図1に、本発明の第1実施例としてのステアリング装置付きサスペンションを備えた車両の全体概略を示す。なお、本実施例では、車両は電気自動車である。
車両は、前後左右の4本の車輪10fL、10fR、10rL、10rRを有する。これらの車輪10fL、10fR、10rL、10rRは、図2乃至図5に模式的に示すサスペンションにてそれぞれ回転自在に支持する。また、これら車輪にあっては、左右の前輪10fL、10fRを前輪ステアリング装置SFにて、また左右の後輪10rL、10rRを後輪ステアリング装置SRにてそれぞれ転舵可能に構成してある。なお、車両は、前輪ステアリング装置SF及び後輪ステアリング装置SRを制御するため、後述する電子制御システムを備えている。
本実施例では、前輪側サスペンションに前輪ステアリング装置SFの一部を組み付けて、これに前輪側サスペンションのリンク機能を持たせる。同様に、後輪側サスペンションに後輪ステアリング装置SRの一部を組み付けて、これに後輪側サスペンションのリンク機能を持たせる。
まず、前輪側のステアリング装置SFを、図1、図2、図4、図5及び図6に基づき説明する。
図1及び図2に示すように、車室内に設けられて運転者が操作するステアリング・ホイール(操舵輪)1には、この操舵操作に応じて回転するアッパ・ステアリング・シャフト、コラム・チューブ、ロア・ステアリング・シャフト等からなる操舵輪側ステアリング・シャフト24を連結する。操舵輪側ステアリング・シャフト24の途中部分には、操舵力アシストモータ15fが設けられて、ここで発生させたアシスト力を操舵輪側ステアリング・シャフト24に付与することが可能である。また、操舵輪側ステアリング・シャフト24には、ステアリング・ホイール1の操舵角、操舵速度を検出するための操舵角センサ2fを設けてある。
車室外に突き出たロア・ステアリング・シャフトの下端部には操舵輪側歯車3aを設け、この操舵輪側歯車3aを、車両幅方向に伸びる回転軸心を有する右側の中間回転シャフト4fRの途中部分に設けた車輪側歯車3bに噛み合わせる。この操舵輪側歯車3aと車輪側歯車3bとからなるステアリング歯車組3により、ステアリング・ホイール1の回転は、右側の中間回転シャフト4fRの回転へと、その回転方向を変え、かつ減速することが可能となる。なお、右側の中間回転シャフト4fRと同心上で、かつ右側の中間回転シャフト4fRの車両左側には、左側の中間回転シャフト4fLを配置する。
上記で説明したステアリング・ホイール1、操舵輪側ステアリング・シャフト24、操舵力アシストモータ15f、ステアリング歯車組3、及び左右の中間回転シャフト4fL、4fRは、本発明の転舵手段に相当する。
左右の中間回転シャフト4fL、4fRの間に、これらを連結する正逆転切替機構5fを介在させる。正逆転切替機構5fは、右側の中間回転シャフト4fRの軸心回りの回転を、これと同方向の回転、またこれとは逆方向の回転のいずれかに選択的に切り替え可能な機構であり、その詳細は後述する。なお、正逆転切替機構5fは本発明の正逆転切替手段に相当する。
図2に示すように、左右の中間回転シャフト4fL、4fRは、その途中部分をそれぞれ軸受BfL、BfRで軸心回りへ回転自在にしてハウジング31にそれぞれ支持する。ハウジング31は、車体30に取り付け、軸受BfL、BfRの他にも、正逆転切替機構5fやステアリング歯車組3をその内部に保持する。なお、図2では、ハウジング31は正逆転切替機構5fの部分を除いて切り欠いた断面として描いてあり、その内部のステアリング歯車組3、左右の中間回転シャフト4fL、4fR、軸受BfL、BfRが見えるようにしてある。
また、左右の中間回転シャフト4fL、4fRの車両外側端部は、軸受を内蔵する車体30側のブラケット30aで回転自在に支持するとともに、第1ジョイント16L、16Rを介して、それぞれ車両幅方向外側に伸びる左側ステアリング・シャフト6fL、右側ステアリング・シャフト6fRの車両内側端部を、上下方向に揺動可能に連結する。第1ジョイント17L、17Rには、これらが連結するシャフト間の回転方向変位のみ拘束してこれらのシャフトが同じ回転方向、同じ回転変位とするジョイントを用いる。なお、左側ステアリング・シャフト6fLと右側ステアリング・シャフト6fRとは、本発明のステアリング・シャフトに相当する。
左側ステアリング・シャフト6fL、右側ステアリング・シャフト6fRの車両外側端部には、それぞれ車両幅方向外側に伸び外側端に第1歯車71L、71Rを設けた第1シャフト23fL、23fRの車両内端部を、第2ジョイント17fL、17fRを介して上下方向に揺動可能に連結する。第2ジョイント17L、17Rには、これらが連結するシャフト間の回転方向変位のみ拘束してこれらのシャフトが同じ回転方向、同じ回転変位とするジョイントを用いる。
