JP2016137874A - ステアリング装置及びそれを備えた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】４輪に舵角を与える車両において、複雑な機構を用いることなく、その場旋回等の特殊転舵に対応できるようにする。【解決手段】車両の後輪の左右車輪ｗに接続される後輪専用ステアリング装置２０において、左右車輪ｗを転舵するタイロッド２２と、タイロッド２２間にそれぞれ接続される対のラックバーと、対のラックバーの両方に噛合う少なくとも１つのピニオンギアと、ピニオンギアを回転駆動させるモータ３０とを備え、モータ３０の駆動力により、対のラックバーをそれぞれラックの歯の並列方向に沿って反対方向へ等距離移動させて、後輪の左右車輪ｗを互いに相反する方向へ転舵するようにした。ピニオンギアは複数配置され、モータ３０からの駆動力によって常に同方向に同角度回転する。また、モータギアの回転をロック、及び、そのロックを解除する回転ロック機構を備えた。【選択図】図２

Description

この発明は、後輪を転舵するステアリング装置、及び、それを備えた車両に関するものである。

左右の車輪（以下、タイヤ、ホイール、ハブ、インホイールモータ等を含めて総合的に「車輪」と称する。）を結ぶステアリングリンク機構を用いて車輪を転舵するものに、アッカーマン・ジャントウ式と呼ばれる転舵機構がある。この転舵機構は、車両の旋回時に、左右の車輪が同一旋回中心をもつように、タイロッドとナックルアームを用いるものである。

また、タイロッドの長さ、左右のタイロッド間の距離、又は、各車輪とナックルアームの成す角度のいずれかを変化させるアクチュエータを設けた転舵機構がある。この転舵機構によれば、通常走行、平行移動、小回りのすべての走行がスムーズに行え、かつ、応答性に優れている（例えば、特許文献１参照）。

さらに、前後輪の左右車輪間にそれぞれ配置され、軸心周りに回転可能で左右に２分割されたラックバーと、その２分割されたラックバー間に正逆切り替え手段とを備えた転舵機構がある。正逆切り替え手段は、分割されたラックバーの一方の回転を、他方に正逆方向へ切り替えて伝達することができる。この転舵機構によれば、舵角９０度等の動きが可能となる（例えば、特許文献２参照）。

なお、前輪の転舵に応じてアクチュエータが作動して、後輪を転舵するようにした４輪転舵車両の技術がある（例えば、特許文献３参照）。

特開平０４−２６２９７１号公報 特開２００７−２２１５９号公報 実用新案登録第２６００３７４号公報

従来の一般的なステアリング機構では、車両のその場旋回等を求める場合、車輪を前後方向に対して９０度の方向に操舵することは、ステアリングリンクの長さや他部材との干渉から困難である。このため、その場旋回等の特殊転舵は困難である。

ここで、特許文献１に記載の技術では、車両のその場旋回、小回り等が可能である。しかし、タイロッド長さ、左右タイロッド間距離あるいは車輪とナックルアームのなす角を変化させるアクチュエータを備えるため、アクチュエータが多く制御が複雑である。

また、特許文献２は、その機構上、構造が複雑であるだけでなく、ラックバーの回転で車輪を転舵するために、多数の歯車を使用している。このため、ガタが発生しやすく、円滑に車輪の転舵をすることが困難である。

また、特許文献３は、従来の４輪転舵機構の一例である。この技術では、後輪転舵が可能となるが、この機構だけでは上述する同じ理由によりその場旋回をすることは困難である。

そこで、この発明は、４輪に舵角を与える車両において、複雑な機構を用いることなく、その場旋回等の特殊転舵に対応することを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明のステアリング装置は、車両の後輪の左右車輪に接続される後輪専用ステアリング装置であって、前記後輪の左右車輪を転舵するタイロッドと、前記後輪の左右車輪のタイロッド間にそれぞれ接続される対のラックバーと、前記対のラックバーの両方に噛合う少なくとも１つのピニオンギアと、前記ピニオンギアを回転駆動させるモータとを備え、前記モータの駆動力により、前記対のラックバーをそれぞれラックの歯の並列方向に沿って反対方向へ等距離移動させることにより前記後輪の左右車輪を互いに相反する方向へ転舵するステアリング装置を採用した。

