JP2016011044A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステアリングラックをロアアームより高い位置に配置したとき、路面入力に対する操縦安定性を確保すること。
【解決手段】サスペンションアームとして車体とナックル４を揺動可能に連結するロアアーム３を有し、操舵系に加えられた操舵力を、ステアリングラック５、タイロッド１及びナックルボールジョイント１０を介してナックルアーム２に入力してタイヤ９を転舵する。この車両用操舵装置において、ステアリングラック５を、車両前後方向視においてロアアーム３より高い位置に配置したとき、タイロッド１のロッド軸配置方向を、ナックルボールジョイント１０の位置にてタイヤ転舵方向に沿う方向に設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、操舵系に加えられた操舵力を、ステアリングラック、タイロッド及びナックルボールジョイントを介してナックルアームに入力してタイヤを転舵する車両用操舵装置に関する。

従来、操舵系に加えられた操舵力を、ステアリングラック及びタイロッドを介してナックルアームに入力してタイヤを転舵する車両用操舵装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１６８８２９号公報

しかしながら、従来の車両用操舵装置にあっては、タイロッドが、車両上下方向視において車幅方向であり、かつ、車両前後方向視において水平方向に配置されていた。このため、路面入力からのタイヤ転舵に対してステアリング逆入力剛性が低下し、路面入力に対する操縦安定性の低下を招く、という問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、ステアリングラックをロアアームより高い位置に配置したとき、路面入力に対する操縦安定性を確保することができる車両用操舵装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の車両用操舵装置は、サスペンションアームとして車体とナックルを揺動可能に連結するロアアームを有し、操舵系に加えられた操舵力を、ステアリングラック、タイロッド及びナックルボールジョイントを介してナックルアームに入力してタイヤを転舵する。
この車両用操舵装置において、前記ステアリングラックを、車両前後方向視において前記ロアアームより高い位置に配置したとき、前記タイロッドのロッド軸配置方向を、前記ナックルボールジョイントの位置にてタイヤ転舵方向に沿う方向に設定した。

よって、ステアリングラックを、車両前後方向視においてロアアームより高い位置に配置したとき、タイロッドのロッド軸配置方向が、ナックルボールジョイントの位置にてタイヤ転舵方向に沿う方向に設定される。
すなわち、車両前後方向視において、ステアリングラックがロアアームより高い位置に配置される場合、路面入力からのタイヤ転舵に対してステアリング逆入力剛性が低下する。これに対し、タイロッドのロッド軸配置方向を、ナックルボールジョイントの位置にてタイヤ転舵方向に沿う方向に設定することで、タイロッドへの軸力伝達ロスが防止され伝達効率が高められる。このため、タイロッドのステアリング逆入力剛性が維持され、路面入力に対する操縦安定性が確保される。
この結果、ステアリングラックをロアアームより高い位置に配置したとき、路面入力に対する操縦安定性を確保することができる。

実施例１の車両用操舵装置を示す要部拡大斜視図である。 実施例１の車両用操舵装置を示す平面図である。 実施例１の車両用操舵装置を示す正面図である。 実施例１の車両用操舵装置において車両上下方向視による位置関係を示す平面図である。 ロアリンクに対してステアリングラックの高さを異ならせた配置による操舵装置を示す正面図である。 ロアリンクに対してステアリングラックの高さを異ならせたときのタイロッド角度に対するステアリング逆入力剛性の比較を示す比較特性図である。 実施例１のステアリングラック及びタイロッドの車両上下方向視による配置と比較例のステアリングラック及びタイロッドの車両上下方向視による配置を示す平面図である。 ナックルアームとタイロッドの配置を異ならせたときのタイロッド角度に対するステアリング逆入力剛性の比較を示す比較特性図である。

以下、本発明の車両用操舵装置を実現する最良の形態を、図面に示す実施例１に基づいて説明する。

図１〜図４は実施例１の車両用操舵装置Ｓ１の斜視図、平面図、正面図、車両上下方向視による位置関係を示す。以下、図１〜図４に基づき、車両用操舵装置Ｓ１の構成を説明する。

