JP5050647B2

JP5050647B2 - トルク加算型操舵装置

Info

Publication number: JP5050647B2
Application number: JP2007132736A
Authority: JP
Inventors: 峰夫樋口; 雅也遠藤; 林太郎原口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-05-18
Also published as: JP2008285051A

Description

本発明は、操舵ハンドルの操舵角に対して、別途適当な重畳角度を重畳させた結果を車輪転舵量とするようにした舵角重畳型操舵装置に関するものである。

車両の操舵装置において、走行安定性の向上、低速時の運転のしやすさ向上などを目的として、車輪転舵量を操舵ハンドルの操舵量に対して適宜異なる値に補正制御することが提案されている。このための機構としては差動機構が用いられることが多い。操舵ハンドルの操舵量に対して差動機構により別途適当な角度が重畳され、その結果を車輪転舵量にすることで、車輪転舵量に対する操舵ハンドルの操舵量の比、つまり舵角伝達比が変更される。この舵角伝達比を適宜変更し得るようにした操舵装置には、車輪転舵角を操舵角に対して適宜異なる値に補正制御することで、操舵しやすくできる、走行安定性が向上できるなどの利点がある。そのような装置として従来いくつかの操舵装置が提案されている。（例えば特許文献１参照）。

特開２００５−２６２９９２号公報

パワーステアリングと共に上記舵角重畳を実現するには、パワーステアリング装置に加えて差動機構による舵角重畳を行う装置の併用が必要になり、装置がかさばる問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、舵角重畳とパワーステアリングを併用した場合でも使用するモータが小さくてかさばらないトルク加算型操舵装置を得ることを目的としている。

この発明に係るトルク加算型操舵装置は、操舵ハンドルに対する出力軸の回転数の比である転舵比を可変にできる操舵制御装置であって、
太陽歯車と、
太陽歯車を駆動する第１のモータと、
外側がウォームホイール、内側が内歯車となったリング状の歯車と、
前記ウォームホイールとかみ合うウォームギヤと、
該ウォームギヤを駆動する第２のモータと、
前記太陽歯車と前記内歯車の双方とかみ合う遊星歯車と、
前記太陽歯車と同軸で該太陽歯車と独立に回転する第１のタイミングプーリと、
該第１のタイミングプーリとかみ合うタイミングベルトと、
前記遊星歯車と同軸に連結され、前記第１のタイミングプーリと前記タイミングベルトで連結された第２のタイミングプーリと、
前記太陽歯車と同軸に配置され、該太陽歯車と独立に回転し、前記遊星歯車が回転自在に取り付けられた枠体と、
前記操舵ハンドルに連結された第１の平歯車と、
前記第１のタイミングプーリと同軸に連結され、前記第１の平歯車とかみ合う第２の平歯車と、
を備える構成としたものである。

この発明によれば、舵角を駆動するトルクは従来のようにパワーステアリング用モータ1個のトルクではなく、太陽歯車を駆動するモータと内歯車を駆動するモータのトルクの和となるため、モータ1個当たりのトルクが小さくてすみ、モータが小型化できる、といった従来にない顕著な効果を奏するものである。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるトルク加算型操舵装置を示す図である。また、図２は図１の一部を軸方向から見た説明図である。
操舵ハンドル（１）にはトルクセンサ（図示していない）が取り付けられ、ハンドル軸（２）に連結されている。ハンドル軸（２）は車体（図示していない）に対して回転自在に取り付けられている。ハンドル軸（２）の先端には平歯車Ａ（３）が連結されている。平歯車Ａ（３）は平歯車Ｂ（４）とかみ合っている。平歯車Ｂ（４）にはタイミングプーリＡ（５）が同軸で連結されている。平歯車Ｂ（４）とタイミングプーリＡ（５）は軸（１３）周りに車体（図示していない）に対して回転自在に取り付けられている。
タイミングプーリＡ（５）はタイミングベルト（６）を介してタイミングプーリＢ（７）と連動する。タイミングプーリＢ（７）にはプーリ軸（８）を介して遊星歯車（９）が同軸で連結されている。タイミングプーリＢ（７）、プーリ軸（８）、遊星歯車（９）は、枠体（１０）に対して、プーリ軸（８）まわりに回転自在に取り付けられている。

