JP2006150994A - 差動歯車装置を用いた可変操舵角機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 差動歯車装置の操舵角増加減軸が回転不能になった場合のギア比を１：１とし、低速で旋回半径が小さいときのハンドル操作を容易にする。
【解決手段】 差動歯車装置１０の第１の軸１１を入力軸とし、第２の軸１３を出力軸とし、差動歯車ケース２０をモータで制御する操舵角増減軸とし、出力軸が入力軸と逆方向に回転するので、ラック・ピニオン機構をラックがピニオンの上あるものを使用する。従来は、第２の軸を操舵角増減軸とし差動歯車ケースを出力軸としているので、操舵角増減軸が回転不能になった場合入出力軸の回転角は１：０．５となり、低速で旋回半径が小さいとき大きな角度のハンドル操作を必要とするが、本発明は、差動歯車ケース２０を操舵角増減軸としているので、操舵角増加減軸が回転不能になった場合入出力軸の回転角は１：１となり、低速で旋回半径が小さいとき大きな角度のハンドル操作を必要としない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、作動歯車装置を用いた可変操舵角機構を備えた自動車のステアリング装置に関し、差動歯車装置の舵角増加減軸が回転しなくなった場合でもノーマルのステアリング装置と同じ感覚で操舵でき、運転者に違和感を与えることなく安全性を向上するようにした差動歯車装置を用いた可変操舵角機構に関する。

自動車の走行モードによりハンドルの回転角と操舵車輪の角度の比を変える可変操舵角機構を備えるステアリング装置が各種開発されている。図６に示すように、従来の可変操舵角機構の差動歯車装置１０１は、第１の軸１０２をハンドルからの入力軸とし、第２の軸１０３を舵角増加減軸、差動歯車ケース１０４を出力軸とし、舵角増加減軸である第２の軸１０３にウォームホイール１０６を設け、モータによりウォームギア１０５を介してウォームホイール１０６を回転させ、出力軸である差動歯車ケース１０４に設けられたギア部１０７によりラックシャフト１０８を駆動するように構成されている。上記舵角軸１０３を回動させるモータを走行モード信号により制御することにより差動歯車装置１０１のギア比を変え、操舵車輪の操舵角を増加減制御している（例えば、特許文献１参照。）。
実開昭６４−６１７７号公報

上記従来の可変操舵角機構は、差動歯車装置のギア比を変えるためのモータが故障で停止したり制御不能等の不具合により、舵角増加減軸である第２の軸が回転しなくなった場合、差動歯車ケースである出力軸は、第１の軸と第２の軸の平均速度となるため、第１の軸である入力軸の操舵角度に対して半分しか回転しない。そのため、第２の軸が停止した場合、低速で旋回半径を小さくしてターンしたい時は、運転者は非常に大きな角度のハンドル操作をすることになる。また、出力軸である差動歯車ケースの回転は第１の軸である入力軸と第２の軸である舵角増加減軸の回転平均速度となるため、車庫入れ等の極低速旋回では、第２の軸である舵角増加減軸に設けたモータは非常に早い回転速度を要求される。また、歯車を使った可変操舵角機構には、歯車のバックラッシュがあることから、中立や切返しで大きな遊びがあり、操舵フィーリングが劣るという不具合がある。

本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、モータの故障などにより差動歯車装置の舵角増加減軸が回転しなくなった場合でも普通のステアリング装置と同じに操舵を容易となし得る差動歯車装置を用いた可変操舵角機構を提供することを目的とする。

本発明は、ステアリング装置に設けたギア比可変部に４つの笠歯車を有する差動歯車装置を用いた可変操舵角機構において、差動歯車装置の第１の軸を入力軸とし、この入力軸と同じ軸線上に設けた第２の軸を出力軸とし、この軸線回りに回動する差動歯車ケースをモータで制御される舵角増加減軸としたことを特徴とするものである。この発明によれば、第２の軸を出力軸としているので、モータの故障などで舵角増加減軸である差動歯車ケースが回転しなくなった場合、第１の軸と第２の軸は１：１で回転する。このため従来差動歯車ケースを出力軸とした場合のように、出力軸が入力軸の半分しか回動しなくなるということがなくなり、運転者に違和感を与えることなく安全性が向上する。

また、請求項２に係る発明は、前記差動歯車ケースには、前記入力軸の軸線に直交する軸線回りに２つの笠歯車が回動可能に支持されており、この差動歯車ケースに一方の笠歯車の軸線方向位置を調節する調節手段と、一方の笠歯車を他方の笠歯車の方向に付勢する付勢手段の少なくとも一方を設けたことを特徴とするものである。この発明によれば、差動歯車ケースの入力軸の軸線に直交する笠歯車のうちの一方の笠歯車が調節手段と付勢手段のすくなくとも一方により、軸方向に移動してバックラッシュを調節することができるので、差動歯車のバックラッシュがなくなり、操舵フィーリングが良くなる。