車両用操舵装置Ｓ１は、図１に示すように、タイロッド１と、ナックルアーム２と、ロアアーム３と、ナックル４と、ステアリングラック５と、ショックアブソーバ６と、スプリング７と、ホイール８と、タイヤ９と、ナックルボールジョイント１０と、を備えている。この車両用操舵装置Ｓ１は、ナックル４の位置に、図示しないインホイールモータが装着されるインホイールモータ車に適用される。

実施例１のホイール８及びタイヤ９を車体に支持するサスペンションは、タイヤ９のホイール８に固定するナックル４と、ロアアーム３と、スプリング７と、ショックアブソーバ６と、を有するストラット式サスペンション構成としている。つまり、サスペンションアームとして、ロアアーム３と図示していないアッパアームを有し、ロアアーム３は、ナックル４と車体を、タイヤ回転軸である車軸より車両下方位置にて揺動可能に連結し、アッパアームは、車軸より車両上方位置にて揺動可能に連結する。スプリング７は、ショックアブソーバ６を同軸に有するストラット構造としていて、ショックアブソーバ６の下端部はナックル４等に支持され、ショックアブソーバ６の上端部は図示しない車体に弾性支持される。

実施例１のホイール８及びタイヤ９を転舵する操舵構成は、図示しないステアリングホイール＆シャフト（操舵系）に加えられた操舵力を、ステアリングラック５、タイロッド１及びナックルボールジョイント１０を介してナックルアーム２に入力してタイヤ９を転舵する構成としている。ナックルアーム２は、ナックル４に対し車両の斜め前上方に向けて設けられている。なお、タイヤ９を転舵させる路面入力があったとき、路面入力が、タイヤ９→ホイール８→ナックルアーム２→ナックルボールジョイント１０→タイロッド１へと伝達されることを「ステアリング逆入力」という。

インホイールモータ車への適用に際し、ステアリングラック５を、図３に示すように、車両前後方向視においてロアアーム３より高い位置に配置する。このとき、図１及び図２に示すように、タイロッド１のロッド軸配置方向を、ナックルボールジョイント１０の位置にてタイヤ転舵方向に沿う方向に設定した。ここで、ナックルボールジョイント１０の位置は、タイロッド１とナックルアーム２の連結点であり、操舵系からのステアリング入力時は、タイロッド１からの操舵力をナックルアーム２へ入力する入力点になる。ステアリング逆入力時は、ナックルアーム２からの路面入力をタイロッド１へ入力する入力点になる。

タイロッド１のロッド軸配置方向を、ナックルボールジョイント１０の位置にてタイヤ転舵方向に沿う方向に設定する具体的構成を説明する。ナックルアームを、図３に示すように、車両上下方向視においてタイヤ中心線よりも車両内側の位置に配置する。そして、図２に示すように、タイロッド１のロッド軸配置方向を、車両上下方向視においてタイヤ転舵方向と一致するように車幅方向に対して車両後方に傾けて配置する。さらに、図３に示すように、タイロッド１のロッド軸配置方向を、車両前後方向視においてキングピン軸K/Pに対して垂直となるように、車両側方外側から車両中心に向かって下向きに傾斜して配置する。すなわち、キングピン軸K/Pを中心としナックルボールジョイント１０までの距離を半径として転舵円を描いたとする。このとき、タイヤ非転舵状態でのタイロッド１のロッド軸配置方向を、ナックルボールジョイント１０の位置を転舵円との接点位置とする接線方向になる設定としている。なお、タイロッド１のロッド軸配置方向は、接線方向に対する僅かな位置ずれを許容する。

ロアアーム３とタイロッド１の車両前後方向視における傾斜方向は、図３に示すように、ロアアーム３を車両中心に向かって少し上向きに傾斜する設定とし、タイロッド１を車両中心に向かって下向きに傾斜する設定とするように異ならせている。そして、タイロッド１の長さを、ロアアーム３の長さより長く設定している。

図４に示すように、車両上下方向視において、キングピン軸K/Pの位置からタイロッド１までの距離をＴとし、ニューマチックトレールをｔとし、タイロッド１の車幅方向からの車両後方傾き角度をβとする。このとき、「Ｔ＞ｔ/cosβ」という関係を満足するように、タイロッド１のロッド軸配置方向を設定している。ここで、「ニューマチックトレールｔ」とは、タイヤ中心点とコーナリングフォースの着力点とのずれ分の長さをいう。つまり、タイヤ９にコーナリングフォースが発生している際、コーナリングフォースの着力点はタイヤ９の中心から後ろに少々ずれる。このときのずれ分をいう。