第1歯車71L、71Rは、第2歯車72L、72Rに常に噛み合わせ、これらの回転の軸心の方向を車両幅方向から上下方向へと変えるようにしている。第1歯車71L、71Rと第2歯車72L、72Rとは、本実施例では交差軸歯車とする。交差軸歯車の具体例としては、すぐばかさ歯車、まがりばさかさ歯車、ゼロールかさ歯車等を用いる。これにより、左側ステアリング・シャフト6fLと右側ステアリング・シャフト6fRの車両幅方向に沿う回転軸心の方向を上下方向に沿った回転軸心へと方向を変えることが可能となる。
また、第2歯車72L、72Rは、それぞれ第3歯車73L、73Rと常に噛み合わせる。また、第3歯車73L、73Rは、第2歯車72L、72Rに対し、やや車両前方側で、かつ車両外方向での軸心位置で第2歯車72L、72Rの回転方向と逆回転するようにしてある。なお、これらの歯車は、本実施例ではかさ歯車対とする。
なお、第1歯車71L、71と第2歯車72L、72Rとは本発明の変向歯車組に相当し、第2歯車72L、72Rと第3歯車73L、73Rとはそれぞれ本発明の転舵歯車組に相当する。
ここで、第1歯車71L、71R、第2歯車72L、72R、第3歯車73L、73Rは、常に良好な噛み合わせを常に保つため、それぞれ第1アクスル・ハウジング7fL、7fRに軸受にて支持してある。
すなわち、第1歯車71L、71Rは、図4〜図6に示すように、これらと一体で車両幅方向に伸びる第1シャフト23fL、23fRを第1軸受B1にて第1アクスル・ハウジング7fL、7fRに、軸方向及び半径方向への変位を拘束する一方、回転方向へ回転自在になるようにそれぞれ支持する。第2歯車72L、72Rは、上下方向に伸ばした第2シャフト19aの途中部分に設け、第2シャフト19aの上下端部を第2軸受B2にて第1アクスル・ハウジング7fL、7fRに、軸方向及び半径方向への変位を拘束する一方、回転方向に回転自在になるようにそれぞれ支持する。第3歯車73L、73Rは、同じく上下方向に伸ばした第3シャフト19bの途中部分に設け、第3シャフト19bの上下端部を第3軸受B3にて第1アクスル・ハウジング7fL、7fRに、軸方向及び半径方向への変位を拘束する一方、回転方向に回転自在になるようにそれぞれ支持する。
なお、第1アクスル・ハウジング7fL、7fRには、第1軸受B1〜第3軸受B3を内部に固定するケーシング40をそれぞれ設け、このケーシング40内に第1歯車〜第3歯車71L、72L、73L及び71R、72R、73Rを収納して、これらを泥や水等による不具合から守るようにする。また、ケーシング40は、第1軸受B1〜第3軸受B3を用いることにより第1歯車〜第3歯車71L、72L、73L及び71R、72R、73Rの噛み合いを常に良好に保つことを可能にするよう高い剛性を持たせてある。
第1アクスル・ハウジング7fL、7fRは、それらの上端部を、サスペンション・サポート11fL、11fRの下端部にボルト113、114にて固定する。第1アクスル・ハウジング7fL、7fRの上下方向での中間部分は、これらの車両外側部分を切り欠いて、これらの切り欠き内に第2アクスル・ハウジング8fL、8fRを第1アクスル・ハウジング7fL、7fRに対し揺動可能にそれぞれ取り付けてある。
すなわち、第2アクスル・ハウジング8fL、8fRは、これらの下端部に第3シャフト19bの上端部を固定し、この第3シャフト19bの軸心を通る線上に第3ジョイント25fL、25fRを設けて、第1アクスル・ハウジング7fL、7fRと第2アクスル・ハウジング8fL、8fRの上端部とを連結する。この結果、第2アクスル・ハウジング8fL、8fRは、第3ジョイント25fL、25fRと第3シャフト19bと結ぶ軸心回りに第1アクスル・ハウジング7fL、7fRに対し揺動可能となる。
第2アクスル・ハウジング8fL、8fRの中間部分には、図2にみられるように、開孔を設けて軸受を配して車輪10fL、10fRの駆動軸を回転自在にそれぞれ支持する。したがって、車輪10fL、10fRは、第2アクスル・ハウジング8fL、8fRの揺動に伴って転舵方向へ回動されることになる。なお、第2アクスル・ハウジング8fL、8fRの駆動軸には第2アクスル・ハウジング8fL、8fRに支持した駆動モータ14fL、14fRを連結し、いわゆるホイール・イン・モータを構成する。
ここで、上記正逆転切替機構5fの構成を図7に基づき説明する。
