JP6713391B2 - 車両のアダプティブ・フロントステアリング・システム - Google Patents

車両のアダプティブ・フロントステアリング・システム Download PDF

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Description

本発明は、車両のアダプティブ・フロントステアリング・システムに関するもので、より詳細には、車両の走行状況に応じて操向ギア比を可変して操向の便宜性及び走行の安全性を確保できるアダプティブ・フロントステアリング・システムに関する。
通常、車両の操舵力を与えるパワー操向装置は、ステアリングホイールの操作力を軽く円滑にし、かつ迅速に操向できるようにするために油圧を用いるように設計される。
このようなパワー操向装置は、小さい力で操向操作できることはもちろん、操向ギア比の操作力に関わらずに選定でき、路面の凹凸による衝撃を吸収してステアリングホイールへの伝達を防止する役割もする。
また、車速センサ及び操向トルクセンサなどで感知した車両の運行条件によりＥＣＵでモーターを駆動して低速運行時は軽くて安らかな操向感を与え、高速運行時は重い操向感と共に良好な方向安定性を与えることによって、運転者に対して最適の操向条件を提供するＥＨＰＳ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）またはＭＤＰＳ（Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）などのような電動式操向装置が多数適用されている。
最近、ＭＤＰＳシステムとＡＦＳ（Ａｃｔｉｖｅ Ｆｒｏｎｔ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）システムを統合することで、運転者に提供する操向条件をさらに最適化させたシステムが適用されている。
通常、ＡＦＳシステムは、車速ごとに操向ギア比を変更して駐停車しているステアリングホイールの操作量を軽減し、高速で最適の操向ギア比が得られるようにするシステムである。
例えば、能動前輪操舵方式のＡＦＳシステムは、運転者による操向角だけでなく、アクチュエータによる操向角の追加または減衰が可能なものであって、低速では操向比を低めて操向応答性を改善させ、また、高速では操向比を高めることができるように、相対的に運転者が高速でも安定的に運行できるようにする。
このようなＡＦＳシステムは、駆動特性上、運転者の操向入力以外にもさらなる操向入力を発生させるモーター及び減速機などのようなアクチュエータ、これを制御して操向出力を可変させるＡＦＳ ＥＣＵなどを含む。
また、ＡＦＳシステムは、量産車両に適用されてその商品性が認められているが、車両のオプション費用が高いため、プレミアム車両にだけ限定的に適用されている。
これはシステムが複雑で、部品数が多くて材料費が高くなるからである。
したがって、ＡＦＳシステムを幅広く適用するためには、システムを単純化させ、部品数を減らして材料費を低減した補給型ＡＦＳシステムの開発が求められている。
本発明の背景となる技術は、特許文献１、 特許文献２、 特許文献３に開示されている。
日本公開特許第２００８−２７３３２７号 日本公開特許第２００３−６３４２３号 米国登録特許第７，３０６，５３５号
本発明は、このような点を考慮して案出したもので、ステアリングコラムシャフト上に中空モーターを適用することで、上部シャフトと共に回転するモーターにおいて、シャフトの回転方向及び回転量によって操向ギア比を可変させる新たな方式のＡＦＳシステムを実現することで、全体的なシステムを単純化でき、部品数を減らして材料費を低減できる補給型のアダプティブ・フロントステアリング・システムを提供することにその目的がある。
本発明で提供する車両のアダプティブ・フロントステアリング・システムは、次のような特徴がある。
前記アダプティブ・フロントステアリング・システムは、ステアリングホイールに連結される上部シャフトと、出力軸の役割をする下部シャフトと、ステアリングコラムシャフトと同軸に配置され、前記上部シャフトと前記下部シャフトとの間に連結される中空モーターなどを含む構造である。
