JP2010209977A - 揺動型歯車装置、伝達比可変機構、および車両用操舵装置 - Google Patents
揺動型歯車装置、伝達比可変機構、および車両用操舵装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】本揺動型歯車装置78は、第1の軸線Z1の回りに回転可能な第1の歯車211と、第1の軸線Z1に対して傾斜した状態で揺動する第2の軸線Z2の回りに回転可能な第2の歯車212とを有する。第1の歯車211の複数のピン77が、第2の歯車212の複数の歯溝80に、ピン77の長手方向X5に関して所定長さX2の係合領域771,803で係合する。ピン77の中心軸線J1は、係合領域771,803とはピン77の径方向R5に対向する対向領域J11を含む。対向領域J11内の任意の点P2と第1の軸線Z1との距離rCO、任意の点P2と第2の軸線Z2との距離rFO、第1の歯車211のピン77の数ZC 、および第2の歯車212の歯溝80の数ZF とするときに、式(1) :rCO/rFO=ZC /ZF が成立する。
【選択図】図8
Description
揺動型歯車装置は、互いに対向する第1および第4の歯車と、第1および第4の歯車の間に配置され第1および第4の歯車に対して傾斜した揺動歯車とを有している。揺動歯車は、第1の歯車に噛み合う第2の歯車と、第4の歯車に噛み合う第3の歯車とを有する。より具体的には、第1の歯車と第2の歯車との噛み合いは、第1の歯車に設けられたピンと、第2の歯車に設けられた歯溝との噛み合いとされている。
そこで、本発明の目的は、振動および騒音の発生を抑制できる揺動型歯車装置、伝達比可変機構、および車両用操舵装置を提供することである。
そこで、本願発明者は、ピンの上述の揺動運動の量を抑制できるように、一対の歯車の諸元を最適化することを通じて、振動および騒音の発生を抑制することに想到した。これにより、本願発明を完成するに至ったものである。
第3の発明の伝達比可変機構(5)は、本発明の揺動型歯車装置を用いた伝達比可変機構であって、上記一対の軸心固定歯車の一方(211)が設けられた入力部材(20)と、上記一対の軸心固定歯車の他方(214)が設けられた出力部材(22)と、上記軸心揺動歯車が設けられ上記入力部材および出力部材の差動回転を許容する中間部材(391)と、上記中間部材を駆動するための電動モータ(23)と、を備え、上記入力部材から上記出力部材への伝達比を可変することを特徴とする(請求項3)。
なお、上記括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素の参照符号を示すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。
なお、式(1) の距離rCOは、実測値であってもよいし、実測値または目標値を用いて計算により求めた計算値であってもよい。距離rFOも同様である。これらの距離rCOと距離rFOとから、式(1) の左辺のr比(r比=rCO/rFO)を算出し、算出したr比が歯数比と一致すればよい。このときに、式(1) が成立するといえる。
ARF=ARC×cos λ−rCO×sin λ ……(2)
rFO=rCO×cos λ−ARC×sin λ ……(3)
揺動型歯車装置の諸元(目標値または測定値)として、角度λ、距離rCO、および距離ARF(または距離ARC)が与えられることがある。このときには、式(2) ,(3) と、与えられた諸元、すなわち、角度λ,距離rCO,距離ARF(または距離ARC)とを用いて、距離rFOを求めることができ、さらに、式(1) の左辺のr比を求めることができる。
第3の発明によれば、電動モータが中間部材を駆動することにより、入力部材の回転角に対する出力部材の回転角の比を変更することができる。
第4の発明によれば、伝達比を可変可能とすることにより、車両の走行状態等に応じて、操舵部材の操舵に対する転舵輪の転舵角を最適にできる。例えば、車庫入れ動作を行うとき等の、車両の停止時または低速走行時には、伝達比を大きくすることで、操舵量に対して転舵輪の転舵量を大きくすることができ、操舵部材の操作量を少なくできる。また、車両が雪道等を走行しているときには、カウンタステア操作を伝達比可変機構で自動的に行ういわゆるアクティブ操舵が可能となる。
