JP7182455B2 - 操舵機能付ハブユニットおよびこれを備えた車両 - Google Patents

Description

この発明は、操舵機能付ハブユニットおよびこれを備えた車両に関し、走行状況に合わせ左右の車輪を適切な操舵角に制御することで、燃費の改善および走行性の安定と安全性の向上を図る技術に関する。

一般的な自動車等の車両は、ハンドルとステアリング装置が機械的に接続され、また、ステアリング装置の両端はタイロッドによってそれぞれの左右輪につながっている。そのため、ハンドルの動きによる左右輪の切れ角度は初期の設定によって決まる。
車両のジオメトリには、(1) 左右輪の切れ角度が同じである「パラレルジオメトリ」、(2) 旋回中心を１か所にするために旋回内輪車輪角度を旋回外輪車輪角度よりも大きく切る「アッカーマンジオメトリ」が知られている。

アッカーマンジオメトリは、車両に作用する遠心力を無視できるような低速域での旋回において、車両をスムーズに旋回させるために、各輪が共通の一点を中心として旋回するように左右輪の舵角差を設定している。しかし、遠心力を無視できない高速域の旋回においては、車輪は遠心力とつり合う方向にコーナリングフォースを発生させることが望ましいため、アッカーマンジオメトリよりもパラレルジオメトリとすることが好ましい。

前述したように一般的な車両の操舵装置は機械的に車輪と接続されているため、一般的には固定された単一のステアリングジオメトリしか取ることができず、アッカーマンジオメトリとパラレルジオメトリとの中間的なジオメトリに設定されることが多い。しかし、この場合、低速域では左右輪の舵角差が不足して外輪の舵角が過大となり、高速域では内輪の舵角が過大となる。このように内外輪の車輪横力配分に不要な偏りがあると、走行抵抗の悪化による燃費悪化及びタイヤの早期摩耗の原因となり、また内外輪を効率的に利用できないので、コーナリングのスムーズさが損なわれるといった課題がある。

特開２００９－２２６９７２号公報 独国特許出願公開第１０２０１２２０６３３７号明細書 特開２０１４－０６１７４４号公報

特許文献１，２の提案によると、ステアリングジオメトリを変更させることができるが、次の課題がある。
特許文献１では、ナックルアームとジョイントとの位置を相対的に変化させてステアリングジオメトリを変化させているが、このような部分で車両のジオメトリを変化させるほどの大きな力を得るモータアクチュエータを備えることは、空間の制約上、非常に困難である。また、このナックルアームとジョイントとの位置での変化による車輪角の変化が小さく、大きな効果を得るためには、ナックルアームとジョイントとの位置を大きく変化させる、つまり大きく動かす必要がある。

特許文献２では、モータを２個使っているため、モータ個数の増大によるコスト増が生じるだけでなく、制御が複雑になる。
特許文献３は、４輪独立転舵の車両にしか適用できず、また転舵軸に対しハブベアリングを片持ち支持しているため、剛性が低下し、過大な走行Ｇの発生によってステアリングジオメトリが変化してしまう可能性がある。
また、転舵軸上に減速機を設けた場合、大きな動力が必要となる。このため、モータを大きくするが、モータを大きくすると車輪の内周部に全体を配置することが困難となる。また、減速比の大きい減速機を設けた場合、応答性が悪化する。

上記のように従来の補助的な操舵機能を備えた機構は、車両において車輪のトー角またはキャンバー角を任意に変更することを目的としているため、モータおよび減速機構が複数必要になり複雑な構成となっている。また、剛性を確保することが困難となり、剛性を確保するためには大型化する必要があり重くなる。
また、キングピン軸と補助的な操舵機能を備えた機構の転舵軸が一致する場合は、構成要素部品がハブユニットの後方（車体側）に配置されるために全体のサイズが大きくなり重くなる。

車両において、車輪のトー角またはキャンバー角を任意に変更するためには、複雑な構成が必要であり、構成部品が多くなる。
操舵機能を備えた機構を車輪内の限られたスペースに収容するためには、各部品の小型化が必要であるが、各部の強度が不足してしまう懸念が生じる。特に、路面からの大きな反力を直接的に受け止める台形ねじは最も異常が生じやすい。台形ねじに異常が生じると、操舵用アクチュエータは、動力を確実にハブベアリングに伝達し、かつタイヤからの反力を確実に防止することが困難となる。

この発明の目的は、操舵機能付ハブユニットの一部を車輪内の限られたスペースに収容することが可能となり、また直動機構の送りねじ機構の耐久性、強度および信頼性を確保することができる操舵機能付ハブユニットおよびこれを備えた車両を提供することである。

この発明の操舵機能付ハブユニットは、車輪を支持するハブベアリングを有するハブユニット本体と、
懸架装置の足回りフレーム部品に設けられ、前記ハブユニット本体を上下方向に延びる転舵軸心回りに回転自在に支持するユニット支持部材と、
前記ハブユニット本体を前記転舵軸心回りに回転駆動させる操舵用アクチュエータと、を備え、
前記操舵用アクチュエータは、回転駆動源と、この回転駆動源の回転出力を直進運動に変換する直動機構とを有し、この直動機構は、ナット部およびねじ軸を含む滑りねじ式の送りねじ機構を有し、前記ナット部およびねじ軸のいずれか一方または両方の少なくともねじ面に、表面硬化処理層が設けられている。