このようなアダプティブ・フロントステアリング・システムにおいて、前記中空モーターのモーターハウジングは前記上部シャフト側に連結されると共にモーターシャフトは前記下部シャフト側に連結され、前記上部シャフトと共に回転する前記中空モーターのシャフトの回転方向と回転量によって操向ギア比が可変されることができる。
ここで、前記中空モーターの前記モーターハウジングと前記上部シャフトは、上部遊星ギア装置を介して連結されることができる。
この際、前記上部遊星ギア装置は、前記上部シャフトに装着される太陽ギアと、前記モーターハウジングのハウジングアダプターに装着されるリングギアと、前記太陽ギアと前記リングギアとの間に介在して噛合伝動される複数の遊星ギアと、で構成されることができる。
また、前記中空モーターの前記モーターシャフトと前記下部シャフトは、下部遊星ギア装置を介して連結されることができる。
この際、前記下部遊星ギア装置は、前記下部シャフトに装着される太陽ギアと、前記モーターシャフトのシャフトアダプターに装着されるリングギアと、前記太陽ギアと前記リングギアとの間に介在して噛合伝動される複数の遊星ギアと、で構成されることができる。
そして、前記アダプティブ・フロントステアリング・システムは、ＭＤＰＳ（Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）システムの障害時に、前記上部シャフト側と前記下部シャフト側を結束させる役割をするロックユニットと、上部シャフトに設置され、操舵角と操舵トルク情報をＥＣＵに伝達するＴＡＳ（Ｔｏｒｑｕｅ ＆ Ａｎｇｌｅ ｓｅｎｓｏｒ）と、をさらに含むことができる。
本発明で提供するアダプティブ・フロントステアリング・システムは次のような長所がある。
第１に、モーターをステアリングコラムシャフトと同軸に設置することで、既存のウォームシャフトとウォームホイール構造のＡＦＳやベルト構造のＡＦＳに比して部品数を減らし、モーターハウジングが上部シャフトと共に回転してアウトプットシャフトの回転角を直接決定するため、複雑なギア装置が不要となるなど、システムを単純化でき、部品数を減らして材料費を低減できるなど、ＡＦＳシステムをコンパクト化して設計できるため、パッケージの構成に有利である。
第２に、モーターハウジングが回転することによってハウジングに連結されるワイヤが絡まることがあるが、遊星ギアをモーターの上下方向にそれぞれ採用してモーターが±９０°以内にしか回転できないように設計することで、ワイヤーが絡まる問題を解決することができる。
本発明の一実施例によるアダプティブ・フロントステアリング・システムを示す概略的な断面図である。 本発明の一実施例によるアダプティブ・フロントステアリング・システムの上部遊星ギア装置を示す斜視図である。 本発明の一実施例によるアダプティブ・フロントステアリング・システムの下部遊星ギア装置を示す斜視図である。
以下、添付した図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例によるアダプティブ・フロントステアリング・システムを示す概略的な断面図であり、図２と図３は、本発明の一実施例によるアダプティブ・フロントステアリング・システムの上部遊星ギア装置と下部遊星ギア装置を示す斜視図である。
図１から図３に示すように、前記アダプティブ・フロントステアリング・システムは、電動式動力操向装置（ＭＤＰＳ）を搭載した車両において、走行状況に応じて操向ギア比を可変して操向の便宜性と走行の安定性を向上させた補給型モデルである。
例えば、前記アダプティブ・フロントステアリング・システムは、ステアリングコラムシャフト上に中空モーターを用いるが、モーターハウジングは上部シャフト側に連結され、モーターシャフトは下部シャフト側に連結されている構造であって、上部シャフトと下部シャフトは機械的に連結されておらず、相対運動が可能である。
具体的には、既存のＡＦＳが遊星ギアやハーモニックギア、ウォームとウォームホイールを用いて回転角度を調節するという方式とは異なり、本発明で提供するアダプティブ・フロントステアリング・システムは、上部シャフトと共に回転する中空モーターにおいて、シャフトが回転する方向及び回転量によって操向ギア比が可変されるシステムである。
そのために、前記アダプティブ・フロントステアリング・システムは、ステアリングホイール（図示せず）に連結されている上部シャフト１０を含む。
