JP3904235B2 - 可変比駆動装置を有する電気制御スロットル - Google Patents

Description

本発明の背景
発明の分野
本発明は、エンジン用のスロットル制御装置、及び特にフェールセーフの特徴を有するこのような装置に関するものである。
関連技術の説明
従来技術の自動車においては、機械的リンク機構よりもむしろ電気的にエンジンスロットルを制御することが一般に実施されるようになりつつある。例えば、典型的には牽引制御（トラクションコントロール）システムを有する自動車は駆動車輪の滑りを起こしたときいつでもエンジン出力を減少させるための電気制御補助スロットルを設けるものがある。他の例としては、ワイヤドライブ能力を有する自動車は、エンジン制御エレクトロニクスからの信号に応答してエンジン出力を制御する電気制御主スロットルを有するものがある。
電気制御スロットル装置を有するいかなるエンジンに対しては、このスロットル装置への電力が失われる場合でも、フェールセーフ位置にスロットルを移動するための安全機構を設けることが望ましい。このような安全機構は、主スロットルを最小エンジン出力位置にまた補助スロットルを最小出力減少位置に復帰させる各々のばねを設けるのが典型的である。
図１において、実線はスロットルをフェールセーフ位置へ復帰するのに利用する代表的なばねにより生ずる力を示す。この例において回転ばねとし、ばねは回転可能なスロットル軸の周りに配置したねじり（トーション）ばねのような回転ばねとし、このばねの両側の端部を軸及び固定部材（例えばスロットル本体）に取り付ける。ばね力をスロットルの角度の関数としてプロットし、またこの回転ばねの例ではトルクとして表す。スロットルの位置θ_fをフェールセーフ位置に対応させ、一方スロットル位置θ_mを最大作動位置に対応させる。主スロットルの場合、θ_fを最小エンジン出力位置（例えばスロットルほぼ閉鎖）に対応させ、一方θ_mを最大エンジン出力（例えばスロットル全開）に対応させる。逆にいえば牽引（トラクション）制御に関する補助スロットルの場合θ_fは最小出力減少位置（例えばスロットル全開）に対応させ、一方θ_mを最大出力減少位置（例えばスロットルほぼ閉鎖）に対応させる。
スロットルをフェールセーフ位置θ_fから最大作動位置θ_mまで駆動させるときばね力が値Ｌ_fから値Ｌ_mへ一定の割合で増加することに注意されたい。従って、スロットルを位置決めするための駆動装置は、スロットル軸において少なくともトルクＬ_mに等しいトルクを発生させることができなくてはならない。これはスロットル軸に固着したばねにより発生する最大対向トルクに対応する。典型的には、機械的利得を生ずるため歯車装置のような増力手段を介してスロットル軸に連結した電気モータによりこの駆動力を発生する。これによりモータの寸法及び出力の要件を減少させる。しかし残念ながら、それにより又スロットルをフェースセーフ位置へ戻すためのモータに作用するばね利得（電力が消失した状況においての）をも減少させる。このような状況下では、ばねはモータ内に存在する摩擦力及びいかなる対向永久磁石力にも打ち勝たねばならない。更にこのような機械的利得をモータに与えることにより、モータの作動速度要件を増大させる。これによりモータのコストを増加させるだけでなく、モータのタイプによってはモータのトルク出力が実際に速度増加に伴って減少する。従って、得られる機械的利得には限界がある。
発明の開示
本発明の目的は、駆動手段の要求されるトルク出力を速度要件で増加させることなく減少させることができるスロットル制御装置を得るにある。