この構成によると、車輪を支持するハブベアリングを含むハブユニット本体を、操舵用アクチュエータの駆動により、転舵軸心回りに自由に回転させることができる。これにより操舵輪の通常の操舵に加えて、操舵輪または非操舵輪に微小な角度の操舵が行える。このため、旋回走行時にステアリングジオメトリを変化させることができ、これにより車両の走行安定性の向上を図れる。直線走行時にも、それぞれの場面に合わせてトー角の量を調整することで、低速時には走行抵抗を下げ燃費を悪化させることなく、高速時には走行安定性を確保するなど調整が可能である。

このように車両の挙動を制御するためには、正確に車輪の舵角を制御する必要があり、車輪内の限られたスペースに操舵機能付ハブユニットを配置できるように同ハブユニットの小型化が必要である。
ハブベアリングは、操舵用アクチュエータにより、上下方向に延びる転舵軸心回りに回転駆動される。操舵用アクチュエータは、回転駆動源の回転出力を直進運動に変換する直動機構として、例えば、台形ねじ等の滑りねじ式の送りねじ機構が用いられている。この直動動作によって、ハブベアリングの転舵軸から半径方向に離れた例えばアーム部等の端部が作動点となりハブベアリングは操舵される。

このとき、全体を小型化するためには、転舵軸から前記アーム部の端部までの距離をできるだけ短くする必要があるが、この距離を短くすると操舵用アクチュエータ内の直動機構の送りねじ機構に作用する荷重が増加することから、耐久性の低下または変形等の不具合が発生する恐れが高くなる。
また、走行中に、ハブユニットには路面からの振動および旋回による外力が常用的に繰り返し入力されるため、直動機構の送りねじ機構には高い疲労強度も合わせて要求される。
以上のように、直動機構の送りねじ機構には、高い耐久性と高い疲労強度を兼ね備えることが求められる。

この構成では、特に、ナット部およびねじ軸のいずれか一方または両方の少なくともねじ面に、表面硬化処理層が設けられているため、送りねじ機構を大型化することなくねじ面の硬さを上げ耐摩耗性の向上を図ることができる。またねじ面を表面硬化することで、疲労亀裂の発生点である表面の強度上昇による他、表面に大きな圧縮残留応力が生じるため、疲労強度の向上を図れる。よって、路面からの衝撃的な外力に対する高い耐衝撃性と、路面から繰り返し入力される反力に対する高い疲労強度とを兼ね備えることを可能とした。
したがって、操舵機能付ハブユニットの小型化を図って操舵機能付ハブユニットの一部を車輪内の限られたスペースに収容することが可能となり、また直動機構の送りねじ機構の耐久性、強度および信頼性を確保することができる。

前記ナット部およびねじ軸は炭素０．３５％～０．５５％（炭素０．３５％以上０．５５％以下）の鋼の調質材から成るものであってもよい。このような調質材を用いることで、送りねじ機構の耐久性の向上を図れる。

前記鋼の調質材の母材硬度がＨＲＣ２０～３０（ＨＲＣ２０以上３０以下）であってもよい。調質材の母材硬度の違いによる耐久性について試験を行ったところ、鋼の調質材の母材硬度がＨＲＣ２０～３０の場合に、所望の耐久性を得ることが可能となる。

前記表面硬化処理層は、前記ねじ面に窒化処理または塩浴軟窒化処理が施された層であってもよい。この場合、ねじ面の表層硬さによって窒化品の耐摩耗性が向上する。また窒化品は、表面高周波焼入れ品等と比べて処理温度が低いため、熱膨張量の絶対値が小さく、鋼の変態をともなわないだけ変形量が小さい。したがって、ねじ面の寸法精度を高精度に保つことが可能となる。

前記表面硬化処理層は、前記ねじ面に無電解ニッケルメッキが施された層であってもよい。この場合、ねじ面に無電解ニッケルメッキの膜厚が均一につくため、ねじ面の寸法精度を高精度に保つことが可能となる。

前記表面硬化処理層は、前記ねじ面にリン酸塩被膜が施された層であってもよい。この場合、素材自身の反応によって被膜を形成することができるため、ねじ面の寸法精度を高精度に保つことが可能となる。またこのリン酸塩被膜によりねじ面の潤滑性が向上する。

前記表面硬化処理層の表面硬度がＨｖ７００～９００（Ｈｖ７００以上９００以下）であってもよい。この場合、相手材との間に適切な硬度差を与えて耐久性の向上を確実に図ることができる。

この発明の車両は、この発明の上記いずれかの構成の操舵機能付ハブユニットを用いて前輪および後輪のいずれか一方または両方が支持される。
そのため、この発明の操舵機能付ハブユニットにつき前述した各効果が得られる。前輪は一般的に操舵輪とされるが、操舵輪にこの発明の操舵機能付ハブユニットを適用した場合は、走行中におけるトー角調整に効果的である。また、後輪は一般的に非操舵輪とされるが、非操舵輪に適用した場合は、非操舵輪の若干の操舵によって低速走行時における最小回転半径の低減を図ることができる。

