JP2015502285A - 車両ステアリングシステムのトランスミッション - Google Patents

Abstract

車両ステアリングシステムトランスミッションは、ハウジングと、前記ハウジングに軸支される入力軸と、前記ハウジングに接続されて前記入力軸に連結される電動モータと、前記ハウジングに軸支される出力軸と、第１のギア比および間に掛け回された第１のベルトを有する一対の第１のスプロケットによって連結された前記入力軸および前記出力軸であって、前記第１のベルトおよび前記一対の第１のスプロケットははす歯構造を備え、第２のギア比および間に掛け回された第２のベルトを有する一対の第２のスプロケットによって連結された前記入力軸および前記出力軸と、第３のギア比および間に掛け回された第３のベルトを有する一対の第３のスプロケットによって連結された前記入力軸および前記出力軸とを備える。

Description

本発明は、車両ステアリングシステムのトランスミッションに関し、より詳しくは、あるギア比を有する一対の第１スプロケットと、あるギア比を有する一対の第２スプロケットと、あるギア比を有する一対の第３スプロケットとにより連結された、入力軸と出力軸とを備えた、車両ステアリングシステムのトランスミッションに関する。

電動パワーアシスト・ステアリングシステム（ＥＰＡＳ）は１９６０年代頃から存在している。油圧・パワーアシスト・ステアリングが従来市場の中心であった。油圧システムは、油圧ポンプがポンピングしている間に高い寄生エネルギ損失を生じるが、パワーアシストが不要である。この寄生損失を除去する初期の試みは、電動モータをポンプに取り付けて必要時のみポンプを駆動することを含む。

電動油圧アシスト・パワーステアリングシステムは、油圧パワーシステムを供給する油圧ポンプを駆動するための電動モータを使用する。これらのシステムは産業界による中間段階で、これらの使用はＥＰＡＳの使用の増加により消えていく傾向にある。ＥＰＡＳシステム は、ノイズの低減、エネルギ消費の低減、機能的で安全な特性、および駆動環境を満たすための調節機能を実現することが出来る。しかしながら、最近のＣ．Ａ．Ｆ．Ｅ．の要求に適合させることがより困難となるまで、これらのシステムの使用は制限されたままであった。これは、車両製造業者にＥＰＡＳシステムの燃費の改善に努力める方向に向かわせた。ＥＰＡＳシステムは、一般的に、油圧アシスト・パワーステアリングシステムにおいて見られる寄生損失を除去する。Ｎｅｘｔｅｅｒのようなシステム製造業者は燃費の６％改善を主張する。

例えば、ひとつの難事は１２ボルト電動モータの電源要求を満すことであり、これはＥＰＡＳシステムの実装を遅らせた。最近、システムはこの問題を首尾よく解決する程度に発達している。さらに、すべてのＥＰＡＳシステムは、ドライバインプットを感知して電動モータを制御し所望のアシストをもたらすコントロールモジュールを必要とする。コントロールモジュールは、ドライバインプットのトルクを測定し、これを用いて所要のアシスト量を決定する。アシストは駆動環境に応じて動力伝達機構の要求を満たすように調整され得る。このシステムは運転手が利用可能で調整可能な“感覚”さえ有している。

車両ＥＰＡＳの主な動力駆動機構は燃費向上であるが、ＥＰＡＳにはさらなる利点がある。そのシステムは、車両のエンジンが運転していない時でさえステアリングアシストを利用可能に構成し得る。それは、現在利用可能な自動縦列駐車システムの使用も可能にする。

ＥＰＡＳシステムは主に二つのタイプがある。コラムアシストとラックアシストである。ラックアシストＥＰＡＳシステムは、ステアリングラックに接続された電動モータを有する。通常リードスクリュー機構の駆動を通して、電動モータはラック動作をアシストする。コラムアシストＥＰＡＳシステムはステアリングコラムに接続された電動モータを有する。通常ウォームギア型の装置を通して、電動モータはコラムシャフトの動作をアシストする。これらのタイプにおけるシステムの利点のひとつは、電動モータを客室に配置することであり、これによりボンネットの下の貴重なスペースを解放できる。これは、いくらかの精巧な電子部品を過酷なボンネット環境下から守ることにもなる。

ウォームドライブ・コラムアシストシステムは、大型車両よりもアシストパワーの要求が低い小型の車両に通常用いられる。これらのシステムは、ステアリングホイールの速度およびウォームドライブのギア比によって制限される。このステアリングホイールの最も速い速度は比較的遅いものでも約６０ｒｐｍである。ステアリングホイールの速度が６０ｒｐｍで、かつ、ウォームドライブのギア比が１５：１の状態で、電動モータの速度は最速でも９００ｒｐｍにしかならないであろう。ウォームドライブのギア比が２０：１よりも小さく制限されるのは、これよりも高いギア比ではバックドリブンになり得ないからである。

このステアリングシステムは、電力なしで動作し得なければならない。これは、ウォームドライブが、ウォームを駆動する（バックドリブンする）ギアを操作し得ることを要求する。低速のモータおよび制限されたギア比の状態にすることで、ウォームドライブは高トルクが必要となる。高トルクモータを備えていても、これらのタイプのシステムは重量車両において成功していない。小型車両は軽量かつステアリングエフォートの要求が少ないことにより、これらのシステムの使用を可能にする。ウォームドライブ・コラムアシストシステムＥＰＡＳは、最も低コストのシステムであり、これ自身もまた、より小さくて費用のかからない車両の役に立つ。

ウォームドライブを備える代表的なステアリングシステムは、それらの性能に制限される。ＥＰＡＳシステムは、電力が利用できないときに動作するよう設計されるべきである。バックドライブ中に動かなくするためのウォームドライブの特性の本質によれば、ギア比が約２０：１を超えるとき、バックドライブ状況下では、ウォームドライブＥＰＡＳシステムの効率は約８５％よりも大きくなく６５％に近い。

最近では、アシストを促進するためにウォームドライブ以外の物を使用する、手近なコラムアシストＥＰＡＳシステムは無い。これらのコラムシステムは、大型車両に十分なアシストを供給することが出来ない。