本発明スロットル制御装置は、エンジンからの第１及び第２動力出力各々を生ずるためフェールセーフ位置と最大作動位置との間で第１の軸の周りに回転可能なスロットル部材を有する。ばね手段をフェールセーフ位置に向けてスロットル部材を押しやるようスロットル部材に連結する。第２の軸の周りに回転可能な動力軸を有する電気制御可能な駆動手段を設け、制御信号に応答してスロットル部材の移動を生ずるようにする。可変トルク比手段により動力軸をスロットル部材に連結する。この手段により、スロットル部材がフェールセーフ位置θ_fから最大作動位置θ_mまで移動するとき、ばね手段により生ずる復帰トルクとこれにより動力軸に伝達される復帰トルクとの比を増加させることができる。
図２は、本発明による可変トルク比手段を介してスロットル部材を動力に連結した結果を示す。点線は図１におけると同一のばねの復元力を示す。しかし、可変トルク比手段は、スロットル部材がフェールセーフ位置θ_fから最大作動位置θ_mまで移動するとき、ばね復帰手段から動力軸へ伝達されるトルクを減少させる。逆に、それによりスロットル部材が最大作動位置θ_mからフェールセーフ位置θ_fに移動するとき、ばね復帰手段から動力軸に伝達されるトルクを増加させる。従って最大作動位置θ_mの付近のスロットル位置で動力軸に加わる復元力は、点線により示した復元力より小さいものになり、一方フェールセーフ位置θ_fの付近のスロットル位置で動力軸に伝達される復元力は点線で示された復元力よりも大きなものとなる。常にＬ_mとＬ_fとの間のトルクであるこのように付与される復元力を、本発明の特に有利な実施例として図２に実線によって示す。この実施例においてこの付与される力はＬ_mよりも相当低いトルクＬ_iを有しかつ、操作上のスロットル位置の全範囲にわたり一定である。これによりモータが選択された速度で作動するのに必要なトルクを最上限にすることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は従来技術のスロットル制御装置のスロットル位置特性に対する復元力を表したグラフである。
図２は本発明によるスロットル制御装置のスロットル位置特性に対する復元力を表したグラフである。
図３は本発明によるスロットル制御装置の第１の実施例の一部断面とする正面図である。
図４Ａ、４Ｂ及び図４Ｃは本発明によるスロットル制御装置の第１の実施例の噛合部分の一連の動作段階の位置を示す図である。
図５は本発明によるスロットル制御装置の第２の実施例の一部断面とする正面図である。
図６Ａ、６Ｂ及び図６Ｃは本発明によるスロットル制御装置の第２の実施例の噛合部分の一連の動作段階の位置を示す図である。
好適な実施例の説明
図３は本発明によるスロットル制御装置の第１の実施例を示す。このスロットル制御装置は主スロットル１０と、補助スロットル２０とを有し、これらスロットルはそれぞれスロットルプレートを有し、各々スロットル本体３０（横断面で示した）に回転可能式に取り付ける。この実施例において、補助スロットルは牽引制御（トラクションコントロール）システムの一部として作用させる。
主スロットルプレ−ト１２は、軸線Ｚ−Ｚの周りに回転可能な主軸１４に配置し、普通のように動作するようこの主軸１４に固着する。第１のねじりばね１６を主軸１４の一方の端部に配置し、一方の端部１６Ａをスロットル本体に取り付け、反対側の内側端部（図面には見えていない）を主軸に取り付ける。主軸の反対側の端部を回転−直線運動変換のリンク機構１８を介してアクセルペダル１９に連結する。アクセルペダルを第１のねじりばね１６の力に抗して動作させる。第１ねじりばね１６は、主スロットルプレート１２を図示のほぼ閉じたフェールセーフ位置に向けて偏倚させ、このフェールセーフ位置ではエンジンは最小の出力を発生する。この位置は、スロットル本体の内壁３２に対して直交する平面に対し２°から３°の角度をなし、これによりスロットルプレ−トがその内壁に接触して動かなくなるのを防止する。
