JP7073003B2 - 油圧式操舵倍力装置を備えた自動運転車両 - Google Patents

Description

本発明は、油圧式操舵倍力装置の油圧パワーステアリングギヤに付加される自動操舵モータ（電動誘導機）を備えたトラックやバスなどの自動運転車両に関する。

自動運転車両の開発競争が活発になっている。電動パワーステアリングを装備する小型車両の場合は、その電動パワーステアリングに操舵制御を加えることで自動運転することができる。一方、油圧パワーステアリングギヤを装備する大型車両については、その油圧パワーステアリングギヤを電動パワーステアリングに置換すれば、小型車に準じて自動運転できるとの、単純展開はできない。

操舵軸荷重が２５００ｋｇ超になる大型車両の操舵パワーに叶う出力を備える電動パワーステアリングは、存在しない。油圧パワーステアリングのコントロールバルブ（油圧方向制御弁）に自動運転のための制御信号を加える方向になる。

特許文献１には、一般的な電動パワーステアリング装置が開示されている。また、非特許文献１には、乗用車の電動パワーステアリングの電動モータの取付部位についての開示がなされている。非特許文献２、３にはトラックのステアリングレイアウトが示されている。

特開２０１４－１８０１０３号

竹田英幸：電動パワーステアリング、自動車技術、Vol.64,No.7,2010.p.58-p.62. 籾山 冨士男：トラック用シャシボデー技術の歴史、自動車技術、Vol.64.No.7,2010.p.27-p.33. Fujio Momiyama et al.,"Electro-Hydraulic Feedforward Control Power Steering System for Truck and Buses",SAE paper No.892519.

特許文献１に開示される電動パワーステアリング装置は、油圧倍力操舵装置を備える車両に適用するものではない。

非特許文献２及び３において、電動モータを組み込もうとして、コラムタイプを指向すると、ステアリングホィールの位置調整機構との両立が課題になる。ピニオンタイプを指向すると、パワーステアリングギヤの設計変更が必要になる。ラックタイプのステアリングは、大型トラック用パワーステアリングとしての実績がほとんどない。

トラックやバスなどの大型車両にあっては、前記したように操舵軸荷重は２５００ｋｇ超になるため、電動パワーステアリングではなく油圧パワーステアリングを採用することになる。手動運転において油圧パワーステアリングを採用している場合、この油圧パワーステアリングに電動モータの取付けが簡単に行えれば、手動運転車両をそのまま自動運転車両に転用できる。

しかしながら、何れの先行技術も自動運転用の油圧パワーステアリングに必要な部材（電動モータ）の配置に関して具体的な提案がなされていない。特に、他の装置に影響を与えることなく、即ち手動運転の油圧パワーステアリングはそのままで、自動運転用の電動モータのみを後付けできるレイアウトが必要となる。

本発明者は、ステアリングシャフトの下部ジョイントと油圧パワーステアリングギヤとの間のスペース（図３の（Ｍ）部）であれば、“キャブティルトによって生じる芯ずれを吸収する機構”、“キャブサスペンションの振動ストロークを吸収する機構”、及び、“ハンドル位置調整に伴うステアリングシャフトの長さ変化と角度変化を吸収する機構”を阻害することなく、バスとトラックと共通に使用できることに着目した。

即ち、本発明に係る油圧式操舵倍力装置を備えた自動運転車両は、油圧式操舵倍力装置はリンク機構を介してタイヤを旋回動させる油圧パワーステアリングギヤと、この油圧パワーステアリングギヤを回転させる操舵モータとを備え、この操舵モータはステアリングシャフトの下部ジョイントと前記油圧パワーステアリングギヤとの間に形成されるスペースに他の部材の位置を変えることなく着脱自在に配置される構成とした。

操舵モータの具体的な配置箇所としては、油圧パワーステアリングギヤの入力軸の周囲に付設するか、バスなどのようにステアリングシャフトの下部ジョイントと油圧パワーステアリングギヤとの間に形成されるスペースに操舵力の伝達方向を変更するギヤボックスが設けられる場合には、このギヤボックスから突出するギヤの入力軸または出力軸の周囲に操舵モータを付設することが考えられる。

また、操舵モータの出力は、手動運転の場合の最大操舵トルク時は以下の式（１）を、緊急操舵速度時は以下の式（２）を満たすことが好ましい。

Tm ＞ Ts_max × Rs ÷ Gr …（１）
ωm ＞ ω(ats/w) × Gr …（２）

ここに、
Tm：モータトルク要求値
Ts_max：最大操舵力
Rs:ステアリングホィール半径
Gr:モータギヤレシオ
ωm：モータ回転数要求値
ω(ats/w): 最大操舵速度

本発明によれば、手動運転の油圧パワーステアリングはそのままで、後付けで簡単に自動運転用の電動モータの取付けができる。その結果、生産工場での対応が容易になり、整備も容易になる。