この発明の操舵機能付ハブユニットは、車輪を支持するハブベアリングを有するハブユニット本体と、懸架装置の足回りフレーム部品に設けられ、前記ハブユニット本体を上下方向に延びる転舵軸心回りに回転自在に支持するユニット支持部材と、前記ハブユニット本体を前記転舵軸心回りに回転駆動させる操舵用アクチュエータと、を備え、前記操舵用アクチュエータは、回転駆動源と、この回転駆動源の回転出力を直進運動に変換する直動機構とを有し、この直動機構は、ナット部およびねじ軸を含む滑りねじ式の送りねじ機構を有し、前記ナット部およびねじ軸のいずれか一方または両方の少なくともねじ面に、表面硬化処理層が設けられている。このため、操舵機能付ハブユニットの一部を車輪内の限られたスペースに収容することが可能となり、また直動機構の送りねじ機構の耐久性、強度および信頼性を確保することができる。

この発明の車両は、この発明の上記いずれかの構成の操舵機能付ハブユニットを用いて前輪および後輪のいずれか一方または両方が支持されたため、操舵機能付ハブユニットの一部を車輪内の限られたスペースに収容することが可能となり、また直動機構の送りねじ機構の耐久性、強度および信頼性を確保することができる。

この発明の第１の実施形態に係る操舵機能付ハブユニットおよびその周辺の構成を示す縦断面図である。 同操舵機能付ハブユニットおよびその周辺の構成を示す水平断面図である。 同操舵機能付ハブユニットの外観を示す斜視図である。 同操舵機能付ハブユニットの正面図である。 同操舵機能付ハブユニットの平面図である。 図４のVI - VI線断面図である。 図５のVII - VII線断面図である。 同操舵機能付ハブユニットの直動機構の拡大断面図である。 母材の硬度と耐久性との関係を示す図である。 同直動機構の要部の作動時および逆入力時における拡大断面図である。 同操舵機能付ハブユニットを備えた車両の一例の模式平面図である。 いずれかの操舵機能付ハブユニットを備えた車両の他の例の模式平面図である。 いずれかの操舵機能付ハブユニットを備えた車両のその他の例の模式平面図である。

［第１の実施形態］
この発明の実施形態に係る操舵機能付ハブユニットを図１ないし図１１と共に説明する。
＜操舵機能付ハブユニットの概略構造＞
図１に示すように、この操舵機能付ハブユニット１は、ハブユニット本体２と、ユニット支持部材３と、回転許容支持部品４と、操舵用アクチュエータ５とを備える。足回りフレーム部品であるナックル６に一体にユニット支持部材３が設けられている。このユニット支持部材３のインボード側に、操舵用アクチュエータ５のアクチュエータ本体７が設けられ、ユニット支持部材３のアウトボード側に、ハブユニット本体２が設けられる。操舵機能付ハブユニット１を車両に搭載した状態で、車両の車幅方向外側をアウトボード側といい、車両の車幅方向中央側をインボード側という。なお、操舵機能付ハブユニット１を単に、ハブユニット１と言う場合がある。

図２および図３に示すように、ハブユニット本体２とアクチュエータ本体７とはジョイント部８により連結されている。通常、このジョイント部８は、防水、防塵のために図示外のブーツが取り付けられている。

図１に示すように、ハブユニット本体２は、上下方向に延びる転舵軸心Ａ回りに回転自在なように、上下二箇所で回転許容支持部品４，４を介してユニット支持部材３に支持されている。転舵軸心Ａは、車輪９の回転軸心Ｏとは異なる軸心であり、主な操舵を行うキングピン軸とも異なっている。通常の車両は、車両走行の直進安定性の向上を目的としてキングピン角度が１０～２０度で設定されているが、この実施形態の操舵機能付ハブユニット１は、前記キングピン角度とは別の角度（軸）の転舵軸を有する。車輪９は、ホイール９ａとタイヤ９ｂとを備える。

＜操舵機能付ハブユニット１の設置箇所＞
この操舵機能付ハブユニット１は、この実施形態では操舵輪、具体的には図１１に示すように、車両１０の前輪９Ｆのステアリング装置１１による操舵に付加して左右輪個別に微小な角度（約±５ｄｅｇ）を操舵させる機構として、懸架装置１２のナックル６に一体に設けられる。

図２および図１１に示すように、ステアリング装置１１は、車体に取り付けられ、運転者のハンドル１１ａの操作、または図示外の自動運転装置、運転支援装置の指令等によって動作し、その進退するタイロッド１４が、ユニット支持部材３のステアリング結合部６ｄ（後述する）に連結されている。ステアリング装置１１は、ラック・ピニオン式等とされるが、どのタイプのステアリング装置でも構わない。懸架装置１２は、例えば、ショックアブソーバーをナックル６に直接固定するストラット式サスペンション機構を適用しているが、ダブルウィッシュボーン式サスペンション機構、マルチリンク式サスペンション機構、その他のサスペンション機構を適用してもよい。

＜ハブユニット本体２について＞
図１に示すように、ハブユニット本体２は、車輪９の支持用のハブベアリング１５と、アウターリング１６と、後述の操舵力受け部であるアーム部１７（図３）とを備える。
図６に示すように、ハブベアリング１５は、内輪１８と、外輪１９と、これら内外輪１８，１９間に介在したボール等の転動体２０とを有し、車体側の部材と車輪９（図１）とを繋ぐ役目をしている。