補助スロットルプレ−ト２２を、本発明に従って動作するように構成し、軸線Ｘ−Ｘの回りに回転可能な補助軸２４に固着する。第２のねじりばね２６を補助軸２４の一方の端部に配置し、又ばねの一方の端部２６Ａをスロットル本体に取り付け、ばねの反対側の内側端部（図には見えていない）を補助軸に取り付ける。補助軸の反対側の端部を可変トルク比装置２８を介して電気制御可能な駆動装置４０の駆動軸４５に連結する。第２のねじりばね２６により、スロットルがエンジンの出力の低下を最小限にするように、補助スロットルプレ−ト２２を全開してあるフェールセーフ位置（図３に示す位置）に偏倚させる。
図３に示す実施例においては、駆動装置４０はハウジング４１を有し、このハウジング４１に、電気ステップモ−タ４２と、モ−タ−の回転可能軸４４を駆動軸４５に連結するギヤ列４３と、及びエンジン制御エレクトロニクス（図示せず）にモ−タ４２を電気的に接続する電気コネクタ４６（ハウジングに一体に成形した）を設ける。このような駆動装置に使用するのに好適なステップモ−タとしては、例えば英国チェシャ−州及び米国コネティカット州にあるフィリップス テクノロジ−ズから市販さている４ＳＨＧシリ−ズ及びＬ８２８００シリ−ズのステップモ−タがある。
ギヤ列４３は、モ−タ軸線Ｍ−Ｍの周りに回転するモ−タ軸４４に取り付けるピニオンギヤ４３Ａを有する。ピニオンギヤ４３Ａを大径のギヤ４３Ｂに掛合させ、このギヤ４３Ｂは駆動軸４５の周りに回転するよう駆動軸４５に固着する。ピニオンギヤの半径とより大径のギヤの半径の比をモ−タの動作速度で少なくともトルクＬ_i（図２を参照）が軸４５に加わるよう選択する。モ−タ軸４４の回転位置及びひいては補助軸２４及びこの補助軸２４に固着した補助スロットルプレ−ト２２の回転位置は、エンジン制御エレクトロニクスにより電気コネクタ４６を介して、モ−タ４２のコイル巻線に加わる電気パルスにより制御する。
可変トルク比位置２８は、各々平行な軸線の周りに回転するよう配置した互いに噛み合う可変径の第１部材２８Ａ、及び第２部材２８Ｂを有する。この実施例において、これらの部材を軸線Ｘ−Ｘ及び軸線Ｙ−Ｙの周りに回転する補助軸２４及び駆動軸４５に各々直接取り付ける。代案として、これら部材は間接的に補助軸に連結するか、または直接モータ軸に取付けるかいずれか少なくとも一方を行い、モータ軸に直接連結する場合、モータ軸自体が駆動軸として作用し、又は他の任意の方法によっても本発明の目的を達成することができる。
図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃには一連の作動位置において図３のIV−IV線に沿って見た互いに掛合する可変径部分２８Ａ及び２８Ｂの実施例を示す。この実施例において、通常スクロ−ルギヤとして知られる型のギヤを利用する。これら一連の作動位置より明らかなように、２つのギヤの有効半径Ｒ及びｒは（各々の軸線からギヤ歯の噛合点までの寸法）角度位置に伴って変化する。
特に軸４５によりスロットルプレ−ト２２（軸２４に固着した）をフェールセーフ位置θ_fから最大作動位置θ_mまで駆動させると、ギヤ２８Ａの有効半径Ｒは増大し、一方ギヤ２８Ｂの有効半径ｒは減少する。従って軸２４に伝達される（またばね２６の対向トルクに抗する）トルクは、ばねにより生ずる上昇トルクと共に増大する。スロットルの位置とともにばねにより生ずる力の変動に適合するようＲ／ｒ比の変動を選択することにより、Ｌ_mよりも小さい一定の駆動トルク（例えば図２に示す中間のトルクＬ_i）がばねにより生ずる増加トルクに打ち勝つようにすることができる。
