JP4340903B2

JP4340903B2 - 操舵制御装置

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Publication number: JP4340903B2
Application number: JP2004566296A
Authority: JP
Inventors: 一穂力石
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: JPWO2004062983A1; US20060081409A1; US7410028B2; WO2004062983A1; DE60319145D1; EP1584541B1; AU2003292753A1; EP1584541A1; EP1584541A4; ATE385939T1; DE60319145T2

Description

本発明は、電動モータを利用してステアリングホイールの操舵を電気的に制御する操舵制御装置の改良に関する。

近年、ステアリングホイールに連結される操舵軸と、転舵輪を転舵させる転舵機構とを機械的に分離し、これらの連動制御をＳＢＷ（ＳｔｅｅｒＢｙＷｉｒｅ）制御（以下、ＳＢＷ制御という）によって電気的に行う操舵制御装置が提案されている。

この操舵制御装置では、ステアリングホイールの操作方向と操舵角を検出して、操作方向に沿った操舵角に見合う転舵角を与え、ステアリングホイールの操作に応じた舵取りを行うようになっている。

その際、電動モータは、ステアリングホイールの操作量や転舵アクチュエータの転舵力、車両に生じる横方向力やヨーレイトなどに応じて駆動され、操舵力を減速機を介してステアリング軸に伝達するようになっている。

また、操舵力には、通常の操舵補助力とともに、転舵アクチュエータが最大転舵位置になった場合に、ステアリングホイールの回動を停止させるための操舵反力が含まれる。

ところで、ＳＢＷ制御では、操舵反力を電動モータによって発生させるので、転舵アクチュエータが最大転舵位置になると、電動モータによって、ステアリングホイールの回動を防止することは困難であった。

例えばロック状態になると、ドライバーによる操舵トルクに抗した操舵反力を発生させるには、大出力のモータが必要になり、また、モータに大電流が流れるため過熱によりモータの焼損を招来する恐れがあった。さりとて、モータの焼損を防止するため、電流を制限すると、操舵補助用のモータに必要なトルクが得られなくなって、ドライバーの過剰な操舵を制限することができなくなっていた。

そこで、ステアリングホイールの回動をある一定の許容角度の制限範囲内に規制するために、何らかの機械的な制動手段が必要になっていた。

ちなみに、ステアリングホイールの回動を±１８０度以下にする場合、回転軸上に設けられる突起と、ハウジングなどの固定部材に設けられる突起とを接触させることにより、ステアリングホイールの回動をある許容回転範囲内で規制することができる。ところが、通常のステアリングホイールの許容回転範囲は、３〜４回転程度であるため、許容回転範囲を±１８０度以下にすると、ステアリングホイールの回転角に対するタイヤ転舵角が大きくなりすぎてしまう。その結果、車両の挙動が過敏になって、操縦安定性が損なわれるという問題があった。

そのため、例えば特開２０００−１６３１６号公報に示すように、操舵輪の回転限界角を設定する手段として、操舵軸に設けられる第１突起と、操舵軸ハウジングに設けられる第２突起と、第１突起と係合可能な第３突起および第４突起が設けていて、操舵軸の周りに３６０度以上にわたって回転可能に支持するようにしたものが開示されている。

本発明の目的は、上記従来とは異なる手段によって、ステアリングホイールの許容回転範囲を±１８０度以上とし、低出力化および低容量のモータを用いて、コンパクトな機械的操舵角制限機構を提供し、装置の小型化および低コスト化を図ることにある。

本発明の上記目的は、ステアリングホイールに連結される操舵軸と、転舵輪を転舵させる転舵機構とを機械的に分離し、ステアリングホイールの操舵角を検出して、前記転舵機構によって操舵角に応じた転舵角で前記転舵輪を回動させるようにした操舵制御装置であって、前記ステアリングホイールの回転に応じてハウジング内を内歯歯車に噛み合いながら公転する外歯歯車で構成されるハイポサイクロイド機構と、前記外歯歯車の自転運動のみを回転ディスクの自転運動として取り出すためのオルダム継手機構と、前記回転ディスクに形成された溝と前記ハウジングから突出する突起との係合による回転規制機構とを備えることにより、達成される。

