JP3370163B2 - 可変バネレート機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可変バネレート機構に
関し、特にコイルばねの捩れ角と捩れトルクとの関係を
変化させることができるように構成された可変バネレー
ト機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車には、種々のばね装置が設けられ
ている。例えばステアリング装置の操舵力を補助するた
めのパワーステアリング装置には、ステアリングホイー
ルとピニオンとの間を連結するためのトーションバーが
設けられており、操舵力と路面反力との差に応じた相対
回動角度ずれがステアリングホイールとピニオンとの間
に生じるようになっている。そしてこの回動角度ずれ
を、サーボバルブを用いてパワーシリンダに加える油圧
に変換することにより、適切な補助操舵力がステアリン
グラックに加わるようになっている。

【０００３】上記従来のパワーステアリング装置に於て
は、トーションバーの捩れ剛性を高く設定すると、ステ
アリングホイールとピニオンとの間の相対回動角度ずれ
が小さくなってステアリングホイール側からの入力に対
するサーボバルブの応答性が低下するため、低速走行域
に於ける補助操舵力を十分に発生させることができなく
なる。この逆に、トーションバーの捩れ剛性を低く設定
すると、サーボバルブの応答性が過度に高まるため、高
速走行域での操舵応答性が過敏になるという不都合が生
じる。

【０００４】他方、自動車の懸架装置に於て、車輪を支
持したサスペンションアームと車体との間にトーション
バーを設けた構成が知られている。この場合は、旋回時
の接地性を高める上には捩れ剛性が高めの方が好ましい
が、捩れ剛性を過度に高めると乗り心地が悪化する傾向
となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
のばね装置は、使用されるばねの変位と反力との関係が
固定されたものであるため、パワーステアリング装置の
場合の低操舵力と高剛性感や、懸架装置の場合の操縦性
と乗り心地との関係のように、相互に背反する関係にあ
る特性を両立することはきわめて困難であり、畢竟、あ
る特性を満足させるには、別の特性をある程度犠牲にせ
ざるを得ないという面があった。

【０００６】本発明は、このような従来技術の不都合を
解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、
ばね定数の設定によって車両の運動特性が一義的に規定
されてしまうという不都合を解消し、相互に背反する関
係にある特性をより一層高いレベルで両立させることが
できるようにばね装置を改善するところにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的は、本発
明の請求項１によれば、同一軸を中心にして互いに相対
回動可能な第１軸及び第２軸と、回転方向の少なくとも
一方に対して前記第１軸と前記第２軸との間を連動連結
するように、前記第１軸に相対周方向変位不能（回動不
能）に一端が連結され、且つ前記第２軸に相対周方向変
位不能（回動不能）に他端が連結されたコイルばねと、
該コイルばねの軸長を変える駆動手段とを有し、該コイ
ルばねの軸長を変化させることで該コイルばねの両端間
に発生する反力トルクを変化させるようにしてなる可変
バネレート機構を提供することによって達成される。

【０００８】

【作用】このような構成によれば、コイルばねの軸長を
走行条件に応じて変化させることにより、捩れ角と捩れ
トルクとの関係を変化させることができるので、例えば
段階的にあるいは連続的に見かけ上のバネレートを変化
させることができる。これにより、例えばパワーステア
リング装置に適用すれば（請求項２）、低速走行域での
サーボバルブの応答性を十分に高められるだけの相対回
動角度が得られるコイルばねを用いたうえで、高速走行
域で所望の剛性感を得ることができる。またサスペンシ
ョン装置に適用した場合は（請求項３）、乗り心地を重
視したばね定数のコイルばねを用いたうえで、車体と車
輪間のストロークに無関係にばねを縮めることができる
ので、必要に応じてばね反力を高めて車両姿勢の変化を
抑制することができる。この作用は、両端を自由にした
コイルばねを軸線方向について圧縮すると、巻き線が延
びる（コイル径が拡大する）向きに変形し、コイルの両
端間が周方向に相対変位することによってもたらされ
る。つまり、周方向について両端を固定した状態でコイ
ルばねを圧縮すると、見かけ上、巻締める向きのねじり
力がコイルばねに加わった状態となるので、伸長時に比
してより大きなねじり反力が得られることとなる。

