JP4591237B2 - 車両のステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、キングピン軸の位置を変化させることができる車両のステアリング装置に関する。

車両のステアリング装置として、ステアリングホイールの操作をラックアンドピニオン機構を介してタイロッドの左右方向の動作に変換し、そのタイロッドにより、サスペンション機構に支持されたナックルアームをキングピン軸の周りに操作して車輪の向きを変化させる装置が知られている（例えば特許文献１参照）。左右の車輪を結ぶアクスル上に伸縮機構を組み込むことにより、車輪のトレッドを可変とした農業機械用のステアリング装置も知られている（例えば特許文献２及び３参照）。

特開平６−２５５５２７号公報 特開平９−２４０５００号公報 特開２００１−９７２３７号公報

従来のステアリング装置では、キングピン軸が車輪近傍の鉛直方向中心線に沿った一定の位置に設定されており、車輪に対してキングピン軸の位置を変化させることはできなかった。トレッド可変式のステアリング装置においても、トレッドの変化に伴ってキングピン軸の位置が左右方向に変化するものの、キングピン軸と車輪との位置関係は変化していない。

しかしながら、車輪に対してキングピン軸が上記の位置に固定されている場合、それに起因して不都合が生じる。例えば、従来のステアリング装置では、旋回時に車輪がキングピン軸を中心に左右に捩られて車輪の回転面と車両の進行方向とにずれが生じ、そのずれに起因して横力が発生して旋回が開始される。このため、特に大きな横力が要求される旋回方向外側の車輪において横力発生までのタイムラグが増加する。このタイムラグが大きいと、ステアリング操作に対する車両の旋回挙動の応答が遅れる等、車両の旋回性能に少なからず影響が及ぶ。

また、車輪近傍の鉛直中心線に沿ってキングピン軸が設定されている場合、車輪の操向時に車輪の一端側が車体の内側に大きく振られるため、車体が車輪と干渉しないように車輪の収容スペース（タイヤハウス）には十分な余裕を与える必要がある。しかし、車体幅は空気抵抗の低減等の観点からむやみに大きくできないため、車輪の収容スペースを十分に確保すれば、車輪間に位置するエンジンコンパートメント、あるいはキャビンのスペースが犠牲になる。エンジンコンパートメント等の余裕を優先すれば車輪の最大ステア角が制限されて車両の最小回転半径が増加する。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、キングピン軸を望ましい位置に設定することが可能なステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明のステアリング装置は、車両の車輪取付部に対して車両の前後方向に離された一対の連結点にて回転自在に連結される前アーム及び後アームをそれぞれ有し、これらのアームを介して前記車輪取付部を支持する左右のアーム機構と、各アーム機構の前アーム及び後アームと前記車輪取付部との連結点が車両の左右方向外側に互いに異なる変位量で変位するように各アーム機構の前アーム及び後アームのそれぞれを駆動可能なアーム駆動機構と、を備え、各アーム機構の前アーム及び後アームは、これらのアームが連結されている連結対象にそれぞれ前記車両の上下方向の軸線を中心として回転自在に連結されており、各アーム機構の前アーム及び後アームと前記車輪取付部との連結点のそれぞれの位置は、前記アーム駆動機構にて規定され、前記アーム駆動機構が、前記アーム機構間に配置されかつ車両の上下方向の回転中心線の周りに回転可能な一対の回転体を有し、一方の回転体には一方のアーム機構の前アームと他方のアーム機構の後アームとが前記回転中心線を挟んで離れた位置にて回転自在に連結され、他方の回転体には一方のアーム機構の後アームと他方のアーム機構の前アームとが前記回転中心線を挟んで離れた位置にて回転自在に連結されたアーム操作部と、前記一対の回転体のそれぞれを前記回転中心線の周りに回転駆動する回転体駆動部と、各アーム機構の前アーム又は後アームのいずれか一方のアームの前記回転体に対する回転角を規定し、かつ前記一方のアームと前記回転体との連結点に設けられた回転角規定手段と、を備えていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明のステアリング装置によれば、前アーム及び後アームの双方を外側に変位させることにより、車輪取付部を直進時よりも左右方向外側に移動させることができる。しかも、各アーム機構における前アームの変位量と後アームの変位量との組み合わせによって車輪に対するキングピン軸の位置を車輪の鉛直中心線に限定することなく適宜の位置に設定することができる。しかも、前後アームの変位量の差に応じた傾きを車輪取付部に与えることができる。例えば、旋回方向内側の車輪取付部に関しては前アーム側の連結点が後アーム側の連結点よりも外側に大きく変位し、旋回方向外側の車輪取付部に関しては後アーム側の連結点が前アーム側の連結点よりも外側に大きく変位するように各連結点の変位量を設定した場合には、旋回方向内側においてキングピン軸が車輪の鉛直中心線よりも車輪の後方に偏り、旋回方向外側においてキングピン軸が車輪の鉛直中心線よりも前方に偏る。その結果、左右の車輪はいずれも車両の外側に押し出されつつ左右方向に傾けられる。このため、横力が迅速に立ち上がり、ステアリング操作に対する車両の旋回挙動の応答性が向上する。また、旋回時に車輪が外側へ張り出してトレッドが増加することにより、ロールの抑制効果も高まる。これらの理由から車両の旋回性能が高まる。

さらに、車輪を外側に押し出しつつ操向させることにより、旋回時における車体内側への車輪のせり出し量を減少させることができる。この場合には、車輪の操向角を大きく確保して車両の最小回転半径を縮小し、あるいは車輪の収容スペースを削減して車体幅を縮小させることができる。車体幅を縮小する必要がない場合には、車輪の収容スペースの削減に対応してエンジンコンパートメント、あるいはキャビンを拡大することができる。

