JP5615094B2 - ステアバイワイヤ式操舵装置 - Google Patents

Description

この発明は、ステアバイワイヤ式操舵装置及びその操舵装置を備えた車両に関するものである。

ステアバイワイヤ式操舵装置は、一般に、操舵入力装置と、その操舵入力装置から機械的に分離された転舵装置と、前記操舵装置からの入力に基づき前記転舵装置を制御する制御装置とによって構成される。

前記の転舵装置として、操舵アクチュエータとしてのモータからボールねじ機構を駆動することによって、操舵リンク機構のタイロッドを経てナックルアームを押し引きし、操舵輪に操舵角を与える構成が知られている（特許文献１）。

特開２００７−３２６４５９号公報

前記した従来の転舵装置は、ボールねじ機構及び操舵リンク機構が操舵輪の車軸方向に配列されるため、車軸方向のスペースを確保することが必要となる。しかし、電気自動車においては、ガソリン車のエンジンルームに相当する部分にはバッテリやインバータ等を搭載するため、車内スペースを少しでも広く確保する必要があるため、前記従来の転舵装置ではこのような要求に応えることができない。

そこで、この発明の第一の課題は、ステアバイワイヤ方式の操舵装置における転舵装置をホイールハウス内に収まる程度に、できるだけコンパクトに構成することにある。

また、前記のようにボールねじ機構を用いた転舵装置においては、操舵輪側からの逆入力時にモータが負荷側から回転されることがあるため、これを防止すべく、常時モータを制御しなければならず、電力消費をもたらし、また逆入力防止機構が必要になるなどの問題がある。

そこで、この発明の第二の課題は、逆入力を効果的に防止できるようにすることにある。

前記の第一の課題を解決するために、この発明に係るステアバイワイヤ式操舵装置は、操舵入力装置と、その操舵入力装置から機械的に分離された転舵装置と、前記操舵入力装置からの入力信号に基づき前記転舵装置を制御する制御装置とによって構成されたステアバイワイヤ式操舵装置において、前記転舵装置が操舵輪のナックル又はこれと固定された部材からなる操舵輪連結部材に固定された転舵アクチュエータと、サスペンションのアッパーアームに固定された転舵軸と、その転舵軸を中心軸としてその転舵軸に固定された固定ギヤと、前記固定ギヤに噛み合ってその外周を移動するピニオンギヤと、これらのギヤが収納されたギヤケースとからなり、前記転舵アクチュエータの駆動軸が前記ピニオンギヤに連結され、前記固定ギヤはギヤケースに対してフリーであるとともに前記ピニオンギヤはギヤケースに支持され、かつ前記ギヤケースが前記操舵輪連結部材に固定された構成としたものである。

前記構成のステアバイワイヤ式操舵装置における転舵装置は、固定ギヤが転舵軸に固定される一方、ギヤケースに対してはフリーであり、その固定ギヤと噛み合ったピニオンギヤはギヤケースに支持され、そのギヤケースが転舵アクチュエータとともに操舵輪連結部材に固定されている。このため、ピニオンギヤは固定ギヤ側からの反力を受けて固定ギヤの周りを一定角度回転する。操舵輪は、操舵輪連結部材を介してピニオンギヤ、ギヤケース、転舵アクチュエータと一体に転舵軸の周りを一定角度回転して一定の操舵角をとる。

前記の第二の課題を解決するために、この発明に係るステアバイワイヤ式操舵装置は、前記固定ギヤがウォームホイール、前記ピニオンギヤがウォームギヤである構成をとるようにしたものである。

以上のように、この発明に係るステアバイワイヤ式操舵装置は、その装置を構成する転舵装置が、転舵アクチュエータ、転舵軸、固定ギア、ピニオンギヤ、ギヤケース、必要によって等速自在継手によって構成されるものであるからコンパクトであり、車両のホイールハウス内に収納することができる。

また、前記の固定ギヤとピニオンギヤの組み合わせの具体的な構成として、それぞれウォームホイールとウォームギヤとの組み合わせを採用することにより、駆動力の伝達経路に別途減速手段や逆入力遮断手段を設ける必要がなく、コストの低減、装置のコンパクト化に資することができる。

