JP6382597B2 - 車両 - Google Patents

Description

この発明は、車輪を駆動及び転舵する駆動転舵モジュールを備えた車両に関し、特に転舵に伴ってキャンバー角が発生するのを抑制した構成のものに関する。

一般的な車両においては、キングピン軸にキングピン角（車両前方からキングピン軸を見たときの鉛直方向との傾き）、及びキャスター角（車両側方からキングピン軸を見たときの鉛直方向との傾き）を設定し、車輪を転舵した際に生じるキャンバー角（車両前方から車輪を見たときに、車輪縦方向の中心線が垂直線となす角度）により、車両の直進安定性を高めている。しかし、キングピン角を設定することにより生じるキャンバー角δにより、図１３に示すように、転舵時に車輪ｗがその幅方向の一方側に傾いた状態（ネガティブキャンバー（本図（ａ））又は、ポジティブキャンバー（本図（ｂ））の状態）となって、車両のボディやスタビライザ等の部材に干渉しやすくなることがある。

このキャンバー角δは、車輪ｗの転舵角が大きくなるほど大きくなる傾向があるため、車輪ｗとボディ等との間の干渉を防ぐために、この転舵角を所定範囲内に制限したり、タイヤハウスを大きくしたりする必要性が生じる。その結果、最小回転半径が大きくなって小回り性が損なわれるとともに、車両の小型化が難しくなるという問題が生じる。

また、車輪ｗがその幅方向の一方側に傾くことによって、車輪ｗに偏摩耗が生じたり、車輪ｗと路面の接地面が変化して車両の高さが上下動することに起因して車輪ｗの操舵力が大きくなり、転舵操作性が低下したりする問題も生じる。

そこで、例えば特許文献１においては、キングピン角（本願図面の図１中の符号θ参照）又はキャスタートレール（車両側方から見たキングピン軸地上交接点とタイヤの接地中心の距離（本願図面の図３中の符号ｃ参照））の少なくとも一方をほぼ０度（キングピン角）又は０ｍｍ（キャスタートレール）とし、車輪転舵時のキャンバー角δの発生を抑制している。さらに、車両挙動検出手段と電動操舵装置を備え、操舵トルクを付加し得るようにすることにより、車両の運動性能及び操舵性能を高めている。

特許第３０７６５４１号公報

特許文献１に記載の構成においては、キャンバー角の発生を抑制することができる反面、キングピン角を０度等とすることにより、車両の走行安定性が損なわれる可能性がある。また、操舵トルクを付加する際には遅延が生じやすく、高速走行時等のように高い応答性が要求される運転状況には適していない問題がある。

そこで、この発明は、車輪の転舵に伴ってキャンバー角が発生して転舵角が制限されたり、転舵操作性が低下したりするのを防止することを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明においては、車輪を左右同方向又は逆方向に転舵する転舵モジュールを備えた車両において、キングピン角に対し、キャスター角を±３度の範囲に設定したことを特徴とする車両を構成した。

例えばキングピン角が５度の場合、車輪をキングピン軸周りに直進状態から９０度転舵すると、このキングピン角と同じ大きさ（５度）のキャンバー角が生じる。このように転舵によって生じたキャンバー角は、この車輪に予めキャスター角を設定しておくと、キャンバー角とキャスター角との間で相殺されるため、転舵後にキャンバー角が生じるのを極力防止することができる。理想的には、キングピン角とキャスター角を同一にすることにより、転舵後に発生するキャンバー角をほぼ０度とするのが好ましいが、キングピン角に対し、キャスター角を±３度の範囲に設定することにより、車輪とボディ等との接触を防止しつつ、転舵に伴って車両の高さが上下動するのを防止できる程度にキャンバー角の発生を抑制することができる。このため、車輪を大きく転舵する場合においても、良好な転舵操作性を確保することができる。

