２５の歯との接触面積が増加している。そのため、ウォームホイール２５の歯に加わる面圧を減少させることができる。これにより、ウォームホイール２５の強度が高められている。

また、図３に示すように、実施形態に係るウォーム減速機２２の減速比（ウォームホイール２５の回転速度／ウォーム２４の回転速度）は、１／４５であり、比較形態に係るウォーム減速機の減速比は、１／１５である。したがって、実施形態に係るウォーム減速機２２の減速比は、比較形態に係るウォーム減速機の減速比よりも高い。さらに、図３に示すように、実施形態に係る電動モータ２１の回転速度（通常操舵時の回転速度）は、１８００ｒｐｍであり、比較形態に係る電動モータの回転速度（通常操舵時の回転速度）は、９００ｒｐｍである。したがって、実施形態に係る電動モータ２１は、比較形態に係る電動モータよりも高回転型のモータである。このように、本実施形態では、ウォーム減速機２２の減速比が高く、電動モータ２１が高回転型のモータであるので、より大きなトルクがウォームホイール２５に入力される。

また、実施形態に係るウォーム減速機２２では、ウォーム２４の進み角が小さく、減速比が高いので、ウォームホイール２５側からウォーム２４を回すことができない（セルフロック）。ステアリングホイールとステアリング機構とが機械的に連結されている従来の電動パワーステアリング装置では、ウォーム減速機がセルクロックしないように、減速比や進み角等を設定する必要がある。しかし、車両用操舵装置１は、ステアバイワイヤ式の車両用操舵装置であるから、ウォーム減速機２２は、セルフロックするように構成されていてもよい。すなわち、ステアバイワイヤ式の車両用操舵装置では、反力アクチュエータが、運転者によってステアリングホイールに入力された操舵トルクに対する反力を生み出す。さらに、荷役車両に搭載されるステアバイワイヤ式の車両用操舵装置では、ハンドル戻り（車両の走行によりステアリングホイールを操舵原点位置に戻す力が発生すること）が要求さない。よって、本実施形態では、ウォーム減速機２２がセルフロックするように構成されていても何ら問題ない。

以上のように本実施形態では、ウォーム２４の進み角が小さく、ラック＆ピニオン機構２３のレシオ（ピニオン２７の１回転あたりのラック２６の軸方向移動量）が大きいから、ステアリング機構１００は、より大きな力を伝達することができる。したがって、本実施形態に係る車両用操舵装置１が、フォークリフトなどの荷役車両に搭載される場合でも、強度条件を満足することができる。さらに、安価なウォーム減速機２２およびラック＆ピニオン機構２３がステアリング機構１００に備えられているので、ステアリング機構１００のコストを低減できる。しかも、高トルク型のモータではなく、高回転型のモータが、電動モータ２１として用いられているので、ステアリング機構１００のコストをさらに低減できる。これにより、車両用操舵装置１全体のコストを低減できる。

この発明の実施の形態の説明は以上であるが、この発明は、前述の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
例えば前述の実施形態では、ウォーム２４の進み角が、２．７度である場合について説明したが、ウォーム２４の進み角は、５度以下であれば、２．７度でなくてもよい。
また前述の実施形態では、ラック＆ピニオン機構２３のレシオ（ピニオン２７の１回転あたりのラック２６の軸方向移動量）が７５ｍｍ／ｒｅｖである場合について説明したが、ラック＆ピニオン機構２３のレシオは、６０ｍｍ／ｒｅｖ以上であれば、７５ｍｍ／ｒｅｖでなくてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１・・・車両用操舵装置、２・・・ステアリングホイール、３・・・転舵輪、２１・・・電動モータ、２４・・・ウォーム、２５・・・ウォームホイール、２７・・・ピニオン、２６・・・ラック、１００・・・ステアリング機構

Claims (2)

1. 運転者によって操作されるステアリングホイールと転舵輪を転舵するステアリング機構との機械的な連結が解除されたステアバイワイヤ式の車両用操舵装置であって、
   前記ステアリング機構は、電動モータと、前記電動モータによって回転駆動されるウォームと、前記ウォームに噛み合うウォームホイールと、前記ウォームホイールに連結されたピニオンと、前記ピニオンに噛み合うラックとを含み、
   前記ウォームの進み角が、５度以下であり、前記電動モータが、前記ステアリングホイールの回転に伴って前記ステアリングホイールよりも低速で前記ピニオンを回転させる、車両用操舵装置。
2. 前記ピニオン１回転あたりの前記ラックの軸方向移動量が、６０ｍｍ以上である、請求項１記載の車両用操舵装置。

Images