左右に独立して移動可能な２つのラックバーの端に、それぞれタイロッドを介して後輪の左右車輪を接続し、２つのラックバーを車両の車体に対して互いに反対方向へ移動させることにより、後輪の左右車輪を互いに相反する方向へ転舵可能とした。これにより車両は、その場旋回等の特殊転舵が可能となる。

また、後輪専用としては、前輪のような通常転舵（左右車輪を互いに同方向へ転舵する動作）は必ずしも必要ないので、２つのラックバーを車両の車体に対して同方向へ移動させる機構は不要である。このような後輪専用のステアリング装置の設計により、ラックバーの本数やギアの数を減らし、構造の簡易化、コストの低減を実現できる。

上記後輪専用のステアリング装置において、前記ピニオンギアは前記対のラックバーの対向するラックの歯間に配置され、同歯数の前記ピニオンギアが複数個配置される構成を採用することができる。

また、これらの後輪専用のステアリング装置の各構成において、前記複数個のピニオンギアは、前記モータからの駆動力によって、常に同方向に同角度回転する構成を採用することができる。

また、これらの各構成において、前記複数個のピニオンギアから選択される２つのピニオンギアの中央に、前記モータの駆動力が入力されるモータギアを配置し、前記モータギアから前記複数個のピニオンギアに駆動力が伝達される構成を採用することができる。

ここで、前記モータギアの歯数は、前記複数個のピニオンギアの歯数よりも少なく設定される構成を採用することができる。また、前記モータギアの回転をロック、及び、そのロックを解除する回転ロック機構を備えた構成を採用することができる。

上記の各構成からなる後輪専用のステアリング装置を、後輪の左右車輪に接続した車両を採用することができる。

左右に独立して移動可能な２つのラックバーの端に、それぞれタイロッドを介して後輪の左右車輪を接続し、２つのラックバーを車両の車体に対して互いに反対方向へ移動させることにより、後輪の左右車輪を互いに相反する方向へ転舵可能とした。この構成からなるステアリング装置を後輪の左右車輪に接続することにより、車両は、その場旋回や車輪舵角９０度以上等の特殊転舵が可能となる。

また、後輪専用としては、前輪のような通常転舵は必ずしも必要ないので、２つのラックバーを車両の車体に対して同方向へ移動させる機構は不要である。このような後輪専用のステアリング装置の設計により、ラックバーの本数やギアの数を減らし、構造の簡易化、コストの低減を実現できる。

この実施形態のステアリング装置を用いた車両のイメージ図 この発明の一実施形態を示し、通常走行モード（通常の転舵モード）の直進状態を示す平面図 通常走行モードで前輪を右方向に転舵した状態を示す平面図 後輪をその場旋回モードに対応して転舵した状態を示す平面図 後輪のみを９０°以上に転舵した状態を示す平面図 （ａ）（ｂ）は、後輪専用のステアリング装置を示す断面図 （ａ）は、後輪専用のステアリング装置の車両後方からの外観図、（ｂ）は一部切断平面図、（ｃ）は斜視図 車輪の支持状態を示す断面図

この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。この実施形態において、車両１の前後左右すべての車輪ｗのホイール内にインホイールモータＭを装着している。インホイールモータＭは、それぞれ別々に回転速度、回転方向の制御が可能であることから、この車両１では、様々な移動パターンが可能となっている。

図１は、この実施形態のステアリング装置を用いた車両１のイメージ図を示す。超小型モビリティで２人乗車（横並び二人乗り）の車体を示している。車両１はステアリング２の操作によって、ステアリングシャフト３を介して車輪ｗを転舵できるようになっている。ただし、この発明は、超小型モビリティに限定されるものではなく、通常車両にも適応可能である。