上記の角度範囲を外れると、キャスター角でキャンバー角を相殺することができず、このキャンバー角を許容範囲に抑えることができないため好ましくない。

転舵モジュールで左右の車輪を左右逆方向に転舵すると、左右の車輪は、車体の中央側が末広がり状のハの字形となるが、前後それぞれの左右車輪を同様に転舵した場合、車両の前後を等分に切断する垂直平面と、車両の左右を等分に切断する垂直平面の両方について、車両のサスペンション構造（アッパーアーム、ロアアーム、キングピン角、キングピンオフセット量、キャスター角等）が全て対称な配置となる。このような対称性を有することにより、特殊走行モードに切り替えた際に、各車輪の位置や傾きが全て同じとなり、車体が傾くことなく安定した状態を確保することができる。また、車両の前後及び左右で各アームの形状を同一の設計とすることができ、構造の単純化を図ることもできる。

しかも、良好な転舵操作性を確保して小さな転舵力で転舵し得るようにしたことにより、転舵を行うためのモータや、動力伝達用の歯車類に大きな駆動力が要求されない。このため、この転舵モジュールの小型軽量化を図ることができる。

前記構成においては、前後車輪のうち少なくとも一方の左右車輪を、この車輪内に設けられたインホイールモータで駆動する構成とするのが好ましい。

車輪の駆動モジュールとしてインホイールモータを採用することにより、一般的な車両に設けられるエンジンが不要となる。エンジンが不要となることにより、本来エンジンを搭載する空間にタイヤハウスを拡張することができ、車輪の最大転舵角を大きくすることができる。

前記構成においては、前記キングピン角を４度以上１０度以下の範囲内とするのが好ましい。

キングピン角をこの角度範囲とすることで、車両の通常走行時における走行安定性を確保しつつ、転舵時の車両の高さの上下動を抑制することができる。キングピン角が４度よりも小さいときは通常走行時の直進性が低下し、１０度よりも大きいときはキャスター角を設定しても、転舵時の車両の上下動が大きくなり転舵操作性が損なわれるので好ましくない。

前記各構成においては、前記転舵モジュールが直進方向に対し、前記車輪を９０度転舵可能とした構成とするのが好ましい。

このように、車輪の転舵可能角度を９０度と、一般の車両と比べて大きくしたことにより、車両の走行モードを、通常走行モードのみならず、通常の転舵よりも車輪の転舵角が大きいその場回転モードや、車輪を９０度回転する横方向移動モード等の特殊走行モードに切り替えることが可能となる。

前記各構成においては、前記転舵モジュールが、左右の前記車輪を転舵する対のラックバーと、前記対のラックバーを同一方向又は逆方向に同距離移動させるラックバー動作手段と、を備え、前記ラックバー動作手段が、前記対のラックバーにそれぞれ噛み合い、一方のラックバーのラックの歯の並列方向に対する一方向への動きを他方のラックバーの他方向への動きに変換する同期ギアと、前記一方のラックバーに噛合う第一ピニオンギアと、前記他方のラックバーに噛合う第二ピニオンギアと、前記第一ピニオンギアと前記第二ピニオンギアとの間を結合又は分離する連結機構と、を備えた構成とするのが好ましい。

通常走行モードにおいては、前記連結機構を結合することにより対のラックバーを一体固定させ、従来のステアリング操作と同様に左右車輪を同位相に転舵することができる。その一方で、横方向移動モードやその場回転モード等の特殊走行モードにおいては、前記連結機構を分離して対のラックバーを別方向に移動することで、左右車輪を逆位相に転舵することができる。

この発明では、車輪を左右同方向又は逆方向に転舵する転舵モジュールを備えた車両において、キングピン角に対し、キャスター角を±３度の範囲に設定したことを特徴とする車両を構成した。このように、予めキャスター角を設定しておくと、キャンバー角とキャスター角との間で相殺されるため、車輪の転舵に伴って発生するキャンバー角によって転舵角が制限されたり、転舵操作性が低下したりするのを防止することができる。