一方、モータＡ（１１）は車体（図示していない）に対して取り付けられており、減速機（１２）が連結されている。減速機（１２）はバックドライバビリティのある減速機である。すなわちモータＡ（１１）が回転すれば軸（１３）が回転駆動されるが、逆に軸（１３）にトルクがかかったときにはモータＡ（１１）が回転させられる。減速機（１２）の出力軸である軸（１３）は平歯車Ｂ（４）とタイミングプーリＡ（５）を貫通して太陽歯車（１４）に連結されている。軸（１３）は車体（図示していない）に対して回転自在に取り付けられている。
平歯車Ｂ（４）とタイミングプーリＡ（５）は軸（１３）と同軸であって、車体に対しても回転自在、かつ軸（１３）に対しても回転自在である。平歯車Ｂ（４）並びにタイミングプーリＡ（５）の軸とタイミングプーリＢ（７）の軸の間の軸間距離と、タイミングプーリＢ（７）並びにプーリ軸（８）並びに遊星歯車（９）の軸と太陽歯車（１４）の軸の間の軸間距離は等しい。

また、モータＢ（１５）は車体（図示していない）に対して取り付けられており、減速機（図示していない）が連結されている。減速機出力軸（図示していない）にはウォームギヤ（１６）が連結されている。ウォームギヤ（１６）はウォームホイール（１７）とかみ合っている。ウォームギヤ（１６）とウォームホイール（１７）はセルフロックが効く設計としている。ウォームホイール（１７）はリング状であって、内周は内歯車（１８）をなしている。ウォームホイール（１７）、内歯車（１８）は車体（図示してない）に対して回転自在に取り付けられている。内歯車（１８）は遊星歯車（９）とかみ合っている。

以上の構成において遊星歯車（９）、枠体（１０）、太陽歯車（１４）、内歯車（１８）は遊星歯車装置をなしている。枠体（１０）は軸（１３）と同軸で、車体（図示していない）に対して回転自在に取り付けられている。枠体（１０）には出力軸（１９）が同軸に連結されている。出力軸（１９）はラックアンドピニオン（２０）に連結され、通常の操舵装置と同様タイヤ（２１）が転舵される構成である。

次に実施の形態１のトルク加算型操舵装置の動作について説明する。
遊星歯車（９）はタイミングプーリＢ（７）とプーリ軸（８）により連結されて、プーリ軸（８）まわりに自転すると同時に軸（１３）まわりに公転を行う．公転しているときの例を図２に二点鎖線で示した。また、タイミングプーリＡ（５）と平歯車Ｂ（４）は連結され、太陽歯車（１４）と同軸で太陽歯車（１４）とは独立に回転する。タイミングプーリＢ（７）とタイミングプーリＡ（５）はタイミングベルト（６）で結合されているので、タイミングプーリＡ（５）から遊星歯車（９）の自転のみを取り出すことができる。平歯車Ｂ（４）には平歯車Ａ（３）が噛み合っており、平歯車Ａ（３）には操舵ハンドル（１）が結合されている。以上により、操舵ハンドル（１）には遊星歯車（９）の自転が伝達され、またラックアンドピニオン（２０）側へは枠体（１０）を介して遊星歯車（９）の公転が伝達される。

枠体（１０）のトルクは内歯車（１８）と太陽歯車（１４）のトルクの和になるので、両者のトルクの方向を等しくすれば、ラックアンドピニオン（２０）を駆動するトルクは、特許文献１（特開２００５−２６２９９２号公報）のような通常のアクティブステアでは、ほぼパワステ用モータ1個分になっているが、本願ではモータＡ（１１）とモータＢ（１５）のトルクの和になる。一方、遊星歯車（９）のトルクは内歯車（１８）と太陽歯車（１４）のトルクの差になる。モータＢ（１５）と内歯車（１８）間の回転の伝達は、間にウォームギヤ（１６）とウォームホイール（１７）が入ることによりセルフロックがきく構成である。すなわちモータＢ（１５）から内歯車（１８）を回転駆動することはできるが、内歯車（１８）側にトルクがかかっても内歯車（１８）は回転しない。