正逆転切替機構5fとしては、ダブル・ピニオン式遊星歯車を用いる。すなわち、図7(a)に示すように、正逆転切替機構5fは、サン・ギヤ51、リング・ギヤ53、サン・ギヤ51に噛み合う第1ピニオンと第1ピニオン及びリング・ギヤ53に噛み合う第2ピニオンとをそれぞれ回転可能に支持するキャリヤ52を有する。サン・ギヤ51には右側の中間回転シャフト4fRの車両内側端部を連結し、またキャリヤ52に左側の中間回転シャフト4fLの車両内側端部を連結する。なお、これらの連結関係は逆にしてもよい。サン・ギヤ51とリング・ギヤ53の歯数比は、0.5に設定する。これにより、右側の中間回転シャフト4fLと左側の中間回転シャフト4fRとは、同じ回転方向であれ、逆回転方向であれ、同じ回転角度の大きさ、同じ回転速さで回転させることが可能となる。
リング・ギヤ53の外周には、電磁式ツー・ウェイ・クラッチからなるロック機構54を配置し、リング・ギヤ54をハウジング57に対し固定したり、あるいは回転自在に切り離したりして、これら間で切り替え可能とする。また、サン・ギヤ51とキャリヤ52とは、同様に電磁式ツー・ウェイ・クラッチからなる一体回転クラッチ55により、一体結合したり、あるいは切り離したりして、これら間で切り替え可能とする。これにより、右側の中間回転シャフト4fLと左側の中間回転シャフト4fRとは、同方向の回転と逆方向の回転が選択可能となる。
これらロック機構54及び一体回転クラッチ55は、下記に説明するように構成して、電磁石56への通電・非通電により切替制御する。
ロック機構54は、図7(b)に示すように、リング・ギヤ53の外周面側にロック機構54の円周形状の内輪転動面54aを形成し、またケース57に固定した外輪の転動面54bを正多角形に形成してカム面として機能させる。内輪転動面54aと外輪転動面54bとの間には、複数個のローラ54を内装するとともに、これらのローラ54はバネ54gと保持器54dとで周方向に等間隔に保持する。
電磁石56への非通電時には、ロック機構54の保持器54dは回転自在となる。この結果、保持器54dは回転するリング・ギヤ53に連れ回され、両転動面間の狭い所でローラ54cが移動不可となってロック機構54がロックする。これにより、リング・ギヤ53がロックされる。なお、このロックはいずれの回転方向でも生じる。
これに対し、電磁石56への通電時には、保持器54dに連結したアーマチュア54eが、ハウジング57に固定した外輪プレート54fに電磁力で引き付けられる結果、保持器54dはその周方向に移動可能な部分の中央位置に保持されて両転動面間に広い隙間を形成する。この状態では、ローラ54cが両転動面間の狭い所に食い込んでロックされることがないので、リング・ギヤ53はいずれの方向にも回転自在となる。
一体回転クラッチ55は、図7(c)に示すように、キャリヤ52に連結し円周形状の転動面を有する外輪55bと、右側の中間回転シャフト4fRに連結し、カム面としての正多角形の転動面を有する内輪55aと、これら転動面間に内装された複数個のローラ55cと、ローラ55cを周方向へ等間隔で保持する保持器55dと、ローラ55cを中立位置に付勢するバネ55gと、を有する。
電磁石56への非通電時には、ローラ55cがバネ55gにより中立位置、すなわち両転動面間の隙間が大きい位置に保持される結果、内輪55aは空転する。したがって、右側の中間回転シャフト4fRと左側の中間回転シャフト4fLとは、回転方向が互いに切り離されて逆方向への回転が可能となる。
これに対し、電磁石56への通電時には、アーマチュア55eがキャリヤ52に固定したロータ55fに電磁力で引き付けられるので、内輪55aが回転すると、ローラ55cが両転動面間の狭い位置まで移動して食い込みロックする。この結果、右側の中間回転シャフト4fRと左側の中間回転シャフト4fLとは、一体となって同じ回転方向、かつ同じ回転角で回転するようになる。
一方、後輪ステアリング装置SRは、前輪ステアリング装置SFのステアリング・ホイール1や操舵輪側ステアリング・シャフト24を設けず、また操舵力アシストモータ15fの代わりに転舵モータ15rを設けている。すなわち、後輪ステアリング装置SRでは、左右の中間回転シャフト4rL、4rRの間に正逆転機構5rを介在させ、これらの中間回転シャフト4rL、4rRを同方向回転と逆方向回転との間で切り替え可能としている。この正逆転機構5rは、図7に示した前輪側の正逆転機構5fと同様に構成する。
転舵モータ15rは、右側の中間回転シャフト4rRを駆動可能である。なお、転舵モータ15rには、この回転角を検出するモータ角度センサ2rを設け、その回転角や回転速度等を計測可能としてある。
その他の構成は、前輪ステアリング装置SFと同様であるので、説明を省略する。