この発明に係る車輪のサスペンション構造を示す縦断面図 この発明に係る車輪のサスペンション構造の他例を示す縦断面図 左側前輪の側面図 車輪を９０度転舵したときの側面図（実施例） 車輪を９０度転舵したときの側面図（比較例） 前輪に転舵モジュールを搭載した構成を示す斜視図 図６に示す転舵モジュールの縦断面図 連結機構を示す正面図であって、（ａ）は結合状態、（ｂ）は分離状態 図６に示す構成において、横方向移動モードに切り替えたときの斜視図 キングピン軸周りの転舵角の大きさと地面へのタイヤ食い込み量との関係についての計算結果を示す図（キングピン角が６度の場合） キングピン軸周りの転舵角の大きさと地面へのタイヤ食い込み量との関係についての計算結果を示す図（キングピン角が８度の場合） キングピン軸周りの転舵角の大きさと地面へのタイヤ食い込み量との関係についての計算結果を示す図（キャスター角が０度の場合） 車輪に発生したキャンバー角を示す側面図であって、（ａ）はネガティブキャンバー、（ｂ）はポジティブキャンバー

この発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。ホイール内に駆動モジュール１（インホイールモータ）を内蔵した車輪ｗのサスペンション構造を車両の前方から見た縦断面図を図１に示す。この車輪ｗは、ダブルウィッシュボーン構造を採用している。アッパーアーム２と車輪ｗを結合するアッパーアームボールジョイント３、及びロアアーム４と車輪ｗを結合するロアアームボールジョイント５を結んだ直線と、鉛直方向に延びる垂線とのなす角がキングピン角（本図中の符号θを参照）となる。車輪ｗには、後述する転舵モジュール６に取り付けられ、この車輪ｗを左右に転舵するタイロッド７が接続されている。

駆動モジュール１（インホイールモータ）は、駆動力を発生する駆動モータＭと、駆動モータＭからの回転を減速する減速機Ｒと、減速機Ｒからの回転を車輪ｗに伝える車輪用軸受Ｂからなる。駆動モータＭは、ラジアルギャップ方式の同期型又は誘導型の交流モータであり、車両に搭載した自動車全般の制御を行う電子制御ユニットであるメインのＥＣＵの指令に従って、図示しないインバータ装置により制御される。減速機Ｒは、遊星歯車減速機構を採用している。車輪用軸受Ｂは、複列のアンギュラ玉軸受ユニットを採用している。本図では、遊星歯車機構を用いた減速機Ｒを備えたインホイールモータ１を採用した例を示しているが、他の形態の減速機、あるいはダイレクト駆動式のインホイールモータを採用することもできる。

図２に駆動モジュール１を内蔵せず、通常のナックルを採用した車輪ｗのサスペンション構造を、車両の前方から見た縦断面図を示す。この車輪ｗも図１に係る構成と同様にダブルウィッシュボーン構造を採用している。アッパーアーム２、ロアアーム４、キングピン角θ等のジオメトリーを図１に係る構成と同じにすれば、例えば前輪に図１に係る構成、後輪に図２に係る構成を採用する、というように前後輪で異なる構成とすることもできる。

この発明に係る車両のサスペンション構造には、左側の前輪を車両の側面から見た図３に記載されているように、キャスター角（本図中の符号Φ参照）が設定されている。このキャスター角Φは、車両側方からキングピン軸を見たときに、鉛直方向からのキングピン軸の傾きによって決まる角である。以下、本図において、車輪ｗの時計回りに測ったキャスター角Φを正とする。なお、本図においては、キャスター角Φがホイールの中心を通るように設定しているが、キャスター角Φの中心がホイールの中心からずれた位置となるように設計することも許容される。