図１（ａ）は、実施形態１に係るステアバイワイア式操舵装置の概要を示すブロック図、図１（ｂ）は、同上の転舵装置のブロック図である。 図２は、同上の転舵装置の正面図である。 図３は、図２の一部縦断拡大正面図である。 図４は、図３のＸ−Ｘ線の断面図である。 図５は、転舵装置の他の例を示す正面図である。 図６（ａ）から（ｄ）は、転舵軸下端の支持構造の諸例を示す一部省略断面図である。

以下、この発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
[実施形態１]

図１（ａ）（ｂ）には、実施形態１に係るステアバイワイヤ式操舵装置の概要を示している。この装置は、図１（ａ）に示したように、操舵入力装置１１と、制御装置１２、転舵装置１３及び操舵輪１４によって構成される。操舵入力装置１１は、車両に設けられたステアリングホイール、ジョイステックからなり、それらの作動状態を転舵信号に変換して制御装置１２に入力する。制御装置１２は、前記転舵信号に基づき転舵装置１３を制御して操舵輪１４を転舵させる。

前記の転舵装置１３は、図１（ｂ）に示したように、転舵モータ１５、逆入力遮断手段１６、減速手段１７、ピニオンギヤ１８及びピニオンギヤ１８に噛み合った固定ギヤ１９によって構成され、操舵輪１４に固定されたナックル２１（図２参照）に連結される。

逆入力遮断手段１６は、一方向クラッチ等によって構成され、車両の振動等によって固定ギヤ１９が回転された場合に、そのトルクが転舵モータ１５側へ伝達され、転舵モータ１５を逆転させることを防止する。減速手段１７は、転舵モータ１５の回転速度を転舵速度まで減速するために必要に応じて設けられる。前記固定ギヤ１９は、操舵輪１４の転舵軸２０を中心としてその軸に固定される。

ピニオンギヤ１８と固定ギヤ１９が、ウォームギヤとウォームホイールである場合は、逆入力遮断手段１６と減速手段１７の両方の機能を兼備するので、他に特別な逆入力遮断手段、減速手段を必要としない。

転舵軸２０は車両のサスペンションに支持され、転舵装置１３が操舵輪１４と一体となって転舵軸２０の周りを一定角度だけ回転することにより、操舵輪１４に所定の操舵角が付与される。

次に、図２から図６に基づき、前述のステアバイワイヤ式操舵装置を一層具体的に説明する。図２は、前記の転舵装置１３を示す。操舵輪１４（例えば、前輪）のホイールにナックル２１が固定されている。この場合の車両のサスペンションの形式は、ダブルウィッシュボーン形式であり、そのアッパーアーム２２の先端に、一定の傾斜角をもって転舵軸２０の上端が固定される。転舵軸２０の途中に自在継手、図示の場合は等速自在継手２３が介在され、転舵軸２０の下端（自由端）は、ナックル２１に設けられた凹部２４（図３参照）にスラスト軸受２５を介して挿入される。

前記転舵軸２０の下端から延びた延長線とナックル２１との交点において（図２参照）、前記サスペンションのロアアーム２６がボールジョイント２７を介してナックル２１と連結される。

前記の等速自在継手２３は、図３に示したように、内側継手部材２８のセンターに連結された内側継手部材軸２９と、外側継手部材３１のセンターに連結された外側継手部材軸３２を有する。前記両軸２９、３２は同芯状態に配置され、両方合わせて前述の転舵軸２０が構成される。

内側継手部材軸２９は、その上端の固定継手３０がアッパーアーム２２に固定される（図２参照）。また、外側継手部材軸３２の下端部は、ナックル２１の凹部２４に挿入される。車体が傾いた場合、車体と一体にサスペンションのアッパーアーム２２及びそのアッパーアーム２２に固定された内側継手部材軸２９が傾斜するが、等速自在継手２３の作用によって、外側継手部材軸３２の傾きは最小限に抑えられ、車体の傾きの影響が吸収される。
前記の機能を発揮するために、等速自在継手２３の内部のガタツキはできるだけ小さいことが望ましい。

前記の外側継手部材軸３２の中程に、前記固定ギヤ１９の一例であるウォームホイール３３が挿通固定される。ウォームホイール３３は、ギヤケース３６に収納され、そのギヤケース３６は、外側継手部材軸３２に軸受３４、３５を介して回転自在に取り付けられる。

前記のピニオンギヤ１８の一例であるウォームギヤ３７も前記ギヤケース３６に収納され、その両端軸部４６、４６が軸受３８、３９（図４参照）によってギヤケース３６に回転自在に支持される。