また、本発明のステアリング装置によれば、キングピン軸の位置、及びキングピン軸に対する車輪取付部の傾きは、各アーム機構に存在する４つの連結点、すなわち、前アーム及び後アームと車輪取付部との連結点、並びに前アーム及び後アームと回転体との連結点のそれぞれの位置によって定まる。これらの連結点のうち、回転体と前後アームのそれぞれの連結点の位置は、直進状態からの回転体の回転角によって一義的に定まる。また、回転角規定手段が回転体に対する前アーム又は後アームの回転角を規定することにより、前アーム又は後アームと車輪取付部との連結点のうち、いずれか一方の連結点の位置も定まる。従って、残る一つの連結点の位置もこれらの３つの連結点の位置に応じて定まる。これにより、回転体の回転角と、回転体に対する前アーム又は後アームの回転角とによってキングピン軸の位置、及びそのキングピン軸に対する車輪取付部の操向角を制御することができる。

本発明のステアリング装置は、車両の直進状態からの操舵部材の操作に連係して、前記車輪取付部に対する前記前アーム及び後アームのそれぞれの連結点が前記直進状態における各連結点よりも車両の左右方向外側に変位し、かつ旋回方向外側のアーム機構では後アームと車輪取付部との連結点の変位量が前アームと車輪取付部との連結点の変位量よりも大きく、旋回方向内側のアーム機構では前アームと車輪取付部との連結点の変位量が後アームと車輪取付部との連結点の変位量よりも大きくなるように、前記アーム駆動機構による前記アームの駆動を制御するステアリング制御手段をさらに備えていてもよい（請求項２）。このように各アームと車輪取付部との連結点の変位量を設定することにより、旋回時に車輪を左右方向外側へ押し出しつつ操向させることができる。

さらに、本発明の一形態においては、左右のアーム機構のそれぞれと、前記アーム駆動機構とが、前記車輪取付部のスピンドルを挟んで上下に二組ずつ設けられてもよい（請求項３）。車輪取付部を上下二組のアーム機構にて支持することにより、車輪をより安定的に支持することができる。しかも、上下のアーム機構に異なる動作を与えることにより、キングピン軸の左右方向あるいは前後方向に関する傾きを様々に変化させ、それによりトー角、キャスタ角等も任意に設定することができる。

以上に説明したように、本発明のステアリング装置によれば、前アーム及び後アームのそれぞれと車輪取付部との連結点を車両の左右方向外側に互いに異なる変位量で変位させることにより、キングピン軸を左右方向外側に移動させつつ、車輪に対するキングピン軸の位置を車輪の鉛直中心線の近傍に限ることなく様々な位置に設定し、さらには前後アームと車輪取付部との連結点の変位量の差に応じた操向角を車輪に与えることができる。これにより、キングピン軸の位置、及びそのキングピン軸の周りの車輪の操向動作に関する設定の自由度が高まり、キングピン軸が車輪の鉛直中心線近傍に固定されている従来のステアリング装置における種々の不都合を解消することができる。

［第１の形態］
図１は本発明の第１の形態に係るステアリング装置の車両直進時における状態を、図２はそのステアリング装置の左旋回時における状態をそれぞれ示している。なお、以下の説明において、各構成要素を示す参照符号に添え字Ｌ、Ｒを付して左右を区別するが、特に区別を要しない場合には添え字を省略することがある。図１及び図２のステアリング装置１Ａは乗用車の左右の前輪２Ｌ、２Ｒを操向するためのものである。前輪２Ｌ、２Ｒはそれぞれ車輪取付部３Ｌ、３Ｒに取り付けられている。車輪取付部３Ｌ、３Ｒは、前輪２Ｌ、２Ｒの回転中心となるスピンドル４Ｌ、４Ｒを含んだアッセンブリ部品として構成される。あるいは、車輪取付部３はインホイールモータであってもよく、その場合にはインホイールモータの出力軸がスピンドル４を構成する。

ステアリング装置１Ａは、車輪取付部３に対応して設けられた左右のアーム機構５Ｌ、５Ｒと、それらのアーム機構５を駆動するアーム駆動機構６とを備えている。左側のアーム機構５Ｌは車両の前後方向（図１において上下方向）に並べられた一対の前アーム７Ｌ及び後アーム８Ｌを有している。それらの前アーム７Ｌ、後アーム８Ｌの外側の端部は、車両の前後方向にスピンドル４Ｌを挟んで対称的に設定された連結点ＨＬｆ、ＨＬｒにて車輪取付部３Ｌに回転自在に連結されている。車輪取付部３Ｌはこれらのアーム７Ｌ、８Ｌを介して車体に支持される。同様に、右側のアーム機構５Ｒは車両の前後方向に並べられた一対の前アーム７Ｒ及び後アーム８Ｒを有している。それらの前アーム７Ｒ、後アーム８Ｒの外側の端部は、車両の前後方向にスピンドル４Ｒを挟んで対称的に設定された連結点ＨＲｆ、ＨＲｒにて車輪取付部３Ｒに回転自在に連結されている。車輪取付部３Ｒはこれらのアーム７Ｒ、８Ｒを介して車体に支持される。

アーム駆動機構６は、アーム７、８を操作するためのアーム操作部１０と、回転角規定手段としてのギア機構１３とを備えている。アーム操作部１０には一対の回転体１１、１２が設けられている。回転体１１、１２は車体に設けられた上下方向の回転軸１４に互いに独立して回転できるように取り付けられている。これらの回転体１１、１２は、アーム駆動機構６の第１回転体駆動部２１及び第２回転体駆動部２２（図４参照）により回転軸１４の周りに互いに独立して回転駆動される。回転軸１４は車両の前後方向中心線ＣＬ上に配置されている。回転体駆動部２１、２２には、サーボモータ、ロータリアクチュエータといった回転運動を発生する各種の駆動装置を用いてよい。但し、回転体駆動部２１、２２は、回転体１１、１２をそれぞれ任意の角度回転させ、かつその回転後の位置で回転体１１、１２を保持できる機能を有している必要がある。回転体駆動部２１、２２と回転体１１、１２とはギア機構等の適宜の伝達機構を介して連結すればよい。あるいは、回転軸１４と回転体１１、１２との間にビルトインモータ等の回転駆動源を組み込んでもよい。図１において回転体１１、１２は共通の回転軸１４上に配置されているが、回転体１１、１２のそれぞれの回転中心線は必ずしも同軸上であることを要しない。回転体１１、１２は一方向に延ばされた平板アーム状に形成されているが、それらの形状は任意でよい。

