JP2020050231A - 操舵機能付ハブユニットおよびこれを備えた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】後輪の懸架方式によらず、室内空間を確保しながら後輪の操舵角を左右独立で別々に最適に制御することができる操舵機能付ハブユニットおよびこれを備えた車両を提供する。【解決手段】この操舵機能付ハブユニット１は、後輪を操舵する機能を有する操舵機能付ハブユニットである。操舵機能付ハブユニット１は、後輪９Ｒを支持するハブベアリング１５を有するハブユニット本体２と、後輪サスペンションＲｓに設けられ、ハブユニット本体２を上下方向に延びる転舵軸心Ａ回りに回転自在に支持するユニット支持部材３と、ハブユニット本体２を転舵軸心Ａ回りに回転駆動させる操舵用アクチュエータ５とを備える。ハブユニット本体２は、上下方向に延びる転舵軸心Ａ回りに回転自在なように、上下二箇所で転がり軸受４，４を介してユニット支持部材３に支持され、上下の転がり軸受４，４が後輪９Ｒのホイール９ｂ内に位置する。【選択図】図１

Description

この発明は、左右の後輪を各輪独立して操舵する機能を備えた操舵機能付ハブユニットおよびこれを備えた車両に関し、走行状況に合わせ左右の後輪を適切な操舵角に制御することで、燃費の改善および走行性の安定と安全性の向上を図る技術に関する。

一般的な後輪操舵機構を搭載した車両のリヤサスペンションは、独立懸架方式を採用している。これは、前輪のマニュアルステアリングと同様にナックルを押引きすることで後輪を操舵している。しかし、独立懸架方式を採用することで、足回りが複雑になり、コストが上がると共に室内空間の確保が難しくなるといった課題がある。

特開２０１３−３９８４２号公報 特開２００５−１７８６５３号公報

独立懸架方式以外の例えばトーションビームに適用した後輪操舵機構の例として、特許文献１、２が提案されている。トーションビームを備えた車両では、車幅方向に延びるビームの左右両端から前方に延びる車体取付部位が車体に取付けられ、前記ビームの左右両端から後方に延びる取付部に、左右のハブベアリングがボルトにより締結されている。
特許文献１、２では、トーションビーム全体に外力を与えることで、トーションビームと車体の車体取付部位（トレーリングアーム）のゴムブッシュを変形させ後輪を操舵させている。但し、左右輪を独立して別々に制御することができず、また、ゴムブッシュの変形で最大操舵角度が決まるため、操舵角度は微小であり、最適な操舵角度を採ることができない。

特許文献１では、プロペラシャフトの動力を分配させてラックアンドピニオン方式でトーションビームに外力を与えている。この方式では、ＦＲ車以外には適用できない。また、機構が複雑でありサイズが大きくなり、室内空間を広く確保することができない。
特許文献２は、電動車両に適用されている。後輪駆動用のモータの動力を分配し、回転運動を直線運動に変換しトーションビームに外力を与えている。この特許文献２においても、特許文献１と同様にサイズが大きく室内空間を広く確保することができない。

この発明の目的は、後輪の懸架方式によらず、室内空間を確保しながら後輪の操舵角を左右独立で別々に最適に制御することができる操舵機能付ハブユニットおよびこれを備えた車両を提供することである。

この発明の操舵機能付ハブユニットは、後輪を操舵する操舵機能付ハブユニットであって、
前記後輪を支持するハブベアリングを有するハブユニット本体と、
後輪サスペンションに設けられ、前記ハブユニット本体を上下方向に延びる転舵軸心回りに回転自在に支持するユニット支持部材と、
前記ハブユニット本体を前記転舵軸心回りに回転駆動させる操舵用アクチュエータと、を備えた。