また、上記目的は、前記ハイポサイクロイド機構を、前記ステアリングホイールに連結する回転軸に装着された偏芯ディスクの外周に軸受を介して回転自在に設けられた外歯歯車と、ハウジング内に形成された内歯歯車とで構成し、該内歯歯車と前記外歯歯車との噛合によって構成することにより、達成される。

また、上記目的は、前記オルダム継手機構を、前記外歯歯車と、前記回転ディスクとともに、該回転ディスクと前記外歯歯車との間に介挿された中継部材とから構成するようにしたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記回転規制機構を、前記回転ディスクに形成された溝と、前記減速機のハウジングから突出する突起との係合によって構成することにより、達成される。

また、上記目的は、前記回転規制機構には、前記回転ディスクに形成された溝と、前記ハウジングから突出する突起との間に弾性部材を配するようにしたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記ステアリングホイールに連結する操舵軸に、モータの減速機が配されるとともに、該減速機に隣接してトーションバーによって連結された２軸間の相対角度を検出する角度センサと、該角度センサからの検出結果に基づいてトルクを検出するトルクセンサとを備えた角度・トルクセンサが配されていて、該角度・トルクセンサと、前記モータと、前記減速機とによって反力付与機構を構成するようにしたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記操舵制御装置を、前記減速機の出力軸に着脱自在に配することにより、達成される。

また、上記目的は、前記減速機の出力軸端に、円錐テーパ面を形成するとともに、軸方向に沿ってスプラインを形成し、該スプラインおよび前記円錐テーパ面に沿って操舵制御装置を嵌挿させ、ネジによって固定するようにしたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記回転ディスクに、該回転ディスクの回転角を検出するためのポテンショメータを設けたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記ポテンショメータを、前記減速機のハウジングとの間に設けることにより、達成される。

また、上記目的は、前記ステアリングホイールと前記減速機と間に配され、トーションバーによって連結された２軸の相対角度を検出する角度センサと、該角度センサからの検出結果に基づいてトルクを検出するトルクセンサとを備えたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記ポテンショメータによる検出結果に基づいて、前記回転規制機構がロック状態であると判定された場合、前記モータの通電を連続定格電流以下に制限するようにしたことにより、達成される。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係るステアリング系の概略構成を示し、ステアリング軸１の出力端側に、トーションバー２を介して、入力軸３と、略筒状の出力軸４が連結されている。このトーションバー２は、一端がピン５によって入力軸３に固定され、他端が出力軸４に圧入固定されている。

また、出力軸４の外周に、減速機６が一対の玉軸受７，７によって支持されている。この減速機６は、出力軸４の外周に圧入固定されたウォームホイール８と、該ウォームホイール８に噛合するウォーム９と、該ウォーム９を回転軸１０に取り付けたモータ（図示せず）とから構成され、モータの駆動力を減速機６を介して出力軸４に減速して伝達するようになっている。

また、減速機６のステアリングホイール側（図１左側）には、角度・トルクセンサ１１が配されていて、角度・トルクセンサ１１は、トーションバー２の外方に配された検出リング１１ａと、検出リング１１ｂと、該各検出リング１１ａ，１１ｂの回転角を光学的に検出する検出器１１ｃとからなる角度センサと、該角度センサで検出された位相差に基づいてトルクを検出するトルクセンサとから構成される。これにより、角度・トルクセンサ１１によってトーションバー２の捩れ角およびトルクを検出し、ステアリングホイールの回転角に応じてモータの駆動によって減速機６を介してトーションバー２の捩りを制御する反力付与機構が構成されている。なお、１２は、入力軸３と出力軸４を回転自在に支持するニードル軸受である。