この技術の代表は米国特許第７，８８７，４４６号明細書でありこれは、はす歯状歯付きベルトトランスミッション装置を開示する。はす歯状歯付きベルトとはす歯状歯付きプーリとの間のかみ合いによる駆動力を伝達する、はす歯状歯付きベルトトランスミッション装置において、バックラッシュ“Ｄ”は選択的に拡大される。換言すれば、“Ｐｔ”を歯ピッチ、“θ”をはす歯角度、Ｗをベルト幅とすると、はす歯角度“θ”は−０．２≦１−Ｗ×６／Ｐｔ≦０．７５に設定される。はす歯状歯付きベルトとはす歯状歯付きプーリとの間のバックラッシュ“Ｄ”は、歯ピッチ“Ｐｔ”の１．６％−３％に設定される。

必要とされるものは、あるギア比を有する一対の第１スプロケットと、あるギア比を有する一対の第２スプロケットと、あるギア比を有する一対の第３スプロケットとにより連結された、入力軸と出力軸とを備えた、車両ステアリングシステムのトランスミッションである。本発明はこの要求を満たす。

本発明の主な側面は、あるギア比を有する一対の第１スプロケットと、あるギア比を有する一対の第２スプロケットと、あるギア比を有する一対の第３スプロケットとにより連結された、入力軸と出力軸とを備えた、車両ステアリングシステムのトランスミッションを提供することに関する。

本発明の他の側面は、以下の本発明の明細書および添付図面によって、指摘されもしくは明らかにされるであろう。

本発明は、車両ステアリングシステムトランスミッションを備え、ハウジングと、ハウジングに軸支される入力軸と、ハウジングに接続されて入力軸に連結される電動モータと、ハウジングに軸支される出力軸と、入力軸と、第１のギア比および間に掛け回された第１のベルトを有する一対の第１のスプロケットによって連結された出力軸であって、第１のベルトおよび一対の第１のスプロケットははす歯構造を備え、第２のギア比および間に掛け回された第２のベルトを有する一対の第２のスプロケットによって連結された出力軸と、入力軸と、第３のギア比および間に掛け回された第３のベルトを有する一対の第３のスプロケットによって連結された出力軸と入力軸とを備える。

添付図面は、明細書に含まれその一部を形成し、本発明の好ましい実施形態を示し、説明と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。

本発明のトランスミッションの断面図である。

本発明のトランスミッションの斜視図である。

本発明のトランスミッションの分解図である。

減速装置としてのトランスミッションの効率のグラフである。

速度乗算装置としてのトランスミッションの効率のグラフである。

従来の電動パワーアシストラックシステムの斜視図である。

図６の詳細である。

ステアリングシステムの概略図である。

ベルト裏面から見た、はす歯状歯付きプーリに取り付けられたエンドレス歯付きベルトの配置の概略図である。

はす歯状歯付きプーリの歯跡とそこに係合するはす歯状歯付きベルトの歯跡との関係を示す拡大概略図である。

ベルトおよびプーリを二つ割りにした歯形を表す図である。

エンドレスベルトに適用されたはす歯状歯の角度を表す図である。

はす歯状歯付きベルトを表す図である。

圧縮性の歯の外形の構造を表す図である。

ベルトの構成の詳細を表す図である。

本発明のステアリングシステムにおけるトランスミッションの斜視図である。

（Ａ）他の実施形態の分解図である。（Ｂ）図１７Ａの詳細を表す図である。（Ｃ）図１７Ａの詳細を表す図である。

他の実施形態の断面図である。

（Ａ）偏心軸３０００の斜視図である。（Ｂ）偏心軸３０００の断面図である。

他の実施形態の外観斜視図である。

他の実施形態の断面図である。

図１は、本発明のトランスミッションの断面図である。本発明のトランスミッション１０００はハウジング１００を備える。ハウジング内に含まれるのは入力軸２００である。この入力軸は電動モータ２０１に連結される。この電動モータは周知の１２ＶのＤＣモータである。この電動モータはモータ取付部１０１においてハウジングに取り付けられる。

入力軸２００は、第１のベアリング２０１および第２のベアリング２０２によってハウジングに軸支される。

スプロケット２０６はシャフト２００に圧入される。スプロケット２０６は、歯付きベルト４００に係合するために歯付き面２０７を備える。

中間スプロケット２０３は、ベアリング２０８とニードルベアリング２０５によって、シャフト２００に軸支される。スプロケット２０３はシャフト２００上を自由に回転する。中間スプロケット２０３はスプロケット２０４に連結され、すなわち、これらは単一ユニットである。中間スプロケット２０３は歯付き面２０９を備え、かつ、スプロケット２０４は歯付き面２１０を備え、各々歯付きベルトに係合する。歯付き面２０９の径は歯付き面２１０の径より大きい。スプロケット２０６の径はスプロケット２０４の径よりも小さい。当然ながら、所望のギア比を達成するためにはいかなる径の組み合わせも可能である。

出力軸３００は、第１のベアリング３０１と第２のベアリング３０２とによって、ハウジングに軸支される。

スプロケット３０６は、ベアリング３０８とニードルベアリング３０５とによって、出力軸３００に軸支される。スプロケット３０６は、歯付きベルトに係合するために歯付き面３０７を備える。スプロケット３０６は、スプロケット３０９に接続され、スプロケット３０９も歯付きベルトに係合するための表面を備える。スプロケット３０６の径は、スプロケット３０９の径よりも大きい。スプロケット３０６の径はスプロケット３０３の径よりも小さい。当然ながら、各スプロケットの対が所望のギア比を達成するためにはいかなる径の組み合わせでも可能である。

スプロケット３０３はシャフト３００に圧入される。スプロケット３０３は歯付きベルトに係合するための歯付き面３１０を備える。

歯付きベルト４００は第１の一対のスプロケット、すなわち、スプロケット２０６とスプロケット３０６との間に掛け回される。スプロケット３０６と２０６との間のギア比は３．４：１である。歯付きベルト４００は、本明細書の他の箇所において十分に説明されている、はす歯ベルトを備える。