一方、モータＡ（１１）側の減速機（１２）にはバックドライバビリティがあるので、太陽歯車（１４）にトルクがかかるとモータＡ（１１）は回転させられる。この構成により、万一モータが故障するなどして回転できなくなった場合（いわゆるフェール時）でも操舵ハンドル１側から手動で操舵することが可能である。
このように、太陽歯車（１４）をモータＡ（１１）、内歯車（１８）をモータＢ（１５）でそれぞれ駆動し、操舵ハンドル（１）により遊星歯車（９）を駆動するようにしたので、転舵するトルクがモータＡ（１１）とモータＢ（１５）の和となり、モータ1個当たりのトルクが小さくてすみ、その結果モータを小型化することができる。

また、太陽歯車（１４）は外からトルクがかかると回転可能で、内歯車（１８）は外からトルクがかかっても回転しないので、万一モータが故障して回転しなくなっても（いわゆるフェール時）、操舵ハンドル（１）を回転させることにより手動のみで操舵することができるのでフェールセーフである。なお、モータＡ（１１）とモータＢ（１５）にはそれぞれ減速機が連結されているとしたが、減速機はなくても良い。

また、タイミングプーリＡ（５）とタイミングプーリＢ（７）の間の伝達をタイミングベルト（６）により行うようにしたが、他の伝達方式、例えばチェーン、スチールベルトなどとしても良い。遊星歯車（９）は図１、図２では2個描いたが、図３のように３個でもよく、また４個などであっても良い。転舵の機構はラックアンドピニオンとしているが、他の方式、例えばボールネジ方式などとしても良い。

実施の形態２．
各要素の角速度を次のようにおく。
ω_ｓ：太陽歯車（１４）の角速度
ω_ｐ：遊星歯車（９）の角速度
ω_ｒ：内歯車（１８）の角速度
ω_ｃ：枠体（１０）の角速度
太陽歯車（１４）と内歯車（１８）の角速度を用いれば遊星歯車（９）の角速度は次式のようになる（日本機械学会編：機械工学便覧、Ｂ１―１７８、丸善、１９９３の「のりづけ法」を参照）。

太陽歯車（１４）と内歯車（１８）の角速度を用いれば枠体（１０）の角速度は次式のようになる。

ここで各歯車の歯数を次のようにおいている。
Ｚ_ｓ：太陽歯車（１４）の歯数
Ｚ_ｐ：遊星歯車（９）の歯数
Ｚ_ｒ：内歯車（１８）の歯数

一般的に舵角伝達比は、車輪転舵量に対する操舵ハンドル（１）の操舵量の比で表される。この場合の舵角伝達比には、出力軸（１９）先端のラックアンドピニオン（２０）の歯数比や、ラックアンドピニオン（２０）のラック先側に取り付けられたタイロッドエンド（図示していない）とナックルアーム（図示していない）のリンク比なども関連する。また出力軸（１９）がボールねじを駆動してタイロッドエンドを動作させる操舵機構では、ボールねじのリードが舵角伝達比に関連する。

本願では、操舵ハンドル（１）の回転に対する出力軸（１９）の回転の比を変化させることを目的としている。上記のようなラックアンドピニオンの歯数比やリンク比などについては任意に選ぶことができる。そこで本願では舵角伝達比と区別するため、以下、操舵ハンドル（１）に対する出力軸（１９）の回転数の比を転舵比と呼ぶことにする。

転舵比は遊星歯車（９）の角速度に対する枠体（１０）の角速度の比と等しいので、（式１）と（式２）を用いて次のようになる。

ただし簡単のため平歯車Ａ（３）と平歯車Ｂ（４）、タイミングプーリＡ（５）とタイミングプーリＢ（７）の歯数をそれぞれ等しいとした。

転舵比は、（式３）の関係を用いて太陽歯車（１４）の角速度ω_ｓと内歯車（１８）の角速度ω_ｒをそれぞれモータＡ（１１）とモータＢ（１５）を速度制御することで制御すれば所望の値に設定することができる。

歯車の歯数の一例として、以下の歯数を考え、転舵比の数値例を示す。
Ｚ_ｓ＝３６
Ｚ_ｐ＝３６
Ｚ_ｒ＝１０８
例えば転舵比を１から３にしたい場合は、太陽歯車（１４）の角速度ω_ｓと内歯車（１８）の角速度ω_ｒを
−０．６５＜ω_ｒ＜−０．４０
−０．９０＜ω_ｓ＜−０．６５
とすれば、転舵比ω_ｃ／ω_ｐの分布は図４のようになる。