電動パワーステアリングのモータ取付位置の分類を説明した図。 トラックのステアリングレイアウトの例を示す図。 トラック特有のキャブ構造に対応するステアリングレイアウトを示す図。 パワーステアリングギヤへの操舵モータ取付のバリエーションを示す図。 操舵モータの組込方法を説明した図。 バス特有のキャブ構造に対応するステアリングレイアウトの例を示す図。 油圧パワーステアリング付大型トラックの操舵速度を説明した図 油圧パワーステアリング付大型トラックの操舵力実測例を示す図

以下、本発明の実施の形態を図１～８に基づいて説明する。
図１は、乗用車に普及している電動パワーステアリングの電動モータの組付位置の分類を示している。ステアリングコラム部にモータを取付けているコラムタイプ、ラックアンドピニオン型のステアリングのピニオン部にモータを取り付けているピニオンタイプ、ラックアンドピニオン型ステアリングのラック部にモータを取付けているラックタイプに分類される。

コラムタイプとピニオンタイプについてはステアリング側の入力側にモータを取付け、ラックタイプは出力側に取付けている。入力側に取付ければ、ギヤ比を介して軽減された負荷に対応するモータで済み、出力側に取付ければ、操舵軸荷重相応の付加に対応するモータが必要になることを意味している。入力側に取付けることで、操舵軸荷重が異なる車両に同じモータが使えるメリットがある。

図２に示すように、キャブサスペンションを装備している大型トラックにあっては、設定リリーフ圧が１５０kg/cm^２に達する高油圧のインテグラル型のパワーステアリングを採用している。操舵軸荷重の大きさにパワーシリンダ径で対応していて、ステアリングホイールの操作は、乗用車同然に軽く操舵できるように倍力比が設定されている。

大型トラックでは、ハンドルが上下に４０ｍｍ、前へ２８ｍｍ、後ろへ６０ｍｍ位置調整できるアジャスタブルステアリングコラムが設定されている。コラム左側のレバーを下げるとロックされ上げると緩む。ロアーピボットボルトを支点にしてティルトすることで前後位置調整ができ、ロアーピボット部のところではステアリングコラムは上下スライド可能に支えられているので上下位置調整ができる。

ステアリングコラムの下部にはユニバーサルジョイントを介してスプラインシャフトがあり、パワーステアリング側からのスリーブスプラインと摺動可能に嵌合している。このアジャスタブルステアリング調整代、キャブサスペンションによるフレーム側とキャブ側の位置変化はこの部分のスプラインが摺動することによって吸収される。

図３に示すようにトラックには、エンジン整備性のためキャブティルト機構（6）がついている。また、車体フレームからキャブへの振動を遮断するキャブサスペンション（2）、更にドライバへの振動を遮断するシートサスペンション（12）がついている。ドライビングポジションを調節するためのアジャスタブルステアリング（9）が装備されている。

キャブティルトヒンジブラケット（4）とユニバーサルジョイント（8）の芯は一致していないので、“キャブティルトによって生じる芯ずれを吸収する機構”、“キャブサスペンションの振動ストロークを吸収する機構”、及び、“ハンドル位置調整に伴うステアリングシャフトの長さ変化と角度変化を吸収する機構”が必要になる。

また、長さ変化を吸収するために、２個のユニバーサルジョイント（8）、（10）及びテレスコーピックスプラインシャフト（11）が使用されている。バスの場合はキャブティルトもキャブサスペンションも関係ないが、“ハンドル位置調整に伴うステアリングシャフトの長さ変化と角度変化を吸収する機構”の必要から、２個のユニバーサルジョイント（8）、（10）及びテレスコーピックスプラインシャフト（11）がトラックと共通に使用される。

上記の大型トラックのステアリングレイアウトにおいて、操舵モータ（電動誘導機）（13）はステアリングシャフトの下部のユニバーサルジョイント（8）と油圧パワーステアリングギヤ（7）との間のスペース（Ｍ）に着脱自在に配置される。

この実施例にあっては、操舵モータ（13）は油圧パワーステアリングギヤ（7）の入力軸の周囲に付設されている。

図４は油圧パワーステアリングギヤ（7）の入力軸の周囲に付設される態様を示したものであり、（A）が直接（同芯）モータ方式、（B）がピニオンギヤモータ方式、（C）がウォームギヤモータ方式である。（A）方式はモータ固定子・回転子の径が相対的に大きくできる。反面、周囲空間との関係からのサイズ面で制約される。（B）方式は、ギヤの減速比の設定でのモータの小型化が可能になる。（C）方式は、（B）における縦配置モータを、ギヤ仕様をピニオンギヤからウォームギヤにしたものである。（A）（B）（C）は、取付空間の都合、必要出力から選択される。