このような上部シャフト１０は、ステアリングコラムシャフト（図示せず）と同軸構造で配置され、ステアリングコラムシャフト側にフランジ締結構造（図示せず）やカプラー（図示せず）連結構造などで結合され、運転者が操作するステアリングホイールの操作速度及び角度と同じく作動する。
この際、運転者の操向意図を把握するために、上部シャフト１０にはＴＡＳ２３が同軸構造で設置され、このようなＴＡＳ２３から操舵角度と操舵トルクの情報がＥＣＵに伝達される。
また、前記アダプティブ・フロントステアリング・システムは、ステアリングホイール操作の最終出力軸の役割をする下部シャフト１１を含む。
前記下部シャフト１１は、上部シャフト１０と同軸構造で配置され、後述する下部遊星ギア装置２０側に連結される構造で支持される。
このような下部シャフト１１から出力される動力は、ギアボックス（図示せず）側に伝達されることができる。
また、前記アダプティブ・フロントステアリング・システムは、ステアリングコラムシャフトと同軸に配置され、上部シャフト１０側と下部シャフト１１側との間に連結される中空モーター１２を含む。
前記中空モーター１２は、モーターハウジング１３とモーターシャフト１４で構成され、モーターハウジング１３を上方にすると共にモーターシャフト１４を下方にした状態で上部シャフト１０側と下部シャフト１１側にそれぞれ連結される。
例えば、前記モーターハウジング１３は、その後面部に形成される円板状のハウジングアダプター１７を用いて上部遊星ギア装置１５を介して上部シャフト１０側に連結されることができる。
また、前記モーターシャフト１４は、その先端部に、カプラー２４によって連結される円板状のシャフトアダプター２１を用いて下部遊星ギア装置２０を介して下部シャフト１１側に連結されることができる。
このような中空モーター１２は、ＥＣＵに電気的に接続し、ＥＣＵから電源の供給を受けて回転する。
このような中空モーター１２のモーターシャフト１４は、上部シャフト１０側に機械的に固定されていないため、上部シャフト１０の回転にかかわらずにＥＣＵで調節する電流によってのみ回転することができる。
また、前記アダプティブ・フロントステアリング・システムは、中空モーター１２の上下に位置し、中空モーター１２側と上部シャフト１０及び下部シャフト１１との間に動力を媒介する２つの遊星ギア装置、すなわち上部遊星ギア装置１５と下部遊星ギア装置２０を含む。
このような遊星ギア装置は、リングギアが固定されていてギア比が固定されるため、操舵角の可変には影響を及ぼすことがない。
具体的には、前記遊星ギア装置は、既存の遊星ギア装置を用いたＡＦＳシステムでの遊星ギア装置の役割（操向ギア比の可変）とは異なり、上部シャフト１０側に連結されるモーターハウジング１３の回転角度を減らし、システムの障害時に、上部シャフト１０と下部シャフト１１の回転ギア比を１：１で維持させる役割をする。
また、前記アダプティブ・フロントステアリング・システムは、上部シャフト１０側と中空モーター１２側との間で動力を媒介する上部遊星ギア装置１５を含む。
前記上部遊星ギア装置１５は、太陽ギア１６ａとリングギア１８ａ、そして複数の遊星ギア１９ａの組合せからなる。
前記太陽ギア１６ａは、上部シャフト１０に同軸構造で装着されて共に回転でき、前記リングギア１８ａは、太陽ギア１６ａの外郭に同心円状に配置され、ステアリングコラム（図示せず）側に支持される構造で固定設置でき、前記遊星ギア１９ａは、中心の太陽ギア１６ａと外郭のリングギア１８ａとの間の間隔内に配置され、これらとの噛合伝動により自転と空転を併行することができる。
前記遊星ギア１９ａは、一定間隔で配置される４つのギアからなり、それぞれの遊星ギア１９ａは、モーターハウジング１３に形成されているハウジングアダプター１７の上面から垂直延長された各ギア軸２５に自由に回転可能な構造で支持されることができる。
それによって、運転者がステアリングホイールを操作することで上部シャフト１０が回転すると、太陽ギア１６ａが回転し、それと共に固定型のリングギア１８ａに対して各遊星ギア１９ａも共に自転すると同時に太陽ギアの周囲を空転するようになり、結局、遊星ギア１９ａが属しているハウジングアダプター１７を含むモーターハウジング１３の全体が上部シャフト軸線を中心軸として回転することができる。