【０００９】

【実施例】以下に添付の図面に示された具体的な実施例
に基づいて本発明の構成を詳細に説明する。

【００１０】図１は、本発明が適用されたステアリング
装置１を備える車両２の要部斜視図である。車両２の左
右の前輪３は、タイロッド４、ラック＆ピニオン式のス
テアリングギヤボックス５、及びステアリングシャフト
６を介してステアリングホイール７に連結されている。

【００１１】図２に良く示すように、ステアリングギヤ
ボックス５は、パワーステアリングオイルの流路を制御
するためのロータリーバルブユニット１１と、ステアリ
ングシャフト６に連結される入力軸１２と、ピニオン１
３と、ピニオン１３に噛合したステアリングラック１４
とからなっている。そしてステアリングラック１４に
は、アシスト軸力を発生するパワーシリンダ１５が一体
的に設けられている。

【００１２】ロータリーバルブユニット１１には、オイ
ルタンク１６へオイルを戻すリターンポート１７、オイ
ルポンプ１９からの油圧が直接供給されるフィードポー
ト２０、及びパワーシリンダ１５のピストン２１で隔て
られた２つの油室２２ａ・２２ｂのそれぞれに油圧を供
給する２つのシリンダポート２３ａ・２３ｂが設けられ
ている。またロータリーバルブユニット１１は、後記す
る可変バネレート機構と一体的に結合されており、これ
には、オイルポンプ１９からの車速応動制御油圧が供給
されるコントロールポート１８が設けられている。そし
てこれらロータリーバルブユニット１１と可変バネレー
ト機構とは、ステアリングギヤボックス５に一体結合さ
れている。

【００１３】オイルタンク１６から汲み出したオイルを
オイルポンプ１９にて供給する油路２４は、２つに分岐
され、一方はカットオフバルブ２５を介してコントロー
ルポート１８に接続され、他方はメインオリフィス２６
を介してフィードポート２０に接続されている。またオ
イルポンプ１９には、流量制御弁２７及びリリーフ弁２
８が並列に接続されており、オイルポンプ１９の吐出流
量並びに油路２４の圧力が、常時一定の範囲に保たれる
ようになっている。

【００１４】コントロールポート１８及びカットオフバ
ルブ２５には、デファレンシャルギヤに噛合したスピー
ドメータドライブギヤにて駆動されて車速に応動するト
ロコイド型油圧モータ２９、リリーフ弁３０、及び逆止
弁３１からなる車速センサユニット３２が接続されてい
る。これによると、エンジンを始動し、かつ停車してい
る時には、油圧モータ２９が回転しないためにカットオ
フバルブ２５からのオイルの流れがせき止められ、走行
すると、油圧モータ２９が回転し、オイルタンク１６へ
のオイル流量が車速の増大に応じて増加する。ここで逆
止弁３１は、高速走行時にオイルの通過量が過度になっ
て車速センサユニット３２の入口が負圧になることを防
止し、リリーフ弁３０は、車両後退時には油圧モータ２
９がポンプ作用をなすので、この時に発生する油圧を逃
がす働きをする。

【００１５】図３に良く示すように、ロータリーバルブ
ユニット１１は、本発明による可変バネレート機構４１
と一体結合されており、そのハウジング１１ａの内部に
は、ステアリングシャフト６に結合する入力軸１２と、
入力軸１２の外周に相対回動自在に嵌合した弁体３４と
が、互いに同軸的に組み込まれている。