次に作用を説明する。
実施例１のインホイールモータ車用操舵装置Ｓ１における作用を、「ステアリング逆入力剛性の確保作用」、「他の特徴作用」に分けて説明する。

［ステアリング逆入力剛性の確保作用］
実施例１では、ステアリングラック５を、車両前後方向視においてロアアーム３より高い位置に配置したとき、タイロッド１のロッド軸配置方向を、タイヤ転舵方向に沿う方向に設定する構成とした。

すなわち、車両前後方向視において、ステアリングラック５がロアアーム３より高い位置に配置される場合、ステアリングラック５がロアアーム３の近傍の高さ位置に配置される場合に比べて、路面入力からのタイヤ転舵に対してステアリング逆入力剛性が低下する。これに対し、タイロッド１のロッド軸配置方向を、ナックルボールジョイント１０の位置にてタイヤ転舵方向に沿う方向に設定することで、タイロッド１への軸力伝達ロスが防止され伝達効率が高められる。このため、タイロッド１のステアリング逆入力剛性が維持され、路面入力に対する操縦安定性が確保される。
この結果、ステアリングラック５をロアアーム３より高い位置に配置したとき、路面入力に対する操縦安定性を確保することができる。

ここで、ステアリングラック５がロアアーム３より十分に高い位置に配置されると、路面入力からのタイヤ転舵に対してステアリング逆入力剛性が低下する理由を説明する。

図５及び図６は、車両用操舵装置の車両前後方向視でのステアリングラック５とロアアーム３の位置関係とステアリング逆入力剛性の関係を示す。
Ａは、実施例１に該当するもので、ステアリングラック５をロアアーム３より十分に高い位置へ配置したものを示し、モータスペースを確保するインホイールモータ車等での配置にみられる。Ｂは、ステアリングラック５をロアアーム３に近い位置へ配置したものを示し、一般的なコンベ車等での配置にみられる。
Ｂの例では、ナックルボールジョイント１０とステアリングラック５が同じ高さで、タイロッド１がほぼ水平になるように配置される場合をＰとする。また、ナックルボールジョイント１０よりステアリングラック５が低い位置に配置され、タイロッド１が車両中央に向かって下向きに傾斜するように配置される場合をＬとする。このＢ例でのＰとＬのステアリング逆入力剛性特性を比較すると、図６のグラフＢに示すように、ステアリング逆入力剛性は、水平配置Ｐも傾斜配置Ｌも高い剛性を示し、かつ、水平配置Ｐ＞傾斜配置Ｌとなる結果が得られることが解る。

これに対し、実施例１のように、ステアリングラック５を高い位置に配置したＡの例では、図６のグラフＡに示すように、ステアリング逆入力剛性は、水平配置Ｐも傾斜配置ＬもＢの例に比べて低い剛性を示す（矢印Ｄ）。そして、傾斜配置Ｌ＞水平配置Ｐとなり、Ｂの例と逆の結果が得られることが解る。

これは、キングピン軸K/Pの回りのタイヤ転舵を考えると、ステアリングラック５が高い位置の方が、タイヤ中心線から斜めに転舵するタイヤのずれが大きいことによる。
特に、図５に示すように、転舵角30°〜40°付近でのタイヤ中心線のずれが大きくなるが、転舵0°付近でもステアリングラック５が高い位置による影響があることが解る。つまり、実施例１は、ステアリングラック５を高い位置に配置したＡの例において、図６の矢印Ｅに示すように、ステアリング逆入力剛性の向上を狙ったものである。

次に、ステアリングラック５を十分に高い位置に配置したとき、タイロッド１のロッド軸配置方向を実施例１の設定とした場合のステアリング逆入力剛性、並びに、アッカーマン成立性について比較する。

