JP2014133555A - 電気サーボモータを備えた自動車のステアリングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電気サーボモータの故障時にステアリングシステムにおいて運転者が適用すべきステアリングトルクを低減すること。
【解決手段】本発明は、ステアリング操作を支援するサーボトルクを生成するための電気サーボモータ（１１）を有する自動車のステアリングシステムであって、ステアリングシャフト（３）内で、切換変速機（６）が切換アクチュエータ（７）と一体化されており、当該切換変速機（６）を介して、伝達経路における伝達特性が可変に調整可能であり、前記切換アクチュエータ（７）の活性状態の場合よりも、前記切換アクチュエータ（７）の不活性状態において、間接的な伝達特性となっていることを特徴とするステアリングシステムである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステアリング運動を支援するサーボトルクを生成するための電気サーボモータを備えた自動車のステアリングシステムに関している。

ＤＥ１００３２１２０Ａ１には、電気的なステアリングアシスト装置（ＥＰＳ：電動パワーステアリングシステム）を備えた自動車のステアリングシステムが開示されている。当該ステアリングアシスト装置は、電気サーボモータを備えており、当該電気サーボモータによって運転者によるステアリング運動を支援するサーボトルクが生成される。

電気サーボモータの故障時には、支援サーボトルクも消失して、所望のステアリング動作を実現可能とするためには、運転者は明らかに高められたステアリングトルクを適用することが強制される。ステアリング動作中にサーボモータの故障が生じると、ステアリング動作を完了可能とするために、運転者は直ちに高められたステアリングトルクを適用しなければならない。

本発明の課題は、電気サーボモータの故障時にステアリングシステムにおいて運転者が適用すべきステアリングトルクを低減することである。

本発明の課題は、特許請求の範囲の請求項１に記載された特徴によって解決される。下位の請求項は、合目的的な実施形態を提供する。

本発明によるステアリングシステムは、自動車において、操舵可能な車輪を制御するために採用される。当該ステアリングシステムは、ステアリングシャフトを備えており、当該ステアリングシャフトを介して、運転者は、ステアリングホイール（ハンドル）から所望の操舵角を提供する。ステアリングシャフトは、ステアリング変速機と結合されており、当該ステアリング変速機を介して、操舵角は、ステアリングリンクの運動に、更には操舵可能な車輪の車輪操舵角に、変換される。当該ステアリングシステムには、電気サーボモータが実装されている（ＥＰＳ：電動パワーステアリングシステム）。電気サーボモータには、ステアリング変速機が結合されており、支援サーボトルクをステアリングシステム内に供給する。

電気サーボモータの故障時に運転者が適用すべきステアリングトルクの上昇を回避ないし少なくとも低減するために、ステアリングシステムのステアリングシャフトに、切換変速機が一体化されている。切換変速機には、切換アクチュエータが設けられており、その動作によって、ステアリングホイールとステアリング変速機との間の伝達経路における伝達特性が変更される。切換変速機は、割り当てられた切換アクチュエータの不活性状態（非通電状態）において、当該切換アクチュエータの活性状態の場合よりも間接的な伝達特性となっている、という態様に設計されている。間接的な伝達特性では、低減された手動トルクないしステアリングトルクとなる。当該低減された手動トルクないしステアリングトルク（のみ）が、運転者によって、ステアリングホイールを介して、所望の操舵角の調整のために適用されなければならない。切換アクチュエータの不活性状態における間接的な伝達特性は、同時に、追加的な安全対策を呈する。なぜなら、電気サーボモータだけでなく電気的な切換アクチュエータをも関わる電気システムの故障時に、ステアリングシャフト内に切換変速機を有しない従来技術の形態の場合よりもステアリングトルクが小さい、ということが保証されるからである。場合によって、対応する伝達特性の増大によって、電気サーボ支援システムの故障時に運転者が電気サーボ支援システム作動時と同じ手動トルクを適用すれば足りるというように、ステアリングトルクが調整され得る。