車両には、上述した前輪ステアリング装置SF、後輪ステアリング装置SRを制御するための電子制御システムを搭載してある。すなわち、ステアリング装置の電子制御システムは、操舵モード設定スイッチ20、コントロール・ユニット21、アクチュエータ・ドライバ22、操舵角センサ2f、モータ角度センサ2r、車速センサ2s等を備えている。
操舵モード設定スイッチ20は、運転者が操作可能なように車両の室内に設けて、マイクロコンピュータ等で構成されるコントロール・ユニット21に接続し操舵モード設定信号を入力する。これにより、「通常走行」、「小回り」、「その場回転」といった操舵モードのいずれかを、これらの操舵モードにそれぞれ対応する選択スイッチ20a〜20cを押すことで選択可能としてある。ここで、「通常走行」では前輪のみの転舵あるいは前輪の転舵を主とする転舵とし、「小回り」では前後輪を逆位相に切る転舵とし、「その場回転」では左右車輪を逆位相に切る転舵とする、操舵モードである。
コントロール・ユニット21には、操舵モード設定スイッチ20、操舵角や操舵速度を検出するための操舵角センサ2f、転舵モータ15rの回転角を検出するモータ角度センサ2r、車両の走行速度を検出する車速センサ2s等が接続され、操舵モード設定信号、操舵角信号、モータ角度信号、車速信号等が入力され、これらの信号に応じて左右車輪の目標転舵方向、目標後輪転舵量を算出し、前輪ステアリング装置SFの操舵力アシストモータ15f及び後輪ステアリング装置SRの転舵モータ15rへ加えるアシスト・トルク量を決める目標アシスト信号決定する。たとえば、この算出・決定にあたっては、操舵角信号や操舵速度が大きくなるほどアシスト・トルク量を大きくし、また車速が大きくなるほどアシスト・トルク量を小さくする。これらのセンサからの検出信号に基づき算出した信号をアクチュエータ・ドライバ22へ出力し、操舵力アシストモータ15f及び転舵モータ15rに電力を供給する。
次に、本実施例のサスペンションにつき説明する。
なお、図4〜図6は車両で用いるステアリング装置付きサスペンションのうち車両左側の前輪に用いるのみを示しているが、車両右側の前輪に用いるサスペンションも、車両長手方向中心線に関して車両左側部品と線対称になるように構成する。また、車両左右側の後輪のサスペンションも図4〜図6の同様、及びその線対称となるようにそれぞれ構成する。このように前後左右のサスペンションは互いに実質的に同じ構成とするが、車重の配分等に応じてスプリングのバネ定数やショック・アブソーバの減衰力等の設定を異ならせても良いことは言うまでもない。
左右のサスペンション・サポート11fL、11fRは、それぞれコイル・スプリング111や、ショック・アブソーバを内蔵したストラット112等を有し、これらの軸心方向に沿って伸び縮み可能である。サスペンション・サポート11fL、11fRは、これらの上端部をそれぞれ車体30に第4ジョイント9fL、9fRを介して揺動可能に支持して、やや車両外側の下方へ向けて伸ばし、その下部を前述したように第1アクスル・ハウジング7fL、7fRにボルト113、114にてそれぞれ固定する。
第1アクスル・ハウジング7fLは、図4に示すように、その下端部を車両幅方向外側部分ほど前後幅が狭くなる形状に形成して、第3シャフト19bの軸心回りに回動する前側左車輪10fLが、「その場回転」時などのように大きく転舵された時に干渉しないようにしてある。第1アクスル・ハウジング7fLは、下端部分と、車両幅方向外側へ伸ばして第3ジョイント25fLを支持するよう車両幅方向外側へ伸ばした上端部分とを、これらの車両幅方向内側の前後位置にて上下方向に伸ばした連結部分により一体的に連結してある。
また、第1アクスル・ハウジング7fLは、この下端部が、図5に示すように、第1軸受B1、ステアリング・シャフト6fL、第1シャフト23fLより下方位置で、かつこれらより前方に離した位置で、ロア・リンク13fLの車両幅方向外側端に第5ジョイント18fLを介して連結する。第5ジョイント18fLは、軸方向の変位を拘束するが、上下方向での揺動すなわち回転軸心の変位を許容する。
ロア・リンク13fLは、図4に示すように、この車両幅方向内側部分をその外側部分より車両前後方向に広げて、この内側部分の前後に離れたそれぞれの端部に設けたシリンダ部131a、131bを、車体30に図示しないゴム・ブッシュを介して揺動可能に連結する。より詳細には、ロア・アーム13fLのシリンダ部131aと131bとは、車両前後方向に離して設け、前方側シリンダ部131aをステアリング・シャフト6fLや第1ジョイント16fLの前方に配置し、また後方側シリンダ部131bをステアリング・シャフト6fLや第1ジョイント16fLのやや後方に配置する。本実施例にあっては、前方側シリンダ部131aの軸心と後方側シリンダ部131bの軸心とが同一線上にあるように配置する。