図１及び図２に示すように、第１回転体１１の前端部は右側の前アーム７Ｒの内側の端部と連結点ＪＲｆにて回転自在に連結され、第１回転体１１の後端部は左側の後アーム８Ｌの内側の端部と連結点ＪＬｒにて回転自在に連結されている。一方、第２回転体１２の前端部は左側の前アーム７Ｌの内側の端部と連結点ＪＬｆにて回転自在に連結され、第１回転体１１の後端部は右側の後アーム８Ｒの内側の端部と連結点ＪＲｒにて回転自在に連結されている。

なお、各アームの外側の連結点ＨＬｆ、ＨＬｒ、ＨＲｆ、ＨＲｒ、及び内側の連結点ＪＬｆ、ＪＬｒ、ＪＲｆ、ＪＲｒのそれぞれにおいては、アーム７、８が車両の上下方向の軸線を中心として回転できるように連結構造を定めればよい。但し、ブッシュ、球面軸受等を介して連結することにより、車輪取付部３又は回転体１１、１２に対してアーム７、８が水平方向の軸線の周りにも幾らか回転できるようにしてもよい。回転体１１、１２を回転軸１４の方向に変位可能とすることにより、車体に対する前輪２Ｌ、２Ｒの上下動を許容してもよい。この場合、車体と回転体１１、１２との間にばね及びダンパーを設けてもよい。

ギア機構１３は、第１回転体１１の回転軸１４上に配置された第１ギア１５と、その第１ギア１５と噛み合う一対の第２ギア１６と、連結点ＪＲｆ、ＪＬｒ上にそれぞれ配置されて第２ギア１６と噛み合う一対の第３ギア１７とを備えている。第１ギア１５は回転軸１４に同軸的に固定されており、回転不能である。つまり、第１回転体１１及び第２回転体１２のいずれが回転しても第１ギア１５は車体に対して回転しない。第２ギア１６は第１回転体１１上に回転自在に取り付けられている。従って、第２ギア１６は第１回転体１１の回転に伴って第１ギア１５の周りに回転する。第３ギア１７は第１回転体１１に対して回転自在かつ連結点ＪＲｆ、ＪＬｒ上にて前アーム７Ｒ又は後側アーム８Ｒと一体に回転できるように設けられている。このようなギア機構１３を設けることにより、直進状態からの第１回転体１１の回転角と、その第１回転体１１に対する前アーム７Ｒ及び後アーム８Ｌのそれぞれの回転角とが一義的に対応付けられる。これにより、左側のアーム機構５Ｌに存在する４つの連結点ＨＬｆ、ＨＬｒ、ＪＬｆ及びＪＬｒのうち、後アーム８Ｌ上の連結点ＨＬｒ及びＪＬｒについては第１回転体１１の回転角に応じてそれらの位置が一義的に定まる。また、第２回転体１２上に存在する連結点ＪＬｆについては、第２回転体１２の回転角に応じてその位置が一義的に定まる。従って、残る連結点ＨＬｆについても、第１回転体１１及び第２回転体１２の位置が決まれば一義的に定まることになる。よって、前アーム７Ｌ及び後アーム８Ｌに支持される車輪取付部３Ｌの位置及び傾きは、第１回転体１１及び第２回転体１２の回転角を決めれば一義的に定まる。右側のアーム機構５Ｒに存在する４つの連結点ＨＲｆ、ＨＲｒ、ＪＲｆ及びＪＲｒの位置に関しても同様に第１回転体１１及び第２回転体１２の回転角に応じて一義的に定まる。

第１回転体１１及び第２回転体１２と車輪取付部３との関係は、回転体１１、１２が最も接近した状態、言い換えると、回転体１１、１２上の４つの連結点ＪＬｆ、ＪＲｆ、ＪＬｒ、ＪＬｒのそれぞれが車両の左右方向に関して最も内側に位置する状態において、前輪２Ｌ、２Ｒが直進方向を向くように設定されている。この直進状態においてアーム機構５Ｌ、５Ｒは左右対称であり、左側の車輪取付部３Ｌ上の連結点ＨＬｆ、ＨＬｒは前後方向に一直線に並び、右側の車輪取付部３Ｒ上の連結点ＨＲｆ、ＨＲｒは前後方向に一直線に並んでいる。車両の前後方向中心線ＣＬと前輪２Ｌ、２Ｒの中心線ＡＬ、ＡＲまでの距離は互いに等しい。さらに、直進状態において、左側のアーム７Ｌ、８Ｌの延長線の交点ＩＬは前輪２Ｌの接地中心（この例では前輪２Ｌの鉛直方向中心線ＶＬと一致する。）よりも車両の左右方向外側に位置している。同様に、右側のアーム７Ｒ、８Ｒの延長線の交点ＩＲは前輪２Ｒの接地中心（前輪２Ｒの鉛直方向中心線ＶＲと一致する。）よりも車両の左右方向外側に位置している。交点ＩＬ、ＩＲと前輪２Ｌ、２Ｒの接地中心との関係を上記のように設定することにより、回転体１１、１２の回転を利用して前輪２Ｌ、２Ｒを直進時の位置よりも車両の左右方向外側に押し出しながら操向することが可能となる。