図２は、実施形態の車両１の駆動系を示す平面略図である。この実施形態は、前輪の左右車輪ｗ（ＦＬ，ＦＲ）には、タイロッド１２を介して前輪専用のステアリング装置１０を、後輪の左右車輪ｗ（ＲＬ，ＲＲ）には、タイロッド２２を介して後輪専用のステアリング装置２０を接続している。

前輪専用のステアリング装置１０には、通常転舵、すなわち、通常の移動モードにおいて前輪の左右車輪ｗ（ＦＬ，ＦＲ）を互いに同方向へ転舵して車両の進行方向を制御できる機能を備えている。

後輪専用のステアリング装置２０は、通常の移動モードでは、後輪の左右車輪ｗ（ＲＬ，ＲＲ）を、車両１の車体の前後方向に平行に保持するように設定する機能と、特殊な移動モードでは、後輪の左右車輪ｗ（ＲＬ，ＲＲ）を互いに相反する方向へ転舵する特殊転舵の機能を備えている。このように後輪専用のステアリング装置２０は、平行保持機能と特殊転舵機能のみを備えている。

ただし、前述の種々の特殊な移動モードを、一部の移動モードに限定するような車両の場合には、前輪専用のステアリング装置１０に、通常転舵のみを行う一般的なステアリング装置を採用する形態も考えられる。

後輪専用のステアリング装置２０は、左右車輪ｗを転舵するために２つのラックバーが備えられている。図６及び図７に示すように、車両１の車体の前後方向に対して、右側の車輪ｗに接続されるラックバーを第一のラックバー５３と、左側の車輪ｗに接続されるラックバーを第二のラックバー５４と称する。なお、図２において紙面左方向が車両１の前方方向になる。後の図３、図４、図５、図６においても同様に、紙面左方向が車両１の前方方向である。

後輪の左右車輪ｗには、それぞれタイロッド２２を介して各ラックバー５３，５４の接続用部材２１がヒンジ接続されている。タイロッド２２と車輪ｗとの間には、適宜ナックルアーム等の各種部材が介在する。

図８は、インホイールモータＭが収容された車輪ｗとタイロッド２２との接続状態を示す。すべての車輪ｗは、それぞれ車両１のフレームに支持されたアッパーアームＵＡとロアアームＬＡの先端に設けられたボールジョイントＢＪの中心線を結んだキングピン軸Ｐを中心軸として、転舵が可能となっている。インホイールモータＭは、車体内側から車輪ｗに向かって、モータ部１０１、減速機１０２、車輪用軸受１０３が順番に直列に配置されている。

第一のラックバー５３と第二のラックバー５４は、図６及び図７に示すように、後輪専用のステアリング装置２０において、車両１の直進方向（前後方向）に対して左右方向（幅方向）に伸びるラックケースＣ内に収容されている。ラックケースＣは車両１の図示しないフレームに不動に支持されている。

なお、ラックケースＣの車両１への支持は、例えば、ラックケースＣに設けられたフランジ部を介して、車両１のフレームに直接又は間接的にネジ固定とすることができる。

第一のラックバー５３と第二のラックバー５４の間には、その第一のラックバー５３と第二のラックバー５４の両方のラックの歯５３ａ，５４ａに噛合うピニオンギア５５が設けられている。この実施形態では、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４の対向するラックの歯５３ａ，５４ａ間に、二つのピニオンギア５５（第一のピニオンギア５５ａ、第二のピニオンギア５５ｂ）が配置されている。ピニオンギア５５は、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４の間に、少なくとも一つ配置されていればよいが、この実施形態のように二つ、あるいは、それ以上配置されていると、各ラックバー５３，５４同士の相対移動が安定する。