図1は、本発明の一実施形態にかかる揺動型歯車装置が適用された車両用操舵装置の概略構成の模式図である。図1を参照して、車両用操舵装置1は、ステアリングホイール等の操舵部材2に付与された操舵トルクを、操舵軸としてのステアリングシャフト3等を介して左右の転舵輪4L,4Rのそれぞれに与えて転舵を行うものである。車両用操舵装置1は、操舵部材2の操舵角θ1に対する転舵輪の転舵角θ2の比としての伝達比θ2/θ1を変更することのできるVGR(Variable Gear Ratio )機能を有している。
第1の軸11の一端に、操舵部材2が同行回転可能に連結されている。第1の軸11の他端と第2の軸12の一端とは、伝達比可変機構5を介して差動回転可能に連結されている。第2の軸12と第3の軸13とは、トーションバー14を介して所定の範囲内で弾性的に相対回転可能、且つ動力伝達可能に連結されている。
転舵機構10は、自在継手9に連なるピニオン軸15と、ピニオン軸15の先端のピニオン15aに噛み合うラック16aを有し車両の左右方向に延びる転舵軸としてのラック軸16とを有している。ラック軸16の一対の端部のそれぞれにタイロッド17L,17Rを介してナックルアーム18L,18Rが連結されている。
入力部材20は、当該入力部材20の中心軸線の周りに回転可能に支持されている。出力部材22は、当該出力部材22の中心軸線の周りに回転可能に支持されている。入力部材20の中心軸線と、出力部材22の中心軸線とは、第1の軸線Z1に一致している。
転動体393としては、玉以外にも、円筒ころ、針状ころ、円錐ころを用いることができる。また、転動体393は、単列に配置されていてもよいし、複列に配置されていてもよい。複列にすると、外輪392に対する内輪391の倒れを防止するのに好適である。複列のものとして、複列アンギュラ軸受を例示できる。
伝達比可変機構用モータ23は、例えばブラシレスモータからなり、軌道輪ユニット39の外輪392を保持するロータ231と、このロータ231を取り囲むとともにステアリングコラムとしてのハウジング24に固定されたステータ232とを含んでいる。ロータ231は、第1の軸線Z1の回りを回転するようになっている。
減速機構26は、例えばウォームギヤ機構からなる。減速機構26は、操舵補助用モータ25の出力軸25aに連結された駆動歯車としてのウォーム軸27と、ウォーム軸27と噛み合い且つ第3の軸13に同行回転可能に連結された従動歯車としてのウォームホイール28とを含んでいる。なお、減速機構26は、ウォームギヤ機構に限らず、平行軸歯車機構等の他の歯車機構を用いてもよい。上述の平行軸歯車機構は、例えば、互いに噛み合う一対の平歯車を含んでおり、平歯車に代えてはすば歯車を用いてもよい。
伝達比可変機構用モータ23および操舵補助用モータ25の駆動は、それぞれ、CPU、RAMおよびROMを含む制御部29によって制御される。制御部29は、駆動回路40を介して伝達比可変機構用モータ23と接続されているとともに、駆動回路41を介して操舵補助用モータ25と接続されている。
操舵角センサ42から制御部29へは、操舵部材2の直進位置からの操作量である操舵角θ1に対応する値として、第1の軸11の回転角についての信号が入力される。
トルクセンサ44から制御部29へは、操舵部材2に作用する操舵トルクTに対応する値として、第2および第3の軸12,13間に作用するトルクについての信号が入力される。
車速センサ46から制御部29へは、車速Vについての信号が入力される。
ヨーレートセンサ47から制御部29へは、車両のヨーレートγについての信号が入力される。
上述の構成により、伝達比可変機構5の出力は、操舵補助力付与機構19を介して転舵機構10に伝達される。より具体的には、操舵部材2に入力された操舵トルクは、第1の軸11を介して伝達比可変機構5の入力部材20に入力され、出力部材22から操舵補助力付与機構19の第2の軸12に伝達される。
