JP2005255041A - 自動車の電動パワーステアリング用ラック・アンド・ピニオンギヤ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自動車用電動パワーステアリング・システムに於いて、その機能効率（伝達効率）を向上すると共に、操舵フィーリングも向上すること。
【解決手段】 ラック軸直角方向に対するラック歯の捩れ角は、略０°に設定してある。Ｆａ＝０となることから、水平方向力がそのままラック軸方向力となり、ラック軸垂直方向力が発生しない。よって、捩れ角０°は、正効率でも、逆効率でも、高伝達効率である。また、車両運転時、路面インフォメーションをステアリングホイールに伝達し易くなり、操舵フィーリングを向上することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、自動車用電動パワーステアリング（以下ＥＰＳ）システムに於いて、その機能効率（伝達効率）を向上することができると共に、その操舵フィーリングも向上することができる自動車の電動パワーステアリング用ラック・アンド・ピニオンギヤ装置に関する。

通常、自動車は、仕向け地により、左ハンドル車と、右ハンドル車とがあるが、ラック＆ピニオンギヤ装置のレイアウトとして、車両レイアウトの関係から、通常、ピニオン軸線と、ラック軸線とは、垂直に交わっていなく、約２０°程度の交差角を持ち、左ハンドル車と右ハンドル車とで、左右対称の関係になっている。

ラック＆ピニオンギヤ装置のギヤ諸元として、ラックの捩れ角は、自由に設計できるが、通常は、ギヤの噛合い率を上げることにより円滑な回転作動を狙って、ラックの捩れ角（ラック歯の歯筋方向）は、ピニオン軸線とは逆側に傾ける場合が多い。

特許文献１のように、ギヤの伝達効率を上げる為に、ラックの捩れ角をピニオン軸線方向に傾ける案もある。しかし、この場合には、噛合い率の低下により、実際には、円滑な作動が得られない懸念もある。

この案のように、ラック＆ピニオン装置の捩れ角を小さくして、はす歯ギヤを直歯に近づけることは、伝達効率の向上に寄与する。

特に、ラックの捩れ角略０°は、ラック軸垂直方向のギヤ反力が略０となり、ピニオンの回転をラックの摺動運動に伝達する効率が高い（理由は、後述する）。

しかし、従来、油圧アシスト式パワーステアリング装置、及び、マニュアル式ラック＆ピニオン装置のギヤ諸元では、上述したように、噛合い率の低下による円滑性の低下、及び、悪路走行時にタイヤからのキックバック入力がステアリングホイールに伝わり易くなるというデメリットがある。

通常、このようなデメリットを避けるため、ラックの挨れ角は、ピニオン軸線方向とは逆側に、概ね５°〜２０°に傾けることが多かった。

近年、自動車の燃費向上、車両搭載性の有利さ、ステアリングの操舵フィーリングの複雑な制御を適用しやすい等の理由から、ＥＰＳシステムが採用されるようになってきている。

ＥＰＳ用のラック＆ピニオン装置のギヤ諸元としても、従来の油圧式やマニュアル式で用いてきたギヤ諸元、概ね捩れ角５°〜２０°が採用されている。

なお、特許文献１では、ラックの捩れ角は、ピニオン軸線方向に傾斜してある。これにより、ギヤの伝達効率を向上して、その効率が向上できた分を、ラックガイドの押付け力の向上に割り当てて、キックバックやフラッタを抑制しようとしている。

また、特許文献２では、ラックの捩れ角は、ラック歯の歯直角圧力角、及び、ピニオン歯に対するラック歯の歯面動摩擦係数を考慮して定めた所定角度だけ、傾斜してある。これにより、ギヤ噛合いの摩擦力を考慮して、ラック軸垂直方向の荷重を略０に抑え、ラックの揺動を抑えようとしている。
特許第２９７０２６６号公報 特許第３２５６８８８号公報