また、後輪専用のステアリング装置２０は、ピニオンギア５５を回転駆動させるモータ（電動機）３０を備えている。モータ３０の駆動力により、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４を、それぞれラックの歯５３ａ，５４ａの並列方向に沿って反対方向へ等距離だけ移動させることができるようになっている。これにより、後輪の左右車輪ｗを、車両１の左右方向に対して互いに相反する方向へ転舵することができる。

モータ３０の駆動力をピニオンギア５５に伝達するために、図６に示すように、第一のピニオンギア５５ａと第二のピニオンギア５５ｂの中央に、モータ３０の駆動力が入力されるモータギア３３が配置されている。モータ３０の駆動軸の回転が、モータギア３３の回転軸に伝達されるように、駆動力伝達経路が接続されている。また、モータギア３３と各ピニオンギア５５との間には、それぞれ同期ギア５６（第一の同期ギア５６ａ、第二の同期ギア５６ｂ）が設けられている。同期ギア５６はモータギア３３と各ピニオンギア５５とのみ噛み合っており、ラックバー５３および５４のラックの歯５３ａ，５４ａには噛み合っていない。

モータ３０からの駆動力によってモータギア３３が回転し、そのモータギア３３の回転は、同期ギア５６を通じて各ピニオンギア５５に伝達される。なお、同期ギア５６の設置は、必要に応じて省略することもできる。

この実施形態では、第一のピニオンギア５５ａと第二のピニオンギア５５ｂは同歯数である。両者は、同一の形状、大きさからなる共通仕様の歯車で構成されている。また、第一の同期ギア５６ａと第二の同期ギア５６ｂも同歯数である。両者は、同一の形状、大きさからなる共通仕様の歯車で構成されている。

このため、二つのピニオンギア５５は、モータ３０からの駆動力によって、常に同方向へ同角度回転する。三つ以上のピニオンギア５５を配置する場合においても、モータ３０からの駆動力によって、全てのピニオンギア５５が常に同方向へ同角度回転するように設定するのが望ましい。

この実施形態では、モータギア３３の歯数は、ピニオンギア５５の歯数よりも少なく設定されている。モータギア３３の歯数が、ピニオンギア５５の歯数よりも少なければ、モータギア３３とピニオンギア５５の間で減速させることができる。また、通常走行時の後輪保持時には、ピニオンギア５５ａ，５５ｂのそれぞれがラックバー５３，５４の両方に噛み合うことができるので、安定して保持することができる。

また、モータ３０とモータギア３３との間の駆動力伝達経路には、モータ減速機３１が備えられている。このため、モータ３０の回転は減速されて、適切なトルクでモータギア３３に伝達されるようになっている。

また、モータギア３３の回転軸には、その回転軸の回転をロック、及び、そのロックを解除する回転ロック機構３２（図７（ａ）参照）が備えられている。

回転ロック機構３２は、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４との相対位置が任意の位置にある状態で、モータギア３３の軸周りの回転をロックする（規制する）機構である。この回転ロック機構３２の構成は特に限定されないが、例えば、モータギア３３との間で、噛合状態（ロック状態）と噛合解除状態（ロック解除状態）を切り替えることが可能な固定歯等の係合手段とすることができる。

このように、回転ロック機構３２の機能によって、モータギア３３が軸周りに回転しない状態になれば、モータギア３３に直接及び間接的に嵌合しているギアはすべてロックされ、このため、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４との相対移動も固定される。これにより、後輪の左右車輪ｗが任意の転舵位置にある状態で、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４とが不用意に左右に移動するのを防止して、種々の移動モードにおける移動を安定させることができる。

なお、この回転ロック機構３２は、モータギア３３に係合してそのモータギア３３の回転をロックするものに限定されず、例えば、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４とに直接噛み合って、その第一のラックバー５３と第二のラックバー５４の左右への相対的な移動をロックするものとしてもよい。

図７は、後輪専用のステアリング装置２０の詳細図である。装置の中央にモータ３０が備えられ、そのモータ３０に隣接して、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４との並列部分の上方にモータ減速機３１が備えられている。モータギア３３は、モータ減速機３１の真下に配置されている。モータ３０の駆動軸の回転により、モータ減速機３１、モータギア３３を介して、ラックケースＣ内の第一のラックバー５３と第二のラックバー５４が移動する。