歯付きベルト５００は第２の一対のスプロケット、すなわち、スプロケット２０３とスプロケット３０９によって掛け回される。スプロケット２０３と３０９との間のギア比は３．０：１である。歯付きベルト６００は第３の一対のスプロケット、すなわち、スプロケット２０４とスプロケット３０３によって掛け回される。スプロケット３０３と２０４との間のギア比は３．０：１である。歯付きベルト５００および歯付きベルト６００は、歯付きベルト４００の場合のようなはす歯ベルトを備えていない。

本明細書における大きさは単なる例示であって、本トランスミッションの発明の範囲の限定を意図するものではない。

はす歯ベルト

はす歯ベルト４００およびはす歯スプロケット２０６、３０６は次に説明される。図９は、はす歯状歯付きプーリに取り付けられた、エンドレスはす歯状歯付きベルトの装置を概略的に示しており、これはベルトの背面から見たものである。図に示されるように、はす歯状歯付きベルト４００は、各々の軸“Ｌ１”および“Ｌ２”の周りに回転可能な、一対のはす歯状歯付きプーリ２０６および３０６に掛け回される。例えば、はす歯状歯付きプーリ３０６は駆動プーリであり、はす歯状歯付きプーリ３０６の回転力は、はす歯状歯付きベルト４００を介して被駆動プーリ２０６に伝達される。図９において、実線によって描かれているはす歯状歯付きベルト４００は、ベルトを取り付けた直後の、はす歯状歯付きベルトの構成を示す。これに対して、符号４００´で示される想像線はベルト駆動トランスミッション装置が駆動された後の、はす歯状歯付きベルト４００の位置を表す。

はす歯状歯付きベルト４００がはす歯状歯付きプーリ２０６および３０６に取り付けられた直後（ベルト駆動トランスミッション装置が駆動される前）、はす歯状歯付きプーリ２０６および３０６の回転軸“Ｌ１”および“Ｌ２”に対して、はす歯状歯付きベルト４００の長手方向が実質的に垂直になるように、はす歯状歯付きベルト４００の歯跡とはす歯状歯付きプーリ２０６および３０６の歯跡とが一致する。しかしながら、はす歯状歯付きプーリ３０６もしくは駆動プーリが駆動され、かつ、負荷がはす歯状歯付きベルト４００に作用し、はす歯状歯付きベルト４００がプーリの歯跡に沿って滑ることにより、推進力が発生する。すなわち、図９に示されるように、ベルト駆動トランスミッション装置が駆動されるとき、はす歯状歯付きベルト４００は、はす歯状歯付きプーリ２０６の上を回転軸“Ｌ１”に沿って“Ａ”方向へ滑り、かつ、はす歯状歯付きプーリ３０６の上を回転軸“Ｌ２”に沿って“Ａ”方向の反対の“Ｂ”方向へ滑る。その結果、実線で示されるはす歯状歯付きベルト４００は、想像線で示される位置１０´に移動される。このタイプの推進力は、ベルト駆動トランスミッション装置が高負荷もしくは高速回転をしている状況下において顕著である。

図１０は、ベルトドライブトランスミッション装置の運転が開始されるかもしくは推進力が発生した後の、はす歯状歯付きプーリ３０６の歯跡とそこに係合されたはす歯状歯付きベルト４００の歯跡との関係を表す概略拡大図である。この図に示されるように、歯跡４１１が歯跡３１から滑り出るので、はす歯状歯付きベルト４００の歯跡４１１は、はす歯状歯付きプーリ３０６の歯跡３１に対して、滑りによってベルトが傾く角度だけ、傾斜される。はす歯状歯付きベルト４００の歯跡と、はす歯状歯付きプーリ３０６との間の間隔が誘導されるとき、プーリとベルトとの間に不適切な接触が生じる。例えば、プーリのショルダー（稼働側面と歯先シリンダとの接続部分）がベルトの係合側面等に接触する。このような不適切な係合が騒音や振動を発生させる。図９から読み取れるように、同様の現象がはす歯状歯付きプーリ２０６上にも引き起こされることに留意すべきである。

このような問題を解決するために、本発明の第１の実施形態において、プーリの歯とベルトの歯との間の不適切な接触を防ぎ騒音や振動が減少するように、ベルトとプーリとの間のバックラッシュは選択的に拡大される。図１１を参照すると、本発明におけるバックラッシュの定義が明確になるであろう。

図１１は、ベルトおよびプーリを二つ割りにした歯形を表す図である。実線“Ｐ１”はプーリの歯形を表し、また、破線“Ｐ２”はベルトの歯形を表す。直線“Ｂ”すなわち一点鎖線は、ベルトの底部のベースラインであり、歯丈“Ｈ”はベースラインＢからベルトの歯先までの高さによって定義される。さらに、一点鎖線で示される円弧“Ｃ”は、ベースライン“Ｂ”から歯丈“Ｈ”の２分の１の距離（１／２Ｈ）の点を通り、かつ、その中心はプーリの中心と一致する。すなわち、円弧“Ｃ”の径は、プーリの外側の径からから歯丈“Ｈ”を減算した値に等しい。ベルトとプーリとの間のバックラッシュは、円弧“Ｃ”に沿った位置におけるプーリの歯とベルトの歯との間の距離“Ｄ”によって定義される（カーブ“Ｐ１”とアーク“Ｃ”とが交差する点と、カーブ“Ｐ２”とアーク“Ｃ”とが交差する点との間の距離）。