独立懸架方式のサスペンションでは、キングピン軸があるため、キングピン軸回りを押引きできる操舵用アクチュエータを備えることで、後輪を左右独立に操舵可能である。しかし、トーションビームでは、ビームの左右両端に左右のハブベアリングがボルトにより締結されているため、左右の後輪を独立に操舵することはできない。
この構成によると、後輪を支持するハブベアリングを有するハブユニット本体を、操舵用アクチュエータの駆動により、前記転舵軸心回りに自由に回転させることができる。またハブユニット本体を回転自在に支持するユニット支持部材が後輪サスペンションに設けられるため、プロペラシャフトまたは後輪駆動用のモータの動力を分配する従来技術よりも、構造を簡単化できるうえ、車両の室内空間を広く確保することができる。
また、この構成によれば、前記後輪を操舵する機能により僅かな角度の操舵を後輪毎に独立して行える。操舵用アクチュエータにより、ハブユニット本体の転舵軸心回りの操舵角を一定の範囲で自由に変更することができるので、例えば、車両の走行状況に応じて、後輪の操舵角を任意に補正することができる。例えば、後輪の操舵角を前輪と同じ位相にすると、操舵時に車両に発生するヨーを抑え、車両の安定性を高めることができる。さらに直線走行時にも左右独立で後輪の操舵角度を調整することで、車両の走行安定性を確保することができる。

前記操舵用アクチュエータは、モータと、このモータの回転を減速する減速機と、この減速機の回転出力を直進運動に変換する直動機構とを有するものであってもよい。この場合、モータと直動機構との間に減速機を介在させることで、操舵用アクチュエータの高トルク化を図りつつモータの小型化を図ることができる。

前記直動機構は、台形ねじを用いた送りねじ機構であってもよい。
前述の従来技術では、タイヤからの逆入力に対して、操舵角度を維持するロック機構等が設けられていないため、操舵角度を維持するために常時動力が必要である。
これに対して、直動機構が台形ねじを用いた送りねじ機構である構成によると、タイヤからの逆入力の防止効果を高め得る。したがって、操舵角度を維持するために操舵用アクチュエータに駆動力を常時与える必要がなくなるため、電費または燃費の向上を図ることができる。

前記ハブユニット本体は、上下方向に延びる転舵軸心回りに回転自在なように、上下二箇所で転がり軸受を介して前記ユニット支持部材に支持され、前記上下の転がり軸受が前記後輪のホイール内に位置するものであってもよい。この場合、高剛性で且つ小型化を図ることができる操舵機能付きハブユニットを車両に容易に装備することができる。したがって、既存の車両に操舵機能付きハブユニットを容易に装備し得ることから、この操舵機能付きハブユニットの汎用性を高めることができる。

この発明の操舵システムは、前述のいずれかに記載の操舵機能付ハブユニットと、この操舵機能付ハブユニットの操舵用アクチュエータを制御する制御装置とを備えた操舵システムであって、前記制御装置は、与えられた操舵角指令信号に応じた電流指令信号を出力する操舵制御部と、この操舵制御部から入力された電流指令信号に応じた電流を出力して前記操舵用アクチュエータを駆動制御するアクチュエータ駆動制御部とを有する。

この構成によると、操舵制御部は、与えられた操舵角指令信号に応じた電流指令信号を出力する。アクチュエータ駆動制御部は、操舵制御部から入力された電流指令信号に応じた電流を出力して操舵用アクチュエータを駆動制御する。したがって、運転者の操舵入力部の操作による前輪の操舵に付加して後輪の操舵角度を任意に変更することができる。

この発明の車両は、前述のいずれかに記載の操舵機能付ハブユニットを用いて前記後輪が支持された車両であって、前記後輪サスペンションがリジッドアクスルサスペンションである。この場合、既存のリジッドアクスルサスペンションに対し、大掛かりな構造変更を行うことなく操舵機能付ハブユニットを設置することができる。後輪サスペンションがリジッドアクスルサスペンションであっても、操舵機能付ハブユニットを容易に設置することができる。

この発明の操舵機能付ハブユニットは、後輪を操舵する操舵機能付ハブユニットであって、前記後輪を支持するハブベアリングを有するハブユニット本体と、後輪サスペンションに設けられ、前記ハブユニット本体を上下方向に延びる転舵軸心回りに回転自在に支持するユニット支持部材と、前記ハブユニット本体を前記転舵軸心回りに回転駆動させる操舵用アクチュエータと、を備えた。このため、後輪の懸架方式によらず、室内空間を確保しながら後輪の操舵角を左右独立で別々に最適に制御することができる。