次に、図１の直進状態から回転体１１、１２を回転させた場合の動作を説明する。図１の直進状態から第１回転体１１を時計方向に回転させると、右側の前アーム７Ｒ及び左側の後アーム８Ｌのそれぞれが車両の左右方向外側に押し出され、しかも、前アーム７Ｒ及び後アーム８Ｌはギア機構１３によって定められる回転角だけ第１回転体１１に対して回転する。これにより、連結点ＨＬｒ及びＨＲｆは、直進時のそれらの位置と比較して車両の左右方向外側でかつ第１回転体１１の回転角に応じた位置へ変位する。また、図１の直進状態から第２回転体１２を反時計方向に回転させると、左側の前アーム７Ｌ及び右側の後アーム８Ｒのそれぞれが車両の左右方向外側に押し出され、それらのアーム７Ｌ、８Ｒと車輪取付部３との連結点ＨＬｆ、ＨＲｒも直進時のそれらの位置と比較して車両の左右方向外側でかつ第２回転体１２の回転角に応じた位置へ変位する。

第１回転体１１の直進状態からの回転角と、第２回転体１２の直進状態からの回転角との間に差を与えることにより、第１回転体１１に関連付けられた連結点ＨＬｒ、ＨＲｆの左右方向外側に関する変位量と、第２回転体１２に関連付けられた連結点ＨＬｆ、ＨＲｒの左右方向外側に関する変位量との間に差が生じ、その差に応じて前輪２Ｌ、２Ｒが直進状態から左方又は右方に操向される。図２は第２回転体１２の回転角が第１回転体１１よりも大きく設定された場合を示している。この場合には、第２回転体１２に関連付けられた連結点ＨＬｆ、ＨＲｒが第１回転体１１に関連付けられた連結点ＨＬｒ、ＨＲｆよりも外側に大きく変位する。このため、前輪２Ｌ、２Ｒが左方に操向されて車両が左旋回する。このとき、左側のキングピン軸（正確には仮想キングピン軸）ＫＰＬは前輪２Ｌの鉛直方向中心線ＶＬよりも後方へ偏り、右側のキングピン軸ＫＰＲは前輪２Ｒの鉛直方向中心線ＶＲよりも前方へ偏る。反対に、第２回転体１２の回転角が第１回転体１１よりも小さく設定された場合には、前輪２Ｌ、２Ｒが右側に操向されて車両が右旋回し、キングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲは左旋回時は逆方向に移動する。これらのキングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲの位置、及び前輪２Ｌ、２Ｒの操向角は、第１回転体１１の回転角と第２回転体１２の回転角との組み合わせを調整することにより、適宜に変化させることができる。図２では、キングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲを直進時における前輪２Ｌ、２Ｒの中心線上でかつ前輪２Ｌ、２Ｒの端部に設定しているが、これに限らずキングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲの位置は適宜に設定することができる。

以上の説明から明らかなように、本形態のステアリング装置１Ａにおいては、旋回時に前輪２Ｌ、２Ｒを外側に押し出しつつ操向させることができるので、特に旋回方向外側の前輪において大きな横力を迅速に発生させてステアリング操作に対する車両の旋回動作の応答性を向上させることができる。また、旋回時に前輪２Ｌ、２Ｒ間のトレッドが拡大し、ロールの抑制効果も高まる。図３Ａ又は図３Ｂに示したように前輪２Ｌ、２Ｒを車体ＢＤの外側へ張り出すようにして操向させることにより、前輪２Ｌ、２Ｒの操向角を従来よりも大きく確保して車両の最小回転半径を縮小し、かつ車体ＢＤの内側への前輪２Ｌ、２Ｒのせり出しを抑えて前輪２Ｌ、２Ｒを収容するために必要なスペースを削減することができる。特に、図２に示した位置にキングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲを設定した場合には、車体ＢＤに設けるべき前輪２Ｌ、２Ｒの収容スペースは直進状態の前輪２Ｌ、２Ｒをカバーできる程度で足りる。従って、車体幅を減少させて空気抵抗の削減、これに伴う燃費の向上を図ることができる。あるいは、前輪２Ｌ、２Ｒの収容スペースの削減分をエンジン、キャビン等の他のスペースに充当してエンジンコンパートメント、あるいはキャビンを拡大することができる。なお、図２のようにキングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲを前輪２Ｌ、２Ｒの端部に設定するためには、第１回転体１１の回転角を１としたときに、回転板１１に対する前アーム７Ｒ及び後アーム８Ｌの回転角が１．４程度となるようにギア機構１３のギア比を設定するとよい。

次に、車両の不図示の操舵部材（典型的にはステアリングホイール）の操作に連係してアーム７、８を動作させるためにステアリング装置１Ａに設けられる制御系について説明する。図４はその制御系のブロック図である。ステアリング装置１Ａの制御系は、操舵部材の操作に連係して回転体１１、１２の動作を制御するステアリング制御手段として、ステアリングコントローラ（以下、コントローラと略称する。）２０を備えている。コントローラ２０はコンピュータユニットとして構成されている。コントローラ２０には、その制御対象として、上述した第１回転体駆動部２１及び第２回転体駆動部２２が接続されている。コントローラ２０には、回転体駆動部２１、２２の制御において参照すべき各種の物理量を検出するセンサ群２３が接続されている。センサ群２３は、操舵部材の中立位置（直進時の位置）からの操舵角を検出する操舵角センサ２４を含む。なお、ここでいう操舵角は、操舵部材の中立位置からの操作方向を識別可能な情報を含む。その他に、車速センサ２５、ヨーレートセンサ２６といった車両の運動状態を示すパラメータ（以下、車両運動パラメータと呼ぶ。）を検出する各種のセンサをセンサ群２３に含めてよい。参照されるべき車両運動パラメータとしては、車速、ヨーレートの他にも、車体スリップ角、横Ｇ等を適宜に選択してよい。

図５は、回転体１１、１２を駆動するためにコントローラ２０が実行するステアリング制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンでは、まずステップＳ１１で操舵角センサ２４からの出力信号に基づいて操舵部材の操舵角が検出され、続くステップＳ１２で車速センサ２５等の出力信号に基づいて車両運動パラメータが検出される。次のステップＳ１３では、検出した操舵角及び車両運動パラメータに基づいて回転体１１、１２に与えるべき回転角が決定される。回転角は一例として次の手順により決定することができる。