本発明は、差動歯車装置の第２の軸を出力軸としているので、舵角増加減軸である差動歯車ケースの回転が停止した場合でも、入出力軸は１：１の速度比で回転する。そのため、低速で旋回半径を小さくしてターンする時でも運転者は通常のステアリング装置と同じ感覚でハンドル操作をすることができる。また、車庫入れ等の低速旋回でハンドルを早く回す時でもモータが非常に早い回転速度を要求されることもない。

また、差動歯車装置の差動歯車にはバックラッシュ調節の手段が設けられているため、常に差動歯車の噛合はガタのない状態に保たれる。そのため、中立や切り返しでの遊びを違和感のないレベルにできるとともに滑らかに回転するので、操舵フィーリングの向上が図れる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に、自動車のステアリング装置に用いられる可変操舵角機構の差動歯車装置の構成を示す。差動歯車装置１０の笠歯車１２、１４、１６、１７には、ねじれ笠歯車（スパイラルベベルギア）を使用している。そしてねじれ笠歯車１２を有する第１の軸１１を入力軸としてハンドル２側に接続され、この第１の軸１１と同じ軸線上に設けたねじれ笠歯車１４を有する第２の軸１３を出力軸としてラック・ピニオン装置側に接続し、第１の軸１１の軸線に直交する軸線回りに回動して前記ねじれ笠歯車１２、１４と噛合するねじれ笠歯車１６、１７を備えた差動歯車ケース２０を操舵角増減軸としている。また、入力軸１１と出力軸１３との間には、ねじれ笠歯車１２、１４を所定位置に保つためのスラスト軸１５が設けられている。なお、入力軸１１とスラスト軸１５との間にはスラスト軸受１９が設けられている。

また、操舵角増減軸である差動歯車ケース２０には、ウォームホイール１８とこのウォームホイールを回転させるためのウォームギア１９が設けられており、ウォームギア１９はモータが接続されている。差動歯車ケース２０は差動歯車装置のハウジング４１に軸受４５を介して第１の軸１１と同じ軸線回りに回動可能に支持されている。なお、ハウジング４１は左右のハウジング４２、４３とこれを一体に結合するねじ４４で構成されている。また、入力軸１１及び出力軸１３は差動歯車ケース２０に軸受２９で支持されている。

上記差動歯車ケース２０は、中央に第１の軸１１及び第２の軸１３を回動可能に支持する孔を備えた円形の側壁部２２、２３と、この側壁部２２、２３を連結する１対の連結部３１、３４とから構成され、この連結部３１、３４は外周面が円弧に形成されるとともに、内周面が互いに平行に対向する平面に形成されており、この平面に直交してギア支持軸２４、２５を内方に向けて突設している。

ギア支持軸２４、２５は、先端部に抜け止め用のフランジ２４ａ、２５ａを有し、ギア支持軸２４、２５に軸受２６ａ、２６ｂ、２６ｃを介してねじれ笠歯車１６、１７が回転可能に支持されている。ねじれ笠歯車１６、１７を支持しているギア支持軸２４、２５は、連結部３１、３４の取付け孔３１ａ、３４ａに挿入され、ピン２８で固定されている。なお、連結部３１、３４と軸受２６ｃ、２６ｃとの間にはシム部材として環状のプレート３２が設けられている。

図２に、差動歯車ケースの歯車支持構造の他の例を示す。差動歯車ケース２０の一方のねじれ笠歯車１６は、上記図１の場合と同様にギア支持軸２４により支持されている。他方のねじれ笠歯車１７を支持するギア支持軸２５’は、その基端部２５ｂが少し細く形成されている。ギア支持軸２５’に軸受２６ａ、２６ｂ、２６ｃを介してねじれ笠歯車１７が取り付けた後、その少し細く形成されている基端部２５ｂにばね材からなる弾性を有する環状のプレート３５とねじれ笠歯車１７の軸方向位置調整するための筒状の調整ねじ３６を嵌合して、ギア支持軸２５’と調整ねじ３６をピン３８で一体に固定する。連結部３４には筒状の調整ねじ３６が螺合可能なねじ孔３７が設けられている。