次に、図１２を参照すると、第１の実施形態のエンドレスベルトに適用されたはす歯ベルトの角度が明らかになるであろう。図１２は、はす歯状歯付きベルト４００の概略展開図の一部であり、これは第１の実施形態に適用される。はす歯状歯付きベルト４００の歯跡は、ベルトの横方向に並ぶ斜めの実線によって表される。ここで、ベルトの歯ピッチは“Ｐｔ”で表され、幅は“Ｗ”で表される。さらに、ベルトの横方向の線（もしくはベルトの長手方向に垂直な線）と歯跡との間の角度（歯のはす歯角度）を“θ”と表すとき、ピッチ“Ｐｔ、ベルト幅“Ｗ”、歯のはす歯角度“θ”を用いると、一つ目の歯の係合の終端と隣接する二つ目の歯の係合の始点との間の空間“ｄ”はｄ＝Ｐｔ−Ｗ×θによって表される。第１の実施形態において、歯のはす歯角度“θ”は−０．２≦ｄ／Ｐｔ＝１−Ｗ×θ／Ｐｔ≦０．７５を満たすように定められる。

従来型のはす歯状歯付きベルトトランスミッション装置において、バックラッシュ“Ｄ”は歯ピッチ“Ｐｔ”に対して約１．５％に定められるが、第１の実施形態のはす歯状歯付きベルトトランスミッション装置のバックラッシュ“Ｄ”は、歯ピッチ“Ｐｔ”の１．６％から３％（Ｄ／Ｐｔ×１００）に定められる。

すなわち、第１の実施形態のはす歯状歯付きベルトトランスミッション装置において、運転中ベルト上に大きな負荷がかかり、ベルト上の推進力が減少されるときでさえ、バックラッシュ“Ｄ”を歯ピッチ“Ｐｔ”の１．６％から３％のように幅広く設定することで（ワイドバックラッシュ）、プーリの歯とベルトの歯との間の不適切な接触は防止される。さらに、これは−０．２≦ｄ／Ｐｔ≦０．７５を満たす歯のはす歯角度“θ”にとりわけ有効である。すなわち、歯のはす歯角度“θ”の広範囲を超えると（圧縮性の歯形にとっては強い効果が得られない小さな角度にとってさえ）、騒音および振動が減少されうる。上述のように、第１の実施形態によれば、高負荷もしくは高速回転の状況下で駆動される、はす歯状歯付きベルトトランスミッション装置に対して、騒音および振動は効果的に減少される。

次に、図１３および図１４を参照すると、第２の実施形態のベルトドライブトランスミッション装置が明らかになるであろう。図１３は、第２の実施形態に適用される、はす歯状歯付きベルト４００の概略展開図の一部である。はす歯状歯付きベルト４００の歯跡はベルトの横方向に並ぶ実線で表される。さらに、図１４は、第２の実施形態に適用される圧縮性の歯形を表す。

第２の実施形態のベルト駆動トランスミッションベルトにおいて、はす歯角度“θ”はｄ／Ｐｔ＝１−Ｗｔａｎθ／Ｐｔ≦０の範囲に定められる。すなわち、図１３に示されるように、隣接する二つ目の歯の係合が初めの歯の係合の終端より前から始まるため（もしくは係合の終端と同時に）、“ｄ”の値は“０”もしくは負である。

図１４において、実線で示される曲線“Ｐ３”は、第２の実施形態のはす歯状歯付きプーリ２０６および３０６の歯形を表し、破線で示される曲線“Ｐ４”は、第２の実施形態のはす歯状歯付きベルト４００の歯形を表す。さらに、一点鎖線“Ｂ”は、ベルトが取り付けられたときのベルトのベースラインを表す。ベースライン“Ｂ”からプーリの歯元シリンダまでの開先深さ“Ｄｐ”は、ベルトの歯丈“Ｈ”よりも“ｈ”小さい。したがって、はす歯状歯付きベルト４００ははす歯状歯付きプーリ２０６と３０６との周りに掛け回されて張力が与えられるとき、ベルトの歯はプーリの歯元シリンダに押し付けられて圧縮される。

上述のように、第２の実施形態によれば、ベルトの歯とプーリの歯との間の不適切な接触を防止することによって、はす歯角度がｄ／Ｐｔ＝１−Ｗθ／Ｐｔ≦０の範囲内で、かつ、装置が高負荷もしくは高速回転の状況下において、はす歯状歯付きベルトトランスミッション装置から騒音および振動が効果的に減少される。第２の実施形態のはす歯状歯付きトランスミッション装置はスパン共振振動数の近くでとりわけ効果的であることに留意すべきである。

ステアリングギア比は、前輪の駆動の１度毎におけるステアリングホイールの駆動の角度の比率である。２０：１のステアリングギア比は、前輪を１度動かすためにステアリングホイールの２０度の駆動を要する。多くのパワーステアリングシステムは、約１２：１と２４：１との間のギア比を有する。１２：１のギア比は、スポーツカーのためのものである。大型のピックアップトラックは２４：１のギア比を有するかもしれない。

本発明は二つの一般的な軸、すなわち、入力軸および出力軸の上に配置された一続きのベルトから構成される。本発明のシステムは、電動モータから出力軸３００へ、３０．６：１のトルク乗算ギア比をもたらす。これは、３．４：１、３：１および３：１の三段階を通して達成される。

電動モータ２０１に最も近い最初の段階は、３．４：１のギア比に構成される。第一段階のスプロケット２０６および３０６は、この高速ベルト上の騒音を最小限にするために、はす歯スプロケットとはす歯ベルトを利用する。次の２つのスプロケットの段階は、５ｍｍ幅の歯付きベルトを利用する。スプロケットの歯の組み合わせは、２つのピッチの構成が中心距離を等しく維持するような構成が選択され得る。

図６は、従来技術の電動パワーアシストラックシステムの斜視図である。このシステムは、一般的にステアリングコラム（Ｓ）およびラック（Ｒ）を備える。ステアリングホイールはステアリングコラムに接続され、これによって、車両を操縦するためのドライバインプットが受信される。このラックは、“ラックアンドピニオン”ステアリングシステムとしても周知である。

ラックアンドピニオンは一般的に、ピニオンの回転運動毎のラックの移動距離のインチ数によって定義される。正確な所要のラックギア比はステアリングの形状に依存する。ステアリングギア比が２４：１と１２：１は各々、ラックギア比１．５７：１と２．６２：１を有するかもしれない。ラックアンドピニオンのギア比は、ラックの各所で変更されうる。これは、ラックに沿ったラックの歯の外形を変更することで達成される。これは、ピニオンとの接触半径を変更する。接触半径の変更は、ピニオンの回転毎のラック走行距離量を変更する。このギア比の変更は、ラック全長の最大１５％に限定される。

