JP2020128133A - Automatic driving vehicle provided with hydraulic power steering device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an automatically driving vehicle such as a truck or a bus including an automatic steering motor (electric induction machine) added to a hydraulic power steering gear of a hydraulic steering booster.
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。 Competition for the development of self-driving vehicles is intensifying. In the case of a small vehicle equipped with electric power steering, automatic driving can be performed by applying steering control to the electric power steering. On the other hand, for a large vehicle equipped with a hydraulic power steering gear, if the hydraulic power steering gear is replaced with an electric power steering, it can be automatically driven in the same manner as a small vehicle, which is not a simple development.
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。 There is no electric power steering having an output that meets the steering power of a large vehicle with a steering shaft load of more than 2500 kg. The direction is to add a control signal for automatic operation to the control valve (hydraulic directional control valve) of the hydraulic power steering.
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。 Patent Document 1 discloses a general electric power steering device. In addition, Non-Patent Document 1 discloses a mounting portion of an electric motor of an electric power steering of a passenger car. Non-Patent Documents 2 and 3 show steering layouts of trucks.
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。 The electric power steering device disclosed in Patent Document 1 is not applied to a vehicle equipped with a hydraulic boost steering device.
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。 In Non-Patent Documents 2 and 3, if an electric motor is incorporated and a column type is oriented, compatibility with the position adjusting mechanism of the steering wheel becomes a problem. When aiming at the pinion type, it is necessary to change the design of the power steering gear. Rack type steering has almost no track record as a power steering for large trucks.
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。 In large vehicles such as trucks and buses, since the steering shaft load exceeds 2500 kg as described above, hydraulic power steering is adopted instead of electric power steering. When the hydraulic power steering is adopted in the manual operation, if the electric motor can be easily attached to the hydraulic power steering, the manually operated vehicle can be diverted to the automatically operated vehicle as it is.
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。 However, none of the prior arts have specifically proposed the arrangement of members (electric motors) necessary for hydraulic power steering for automatic driving. In particular, a layout is required in which only the electric motor for automatic operation can be retrofitted without affecting other devices, that is, the hydraulic power steering for manual operation remains unchanged.
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。 The inventor of the present invention has found that if the space between the lower joint of the steering shaft and the hydraulic power steering gear (portion (M) in FIG. 3) is “a mechanism that absorbs misalignment caused by a cab tilt,” “cab suspension We paid attention to the fact that it can be used in common with buses and trucks without disturbing the mechanism that absorbs vibration strokes and the mechanism that absorbs changes in the steering shaft length and angles associated with steering wheel position adjustment.
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。 That is, in an automatic driving vehicle equipped with the hydraulic steering booster according to the present invention, the hydraulic steering booster rotates a hydraulic power steering gear for turning a tire through a link mechanism and the hydraulic power steering gear. The steering motor is configured to be detachably arranged in the space formed between the lower joint of the steering shaft and the hydraulic power steering gear without changing the positions of other members.
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。 The specific location of the steering motor is to attach it around the input shaft of the hydraulic power steering gear, or to steer it to the space formed between the lower joint of the steering shaft and the hydraulic power steering gear like a bus. When a gear box that changes the direction of force transmission is provided, it is conceivable to attach a steering motor around the input shaft or output shaft of the gear that projects from the gear box.
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。 Further, it is preferable that the output of the steering motor satisfies the following expression (1) at the maximum steering torque in the manual operation and the following expression (2) at the emergency steering speed.
Tm ＞ Ts_max × Rs ÷ Gr …（１）
ωm ＞ ω(ats/w) × Gr …（２）
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
here,
Tm: Motor torque required value
Ts_max: Maximum steering force
Rs: Steering wheel radius
Gr: Motor gear ratio ωm: Motor rotation speed required value ω(ats/w): Maximum steering speed
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。 According to the present invention, it is possible to easily attach an electric motor for automatic operation by retrofitting while maintaining the hydraulic power steering for manual operation. As a result, it becomes easier to deal with the problem at the production factory and maintenance becomes easier.
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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.
FIG. 1 shows the classification of the mounting position of the electric motor of the electric power steering that is widely used in passenger cars. It is classified into a column type in which a motor is attached to the steering column section, a pinion type in which a motor is attached to the pinion section of a rack and pinion type steering wheel, and a rack type in which a motor is attached to a rack section of a rack and pinion type steering wheel. ..
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。 For the column type and pinion type, the motor is mounted on the input side on the steering side, and the rack type is mounted on the output side. It means that if it is installed on the input side, a motor that can handle the load reduced through the gear ratio will be sufficient, and if it is installed on the output side, a motor that will support the addition of the steering shaft load will be required. .. Mounting on the input side has the advantage that the same motor can be used for vehicles with different steering shaft loads.
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/cm２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。 As shown in Fig. 2, a heavy-duty truck equipped with a cab suspension uses a high-hydraulic integral type power steering with a set relief pressure of 150 kg/cm 2 . The power cylinder diameter corresponds to the magnitude of the steering shaft load, and the steering wheel is operated with a boost ratio so that the steering wheel can be steered as easily as a passenger car.
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。 For large trucks, there is an adjustable steering column that allows the handle to be adjusted 40mm vertically, 28mm forward and 60mm backward. It is locked when the lever on the left side of the column is lowered and loosened when it is raised. The lower pivot can be tilted with the lower pivot as a fulcrum to adjust the front-rear position, and the steering column is slidably supported at the lower pivot so that the vertical position can be adjusted.
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。 At the bottom of the steering column, there is a spline shaft via a universal joint, which is slidably fitted with a sleeve spline from the power steering side. The adjustable steering adjustment allowance and the positional change between the frame side and the cab side due to the cab suspension are absorbed by the sliding of the spline in this portion.