まず、上記ねじれ笠歯車１７とプレート３５が取り付けられているギア支持軸２５’を、筒状部２１の内側からその調整ねじ３６をギア支持軸取付け部３４のねじ孔３７にねじ込み、プレート３５がギア支持軸取付け部３４の内面に当接する状態に取付ける。このねじれ笠歯車１６、１７が取り付けられた連結部３１、３４の両側にねじれ笠歯車１２、１４及びスラスト軸１５を取り付けた側壁部２２、２３をねじ２７で取付けて差動歯車ケース２０を組み立てる。

次いで、差動歯車ケース２０の外側から筒状の調整ねじ３６をねじ孔３７にねじ込んでギア支持軸２５’を差動歯車ケース２０中心方向に移動させてねじれ笠歯車１２、１４とねじれ笠歯車１７との間のクリアランスを調整し、ロックナット３９で筒状の調整ねじ３１の緩み止めをしてギア支持軸２５’をギア支持軸取付け部３４に固定する。このねじれ笠歯車のクリアランス調整時にプレート３６は皿状に変形され皿ばねとして機能し、ねじれ笠歯車１７を差動歯車ケース２０中心方向に付勢し押圧するので、ねじれ笠歯車１２、１４とねじれ笠歯車１６、１７は常にガタのない状態に保たれる。（この場合、差動歯車装置１０の上部構造は図１と異なるものとなる。）。

図３に可変操舵角機構全体の概略構成を示す。可変操舵角機構１は、差動歯車装置１０の入力軸１１にハンドル２が接続され、出力軸１３に操舵車輪を操舵するためのラック・ピニオン装置５１のピニオン５２に接続され、差動歯車ケース２０のウォームギア１９に操舵角増減用のモータＭが接続された構成となっている。出力軸１３は入力軸１１と逆に回転するのでラック・ピニオン装置５１は、出力軸１３の回転方向と車輪３の操舵方向が逆方向となるように、ラック５３とピニオン５２が噛合している。

次に、上記可変操舵角機構の動作について説明する。ハンドル２を回すと、モータＭは走行条件に応じた回転角指令により回転され、差動歯車ケース２０の回転制御によって差動歯車装置１０のギア比が可変制御され、出力軸１３に接続されているラック・ピニオン装置５１を介して操舵車輪３が走行条件に応じた差動歯車装置１０のギア比で操舵される。この場合、差動歯車装置１０の第２の軸を出力軸１３としているため、入力軸１１と出力軸１３の回転方向が逆方向となるが、ステアリング装置のリンク機構に合わせてラック・ピニオン装置５１のラック５３とピニオン５２の噛み合いを上下変更して用いているので、図４（Ａ）に示すようにハンドルの転舵方向と操舵車輪の操舵方向が一致する。このラック・ピニオン装置５１のラック５３とピニオン５２の噛み合いを上下変更する代わりに、ラック５３の軸方向変位を操舵角に変えるナックルアーム４の接続を、図４（Ｂ）に示すように変更してハンドルの転舵方向と操舵車輪の操舵方向を一致させてもよい。なお、図４（Ｃ）は従来のステアリング装置の一例を示し、入力軸と出力軸の回転方向が一致しており、この場合ラック５３がピニオン５２の下に位置するラック・ピニオン装置５１ｂを用いている。

可変操舵角機構１の操舵角は差動歯車装置１０によりアシストするようにしてあり、中速域、低速域、高速域で操舵アシスト角がそれぞれ異なるように設定され、中速域ではモータの回転は停止し、操舵アシスト角は無しとなる。実施例では、中速域での入力軸１１と出力軸１３の回転角比は１：１の伝達、高速域は１．２：１．０の伝達、低速域は０．３：１．０の伝達となる。尚、３段階ではなく、車両速度により細かく伝達比を変更するようにしてもよい。

図５（Ａ）に、中速、低速、高速の各位置及びモータＭが停止した場合におけるハンドル回転角とタイヤ切れ角の関係を示し、同図（Ｂ）に、中速、低速、高速及びモータが停止した場合の入力軸の回転角と出力軸の回転角との関係を示す。また、表１に本発明の実施の形態において、中速、低速、高速及びモータ停止時に入力軸を１８０度回転させたときの、出力軸、ケース（操舵角増減軸）の回転角度を示し、表２に、従来例の構造において，中速、低速、高速時に入力軸を１８０度回転させた場合に、表１と同じ出力軸の回転角を得るために必要な第２の軸（操舵角増減軸）の回転角度を示す。

従来の差動歯車装置は差動歯車ケースを出力軸としているので、表２に示すように、入力軸と出力軸の回転角は１：０．５の伝達比で回転するのに対し、本発明の実施の形態では差動歯車装置１０の第２の軸を出力軸１３としているので、モータＭの故障等で差動歯車ケース１０が停止しても、図５（Ｂ）のように、入力軸と出力軸の回転角は１：１となる。そのため、モータＭが故障等で停止したり制御不能等の不具合となった場合、低速で旋回半径が小さい時でも運転者が非常に大きな角度のハンドル操作をする必要がない（図５（Ａ）のａ、ｂ参照）。また、車庫入れ等の低速で小さく旋回する時にモータが非常に早い回転速度を要求されることもない（表１の低速時のケースと表２の低速時の第２の軸の回転角参照）。