図2は、図1の要部のより具体的な構成を示す断面図である。図2を参照して、ハウジング24は、例えば、アルミニウム合金等の金属を筒状に形成してなるものであり、第1のハウジング51、第2のハウジング52、および第3のハウジング53を含んでいる。ハウジング24内には、第1の軸受31、第2の軸受32、第3の軸受33、第4の軸受34、第5の軸受35、第6の軸受36、および第7の軸受37(簡略化して図示)が収容されている。例えば、第1〜第7の軸受31〜37のそれぞれは、転がり軸受である。より具体的には、第1〜第5の軸受31〜35および第7の軸受37は、それぞれ、アンギュラ玉軸受である。第6の軸受36は、針状ころ軸受である。
第3のハウジング53は、筒状をなしており、減速機構26を収容する減速機構ハウジングを構成している。第3のハウジング53の他端には端壁部61が設けられている。端壁部61は環状をなしている。端壁部61により、第3のハウジング53の他端が塞がれている。
入力部材20と内輪391とは、互いに噛み合う第1の歯車211および第2の歯車212により、動力伝達可能に互いに連結されている。内輪391と出力部材22とは、互いに噛み合う第3の歯車213および第4の歯車214により、動力伝達可能に互いに連結されている。
また、入力部材20は、入力部材本体201の径方向内方に配置され入力部材本体201と同行回転可能な筒状部材202を有している。入力部材本体201および筒状部材202は、単一の材料を用いて一体に形成されている。
出力部材22は、第4の歯車214を有している。第4の歯車214は、歯車本体としての出力部材本体221と、出力部材本体221に保持される複数のピン87と、複数のピン87を出力部材本体221で保持するための内保持器85および外保持器86とを含んでいる。
第2の軸12の一端は、出力部材22の筒状部材222の挿通孔222aを挿通している。伝達比可変機構5の出力軸としての第2の軸12の中間部と、出力部材22とは、例えばセレーション係合によって、トルク伝達可能に連結されている。
なお、本実施形態では、上述のように構成された軌道輪ユニット39に則して説明するが、以下のように構成してもよい。すなわち、外輪392が入力部材20および出力部材22を差動回転可能に連結するとともに、内輪391が伝達比可変機構用モータ23のロータ231と同行回転可能に連結されるようにしてもよい。この場合、軌道輪ユニット39は、内輪支持型となる。また、第2の歯車212および第3の歯車213は、中間部材としての外輪392の側面に設けられる。
第4の歯車214の中心軸線Z34は、出力部材22の中心軸線と一致しており、第1の軸線Z1にも一致している。第4の歯車214は、当該第4の歯車214の中心軸線Z34の周りに回転可能とされている。
第3の歯車213の中心軸線Z33は、第2の軸線Z2に一致している。第3の歯車213は、当該第3の歯車213の中心軸線Z33の周りに回転可能とされている。
第2の歯車212の中心軸線Z32および第3の歯車213の中心軸線Z33は、第1の軸線Z1に対して傾斜した状態で、第1の軸線Z1の周りを回動するようになっている。そこで、第2の歯車212および第3の歯車213を、軸心揺動歯車ともいう。
第1の歯車211と、この第1の歯車211に動力伝達可能に噛み合う第2の歯車212とによって、第1の揺動型歯車装置78が構成されている。また、第3の歯車213と、この第3の歯車213に動力伝達可能に噛み合う第4の歯車214とによって、第2の揺動型歯車装置88が構成されている。また、第1の揺動型歯車装置78と、第2の揺動型歯車装置88とによって、第3の揺動型歯車装置89が形成されている。
第1の歯車211は、側面70を有している。側面70は、入力部材20の軸方向端部に設けられている。また、第4の歯車214は、側面73を有している。側面73は、出力部材22の軸方向端部に設けられている。
第2の歯車212は、当該第2の歯車212の側面71に形成され対応するピン77に係合する複数の歯溝80を含んでいる。歯溝80とピン77とが互いに係合できるようになっている。
歯溝80は、側面71において、内輪391の周方向についての全域に亘って、内輪391の周方向に等間隔に配置されている。