ところで、ラック＆ピニオン装置のギヤ諸元に関しては、油圧アシスト式ステアリング装置では、キックバックやシミーがステアリングホイールに伝わり難い為、ラックの振れ角を略０°とすることは、採用される場合も若干あった。

しかしながら、マニュアル式ステアリング装置においては、これら振動がステアリングホイールに伝達されやすいという問題点があり、ラックの振れ角０°は、採用される例は、殆んどない(ＥＰＳ用としての採用はない)。

一方、ＥＰＳは、その機能構成上、ステアリングホイールからラック＆ピニオンギヤ装置までの構成に、電動モータや減速機構等の比較的慣性の大きい部材が存在し、車両の操舵時に、タイヤや操舵系を通して、ステアリングホイールに、路面インフォメーションが伝わり難く、従来のマニュアル式や油圧アシスト式に比べて、操舵フィーリングが悪いという問題点がある。

また、操舵アシストする為の電動モータの出力の問題から、ＥＰＳは、軽自動車等の小型車から採用が始まったが、近年、中型車へ搭載する為、アシスト出力の増大が要求されている。

しかし、１２Ｖバッテリーの電圧では、必要なモータ出力を簡単に得ることが難しく、限られた電動モータの出力を、効率良くラックまで伝達し、ラック推力をできる限り高めることが求められている。

さらに、ＥＰＳは、操舵性能の制御が比較的簡単に可能という特徴を持つが、細やかに制御された電動モータの出力を、効率良くラックまで伝達したいという要求もある。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、自動車用電動パワーステアリング・システムに於いて、その機能効率（伝達効率）を向上することができると共に、その操舵フィーリングも向上することができる、自動車の電動パワーステアリング用ラック・アンド・ピニオンギヤ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に係る自動車の電動パワーステアリング用ラック・アンド・ピニオンギヤ装置は、ステアリングホイールに印加した操舵トルクに対応して、電動モータから補助操舵トルクを発生して減速機により減速し、転舵機構に伝達する自動車の電動パワーステアリング装置に装着するラック・アンド・ピニオンギヤ装置に於いて、
ラック軸直角方向に対するラック歯の捩れ角は、略０°であることを特徴とする。

ここで、電動パワーステアリング装置とは、コラムアシストタイプ、或いは、ピニオンアシストタイプのどちらでもかまわず、シャフトやインタミシャフトを介しても介さなくても、最終的にピニオン軸によりラック軸をアシストしているタイプをいう。

以上説明したように、本発明によれば、ラック軸直角方向に対するラック歯の捩れ角は、略０°であることから、自動車用電動パワーステアリング・システムに於いて、その機能効率（伝達効率）を向上することができると共に、その操舵フィーリングも向上することができ、加えて、細やかに制御された電動モータの出力を効率良くラックまで伝達することができ、その他、機能上・製造上の種々の効果を発揮することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る自動車の電動パワーステアリング用ラック・アンド・ピニオンギヤ装置を図面を参照しつつ説明する。