モータ４２への電力が消失する場合には、ねじりばね２６により補助スロットルプレート２２をフェールセーフ位置θ_fへ戻すように駆動できなければならない。これを行うために、ばねは、そのトルクによりスロットル本体内を流れてプレート２２に対して作用する空気圧と、ステップモータにより生ずる磁気的ラッチ力と、（動力を発生していない状態でさえ）、及び補助スロットルプレートの駆動機構における全摩擦力との全てに打ち勝つに十分なトルクを軸２４に加えねばならない。この補助スロットルプレートの駆動構成における全摩擦力には補助軸２４をスロットル本体３０に回転自在に取り付ける摩擦力、軸４５を回転自在に取り付ける摩擦力（例えばハウジング４１の壁を介して）、及びギヤ部材２８Ａ−２８Ｂと４３Ａ−４３Ｂを互いに接触させる摩擦力がある。最大作動位置θ_mからフェールセーフ位置θ_fまで補助スロットルプレートを復帰させるとき、ばねにより生ずる力（図２の点線で示す）が減少するにも関わらず、ばね２６はこれらの力に打ち勝たねばならない。
図４Ｃ−４Ａにつきその順序で、ばねがスロットルプレート２２をフェールセーフ位置に復帰させるとき、ばね２６に増加する利得を与えることによりどのようにしてこの動作が容易になるかを明示する。特に、ばね２６がスロットルプレート２２を最大作動位置θ_mからフェールセーフ位置θ_fまで復帰させるとき、ギヤ２８Ａの有効半径Ｒは減少するとともに、ギヤ２８Ｂの有効半径ｒは増加する。このようにバネ２６により生ずる復元力が減少するとき可変半径ギヤ部材のこの構成によってばねに与えられる機械的利得は増加する。
図４Ａ−図４Ｃに示す順次段階から明らかなように、可変ギヤ比装置の他の効果は、スロットルプレート制御の分解能が変化することであり、この分解能も有効半径Ｒと有効半径ｒとの比とともに変わる。特に、スロットルプレートをその最大作動位置θ_mに向かって駆動させるとき、軸４５の回転角度の１°毎にスロットルプレートの角度変化が減少する。このことは、牽引制御（トラクションコントロール）の用途では有利である。即ちこの牽引制御では牽引（トラクション）が失われた状況中においてスロットルの初期閉鎖（角度θを増加させる）は迅速かつ大きいものであるべきであり、それ以後のスロットル閉鎖は細かい制御が望ましい。
図３及び図４Ａ−図４Ｃに示す補助スロットル制御装置の実施例においては、
・モータ４２はフィリップステクノロジーズのＬ８２８０１型とし；
・ギヤ４３Ａとギヤ４３Ｂのギヤ比を４_1/6：１とし（ただし、［４_1/6］とは（２５／６）の帯分数表現を意味するものと理解されたい）；
・θ_f＝９０°からθ_m＝１７０°に至る補助スロットルの範囲にわたり、スクロールギヤ２８Ａの半径Ｒを０．７４４インチから０．６４２インチに変化させるとともにθ_f＝９０°からθ_m＝１７０°に至る補助スロットルの範囲にわたり、スクロールギヤ２８Ｂの半径ｒを０．３０３インチから０．２００インチに変化させ、
ねじりばねによりＬ_f＝３３インチ・オンス、Ｌ_m＝５７インチ・オンス、Ｌ_i＝４５インチ・オンスの概算復元力を生ずるものとした。
図４Ｃは、更に、半径ｒ及びＲを最小にすることができるという可変トルク比ギヤ装置２８の更に他の特徴を明らかにしており、この特徴により制限された空間を利用して装置を収容することができるようになる。軸４５の端部とこの軸の端部に嵌合するギヤ２８Ｂの対応の開孔を、半径ｒが最小であるときほぼ同一の角度位置で対応の最小値を有する可変半径を持つように形成する。図示した実施例において、軸４５の端部及びギヤ２８Ｂの開孔をＤ字状に形成し、かつそのＤ字の平坦な部分をｒが最小となる位置に位置決めする。この双方の特徴によりギヤ本体の厚さ（開孔とギアの外周の間で測った）をできるだけの厚さにし、また軸４５に対するギヤ２８Ｂの回転スリップを防止する形状となる。それほど重要ではないが、同様の形状を軸２４及びこの軸に対応するギヤ２８Ａの開口に適用し、平坦な表面をＲの最小値（図４Ａ）に位置決めする。
図５は本発明によるスロットル制御装置の第２の実施例を示す。この装置は、スロットル本体６０に回転自在に取り付けたスロットルプレート５２を含む単独の主スロットル５０を設ける。図３の実施例とほぼ同一の駆動装置４０をスロットル本体に取り付ける。