図７及び図８は、車両用操舵装置の車両上下方向視でのナックルアーム２とタイロッド１の位置、ステアリング逆入力剛性及びアッカーマン成立性の関係を示す。
まず、ナックルアーム２とタイロッド１の位置関係により、図７に示すように、(1)比較例配置（特開2008-168829号公報）、(2)実施例１配置、(3)前置きの場合の通常配置、(4)逆アッカーマン配置に分ける。このように、(1)〜(4)に分け、ナックルアーム２とタイロッド１との間の角度を変化させた場合のステアリング逆入力剛性とアッカーマンの成立性をグラフに示したのが図８である。その結果、それぞれの特性は、上凸になるようなステアリング逆入力剛性を示す特性曲線で示される。
ここで、アッカーマンが成立するとは、アッカーマン・ジャントー理論の操舵内外輪舵角の関係を実現するように、ナックルアーム２やタイロッド１の操舵機構をレイアウトした幾何学的配置（アッカーマンジオメトリー）が成立することをいう。具体的には、操舵系リンク配置の平面図で見た場合、タイヤ９の転舵中心軸であるキングピン軸K/Pと、ナックルボールジョイント１０の中心とを結んだ線が、リヤアクスルの中心を通るように配置することができることをいう。

比較例配置(1)でのステアリング逆入力剛性を示す特性曲線の最大値は、実施例１配置(2)のステアリング逆入力剛性を示す特性曲線の最大値よりも小さく、かつ、コンベ車並みのアッカーマンが成立するステアリング逆入力剛性の最大値も小さくなることが解る。

通常配置(3)でのステアリング逆入力剛性を示す特性曲線の最大値は、実施例１配置(2)のステアリング逆入力剛性を示す特性曲線の最大値とほぼ同等であるが、最大値付近はコンベ車並みのアッカーマンが成立せず、アッカーマンの成立するステアリング逆入力剛性値は低い値となり、比較例配置(1)の場合とほぼ同じ値となる。

逆アッカーマン配置(4)でのステアリング逆入力剛性を示す特性曲線の最大値は、比較例配置(1)の最大値よりも高いが、実施例１配置(2)の最大値よりも低くなる。そして、アッカーマンの成立する領域と最大値はほぼ一致するが、その際のタイロッドの位置はかなり後方に傾斜して配置する必要があり、その他の部品レイアウト等の要件との成立性が難しい。

実施例１配置(2)でのステアリング逆入力剛性を示す特性曲線の最大値は、他３例の配置(1),(3),(4)と比較して最も高く、また、ステアリング逆入力剛性の最大値とアッカーマンの成立領域が一致しており、この配置での優位性を示している。

［他の特徴作用］
実施例１では、ナックルアーム２を、車両上下方向視においてタイヤ中心線よりも車両内側の位置に配置し、タイロッド１のロッド軸配置方向を、車両上下方向視において車幅方向に対して車両後方に傾けて配置する構成とした。
このように配置することによって、車両上下方向視からのタイロッド１のロッド軸配置方向が、タイヤ転舵方向と大きく外れないような方向となり、ロッド軸力の伝達効率が高められることで、路面入力に対するステアリング逆入力剛性を確保することができる。

実施例１では、タイロッド１のロッド軸配置方向を、車両上下方向視においてタイヤ転舵方向と一致するように車両後方に傾けて配置する構成とした。
このように、タイロッド１のロッド軸配置方向がタイヤ転舵方向とおよそ一致することにより、ロッド軸力の伝達効率がより高められることで、路面入力に対するステアリング逆入力剛性を確保することができる。

実施例１では、タイロッド１のロッド軸配置方向を、車両前後方向視において車両側方外側から車両中心に向かって下向きに傾斜して配置する構成とした。
このように、下向きに傾斜して配置にされるタイロッド１は、車両前後方向視でのキングピン軸K/Pの回りのタイヤ転舵方向に対して大きく外れないような方向となり、ロッド軸力の伝達効率が高められることで、路面入力に対するステアリング逆入力剛性を確保することができる。

実施例１では、タイロッド１のロッド軸配置方向を、車両前後方向視においてキングピン軸K/Pに対して垂直となるように車両中心に向かって下向きに傾斜して配置する構成とした。
このように、タイロッド１のロッド軸配置方向が、キングピン軸K/Pに対してほぼ垂直となることにより、ロッド軸力の伝達効率がより高められることで、路面入力に対するステアリング逆入力剛性を確保することができる。