【００１６】ハウジング１１ａと入力軸１２と弁体３４
との間には、入力軸１２と弁体３４との相対回動変位量
に対応して連通度が変化する油路が形成されており、ピ
ニオン１３に加わる捩りトルク、即ち路面反力の大きさ
に応じて２つのシリンダポート２３ａ・２３ｂからの油
量が変化するようになっている。なお、このロータリー
バルブユニット１１の油路の基本構成自体は、公知のロ
ータリーバルブユニットと等しいので、その詳細な説明
は割愛する。

【００１７】可変バネレート機構４１は、入力軸１２と
ピニオン１３との間に、ロータリーバルブユニット１１
と直列に設けられている。この可変バネレート機構４１
は、ロータリーバルブユニット１１のハウジング１１ａ
と一体的に結合されたハウジング４１ａに内蔵されてお
り、下端側にピニオン１３を一体形成してなる出力部材
４２と、出力部材４２の外周側の上端にボルト止めされ
ると共に、その上端に弁体３４を結合するキャップ部材
４３と、キャップ部材４３と相対回動可能に組み合わさ
れ、かつその上端側に入力軸１２を一体形成してなる入
力部材４４と、入力部材４４内に回動可能に設けられた
上部リテーナ４５と、出力部材４２内で回動可能かつ軸
線方向変位可能に設けられた下部リテーナ４６と、上部
リテーナ４５及び下部リテーナ４６に、その各端がピン
４７をもってそれぞれ回動不能に連結されたコイルばね
４８とからなっている。これらの各部材は、中空に形成
された入力軸１２の中心部に挿通された支軸４９によ
り、互いの軸心が共通の軸上に置かれている。

【００１８】これらの各部材には、図４に良く示すよう
に、その外周部に於ける円周を４等分する位置に軸線方
向脚部がそれぞれ設けられている。この脚部は、出力部
材４２及び下部リテーナ４６がそれぞれ上向きに突出
し、キャップ部材４３、入力部材４４及び上部リテーナ
４５がそれぞれ下向きに突出している。

【００１９】出力部材４２とキャップ部材４３との脚部
５０・５１同士は、互いに整合しており、両者の脚部５
０・５１同士を接合した上で各脚部５０・５１に穿設さ
れたボルト孔５０ａ・５１ａにボルトＢ（図３）を挿通
螺着することにより、互いに一体化されている。なおキ
ャップ部材４３側の脚部５０は、出力部材４２との連結
機能のみを有しており、その内周輪郭は、他の全ての部
材と干渉しないようになっている。

【００２０】入力部材４４は、キャップ部材４３の脚部
５０の内周円輪郭内で回動可能であり、その脚部５２
は、出力部材４２の脚部５１の内周側部分の軸線方向端
面に微小間隔をおいて対向している。ここでキャップ部
材４３と入力部材４４との間には、相対回動角度規定手
段（図示せず）が設けられており、キャップ部材４３に
連結される弁体３４と、入力部材４４に一体形成された
入力軸１２との間の相対角度変位が、所定角度範囲内に
規定されるようになっている。

【００２１】上部リテーナ４５の脚部５３は、入力部材
４４の脚部５２に於ける一方の円周方向面に対向してい
る。またその長さは、入力部材４４の脚部５２よりも長
くされており、出力部材４２の脚部５１間に所定の寸法
だけ突入するようになっている。

【００２２】下部リテーナ４６には、出力部材４２に一
体形成されたシリンダ孔５５に摺合するピストン５６が
一体形成されている。この下部リテーナ４６の脚部５４
は、入力部材４４の脚部５２に於ける他方の円周方向面
に対向している。またその長さは、ピストン５６のスト
ローク範囲で入力部材４４の脚部５２と常時対向するよ
うになっている。