この発明の操舵システムは、前述のいずれかに記載の操舵機能付ハブユニットと、この操舵機能付ハブユニットの操舵用アクチュエータを制御する制御装置とを備えた操舵システムであって、前記制御装置は、与えられた操舵角指令信号に応じた電流指令信号を出力する操舵制御部と、この操舵制御部から入力された電流指令信号に応じた電流を出力して前記操舵用アクチュエータを駆動制御するアクチュエータ駆動制御部とを有する。このため、後輪の懸架方式によらず、室内空間を確保しながら後輪の操舵角を左右独立で別々に最適に制御することができる。

この発明の車両は、前述のいずれかに記載の操舵機能付ハブユニットを用いて前記後輪が支持された車両であって、前記後輪サスペンションがリジッドアクスルサスペンションであるため、後輪の懸架方式によらず、室内空間を確保しながら後輪の操舵角を左右独立で別々に最適に制御することができる。

この発明の第１の実施形態に係る操舵機能付ハブユニットおよびその周辺の構成を示す縦断面図である。 同操舵機能付ハブユニットおよびその周辺の構成を示す水平断面図である。 同操舵機能付ハブユニットの外観を示す斜視図である。 同操舵機能付ハブユニットの側面図である。 同操舵機能付ハブユニットの平面図である。 図４のVI-VI線断面図である。 トーションビームに同操舵機能付ハブユニットが搭載された例を示す平面図である。 トーションビームに同操舵機能付ハブユニットが搭載された例を示す斜視図である。 同操舵機能付ハブユニットを備えた車両の模式平面図である。

［第１の実施形態］
この発明の実施形態に係る操舵機能付ハブユニットを図１ないし図９と共に説明する。
実施形態に係る操舵機能付ハブユニット１は、左右の後輪を各輪独立して操舵する機能を有し、図９に示すように、前輪操舵付きの車両１０の後輪９Ｒ，９Ｒに適用される。

＜操舵機能付ハブユニットの概略構造＞
図１に示すように、操舵機能付ハブユニット１は、ハブユニット本体２と、ユニット支持部材３と、回転許容支持部品である転がり軸受４と、操舵用アクチュエータ５とを備える。後述する後輪サスペンションに、ユニット支持部材３が設けられている。この操舵機能付ハブユニット１を備えた車両は、ハンドル操作等による左右の前輪９Ｆ，９Ｆ（図９）の操舵と共に、左右の後輪９Ｒ，９Ｒ（図９）を微小な角度（約±５ｄｅｇ）独立して操舵可能である。

ユニット支持部材３のインボード側に、操舵用アクチュエータ５のアクチュエータ本体７が設けられ、ユニット支持部材３のアウトボード側に、ハブユニット本体２が設けられる。操舵機能付ハブユニット１を車両１０（図９）に搭載した状態で、車両１０（図９）の車幅方向外側をアウトボード側といい、車両１０（図９）の車幅方向中央側をインボード側という。

図２および図３に示すように、ハブユニット本体２とアクチュエータ本体７とはジョイント部８により連結されている。通常、このジョイント部８は、防水、防塵のために図示外のブーツが取り付けられている。
図１に示すように、ハブユニット本体２は、上下方向に延びる転舵軸心Ａ回りに回転自在なように、上下二箇所で転がり軸受４，４を介してユニット支持部材３に支持されている。転舵軸心Ａは、後輪９Ｒの回転軸心Ｏとは異なる軸心である。後輪９Ｒは、ホイール９ａとタイヤ９ｂとを備える。

＜操舵機能付ハブユニット１の設置箇所＞
図７〜図９に示すように、操舵機能付ハブユニット１は、車両１０における後輪サスペンションであるリジッドアクスルサスペンションＲｓに固定される。この例では、リジッドアクスルサスペンションＲｓのうちトーションビームアクスル式サスペンションが適用されている。トーションビームアクスル式サスペンションにおけるビーム３３の左右両端部に設けられた取付部３４，３４に、それぞれ操舵機能付ハブユニット１のユニット支持部材３（図３）が固定されている。図示しないが、後輪のサスペンション形式として、マルチリンク式サスペンション機構など、他のサスペンション機構に、操舵機能付ハブユニット１を固定してもよい。