図７は、図６の詳細である。従来の電動パワーアシストステアリングシステムは、電動モータ（Ｍ）によって駆動されるベルトを備える。このベルトは、二つのスプロケット（Ｓ１）および（Ｓ２）間に掛け回されてウォームギアラック（ＷＧ）を駆動する。ドライバがステアリングホイールを回転させるとき、コントロールモジュール（図示せず）は、信号を受信すると、ベルトを駆動するために、結果的にモータ（Ｍ）にエネルギを与える。ベルトが回転するとき、スプロケット（Ｓ２）は、操縦用の車両ホイールを動かすために、ウォームギアラックを軸方向に駆動する。

車両が動いていないとき、車両の前輪を操縦するために要求される電力は最大である。同様に、重量車両は操縦するのにより大きな電力を有する。以下は、停止している車両の前輪を操縦するために要求される電力の数値計算例である。

ステアリングシステムに適用されるとき、形状について説明する必要がある。最小有効半径アーム長（Ａ）は、回転中心（Ｂ）からタイロッド（Ｃ）の最短有効半径である。通常、ホイールが完全に回転するときこの状態となる。キングピンオフセット（Ｄ）は、ホイール（Ｅ）の中心線から回転中心（Ｂ）までの距離である。タイヤ幅（Ｆ）は、タイヤと路面との間の面の接地幅である。

本発明を説明するために、以下の情報が与えられる。

前車軸の車両重量 ９００Ｋｇ Ｇｓ
タイヤ幅 ２００ｍｍ Ｂ
タイヤの路面への摩擦 ０．８ μ
ステアリングの最小有効半径アーム長 ０．１ｍ ｒ
キングピンオフセット １００ｍｍ ｅ

ホイールを操縦するための所要のトルクＭは、以下の方程式を用いて計算され得る。

ホイールの総角変位は８５度で、かつ、ステアリングホイールを回転させるためにロックからロックに回転するのに２秒かかると仮定すれば、所要電力は以下のように計算され得る。
ホイールの角変位 ８５ｄｅｇ
ロックからロックへの回転時間 ２ｓｅｃ

ここで、回転中のホイールの角速度は、

いかなるシステム損失の無い状態での所要の電力は、

車両ステアリングシステムの効率が７０％、システムの効率が８０％、ウォームギアの効率が８０％と仮定すると、所要電力は、

一方で、本発明のシステムはスリー・ベルト・ステージを使用する。図４は、減速装置としてのトランスミッションの効率をグラフ化したものである。図５は、速度乗算装置としてのトランスミッションの効率のグラフである。提唱されたシステムの効率を判定するために、この情報を代用として用いると、本発明のシステムは継続して９５％より高い効率が期待されるであろう。

電動モータアシストモードの運転

運転において、動力伝達機構はシャフト３００に接続された車両ステアリングホイールを回転させるであろう。典型的な車両システムは、ドライバインプットを識別し、かつ、トランスミッション１０００を通して所望のアシストを提供する電動モータ２０１を制御するコントロールモジュールを含む。例えば、コントロールモジュールはドライバインプットのトルクを測定し、電動モータ２０１からの要求されるアシスト量を決定するためにこれを用いる。アシストは駆動環境に応じて動力伝達機構の要求を満たすように調整され得る。

アシストがコントロールモジュールもしくはＥＣＵによって要求されるとき、エネルギが与えられた電動モータはシャフト２００にトルクを加え、順にスプロケット２０６にトルクが提供される。稼働中、入力軸２００は１８００ＲＰＭまで回転するかもしれない。結果的に、３０．６：１のトランスミッションを通したリダクションが与えられ、約６０ＲＰＭの出力軸の回転速度となるが、これは一般的な上限を表す。はす歯ベルト４００およびはす歯スプロケット２０６、３０６の使用は、相対的に高速なベルト操作よりきわめて静かである。ベルト５００およびベルト６００のように直線的な歯付きベルトは、稼働され高速のとき、騒音もしくはすすり泣きのような音が生成される。このはす歯状の歯の構造は、運転中、ベルトの歯とスプロケットの開先との間をより段階的な係合にすることが出来る。

これらの最速の運転で、１８００／３．４＝５２９ＲＰＭ（ベルト４００）、５２９／３．０＝１７６ＲＰＭ（ベルト５００）および１７６／３．０＝５８ＲＰＭ（ベルト６００）のため、ベルト５００およびベルト６００にとって、シャフト速度は大きな問題ではない。

はす歯ベルト４００はスプロケット２０６からスプロケット３０６へ力を伝達し、順にスプロケット３０９へトルクを加える。スプロケット３０９はスプロケット２０３を駆動する。スプロケット２０４はベルト６００を通してスプロケット３０３を駆動する。

したがって、アシストモードでのトルクの流れは、電動モータ２０１から、シャフト２００、スプロケット２０６、ベルト４００、スプロケット３０６、スプロケット３０９、ベルト５００、スプロケット２０３、スプロケット２０４、ベルト６００、スプロケット３０３、シャフト３００、の順である。

ノーアシストモードでの運転

コントロールモジュールによってノーアシストモードが要求されるとき、ドライバインプットはシャフト３００へトルクを与える。シャフト３００は回転するが、電動モータ２０１にはエネルギが与えられていないため、自由に回転し、かつ、システムは電動モータが存在しないかのように運転するであろう。

図２は、本発明のトランスミッションの斜視図である。電動モータ２０１はハウジング１００に取り付けられる。ハウジング１００は、スプロケットとベルトを破片から保護するために包み込む。

図３は、本発明のトランスミッションの分解図である。本発明のシステムは相対的に小さい。このスリー・ベルト・ステージは１つのハウジング１００内に含まれる。このハウジングは、車両ステアリングシステム内に取り付けることが出来るように十分に小さい。なお、トルクの要求次第で、各々のベルト幅が増減する。