このハブベアリング１５は、図示の例では、外輪１９が固定輪、内輪１８が回転輪となり、転動体２０が複列とされたアンギュラ玉軸受とされている。内輪１８は、ハブフランジ１８ａａを有しアウトボード側の軌道面を構成するハブ輪部１８ａと、インボード側の軌道面を構成する内輪部１８ｂとを有する。図１に示すように、ハブフランジ１８ａａに、車輪９のホイール９ａがブレーキロータ２１ａと重なり状態でボルト固定されている。内輪１８は、回転軸心Ｏ回りに回転する。

図６に示すように、アウターリング１６は、外輪１９の外周面に嵌合された円環部１６ａと、この円環部１６ａの外周から上下に突出して設けられたトラニオン軸状の転舵軸部１６ｂ，１６ｂとを有する。上下の取付軸部である各転舵軸部１６ｂは、転舵軸心Ａに同軸に設けられる。

図２に示すように、ブレーキ２１は、ブレーキロータ２１ａと、ブレーキキャリパ２１ｂとを有する。ブレーキキャリパ２１ｂは、外輪１９に一体にアーム状に突出して形成された上下二箇所のブレーキキャリパ取付部２２（図４）に取付けられる。

＜回転許容支持部品およびユニット支持部材について＞
図６に示すように、各回転許容支持部品４は転がり軸受から成る。この例では、転がり軸受として、円すいころ軸受が適用されている。転がり軸受は、転舵軸部１６ｂの外周に嵌合された内輪４ａと、ユニット支持部材３に嵌合された外輪４ｂと、内外輪４ａ，４ｂ間に介在する複数の転動体４ｃとを有する。

ユニット支持部材３は、ユニット支持部材本体３Ａと、ユニット支持部材結合体３Ｂとを有する。ユニット支持部材本体３Ａのアウトボード側端に、略リング形状のユニット支持部材結合体３Ｂが着脱自在に固定されている。ユニット支持部材結合体３Ｂのインボード側側面のうち上下の部分には、部分的な凹球面状の嵌合孔形成部３Ｂａがそれぞれ形成されている。

図５および図６に示すように、ユニット支持部材本体３Ａのアウトボード側端のうち上下の部分には、部分的な凹球面状の嵌合孔形成部３Ａａがそれぞれ形成されている。ユニット支持部材本体３Ａのアウトボード側端にユニット支持部材結合体３Ｂが固定され、各上下の部分につき、嵌合孔形成部３Ａａ，３Ｂａが互いに組み合わされることにより、全周に連なる嵌合孔が形成される。この嵌合孔に外輪４ｂが嵌合されている。なお図３において、ユニット支持部材３を一点鎖線で表す。

図６に示すように、各転舵軸部１６ｂには、雌ねじ部が径方向に延びるように形成され、この雌ねじ部に螺合するボルト２３が設けられている。内輪４ａの端面に円板状の押圧部材２４を介在させ、前記雌ねじ部に螺合するボルト２３により、内輪４ａの端面に押圧力を付与することで、各回転許容支持部品４にそれぞれ予圧を与えている。これにより各回転許容支持部品４の剛性を高め得る。なお、回転許容支持部品４の転がり軸受は、円すいころ軸受に代えてアンギュラ玉軸受または四点接触玉軸受を用いてもよい。その場合も、上記と同様に予圧を与えることができる。

図１に示すように、上下の転舵軸部１６ｂ，１６ｂは、それぞれ回転許容支持部品４，４を介してユニット支持部材３に支持され、各回転許容支持部品４が車輪９のホイール９ａ内に位置する。この例では、各回転許容支持部品４が、ホイール９ａ内でこのホイール９ａの幅方向中間付近に配置される。

図２に示すように、アーム部１７は、ハブベアリング１５の外輪１９に補助的な操舵力を与える作用点となる部位であり、アウターリング１６の外周の一部に一体に突出する。アーム部１７は、ジョイント部８を介して、操舵用アクチュエータ５の直動出力部２５ａに回転自在に連結されている。これにより、操舵用アクチュエータ５の直動出力部２５ａが進退することで、ハブユニット本体２が転舵軸心Ａ回りに回転、つまり補助操舵させられる。

＜操舵用アクチュエータ５＞
図３に示すように、操舵用アクチュエータ５は、ハブユニット本体２を転舵軸心Ａ（図１）回りに回転駆動させるアクチュエータ本体７を有する。
図２に示すように、アクチュエータ本体７は、転舵軸心Ａ回りに回転駆動させる回転駆動源としてのモータ２６と、モータ２６の回転を減速する減速機２７と、この減速機２７の正逆の回転出力を直動出力部２５ａの往復直線動作（直進運動）に変換する直動機構２５とを備える。モータ２６は、例えば永久磁石型同期モータとされるが、直流モータであっても、誘導モータであってもよい。