切換変速機は、活性状態（通電状態）において、合目的的に、１：１の伝達特性を有しており、機能的な電気サーボモータに対応する当該状態において、切換変速機の影響はステアリングシステムにおいて何ら知覚されない。不活性に切り換えられた状態で初めて、伝達特性の間接的な伝達比方向への変化が生じる。例えば、少なくとも１：２の伝達特性、好ましくは１：４の伝達特性、への変化が生じる。このことは、運転者が適用すべきステアリングトルクの対応する低減をもたらす。

切換変速機ないし切換アクチュエータが不活性に切り換えられた状態で前記間接的な伝達特性の下で必要な運転者が適用すべきより大きい操舵角を補償するために、ステアリングシステムには、合目的的に、オーバーラップ変速機が設けられている。当該オーバーラップ変速機を介して、運転者により与えられる操舵角に、オーバーラップ操舵角がオーバーラップ可能（重畳可能）である。オーバーラップ操舵角は、運転者により生成される操舵角を、正または負の方向に修正して、ステアリング変速機には、オーバーラップ変速機の調整次第で、運転者に提供されたよりも、より大きいか、等しいか、より小さい操舵角が到着する。切換変速機が不活性に切り換えられて間接的な伝達特性となった状態で、合目的的に、オーバーラップ変速機が、切換変速機の変更された伝達特性が当該オーバーラップ変速機によって少なくとも部分的に、好適には完全に、補償される、という調整をする。これにより、運転者は、切換変速機の間接的な伝達特性にも拘わらず、通常時と比較して、何らより大きな操舵角を実施する必要がない。通常時とは、切換変速機が活性状態でサーボ支援システムが機能することで特徴付けられている。前述の変速機制御を伴うオーバーラップ変速機と切換変速機との当該組合せによって、電気サーボモータの故障時に、一方では、運転者によって生成されなければならないステアリングトルクを低減することが可能であり、他方では、低減されたステアリングトルクにも拘わらず、同じ操舵角を維持することが可能である。有利には、切換変速機とオーバーラップ変速機との対応する設計を介して，ステアリングトルクだけでなく操舵角をも、電気サーボモータが完全に機能する通常状態に対応する値に維持される。これにより、運転者は、操舵特性の変更を全く知覚しない。

切換変速機は、合目的的に、オーバーラップ変速機とステアリング変速機との間にある。オーバーラップ変速機を介して、オーバーラップ操舵角が提供可能であり、ステアリング変速機を介して、ステアリングシャフトがステアリングリンクに結合されている。切換変速機を、ステアリングシャフト内のオーバーラップ変速機に一体化することも、可能である。切換変速機は、有利には、正確に２つの伝達特性の間で切換可能であり、それらは、切換アクチュエータの活性状態と不活性状態とに割り当てられる。２つの伝達特性が、原理的に十分である。なぜなら、電気サーボモータが活性である通常状態と、電気サーボモータが故障している異常状態と、がそれでカバーされるからである。

切換変速機は、例えば、遊星変速機として形成される。この場合、入力軸が太陽歯車と結合され、出力軸が内ば歯車と結合され、太陽歯車は遊星歯車を介して内ば歯車と回転結合され、遊星歯車は遊星キャリヤ上に保持されている。遊星キャリヤは、活性状態の切換アクチュエータを介してハウジングに固定され得て、あるいは、解放された不活性状態では回転し得る。この態様では、異なる伝達特性を伴う２つの異なる動作モードが実現される。

切換アクチュエータとしては、例えば電磁アクチュエータが考慮される。当該電磁アクチュエータは、変速機部材のハウジングに対して固定ないし解放される。サーボモータが機能している通常時、切換アクチュエータは活性化されて変速機部材を固定する。異常時、アクチュエータは不活性に切り換えられて、変速機部材を解放する。

場合によっては、複数の切換アクチュエータが設けられ得る。それらは、切換変速機の異なる変速機部材に作用して、それらを解放する、あるいは、固定する。合目的的には、２つの切換アクチュエータが配置され、それらは不活性状態で交互に解放ないし締結される。すなわち、第１の切換アクチュエータが不活性状態で解放され第２の切換アクチュエータが不活性状態で締結されるように実装され、これら切換アクチュエータは活性状態では対応する逆の位置を取る。切換アクチュエータが複数である場合においても、電磁アクチュエータとしての実装が考慮される。