本発明のシステムは、完全に測定可能である。小型車におけるシステムのステアリングエフォートの計算をもとに、ウォームドライブシステムは、停車している車両を操縦するために必要とされるトルクの約８０％をもたらす。現存するウォームシステムは約３０Ｎｍのアシストをもたらす。本発明のシステムは、７０Ｎｍのアシストを要求する、重量のあるピックアップトラック型の車両にアシストをもたらすために設計される。現存のウォームドライブシステムのとき同程度のトルクシストをもたらすためには、それらの設計幅に最適化するためにベルト幅が狭められ得るとともに、本発明に関する３０．６：１ギア比の追加の機械的な利点を構成するために車両のトルク要求が減少され得る。本発明のトランスミッションは最大で約１５０Ｎｍのアシストを提供し得ることが期待される。

重量トラックおよびバスのような用途に大きなアシストをもたらすために、ベルトもまた幅広く作られ得る。大型ピックアップトラックは、停車している車両のホイールを回転させるための約９０Ｎｍ、換言すれば、約７０Ｎｍのアシストを要求すると見積もられる。

図１５は、ベルトの構成の詳細を表す図である。歯付きベルト４００は、第１の一対のスプロケット、すなわち、スプロケット２０６とスプロケット３０６に掛け回される。歯付きベルト５００は、第２の一対のスプロケット、すなわち、スプロケット２０３とスプロケット３０９に掛け回される。歯付きベルト６００は、第３の一対のスプロケット、すなわち、スプロケット２０４とスプロケット２０３に掛け回される。

図１６は、本発明のステアリングシステムにおけるトランスミッションの斜視図である。ステアリングコラム（Ｓ）は、シャフト３００の一端に接続される。シャフト３００の他端は、ステアリングラック（Ｒ）の入力部分に接続される。ステアリングラック（Ｒ）は周知であり、一般的に“ラックアンドピニオン”ステアリングシステムとして知られるシステムに含まれる。ステアリングコラム（Ｓ）は一般的にステアリングホイールに接続され、それにより、ドライバが車両を操縦する。

図１７は、他の実施形態の分解図である。他の実施形態において、本発明の装置は、駆動スプロケットが共通の中心にあるが、各スプロケットが各ベルトを適切な張力に調節可能な軸を取り付けるように構成される。これは、各スプロケットをオフセットもしくは偏心の径の状態で取り付けることで達成される。適正なベルト張力は、ラッチング（歯をとばすこと）を防ぐことおよびベルトの寿命を最大限にするために重要である。

とりわけ、第１の偏心軸２０００および第２の偏心軸３０００は、各々シャフト取付軸に対してオフセットであるが平行な第２の軸を有し、中間スプロケット取付径と共通軸上にシャフト取付径があるように構成される。第２の偏心軸３０００は、シャフト３０３と同軸上のボア３００１が共通軸上にあるように構成される。ボアは、出力軸３０３が第２の偏心軸３０００を通ることを可能にする。出力軸３０３は、車両のステアリングシャフトに連結される。

図１７を参照すると、偏心軸２０００はモータ２０１に連結される。偏心軸２０００はベアリング２０２によってハウジング１００に軸支される。スプロケット２０３は、ベアリング２０８およびベアリング２５０によって偏心軸２０００に軸支される。

偏心軸３０００はボア３００１を備える。出力軸３００はボア３００１内で係合する。スプロケット３０６は、ベアリング３０８およびニードルベアリング２５１によって偏心軸３０００に軸支される。ベルトの張力を調節する間に偏心軸３０００が回転し得るように、偏心軸３０００はハウジング１００と摺接自在に係合する。

ロックディスク２８０は、ロックディスク穴２８４を通って、偏心軸３０００に係合する。ロックディスク２８０は、留め具２８１を用いてハウジング１００に留められる。ベルトの張力を調節するために、ロックディスク２８０は、ハウジング１００に関して、回転自在に調節して偏心軸３０００の位置を固定する、調節部として用いられる。

ロックディスク２９０は、ロックディスク穴２９４を通って、偏心シャフト２０００に係合する。ロックディスク２９０は、留め具２９１を用いてハウジング１００に留められる。ベルトの張力を調節するために、ロックディスク２９０は、ハウジング１００に関して、回転自在に調節して偏心軸２０００の位置を固定する、調節部として用いられる。

各ベルトの張力を個々に調節するために、各ベルトの張力の調節は、各偏心軸２０００、３０００を回転させることによって達成される。各シャフト２０００、３０００の位置は、張力を保持するために、各ロックディスク２９０、２８０を用いて個々に固定される。適切な張力は、周波数解析もしくはスパンディフレクションのような周知の方法によって決定される。初めにベルト４００、続いて中央のベルト５００、そして、モータスプロケット２０７上に取り付けられたベルト６００に張力がかけられる。ハウジング１００は、張力測定ができるように点検口とともに提供される。スプロケット２０７から適切な張力のベルト６００までの中心間距離を調節するために移動可能なように、モータ２０１はハウジング１００に取り付けられる。

各偏心軸の調節された位置の固定は、各ロックディスク２８０、２９０、および典型的なボルトである留め具２８１、２９１を使用して達成される。各ロックディスク２８０、２９０は、各々の偏心軸と共に回転するように構成される。各ロックディスクは、ハウジング１００内のボルト取付ボス１１０と合致する、放射状スロット２８２、２９２を有する。放射状スロット２８２、２９２の円周方向の間隔およびボルト取付ボス１１０は、ロックディスクの回転位置を問わず、常に２つのボルト穴（ボス）が露出されて使用可能な状態である。

シャフト回転位置を決定するために、ベルトの張力が定められたのち、ボルトは、各ロックディスクにおける放射状スロットを通してボルト取付ボスに押し込められる。

図１７Ｂおよび１７Ｃは、図１７Ａの詳細である。

図１８は他の実施形態の断面図である。モータ１００からのシャフト１０２は、偏心軸２０００と一直線上にあるが、これらは機械的に連結されていないため、モータシャフト１０２は偏心軸２０００とは独立に回転する。工具係合部２００５はシャフト２０００の一端に配置され、シャフト２０００が回転するに従って工具（図示せず）を係合させるのに用いられる。