また、出力軸４は、端部（図１右側）に向かって縮径するテーパ面４ａが形成され、さらに端部に向かって複数のスプライン４ｂが軸方向に延びている。この端部には、図２に示すようなハブ１３が嵌め込まれ、ネジ１４によって出力軸４に一体に固定されるようになっている。このハブ１３は、ハウジング１５に設けられた玉軸受１６によって回転自在に支持されている。また、ハブ１３は、略筒状部１７と、該略筒状部１７の外周面から半径方向に延びる略円環状の偏芯ディスク１８とからなり、該偏芯ディスク１８は、出力軸４の軸心から偏芯した状態で取り付けられている。

また、偏芯ディスク１８の外周には、図３に示すように、外歯歯車１９が玉軸受２０によって取り付けられ、外歯歯車１９は、偏芯ディスク１８と同様に、出力軸４に対して偏芯した状態で出力軸４周りを回転するようになっている。一方、ハウジング１５内には、外歯歯車１９の対向位置に内歯歯車２１が設けられていて、該内歯歯車２１と外歯歯車１９との噛合によって、ハイポサイクロイド機構Ａが構成されている。

また、外歯歯車１９の側面には、半径方向に延びる突起２２が形成されるとともに、該外歯歯車１９のステアリングホイール側（図１左側）には、環状の中継部材２３が隣接して配されている。この中継部材２３には、端部側（図１右側）に半径方向に延びる溝２４が形成されていて、該溝２４に外歯歯車１９の突起２２が半径方向に摺動自在であって、相対回転ができないようになっている。また、中継部材２３のステアリングホイール側（図１左側）には、上記溝２４と直交する方向の半径方向に突起２５が延びている。一方、回転ディスク２６の端部側（図１右側）には、半径方向に延びる係合溝２７が形成されていて、該係合溝２７に中継部材２３の突起２５が摺動可能であって、相対回転ができないように係合している。さらに、中継部材２３のステアリングホイール側（図１左側）には、円環状の回転ディスク２６が、玉軸受２７によってハブ１３に回転自在に支持されている。これにより、中継部材２３と回転ディスク２６とが一体に回転するようになっていて、外歯歯車１９と、中継部材２３と、回転ディスク２６とによってオルダム継手Ｂが構成され、外歯歯車１９の公転運動を回転ディスク２６の自転運動として取り出すようになっている。

また、オルダム継手機構Ｂは、上記玉軸受２０，２７によって軸方向の所定位置に位置決めされる。また、回転ディスク２６は、ハウジング１５との間に配された玉軸受２８によって軸方向に移動可能になっていて、ハウジング１５とハブ１３との位置ずれを許容するようになっている。ここで、ハウジング１５は、回転ディスク２６を支持する玉軸受２８の外周側でインローとして組立てられていて、図１Ｅ点を境として端部側を取外し可能になっていて、ハウジング１５を軸方向に２分割するようになっている。

そして、回転ディスク２６は、図４に示すように、ステアリングホイール側（図１左側）に、一対の周方向の溝２９が形成されている。一方、ハウジング１５には、内方に延びる円環状の舌片部３０が形成され、該舌片部３０から凸部３１が端部側（図１右側）に延びている。これにより、凹溝２９と凸部３１との係合により、回転ディスク２６は所定範囲で回転が規制され、回転角規制のストッパとしての役割を担う回転規制機構Ｃが形成されている。

なお、上記第１実施例では、回転ディスク２６側に凹溝２９を設け、ハウジング１５側に凸部３１を設けたが、回転ディスク２６側に凸部を設け、ハウジング１５側に凹溝を設けてもよく、上記第１実施例と同一の作用および効果を奏することができる。