オーバーラップ変速機は、有利な態様では、不活性に切り換えられた状態で、オーバーラップ操舵角を介してより大きい操舵角が補償される、というように調整される。より大きい操舵角は、不活性に切り換えられた切換変速機によって間接的な伝達比に基づいて生じる。

更なる利点、及び、合目的的な実施の形態が、下位の請求項、図面の説明、及び、図面から明らかである。

オーバーラップ変速機と後置された切換変速機とをステアリングシャフト内に有し、更に電気サーボモータを有する、アクティブステアリングシステム。 第１の実施の形態における切換変速機の断面図。 更なる実施の形態における切換変速機の断面図。

図面内において、同じ構成要素には同じ参照符号が付されている。
図１には、自動車用のアクティブステアリングシステム１が図示されている。そこでは、運転者がステアリングホイール２を介して操舵角δＬを与える。操舵角δＬは、ステアリングシャフト３、ステアリング変速機８及びステアリングリンク９を介して、操舵可能な前輪１０に伝達される。前輪１０において、車輪操舵角δＶが生じる。ステアリングシャフト３内には、オーバーラップ変速機４が一体化されている。オーバーラップ変速機４は、電気制御モータ５を介して制御可能である。オーバーラップ変速機４において、オーバーラップ操舵角δＭが生成され得る。当該オーバーラップ操舵角δＭは、運転者により与えられる手動角ないし操舵角δＬにオーバーラップ（重畳）される。これにより、付加的に、全体操舵角δＬ’が生じる。当該全体操舵角δＬ’が、操舵ピニオン角としてステアリング変速機８に供給される。オーバーラップ操舵角δＭは、割り当てられた制御モータ５の動作に依存する。

ステアリング変速機８には、サーボ支援装置ないし操舵力支援装置１１が割り当てられている。当該装置は、電気サーボモータとして実装されている。サーボモータ１１が動作している際、支援トルク（補助トルク）がステアリング変速機８に導入されて、運転者は所望の操舵角のためにより小さい手動トルクないし操舵トルクを適用するだけで足りる。

ステアリングシステム１には、更に、切換変速機６が実装されている。切換変速機６には、切換アクチュエータ７が割り当てられている。切換変速機６は、ステアリングシャフト３内に一体化されており、オーバーラップ変速機４とステアリング変速機８との間に配置されている。切換変速機６によって、ステアリングホイールと操舵可能な車輪との間の伝達経路における伝達特性が変更され得る。これは、特に、例えば電源故障のために電気サーボモータが動作せず支援サーボトルクが生成され得ない場合に有利である。この状況では、切換アクチュエータ７を介しての切換変速機６の対応する制御によって、伝達特性が間接的なギヤ比の方向に変更され得る。これにより、サーボ支援が遮断されたにも拘わらず、運転者によって比較的小さい手動トルクないし操舵トルクのみが生成されれば足りる。それは、サーボ支援を伴う際に適用すべき操舵トルクより、高くないか、非本質的に（無視できる程度に）高いだけである。通常時には、サーボ支援装置が機能しており、切換変速機を介して、変更された伝達特性は何ら生じないで、伝達特性は１：１である。これに対して、間接的なギヤ比の場合、伝達特性は、少なくとも１：２、好ましくは１：４である。

切換変速機６は、切換アクチュエータ７によって、好適には２つの異なる伝達特性の間で切換可能、すなわち、１：１の伝達特性を伴う直接的なギヤ比と、少なくとも１：２、好ましくは１：４の伝達特性を伴う間接的なギヤ比と、の間で切換可能である。有利には、不活性状態に切り換えられた切換アクチュエータの場合に、間接的な伝達特性が生じ、活性状態とされた切換アクチュエータ７の場合に、１：１の直接的な伝達特性が有効である。これにより、電気サーボモータだけでなく切換アクチュエータをも関わる電気システムの故障時に、消失したサーボ支援が間接的な伝達特性によって補償される、ということが保証される。