（本発明の構成・作用）
図１乃至図５を参照して、本発明に係るラック・アンド・ピニオン装置の構成及び作用を説明する。

図１は、ラック歯に加わる荷重を説明するためのラックとピニオンの模式図である。

図２は、ラック・アンド・ピニオン装置の模式図であって、ラックの捩れ角が所定の場合（ラック傾き角がある場合）を示す。

図３は、ラック・アンド・ピニオン装置の模式図であって、ラックの捩れ角が略０°の場合（ラック傾き角が略０°場合）を示す。

図４は、ラック・アンド・ピニオン装置の断面・模式図であって、ラックの捩れ角が大きい場合（ラック傾き角が大きい場合）を示す。

図５は、ラック・アンド・ピニオン装置の断面・模式図であって、ラックの捩れ角が小さい場合（ラック傾き角が小さい場合）を示す。

図１は、ラックの捩れ角（β_０）の歯に加わる力を示している。なお、α_ｎは、歯直角圧力角である。

歯面に対して垂直な力（Ｆｎ）は、歯直角平面内で、水平方向力（Ｆｌ）と垂直方向力（Ｆｒ）とに分解される。
Ｆｌ＝Ｆｎ・ｃｏｓα_ｎ
Ｆｒ＝Ｆｎ・ｓｉｎα_ｎ
水平方向力（Ｆｌ）は、ラック軸方向力（Ｆｕ）と、ラック軸垂直方向力（Ｆａ）とに分解される。
Ｆｕ＝Ｆｌ・ｃｏｓβ_０ ……（１）
Ｆａ＝Ｆｌ・ｓｉｎβ_０ ……（２）
よって、これらの関係をまとめると、
Ｆａ＝Ｆｕ・ｔａｎβ_０
Ｆｒ＝Ｆｕ・ｔａｎα_ｎ／ｃｏｓβ_０
上記荷重の関係を、ラック＆ピニオン装置の関係で示すと、図２のようになる。
ここで、ラックの捩れ角β_０＝０°の場合を考えると、式１）、２）より、Ｆｕ＝Ｆｌとなり、Ｆａ＝０となることから、水平方向力がそのままラック軸方向力となり、図３に示すように、ラック軸垂直方向力が発生しない。

よって、捩れ角０°は、正効率でも逆効率でも、高効率であると言える。つまり、ピニオン軸からラック軸ヘカを伝達しやすく、また、逆に、ラック軸からピニオンへも力を伝達し易い。

本説明では、ラック軸線とピニオン軸線の交差角について触れていないが、交差角は、０°でも、そうでない場合でも、ギヤの噛合いの作用として、ラック歯に加わる力は、変わらない為、本発明は、ピニオン軸線の交差角は、特に、限定しない。

一方、ＥＰＳシステムは、ステアリングホイールからラック＆ピニオンギヤまでに比較的大きい慣性部材が存在し、タイヤ系からのキックバックやシミーをステアリングホイールまで伝え難い性質を持つ。

また、ＥＰＳでは、シミーによる発振を防ぐ為に、シミー防止の制御を採用している。

（本発明の効果）
従って、本発明、「電動パワーステアリング＋ラック捩れ角０°」は、以下の作用・効果が期待できる。

＜ＥＰＳの欠点を補う点、及びＥＰＳとして有利になる点＞
・ 車両運転時に、路面インフォメーションがステアリングホイールに伝達しやすくなり、従来のＥＰＳで問題とされていた希薄な操舵感が改善され、操舵フィーリングの向上が可能となる。
・ ギヤ伝達効率が高くなることから、限られた電動モータの出力を、効率良くピニオン軸からラックヘ伝達することが可能となる。従って、近年の高出力化へも好適に対応することができる。
・ ＥＰＳの特質である複雑な制御を、効率良くピニオン軸からラックヘ伝達することが可能となり、狙った制御をコントロールし易くなる。従って、複雑な制御へも好適に対応することができる。

＜ラック捩れ角０°の欠点を袖う点＞
・ 捩れ角０°は、ステアリングホイールにキックバックやシミーを伝えやすい傾向にあるが、ＥＰＳ機構が慣性部材となっていること、及びＥＰＳのシミー防止制御によって、これら運転者にとって、不快な振動を伝え難くすることができる。