＜減速機２７＞
減速機２７は、ベルト伝達機構等の巻き掛け式伝達機構またはギヤ列等を用いることができ、図２の例ではベルト伝達機構が用いられている。減速機２７は、ドライブプーリ２７ａ，ドリブンプーリ２７ｂと、ベルト２７ｃとを有する。モータ２６のモータ軸にドライブプーリ２７ａが結合され、直動機構２５にドリブンプーリ２７ｂが設けられている。このドリブンプーリ２７ｂは、前記モータ軸に平行に配置されている。モータ２６の駆動力は、ドライブプーリ２７ａからベルト２７ｃを介してドリブンプーリ２７ｂに伝達される。前記各ドライブプーリ２７ａ，ドリブンプーリ２７ｂとベルト２７ｃとで、巻き掛け式の減速機２７が構成される。

＜直動機構２５について＞
図２および図８（ａ）に示すように、直動機構２５は、台形ねじまたは三角ねじ等の滑りねじ式の送りねじ機構を用いることができ、この例では台形ねじの滑りねじを用いた送りねじ機構３３が用いられている。この直動機構２５は、送りねじ機構３３、回転支持軸受２８、回転固定部材４３（図７）、およびこれらの構成部品を覆うカバーであるアクチュエータケース３４を備える。

送りねじ機構３３は、ドリブンプーリ２７ｂの内周に設けられたナット部３５と、このナット部３５の内周に螺合状態に配置されたねじ軸３６と、すべり軸受３７とを有する。滑りねじ内部には、グリースが封入されている。ナット部３５およびねじ軸３６は、前記台形ねじのねじ部３８を構成するねじ溝およびねじ山を有するため、タイヤからの逆入力の防止効果を高め得る。ナット部３５の軸方向一端には、ねじ軸３６が摺動可能に貫通するすべり軸受３７が設けられている。すべり軸受３７は、ねじ軸３６の軸方向の移動をガイドすると共に、タイヤ側からの外力がねじ軸３６に入力された場合に、ねじ部３８にラジアル方向の力が負荷されることを防止する。

回転支持軸受２８は送りねじ機構３３を回転支持する。この回転支持軸受２８として、この例では、二個の円すいころ軸受が、ドリブンプーリ２７ｂを介して、正面合わせで組み合わされている。これらの回転支持軸受２８，２８の配置は、背面合わせ、正面合わせのどちらでもよいが、組付け性やシム等による予圧調整の容易さより、正面合わせの配置が好ましい。

各回転支持軸受２８は、固定輪である外輪２８ａと、回転輪である内輪２８ｂと、内外輪２８ｂ，２８ａ間に介在する複数の転動体２８ｃと、これら転動体２８ｃを保持する保持器２８ｄとを有する。各内輪２８ｂは、ナット部３５の外周面に嵌合固定され、止め輪３９，３９により軸方向に規制されている。図８（ａ）右側（アウトボード側）の回転支持軸受２８の外輪２８ａは、ケース６ｂ内の嵌合孔６ｂｂに嵌合固定され、図８（ａ）左側（インボード側）の回転支持軸受２８の外輪２８ａは、アクチュエータケース３４のアウトボード側の内周面に嵌合固定されている。これらの回転支持軸受２８，２８により、ドリブンプーリ２７ｂとナット部３５とが一体に回転自在である。なお、回転支持軸受２８をアンギュラ玉軸受としてもよい。この場合にも、回転支持軸受２８，２８の配置は、背面合わせ、正面合わせのどちらでもよい。

図７および図８（ａ）に示すように、回転固定部材４３は、ねじ軸３６を回り止めする。ねじ軸３６の後端であるインボード側端には、このねじ軸３６と同軸に出力ロッド４０が連結されている。出力ロッド４０は、ねじ軸３６のインボード側端を覆う有底略円筒状のねじ軸支持部材４０ａを有する。このねじ軸支持部材４０ａは、アクチュエータケース３４に対して、径方向に複数（この例では三つ）伸びる軸状の回転固定部材４３によって、ねじ軸３６と共に回り止めされている。これら回転固定部材４３は、放射状に延び且つ円周等配に配置される。各回転固定部材４３として例えばピン等が適用される。

各回転固定部材４３の外周にすべり軸受４６がそれぞれ嵌合されている。アクチュエータケース３４の内周面には、各すべり軸受４６を案内する軸方向に延びる案内溝３４ａがそれぞれ形成されている。よって回転固定部材４３を、すべり軸受４６を介してアクチュエータケース３４の案内溝３４ａに沿って摺動させることで、滑りねじのねじ軸３６を軸方向に往復運動させ得る。また回転固定部材４３をすべり軸受４６を介して摺動させるため、案内溝３４ａの摺動面の摩耗防止を行っている。すべり軸受４６は、銅合金または多孔質の焼結合金等の金属製の他、フッ素樹脂等の樹脂製のものも適用できる。

図２に示すように、ねじ軸３６の先端の直動出力部２５ａには、前記アーム部１７がジョイント部８を介して連結されている。ジョイント部８は、二本のピン４１，４２でアーム部１７および直動出力部２５ａにそれぞれ回転自在に連結されている。このため、ねじ軸３６の前後移動によって、ナックル６に対して、ハブユニット本体２（図１）の全体が補助転舵軸心Ａ（図１）を中心に回転し得る。