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。 As shown in FIG. 3, the truck has a cab tilt mechanism (6) for maintaining the engine. In addition, a cab suspension (2) that blocks vibrations from the body frame to the cab and a seat suspension (12) that blocks vibrations to the driver are provided. Equipped with adjustable steering (9) to adjust the driving position.
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。 Since the cores of the cab tilt hinge bracket (4) and the universal joint (8) do not match, "a mechanism that absorbs misalignment caused by the cab tilt", "a mechanism that absorbs the vibration stroke of the cab suspension", and " It is necessary to have a mechanism that absorbs changes in the length and angle of the steering shaft due to steering wheel position adjustment.
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。 Further, two universal joints (8) and (10) and a telescopic spline shaft (11) are used to absorb the change in length. In the case of a bus, neither cab tilt nor cab suspension is relevant, but two universal joints (8), (10) are necessary because of the "mechanism that absorbs changes in the steering shaft length and angle due to steering wheel position adjustment". And the telescopic spline shaft (11) is used in common with the truck.
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。 In the steering layout of the above-mentioned large truck, the steering motor (electric induction machine) (13) can be freely attached to and detached from the space (M) between the universal joint (8) under the steering shaft and the hydraulic power steering gear (7). Will be placed.
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。 In this embodiment, the steering motor (13) is attached around the input shaft of the hydraulic power steering gear (7).
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。 FIG. 4 shows a mode in which the hydraulic power steering gear (7) is attached around the input shaft. (A) is a direct (concentric) motor system, (B) is a pinion gear motor system, and (C) is Is a worm gear motor system. With the (A) method, the diameters of the motor stator and rotor can be made relatively large. On the other hand, it is limited in size due to the relationship with the surrounding space. The (B) method enables downsizing of the motor by setting the gear reduction ratio. The (C) method is the vertically arranged motor in (B) with the gear specification changed from a pinion gear to a worm gear. (A), (B) and (C) are selected from the required output due to the mounting space.
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。
The steering motor (13) is removable. A method of incorporating the direct (concentric) motor type steering motor (13) will be described with reference to FIG.
The same structural diagram as FIG. 2 is shown in the left part of FIG. An enlarged view of the spline universal joint and integral power steering gear is shown on the right side (A) (B) (C) (D) of FIG. (A) is a manual operation structure. The universal joint and the Integrus steering gear are connected with a cotter bolt. As shown in (B), the universal joint is divided into two flanges, and the joint side is attached to the spline sleeve side and the flange side is attached to the integral power steering side as shown in (C). After attaching the steering motor to the flange as shown in (D), the flange is connected to the universal joint side. By doing so, the spline sleeve can be assembled and removed in the same manner as a manually operated vehicle.
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。 FIG. 6 shows an example of a steering layout corresponding to a cab structure peculiar to a bus. In this example, a telescopic pick spline shaft (22) is provided below the handle (21), and the universal joint (23) at the lower end of the telescopic pick spline shaft (22) and the input shaft of the gear box (24). The upper end universal joint (25) is connected by a rod (26), and the universal joint (27) at the tip of the output shaft of the gear box (24) and the universal joint at the tip of the input shaft of the lateral power steering gear (28) ( 29) is connected with the telescopic spline shaft (30).
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。 In the above, the steering motor (13) is provided around the input shaft projecting from the gear box (24), around the output shaft projecting from the gear box (24), or as in the case of a large truck, the hydraulic power steering gear (7). ) Is added around. The mode of addition is the same as in FIG.
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。
The required characteristic for the steering motor is to meet the requirements of the steering torque and the steering speed in the case of manual driving.
FIG. 7 shows an example of actual measurement of the steering speed of a large truck. The normal steering speed decreases from 6 rad/s (57.3 rpm) at low speed depending on the vehicle speed. The emergency steering speed is 11 rad/s (105 rpm).
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。 The steering force of a large vehicle is designed so that it can be stationary on a dry concrete paved road, and its value is less than 150N at most. Figure 8 This is an example of actual measurement on a 6-wheel drive large truck. The stationary steering force of 135N is recorded, but the stationary force of a normal heavy truck is less than 100N.
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。 The output requirement specifications required for (A), (B), and (C) of FIGS. 7 and 8 to 5 are as follows (formula).
Tm ＞ Ts_max × Rs ÷ Gr …（１）
ωm ＞ ω(ats/w) × Gr …（２）
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。
here,
Tm: Motor torque required value
Ts_max: Maximum steering force (Fig. 8)
Rs: Steering wheel radius
Gr: Motor gear ratio ωm: Motor rotation speed required value ω(ats/w): Maximum steering speed (Fig. 7)
Is.
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
2... Cab suspension, 4... Cab tilt hinge bracket, 6... Cab tilt mechanism, 12... Seat suspension, 9... Adjustable steering, 8,10... Universal joint, 11... Telescopic spline shaft, 13... Steering motor, 21... Handle, 22... Telescopic pick spline shaft, 23, 25, 27, 29... Universal joint, 24... Gear box, 26... Rod, 30... Telescopic pick spline shaft, 28... Horizontal power steering gear, M... Space
Claims (4)
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
In an automatic driving vehicle equipped with the hydraulic steering booster according to any one of claims 1 to 3, the output of the steering motor is expressed by the following formula (1) at the maximum steering torque in the case of manual driving: An automatic driving vehicle equipped with a hydraulic steering booster characterized by satisfying the following expression (2) at an emergency steering speed.
Tm ＞ Ts_max × Rs ÷ Gr …(1)
ωm> ω(ats/w) × Gr …(2)
here,
Tm: Motor torque required value
Ts_max: Maximum steering force
Rs: Steering wheel radius
Gr: Motor gear ratio ωm: Motor rotation speed required value ω(ats/w): Maximum steering speed
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