実施例１では、ロアアーム３とタイロッド１の車両前後方向視における傾斜方向を、それぞれ異なる設定とし、タイロッド１の長さを、ロアアーム３の長さより長く設定する構成とした。
このように、ステアリングラック５がロアアーム３より十分高い位置に配置される場合、ロアアーム３に対してタイロッド１の長さを十分長くとることにより、タイヤ上下ストローク時のトー変化の低減が可能になる。したがって、タイロッド１の長さを、ロアアーム３の長さより長く設定することにより、ロール運動によるタイヤ９のトー変化を適切に調整することができる。

実施例１では、車両上下方向視において、キングピン軸K/Pの位置からタイロッド１までの距離をＴとし、ニューマチックトレールをｔとし、タイロッド１の車幅方向からの車両後方傾き角度をβとしたとき、「Ｔ＞ｔ/cosβ」という関係を満足するように、タイロッド１のロッド軸配置方向を設定する構成とした。
すなわち、「Ｔ＞ｔ/cosβ」という関係は、図４に示すように、タイヤ横力ｆの入力によって、キングピン軸K/Pの回りに発生するモーメント（ｆ×ｔ）が、タイロッド１に働くキングピン軸K/Pの回りのモーメント（ｆ×cosβ×Ｔ）より小さくなる条件である。この条件を満足することにより、タイヤ横力ｆによるキングピン軸K/Pの回りのモーメントが抑えられる。したがって、旋回中のタイヤ横力ｆが作用する際、タイヤ横力ｆに対してタイヤ９のトー変化を小さく抑えることができる。

次に、効果を説明する。
実施例１の車両用操舵装置Ｓ１にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1) サスペンションアームとして車体とナックル４を揺動可能に連結するロアアーム３を有し、操舵系に加えられた操舵力を、ステアリングラック５、タイロッド１及びナックルボールジョイント１０を介してナックルアーム２に入力してタイヤ９を転舵する車両用操舵装置において、
ステアリングラック５を、車両前後方向視においてロアアーム３より高い位置に配置したとき、タイロッド１のロッド軸配置方向を、ナックルボールジョイント１０の位置にてタイヤ転舵方向に沿う方向に設定した（図１）。
このため、ステアリングラックをロアアームより高い位置に配置したとき、路面入力に対する操縦安定性を確保することができる。

(2) ナックルアーム２を、車両上下方向視においてタイヤ中心線よりも車両内側の位置に配置し、
タイロッド１のロッド軸配置方向を、車両上下方向視において車幅方向に対して車両後方に傾けて配置した（図２）。
このため、(1)の効果に加え、タイロッド１のロッド軸配置方向が、タイヤ転舵方向と大きく外れないような方向となり、ロッド軸力の伝達効率が高められることで、路面入力に対するステアリング逆入力剛性を確保することができる。

(3) タイロッド１のロッド軸配置方向を、車両上下方向視においてタイヤ転舵方向と一致するように車両後方に傾けて配置した（図２）。
このため、(2)の効果に加え、タイロッド１のロッド軸配置方向がタイヤ転舵方向とおよそ一致することにより、ロッド軸力の伝達効率がより高められることで、路面入力に対するステアリング逆入力剛性を確保することができる。

(4) タイロッド１のロッド軸配置方向を、車両前後方向視において車両側方外側から車両中心に向かって下向きに傾斜して配置した（図３）。
このため、(1)〜(3)の効果に加え、タイロッド１のロッド軸配置方向が、キングピン軸K/Pの回りのタイヤ転舵方向に対して大きく外れないような方向となり、ロッド軸力の伝達効率が高められることで、路面入力に対するステアリング逆入力剛性を確保することができる。

(5) タイロッド１のロッド軸配置方向を、車両前後方向視においてキングピン軸K/Pに対して垂直となるように車両中心に向かって下向きに傾斜して配置した（図３）。
このため、(4)の効果に加え、タイロッド１のロッド軸配置方向がキングピン軸K/Pに対してほぼ垂直となることにより、ロッド軸力の伝達効率がより高められることで、路面入力に対するステアリング逆入力剛性を確保することができる。