＜ハブユニット１に作用する力について＞
図２に示すように、車両の通常走行時の縁石への乗り上げ等、タイヤ９ｂまたはホイール９ａが路面上の障害物へ衝突した際、または過度な急旋回時に過大な衝撃力が作用する。特に、矢印Ｆの方向の荷重が作用した場合は、この力を台形ねじが支える必要がある。また、通常の走行時においても、旋回力または路面からの反力がハブユニット１に様々な方向から常用的に繰り返し入力される。

図２および図８に示すように、モータ２６の駆動力は、減速機２７を経由して、台形ねじの回転部材であるナット部３５に伝達される。ナット部３５が回転し、台形ねじの直動部であるねじ軸３６は回転固定部材４３で回転を抑えられているため直動運動を行う（図１０（ａ））。
また、タイヤからの反力が入力された場合、荷重はハブユニット本体２のアーム部１７からジョイント部８を経由して、ねじ軸３６に伝達され、ナット部３５との摩擦（図１０（ｂ））によって力の伝達を抑える。よって、直動機構２５の送りねじ機構３３には、高い耐久性と高い疲労強度を兼ね備えることが求められる。

＜表面硬化処理等について＞
そこで、台形ねじのねじ軸３６およびナット部３５のいずれか一方は、炭素０．３５％～０．５５％の鋼（Ｓ３５Ｃ材～Ｓ５５Ｃ材）の調質材から成り、他方は、炭素０．３５％～０．５５％の鋼（Ｓ３５Ｃ材～Ｓ５５Ｃ材）の調質材から成り、且つ前記他方の少なくともねじ面３８ａに表面硬化処理層Ｓｆが設けられている。各鋼の調質材の母材硬度はそれぞれＨＲＣ２０以上３０以下である。

この例では、ねじ軸３６、ナット部３５の材料を高炭素鋼であるＳ４５Ｃとし、それぞれ調質処理を行った調質材を用い、ねじ軸３６のねじ面３８ａに、窒化処理または塩浴軟窒化処理が施された層である表面硬化処理層Ｓｆが設けられている。この表面硬化処理層Ｓｆの表面硬度はＨｖ７００以上９００以下である。表面硬化処理層Ｓｆの硬化層深さは、台形ねじに加わる衝撃力および繰り返し荷重の大きさに応じて、必要とされる耐衝撃性および疲労強度に鑑み、適宜設定されることが望ましい。なお、ねじ面３８ａのみに表面硬化処理層Ｓｆが設けられてもよく、ねじ面Ｓｆを含むねじ軸３６全体に表面硬化処理層Ｓｆが設けられてもよい。

図９は、台形ねじのナット部とねじ軸の材料をＳ４５Ｃとし、それぞれ調質処理を行い、母材硬度の違いによる耐久性（繰り返し回数）について耐久試験を行った結果である。ねじ軸には全て塩浴軟窒化処理（表面硬度Ｈｖ８００）を施している。ねじ軸部に軸方向に負荷を与え、ナット部を規定の負荷トルクで回転させてねじ軸を軸方向に繰り返し往復運動させる。この時、台形ねじのねじ面に異常が生じたときの往復運動の回数（繰り返し回数）を、母材硬度毎にプロットした。ねじ面に異常が生じたか否かは目視、または負荷トルク値の増加の監視等により確認した。
この耐久試験結果によると、調質材の母材硬度がＨＲＣ２０以上３０以下の場合に、繰り返し回数が目標回数を上回った。前記目標回数は設計等によって任意に定められる。

図２に示すように、モータ２６、減速機２７および直動機構２５を備えたアクチュエータ本体７は、準組立品として組み立てられてケース６ｂにボルト等により着脱自在に取り付けられる。なおモータ２６の駆動力を、減速機を介さず直接直動機構２５へ伝達する機構も可能である。
ケース６ｂは、ユニット支持部材３の一部として、ユニット支持部材本体３Ａに一体に形成されている。ケース６ｂは、有底筒状に形成され、モータ２６を支持するモータ収容部と、直動機構２５を支持する直動機構収容部が設けられている。前記モータ収容部には、モータ２６をケース内所定位置に支持する嵌合孔が形成されている。前記直動機構収容部には、直動機構２５をケース内所定位置に支持する嵌合孔、および、直動出力部２５ａの進退を許す貫通孔等が形成されている。

図３に示すように、ユニット支持部材本体３Ａは、前記ケース６ｂ、ショックアブソーバの取り付け部となるショックアブソーバ取り付け部６ｃ、およびステアリング装置１１（図２）の結合部となるステアリング装置結合部６ｄを有する。これらショックアブソーバ取り付け部６ｃおよびステアリング装置結合部６ｄも、ユニット支持部材本体３Ａに一体に形成されている。ユニット支持部材本体３Ａの外表面部における上部に、ショックアブソーバ取り付け部６ｃが突出するように形成されている。ユニット支持部材本体３Ａの外表面部における側面部には、ステアリング装置結合部６ｄが突出するように形成されている。