前記ギヤケース３６の一部に前記の転舵モータ１５が固定され、その駆動軸４７がカップリング４８を介して前記ウォームギヤ３７に連結される。前記ギヤケース３６は、ブラケット４１を介してナックル２１に固定される。転舵モータ１５は、ギヤケース３６を介してナックル２１に間接的に固定されることになる。ナックル２１及びこれに固定されたギヤケース３６のように、操舵輪１４に連結固定された部材を操舵輪連結部材５０と呼ぶ。

以上の構成からなる転舵装置１３は、図２に示したように、車両のフェンダー４９の内側、いわゆるホイールハウス内に収まる程度のコンパクトに構成される。

図５に示したように、ナックル２１にＩＷＭ（インホイールモータ）４２が固定される車両の場合は、前記のギヤケース３６をブラケット４１の介在によってＩＷＭ４２のハウジングに固定するようにしてもよい。この場合、ＩＷＭ４２のハウジングが前記の操舵輪連結部材５０である。

前記のウォームホイール３３とウォームギヤ３７の組み合わせによると、ウォームホイール３３側からの逆入力の遮断機能及び減速機能を具備するので、前記の減速手段１７及び逆入力遮断手段１６を別途設ける必要はない。これらのギヤに代えて、前記の固定ギヤ１９、ピニオンギヤ１８として平ギヤ、はすばギヤ、かさギヤを用いた場合は、前記の機能を補うため、別途、減速機及び逆入力遮断クラッチの採用を検討する。減速機として、低バックラッシュ機能のある減速機、例えば、ハーモニックドライブ減速機、サイクロイド減速機を使用することができる。

なお、ピニオンギヤ１８と固定ギヤ１９の減速比が相対的に大きい場合は、転舵モータ１５は高速低トルクタイプの小形のモータを使用することができる。

前記の外側継手部材軸３２の下端部、即ち、外側継手部材軸３２の下端部の当接構造の他の例を図６（ａ）から（ｄ）に基づいて説明する。

前記外側継手部材軸３２の下端をナックル２１に設けた凹部２４にスラスト軸受２５を介して当接させる構造の諸例を図６（ａ）から（ｄ）に示す。これら図では、凹部２４をナックル２１に設けた場合について示しているが、凹部２４はナックル２１に限らず、他の操舵輪連結部材５０に設けることができる。

図６（ａ）は、凹部２４にスラストニードル軸受２５ａ介在した例、同（ｂ）は、外側継手部材軸３２の下端にボールジョイント４３を設けた例、同（ｃ）は、球面ブッシュ４４を介在した例、同（ｄ）は摺動部材４５を介在した例を示す。摺動部材４５としては、銅、銅系金属、焼結金属、表面改質された部材（無電解ＮｉにＰＴＦＥ等の摺動材を分散させたもの、ＤＬＣ膜を形成したもの等）、固体潤滑材（二硫化モリブデン、グラファイト、ＰＴＦＥ）が分散された樹脂部材、強化繊維（炭素繊維、ガラス繊維）又はウィスカが分散された樹脂部材等がある。

実施形態１のステアバイワイヤ式操舵装置及びこれを用いた車両は以上のような構成であり、次にその操舵作用について説明する。

操舵入力装置１１から入力された転舵信号に基づき制御装置１２を経て転舵装置１３の転舵モータ１５が駆動されると、図２から図４に示したウォームギヤ３７が駆動される。ウォームギヤ３７は、これと噛み合ったウォームホイール３３、ウォームホイール３３が固定された転舵軸２０、転舵軸２０が固定されたアッパーアーム等のサスペンションを経て車体からの反力を受け、ウォームギヤ３７とそのウォームギヤ３７を支持するギヤケース３６、転舵モータ１５、ナックル２１及び操舵輪１４が一体となって転舵軸２０の周りに一定角度回転し、操舵輪１４に操舵角を付与する。

前記の作用において、転舵モータ１５の回転速度は、ウォームギヤ３７及びウォームホイール３３の部分において所望の転舵速度に減速される。また、操舵輪１４が振動したり、転舵軸２０の周りにトルクが作用したりすることによって、転舵軸２０に逆入力トルクが加えられることがあっても、前記ウォームギヤ３７とウォームホイール３３の性質上、逆入力トルクの伝達は遮断され、転舵モータ１５にまで伝達することが避けられる。