この実施例においては、この単独のスロットルはエンジン制御エレクトロニクス（図示せず）が電気パルスをモータ４２にコネクタ４６を介して供給し、あらゆる状況に応答してスロットルプレートを位置決めするエンジン制御システムの一部として動作する。これらの状況を例えば運転手からのエンジン出力信号、及びランドビークル（land vecicle）の車輪のスリップセンサから受け取る牽引制御（トラクションコントロール）信号がある。
第１の実施例と同様に、図５のスロットル制御装置はスロットルプレート５２を固着する軸５４を含有し、この軸５４はスロットル本体の壁に形成した開口に軸線Ｘ−Ｘの周りに回転自在に取り付ける。ねじりばね５６をその軸の一方の端部に配置し、ばね５６の一方の端部５６Ａをスロットル本体に固着し、反対側の内側端部（図には見えないが）を軸に固着する。軸５４の反対側の端部を可変トルク比装置５８を介して駆動装置４０の駆動軸４５に連結する。この実施例において、ねじりばね５６Ａによりスロットルプレート５２を全閉のフェールセーフ位置に向けて偏倚させる。
図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃは図５のVI−VI線に沿って見た可変トルク比装置５８の順次段階の位置を示す。この装置は図３の装置に類似するが、閉じたフェールセーフ位置（開いているよりはむしろ）を必要とするため、スロットルプレート５２は異なる方向に指向させる。またギヤ５８Ａ及びギヤ５８Ｂの寸法、半径Ｒと半径ｒとの比、及びこれらのギヤが噛合するセクタの角度の大きさを使用する特定のエンジン及びエンジン制御エレクトロニクスに適合させる。
図６Ａ乃至図６Ｃは、軸４５によりスロットルプレート５２をフェールセーフ（最小エンジン出力）の位置（例えばθ_f＝１０°）から最大作動（最大エンジン出力）の位置（例えばθ_m＝９０°）まで駆動させるときの単独のスロットル制御装置の動作を示す。第１の実施例（図４Ａ−図４Ｃまで）の動作と同様に、ギヤ５８Ａの有効半径Ｒを増加させるとともに、ギヤ５８Ｂの有効半径ｒを減少させる。従って、第１の実施例と同様に、軸５４へ伝達される（及びばね５６の対向トルクに抗する）トルクがばねにより生ずる上昇トルクに伴って増大する。更に、バネにより生ずる復元力の変動をスロットル位置に適合するＲ／ｒの比の変動を選択することにより、Ｌ_mより小さい（例えばＬ_i）一定駆動トルクがばねにより生ずる上昇トルクに打ち勝つことができるようになる。
図６Ｃ−図６Ａをその順序で説明すると、ばね５６によりスロットルプレート５２をフェールセーフ位置に復帰させるとき、単スロットル制御装置は第１の実施例と同様の利得で動作することが分かる。

Claims (19)

1. 制御信号に応答してエンジンのスロットルを位置決めする制御装置において、
   a. エンジンの動力の第１出力を発生させるフェールセーフ位置と前記エンジン動力の第２出力を発生させる最大作動位置との間で第１の軸の周りに回転可能なスロットル部材；
   b. 前記フェールセーフ位置に向かって前記スロットル部材を押しやるよう前記スロットル部材に連結したばね手段と、
   c. 第２の軸線の周りに回転可能な動力軸を有し、また前記制御信号を受信する電気的入力部を有する電気制御可能な駆動手段と、
   d. 前記動力軸を前記スロットル部材に連結する可変トルク比手段であって、前記スロットル部材が前記フェールセーフ位置から前記最大作動位置に向かって移動するとき、前記ばね手段によって発生する復帰トルクと、前記動力軸に伝達される復帰トルクと、の比を増大させる該可変トルク比手段と
   を具えたことを特徴とするエンジンスロットル位置決め制御装置。
2. 前記第１の軸線の周りに回転可能なスロットルの軸に取り付けたスロットルプレートを前記スロットル部材に設けた請求項１に記載の制御装置。