保持溝79およびピン77のそれぞれは、例えば38個が配置されている。歯溝80の数は、ピン77の数とは異なる数、例えば、ピン77の数よりも多い数である40個とされている。なお、軸心固定歯車の歯数は、軸心揺動歯車の歯数よりも少なくなる。
図5を参照して、保持溝79は、第1の歯車211の中心軸線Z31を中心に放射状に細長に形成されて、第1の歯車211の径方向に関して側面70の全域に延びており、第1の歯車211の周方向に等間隔に配置されている。保持溝79の数は、ピン77の数と等しくされており、各保持溝79にピン77が保持されている。なお、図5では、内保持器75および外保持器76は図示していない。
図6は、図4のVI−VI線に沿う要部の断面図である。図6は、歯溝80に噛み合っているピン77の長手方向と直交する断面を示している。図5および図6を参照して、ピン77の外周面は、円筒面により形成されている。ピン77の中心軸線J1に沿う方向に関して、ピン77の外周面の直径は、一定とされている。
第4の歯車214の側面73は、複数の保持溝109と、複数のピン87と、ピン87を保持するための内保持器85および外保持器86とを有している。保持溝109は、第1の歯車211の保持溝79と同じに構成されている。ピン87は、第1の歯車211のピン77と同じに構成されている。内保持器85および外保持器86は、内保持器75および外保持器76と同じに構成されている。
本実施形態では、軌道輪ユニット39の外輪392を支持するロータコア112が、第1の軸受31を介して入力部材20の筒状部材202を回転可能に支持するとともに、第3の軸受33を介して出力部材22の筒状部材222を回転可能に支持している。
第2の軸受32は、第1のハウジング51の一端の内径部に形成された環状凸部114に保持されている。第4の軸受34は、第2のハウジング52の他端の内径部に形成された環状の延伸部115に保持されている。
図7は、第1の揺動型歯車装置78の側面図である。図7を参照して、第1の歯車211の複数のピン77および第2の歯車212の複数の歯溝80が、互いに同時に係合している。一方で、同時に互いに係合するピン77と歯溝80とが、複数対あるので、ピン77と歯溝80との干渉が生じ易くなる。この干渉が生じると、周方向に振動および騒音が生じる。
なお、第2の揺動型歯車装置88においても、同様に式(1)が成立するように構成されている。また、第3の揺動型歯車装置89においては、第1および第2の揺動型歯車装置78,88の両方で式(1)が成立するのが好ましいが、第1および第2の揺動型歯車装置78,88の一方で式(1)が成立するようにしてもよい。以下では、第1の揺動型歯車装置78に則して説明する。
ピン77の中心軸線J1は、係合領域771,803とはピン77の径方向R5に対向する対向領域J11を含んでいる。対向領域J11内のピン77の中心軸線J1上の任意の点P2と第1の軸線Z1との距離をrCOとし、任意の点P2と第2の軸線Z2との距離をrFOとし、第1の歯車211のピン77の数をZC とし、第2の歯車212の歯溝80の数をZF とするときに、下記式(1) :rCO/rFO=ZC /ZF ……(1) 、が成立している。
例えば、第1の軸線Z1と第2の軸線Z2とのなす角度をλとし、第1の軸線Z1が延びる方向に関して、第1の軸線Z1および第2の軸線Z2の交点P1と任意の点P2との距離をARCとし、第2の軸線Z2が延びる方向に関して、交点P1と任意の点P2との距離をARFとしたときに、下記式(2) ,(3) が成り立つ。
ARF=ARC×cos λ−rCO×sin λ ……(2)
rFO=rCO×cos λ−ARC×sin λ ……(3)
例えば、第1の揺動型歯車装置78の第1および第2の歯車211,212の諸元(目標値または測定値)として、角度λ、距離rCOおよび距離ARF(または距離ARC)が与えられることがある。このときには、式(2) ,(3) と、与えられた諸元、すなわち、角度λ,距離rCO,距離ARF(または距離ARC)とを用いて、距離rFOを求めることができ、さらに、式(1) の左辺のr比を求めることができる。