＜ラック＆ピニオンとしての有利な点＞
以下の利点をＥＰＳシステムとして得ることができる。
・ 捩れ角０°は、ギヤ噛合いにおいて、ラック軸垂直方向力が発生しない為、実車において直進から操舵を始めた場合を考えると、ピニオン軸方向荷重による軸受等の起動トルクが小さくなり、ピニオン回転に対してフリクションが小さくなる為、ピニオントルクをより効率的にラックに伝達することが可能となり、フリクション感の少ないスッキリとした操舵感が実現できる。
・ また、例えばラック軸がラック軸垂直方向に微小ガタを持つとき、ラック捩れ角を持つ場合には、ピニオンが回転を始めたとき、まずラックがガタ分だけ軸垂直方向に変位した後、ラック軸線方向に動き出す。しかし、振れ角０°の場合は、この逃げの動きを伴わず、ピニオン回転とともにラック軸が動き出す為、ステアリング操作にダイレクトな操舵感の実現が可能となる。
・ また、捩れ角０°は、ピニオンを支持する軸受への軸方向荷重負担が軽くなり、軸受の小型化、または簡素化が可能となる。
・ また、ラック軸垂直方向力が少ないと、図４と図５の比較から明らかなように、ラックガイドヘ加わる荷重の合力（Ｆｓ）の方向が狭角となり、ラックガイドを小型化することが可能となる。
・ 図４及び図５は、ラックガイドヘ加わる荷重の方向を示し、図４は、ラックの捩れ角が大きい場合、図５は、小さい場合を示す。ラックガイドサポート角（θ_Ｒ）は、ラックガイドに加わる荷重の合力（Ｆｓ）の方向（θｓ）より大きくする（θ_Ｒ≧θｓ）、或いは、これができない場合は、他のサポート部材で、ラックをラック垂直方向で受ける必要がある。
・ 図５に示すように、転がりラックガイドは、その構造から、ラックサポート角が比較的小さくなってしまう傾向にあるので、転がりラックガイドとラック捩れ角０°の相性は、良い。
・ また、ラック軸垂直方向力が少ないことは、ラックガイドがラック垂直方向において、ハウジングとのスキマで暴れたとき発生させる打音を低減させる効果も期待できる。

＜製造上＞
・ 通常、車両レイアウトの関係から、ピニオンとラックは、垂直に交わっていなく、２０°程度の交角を持ち、左右対称の関係となっている。
・ ここで、例えば、交角２０°、ラック捩れ角１０°の場合、ピニオンの捩れ角は、１０＋２０＝３０°となる。
・ 通常、自動車の仕向け地により、ラック捩れ角は、左ハンドル用、右ハンドル用、それぞれに捩れ角を逆向きにしたラック軸を設定する必要があるが、捩れ角０°の場合には、左右共通化が可能となり、コストダウンにつながる。

（滑りタイプのラック・アンド・ピニオン装置の実施の形態）
図６は、本発明の実施の形態に係る自動車の電動パワーステアリング用ラック・アンド・ピニオンギヤ装置（滑りタイプ）の断面図である。

車両用ステアリング装置のギヤボックスでは、そのアルミニウム製のハウジング１に、その上端をステアリングホイール（図示略）に連結したピニオン軸Ｐが回転自在に支持してある。このピニオン軸Ｐに対向して、ピニオン軸Ｐに噛合するラック軸Ｒが摺動自在に設けてある。

このラック軸Ｒは、浮動可能であると共に撓むことができるように、ハウジング１内に支持してあり、また、その背面側からラックガイド３によりピニオン軸Ｐに向けて弾性的に押圧し、これにより、ラック軸Ｒとピニオン軸Ｐの噛合状態を良好に維持している。

ラックガイド３は、ハウジング１内に摺動自在に嵌合して設けてあり、その背面側は、コイルバネ２（弾性部材）を介して、アジャストカバー５がハウジング１の内面に螺合してある。なお、アジャストカバー５は、ロックナット６により固定してある。

ラックガイド３の凹面は、ラック軸Ｒの背面の凸形状を弾性的に押圧するようになっている。

（転がりタイプのラック・アンド・ピニオン装置の実施の形態）
図７は、本発明の実施の形態に係る自動車の電動パワーステアリング用ラック・アンド・ピニオンギヤ装置（転がりタイプ）の断面図である。