＜作用効果＞
以上説明した操舵機能付ハブユニット１によれば、車輪９を支持するハブベアリング１５を含むハブユニット本体２を、アクチュエータ本体７の駆動により、転舵軸心Ａ回りに自由に回転させることができる。この回転は、運転者のハンドル操作による操舵に付加して、すなわちステアリング装置１１によるキングピン軸回りのナックル６の回転に付加して、補助的な操舵として行われ、また１輪の独立操舵が行える。左右の車輪９，９の補助操舵の角度を異ならせることで、左右の車輪９，９間のトー角を任意に変更することができる。

そのため、操舵機能付ハブユニット１を前輪等の操舵輪および後輪等の非操舵輪のいずれに用いてもよい。操舵輪に用いる場合は、ステアリング装置１１により方向が変化させられる部材に設置されることにより、運転者のハンドル操作による操舵に付加して、左右の車輪個別の、または左右輪に連動した車輪９の微小な角度変化を行わせる機構となる。補助操舵の角度については、車両の運動性能の向上、走行の安定・安全性向上を図るにつき、僅かな角度で足り、補助操舵可能角度が±５度以下であっても十分に足りる。補助操舵の角度は操舵用アクチュエータ５の制御により行う。

また、旋回走行時に、走行速度に応じて左右輪の舵角差を変えることができる。例えば高速域の旋回走行においてはパラレルジオメトリとし、低速域の旋回走行においてはアッカーマンジオメトリとするなど、走行中にステアリングジオメトリを変化させることができる。このように走行中に車輪角度を任意に変更することができるため、車両の運動性能を向上させ、安定・安全に走行することが可能となる。旋回走行時における左右の操舵輪の操舵角度を適切に変えることで、車両の旋回半径を小さくし、小回り性能を向上させることもできる。
さらに直線走行時にも、それぞれの場面に合わせてトー角の量を調整することで、低速時には走行抵抗を下げ燃費を悪化させることなく、高速時には走行安定性を確保するなど調整が可能である。

操舵機能付ハブユニット１を後輪９Ｒである非操舵輪に適用した場合は、旋回走行時に、舵角を前輪９Ｆと同じ位相にすると、操舵時に発生するヨーを抑え、車両の安定性を高めることができる。直線走行時にも左右独立でトー角を調整することで、走行安定性を確保することができる。
このように車輪の角度を変化させることで、車両の挙動を制御するためには、正確に車輪角度を制御する必要があり、車輪内の限られたスペースに配置できるように小型化しつつ、ハブユニット全体の剛性をより高めることが必要である。しかし、小型化することによって、転舵軸心Ａからのジョイント部の取り付けまでの距離が短くなり、路面から衝撃的に大きな外力が作用した場合に、逆入力を防止する台形ねじの負荷が増大する。
また、通常の走行時においても、路面からの反力または旋回力が台形ねじに常用的に繰り返し入力されるため、台形ねじに異常が生じる懸念がある。

そこで、この構成では、特に、台形ねじのねじ軸３６およびナット部３５のいずれか一方は、炭素０．３５％～０．５５％の鋼の調質材から成り、他方は、炭素０．３５％～０．５５％の鋼の調質材から成り、且つ前記他方の少なくともねじ面３８ａに表面硬化処理層Ｓｆが設けられている。このため、送りねじ機構３３を大型化することなくねじ面３８ａの硬さを上げ耐摩耗性の向上を図ることができる。またねじ面３８ａを表面硬化することで、疲労亀裂の発生点である表面の強度上昇による他、表面に大きな圧縮残留応力が生じるため、疲労強度の向上を図れる。よって、路面からの衝撃的な外力に対する高い耐衝撃性と、路面から繰り返し入力される反力に対する高い疲労強度とを兼ね備えることを可能とした。
したがって、操舵機能付ハブユニット１の小型化を図って操舵機能付ハブユニット１の一部を車輪内の限られたスペースに収容することが可能となり、また直動機構２５の送りねじ機構３３の耐久性、強度および信頼性を確保することができる。

表面硬化処理層Ｓｆは、前記ねじ面３８ａに窒化処理または塩浴軟窒化処理が施された層であるため、ねじ面３８ａの表層硬さによって窒化品の耐摩耗性が向上する。また窒化品は、表面高周波焼入れ品等と比べて処理温度が低いため、熱膨張量の絶対値が小さく、鋼の変態をともなわないだけ変形量が小さい。したがって、ねじ面３８ａの寸法精度を高精度に保つことが可能となる。また表面硬化処理層Ｓｆの表面硬度がＨｖ７００以上９００以下であるため、相手材との間に適切な硬度差を与えて耐久性の向上を確実に図ることができる。

回転許容支持部品４が車輪９のホイール９ａ内に位置するため、転舵軸心Ａと車輪９の接地面中心部との距離を短縮または零にすることができる。これにより、ハブユニット本体２を回転駆動させる力を過剰に必要とせず、操舵用アクチュエータ５の小型化を図ることが可能となる。したがって、ハブユニット全体の重量を確実に低減することができる。

＜他の実施形態について＞
以下の説明においては、各実施の形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。

表面硬化処理層Ｓｆは、前記ねじ面３８ａに無電解ニッケルメッキが施された層であってもよい。この場合、ねじ面３８ａに無電解ニッケルメッキの膜厚が均一につくため、ねじ面３８ａの寸法精度を高精度に保つことが可能となる。
表面硬化処理層Ｓｆは、前記ねじ面３８ａにリン酸塩被膜が施された層であってもよい。この場合、素材自身の反応によって被膜を形成することができるため、ねじ面３８ａの寸法精度を高精度に保つことが可能となる。またこのリン酸塩被膜によりねじ面３８ａの潤滑性が向上する。
ねじ軸３６およびナット部３５の両方に、表面硬化処理層Ｓｆが設けられてもよい。