【００２３】次に上記可変バネレート機構４１の作動原
理について図５を併せて参照して説明する。

【００２４】下部リテーナ４６のピストン５６は、ハウ
ジング４１ａに設けられたコントロールポート１８から
供給される油圧にて押し上げられるようになっており、
通常は上下各リテーナ４５・４６間に装着されたコイル
ばね４８の弾発力により、図３に示した下端位置を維持
している。この状態に於けるコイルばね４８の捩れトル
クの中立状態にあっては、出力部材４２と入力部材４４
との脚部５１・５２同士の周方向位置が互いに整合して
おり、コイルばね４８の初期捩れトルクにより、上部リ
テーナ４５の脚部５３は、入力部材４４の脚部５２に於
ける図４の上方から見て時計回りに進んだ際に対向する
面に当接し、下部リテーナ４６の脚部５４は、出力部材
４２の脚部５１に於ける反時計回りに進んだ際に対向す
る面に当接している（図５ａ参照）。

【００２５】この状態で入力部材４４を反時計回りに回
動すると、入力部材４４に加わったトルクが、入力部材
４４の脚部５２と上部リテーナ４５の脚部５３とを介し
て上部リテーナ４５に先ず伝達され、上部リテーナ４５
が入力部材４４と共に回動する。そして上部リテーナ４
５に伝達されたトルクは、コイルばね４８を介して下部
リテーナ４６に伝達され、下部リテーナ４６の脚部５４
に当接した出力部材４２を回動させる。この時の出力部
材４２側に作用する回動抵抗とコイルばね４８の捩れ剛
性との釣り合いに応じてコイルばね４８が捩れ方向に撓
むので、入力部材４４と出力部材４２間に相対周方向変
位が生じることとなる（図５ｂ参照）。

【００２６】上記と逆方向へ入力部材４４を回動する
と、入力部材４４に加わったトルクは、先ず下部リテー
ナ４６に伝達され、下部リテーナ４６が入力部材４４と
共に回動する。そして下部リテーナ４６に伝達されたト
ルクは、コイルばね４８を介して上部リテーナ４５に伝
達され、上部リテーナ４５の脚部５３の下端部に当接し
た出力部材４２が回動する。これにより、上記と同様
に、入力部材４４と出力部材４２間に相対周方向変位が
生じる

【００２７】出力部材４２のシリンダ孔５５に油圧を供
給すると、下部リテーナ４６が押し上げられ、コイルば
ね４８が押し縮められる（図５ｃのＳ寸法）。これによ
り、コイルばね４８の初期捩れ反力が、図６に実線で示
す特性から破線で示す特性に変化し、同一入力トルクと
回動抵抗に対する入力部材４４と出力部材４２間の相対
周方向変位量が低減する（図５ｃ参照）。従って、下部
リテーナ４６の軸線方向位置を連続的に変化させること
により、見掛け上のばね定数を図６の２点鎖線で示した
ように変化させることができる。

【００２８】次に上記可変バネレート機構４１を適用し
たパワーステアリング装置の作動要領について主に図２
を参照して説明する。

【００２９】エンジンが停止している初期状態にあって
は、カットオフバルブ２５が内蔵コイルばねのばね力に
よって開いており、オイルポンプ１９からコントロール
ポート１８に到る油路は連通している。

【００３０】エンジンを始動すると、オイルポンプ１９
からカットオフバルブ２５に到る油路２４に油圧が作用
する。停車時には、車速センサユニット３２の油圧モー
タ２９が停止しているため、センサオリフィス３３から
オイルタンク１６へ到る油路は閉じられている。従っ
て、カットオフバルブ２５の図２に於ける右端に油圧が
作用し、カットオフバルブ２５が左動してコントロール
ポート１８への油路が閉じられる。この状態でカットオ
フバルブ２５の右端に油圧が封入され、カットオフバル
ブ２５の閉状態が保持される。

【００３１】この状態にあっては、油圧ピストンをなす
下部リテーナ４６に加わる油圧が不十分なため、下部リ
テーナ４６は図３に示した下端位置にあり、コイルばね
４８の軸線方向寸法は最大値となっている。