各スプロケット２０３および３０６は、各偏心軸に軸支されるとともに、それらの各偏心軸２０００、３０００の周りを回転する。各偏心軸２０００、３０００は装置の運転中は回転しない。代わりに、ベルトの張力を調節するために、各偏心軸は取付の間のみ回転自在である。各偏心軸は、各々のロックディスク２９０、２８０によって所定の位置に固定される。

スプロケット２０７は、モータシャフト上に圧入される。スプロケット３０３は、出力軸３００上に圧入される。出力軸３００はベアリングスリーブ３１０内で回転自在である。

図１９Ａは偏心軸３０００の斜視図である。シャフト取付径３００２、３００３は、ハウジング１００に係合する。ベアリング３０８および３０５は、スプロケット取付径３００４に取り付けられる。工具係合部３００５は、シャフト３０００の一端に配置され、シャフト３０００が回転するに従って工具（図示せず）を係合させるのに用いられる。

図１９Ｂは、偏心軸３０００の断面図である。シャフト取付径３００２、３００３は、Ａ−Ａ軸周りの中心に位置する。スプロケット取付径３００４は、Ｂ−Ｂ軸周りの中心に位置する。Ａ−Ａ軸は、Ｂ−Ｂ軸から所定の距離においてオフセットもしくは偏心である。

図２０は、他の実施形態の外観斜視図である。ロックディスク２９０は、留め具２９１を用いてハウジング１００に留められる。各留め具（ボルト）は、放射状スロット２９２を通して各々のボス１１０の中に押し込められる。偏心軸２０００は、部分２００５においてロックディスク２９０に係合する。プラグ２９９は、ハウジング１００を通してベルトにアクセス出来るように穴２９９Ａを覆う。

モータ２０１は、留め具１０１１によって取付部１０１に取り付けられる。各留め具１０１１は、取付部１０１においてスロット１０１０に係合する。スロット１０１０は、ベルトの張力が調節および決定されるように、モータ２０１の位置を動かすことが出来る。

図２１は、他の実施形態の断面図である。この実施形態において、歯付きベルト４００、歯付きベルト５００および歯付きベルト６００は、各々、マルチリブベルト４０００、マルチリブベルト５０００およびマルチリブベルト６０００に置き換えられる。マルチリブベルトにおいて、複数のリブがベルトのエンドレス方向に延びる。対応するスプロケット上のベルト係合面もまた、マルチリブベルトに適応するように変更される。

スプロケット３０３の歯付き面は、マルチリブ面３０３０に置き換えられる。スプロケット２０３の歯付き面は、マルチリブ面２０３０に置き換えられる。スプロケット３０６の歯付き面は、マルチリブ面３０６０に置き換えられる。スプロケット２０４の歯付き面は、マルチリブ面２０４０に置き換えられる。スプロケット３０９の歯付き面は、マルチリブ面３０９０に置き換えられる。スプロケット２０６の歯付き面は、マルチリブ面２０６０に置き換えられる。ベルト４０００は、マルチリブ表面プーリ２０７０に係合し、順に電動モータ２０１に接続される。これ以外に本発明の装置に変更は行われていない。他の実施形態において、マルチリブ面プーリ２０７０は歯付きスプロケット２０７に置き換えられ、また、マルチリブ面３０６０は歯付き面スプロケット３０６に置き換えられるため、トランスミッションは、スプロケット３０６とスプロケット２０７との間に掛け回された歯付きベルト４００と、マルチリブプーリ２０３０と３０９０との間のマルチリブベルト５０００と、マルチリブプーリ２０４０と３０３０との間に掛け回されたマルチリブベルト６０００とを備える。

幅広い応用に適用するために、本発明のトランスミッションにおいて、以下の例示のベルトの組み合わせが用いられても良い。これらの組み合わせ例は、このトランスミッションに利用可能な組み合わせの制限を意図するものではない。各番号は本明細書内に説明されるベルトを参照する。

ベルトの番号による、ベルトの組み合わせ形態
４００ ５００ ６００
４００ ５００ ６０００
４００ ５０００ ６０００
４０００ ５０００ ６０００
４００ ５０００ ６００
４０００ ５００ ６００
４０００ ５０００ ６００
４０００ ５００ ６０００
ここに記載されるように、各ベルトは、歯付きスプロケットもしくはマルチリブプーリの組み合わせの各々に掛け回され、すなわち、各ベルトは注記されたスプロケットもしくはプーリ間に掛け回される。
ベルト スプロケット
４００ ２０６−３０６
５００ ２０３−３０９
６００ ２０４−３０３

ベルト プーリ
４０００ ２０７０−３０６０
５０００ ２０３０−３０９０
６０００ ２０４０−３０３０

図２１に記載されるような一部の実施形態は、偏心調節が利用可能であるが、他の実施形態においてはシャフトの偏心調節は要求されない。その代わりに、第１、第２および第３のマルチリブベルトは、各々が適切なスプロケットに掛け回され得るように、縦方向に少量延び得る。縦方向に延び得るマルチリブベルトは、“低弾性”ベルトと称される周知技術である。