なお、従来の差動歯車装置において、モータの故障等で第２の軸１０３が停止した場合の入力軸と出力軸の回転角を１：１にするため、別に出力軸の回転を２倍にする増速歯車装置を用いることが考えられるが、部品点数の増加やガタが大きくなるなどの不具合が予想される。また、この場合でも、表３に示すように、表１と同じ出力軸の回転角を得るために必要な第２の軸（操舵角増減軸）の回転角は、高速と低速において２倍になる。可変操舵角機構においては、ハンドルの操作を早くすると、操舵角増減軸も早く回転させる必要がある。表３の構造では、ハンドルの操作速度に対し、第２の軸を２倍以上の速度で回転させる必要があるのに対して、本発明では、ハンドルの操作速度より少し早い程度でケースを回動すればよいため、追従性の面で有利となる。

また、差動歯車装置１０の笠歯車１２、１４、１６、１７はねじれ笠歯車としてあり、図２の場合、付勢手段として差動歯車ケースのねじれ笠歯車１７をプレート３６の弾性で常に第１、第２の軸のねじれ笠歯車１２、１４との間のガタがない状態に保たれているので、中立や切り返しでの遊びを違和感のないレベルにできる。また、ねじれ笠歯車１７を軸方向へ移動調節する調節手段のみでバックラッシュュを調節するようにしてもよく、また、付勢手段だけとしてもよい。

上記では、差動歯車装置１０の歯車にねじれ笠歯車を用いているが、これに限定されるものではなくバックラッシュュの小さな歯車であればよい。また、歯車のバックラッシュュ調節をプレート３５と調整用の筒状ねじ３６を用いて行っているが、これに限定されるものではない。

（Ａ）は本発明の実施例に係る可変操舵角機構の差動歯車装置の構成を示す縦断面図、（Ｂ）は差動歯車装置の要部の構造を示す横断面図。 差動歯車装置の要部の他の構造例を示す横断面図。 可変操舵角機構の概略構成説明図。 （Ａ）は本発明の実施例に係る可変操舵角機構の各部動作方向説明図、（Ｂ）は本発明の他の実施例に係る可変操舵角機構の各部動作方向説明図、（Ｃ）は従来操舵装置の各部動作方向説明図。 （Ａ）各運転モードにおけるハンドル回転角とタイヤ切れ角の関係を示すグラフ、（Ｂ）各運転モードにおける入力軸の回転角と出力軸の回転角との関係を示すグラフ。 従来例に係る可変操舵角機構の差動歯車装置の構成を示す断面図。

符号の説明

、
１…可変操舵角機構、 １０…差動歯車装置、 １１…第１の軸、入力軸、 １２…ねじれ笠歯車、 １３…第２の軸、出力軸、 １４、１６、１７…ねじれ笠歯車、 ２０…差動歯車ケース、操舵角増減軸、 ２４、２５、２５’…ギア支持軸、 ３１、３４…連結部、 ３５…弾性を有するプレート、 ３６…筒状の調整ねじ、 ４１…ハウジング。

Claims (3)

1. ステアリング装置に設けたギア比可変部に４つの笠歯車を有する差動歯車装置を用いた可変操舵角機構において、
   差動歯車装置の第１の軸を入力軸とし、この入力軸と同じ軸線上に設けた第２の軸を出力軸とし、この軸線回りに回動する差動歯車ケースをモータで制御される舵角増加減軸としたことを特徴とする差動歯車装置を用いた可変操舵角機構。
2. 前記差動歯車ケースには、前記入力軸の軸線に直交する軸線回りに２つの笠歯車が回動可能に支持されており、この差動歯車ケースに一方の笠歯車の軸線方向位置を調節する調節手段と、一方の笠歯車を他方の笠歯車の方向に付勢する付勢手段の少なくとも一方を設けたことを特徴とする請求項１に記載の差動歯車装置を用いた可変操舵角機構。
3. 前記出力軸はラック・ピニオン装置のピニオンに接続されるとともにこのラック・ピニオン装置のラックが車輪に接続されており、このラック・ピニオン装置は出力軸の回転方向と車輪の操舵方向が逆方向となるようにラックとピニオンが噛合していることを特徴とする請求項１または２に記載の差動歯車装置を用いた可変操舵角機構。
   

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