【００３２】この状態でステアリングホイール７を転舵
すると、前輪３からの路面反力によってコイルばね４８
に捩れトルクが作用して入力軸１２と弁体３４との間に
周方向変位が生じる。ここでコイルばね４８の軸線方向
寸法は最大値となっているので、コイルばね４８の捩れ
剛性は最小となり、入力軸１２と弁体３４との間の捩れ
トルクに対する角度ずれが大きくなる。

【００３３】このようにして、路面反力が大きい時にス
テアリングホイール７を例えば左へ切ると、入力軸１２
と弁体３４との間のパワーシリンダ１５の左室２２ａへ
の油路が広がり、この逆にパワーシリンダ１５の右室２
２ｂへの油路が狭くなる。このため、オイルポンプ１９
から左室２２ａへ流入する油量が増加すると同時に、右
室２２ｂからオイルタンク１６へ通じる油路が広がる。
従って、左室２２ａの圧力が相対的に高くなり、左転舵
する推力がステアリングラック１４に加わり、ステアリ
ングホイール７の操舵力が軽減される。

【００３４】他方、右切り操舵時は、入力軸１２と弁体
３４との間の角度ずれが上記とは逆の関係になり、ステ
アリングラック１４に右転舵する推力が加わることとな
る。

【００３５】ステアリングホイール７に対する路面反力
が小さい高速走行時は、車速センサユニット３２の油圧
モータ２９が高速回転することにより、オイルタンク１
６への流量が増大する。そのため、カットオフバルブ２
５の右端に作用していた圧力が低下し、ばね力によって
カットオフバルブ２５が右動する。するとコントロール
ポート１８への油路が開き、コイルばね４８の弾発力に
抗して下部リテーナ４６が押し上げられる。これによ
り、コイルばね４８の軸線方向寸法が短縮し、捩れ剛性
が増大する。この状態でコイルばね４８が捩れトルクを
受けると、捩れ剛性が増大した分だけコイルばね４８が
捩れ難くなり、入力軸１２と弁体３４との間の回動角が
相対的に小さくなる。これにより、入力軸１２と弁体３
４との間の油路の左右差が抑えられ、パワーアシスト量
が相対的に小さくなる。

【００３６】なお、中・低速走行時は、油圧モータ２９
も車速に対応して回転しているので、センサオリフィス
３３から流入する油量と油圧モータ２９が汲み出す油量
とのバランスに応じてカットオフバルブ２５の右端に作
用する圧力が変化する。そしてこの圧力とばね力との釣
合でカットオフバルブ２５の連通度が変化するので、車
速に応じた油圧が下部リテーナ４６に作用してアシスト
量が適切に制御される。

【００３７】図７は、可変バネレート機構４１が適用さ
れる前輪懸架装置６１を示している。この前輪懸架装置
６１に於ては、前輪のハブキャリア６２は、車体に剛結
されたトルクチューブ６３内に挿通されたトーションバ
ー６４を介してその内端が車体に枢支され、かつ車幅方
向に延在するアーム６５にて支持されており、アーム６
５の旋回運動によって上下に変位し得るようになってい
る。そして可変バネレート機構４１は、トルクチューブ
６３に於ける反アーム枢着側の端部に内設されており、
図４に示したキャップ部材４３がトーションバー６４に
連結され、出力部材４２がトルクチューブ６３と共に車
体に固着されている。

【００３８】これの場合は、通常はコイルばね４８の長
さを最長にして乗り心地を高め、制動時のブレーキ油圧
をシリンダ孔５５に導いてコイルばね４８の長さを減縮
するようにすれば、制動時に前輪懸架装置６１のバネレ
ートが高まって車両姿勢の変化が抑制されることとな
る。また、例えば旋回時の横加速度に応じてシリンダ孔
５５への油圧を制御するようにすれば、旋回円外側の車
輪の沈み込みを抑制し、旋回性能を向上させることがで
きる。