＜非操舵輪への適用について＞
操舵機能付ハブユニット１は、非操舵輪に対して用いてもよい。例えば、図１２に示すように、前輪操舵の車両において、後輪９Ｒを支持する懸架装置１２Ｒの車輪用軸受設置部となる足回りフレーム部品６Ｒに設定し、後輪操舵に用いてもよい。
その他図１３に示すように、操舵機能付ハブユニット１を、操舵輪である左右の前輪９Ｆ，９Ｆおよび非操舵輪である左右の後輪９Ｒ，９Ｒにそれぞれ用いてもよい。

＜操舵システムについて＞
図３に示すように、この操舵システムは、いずれかの実施形態に係る操舵機能付ハブユニット１と、この操舵機能付ハブユニット１の操舵用アクチュエータ５を制御する制御装置２９とを備える。制御装置２９は、操舵制御部３０と、アクチュエータ駆動制御部３１とを有する。操舵制御部３０は、上位制御部３２から与えられた補助操舵角指令信号（操舵角指令信号）に応じた電流指令信号を出力する。

上位制御部３２は操舵制御部３０の上位の制御手段であり、この上位制御部３２として、例えば、車両全般を制御する電気制御ユニット（Vehicle Control Unit,略称ＶＣＵ）が適用される。アクチュエータ駆動制御部３１は、操舵制御部３０から入力された電流指令信号に応じた電流を出力して操舵用アクチュエータ５を駆動制御する。アクチュエータ駆動制御部３１は、モータ２６のコイルに供給する電力を制御する。このアクチュエータ駆動制御部３１は、例えば、図示外のスイッチ素子を用いたハーフブリッジ回路を構成し、前記スイッチ素子のＯＮ－ＯＦＦデューティ比によりモータ印加電圧を決定するＰＷＭ制御を行う。これにより、運転者のハンドル操作による操舵に付加して、車輪を微小に角度変化することができる。直線走行時にも、それぞれの場面に合わせてトー角の量を調整し得る。

操舵システムは、運転者のハンドル操作に代えて、図示外の自動運転装置、運転支援装置の指令等によって操舵用アクチュエータ５，５を動作させてもよい。
以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…操舵機能付ハブユニット、２…ハブユニット本体、３…ユニット支持部材、５…操舵用アクチュエータ、６…ナックル（足回りフレーム部品）、９…車輪、１０…車両、１２，１２Ｒ…懸架装置、１５…ハブベアリング、２５…直動機構、２６…モータ（回転駆動源）、３３…送りねじ機構、３５…ナット部、３６…ねじ軸、３８ａ…ねじ面、Ｓｆ…表面硬化処理層

Claims (8)

1. 車輪を支持するハブベアリングを有するハブユニット本体と、
   懸架装置の足回りフレーム部品に設けられ、前記ハブユニット本体を上下方向に延びる転舵軸心回りに回転自在に支持するユニット支持部材と、
   前記ハブユニット本体を前記転舵軸心回りに回転駆動させる操舵用アクチュエータと、を備え、
   前記操舵用アクチュエータは、回転駆動源と、この回転駆動源の回転出力を直進運動に変換する直動機構とを有し、この直動機構は、ナット部およびねじ軸を含む滑りねじ式の送りねじ機構を有し、前記回転駆動源の回転軸と前記ねじ軸とが、間隔を隔てて平行に配置され、前記回転駆動源および前記直動機構を含むアクチュエータ本体は、準組立品であり、且つ、前記ユニット支持部材の一部であるケースのインボード側に着脱自在に取り付けられ、前記ナット部およびねじ軸のいずれか一方または両方の少なくともねじ面に、表面硬化処理層が設けられている操舵機能付ハブユニット。
2. 請求項１に記載の操舵機能付ハブユニットにおいて、前記ナット部およびねじ軸は炭素０．３５％～０．５５％の鋼の調質材から成る操舵機能付ハブユニット。
3. 請求項２に記載の操舵機能付ハブユニットにおいて、前記鋼の調質材の母材硬度がＨＲＣ２０～３０である操舵機能付ハブユニット。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の操舵機能付ハブユニットにおいて、前記表面硬化処理層は、前記ねじ面に窒化処理または塩浴軟窒化処理が施された層である操舵機能付ハブユニット。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の操舵機能付ハブユニットにおいて、前記表面硬化処理層は、前記ねじ面に無電解ニッケルメッキが施された層である操舵機能付ハブユニット。
6. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の操舵機能付ハブユニットにおいて、前記表面硬化処理層は、前記ねじ面にリン酸塩被膜が施された層である操舵機能付ハブユニット。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の操舵機能付ハブユニットにおいて、前記表面硬化処理層の表面硬度がＨｖ７００～９００である操舵機能付ハブユニット。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の操舵機能付ハブユニットを用いて前輪および後輪のいずれか一方または両方が支持された車両。

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