車両用ステアリング装置のギヤボックスでは、そのアルミニウム製のハウジング１に、その上端をステアリングホイール（図示略）に連結したピニオン軸Ｐが回転自在に支持してある。このピニオン軸Ｐに対向して、ピニオン軸Ｐに噛合するラック軸Ｒが摺動自在に設けてある。

このラック軸Ｒは、浮動可能であると共に撓むことができるようにハウジング１内に支持してあり、また、その背面側からラックガイド３によりピニオン軸Ｐに向けて弾性的に押圧し、これにより、ラックとピニオンの噛合状態を良好に維持している。

ラックガイド３は、ハウジング１内に摺動自在に嵌合して設けてあり、その背面側は、皿バネ４（弾性部材）を介して、アジャストカバー５がハウジング１の内面に螺合してある。なお、アジャストカバー５は、ロックナット６により固定してある。

ラックガイド３内には、枢軸７が設けてあり、この枢軸７の外周には、ニードルローラ軸受８を介して、鼓形状の筒状ローラ９が回転自在に設けてある。この筒状ローラ９の凹面は、回転しながらラック軸２の背面の凸形状を弾性的に押圧するようになっている。

（油圧アシスト式パワーステアリング装置）
図８は、油圧アシスト式パワーステアリング装置の模式的斜視図である。

この油圧アシスト式パワーステアリング装置では、ポンプを回し、この油圧にてステアリングギヤ内にある油圧シリンダーを作動させるようになっており、油圧ポンプは、常時回っており、燃料の３〜５％がポンプ駆動に使用されている。また、油圧の為、大きな作動力を出力することができ、軽から大型車まで幅広く採用されている。

（コラム・アシスト式電動パワーステアリング装置）
図９は、コラム・アシスト式電動パワーステアリング装置の模式的斜視図である。

コラム・アシスト式（モータの回転力を減速機で減速して、コラム軸を動力付勢する方式）では、シャフト（入力軸）の車両前方側には、出力軸が連結してある。この出力軸の車両前方側には、自在継手等を介してステアリングギヤＳＧが連結してある。

シャフト（入力軸）の車両前方側には、トーションバーが圧入固定してあり、このトーションバーは、中空に形成した出力軸（コラム軸）の内部を延在してある。出力軸（コラム軸）には、トルクセンサー検出用の溝が形成してあり、これらの溝の径方向外方には、トルクセンサーのスリーブが配置してある。このスリーブは、その車両後方側端部がシャフト（入力軸）の車両前方部に加締め等により固定してある。スリーブの径方向外方には、コイルや基板等が設けてある。出力軸（コラム軸）には、電動モータの駆動軸であるウォームに噛合したウォームホイールが取付けてある。これらトルクセンサーや電動モータＥＭは、ＥＣＵにより制御されるようになっている。

従って、運転者がステアリングホイールＳＷを操舵することにより発生した操舵力は、入力軸、トーションバー、出力軸（コラム軸）及びラック・アンド・ピニオン装置を介して、図示しない転舵輪に伝達される。また、電動モータの回転力は、そのウォーム及びウォームホイールを介して出力軸（コラム軸）に伝達されるようになっており、電動モータＥＭの回転力及び回転方向を適宜制御することにより、出力軸（コラム軸）に適切な操舵補助トルクを付与できるようになっている。

（ピニオン・アシスト式電動パワーステアリング装置）
図１０は、ピニオン・アシスト式電動パワーステアリング装置の模式的斜視図である。

図１１は、図１０に示したステアリングギヤの断面図である。

ピニオン・アシスト式（モータの回転力を減速機で減速して、ピニオン軸を動力付勢する方式）では、出力軸（ピニオン軸Ｐ）には、ステアリングギヤのラックＲが噛合してある。ラックＲは、弾性体等により出力軸（ピニオン軸Ｐ）に向けて弾性的に付勢して常時押圧してある。