＜ハブユニット本体２について＞
図１および図６に示すように、ハブユニット本体２は、後輪９Ｒを支持するハブベアリング１５と、アウターリング１６と、後述の操舵力受け部であるアーム部１７（図３）とを備える。ハブベアリング１５は、内輪１８と、外輪１９と、これら内外輪１８，１９間に介在したボール等の転動体２０とを有し、車体側の部材と後輪９Ｒとを繋ぐ役目をしている。

このハブベアリング１５は、図示の例では、外輪１９が固定輪、内輪１８が回転輪となり、転動体２０が複列とされたアンギュラ玉軸受とされている。内輪１８は、ハブフランジ１８ａａを有しアウトボード側の軌道面を構成するハブ輪部１８ａと、インボード側の軌道面を構成する内輪部１８ｂとを有する。ハブフランジ１８ａａに、後輪９Ｒのホイール９ａがブレーキロータ２１ａと重なり状態でボルト固定されている。内輪１８は、回転軸心Ｏ回りに回転する。

アウターリング１６は、外輪１９の外周面に嵌合された円環部１６ａと、この円環部１６ａの外周から上下に突出して設けられたトラニオン軸状の取付軸部１６ｂ，１６ｂとを有する。各取付軸部１６ｂは、転舵軸心Ａに同軸に設けられる。
図２に示すように、ブレーキ２１は、ブレーキロータ２１ａと、ブレーキキャリパ２１ｂとを有する。ブレーキキャリパ２１ｂは、外輪１９に一体にアーム状に突出して形成された上下二箇所のブレーキキャリパ取付部２２（図４）に取付けられる。

＜回転許容支持部品およびユニット支持部材について＞
図６に示すように、各回転許容支持部品である転がり軸受４として、テーパころ軸受が適用されている。この例では、転がり軸受４としてテーパころ軸受が適用されている。転がり軸受４は、取付軸部１６ｂの外周に嵌合された内輪４ａと、ユニット支持部材３に嵌合された外輪４ｂと、内外輪４ａ，４ｂ間に介在する複数の転動体４ｃとを有する。図１に示すように、上下の転がり軸受４，４はホイール９ｂ内に位置するように設けられている。

ユニット支持部材３は、ユニット支持部材本体３Ａと、ユニット支持部材結合体３Ｂとを有する。図６に示すように、ユニット支持部材本体３Ａのアウトボード側端に、略リング形状のユニット支持部材結合体３Ｂが着脱自在に固定されている。ユニット支持部材結合体３Ｂのインボード側側面のうち上下の部分には、部分的な凹球面状の嵌合孔形成部がそれぞれ形成されている。

図５および図６に示すように、ユニット支持部材本体３Ａのアウトボード側端のうち上下の部分には、部分的な凹球面状の嵌合孔形成部がそれぞれ形成されている。ユニット支持部材本体３Ａのアウトボード側端にユニット支持部材結合体３Ｂが固定され、各上下の部分につき、嵌合孔形成部が互いに組み合わされることにより、全周に連なる嵌合孔が形成される。この嵌合孔に外輪４ｂが嵌合されている。

図６に示すように、アウターリング１６における各取付軸部１６ｂには、雌ねじ部が径方向に延びるように形成され、この雌ねじ部に螺合するボルト２３が設けられている。内輪４ａの端面に円板状の押圧部材２４を介在させ、前記雌ねじ部に螺合するボルト２３により、内輪４ａの端面に押圧力を付与することで、各転がり軸受４にそれぞれ予圧を与えている。これにより各転がり軸受４の剛性を高め得る。車両の重量がこのハブユニットに作用した場合でも初期予圧が抜けないように設定される。このため、この操舵機能付きハブユニット１は操舵装置としての剛性を確保することができる。なお、転がり軸受４は、テーパころ軸受に限るものではなく、最大負荷等の使用条件によってはアンギュラ玉軸受を用いることも可能である。その場合も、上記と同様に予圧を与えることができる。