【００３９】以上、本発明をパワーステアリング装置と
懸架装置に適用した実施例について説明したが、本発明
は、上記実施例の構成に限らず、例えば下部リテーナ４
６の駆動手段として、ラック＆ピニオン機構あるいはネ
ジ機構に電動機を組み合わせたものを用いたり、あるい
は電磁手段による駆動手段を用いたりしても良い。

【００４０】

【発明の効果】このように本発明によれば、コイルばね
の捩れ剛性を必要に応じて変化させることができるの
で、操舵力軽減と剛性感向上との両立、あるいは乗り心
地と操縦性との両立を実現する上に、極めて顕著な効果
を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された車両の要部斜視図。

【図２】本発明が適用されたパワーステアリング装置の
全体油圧回路図。

【図３】可変バネレート機構と組み合わされたロータリ
ーバルブユニットの縦断面図。

【図４】可変バネレート機構の構成を示す分解斜視図。

【図５】本発明装置の作動原理図。

【図６】バネレートの特性線図。

【図７】本発明が適用された前輪懸架装置の要部斜視
図。

【符号の説明】 １ ステアリング装置 ２ 車両 ３ 前輪 ４ タイロッド ５ ステアリングギヤボックス ６ ステアリングシャフト ７ ステアリングホイール １１ ロータリーバルブユニット １２ 入力軸 １３ ピニオン １４ ステアリングラック １５ パワーシリンダ １６ オイルタンク １７ リターンポート １８ コントロールポート １９ オイルポンプ ２０ フィードポート ２１ ピストン ２２ａ・２２ｂ 油室 ２３ａ・２３ｂ シリンダポート ２４ 油路 ２５ カットオフバルブ ２６ メインオリフィス ２７ 流量制御弁 ２８ リリーフ弁 ２９ 油圧モータ ３０ リリーフ弁 ３１ 逆止弁 ３２ 車速センサユニット ３３ コントロールオリフィス ３４ 弁体 ４１ 可変バネレート機構 ４２ 出力部材 ４３ キャップ部材 ４４ 入力部材 ４５ 上部リテーナ ４６ 下部リテーナ ４７ ピン ４８ コイルばね ４９ 支軸 ５０〜５４ 脚部 ５５ シリンダ孔 ５６ピストン ６１ 前輪懸架装置 ６２ ハブキャリア ６３ トルクチューブ ６４ トーションバー ６５ アーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−231725（ＪＰ，Ａ) 実開 昭52−18344（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−37518（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−129985（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−69705（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−87869（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B62D 5/00 - 5/32 B62D 6/00 - 6/06 B60G 11/00 - 11/64 B60G 17/00 - 17/08 F16D 3/74 F16F 1/00 - 6/00 F16F 15/00 - 15/36

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同一軸を中心にして互いに相対回動可
   能な第１軸及び第２軸と、回転方向の少なくとも一方に
   対して前記第１軸と前記第２軸との間を連動連結するよ
   うに、前記第１軸に相対周方向変位不能に一端が連結さ
   れ、且つ前記第２軸に相対周方向変位不能に他端が連結
   されたコイルばねと、該コイルばねの軸長を変える駆動
   手段とを有し、前記コイルばねの軸長を変化させること
   で該コイルばねの両端間に発生する反力トルクを変化さ
   せるようにしてなることを特徴とする可変バネレート機
   構。
2. 【請求項２】 前記第１軸ならびに前記第２軸のいずれ
   か一方がステアリングホイールに連結され、その他方が
   ステアリングギヤボックスに連結されたことを特徴とす
   る請求項１に記載の可変バネレート機構。
3. 【請求項３】 前記第１軸ならびに前記第２軸のいずれ
   か一方が車体に連結され、その他方が車輪を支持するサ
   スペンションアームの枢支端に連結されることを特徴と
   する請求項１に記載の可変バネレート機構。