図７（ａ）に示すように、回転ロック機構３２は、モータギア３３の真下に設けられている。回転ロック機構３２を構成する前記固定歯（図示せず）が、モータギア３３に向かって進退したり、あるいは、定位置で回転したりすることにより、前述のモータギア３３との間の噛合状態と噛合解除状態との切り替えが行われる。

図７（ｂ）は、ラックケースＣ上部の蓋と、モータ３０及びモータ減速機３１を取り外し、その状態を上面から見た一部切断平面図である。図中の中央にモータギア３３が設けられ、その両側にそれぞれ同期ギア５６、ピニオンギア５５が順に設けられている。二つのピニオンギア５５は、それぞれ第一のラックバー５３と第二のラックバー５４のラックの歯５３ａ，５４ａに噛み合っている（図６参照）。モータギア３３が回転すると、二つのピニオンギア５５が等速で回転し、ピニオンギア５５に嵌合している第一のラックバー５３と第二のラックバー５４が等速で等距離だけ互いに反対方向へ移動する。

ここで、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４は、それぞれ伸縮自在の保護カバー２３で覆われているので、ラックの歯５３ａ，５４ａや潤滑用のグリース等の付着部分が外部へ露出しないようになっている。

図６（ａ）は、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４の先端がそれぞれ最も後退した状態を示す。この状態は、左右車輪ｗの向きが車両１の前後方向と平行な状態である。図６（ｂ）は、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４の先端がそれぞれ突出した状態を示す。

以下、これらの各構成からなるステアリング装置１０，２０を、車両１に装着した場合のいくつかの移動モードについて説明する。

（通常走行モード）
図２に示す直進状態の車輪ｗ位置で、運転者がステアリング２の操作を行うと、図３に示すように、前輪の左右車輪ｗが、右方向へ又は左方向へと転舵される。図３は、右方向に転舵した場合を示す。図２および図３に示す通常走行モードでは、後輪専用のステアリング装置２０において、後輪の左右車輪ｗ（ＲＬ，ＲＲ）を、車両１の車体の前後方向に平行に保持するように設定して、モータギア３３の回転は回転ロック機構３２（図７参照）によりロックされているので、前輪専用のステアリング装置１０によって通常走行、すなわち、通常の車両と同等の走行が可能である。

すなわち、通常走行モードでは、運転者のステアリング２の操作により、前輪専用のステアリング装置１０を通じて、直進、右折、左折、その他、各場面に応じた必要な転舵が可能である。

（その場旋回モード）
その場旋回モードを図４に示す。回転ロック機構３２（図７参照）によるロックを解除することで、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４は別々に動作可能となる。このとき、モータ３０の駆動力によってモータギア３３が回転すると、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４はそれぞれその先端が突出する方向へ、互いに相反する方向へ等距離だけ移動する。後輪の左右車輪ｗの中央軸が、車両１の前後方向に向く前輪の左右車輪ｗの中心軸と、車両１の幅方向中心軸とが交わる点に向くまで、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４を移動させたのち、回転ロック機構３２によりモータギア３３の回転を固定する。この状態で、後輪の左右車輪ｗに備えられたインホイールモータＭの駆動力によって、車両１は、前輪の左右車輪ｗの中心軸と車両１の幅方向中心軸が交わる点を旋回中心として、その場旋回が可能となる。

図では、前後輪の左右車輪ｗにそれぞれインホイールモータＭを装備しているが、後輪の左右車輪ｗのみでも駆動する。その場旋回モードにおいては、少なくとも後輪の左右車輪ｗどちらか１つにインホイールモータＭが装備され作動されれば、その場旋回が可能である。