すなわち、上部シャフト１０が回転すると、上部遊星ギア装置１５に回転が伝達されてモーターハウジング１３も回転するようになる。
この際、上部遊星ギア装置１５のギア比によって上部シャフト１０よりもモーターハウジング１３の回転角度が低減する。
例えば、上部遊星ギア装置１５のギア比が１：４である場合、ステアリングホイールが３６０°回転すると、モーターハウジング１３は９０°回転し、このようにギア比を調節することで、ステアリングホイールがロック・トゥ・ロック（ＬＯＣＫ ＴＯ ＬＯＣＫ）のときにもモーターハウジング１３は約１８０°回転することができる。
この程度の回転角であれば、中空モーター側に連結しなければならない電源線やシグナル線が、モーターハウジング１３の回転により絡まるという問題を解決することができる。
また、前記アダプティブ・フロントステアリング・システムは、下部シャフト１１側と中空モーター１２側との間で動力を媒介する下部遊星ギア装置２０を含む。
このような下部遊星ギア装置２０は、前記上部遊星ギア装置１５と同様に太陽ギア１６ｂとリングギア１８ｂ、そして複数の遊星ギア１９ｂの組合せからなる。
前記太陽ギア１６ｂは、下部シャフト１１に同軸構造で装着されて共に回転でき、前記リングギア１８ｂは、太陽ギア１６ｂの外郭に同心円状に配置され、ステアリングコラム（図示せず）側に支持される構造で固定設置でき、前記遊星ギア１９ｂは、中心の太陽ギア１６ｂと外郭のリングギア１８ｂとの間の間隔内に配置され、これらとの噛合伝動により自転と空転を併行することができる。
前記遊星ギア１９ｂは、一定間隔で配置される４つのギアからなり、それぞれの遊星ギア１９ｂは、モーターシャフト１４とカプラー２４を介して連結されるシャフトアダプター２１の底面から垂直延長された各ギア軸２５に自由に回転可能な構造で支持されることができる。
それによって、ＥＣＵの制御によって中空モーター１２のモーターシャフト１４が回転すると、モーターシャフト１４のシャフトアダプター２１におけるそれぞれの遊星ギア１９ｂが固定型のリングギア１８ｂに対して自転及び空転をし、このような遊星ギア１９ｂの自転及び空転に係って太陽ギア１６ｂが回転するようになることで、太陽ギア１６ｂと共に回転する下部シャフト１１により動力が出力され、操向が行われる。
この際、前記モーターシャフト１４の回転方向及び回転量によって操向ギア比が可変されることができる。
また、前記アダプティブ・フロントステアリング・システムは、ＭＤＰＳ（Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）システムの障害時に、上部シャフト１０側と下部シャフト１１側を結束させる役割をするロックユニット２２を含む。
前記ロックユニット２２は、ソレノイドバルブを用いるタイプであって、モーターハウジング１３の前面（底面）の一側に設置され、シャフトアダプター２１側に選択的に結束する方式で作動する。
前記ソレノイドバルブタイプのロックユニットは、一般的なＡＦＣシステムで採択しているソレノイドバルブタイプのロックユニットとほぼ同様の構造と方式を適用することができる。
例えば、ロックユニット２２の作動時に、ソレノイドバルブのプランジャー２６がシャフトアダプター２１に形成されているホール（図示せず）または溝（図示せず）内に挿入締結され、モーターハウジング１３側とモーターシャフト１４が属しているシャフトアダプター２１側に結束されることができる。
すなわち、ＭＤＰＳシステムの障害時に、上部シャフト１０と下部シャフト１１が機械的に固定されていないため、上部シャフト１０が回転しても下部シャフト１１は動くことがない。
そのためにソレノイドバルブを用いたロックユニット２２が必要である。
このようなロックユニット２２に、通常、エンジン・オフ時や障害モードでモーターハウジング１３と下部遊星ギア装置側のシャフトアダプター２１が連結される。
下部遊星ギア装置２０がない場合は、例えばステアリングホイールを３６０°回しても下部シャフト１１は９０°回転するため、最小回転半径が非常に大きくなる。
これを補償するために、モーターシャフト１４と下部シャフト１１との間に下部遊星ギア装置２０を置いてＭＤＰＳ障害時も全体操向ギア比を１：１で維持することができる。