(6) ロアアーム３とタイロッド１の車両前後方向視における傾斜方向を、それぞれ異なる設定とし、タイロッド１の長さを、ロアアーム３の長さより長く設定した（図３）。
このため、(1)〜(5)の効果に加え、ロール運動によるタイヤ９のトー変化を適切に調整することができる。

(7) 車両上下方向視において、キングピン軸K/Pの位置からタイロッド１までの距離をＴとし、ニューマチックトレールをｔとし、タイロッド１の車幅方向からの車両後方傾き角度をβとしたとき、
Ｔ＞ｔ/cosβ
という関係を満足するように、タイロッド１のロッド軸配置方向を設定した（図４）。
このため、(1)〜(6)の効果に加え、旋回中のタイヤ横力ｆが作用する際、タイヤ横力ｆに対してタイヤ９のトー変化を小さく抑えることができる。

以上、本発明の車両用操舵装置を実施例１に基づき説明してきたが、具体的な構成については、この実施例１に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

実施例１では、本発明の車両用操舵装置をインホイールモータ車に適用する好適な例を示した。しかし、本発明の車両用操舵装置は、インホイールモータ車に限らず、エンジン車やハイブリッド車や電気自動車等の他の車両に対しても適用することができる。要するに、サスペンションアームとしてロアアームを有し、操舵系に加えられた操舵力を、ステアリングラック、タイロッド及びナックルボールジョイントを介してナックルアームに入力してタイヤを転舵する車両用操舵装置であれば適用できる。

１ タイロッド
２ ナックルアーム
３ ロアアーム
４ ナックル
５ ステアリングラック
６ ショックアブソーバ
７ スプリング
８ ホイール
９ タイヤ
１０ ナックルボールジョイント
K/P キングピン軸

Claims (7)

1. サスペンションアームとして車体とナックルを揺動可能に連結するロアアームを有し、操舵系に加えられた操舵力を、ステアリングラック、タイロッド及びナックルボールジョイントを介してナックルアームに入力してタイヤを転舵する車両用操舵装置において、
   前記ステアリングラックを、車両前後方向視において前記ロアアームより高い位置に配置したとき、前記タイロッドのロッド軸配置方向を、前記ナックルボールジョイントの位置にてタイヤ転舵方向に沿う方向に設定した
   ことを特徴とする車両用操舵装置。
2. 請求項1に記載された車両用操舵装置において、
   前記ナックルアームを、車両上下方向視においてタイヤ中心線よりも車両内側の位置に配置し、
   前記タイロッドのロッド軸配置方向を、車両上下方向視において車幅方向に対して車両後方に傾けて配置した
   ことを特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項２に記載された車両用操舵装置において、
   前記タイロッドのロッド軸配置方向を、車両上下方向視においてタイヤ転舵方向と一致するように車両後方に傾けて配置した
   ことを特徴とする車両用操舵装置。
4. 請求項１から請求項３までの何れか一項に記載された車両用操舵装置において、
   前記タイロッドのロッド軸配置方向を、車両前後方向視において車両側方外側から車両中心に向かって下向きに傾斜して配置した
   ことを特徴とする車両用操舵装置。
5. 請求項４に記載された車両用操舵装置において、
   前記タイロッドのロッド軸配置方向を、車両前後方向視において前記キングピン軸に対して垂直となるように車両中心に向かって下向きに傾斜して配置した
   ことを特徴とする車両用操舵装置。
6. 請求項1から請求項５までの何れか一項に記載された車両用操舵装置において、
   前記ロアアームと前記タイロッドの車両前後方向視における傾斜方向を、それぞれ異なる設定とし、前記タイロッドの長さを、前記ロアアームの長さより長く設定した
   ことを特徴とする車両用操舵装置。
7. 請求項1から請求項６までの何れか一項に記載された車両用操舵装置において、
   車両上下方向視において、前記キングピン軸の位置から前記タイロッドまでの距離をＴとし、ニューマチックトレールをｔとし、前記タイロッドの車幅方向からの車両後方傾き角度をβとしたとき、
   Ｔ＞ｔ/cosβ
   という関係を満足するように、前記タイロッドのロッド軸配置方向を設定した
   ことを特徴とする車両用操舵装置。