なお、シリンダ部131a、131b内のゴム・ブッシュは、ロア・リンク13fLやステアリング・シャフト6fLが上下方向へ揺動した際、これらの揺動中心が異なることからくる互いのこじりを吸収するのに必要な所定量だけ半径方向や軸心方向への変位を可能とするように設定しておく。
以上のように構成したサスペンションにあっては、図6に示すように、サスペンション・サポート11fLの上端部の第4ジョイント9fLと第1アクスル・ハウジング7fLの下端部の第5ジョイント18fLとを通る直線が、第1キング・ピン軸K1となる。また、第3ジョイント25fLと第3シャフト19bとを通る直線が第2キング・ピン軸K2となる。
ただし、第1アクスル・ハウジング7fLが第1キング・ピン軸K1回りに回動しようとしても、第1アクスル・ハウジング7fLと車体30との間に配置したステアリング・ロッド6fLの剛性によりこの引っ張り方向、圧縮方向への変位が拘束されるので、第1アクスル・ハウジング7fLは第1キング・ピン軸K1回りに回動することができない。一方、第2アクスル・ハウジング8fLは、第2キング・ピン軸K2回りに第1アクスル・ハウジング7fLに対し前側左車輪10fLとともに回動可能である。
なお、前輪側右車輪10fR側のステアリング装置付きサスペンションも、上記前輪側左車輪10fL側のステアリング装置付きサスペンションと同様の構造、ただし線対称に構成する。
以上、前輪側のステアリング装置付きサスペンションを中心に説明したが、後輪側のステアリング装置付きサスペンションも、図1及び図3に示すように、前輪側のステアリング装置付きサスペンションと同様に構成する。ただし、後輪側のステアリング装置付きサスペンションでは、前輪側と違って、ステアリング・ホイール1やステアリング歯車組3がない点、操舵力アシストモータ15fの代わりに転舵モータ15rを設けた点、操舵角センサ2fの代わりにモータ角度センサ2rを設けた点を除けば、前輪側のステアリング装置付きサスペンションと同様の構成とする。したがって、ここでは後輪側のステアリング装置付きサスペンションの説明は省略する。
次に、上記のように構成したステアリング装置付きサスペンションの作用につき、説明する。
車両走行中、道路の凸凹や旋回中の遠心力によって車輪10fL、10fR、10rL、10rRが車体30に対し上下動する。このとき、コイル・スプリング111やショック・アブソーバが縮んだり伸びたりするとともに、ロア・リンク13fL、13fR、13rL、13rRやステアリング・シャフト6fL、6fR、6rL、6rRも、それぞれブラケット131a、131bの軸心回り及び第1ジョイント16fL、16fR、16rL、16rR回りに上下方向へ揺動する。これらと第1アクスル・ハウジング7fL、7fR、7rL、7rRとは、それぞれ第5ジョイント18fL、18fR、18rL、18rR及び第2ジョイント17fL、17fR、17rL、17rRにより相対揺動が可能となる。またサスペンション・サポート11fL、11fR、11rL、11rRと車体30とは、第4ジョイント9fL、9fR、9rL、9rRにより揺動される。また、サスペンションの下方をロア・リンク13fL、13fR、13rL、13rRとステアリング・シャフト6fL、6fR、6rL、6rRとで前後方向の剛性を高く保ち、サスペンションの上方も第4ジョイント9fL、9fR、9rL、9rRにより前後横方向の変位が所定量内に拘束されるので、車輪10fL、10fR、10rL、10rRは、サスペンションに支持・ガイドされスムーズに上下動が可能となる。
一方、ステアリング装置については以下のように作用する。
すなわち、ステアリング・ホイール1かつ/又は操舵力アシストモータ15fから入力された操舵トルクは、操舵輪側ステアリング・シャフト24を回転させ、ステアリング歯車組3で減速、かつ車両幅方向に伸びる軸心回りの回転に変換されて、右側の中間回転シャフト4fRを回転させる。
右側の中間回転シャフト4fRの回転は、その車両外側端部に第1ジョイント16fRを介して右側ステアリング・シャフト6fRに伝わる。また、これと同時に、右側の中間回転シャフト4fRの回転は、その車両内側端部が連結された正逆転切替機構5fに伝わる。正逆転切替機構5fでは、左側の中間回転シャフト4fLが、右側の中間回転シャフト4fRの回転と同じ回転角・回転速さで、かつ運転者が操舵モード設定スイッチ20で選択した操舵モードに応じて決まる右側の中間回転シャフト4fRの回転と同じ回転方向(正転)あるいは逆回転方向(逆転)で回転する。この左側の中間回転シャフト4fLは、第1ジョイント16fLを介して左側ステアリング・シャフト6fLを回転させる。