まず、操舵角と回転体１１、１２の回転角との対応関係を記述したマップを予め作成してコントローラ２０のＲＯＭに記憶させておく。操舵角と回転体１１、１２との対応関係は実験、又はシミュレーションにより求めることができる。例えば、図２のようにキングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲを前輪２Ｌ、２Ｒの端部に設定する場合には、それらのキングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲの周りに前輪２Ｌ、２Ｒを操向させたときの連結点ＨＬｆ、ＨＬｒ、ＨＲｆ、ＨＲｒのそれぞれの軌跡を求め、得られた軌跡を操舵部材の中立位置からの操舵角と対応付けることにより、操舵角毎に連結点ＨＬｆ、ＨＬｒ、ＨＲｆ、ＨＲｒがどの位置に移動しているべきかを把握する。そして、連結点ＨＬｆ、ＨＬｒ、ＨＲｆ、ＨＲｒと回転体１１、１２の回転角との対応関係を利用して操舵角と回転体１１、１２との対応関係を求めればよい。ステップＳ１３においては、ＲＯＭに格納されたマップを参照して操舵角センサ２４が検出した操舵角に対応する回転体１１、１２の回転角を取得し、得られた回転角を、車速、ヨーレート等の車両運動パラメータに応じて適宜に補正して最終的な目標回転角として決定する。あるいは、操舵角と回転体１１、１２の回転角との対応関係を記述したマップを、車速、ヨーレート等の車両運動パラメータに応じて複数種類用意し、センサ群２３が検出した車両運動パラメータを参照して適切なマップを選択し、その選択されたマップにより操舵角に対応する回転体１１、１２の回転角を決定してもよい。

車両運動パラメータと回転体１１、１２の回転角との関係はその車両運動パラメータが車両の旋回性能に与える影響を考慮して適宜に定めればよい。例えば、センサ群２３の検出値から低速旋回時と判断したときには、同一の操舵角に対して前輪２Ｌ、２Ｒがより大きく操向されるように操舵角と回転体１１、１２との対応関係を設定し、高速旋回時と判断したときには前輪２Ｌ、２Ｒのトレッドが低速旋回時よりも大きく維持されるように操舵角と回転体１１、１２の回転角との対応関係を設定してもよい。いずれにせよ、本形態のステアリング装置１Ａによれば、回転体１１、１２の回転角の組み合わせに応じてキングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲの位置及び前輪２Ｌ、２Ｒの操向角を様々な状態に設定することができる。

図５のステップＳ１３で回転体１１、１２の回転角が決定された後は、ステップＳ１４でその決定された回転角が回転体１１、１２に与えられるように第１回転体駆動部２１及び第２回転体駆動部２２が駆動される。この後、ステップＳ１１へと処理が戻され、以下同様手順が繰り返される。

［第２の形態］
図６は本発明の第２の形態に係るステアリング装置の車両直進時における状態を、図７はそのステアリング装置の左旋回時における状態をそれぞれ示している。なお、第１の形態との共通部分には同一の参照符号を付し、それらの説明を省略する。

図６のステアリング装置１Ｂは、第１回転体１１上のギア機構１３が省略され、これに代わる回転角規定手段として、回転体１１、１２と前アーム７Ｌ、７Ｒとの連結点ＪＬｆ、ＪＲｆに左アーム駆動部２７Ｌ及び右アーム駆動部２７Ｒが設けられた点で第１の形態のステアリング装置１Ａと異なっている。アーム駆動部２７Ｌ、２７Ｒは、前アーム７Ｌ、７Ｒを回転体１１、１２に対して連結点ＪＬｆ、ＪＲｆの周りにそれぞれ回転駆動する。回転体１１、１２を駆動するための回転体駆動部２１、２２と同様に、アーム駆動部２７には、サーボモータ、ロータリアクチュエータといった回転運動を発生する各種の駆動装置を用いてよい。但し、アーム駆動部２７は、前アーム７を任意の角度回転させ、かつその回転後の位置で前アーム７を保持できる機能を有している必要がある。アーム駆動部２７の追加に伴って、ステアリング装置１Ｂを駆動するための制御系においては、図８に示したようにステアリングコントローラ２０に対して制御対象としてアーム駆動部２７Ｌ、２７Ｒがさらに接続される。なお、アーム７、８の延長線の交点ＩＬ、ＩＲと前輪２Ｌ、２Ｒの接地中心ＶＬ、ＶＲとの関係は第１の形態と同様である。

図９は、回転体１１、１２及び前アーム７Ｌ、７Ｒを駆動するために図８のコントローラ２０が実行するステアリング制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンでは、まずステップＳ２１で操舵角センサ２４からの出力信号に基づいて操舵部材の操舵角が検出され、続くステップＳ２２で車速センサ２５等の出力信号に基づいて車両運動パラメータが検出され、さらに、ステップＳ２３で、検出した操舵角及び車両運動パラメータに基づいて回転体１１、１２に与えるべき回転角が決定される。ここまでの手順は図５のステップＳ１１〜Ｓ１３と同様である。

続くステップＳ２４においては、ステップＳ２３で決定した回転体１１、１２の回転角に基づいて、これらの回転体１１、１２に対する前アーム７Ｌ、７Ｒの回転角が決定される。ここでは、第１の形態における回転体１１、１２の回転角と前アーム７Ｌ、７Ｒの回転角との関係と同様の関係が成立するように前アーム７Ｌ、７Ｒの回転角を決定してよい。但し、車両運動パラメータに応じて前アーム７の回転角を様々に変化させてもよい。つまり、第１の形態では回転体１１の回転角に応じて前アーム７Ｒ及び後アーム８Ｌの回転角が一義的に規定され、第２回転体１２の回転角に応じて前アーム７Ｌ及び後アーム８Ｒの回転角が一義的に規定されるが、本形態では、アーム駆動部２７Ｌ、２７Ｒにより前アーム７Ｌ、７Ｒを回転体１１、１２に対して連結点ＪＬｆ、ＪＲｆの周りに相対的に回転させることにより、回転体１１、１２が決まっても、前アーム７Ｌ、７Ｒの回転角をさらに変化させることができる。従って、車両運動パラメータに応じて、キングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲの位置、あるいは前輪２Ｌ、２Ｒの操向角をさらに柔軟に変化させるようにステップＳ２４にてアーム７の回転角を決定してもよい。