これらの機能を持たないギヤの組み合わせの場合は、別途、減速機及び逆入力遮断クラッチを転舵モータ１５とピニオンギヤ１８との間に設ける必要がある（図１（ｂ）参照）。

１１ 操舵入力装置
１２ 制御装置
１３ 転舵装置
１４ 操舵輪
１５ 転舵モータ
１６ 逆入力遮断手段
１７ 減速手段
１８ ピニオンギヤ
１９ 固定ギヤ
２０ 転舵軸
２１ ナックル
２２ アッパーアーム
２３ 等速自在継手
２４ 凹部
２５ スラスト軸受
２５ａ スラストニードル軸受
２６ ロアアーム
２７ ボールジョイント
２８ 内側継手部材
２９ 内側継手部材軸
３０ 固定継手
３１ 外側継手部材
３２ 外側継手部材軸
３３ ウォームホイール
３４ 軸受
３５ 軸受
３６ ギヤケース
３７ ウォームギヤ
３８ 軸受
３９ 軸受
４１ ブラケット
４２ ＩＷＭ
４３ ボールジョイント
４４ 球面ブッシュ
４５ 摺動部材
４６ 軸部
４７ 駆動軸
４８ カップリング
４９ フェンダー
５０ 操舵輪連結部材

Claims (18)

1. 操舵入力装置と、その操舵入力装置から機械的に分離された転舵装置と、前記操舵入力装置からの入力信号に基づき前記転舵装置を制御する制御装置とによって構成されたステアバイワイヤ式操舵装置において、前記転舵装置が操舵輪のナックル又はこれと固定された部材からなる操舵輪連結部材に固定された転舵アクチュエータと、サスペンションのアッパーアームに固定された転舵軸と、その転舵軸を中心軸としてその転舵軸に固定された固定ギヤと、前記固定ギヤに噛み合ってその外周を移動するピニオンギヤと、これらのギヤが収納されたギヤケースとからなり、前記転舵アクチュエータの駆動軸が前記ピニオンギヤに連結され、かつ前記転舵アクチュエータの駆動軸とピニオンギヤの間に逆入力遮断手段が介在され、前記固定ギヤはギヤケースに対してフリーであるとともに前記ピニオンギヤはギヤケースに支持され、かつ前記ギヤケースが前記操舵輪連結部材に固定されたことを特徴とするステアバイワイヤ式操舵装置。
2. 前記転舵軸の途中に自在継手を介在したことを特徴とする請求項１に記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
3. 前記自在継手が等速自在継手であることを特徴とする請求項２に記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
4. 前記転舵アクチュエータがモータであることを特徴とする１から３のいずれかに記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
5. 前記固定ギヤが、ウォームホイール、平歯車、はすば歯車、かさ歯車のいずれかであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
6. 前記操舵輪連結部材に、前記ナックルに固定されたインホイールモータのハウジングが含まれることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
7. 前記転舵輪の自由端部が、前記操舵輪連結部材に設けられた凹部に軸受部材を介して挿入され、前記操舵輪連結部材が前記操舵輪とともに前記転舵軸に対して回転自在に当接していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
8. 前記軸受部材が、スラスト軸受であることを特徴とする請求項７に記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
9. 前記軸受部材が、ボールジョイントであることを特徴とする請求項７に記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
10. 前記軸受部材が、スラスト球面ブッシュであることを特徴とする請求項７に記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
11. 前記軸受部材が、摺動部材であることを特徴とする請求項７に記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
12. 前記逆入力遮断手段が、逆入力遮断クラッチであることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
13. 前記逆入力遮断手段が、前記固定ギヤをウォームホイール、前記ピニオンギヤをウォームギヤによって構成されたことを特徴とする１から１１のいずれかにに記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
14. 前記転舵アクチュエータの駆動力が前記ピニオンギヤに対し減速手段を介して伝達されることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
15. 前記減速手段が、前記逆入力遮断手段を構成するウォームギヤとウォームホイールと兼用されたことを特徴とする請求項１４に記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
16. 前記減速手段が、サイクロイド減速機等の低バックラッシュ減速機であることを特徴とする請求項１４又は１５に記載のステアバイワイヤ式操舵装置。
17. 請求項１から１６のいずれかに記載のステアバイワイヤ式操舵装置を備えたことを特徴とする車両。
18. 前記サスペンションの形式が、ダブルウィッシュボーン形式であることを特徴とする請求項１７に記載のステアバイワイヤ式操舵装置を備えた車両。

Images