（坂道でのパーキングモード）
坂道でのパーキングモードの例を図５に示す。図５の転舵状態は、その場旋回モードと同様に、回転ロック機構３２（図７参照）によるロックを解除し、モータ３０の駆動力によってモータギア３３を回転させて、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４のそれぞれの先端を最大位置まで突出させて、後輪の左右車輪ｗの中央軸を、車両１の前後方向から９０°以上向けたのち、回転ロック機構３２によりモータギア３３の回転を固定している。この状態では、車両１は走行できないので、例えば、坂道でのパーキング時にこの設定とすることができる。

さらに他の機能として、例えば、車両１を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）が、車両１が高速走行中であることを認識した時は、そのＥＣＵの出力に基づき、後輪の左右車輪ｗを、平行状態よりも前方側がわずかに閉じた状態（トーイン状態）に設定することができるようにした構成も考えられる。この機能を付加すれば、安定した高速走行が可能となる。このトー調整は、ＥＣＵによる車速や車軸にかかる荷重等の走行状態の判断に基づき自動的に行われるようにしてもよいし、運転者の操作による入力信号に基づいて行われるようにしてもよい。

上記に記載した種々の運転モードは例であり、それ以外にも、これらの機構を用いた様々な制御が可能となる。

上記の実施形態では、ピニオンギア５５は、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４の対向するラックの歯５３ａ，５４ａ間に直接噛み合っている構成を説明したが、ピニオンギア５５は、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４の対向するラックの歯５３ａ，５４ａ間に間接的に噛み合っている態様も考えられる。例えば、ピニオンギア５５は、第一のラックバー５３のラックの歯５３ａや、第二のラックバー５４のラックの歯５４ａに対して、別のギアを介して間接的に噛み合っていてもよい。このとき、ピニオンギア５５が複数設けられている場合は、その各ピニオンギア５５の回転により、モータ３０からの駆動力によって、第一のラックバー５３と第二のラックバー５４とが、互いに反対方向に等速で等距離だけ互いに移動することが望ましい。

１ 車両
２ ステアリング
３ ステアリングシャフト（操作軸）
１０ 前輪専用のステアリング装置
１１，２１ 接続用部材
１２，２２ タイロッド
２０ 後輪専用のステアリング装置
３０ モータ
３１ モータ減速機
３２ 回転ロック機構
３３ モータギア
５３ 第一のラックバー
５４ 第二のラックバー
５５ ピニオンギア
５６ 同期ギア
ｗ 車輪

Claims (7)

1. 車両の後輪の左右車輪に接続される後輪専用ステアリング装置であって、前記後輪の左右車輪を転舵するタイロッドと、前記後輪の左右車輪のタイロッド間に、それぞれ接続される対のラックバーと、前記対のラックバーの両方に噛合う少なくとも１つのピニオンギアと、前記ピニオンギアを回転駆動させるモータとを備え、
   前記モータの駆動力により、前記対のラックバーをそれぞれラックの歯の並列方向に沿って反対方向へ等距離移動させることにより前記後輪の左右車輪を互いに相反する方向へ転舵するステアリング装置。
2. 前記ピニオンギアは前記対のラックバーの対向するラックの歯間に配置され、同歯数の前記ピニオンギアが複数個配置される請求項１に記載のステアリング装置。
3. 前記複数個のピニオンギアは、前記モータからの駆動力によって、常に同方向に同角度回転することを特徴とする請求項２に記載のステアリング装置。
4. 前記複数個のピニオンギアから選択される２つのピニオンギアの中央に、前記モータの駆動力が入力されるモータギアを配置し、前記モータギアから前記複数個のピニオンギアに駆動力が伝達される請求項２又は３に記載のステアリング装置。
5. 前記モータギアの歯数は、前記複数個のピニオンギアの歯数よりも少なく設定される請求項４に記載のステアリング装置。
6. 前記モータギアの回転をロック、及び、そのロックを解除する回転ロック機構を備えた請求項４又は５に記載のステアリング装置。
7. 請求項１から６のいずれか一つに記載のステアリング装置を、後輪の左右車輪に接続した車両。

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