キングピン角θを６度、キャスター角Φを６度に設定し、車輪ｗを９０度転舵した（通常走行モードから横方向移動モードに切り替えた）ときの車輪ｗの側面図を図４に示す。つまり、図４は車両の側方から見た図である。このように車輪ｗを９０度転舵することにより、キングピン角θに起因するキャンバー角δが発生するが、キングピン角θと同じ角度に設定したキャスター角Φによって相殺されて、キャンバー角δの発生を抑制することができる。このため、車輪ｗはほぼ真っ直ぐに地面に接地し、転舵に伴う車両の上下動はほとんど生じず、転舵操作をスムーズに行うことができる。

次に、キングピン角θを６度、キャスター角Φを０度に設定し、車輪ｗを９０度転舵したときの車輪ｗの側面図を図５に示す。このように車輪ｗを９０度転舵すると、図４に示した場合と異なり、キングピン角θに起因するキャンバー角δ（ポジティブキャンバー）が発生する。本図では車輪ｗが地面に食い込んだように記載されているが、実際には車輪ｗは地面には食い込まず、車輪ｗのキングピン軸周りの旋回に伴って、その食い込み相当分だけ車両が持ち上げられた状態となる。キャンバー角δ（ポジティブキャンバー）は４輪全てにおいて発生し、しかも、このキャンバー角δは通常走行時のキャンバー角δとは異なるため、横方向移動モード等の特殊走行モードでの走行が不安定となりやすい。

左右の車輪ｗを転舵するための転舵モジュール６を前輪に取り付けた状態を図６に示す。左右車輪ｗの中央部には、左右の車輪を転舵する転舵モジュール６が設けられている。この転舵モジュール６には、左右それぞれタイロッド７が接続され、このタイロッド７はタイロッドボールジョイント８に接続されている。この転舵モジュール６を作動させることにより、後で詳述するように、左右の車輪ｗを左右同方向又は逆方向に転舵することができる。ホイール内には、駆動モジュール１（インホイールモータ）が設けられている。前輪には駆動モジュール１を設けず、後輪のみ駆動モジュール１を設ける構成とすることもできる。

図６に示す転舵モジュール６の縦断面図を図７に示す。この転舵モジュール６は、左右の車輪ｗを左右に転舵する対のラックバー１０、１１と、対のラックバー１０、１１を同一方向又は逆方向に同距離移動させるラックバー動作手段１２とを備えている。このラックバー動作手段１２は対のラックバー１０、１１にそれぞれ噛合い、一方のラックバー１０のラックの歯の並列方向に対する一方向への動きを他方のラックバー１１の他方向への動きに変換する同期ギアと、一方のラックバー１０に形成した転舵用ラックギア１０ｂに噛合う第一ピニオンギア１３と、他方のラックバー１１に形成した転舵用ラックギア１１ｂに噛合う第二ピニオンギア１４と、第一ピニオンギア１３と第二ピニオンギア１４との間を結合又は分離する連結機構１８を備えている。第一ピニオンギア１３は第一回転軸１６と、第二ピニオンギア１４は第二回転軸１７とそれぞれ一体に軸周りに回転するようになっている。

左右の車輪ｗを左右に転舵する対のラックバー１０、１１には、それぞれタイロッド７が連結され、タイロッド７がタイロッドボールジョイント８を介して、駆動モジュール１であるインホイールモータもしくは駆動モジュール１が無い場合にはナックルに接続されている。このため、対のラックバー１０、１１の左右への移動に伴って、車輪ｗを左右に転舵することができる。

連結機構１８は、図８に示すように、第二回転軸１７側の固定部１８ｂと、第一回転軸１６側の移動部１８ａを備える。移動部１８ａは、図示しないバネ等の弾性部材によって固定部１８ｂ側へ押し付けられ、連結機構１８の固定部１８ｂ側の凹部１８ｄに、移動部１８ａ側の凸部１８ｃが結合することで（本図（ａ）参照）、両回転軸１６、１７が一体で回転可能となっている。なお、凹凸の形成部位を反対にして、固定部１８ｂ側に凸部１８ｃを、移動部１８ａ側に凹部１８ｄを設けてもよい。