また，例えば、転舵比を０から１にしたい場合には、太陽歯車（１４）の角速度ω_ｓと内歯車（１８）の角速度ω_ｒを
−０．８＜ω_ｒ＜−０．２
−０．３＜ω_ｓ＜０．５
とすれば、転舵比ω_ｃ／ω_ｐの分布は図５のようになる。
太陽歯車（１４）の角速度ω_ｓと内歯車（１８）の角速度ω_ｒの組み合わせを図４や図５の曲面上になるよう制御すれば転舵比ω_ｃ／ω_ｐを任意の比に制御することができる。

万一モータが故障して回転しなくなったとき（いわゆるフェール時）には、モータＢ（１５）側についてはウォームギヤ（１６）とウォームホイール（１７）のセルフロックにより内歯車（１８）が回転しないのに対して、モータＡ（１１）側の減速機（１２）にはバックドライバビリティがあるので太陽歯車（１４）は回転可能なことから、（式３）においてω_ｒ＝０とおくことにより、転舵比は次式のようになる。

例えば歯車の歯数の一例として、
Ｚ_ｓ＝３６
Ｚ_ｐ＝３６
Ｚ_ｒ＝１０８
とすればフェール時の転舵比は１／２となる。ただし、遊星歯車（９）と操舵ハンドル（１）の回転の関係は、間に平歯車A（３）と平歯車B（４）が一組入って逆転するため、式（４）の結果に負号をつけた値を示している。

なお、転舵比は０や∞を取ることも可能である。例えば（式３）において内歯車（１８）と太陽歯車（１４）の角速度をω_ｓ＝１、ω_ｒ＝−１／３の割合になるように回転すれば、遊星歯車（９）は公転せず自転だけするので、操舵ハンドル（１）だけが回転して枠体（１０）は回転せず舵角は変化しないので、転舵比は0になる。
逆に、内歯車（１８）と太陽歯車（１４）の角速度をω_ｓ＝１、ω_ｒ＝１／３の割合になるように回転すれば、遊星歯車（９）は自転せず公転だけするので、枠体（１０）だけが回転して舵角は変化するが操舵ハンドル（１）は回転しないので転舵比は∞になる。
ただし、ここでは簡単のため平歯車Ａ（３）と平歯車Ｂ（４）、タイミングプーリＡ（５）とタイミングプーリＢ（７）の歯数をそれぞれ等しいとした。
ここで各部のトルクを以下のように定める。
τ_ｓ：太陽歯車（１４）のトルク、
τ_ｐ：遊星歯車（９）のトルク、
τ_ｒ：内歯車（１８）のトルク、
τ_ｃ：枠体（１０）のトルク。
（式１）（式２）の速度関係に対して、３端子のモーメント比の関係を適用すれば以下が得られる。（矢田、歯車応用機構の設計、機械の研究、Ｖｏｌ．５０、Ｎｏ．６、ｐｐ．６９−７４、（１９９８）を参照）

（式５）と（式６）の和、（式７）と（式８）の和を用いて、遊星歯車（９）のトルクと枠体（１０）のトルクを太陽歯車（１４）のトルクと内歯車（１８）のトルクで表せば、それぞれ次のようになる。

（式９）は操舵ハンドル（１）のトルクとモータトルクの関係、（式１０）はラックアンドピニオン（２０）のトルクとモータトルクの関係を表す。
（式９）、（式１０）の関係を用いて太陽歯車（１４）のトルクτ_ｓと内歯車（１８）のトルクτ_ｒをそれぞれモータＡ（１１）とモータＢ（１５）をトルク制御することで制御すれば、遊星歯車（９）と枠体（１０）のトルク、すなわち操舵ハンドル（１）のトルクとラックアンドピニオン（２０）のトルクを所望の値に設定することができる。