出力軸（ピニオン軸Ｐ）には、トーションバーの基端が圧入固定してあり、このトーションバーは、中空に形成したシャフト（入力軸）の内部を延在してある。シャフト（入力軸）の車両前方側には、トルクセンサー検出用の溝が形成してあり、これらの溝の径方向外方には、トルクセンサーのスリーブが配置してある。スリーブの径方向外方には、コイルや基板等が設けてある。出力軸（ピニオン軸Ｐ）には、電動モータＥＭの駆動軸であるウォームに噛合したウォームホイールが取付けてある。

従って、運転者がステアリングホイールＳＷを操舵することにより発生した操舵力は、シャフト（入力軸）、トーションバー、出力軸（ピニオン軸Ｐ）、ラック・アンド・ピニオン装置、及びタイロッドＴＩ等を介して、図示しない転舵輪に伝達される。また、電動モータＥＭの回転力は、そのウォーム及びウォームホイールを介して出力軸（ピニオン軸Ｐ）に伝達されるようになっており、電動モータＥＭの回転力及び回転方向を適宜制御することにより、出力軸（ピニオン軸Ｐ）に適切な操舵補助トルクを付与できるようになっている。

図１２は、デュアル・ピニオン・アシスト式の電動式パワーステアリング装置周辺の軸線方向部分断面図である。

ラックハウジングＲＨ内には、ラック軸（不図示）が挿通され、ラック軸はその両端において、タイロッドＴＩに連結されている。タイロッドＴＩは、図示しない操向機構に連結されている。ラック軸は、その右側において、ステアリングホイールＳＷに連結された第１ピニオンシャフトＰに噛合しており、又その左側において、電動モータＥＭ２の回転軸から操舵補助力を受ける第２ピニオンシャフトＰ２に噛合している。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、種々変形可能である。

ラック歯に加わる荷重を説明するためのラックとピニオンの模式図である。 ラック・アンド・ピニオン装置の模式図であって、ラックの捩れ角が所定の場合（ラック傾き角がある場合）を示す。 ラック・アンド・ピニオン装置の模式図であって、ラックの捩れ角が略０°の場合（ラック傾き角が略０°場合）を示す。 ラック・アンド・ピニオン装置の断面・模式図であって、ラックの捩れ角が大きい場合（ラック傾き角が大きい場合）を示す。 ラック・アンド・ピニオン装置の断面・模式図であって、ラックの捩れ角が小さい場合（ラック傾き角が小さい場合）を示す。 本発明の実施の形態に係る自動車の電動パワーステアリング用ラック・アンド・ピニオンギヤ装置（滑りタイプ）の断面図である。 本発明の実施の形態に係る自動車の電動パワーステアリング用ラック・アンド・ピニオンギヤ装置（転がりタイプ）の断面図である。 油圧アシスト式パワーステアリング装置の模式的斜視図である。 コラム・アシスト式電動パワーステアリング装置の模式的斜視図である。 ピニオン・アシスト式電動パワーステアリング装置の模式的斜視図である。 図１０に示したステアリングギヤの断面図である。 デュアル・ピニオン・アシスト式の電動式パワーステアリング装置周辺の軸線方向部分断面図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ コイルバネ
３ ラックガイド
４ 皿バネ
５ アジャストカバー
６ ロックナット
７ 枢軸
８ ニードルローラ軸受
９ 筒状ローラ
Ｐ ピニオン軸
Ｒ ラック軸
ＥＭ 電動モータ
ＳＧ ステアリングギヤ

Claims (1)

1. ステアリングホイールに印加した操舵トルクに対応して、電動モータから補助操舵トルクを発生して減速機により減速し、転舵機構に伝達する自動車の電動パワーステアリング装置に装着するラック・アンド・ピニオンギヤ装置に於いて、
   ラック軸直角方向に対するラック歯の捩れ角は、略０°であることを特徴とする自動車の電動パワーステアリング用ラック・アンド・ピニオンギヤ装置。

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