切換変速機６における間接的な伝達特性は、増大される操舵角δＬを生じる。これが、運転者によって、所望の車輪操舵角の調整のために、適用される必要がある。増大される操舵角δＬを補償するために、オーバーラップ変速機４を介して、オーバーラップ操舵角δＭが生成され得る。当該オーバーラップ操舵角δＭは、切換変速機６内で増大される操舵角が通常値に低減される、というように操舵角特性を修正する。これにより、運転者は、
サーボモータ１１が有効で切換変速機６が１：１の直接的なギヤ比である場合と同じ手動角ないし操舵角δＬのみを生成すれば足りる。

図２は、一体化された切換アクチュエータ７を有する切換変速機６を示している。当該切換変速機６は、遊星変速機として形成されており、入力側においてオーバーラップ変速機４に向けられたステアリングシャフト部３ａと結合され、出力側においてステアリング変速機８に結合されたステアリングシャフト部３ｂと結合されている（図１も参照）。入力側のステアリングシャフト部３ａは、太陽歯車１２と堅固に結合されており、当該太陽歯車１２は、遊星キャリヤ１４上の遊星歯車１３を介して内ば歯車１５と噛み合っていて、これを駆動する。内ば歯車１５は、出力側のステアリングシャフト部３ｂに堅固に結合されている。全ての変速機部材と切換アクチュエータ７が、変速機ハウジング１６の内部に配置されている。

切換アクチュエータ７は、電磁アクチュエータとして実装されており、遊星キャリヤ１４に作用する。遊星キャリヤ１４は、双方向矢印１７に示すように、変速機６のハウジング１６の内部に軸方向に移動可能に支持されている。活性状態において、遊星キャリヤ１４には引力が作用する。これにより、遊星キャリヤ１４は、切換アクチュエータ７の摩擦面と接触して当接する。これにより、遊星キャリヤ１４はハウジングに保持される。遊星歯車１３は、しかし、太陽歯車１２及び内ば歯車１５と係合したままである。

これに対して、不活性状態では、遊星キャリヤ１４と切換アクチュエータ７の摩擦面との間の摩擦接触が無いため、ハウジング６内に回転可能に支持された遊星キャリヤ１４は回転可能である。この態様では、切換変速機６は、２つの異なる伝達特性の間で切り換えられ得る。切換アクチュエータ７の活性状態では、１：１の直接的な伝達特性が存在し、切換アクチュエータ７の不活性状態では、１：４の間接的な伝達特性が与えられる。これは、運転者にとって、低減された手動ないし操舵トルクをもたらす。ここで生じるより大きな操舵角は、オーバーラップ変速機４を介して補償され得る。オーバーラップ変速機４は、合目的的に、切換変速機６の間接的な伝達特性にも拘わらず運転者が何らより大きな手動角ないし操舵角δＬをもたらす必要が無いように、制御モータ５が不活性に切り換えられた状態でオーバーラップ変速機４が補償的に作用する、というように設計されている。

図３に、切換変速機６と一体化された切換アクチュエータ７とを有する別の実施の形態が示されている。切換変速機６は、入力軸としてステアリングシャフト部３ａを有し、出力軸としてステアリングシャフト部３ｂを有している。切換アクチュエータ７は、全体として、２つの電磁アクチュエータ７ａ、７ｂを有しており、それらは互い違いに不活性状態で開放ないし締結される。第１切換アクチュエータ７ａは、シャフト１８に堅固に結合されている。シャフト１８は、変速機ハウジング内で回転可能に支持されており、入力軸３ａ、出力軸３ｂに対して平行に配置されている。第１切換アクチュエータ７ａは、不活性状態で締結され、シャフト１８を軸支するリブ２３、２４が固定され、シャフト１８はハウジング内で移動しないように保持されるが、それ（ハウジング）は長手軸回りに回転可能である。