一般的なＡＦＳシステムの遊星ギアの役割が操向ギア比を可変するための手段であるが、本発明で提供する上部遊星ギア装置１５は、モーターハウジング１３の回転角を減らす役割をし、下部遊星ギア装置２０はＭＤＰＳ障害時に全体操向ギア比を１：１に合わせる役割をする。
したがって、運転者がステアリングホイールを操作すると、この時の操作力は上部シャフト１０→上部遊星ギア装置１５→中空モーター１２→下部遊星ギア装置２０→下部シャフト１１に出力されて操向が行われ、それと共に車両の走行状況に応じて、中空モーター１２の作動によるモーターシャフト１４の回転量によって操向ギア比が可変し、操向の便宜性及び走行の安定性が確保されるようになる。
本発明では、中空モーターと２列の遊星ギア装置を備えたＡＦＳシステムを適用することで、既存の遊星ギア装置を用いたＡＦＳシステムよりも部品を低減して原価及びパッケージという側面で有利である。
１０ 上部シャフト
１１ 下部シャフト
１２ 中空モーター
１３ モーターハウジング
１４ モーターシャフト
１５ 上部遊星ギア装置
１６ａ，１６ｂ 太陽ギア
１７ ハウジングアダプター
１８ａ，１８ｂ リングギア
１９ａ，１９ｂ 遊星ギア
２０ 下部遊星ギア装置
２１ シャフトアダプター
２２ ロックユニット
２３ ＴＡＳ（Ｔｏｒｑｕｅ ＆ Ａｎｇｌｅ ｓｅｎｓｏｒ）
２４ カプラー
２５ ギア軸
２６ プランジャー

Claims (5)

  1. ステアリングホイールに連結される上部シャフト１０と、出力軸の役割をする下部シャフト１１と、ステアリングコラムシャフトと同軸に配置され、前記上部シャフト１０と前記下部シャフト１１との間に連結される中空モーター１２と、を含み、
    前記中空モーター１２のモーターハウジング１３は前記上部シャフト１０側に連結されると共にモーターシャフト１４は前記下部シャフト１１側に連結され、前記上部シャフト１０と共に回転する前記中空モーター１２のシャフトの回転方向と回転量によって操向ギア比が可変されるように形成され、
    前記中空モーター１２の前記モーターハウジング１３と前記上部シャフト１０は、上部遊星ギア装置１５を介して連結され、
    前記上部遊星ギア装置１５は、前記上部シャフト１０に装着される太陽ギア１６ａと、前記モーターハウジング１３のハウジングアダプター１７に装着されるリングギア１８ａと、前記太陽ギア１６ａと前記リングギア１８ａとの間に介在して噛合伝動される複数の遊星ギア１９ａと、で構成され、
    前記中空モーター１２の前記モーターシャフト１４と前記下部シャフト１１は、下部遊星ギア装置２０を介して連結され、
    前記下部遊星ギア装置２０は、前記下部シャフト１１に装着される太陽ギア１６ｂと、前記モーターシャフト１４のシャフトアダプター２１に装着されるリングギア１８ｂと、前記太陽ギア１６ｂと前記リングギア１８ｂとの間に介在して噛合伝動される複数の遊星ギア１９ｂと、で構成されることを特徴とする車両のアダプティブ・フロントステアリング・システム。
  2. ＭＤＰＳ（Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）システムの障害時に、前記上部シャフト１０側と前記下部シャフト１１側を結束させる役割をするロックユニット２２をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の車両のアダプティブ・フロントステアリング・システム。
  3. 前記上部シャフト１０には、操舵角と操舵トルク情報をＥＣＵに伝達するＴＡＳ（Ｔｏｒｑｕｅ ＆ Ａｎｇｌｅ ｓｅｎｓｏｒ）２３が設置されることを特徴とする請求項１に記載の車両のアダプティブ・フロントステアリング・システム。
  4. 前記上部遊星ギア装置１５の前記遊星ギア１９ａの個数と、前記下部遊星ギア装置２０の前記遊星ギア１９ｂの個数は、同じ個数である請求項１に記載の車両のアダプティブ・フロントステアリング・システム。
  5. 前記上部遊星ギア装置１５は４つの前記遊星ギア１９ａを備え、および／または、前記下部遊星ギア装置２０は４つの前記遊星ギア１９ｂを備える請求項１に記載の車両のアダプティブ・フロントステアリング・システム。
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