左右のステアリング・シャフト4fL、4fRの回転は、第2ジョイント17fL、17fR及び第1シャフト23fL、23fRに伝わり、第1歯車71L、71R及び第2歯車72L、72Rでそれぞれ回転軸心の向きを変える。この第2歯車72L、72Rの回転は、第3歯車73L、73Rをそれぞれ回転させ、これらと一体の第3シャフト19bを介して第2アクスル・ハウジング8fL、8fRを第1アクスル・ハウジング7fL、7fRに対し回転駆動する。この結果、ステアリング・ホイール1の操作、操舵モード設定スイッチ20の設定に応じて、第2アクスル・ハウジング8fL、8fRに支持した前輪10fL、10fRが転舵する。
一方、上記操舵操作は、操舵モード設定スイッチ20の設定によっては、後輪側のステアリング装置付きサスペンションに支持した後輪10rL、10rRをも以下のように転舵する。
ステアリング・ホイール1の操作、操舵モード設定スイッチ20の設定に応じて後輪10rL、10rRを転舵させる場合は、転舵モータ15rに電力が供給されることで、右側の中間回転シャフト4rRを回転させる。右側の中間回転シャフト4rRは、その車両外側端部に連結した第1ジョイント16rRを介して右側のステアリング・シャフト6rRを回転させる。これと同時に、左側の中間回転シャフト4rLが、右側の中間回転シャフト4rRの回転と同じ回転角・回転速さで、かつ運転者が操舵モード設定スイッチ20で選択した操舵モードに応じて決まる右側の中間回転シャフト4rRの回転と同じ回転方向あるいは逆回転方向で回転する。この左側の中間回転シャフト4rLは、第1ジョイント16rLを介して左側ステアリング・シャフト6rLを回転させる。
後輪側の左右のステアリング・シャフト6rL、6rRの回転は、第2ジョイント17rL、17rR及び第1シャフト23rL、23rRに伝わり、第1歯車71L、71R及び第2歯車72L、72Rで回転軸心の向きをそれぞれ変えられる。この第2歯車72L、72Rの回転は、それぞれ第3歯車73L、73Rを回転させ、これらと一体の第3シャフト19bを介して後輪側の第2アクスル・ハウジング8rL、8rRを第1アクスル・ハウジング7rL、7rRに対し回転駆動する。この結果、ステアリング・ホイール1の操作、操舵モード設定スイッチ20の設定に応じて、第1アクスル・ハウジング7rL、7rRに支持した後輪10rL、10rRが、転舵する。
以下、上記のように転舵される前後輪10fL、10fR、10rL、10rRの各転舵モードにおける転舵状態につき、それぞれ説明する。
運転者が操舵モード設定スイッチ20の「通常走行」操舵モードスイッチ20aを選択した場合につき、説明する。
この場合は、コントロール・ユニット21は、車速センサ2Sからの車速信号に基づき低速走行と判断したときは図1に示すように前輪10fL、10fRのみを転舵し、後輪10rL、10rRは転舵しない。したがって、前輪側の操舵力アシストモータ15fはステアリング・ホイール1の操舵角に応じて駆動可能であるものの、後輪側の転舵モータ15rは停止状態に保つ。また、コントロール・ユニット21は、通常走行設定信号を出力して前後の正逆転切替機構5f、5rを正転モードにする。
ステアリング・ホイール1の操作は、操舵輪側ステアリング・シャフト24、ステアリング歯車組3、中間回転シャフト4fRL、4fR、正逆転切替機構5f、第1ジョイント16fL、16fR、ステアリング・シャフト6fL、6fR、第2ジョイント17fL、17fR、第1シャフト23fL、23fR、第1歯車71L、71R、第2歯車72fL、72fR、第3歯車73fL、73fR、第3シャフト19c、第2アクスル・ハウジング8fL、8fRの順に回転がそれぞれ伝えられ、前輪10fL、10fRを転舵する。このとき、操舵力アシストモータ15fは、ステアリング・ホイール1の操作角が大きいほど、また車速が低いほどアシスト力を大きくして運転者の操舵操作力を軽減する。
一方、コントロール・ユニット21が高速走行と判断した場合は、図9に示すような前輪・後輪の同位相転舵を行う。また、操舵力アシストモータ15fのアシスト力は高速になるにしたがって小さくしていくが、所定の高速以上ではゼロにしてもよい。
前輪10fL、10fRは、上記低速での通常走行転舵モードと同様に転舵するが、後輪10rL、10rRは転舵モータ15rにて中間回転シャフト4rL、4rR、及びこれらに第1ジョイント16rL、16rRでそれぞれ連結されたステアリング・シャフト6rL、6rRをステアリング・ホイール1の操舵角に応じて回転させる。この場合、後輪側の正逆転切替機構5rは正転モードとなっているので、後輪の左右車輪10rL、10rRは同じ転舵方向となる。