操舵モータ（13）は着脱自在とされている。直接（同芯）モータ方式の操舵モータ（13）の組込方法を図５に基づいて説明する。
図２と同じ構造図を図５の左部に示す。図５の右側（A）（B）（C）(D)にスプラインユニバーサルジョイントとインテグラルパワーステアリングギヤの拡大図を示す。（A）は手動運転構造である。ユニバーサルジョイントとインテグラスステアリングギヤはコッタボルトで結合されている。（B）に示す様にユニバーサルジョイントの二分割フランジ結合構造にして、（C）の様にジョイント側はスプラインスリーブ側へ、フランジ側はインテグラルパワーステアリング側に取付ける。そのフランジに（D）の様に操舵モータを取付けて後、ユニバーサルジョイント側とフランジ結合する。この様にすることで、スプラインスリーブが、手動運転仕様車と同じ要領での組付け、取外しが可能になる。

図６にバス特有のキャブ構造に対応するステアリングレイアウトの例を示す。この例にあっては、ハンドル（21）下方にテレスコ―ピックスプラインシャフト（22）が設けられ、このテレスコ―ピックスプラインシャフト（22）下端のユニバーサルジョイント（23）とギヤボックス（24）の入力軸上端のユニバーサルジョイント（25）とがロッド（26）で連結され、さらにギヤボックス（24）の出力軸先端のユニバーサルジョイント（27）と横置パワーステアリングギヤ（28）の入力軸先端のユニバーサルジョイント（29）とがテレスコ―ピックスプラインシャフト（30）で連結されている。

上記において、操舵モータ（13）はギヤボックス（24）から突出する入力軸の周囲、ギヤボックス（24）から突出する出力軸の周囲、または大型トラックの場合と同様に、油圧パワーステアリングギヤ（7）の周囲に付加される。付加の態様は図４と同様である。

操舵モータに対する要求特性は、手動運転の場合の操舵トルクと操舵速さの要件を満たすことである。
図７に、大型トラックの操舵速さの実測例を示す。常用操舵速度は低速時６rad/s(57.3rpm)から車速に依存して減少する。緊急操舵速度は、１１rad/s(105rpm)である。

大型車の操舵力は、乾燥コンクリート舗装路上での据え切りできる様に設計されていて、その値は大きくても１５０N未満である。図８は。6輪駆動大型トラックでの実測例である。据え切り操舵力１３５Nが記録されているが、通常の大型トラックの据え切り力は１００Nに満たない。

図７、図８から図５の（A）（B）（C）に求められる出力要求仕様は、以下の（式）になる。

Tm ＞ Ts_max × Rs ÷ Gr …（１）
ωm ＞ ω(ats/w) × Gr …（２）

ここに、
Tm：モータトルク要求値
Ts_max：最大操舵力（図８）
Rs:ステアリングホィール半径
Gr:モータギヤレシオ
ωm：モータ回転数要求値
ω(ats/w): 最大操舵速度（図７）
である。

２…キャブサスペンション、４…キャブティルトヒンジブラケット、６…キャブティルト機構、１２…シートサスペンション、９…アジャスタブルステアリング、８,１０…ユニバーサルジョイント、１１…テレスコーピックスプラインシャフト、１３…操舵モータ、２１…ハンドル、２２…テレスコ―ピックスプラインシャフト、２３、２５、２７、２９…ユニバーサルジョイント、２４…ギヤボックス、２６…ロッド、３０…テレスコ―ピックスプラインシャフト、２８…横置パワーステアリングギヤ、Ｍ…スペース

Claims (4)

1. 油圧式操舵倍力装置を備えた自動運転車両において、前記油圧式操舵倍力装置はリンク機構を介してタイヤを旋回動させる油圧パワーステアリングギヤと、この油圧パワーステアリングギヤを回転させる操舵モータとを備え、この操舵モータはステアリングシャフトの下部ジョイントと前記油圧パワーステアリングギヤとの間に形成されるスペースに他の部材の位置を変えることなく着脱自在に配置されることを特徴とする油圧式操舵倍力装置を備えた自動運転車両。
2. 請求項１に記載の油圧式操舵倍力装置を備えた自動運転車両において、前記操舵モータは油圧パワーステアリングギヤの入力軸に付設されることを特徴とする油圧式操舵倍力装置を備えた自動運転車両。
3. 請求項１に記載の油圧式操舵倍力装置を備えた自動運転車両において、前記ステアリングシャフトの下部ジョイントと前記油圧パワーステアリングギヤとの間に形成されるスペースには操舵力の伝達方向を変更するギヤボックスが配置され、このギヤボックスを構成するギヤの入力軸または出力軸に前記操舵モータが付設されることを特徴とする油圧式操舵倍力装置を備えた自動運転車両。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の油圧式操舵倍力装置を備えた自動運転車両において、前記操舵モータの出力は、手動運転の場合の最大操舵トルク時は以下の式（１）を、緊急操舵速度時は以下の式（２）を満たすことを特徴とする油圧式操舵倍力装置を備えた自動運転車両。
   Tm ＞ Ts_max × Rs ÷ Gr …（１）
   ωm ＞ ω(ats/w) × Gr …（２）
   ここに、
   Tm：モータトルク要求値
   Ts_max：最大操舵力
   Rs:ステアリングホィール半径
   Gr:モータギヤレシオ
   ωm：モータ回転数要求値
   ω(ats/w): 最大操舵速度
   

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