一方、移動部１８ａは、図示しないアクチュエータによって固定部１８ｂ側から引き離されて、連結機構１８の固定部１８ｂ側の凹部１８ｄと移動部１８ａ側の凸部１８ｃが分離することで（本図（ｂ）参照）、両回転軸１６、１７が別々に回転可能となる。これによって、後述するように第二ラックバー１１が第一ラックバー１０の移動方向とは逆の他方向に移動できるようになり、タイロッド７に連結された左右の車輪ｗを左右逆方向に転舵することができる。

第一回転軸１６は、図６に示すように、ステアリングシャフト２０を介してステアリング２１に接続されている。同期ギアは、図７に示すように、第一同期ギア２２と第二同期ギア２３から構成される。第一同期ギア２２は、ラックバー１０、１１のラックの歯の並列方向に沿って一定の間隔で並列する三つのギア２２ａ、２２ｂ、２２ｃからなる。第一同期ギア２２の隣り合うギア２２ａ、２２ｂ間、ギア２２ｂ、２２ｃ間には、それぞれ、第二同期ギア２３を構成するギア２３ａ、２３ｂが配置されている。

第二同期ギア２３は、第一ラックバー１０の同期用ラックギア１０ａや第二ラックバー１１の同期用ラックギア１１ａには噛み合わず、第一同期ギア２２にのみ噛み合っている。第二同期ギア２３は、第一同期ギア２２の３つのギア２２ａ、２２ｂ、２２ｃを、同方向に同角度だけ動かすためのものである。この第二同期ギア２３によって、第一ラックバー１０と第二ラックバー１１は、スムーズに相対移動することが可能となる。

図８で示した連結機構１８によって、第一ピニオンギア１３を備える第一回転軸１６及び第二ピニオンギア１４を備える第二回転軸１７を結合状態とすると（本図（ａ）参照）、第一回転軸１６及び第二回転軸１７が軸周りに同方向に一体に回転し、第一ピニオンギア１３又は第二ピニオンギア１４と噛合う第一ラックバー１０及び第二ラックバー１１が左右同方向に同距離だけ移動する。この両ラックバー１０、１１の移動により、タイロッド７に連結された左右の車輪ｗを左右同方向に転舵することができる。

その一方で、連結機構１８によって、第一ピニオンギア１３を備える第一回転軸１６及び第二ピニオンギア１４を備える第二回転軸１７を分離状態とすると（本図（ｂ）参照）、第一回転軸１６の回転に伴って第一ピニオンギア１３が第一ラックバー１０を一方向に移動する。この移動に伴って、同期ギア（第一同期ギア２２及び第二同期ギア２３）の作用によって、第二ラックバー１１が第一ラックバー１０の移動方向とは逆の他方向に移動する。この両ラックバー１０、１１の移動により、タイロッド７に連結された左右の車輪ｗを左右逆方向に転舵することができる。

図６に示す通常走行モードから、横方向移動モードに走行モードを切り替えたときの状態を図９に示す。図７に示した転舵モジュール６の作用によって、左右の車輪ｗが左右逆方向に９０度転舵した状態となっている。このように左右の車輪ｗを左右逆方向に転舵したときの、キングピン軸周りの転舵角の大きさと地面へのタイヤ食い込み量との関係についての計算結果を図１０及び図１１に示す。図１０はキングピン角を６度とした場合、図１１はキングピン角を８度とした場合の結果である。なお、この計算においては、アッパーアーム２及びロアアーム４の長さやタイヤの変形量は考慮していない。このため、タイヤ食い込み量と、車両の上下方向の移動量が全く同じとはならないが、両者はほぼ対応関係にあると考えてよい。