ステップＳ２４で前アーム７の回転角が決定された後はステップＳ２５へと処理が進められる。ステップＳ２５においては、ステップＳ２３にて決定された回転角が回転体１１、１２に与えられるように第１回転体駆動部２１及び第２回転体駆動部２２が駆動されるとともに、ステップＳ２４にて決定された回転角が前アーム７に与えられるようにアーム駆動部２７Ｌ、２７Ｒが駆動される。この後、ステップＳ２１へと処理が戻され、以下同様手順が繰り返される。

本形態のステアリング装置１Ｂによれば、旋回時に前輪２Ｌ、２Ｒを外側に押し出しつつ操向させることができ、また、回転体１１、１２の回転角の組み合わせによってキングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲを様々な位置に設定することができ、さらには前輪２Ｌ、２Ｒの操向角も様々に変化させることができるので、第１の形態と同様の作用効果が得られる。加えて、回転体１１、１２に対する前アーム７の回転角を任意に変化させることができるので、キングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲの位置、前輪２Ｌ、２Ｒの操向角、トレッド等の調整の自由度がさらに高まる利点がある。

［参考例］
図１０は本発明の実施形態に対する参考例に係るステアリング装置の車両直進時における状態を、図１１はそのステアリング装置の左旋回時における状態をそれぞれ示している。なお、第１の形態との共通部分には同一の参照符号を付し、それらの説明を省略する。

上述したステアリング装置１Ａ、１Ｂと同様に、参考例のステアリング装置１Ｃは、車輪取付部３Ｌ、３Ｒのそれぞれに対応する一対のアーム機構３０Ｌ、３０Ｒと、それらのアーム機構３０を駆動するアーム駆動機構３１とを備えている。左側のアーム機構３０Ｌは車両の前後方向に並べられた一対の前アーム３２Ｌ及び後アーム３３Ｌを有し、右側のアーム機構３０Ｒも車両の前後方向に並べられた一対の前アーム３２Ｒ及び後アーム３３Ｒを有している。これらのアーム３２、３３の外側の端部はそれぞれ連結点ＨＬｆ、ＨＬｒ、ＨＲｆ、ＨＲｒにて車輪取付部３Ｌ、３Ｒに回転自在に連結されている。また、前アーム３２及び後アーム３３の内側の端部は連結点ＪＬｆ、ＪＬｒ、ＪＲｆ、ＪＲｒにて支持部材３４に回転自在に連結されている。支持部材３４は車両の前後方向中心線ＣＬ上にて車体に固定されている。従って、車輪取付部３Ｌは前アーム３２Ｌ及び後アーム３３Ｌを介して車体に支持され、車輪取付部３Ｒは前アーム３２Ｒ及び後アーム３３Ｒを介して車体に支持される。

なお、この参考例においても、各アームの外側の連結点ＨＬｆ、ＨＬｒ、ＨＲｆ、ＨＲｒ、及び内側の連結点ＪＬｆ、ＪＬｒ、ＪＲｆ、ＪＲｒのそれぞれにおいては、アーム３２、３３が車両の上下方向の軸線を中心として回転できるように連結構造を定めればよい。但し、ブッシュ、球面軸受等を介して連結することにより、車輪取付部３又は支持部材３４に対してアーム３２、３３が水平方向の軸線の周りにも幾らか回転できるようにしてもよい。支持部材３４を上下方向に変位可能とすることにより、車体に対する前輪２Ｌ、２Ｒの上下動を許容してもよい。この場合、支持部材３４と車体との間にばね及びダンパーを設けてもよい。支持部材３４は左右のアーム機構３０Ｌ、３０Ｒのそれぞれに対して別々に設けられてもよい。

アーム駆動機構３１は、前アーム３２Ｌ、３２Ｒのそれぞれに組み込まれた直動型のアクチュエータ３５Ｌ、３５Ｒと、後アーム３３Ｌ、３３Ｒのそれぞれに組み込まれた直動型のアクチュエータ３６Ｌ、３６Ｒとを備えている。すなわち、図１１から明らかなように、前アーム３２Ｌ、３２Ｒのそれぞれは、支持部材３４に連結されるチューブ３２ａと、先端が車輪取付部３に連結され他端側がチューブ３２ａ内に伸縮自在に挿入されるロッド３２ｂとを備えており、それぞれのチューブ３２ａにはロッド３２ｂを伸縮駆動する前アーム駆動部３７Ｌ、３７Ｒが取り付けられている。左前アーム３２Ｌにおいては、チューブ３２ａ、ロッド３２ｂ及び駆動部３７Ｌによりアクチュエータ３５Ｌが構成され、右前アーム３２Ｒにおいてはチューブ３２ａ、ロッド３２ｂ及び駆動部３７Ｒによりアクチュエータ３５Ｒが構成される。また、前アーム３２と同様に、後アーム３３Ｌ、３３Ｒのそれぞれは、支持部材３４に連結されるチューブ３３ａと、先端が車輪取付部３に連結され他端側がチューブ３３ａ内に伸縮自在に挿入されるロッド３３ｂとを備えており、それぞれのチューブ３３ａにはロッド３３ｂを伸縮駆動する後アーム駆動部３８Ｌ、３８Ｒが取り付けられている。左後アーム３３Ｌにおいては、チューブ３３ａ、ロッド３３ｂ及び駆動部３８Ｌによりアクチュエータ３６Ｌが構成され、右後アーム３３Ｒにおいてはチューブ３３ａ、ロッド３３ｂ及び駆動部３８Ｒによりアクチュエータ３６Ｒが構成される。