図２に示すように、アーム部１７は、ハブベアリング１５の外輪１９に操舵力を与える作用点となる部位であり、外輪１９の外周の一部に一体に突出する。このアーム部１７は、ジョイント部８を介して、操舵用アクチュエータ５の直動出力部２５ａに回転自在に連結されている。これにより、操舵用アクチュエータ５の直動出力部２５ａが進退することで、ハブユニット本体２が転舵軸心Ａ（図１）回りに回転、つまり操舵させられる。

＜操舵用アクチュエータ５＞
図３に示すように、操舵用アクチュエータ５は、ハブユニット本体２を転舵軸心Ａ（図１）回りに回転駆動させるアクチュエータ本体７を有する。
図２に示すように、アクチュエータ本体７は、モータ２６と、モータ２６の回転を減速する減速機２７と、この減速機２７の正逆の回転出力を直動出力部２５ａの往復直線動作に変換する直動機構２５とを備える。モータ２６は、例えば永久磁石型同期モータとされるが、直流モータであっても、誘導モータであってもよい。

減速機２７は、ベルト伝達機構等の巻き掛け式伝達機構またはギヤ列等を用いることができ、図２の例ではベルト伝達機構が用いられている。減速機２７は、ドライブプーリ２７ａと、ドリブンプーリ２７ｂと、ベルト２７ｃとを有する。モータ２６のモータ軸にドライブプーリ２７ａが結合され、直動機構２５にドリブンプーリ２７ｂが設けられている。このドリブンプーリ２７ｂは、前記モータ軸に平行に配置されている。モータ２６の駆動力は、ドライブプーリ２７ａからベルト２７ｃを介してドリブンプーリ２７ｂに伝達される。前記各ドライブプーリ２７ａとドリブンプーリ２７ｂとベルト２７ｃとで、巻き掛け式の減速機２７が構成される。

直動機構２５は、滑りねじまたはボールねじ等の送りねじ機構、またはラック・ピニオン機構等を用いることができ、この例では台形ねじの滑りねじを用いた送りねじ機構２５ｂが用いられている。直動機構２５は、前記台形ねじの滑りねじを用いた送りねじ機構であるため、タイヤ９ｂからの逆入力の防止効果を高め得る。モータ２６、減速機２７および直動機構２５を備えたアクチュエータ本体７は、準組立品として組み立てられてケース６ｂにボルト等により着脱自在に取り付けられる。なおモータ２６の駆動力を、減速機を介さず直接直動機構２５へ伝達する機構も可能である。

ケース６ｂは、ユニット支持部材３の一部として、ユニット支持部材本体３Ａに一体に形成されている。ケース６ｂは、有底筒状に形成され、モータ２６を支持するモータ収容部と、直動機構２５を支持する直動機構収容部が設けられている。前記モータ収容部には、モータ２６をケース内所定位置に支持する嵌合孔が形成されている。前記直動機構収容部には、直動機構２５をケース内所定位置に支持する嵌合孔、および、直動出力部２５ａの進退を許す貫通孔等が形成されている。

＜作用効果＞
以上説明した操舵機能付ハブユニット１によれば、後輪９Ｒを支持するハブベアリングを有するハブユニット本体２を、操舵用アクチュエータ５の駆動により、転舵軸心Ａ回りに自由に回転させることができる。またハブユニット本体２を回転自在に支持するユニット支持部材３が後輪サスペンションに設けられるため、プロペラシャフトまたは後輪駆動用のモータの動力を分配する従来技術よりも、構造を簡単化できるうえ、車両１０の室内空間を広く確保することができる。

また、この構成によれば、後輪９Ｒを操舵する機能により僅かな角度の操舵を後輪９Ｒ毎に独立して行える。操舵用アクチュエータ５により、ハブユニット本体２の転舵軸心Ａ回りの操舵角を一定の範囲で自由に変更することができるので、例えば、車両１０の走行状況に応じて、後輪９Ｒの操舵角を任意に補正することができる。例えば、後輪９Ｒの操舵角を前輪９Ｆと同じ位相にすると、操舵時に車両１０に発生するヨーを抑え、車両１０の安定性を高めることができる。さらに直線走行時にも左右独立で後輪３Ｒの操舵角度を調整することで、車両１０の走行安定性を確保することができる。また、その時々の走行条件に合わせて、適切なタイヤ角度を設定することで燃費を改善することも可能となる。