図１０に示すように、キングピン角６度に対し、キャスター角を０度から１２度の範囲で変化させた場合、キャスター角が１２度の場合に、転舵角を０度から９０度としたときの地面へのタイヤの食い込みの変化量が最も大きくなることが確認できた。これに対し、キャスター角が３度、６度、又は９度（キングピン角に対し±３度の範囲内）の場合は、食い込みの変化量を大幅に小さくできることが確認できた。キャスター角が１２度の場合は、地面へのタイヤの食い込み量がなく、この食い込みの変化量を小さくすることにより、車輪ｗの転舵に伴って発生するキャンバー角によって転舵角が制限されたり、転舵時における車両の上下動によって転舵操作性が低下したりするのを防止することができる。

また、図１１に示すように、キングピン角８度に対し、キャスター角を０度から１４度の範囲で変化させた場合、図１０の場合と同様に、キャスター角が１４度の場合に、転舵角を０度から９０度としたときの地面へのタイヤの食い込みの変化量が最も大きくなることが確認できた。これに対し、キャスター角が５度、８度、又は１１度（キングピン角に対し±３度の範囲内）の場合は、食い込みの変化量を大幅に小さくできることが確認できた。

キャスター角を０度とした上で、キングピン角を変化させたときの、キングピン軸周りの転舵角の大きさと地面へのタイヤの食い込み量との関係についての計算結果を図１２に示す。キングピン角を大きくすると、転舵時において食い込み量が大きくなってしまい、転舵操作性が損なわれる。その一方で、キングピン角が小さすぎると、通常走行時における車両の走行安定性が損なわれる。この転舵操作性と走行安定性の両立を図るために、このキングピン角は、４度以上１０度以下の角度範囲内とするのが好ましい。

上記の実施形態はあくまでも一例であって、車輪の転舵に伴ってキャンバー角が発生して転舵角が制限されたり、転舵操作性が低下したりするのを防止する、という本願発明の課題を解決し得る限りにおいて、転舵モジュールの構成等について適宜変更を加えることも許容される。

１ 駆動モジュール（インホイールモータ）
６ 転舵モジュール
１０、１１ ラックバー
１２ ラックバー動作手段
１３ 第一ピニオンギア
１４ 第二ピニオンギア
１８ 連結機構
２２ 第一同期ギア（同期ギア）
２３ 第二同期ギア（同期ギア）
ｗ 車輪
θ キングピン角
Φ キャスター角

Claims (4)

1. 車輪（ｗ）を左右同方向又は逆方向に転舵する転舵モジュール（６）を備えた車両において、キングピン角（θ）に対し、キャスター角（Φ）を±３度の範囲に設定し、
   前記転舵モジュール（６）が、左右の前記車輪（ｗ）を左右に転舵する対のラックバー（１０、１１）と、前記対のラックバー（１０、１１）を同一方向又は逆方向に同距離移動させるラックバー動作手段（１２）と、
   を備え、前記ラックバー動作手段（１２）が、前記対のラックバー（１０、１１）にそれぞれ噛み合い、一方のラックバー（１０）のラックの歯の並列方向に対する一方向への動きを他方のラックバー（１１）の他方向への動きに変換する同期ギア（２２、２３）と、前記一方のラックバー（１０）に噛合う第一ピニオンギア（１３）と、前記他方のラックバー（１１）に噛合う第二ピニオンギア（１４）と、前記第一ピニオンギア（１３）と前記第二ピニオンギア（１４）との間を結合又は分離する連結機構（１８）と、
   を備えたことを特徴とする車両。
2. 前後車輪（ｗ）のうち少なくとも一方の左右車輪（ｗ）を、この車輪（ｗ）内に設けられたインホイールモータ（１）で駆動することを特徴とする請求項１に記載の車両。
3. 前記キングピン角（θ）を４度以上１０度以下の範囲内としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両。
4. 前記転舵モジュール（６）が直進方向に対し、前記車輪（ｗ）を９０度転舵可能としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の車両。