また、内歯歯車２１は、単体で成形してハウジング１５に取り付けるようにしてもよく、また、ハウジング１５と一体に成形してもよい。

従って、上記第１実施例では、ステアリングホイールの操舵に応じて回転する回転ディスク２６とハウジング１５との間で、ステアリングホイールの回転角を規制する回転規制手段Ｃを備えた。すなわち、回転ディスク２６に形成された凹溝２９と、ハウジング１５から突出する凸部３１との係合により、回転ディスク２６の許容回転範囲を規制することによって、ステアリングホイールの許容回転範囲を規制するようになっている。そのため、ステアリングホイールに連結する出力軸４上に、偏芯ディスク１８を設け、該偏芯ディスク１８の外周に軸受２０を介して外歯歯車１９を支持するとともに、該外歯歯車１９とハウジング１５に固定された内歯歯車２１とでハイポサイクロイド機構Ａを構成した。すなわち、ハイポサイクロイド機構Ａには、ステアリングホイールの回転が外歯歯車１９の公転運動として入力され、外歯歯車１９が内歯歯車２１に噛み合いながら公転すると、外歯歯車１９は、所定の減速比で自転することになる。ここで、所定の減速比とは、Ｚ１／（Ｚ２−Ｚ１）であり、Ｚ１は内歯歯車の歯数で、Ｚ２は外歯歯車の歯数である。例えば、Ｚ１を４５とし、Ｚ２を５２にすると、減速比は、約６．４になる。

また、回転ディスク２６は、中継部材２３を介して外歯歯車１９でオルダム継手機構Ｂを構成し、外歯歯車１９の公転運動から自転だけを回転ディスク２６の回転として取り出すようになっている。これにより、回転ディスク２６の凹溝２９とハウジング１５の凸部３１との係合により、回転ディスク２６の回転を規制して、ステアリングホイールの回転を規制する回転規制機構Ｃを構成した。

よって、上記第１実施例では、ハイポサイクロイド機構Ａによってステアリングホイールの回転を減速し、オルダム継手機構Ｂによって外歯歯車１９の自転だけを回転ディスク２６の回転として取りだし、回転規制機構Ｃによってステアリングホイールの許容回転範囲を規制する。その結果、機械的な操舵角の規制機構によってステアリングホイールの許容回転範囲を±１８０度以上にすることができ、装置の小型化および低コスト化を図ることができる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

図５は、本発明の第２実施例に係るステアリング系の概略構成を示し、上記第１実施例と同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。同図において、ステアリングホイールに連結する出力軸４は、端部にハブ１３が嵌め込まれている。このハブ１３には、一対の玉軸受２０，２７によってオルダム継手機構Ｂの位置決めを行うようになっている。

そして、出力軸４に配された玉軸受２７には、端部側（図５右側）に付勢する弾性部材である皿ばね４１が巻装されていて、この皿ばね４１によって、玉軸受２７を端部側（図５右側）に押圧して、オルダム継手Ｂの位置決めに対する作動トルクを確実にするようになっている。

一般に、操舵制御装置では、ステアリングホイールから転舵輪（タイヤ）まで機械的に連結されていないので、オルダム継手機構Ｂに作用する摩擦が小さいと、ステアリングホイールに僅かな力を加えただけでもステアリングホイールが回転し、転舵輪がふらついて、直進安定性が悪化してしまう恐れがあった。そこで、皿ばね４１によってオルダム継手機構Ｂの各係合部に適度な摩擦を与えることにより、操舵制御装置の制御を確実にし、操舵安定性を向上させることができる。

次に、本発明の第３実施例について説明する。

図６は、本発明の第３実施例に係るステアリング系の概略構成を示し、上記第１実施例と同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。同図において、反力付与機構のハウジング５１に嵌合孔５１ａを形成し、該嵌合孔５１ａに、端部側（図６右側）に延びる突起５２を嵌着するようにした。この突起５２と、回転ディスク２６に所定の回転範囲で周方向に延びる凹溝２９とが係合され、突起５２と凹溝２９との係合によって、回転ディスク２６の回転を規制する回転規制機構Ｃを構成した。

これにより、第３実施例では、上記第１および第２実施例のように、回転規制機構Ｃのハウジング１５のうち、ステアリングホイール側の端面をなくすことができるとともに、上記第１実施例と同様の作用および効果を奏することができる。