＜操舵システムについて＞
図３に示すように、操舵システムは、実施形態に係る操舵機能付ハブユニット１と、この操舵機能付ハブユニット１の操舵用アクチュエータ５を制御する制御装置２９とを備える。制御装置２９は、操舵制御部３０と、アクチュエータ駆動制御部３１とを有する。運転者はハンドルによって前輪の舵角を操作するが、上位制御部３２ではハンドルである操舵入力部１１ａ（図９）の操作角に応じ、さらに車両１０（図９）の状況などを加味して算出した左右の後輪９Ｒ，９Ｒ（図９）の操舵角指令信号を出力する。操舵制御部３０は、上位制御部３２から与えられた操舵角指令信号に応じた電流指令信号を出力する。

上位制御部３２は操舵制御部３０の上位の制御手段であり、上位制御部３２として、例えば、車両全般を制御する電気制御ユニット（Vehicle Control Unit,略称ＶＣＵ）が適用される。アクチュエータ駆動制御部３１は、操舵制御部３０から入力された電流指令信号に応じた電流を出力して操舵用アクチュエータ５を駆動制御する。アクチュエータ駆動制御部３１は、モータ２６のコイルに供給する電力を制御する。このアクチュエータ駆動制御部３１は、例えば、図示外のスイッチ素子を用いたハーフブリッジ回路を構成し、前記スイッチ素子のＯＮ−ＯＦＦデューティ比によりモータ印加電圧を決定するＰＷＭ制御を行う。これにより、ユニット支持部材３に対するハブユニット本体２の角度を変化させて後輪の操舵角を任意に変更することができる。車両の走行条件に応じて、後輪の操舵角を変更できるため、車両の運動性能を向上させ、安定・安全に走行することが可能となる。

操舵システムは、運転者のハンドル操作に代えて、図示外の自動運転装置、運転支援装置の指令等によって操舵用アクチュエータ５，５を動作させてもよい。
以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…操舵機能付ハブユニット、２…ハブユニット本体、３…ユニット支持部材、４…転がり軸受、５…操舵用アクチュエータ、９Ｒ…後輪、９ａ…ホイール、１０…車両、１５…ハブベアリング、２５…直動機構、２５ｂ…送りねじ機構、２６…モータ、２７…減速機、２９…制御装置、３０…操舵制御部、３１…アクチュエータ駆動制御部、Ｒｓ…リジッドアクスルサスペンション（後輪サスペンション）

Claims (6)

1. 後輪を操舵する操舵機能付ハブユニットであって、
   前記後輪を支持するハブベアリングを有するハブユニット本体と、
   後輪サスペンションに設けられ、前記ハブユニット本体を上下方向に延びる転舵軸心回りに回転自在に支持するユニット支持部材と、
   前記ハブユニット本体を前記転舵軸心回りに回転駆動させる操舵用アクチュエータと、を備えた操舵機能付ハブユニット。
2. 請求項１に記載の操舵機能付ハブユニットにおいて、前記操舵用アクチュエータは、モータと、このモータの回転を減速する減速機と、この減速機の回転出力を直進運動に変換する直動機構とを有する操舵機能付ハブユニット。
3. 請求項２に記載の操舵機能付ハブユニットにおいて、前記直動機構は、台形ねじを用いた送りねじ機構である操舵機能付ハブユニット。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の操舵機能付ハブユニットにおいて、前記ハブユニット本体は、上下方向に延びる転舵軸心回りに回転自在なように、上下二箇所で転がり軸受を介して前記ユニット支持部材に支持され、前記上下の転がり軸受が前記後輪のホイール内に位置する操舵機能付ハブユニット。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の操舵機能付ハブユニットと、この操舵機能付ハブユニットの操舵用アクチュエータを制御する制御装置とを備えた操舵システムであって、前記制御装置は、与えられた操舵角指令信号に応じた電流指令信号を出力する操舵制御部と、この操舵制御部から入力された電流指令信号に応じた電流を出力して前記操舵用アクチュエータを駆動制御するアクチュエータ駆動制御部とを有する操舵システム。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の操舵機能付ハブユニットを用いて前記後輪が支持された車両であって、前記後輪サスペンションがリジッドアクスルサスペンションである車両。

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