式(1) が成立する場合には、上述の任意の点P2を通り第1の軸線Z1を中心とする円に沿って測ったときの第1の歯車211のピン77のピッチと、上述の任意の点P2を通り第2の軸線Z2を中心とする円に沿って測ったときの第2の歯車212の歯溝80のピッチとが、互いに等しくなる。
なお、従来の揺動型歯車装置においては、第1および第2の歯車の歯のピッチは、あまり重要視されていなかった。その結果、例えば、上述の諸元の設定において、式(1) が成立するようには設定されていなかったので、第1および第2の歯車の歯のピッチは、互いに異なっていた。その結果、上述の振動および騒音の原因となっていた。
図9は、ピンと歯溝との相対移動の軌跡の計算結果を示すグラフであり、(a)に式(1) が成立しない従来の場合を示し、(b)に式(1) が成立する本実施形態の場合を示す。(a)、(b)の横軸は、歯車の回転方向に関する歯溝に対するピンの相対移動量を示す。(a)、(b)の縦軸は、歯溝の深さ方向に関する歯溝に対するピンの相対移動量を示す。また、(a),(b)のグラフは、歯溝に対するピンの中心位置を示す点を計算により求め、求められた点を線で結んだものであり、ピンの中心が歯溝の底に最も接近したときのピンの中心位置を点G0で図示している。
式(1) が成立する場合(図9(b)参照。)には、式(1) が成立しない場合(図9(a)参照。)と比較して、グラフの横軸に関するピンの相対移動量が相対的に小さい。すなわち、回転方向についてのピン77と歯溝80との相対変位量が小さいといえる。
これらの距離G1,G2が大きいほどに、互いに噛み合うピンと歯溝との間で、回転方向の振動が生じ易くなる。式(1)が成立するときの距離G1は、成立しないときの距離G2よりも小さい。従って、振動が生じ難いといえる。
図10を参照して、第2の軸線Z2は座標軸のZ軸に沿っている。P3は、第2の歯車212のピンの任意の点であり、ピンの外周面上にある場合を図示されている。rR は、任意の点P3を表すための変数であり、任意の点P3とピンの中心軸線J1との距離である。任意の点P3がピンの外周面上にあるときには、距離rR はピンの外周面の半径に等しい。λR は、第2の軸線Z2と直交する平面に対するピンの中心軸線J1のなす角度である。また、θR は、任意の点P3を表すための変数であり、ピンの中心軸線J1の周りの角度である。dは、任意の点P3を表すための変数であり、ピンの中心軸線J1に沿う方向に関するピンの中心P4と点P3との距離である。rF3は、ピンの中心軸線J1上にあるピンの中心P4と、第2の軸線Z2との距離である。BRFは、第2の軸線Z2が延びる方向に関して、上記交点P1とピンの中心P4との距離である。
P05=M1 ・M2 ・M3 ・P03……(4)
ここで、
P03=[X0 ,Y0 ,Z0 ]
X0 =rR ・sin θR
Y0 =d・ cosλR +rR ・sin λR ・ cosθR +rF3
Z0 =−d・ sinλR +rR ・ cosλR ・ cosθR +BRF
また、P03は、ピンの任意の点P3の位置であり、X0 は、点P3のX座標であり、Y0 は、点P3のY座標であり、Z0 は、点P3のZ座標である。また、M1 は、任意の点を、Z軸まわりに角度−Φで回転させたときの点の位置を求めるためのマトリックスであり、Φの関数である。また、M2 は、任意の点を、X軸まわりに角度λで回転させたときの点の位置を求めるためのマトリックスであり、λの関数である。また、M3 は、任意の点を、Z軸まわりに角度iΦで回転させたときの点の位置を求めるためのマトリックスであり、iΦの関数である。
式(4) において、rR =0とおき、Y=rC0について解き、rF3=rFO、rCO/rFO=ZC /ZF とおくと、図9(b)のグラフが得られる。
図4を参照して、本実施形態では、軸心固定歯車が一対、すなわち、第1および第4の歯車211,214が設けられている。一対の歯車211,214のそれぞれが、軸心揺動歯車としての内輪391の対応する側面71,72に噛み合わされている。この場合、2対の軸心固定歯車および軸心揺動歯車を有する第3の揺動型歯車装置89において、振動および騒音を抑制することができる。