駆動部３７、３８はそれぞれロッド３２ｂ、３３ｂを任意の位置に駆動してその位置で保持できるものであればよく、一例として電動パワーステアリングに用いられる駆動装置を駆動部３７、３８として用いることができる。そのような駆動装置を前アーム３２のアクチュエータ３６に適用した一例を図１２に示す。図１２の例では、電動モータ４０の出力軸４０ａの回転がその出力軸４０ａに取り付けられたピニオン４１からリングギア４２に伝達される。リングギア４２の中心にはピニオンシャフト４３が一体回転可能に設けられ、そのピニオンシャフト４３の下端にはピニオン４４が一体に形成されている。ロッド３２ｂにはピニオン４４と噛み合うラック４５が一体に形成されている。従って、リングギア４２に伝達された回転はピニオン４４及びラック４５を介してロッド３２ｂの軸線方向の運動に変換され、これによりロッド３２ｂがチューブ３２ａに対して伸縮する。後アーム３３のアクチュエータ３６Ｌ、３６Ｒに関しても同様に構成すればよい。なお、アクチュエータ３５、３６はモータ４０によって伸縮動作を行うものに限らず、油圧等を利用して伸縮動作を実現するものでもよい。

以上のステアリング装置１Ｃにおいては、図１０に示すようにロッド３２ｂ、３３ｂが最も縮められた状態で前輪２Ｌ、２Ｒが直進方向を向くように前アーム３２及び後アーム３３の伸縮量と車輪取付部３との関係が設定されている。この直進状態においてアーム機構３０Ｌ、３０Ｒは左右対称であり、左側の車輪取付部３Ｌ上の連結点ＨＬｆ、ＨＬｒは前後方向に一直線に並び、右側の車輪取付部３Ｒ上の連結点ＨＲｆ、ＨＲｒは前後方向に一直線に並んでいる。車両の中心線ＣＬと前輪２Ｌ、２Ｒの中心線ＡＬ、ＡＲまでの距離は互いに等しい。さらに、直進状態において、左側のアーム３２Ｌ、３３Ｌの延長線の交点ＩＬは前輪２Ｌの接地中心（この例でも前輪２Ｌの鉛直方向中心線ＶＬと一致する。）よりも車両の左右方向外側に位置し、右側のアーム３２Ｒ、３３Ｒの延長線の交点ＩＲは前輪２Ｒの接地中心（前輪２Ｒの鉛直方向中心線ＶＲと一致する。）よりも車両の左右方向外側に位置している。

直進状態からアーム３２、３３を車両の左右方向外側に伸張させ、かつ、前側の連結点ＨＬｆ、ＨＲｆの変位量と後側の連結点ＨＬｒ、ＨＲｒの変位量との間に差が生じるようにアーム３２、３３の伸び量を制御することにより、第１の形態と同様に前輪２Ｌ、２Ｒを外側に押し出しつつ操向させることができる。この場合、キングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲの位置、前輪２Ｌ、２Ｒの操向角、トレッドに関しては、直進状態からのアーム３２、３３の伸び量の組み合わせを調整することにより任意に変化させることができる。

図１３はステアリング装置１Ｃの制御系のブロック図である。ステアリング装置１Ｃの制御系は、前アーム３２Ｌ、３２Ｒ、後アーム３３Ｌ、３３Ｒにそれぞれ対応したアーム駆動部３７Ｌ、３７Ｒ、３８Ｌ、３８Ｒがコントローラ２０に制御対象として接続されている点で図４の制御系と相違する。

図１４はアーム３２、３３を伸縮させるために図１３のコントローラ２０が実行するステアリング制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンでは、まずステップＳ３１で操舵角センサ２４からの出力信号に基づいて操舵部材の操舵角が検出され、続くステップＳ３２で車速センサ２５等の出力信号に基づいて車両運動パラメータが検出される。ここまでの手順は図５のステップＳ１１及びＳ１２と同様である。

続くステップＳ３３では、検出した操舵角及び車両運動パラメータに基づいてアーム３２、３３の直進状態からの伸び量が決定される。この場合も、前輪２Ｌ、２Ｒを操舵角に応じた角度だけ操向するために必要な各アームの伸び量を実験やシミュレーションによって予め求めて操舵角と各アームの伸び量との対応関係を記述したマップを作成し、そのマップをコントローラ２０のＲＯＭに記憶させ、そのマップを参照して操舵角に対応する伸び量を得るようにすればよい。また、得られた伸び量を車両運動パラメータに応じて適宜に修正してよい。

ステップＳ３３でアームの伸び量が決定された後はステップＳ３４へと処理が進められる。ステップＳ３４においては、ステップＳ３３にて決定された伸び量が各アームに与えられるようにアーム駆動部３７、３８が駆動される。この後、ステップＳ３１へと処理が戻され、以下同様手順が繰り返される。

参考例のステアリング装置１Ｃにおいては、左右のアーム機構３０Ｌ、３０Ｒを互いに独立して駆動することができるので、前輪２Ｌ、２Ｒのそれぞれのキングピン軸ＫＰＬ、ＫＰＲの位置、前輪２Ｌ、２Ｒの操向角を互いに独立して設定することもできる。

以上に説明したステアリング装置１Ａ〜１Ｃでは、一対のアーム機構５Ｌ、５Ｒ又は３０Ｌ、３０Ｒによって車輪取付部３を支持しているが、アーム機構を上下に二組設けることにより、車輪取付部を４本のアームで支持してもよい。図１又は図６のアーム機構５Ｌ、５Ｒを上下二組配置した例を図１５に示す。この例では、スピンドル４Ｌ、４Ｒを挟んで車輪取付部３Ｌ、３Ｒの上下にアーム機構５Ｌ、５Ｒが配置され、それらのアーム７、８が車輪取付部３Ｌ、３Ｒの上下に連結され、かつ上下のアーム機構５に対してアーム駆動機構６も別々に設けられている。この場合、上下のアーム機構を互いに等しく動作させてもよいが、互いに異なる動作を上下のアーム駆動機構に与えてもよい。上下のアーム機構を別々に駆動する場合には、トー角やキャスタ角を変化させることができる。但し、連結点ＨＬｆ、ＨＬｒ、ＨＲｆ、ＨＲｒのそれぞれには球面軸受等を配置して、前アーム７及び後アーム８のそれぞれと車輪取付部３とを鉛直軸線周りのみならず３次元方向に相対回転可能に連結する必要がある。参考例のステアリング装置１Ｃに関しても、図１５と同様にアーム機構３０Ｌ、３０Ｒ及びアーム駆動機構３１を上下二組ずつ配置してもよい。上記の形態では、前後のアームの延長線の交点ＩＬ、ＩＲを前輪２Ｌ、２Ｒの接地中心ＶＬ、ＶＲよりも左右方向外側に置いているが、交点ＩＬ、ＩＲを接地中心ＶＬ、ＶＲよりも左右方向内側に配置した場合にはアームの駆動に対する前輪の挙動が上記の各形態とは逆になる。