歯車の歯数の一例として、
Ｚ_ｓ＝３６
Ｚ_ｐ＝３６
Ｚ_ｒ＝１０８
として、モータＡ（１１）とモータＢ（１５）のトルクを制御することで太陽歯車（１４）と内歯車（１８）のトルクτ_ｓ、τ_ｒをそれぞれ−１≦τ≦１の範囲で動かしたときの遊星歯車（９）のトルクτ_ｐと枠体（１０）のトルクτ_ｃの様子をそれぞれ、図６、図７に示す。
図６、図７で目盛りの１はモータ１個分のトルクを表すものとする。（式９）、（式１０）は太陽歯車（１４）と内歯車（１８）のトルクτ_ｓ、τ_ｒの線形和なので、出力トルクの様子は平面になる。
図６で、遊星歯車（９）のトルクτ_ｐすなわち操舵ハンドル（１）のトルクがモータトルク1個分であるのに対して、図７で枠体（１０）側のトルクτ_ｃすなわちラックアンドピニオン（２０）のトルクはモータトルク1個分より大きくなっていることがわかる。
以上のように、太陽歯車（１４）の角速度と内歯車（１８）の角速度をそれぞれモータＡ（１１）とモータＢ（１５）を制御することで制御すれば、舵角伝達比を所望の値に設定することができる。

また太陽歯車（１４）のトルクと内歯車（１８）のトルクをそれぞれモータＡ（１１）とモータＢ（１５）をトルク制御することで制御すれば、遊星歯車（９）と枠体（１０）のトルク、すなわち操舵ハンドル（１）のトルクとラックアンドピニオン（２０）のトルクを所望の値に設定することができる。
更にラックアンドピニオン（２０）のトルクはモータＡ（１１）またはモータＢ（１５）の１個分のトルクより大きくできるので、モータ１個当たりが出すトルクを小さくすることができるので、モータを小型化することができる。

なお、（式１）と（式２）から（式３）を導くときの説明などにおいて、簡単のため、平歯車Ａ（３）と平歯車Ｂ（４）、タイミングプーリＡ（５）とタイミングプーリＢ（７）の歯数をそれぞれ等しいとしたが、必ずしも等しい必要はない。またモータＡ（１１）とモータＢ（１５）のトルクを等しいとしたが、必ずしも等しい必要はない。

本発明の実施の形態１によるトルク加算型操舵装置を示す説明図である。本発明の実施の形態１によるトルク加算型操舵装置を示す説明図である。本発明の実施の形態１によるトルク加算型操舵装置を示す説明図である。本発明の実施の形態２による転舵比の変化の一例を示すグラフである。本発明の実施の形態２による転舵比の変化の一例を示すグラフである。本発明の実施の形態２による操舵ハンドルのトルクの変化の一例を示すグラフである。本発明の実施の形態２によるラックアンドピニオンのトルクの変化の一例を示すグラフである。

符号の説明

１操舵ハンドル、２ハンドル軸、３平歯車Ａ、４平歯車Ｂ、５タイミングプーリＡ、６タイミングベルト、７ウォームホイール、８プーリ軸、９遊星歯車、１０枠体、１１モータＡ、１２減速機、１３軸、１４太陽歯車、１５モータＢ、１６ウォームギヤ、１７ウォームホイール、１８内歯車、１９出力軸、２０ラックアンドピニオン、２１タイヤ。

Claims

操舵ハンドルに対する出力軸の回転数の比である転舵比を可変にできる操舵制御装置であって、
太陽歯車と、
太陽歯車を駆動する第１のモータと、
外側がウォームホイール、内側が内歯車となったリング状の歯車と、
前記ウォームホイールとかみ合うウォームギヤと、
該ウォームギヤを駆動する第２のモータと、
前記太陽歯車と前記内歯車の双方とかみ合う遊星歯車と、
前記太陽歯車と同軸で該太陽歯車と独立に回転する第１のタイミングプーリと、
該第１のタイミングプーリとかみ合うタイミングベルトと、
前記遊星歯車と同軸に連結され、前記第１のタイミングプーリと前記タイミングベルトで連結された第２のタイミングプーリと、
前記太陽歯車と同軸に配置され、該太陽歯車と独立に回転し、前記遊星歯車が回転自在に取り付けられた枠体と、
前記操舵ハンドルに連結された第１の平歯車と、
前記第１のタイミングプーリと同軸に連結され、前記第１の平歯車とかみ合う第２の平歯車と、
を備えたことを特徴とするトルク加算型操舵装置。