3. 前記スロットルの周りに配置してこのスロットル軸に取り付けたねじりばねにより前記ばね手段を構成した請求項２に記載の制御装置。
4. 前記ばね手段により前記フェールセーフ位置から前記最大作動位置に至る前記スロットル部材の前記移動に伴って増大する力を発生するようにした請求項１に記載の制御装置。
5. 前記電気制御可能な駆動手段を前記制御信号に応答して前記動力軸の位置を変化させることができる電気モータにより構成した請求項１に記載の制御装置。
6. 前記電気モータをステップモータにより構成し、前記制御信号は、異なる離散位置に前記モータを段階的に進ませる電気的パルスにより構成した請求項５に記載の制御装置。
7. 前記電気制御可能な駆動手段を前記電気モータの回転軸を前記動力軸に連結する互いに掛合するギヤ手段により構成した請求項５に記載の制御装置。
8. 牽引制御装置を設け、前記スロットル部材は補助スロットルを有するものとした請求項１、２、４、５のいずれか一項に記載の制御装置。
9. 前記スロットル部材は主スロットルを有するものとした請求項１、２、４、５のいずれか一項に記載の制御装置。
10. 制御信号に応答してエンジンのスロットルを位置決めする制御装置において、
    a. 前記エンジン動力の第１出力を発生させる第１の位置と、エンジン動力の第２の出力を発生させる第２の位置との間で第１の軸線の周りに回転可能なスロットル部材と、
    b. 前記第１の位置へ向けて前記スロットル部材を押しやるための力であって前記スロットル部材の位置に伴って変化する力を発生するようスロットル部材に連結したばね手段と、
    c. 制御信号に応答して第２の軸線の周りに回転し得る駆動軸を有する電気制御可能な駆動手段と、
    d. 互いに平行な第１及び第２の軸線の周りに回転可能であり、それぞれ前記スロットル部材及び前記駆動軸に連結した第１及び第２の可変半径部材であり、前記スロットル部材が前記第１の位置から前記第２の位置に移動するとき、ばね復帰手段により発生する復帰トルクと、駆動軸に伝達される復帰トルクと、の比を上昇させる該第１及び第２の可変半径部材と
    を具えたことを特徴とするエンジンスロットル位置決め制御装置。
11. 前記スロットル部材を前記第１の軸線の周りに回転可能なスロットル軸に付けたスロットルプレートにより構成した請求項１０に記載の制御装置。
12. 前記ばね手段を前記スロットル軸の周りに配置して固着したねじりばねにより構成した請求項１１に記載の制御装置。
13. 前記ばね手段により、前記スロットル部材の前記第１の位置から前記第２の位置に至る移動に伴って増加する力を生ずるようにした請求項１０に記載の制御装置。
14. 前記電気制御可能な駆動手段を前記制御信号に応答して前記駆動軸の位置を変化させる電気モータにより構成した請求項１０に記載の制御装置。
15. 前記電気モータをステップモータにより構成し、前記制御信号は異なる離散位置にモータを段階的に進ませるための電気的信号とした請求項１４に記載の制御装置。
16. 前記電気制御可能な駆動手段を、前記電気モータの回転軸を前記駆動軸に連結する互いに噛合するギヤ手段により構成した請求項１４に記載の制御装置。
17. 前記第１及び第２の可変半径部材をそれぞれ前記スロットル部材及び前記駆動軸に固着した請求項１０に記載の制御装置。
18. 牽引制御装置を設け、前記スロットル部材は補助スロットルを有するものとして構成した請求項１０、１１、１３、１４、１７のいずれか一項に記載の制御装置。
19. 前記スロットル部材は主スロットルを有するものとして構成した請求項１０、１１、１３、１４、１７のいずれかに記載の制御装置。

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