そして、内輪(図9では前後の右輪10fR、10rR)での切れ角α、α'は、外輪(図9では前後の左輪10fL、10rL)での切れ角β、β'よりそれぞれ大きくなるように、また前輪での切れ角が後輪での切れ角より大きく、すなわちα>α'、β>β'となるように設定する。これにより、高速での車両の操縦性・安定性を確保できるようになる。
これらの通常走行転舵モードにあっては、前進時は駆動モータ14fL、14fR、14rL、14rRにより前後左右車輪10fL、10fR、10rL、10rRのすべてを正転駆動する。また、後退時は駆動モータ14fL、14fR、14rL、14rRにより前後左右車輪10fL、10fR、10rL、10rRのすべてを逆転駆動する。
次に、運転者が操舵モード設定スイッチ20の「小回り」操舵モードスイッチ20bを選択した場合につき、説明する。
この場合は、コントロール・ユニット21は、小回り設定信号を出力して後輪側の正逆転切替機構5rのみを逆転モードに切り替える。一方、「小回り」操舵モード設定時での転舵量は、図8に示すように、前後左右車輪10fL,10fR、10rL、10rRの駆動軸の車両内側へ延長した線がすべて車両の旋回中心Oに集まるようにする。したがって、内輪(図8の場合は右輪10fR、10rR)の切れ角αを外輪(図8の場合は左輪10fL、10rL)の切れ角βより大きく設定する。
小回り操舵モードにて図8のように右に旋回する場合、あるいはこれとは逆に左の旋回する場合も、前進時は駆動モータ14fL、14fR、14rL、14rRにより前後左右車輪10fL、10fR、10rL、10rRのすべてを正転駆動する。また、後退時は駆動モータ14fL、14fR、14rL、14rRにより前後左右車輪10fL、10fR、10rL、10rRのすべてを逆転駆動する。
次に、運転者が操舵モード設定スイッチ20の「その場回り」操舵モードスイッチ20cを選択した場合につき、説明する。
この場合、コントロール・ユニット21には操舵モード設定スイッチ20からその場回り設定信号が入力され、この信号に応じてコントロール・ユニット21は、そのコマンド信号をアクチュエータ・ドライバ22に送る。アクチュエータ・ドライバ22は、操舵力アシストモータ15f、転舵モータ15rにそれぞれ駆動電力を供給するとともに、前後輪側の正逆転切替機構5f、5rにもそれぞれが逆転信号を送りこれらを逆転モードへ切り替える。
この結果、図10に示すように、前輪側の中間回転シャフト4fL、4fRは互いに逆方向へ回転し、また後輪側の中間回転シャフト4rL、4rRも互いに逆方向へ回転する。これらの回転により、前輪側の左右のステアリング・シャフト6fL、6fRも互いに逆方向へ回転し、後輪側の左右のステアリング・シャフト6rL、6rRも互いに逆方向へ回転する。これらの回転は第2ジョイント17fL、17fR、17rL、17rR、第1シャフト23fL、23fR、23rL、23rR、第1歯車71L、71R、7rL、第2歯車72L、72R、第3歯車73L、73R及び第3軸19bを介して第2アクスル・ハウジング8fL、8fR、8rL、8rRを第2キング・ピン軸K2回りに回動させ、第2アクスル・ハウジングにより支持された前後左右車輪10fL,10fR、10rL、10rRを転舵する。
この場合の転舵量は、各第2アクセル・ハウジング8fL、8fR、8rL、8rRにより支持された駆動軸軸心の車両内側への一点鎖線で示す延長線が図10に示すように1点で交わる位置となる大きさにする。このとき、前後左右車輪10fL,10fR、10rL、10rRは、同じ円周上に沿うように転舵される。いずれの方向に回転するかは、ステアリング・ホイール1の回転方向で決める。これらにより、車両はその場回りが可能となる。なお、車両の通常前進時における回転駆動方向を正転とすると、車両を右回りさせる場合には、左輪側の駆動モータ14fL、14rLで前後輪の左輪10fL、10rLを正転駆動し、右輪側の駆動モータ14fR、14rRで前後輪の右輪10fR、10rRを逆転駆動する。左回りの場合は、駆動モータ14fL、14rL、14fR、14fRで、前後左右車輪10fL,10fR、10rL、10rRを右回りと逆の回転方向に駆動する。
なお、操舵モード設定スイッチ20は、デフォルトで通常走行操舵モードとなるようにしておく。すなわち、エンジン・スタート時は常に通常走行操舵モードとして、車輪がその場回転、小回り、横移動の状態のまま放置されている場合には中立状態へ戻すようにしておく。
上記のように構成した第1実施例のステアリング装置付きサスペンションは、以下に列挙する効果を得ることができる。