これにより、伝達比を可変とすることにより、車両の走行状態等に応じて、操舵部材2の操舵に対する転舵輪の転舵角を最適にできる。例えば、車庫入れ動作を行うとき等の、車両の停止時または低速走行時には、伝達比を大きくすることで、操舵量に対して転舵輪の転舵量を大きくすることができ、操舵部材の操作量を少なくできる。また、車両が雪道等を走行しているときには、カウンタステア操作を伝達比可変機構で自動的に行ういわゆるアクティブ操舵が可能となる。
また、車両が比較的高速で走行している場合には、例えば、操舵角θ1と車両のヨーレートγとを比較し、車両の挙動を判定する。その結果、操舵角θ1から判定される車両の挙動と検出されたヨーレートγから判定される車両の挙動とが一致していないときには、伝達比可変機構用モータ23のロータ231の回転を増速したり、減速したりすることにより、車両のスタビリティコントロール(姿勢安定制御)を行う。なお、このとき、カウンタステア操作が行われるように伝達比可変機構用モータ23の駆動を制御することもできる。
例えば、上述の実施形態では、入力部材20の第1の歯車211に保持溝79およびピン77を設け、内輪391の第2の歯車212に歯溝80を設ける場合を説明したが、これには限定されない。例えば、内輪391の第2の歯車212に保持溝79およびピン77を設け、入力部材20の第1の歯車211に歯溝80を設けてもよい。同様に、内輪391の第3の歯車213に保持溝109およびピン87を設け、出力部材22の第4の歯車214に歯溝110を設けてもよい。
また、上述の各実施形態では、伝達比可変機構5は、操舵軸としてのステアリングシャフト3に適用されていたが、操舵軸としての中間軸8およびピニオン軸15に適用することも考えられる。これらの場合には、出力部材22は、操舵力が伝達される伝達経路において出力部材22よりも転舵輪4L,4R寄りにある転舵輪側部材(例えば、上述の実施形態では、第2の軸12)に連結される。
Claims (4)
- 第1の軸線上に中心軸線を有しその中心軸線の回りに回転可能な軸心固定歯車と、
上記第1の軸線に対して傾斜した状態で揺動する第2の軸線上に中心軸線を有しその中心軸線の回りに回転可能な軸心揺動歯車と、を備え、
上記軸心固定歯車および上記軸心揺動歯車のうちの一方の歯車は、上記一方の歯車の側面に上記一方の歯車の中心軸線を中心とする放射状に配列された複数の保持溝と、各保持溝にそれぞれ保持され上記一方の歯車の歯を構成するピンと、を含み、
上記ピンが、上記軸心固定歯車および上記軸心揺動歯車のうちの他方の歯車の側面に上記他方の歯車の中心軸線を中心とする放射状に配列された歯溝に噛み合うようにしてあり、
互いに噛み合っている上記ピンおよび上記歯溝は、上記ピンの長手方向に関して所定長さの係合領域で係合し、
上記ピンの中心軸線は、上記係合領域とは上記ピンの径方向に対向する対向領域を含み、
上記対向領域内の上記ピンの中心軸線上の任意の点と上記第1の軸線との距離をrCOとし、
上記任意の点と上記第2の軸線との距離をrFOとし、
上記第1の歯車の上記ピンの数をZC とし、
上記第2の歯車の上記歯溝の数をZF とするときに、下記式(1) が成立することを特徴とする揺動型歯車装置。
rCO/rFO=ZC /ZF ……(1) - 請求項1において、上記軸心固定歯車が一対設けられ、上記一対の軸心固定歯車のそれぞれが、上記軸心揺動歯車の一対の側面のうちの対応する側面に噛み合わされていることを特徴とする揺動型歯車装置。
- 請求項2に記載の揺動型歯車装置を用いた伝達比可変機構であって、上記一対の軸心固定歯車の一方が設けられた入力部材と、上記一対の軸心固定歯車の他方が設けられた出力部材と、上記軸心揺動歯車が設けられ上記入力部材および出力部材の差動回転を許容する中間部材と、上記中間部材を駆動するための電動モータと、を備え、上記入力部材から上記出力部材への伝達比を可変することを特徴とする伝達比可変機構。
- 請求項3に記載の伝達比可変機構を用いて操舵部材の操舵角に対する転舵輪の転舵角の比である伝達比を変更可能な車両用操舵装置であって、上記入力部材が上記操舵部材に連結され、上記出力部材が転舵輪側部材に連結されていることを特徴とする車両用操舵装置。
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