次に、本発明の第４実施例について説明する。

図７は、本発明の第４実施例に係るステアリング系の概略構成を示し、上記第１実施例と同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。回転ディスク２６は、ステアリングホイール側（図７左側）に、一対の周方向の溝２９が形成されるとともに、ハウジング１５の舌片部３０の凸部３１が端部側（図７右側）に延びている。

そして、出力軸４の外側であって、反力付与機構のハウジングと操舵制御装置のハウジング１５との間に、回転型ポテンショメータ６１を収納するハウジング６２が配され、ステアリング軸１の絶対角度の検出センサとして、回転ディスク２６の回転量を検出するようにした。なお、６３は、ポテンショメータ６１に接続するリード線の導入管であり、６４は軸受ブッシュで、６５は回転ディスク２６との係合部である。

すなわち、従来の操舵装置のように、タイヤとステアリングホイールが機械的に連結されている場合、直線走行状態を判別して中立位置を補正することができるが、ＳＢＷ制御の場合、機械的な連結性がないため、タイヤとステアリングホイールの位置がずれてしまい、１回転ずれてしまうと、左右の許容回転角度が不均一となる可能性があった。そこで、第４実施例では、絶対角度の検出センサとしてポテンショメータ６１を用いることにより、絶対位置検出が容易に行えるようになった。

なお、角度センサと、トルク検出用の２個の角度センサの合計３個の角度センサを有する構成とし、角度センサの故障を検出する場合、２個ではいずれが異常であるかを判別することができないので、３個設けて検出値の相互比較によって故障を判別する必要があった。

次に、本発明の第５実施例について説明する。

図８は、本発明の第５実施例に係るステアリング系の概略構成を示し、上記第１実施例と同一の部材には同一の符号を示して、その説明を省略する。同図において、回転ディスク２６は、ステアリングホイール側（図１左側）に、一対の周方向の溝２９が形成されている。一方、ハウジング１５には、内方に延びる円環状の舌片部３０が形成され、該舌片部３０から凸部３１が端部側に延びている。

そして、回転ディスク２６の凹溝２９とハウジング１５の凸部３１との間に、合成樹脂やゴムなどからなる弾性部材７１が介装される。これにより、回転規制時の回転阻止トルクの立ち上がりが緩やかになるように制御することができる。

以上のように、本発明に係る操舵制御装置によると、ステアリングホイールに連結される操舵軸と、転舵輪を転舵させる転舵機構とを機械的に分離し、ステアリングホイールの操舵角を検出して、前記転舵機構によって操舵角に応じた転舵角で前記転舵輪を回動させるようにした操舵制御装置であって、ステアリングホイールの回転に応じてハウジング内を公転する外歯歯車で構成されるハイポサイクロイド機構と、前記外歯歯車の回転運動のうち自転運動のみを回転ディスクの自転運動として取り出すためのオルダム継手機構と、前記回転ディスクに形成された溝と前記ハウジングから突出する突起との係合による回転規制機構とを備えた。これにより、ステアリングホイールの許容回転範囲を±１８０度以上にしても、機械的に操舵角の回転規制機構によって、ステアリングホイールの回転を規制することができる。その結果、モータの低出力化および低容量化を図ることができ、装置の小型化および低コスト化を達成することができる。

本発明の第１実施例に係る操舵制御装置の概略構成を示す断面図である。回転規制装置を構成する主用部材を示す斜視図である。図１のＸ−Ｘ線断面図である。図１のＹ−Ｙ線断面図である。本発明の第２実施例に係る操舵制御装置の概略構成を示す断面図である。本発明の第３実施例に係る操舵制御装置の概略構成を示す断面図である。本発明の第４実施例に係る操舵制御装置の概略構成を示す断面図である。本発明の第５実施例に係る操舵制御装置の回転規制機構の概略機構を説明する図である。