本発明は上述した形態に限ることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、本発明は乗用車に限らず、各種の車両のステアリング装置に適用可能であり、前輪以外の車輪に適用されてもよい。

本発明の第１の形態に係るステアリング装置の直進時の状態を示す図。 第１の形態に係るステアリング装置の左旋回時の状態を示す図。 左旋回時の前輪と車体との関係を示す図。 右旋回時の前輪と車体との関係を示す図。 第１の形態のステアリング装置における制御系のブロック図。 図４のコントローラが実行するステアリング制御ルーチンを示すフローチャート。 本発明の第２の形態に係るステアリング装置の直進時の状態を示す図。 第２の形態に係るステアリング装置の左旋回時の状態を示す図。 第２の形態のステアリング装置における制御系のブロック図。 図８のコントローラが実行するステアリング制御ルーチンを示すフローチャート。 本発明の実施形態に対する参考例に係るステアリング装置の直進時の状態を示す図。 参考例に係るステアリング装置の左旋回時の状態を示す図。 アーム駆動部の一例を示す図。 参考例のステアリング装置における制御系のブロック図。 図１３のコントローラが実行するステアリング制御ルーチンを示すフローチャート。 アーム機構を上下に二組設けた例を示す図。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ ステアリング装置
２Ｌ、２Ｒ 前輪
３Ｌ、３Ｒ 車輪取付部
４Ｌ、４Ｒ スピンドル
５Ｌ、５Ｒ アーム機構
６ アーム駆動機構
７Ｌ、７Ｒ 前アーム
８Ｌ、８Ｒ 後アーム
１０ アーム操作部
１１ 第１回転体
１２ 第２回転体
１３ ギア機構（回転角規定手段）
２０ ステアリングコントローラ（ステアリング制御手段）
２１ 第１回転体駆動部
２２ 第２回転体駆動部
２４ 操舵角センサ
２７Ｌ、２７Ｒ アーム駆動部（回転角規定手段）
３０Ｌ、３０Ｒ アーム機構
３１ アーム駆動機構
３２Ｌ、３２Ｒ 前アーム
３２ａ チューブ
３２ｂ ロッド
３３Ｌ、３３Ｒ 後アーム
３３ａ チューブ
３３ｂ ロッド
３４ 支持部材
３５Ｌ、３５Ｒ、３６Ｌ、３６Ｒ アクチュエータ
３７Ｌ、３７Ｒ 前アーム駆動部
３８Ｌ、３８Ｒ 後アーム駆動部
ＢＤ 車体
ＨＬｆ、ＨＬｒ、ＨＲｆ、ＨＲｒ 連結点
ＫＰＬ、ＫＰＲ キングピン軸

Claims (3)

1. 車両の車輪取付部に対して車両の前後方向に離された一対の連結点にて回転自在に連結される前アーム及び後アームをそれぞれ有し、これらのアームを介して前記車輪取付部を支持する左右のアーム機構と、
   各アーム機構の前アーム及び後アームと前記車輪取付部との連結点が車両の左右方向外側に互いに異なる変位量で変位するように各アーム機構の前アーム及び後アームのそれぞれを駆動可能なアーム駆動機構と、
   を備え、
   各アーム機構の前アーム及び後アームは、これらのアームが連結されている連結対象にそれぞれ前記車両の上下方向の軸線を中心として回転自在に連結されており、
   各アーム機構の前アーム及び後アームと前記車輪取付部との連結点のそれぞれの位置は、前記アーム駆動機構にて規定され、
   前記アーム駆動機構が、
   前記アーム機構間に配置されかつ車両の上下方向の回転中心線の周りに回転可能な一対の回転体を有し、一方の回転体には一方のアーム機構の前アームと他方のアーム機構の後アームとが前記回転中心線を挟んで離れた位置にて回転自在に連結され、他方の回転体には一方のアーム機構の後アームと他方のアーム機構の前アームとが前記回転中心線を挟んで離れた位置にて回転自在に連結されたアーム操作部と、
   前記一対の回転体のそれぞれを前記回転中心線の周りに回転駆動する回転体駆動部と、
   各アーム機構の前アーム又は後アームのいずれか一方のアームの前記回転体に対する回転角を規定し、かつ前記一方のアームと前記回転体との連結点に設けられた回転角規定手段と、
   を備えていることを特徴とする車両のステアリング装置。
2. 車両の直進状態からの操舵部材の操作に連係して、前記車輪取付部に対する前記前アーム及び後アームのそれぞれの連結点が前記直進状態における各連結点よりも車両の左右方向外側に変位し、かつ旋回方向外側のアーム機構では後アームと車輪取付部との連結点の変位量が前アームと車輪取付部との連結点の変位量よりも大きく、旋回方向内側のアーム機構では前アームと車輪取付部との連結点の変位量が後アームと車輪取付部との連結点の変位量よりも大きくなるように、前記アーム駆動機構による前記アームの駆動を制御するステアリング制御手段をさらに備え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装置。
3. 左右のアーム機構のそれぞれと、前記アーム駆動機構とが、前記車輪取付部のスピンドルを挟んで上下に二組ずつ設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のステアリング装置。

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