本発明の形態を詳述したが、当業者にとって、ここに記載された発明の範囲および趣旨から逸脱しない範囲で、部品の関係および構成を変形しても良いことは明らかであろう。

Claims (25)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに軸支される入力軸と、
   前記ハウジングに接続されて前記入力軸に連結される電動モータと、
   前記ハウジングに軸支される出力軸と、
   第１のギア比および間に掛け回された第１のベルトを有する一対の第１のスプロケットによって連結された前記入力軸および前記出力軸であって、前記第１のベルトおよび前記一対の第１のスプロケットははす歯構造を備え、
   第２のギア比および間に掛け回された第２のベルトを有する一対の第２のスプロケットによって連結された前記入力軸および前記出力軸と、
   第３のギア比および間に掛け回された第３のベルトを有する一対の第３のスプロケットによって連結された前記入力軸および前記出力軸を備えることを特徴とする車両ステアリングシステムトランスミッション。
2. 前記第２のベルトおよび前記第３のベルトが歯付きであることを特徴とする請求項１に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
3. 前記第１のギア比が３．４：１であることを特徴とする請求項１に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
4. 前記第２のギア比が３：１であることを特徴とする請求項３に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
5. 前記第３のギア比が３：１であることを特徴とする請求項３に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
6. 前記電動モータが１２ＶのＤＣモータを備えることを特徴とする請求項１に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
7. ハウジングと、
   前記ハウジングに軸支される入力軸と、
   前記出力軸に連結されるステアリングコラムと、
   ステアリングラックに連結される出力軸と、
   前記ハウジングに接続されて前記入力軸に連結される電動モータと、
   前記ハウジングに軸支される出力軸と、
   第１のギア比および間に掛け回された第１のベルトを有する一対の第１のスプロケットによって連結された前記入力軸および前記出力軸であって、前記第１のベルトおよび前記一対の第１のスプロケットははす歯構造を備え、
   第２のギア比および間に掛け回された第２のベルトを有する一対の第２のスプロケットによって連結された前記入力軸および前記出力軸と、
   第３のギア比および間に掛け回された第３のベルトを有する一対の第３のスプロケットによって連結された前記入力軸および前記出力軸を備えることを特徴とする車両ステアリングシステムトランスミッション。
8. 前記第１のベルトと前記第１の一対のスプロケットがはす歯構造を備えることを特徴とする請求項７に記載の車両ステアリングシステム。
9. 前記第２のベルトおよび前記第３のベルトが歯付きであることを特徴とする請求項７に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
10. 前記第１のギア比が３．４：１であることを特徴とする請求項７に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
11. 前記第２のギア比が３：１であることを特徴とする請求項１０に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
12. 前記第３のギア比が３：１であることを特徴とする請求項１０に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
13. ハウジングと、
    前記ハウジングに軸支される入力軸と、
    前記ハウジングに接続されて前記入力軸に連結される電動モータと、
    前記ハウジングに軸支される出力軸と、
    ３．４：１のギア比および間に掛け回された第１のベルトを有する一対の第１のスプロケットによって連結された前記入力軸および前記出力軸であって、前記第１のベルトおよび前記一対の第１のスプロケットははす歯構造を備え、
    ３：１のギア比および間に掛け回された第２のベルトを有する一対の第２のスプロケットによって連結された前記入力軸および前記出力軸と、
    ３：１のギア比および間に掛け回された第３のベルトを有する一対の第３のスプロケットによって連結された前記入力軸および前記出力軸を備えることを特徴とする車両ステアリングシステムトランスミッション。
14. 前記電動モータが１２ＶのＤＣモータを備えることを特徴とする請求項１３に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
15. ハウジングと、
    前記ハウジングに調節自在に接続された電動モータと、
    出力軸と同軸上に係合された第１の偏心軸と、
    第１のギア比および間に掛け回された第１のベルトを有する一対の第１のスプロケットによって連結された前記電動モータおよび前記偏心軸であって、前記第１のベルトおよび前記一対の第１のスプロケットははす歯構造を備え、
    前記出力軸はハウジングに軸支され、
    第２のギア比および間に掛け回された第２のベルトを有する一対の第２のスプロケットによって連結された前記第１の偏心軸および前記第２の偏心軸であって、前記第１の偏心軸はハウジング内で偏心調節をするために取り付けられ、
    第３のギア比および間に掛け回された第３のベルトを有する一対の第３のスプロケットによって連結された前記出力軸および前記第２の偏心軸であって、前記第２の偏心軸はハウジング内で偏心調節をするために取り付けられることを特徴とする車両ステアリングシステムトランスミッション。
16. 第１の偏心軸に係合される第１の調節部をさらに備え、
    前記第１の調節部は、留め具を受けるための放射状スロットを有し、前記第１の偏心軸の位置はハウジングに対して回転自在に調節および固定され、
    第２の偏心軸に係合される第２の調節部をさらに備え、
    前記第２の調節部は、留め具を受けるための放射状スロットを有し、前記第２の偏心軸の位置はハウジングに対して回転自在に調節および固定されることを特徴とする請求項１５に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
17. 前記第１の偏心軸と前記第２の偏心軸は各々工具係合部を備えることを特徴とする請求項１５に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
18. 前記ハウジングが、ベルトにアクセスするための穴を備えることを特徴とする請求項１５に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
19. 前記第２のベルトおよび前記第３のベルトが歯付きベルトを備えることを特徴とする請求項１５に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
20. 前記電動モータが１２ＶのＤＣモータを備えることを特徴とする請求項１５に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
21. ハウジングと、
    ハウジングに調節自在に接続された電動モータと、
    前記電動モータと、第１のギア比および間に掛け回された第１のベルトを有する一対の第１のスプロケットによって連結された前記第１の偏心軸であって、
    前記出力軸は前記ハウジングに軸支され、
    第２のギア比および間に掛け回された第２のベルトを有する前記第２の一対のスプロケットに連結された前記第１のシャフトおよび第２のシャフトであって、前記第２のベルトおよび第２の一対のスプロケットはマルチリブ面を備え、
    第３のギア比および間に掛け回された第３のベルトを有する前記第３の一対のスプロケットに連結された前記第２のシャフトおよび第３のシャフトであって、前記第３のベルトおよび第３の一対のスプロケットはマルチリブ面を備えることを特徴とする車両ステリングシステムトランスミッション。
22. 前記ハウジングが、ベルトにアクセスするための穴を備えることを特徴とする請求項２１に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
23. 前記電動モータが１２ＶのＤＣモータを備えることを特徴とする請求項２１に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
24. 前記第１のベルトおよび第１の一対のスプロケットがマルチリブ面を備えることを特徴とする請求項２１に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。
25. 前記第１のベルトおよび第１の一対のスプロケットが歯付き面を備えることを特徴とする請求項２１に記載の車両ステアリングシステムトランスミッション。

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