Ａハイポサイクロイド機構
Ｂオルダム継手
１ステアリング軸
３入力軸
４出力軸
４ａテーパ面
４ｂスプライン
６減速機
１１角度・トルクセンサ
１３ハブ
１５ハウジング
１８偏芯ディスク
１９外歯歯車
２１内歯歯車
２３中継部材
２６回転ディスク
２９凹溝
３０舌片部
３１凸部
４１皿ばね
５１ハウジング
６１ポテンショメータ
７１弾性部材

Claims

ステアリングホイールに連結される操舵軸と、転舵輪を転舵させる転舵機構とを機械的に分離し、ステアリングホイールの操舵角を検出して、前記転舵機構によって操舵角に応じた転舵角で前記転舵輪を回動させるようにした操舵制御装置であって、
前記ステアリングホイールの回転に応じてハウジング内を公転する外歯歯車で構成されるハイポサイクロイド機構と、前記外歯歯車の自転運動を回転ディスクの自転運動として取り出すためのオルダム継手機構と、前記回転ディスクに形成された溝と前記ハウジングから突出する突起との係合による回転規制機構とを備えることを特徴とする操舵制御装置。
前記ハイポサイクロイド機構は、前記ステアリングホイールに連結する回転軸に装着された偏芯ディスクの外周に軸受を介して回転自在に設けられた前記外歯歯車と、前記ハウジング内に形成された内歯歯車とで構成され、該内歯歯車と前記外歯歯車との噛合によって構成される請求項１に記載の操舵制御装置。
前記オルダム継手機構は、前記外歯歯車と、前記回転ディスクとともに、該回転ディスクと前記外歯歯車との間に介挿された中継部材とから構成されるようにした請求項１又は２に記載の操舵制御装置。
前記回転規制機構には、前記回転ディスクに形成された溝と、前記ハウジングから突出する突起との間に弾性部材が配されるようにした請求項１乃至３の何れかに記載の操舵制御装置。
前記回転ディスクに、該回転ディスクの回転角を検出するためのポテンショメータを設けた請求項１乃至４の何れかに記載の操舵制御装置。
前記ステアリングホイールに連結する操舵軸には、モータの減速機が配され、かつ、
前記ハウジングから突出する突起は、前記減速機が収容されたハウジングから前記操舵軸に沿って前記回転ディスクの方向に延びる突起である請求項１乃至４の何れかに記載の操舵制御装置。
前記ステアリングホイールに連結する操舵軸に、モータの減速機が配されるとともに、
該減速機に隣接してトーションバーによって連結された２軸間の相対角度を検出する角度センサと、該角度センサからの検出結果に基づいてトルクを検出するトルクセンサとを備えた角度・トルクセンサが配されていて、該角度・トルクセンサと、前記モータと、前記減速機とによって反力付与機構を構成するようにした請求項１乃至４及び請求項６の何れかに記載の操舵制御装置。
前記操舵制御装置は、前記減速機の出力軸に着脱自在に配される請求項６又は７に記載の操舵制御装置。
前記減速機の出力軸端に、円錐テーパ面を形成するとともに、軸方向に沿ってスプラインを形成し、該スプラインおよび前記円錐テーパ面に沿って操舵制御装置を嵌挿させ、ネジによって固定するようにした請求項６乃至８の何れかに記載の操舵制御装置。
前記ステアリングホイールと前記減速機と間に配され、トーションバーによって連結された２軸の相対角度を検出する角度センサと、該角度センサからの検出結果に基づいてトルクを検出するトルクセンサとを備えた請求項６乃至９の何れかに記載の操舵制御装置。
前記回転ディスクに、該回転ディスクの回転角を検出するためのポテンショメータを設けた請求項６乃至１０の何れかに記載の操舵制御装置。
前記ポテンショメータは、前記減速機と前記ハイポサイクロイド機構との間に配設されている請求項１１に記載の操舵制御装置。
前記ポテンショメータによる検出結果に基づいて、前記回転規制機構がロック状態であると判定された場合、前記モータの通電を連続定格電流以下に制限するようにした請求項１１又は１２に記載の操舵制御装置。