第２切換アクチュエータ７ｂは、シャフト１８と入力軸３ａとの間にあり、不活性状態で開放されている。入力軸３ａには、第１歯車１９が固定されており、当該第１歯車１９は、シャフト１８上の別の歯車２０と係合している。更なる歯車２１、２２が、平行に、シャフト１８及び出力軸３ｂに対して設けられていて、互いに噛み合っている。不活性状態では、歯車１９、２０、２１、２２が入力軸３ａの回転運動を出力軸３ｂにｉ＝１：ｘの伝達特性で伝達する。ここで、ｘは１より大きく、例えば４以上の値である。

活性状態では、第１アクチュエータ７ａが開放されて、第２アクチュエータ７ｂが締結され、歯車１９、２０間の相対運動並びに歯車２１、２２間の相対運動が排除される。入力軸３ａと出力軸３ｂとの間のｉ＝１：１という伝達特性が生じる。

１ ステアリングシステム
２ ステアリングホイール
３ ステアリングシャフト
４ オーバーラップ変速機
５ 制御モータ
６ 切換変速機
７ 切換アクチュエータ
８ ステアリング変速機
９ ステアリングリンク
１０ 前輪
１１ サーボモータ
１２ 太陽歯車
１３ 遊星ギヤ
１４ 遊星キャリヤ
１５ 内ば歯車
１６ ハウジング
１７ 双方向矢印
１８ シャフト
１９ 歯車
２０ 歯車
２１ 歯車
２２ 歯車
２３ リブ
２４ リブ
δＬ 操舵角
δＭ オーバーラップ操舵角
δＶ 車輪操舵角

Claims (13)

1. ステアリング操作を支援するサーボトルクを生成するための電気サーボモータ（１１）を有する自動車のステアリングシステムであって、
   ステアリングシャフト（３）内で、切換変速機（６）が切換アクチュエータ（７）と一体化されており、
   当該切換変速機（６）を介して、伝達経路における伝達特性が可変に調整可能であり、
   前記切換アクチュエータ（７）の活性状態の場合よりも、前記切換アクチュエータ（７）の不活性状態において、間接的な伝達特性となっている
   ことを特徴とするステアリングシステム。
2. 前記切換変速機（６）は、活性状態において、１：１の伝達特性を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載のステアリングシステム。
3. 前記切換変速機（６）は、不活性状態において、少なくとも１：２の伝達特性、好ましくは１：４以上の伝達特性、を有している
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のステアリングシステム。
4. 当該ステアリングシステム（１）のステアリングシャフト（３）内で、オーバーラップ変速機（４）が一体化されており、それを介して、運転者により与えられる操舵角（δＬ）に、オーバーラップ操舵角（δＭ）がオーバーラップ可能である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のステアリングシステム。
5. 前記切換変速機（６）は、前記ステアリングシャフト（３）内のオーバーラップ変速機（４）とステアリング変速機（８）との間に、配置されている
   ことを特徴とする請求項４に記載のステアリングシステム。
6. 前記切換変速機（６）は、前記ステアリングシャフト（３）内のオーバーラップ変速機（４）に一体化されている
   ことを特徴とする請求項４に記載のステアリングシステム。
7. 前記オーバーラップ変速機（４）によって、不活性状態に切り換えられた切換変速機（６）の変更された伝達特性が、補償可能である
   ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載のステアリングシステム。
8. 前記切換変速機（６）は、正確に２つの伝達特性の間で切換可能であり、それらは、切換アクチュエータ（７）の活性状態と不活性状態とに割り当てられている
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のステアリングシステム。
9. 前記切換変速機（６）は、遊星変速機として形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のステアリングシステム。
10. 前記切換アクチュエータ（７）は、少なくとも１つの電磁アクチュエータを有しており、当該電磁アクチュエータは、変速機部材のハウジングに対して固定ないし解放される
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のステアリングシステム。
11. ２つの切換アクチュエータ（７ａ、７ｂ）が設けられており、それらは異なる変速機部材のハウジングに対して固定ないし解放され、不活性で解放と締結とを互い違いに行う
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のステアリングシステム。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載のステアリングシステムを操作する方法であって、
    電気サーボモータ（１１）の故障時に、伝達特性が、切換変速機（６）の不活性状態への切り換えによって、変更される
    ことを特徴とする方法。
13. 前記変更された伝達特性が、オーバーラップ変速機（４）によって補償される
    ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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