(1) 第1実施例のステアリング装置付きサスペンションでは、転舵手段によるステアリング・シャフト6fL、6fR、6rL、6rRの回転を、第1歯車71L、71Rと第2歯車72L、72Rとからなる変向歯車組で回転軸心の方向を変えて、第2歯車72L、72Rと第3歯車73L、73Rとからなる転舵歯車組にて、車輪10fL,10fR、10rL、10rRを支持する第2アクスル・ハウジング8fL、8fR、8rL、8rRに伝えこれらを転舵方向に回動させるようにしたので、タイロッドが不要となり、上記従来のステアリング装置よりも大きな転舵角(切れ角)で車輪を切ることが可能となり、たとえば車両のその場回転等が可能となる。
(2) また、第1実施例のステアリング装置付きサスペンションでは、上述した従来のステアリング装置より少ないアクチュエータで各操舵モードの制御が可能となり、より簡単な制御でステアリング装置を制御できる。
(3) さらに、第1実施例のステアリング装置付きサスペンションでは、ステアリング・シャフト6fL、6fR、6rL、6rRにて、車体30及び第1アクスル・ハウジング7fL、7fR、7rL、7rRの間を揺動可能な状態で連結してサスペンションのリンクとして機能させるようにしたので、サスペンションのリンク数を減らすことができ、低コスト化や重量減が可能となる。
(4) 第1歯車71Lを第2ジョイントでステアリング・シャフト6fL、6fR、6rL、6rRに連結するとともに、第1歯車71R、第2歯車72L、72R、第3歯車73L、73Rをそれぞれ第1軸受、第2軸受、第3軸受を介して第1アクスル・ハウジング7fL、7fR、7rL、7rRに支持するようにしたので、サスペンションの上下動があっても、これらの歯車の噛み合いを常に良好に保ちことができる。
(5) ロア・リンク13fL、13fR、13rL、13rRは、車体30に対し車両幅方向へ所定量変位可能に取り付けたので、サスペンションの上下動の際、ステアリング・シャフト6fL、6fR、6rL、6rR等の揺動との関係によるこじりを防ぎながら、車輪10fL、10fR、10rL、10rRを最適にガイドすることが可能となる。
(6) 第1実施例のステアリング装置付きサスペンションでは、正逆転切替機構5f、5rを、ダブル・ピニオン式遊星歯車とし、このリング・ギヤ53と車体30に固定したケース57との間を接続・切り離しするロック機構54と、サン・ギヤ51とキャリヤ52との間を接続・切り離しする一体回転クラッチ55とを備える。また、ロック機構54と一体回転クラッチ55とを電磁式ツー・ウェイ・クラッチで構成し、左右のステアリング・シャフト6fL、6fR、6rL、6rRの一方をサン・ギヤ51に連結し、他方をキャリヤ52に連結した。したがって、簡単な構成で左右車輪を正逆転の切り替えにより転舵方向を変えることが可能となる。この場合、サン・ギヤ51とリング・ギヤ53との歯数比を0.5に設定したので、左右のステアリング・シャフト6fL、6fR、6rL、6rRが同じ向きの回転であれ逆向き回転であれ、左右車輪の切れ角を同一にすることができる。
(7) 第1実施例のステアリング装置付きサスペンションで用いるロック機構54は、非通電時にはリング・ギヤ53をケース57に固定し、通電時にはロックを解除する。また、一体回転クラッチ55は、非通電時にはサン・ギヤ51とキャリヤ52との連結を解除し、通電時にはこれらを連結する。したがって、非通電時に通常の2輪操舵が可能となり、この結果、「通常走行」操舵モードは、電線切れなどで正逆転切替機構5f、5rが異常になった場合にも、通常走行転舵モードでの走行が可能となる。また、ステアリング・ホイール1からナックル9FL、9fR、9rL、9rRまでを機械的に連結しているので、ステアリング・システムの異常時にも運転者が直接車輪を操舵することが可能となり、複雑な機構や制御を用いることなくフェール・セーフ機能を付与することができる。
(8) 第1実施例のステアリング装置付きサスペンションでは、ロック機構54と一体回転クラッチ55とは、一つの電磁石56を共用して作動するようにしたので、正逆転切替機構5f、5rを簡素化でき低コスト化が可能にあるとともに、ロック機構54と一体回転クラッチ55とが同時に締結するインターロックを防止できる。
(9) 第1実施例のステアリング装置付きサスペンションでは、操舵モード設定スイッチ20と、操舵角センサ2fと、車速センサ2sとを設けて操舵モード信号、操舵角信号、車速信号をコントロール・ユニット21に入力するので、コントロール・ユニット21ではこれら入力信号に基づき最適な前後輪の転舵量を設定することができる。