JP2005082007A - パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置の改良。
【解決手段】
入力側ピストン４２により画成される一対の入力側液圧室４３，４４と、操舵輪に操舵力を付与するパワーシリンダの一対の出力側液圧室とをそれぞれ連通路２１，２２により連通する。ボールスクリュー機構をなすスライダ５０及びボールナット５２により、ステアリングホイールに接続する入力軸１４の回転運動と入力側ピストン４２の軸方向運動とを相互に変換・伝達する。可変モータ３０によりボールナット５２を回転駆動することにより、入力軸１４の回転変位量と入力側ピストン４２の軸方向変位量との変換比、つまりステアリングギアレシオを変更することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両に好適に用いられるパワーステアリング装置に関し、特に、ステアリングホイール（ハンドル）と操舵輪とを機械的に連携することなく実質的に分離したステアバイワイア式のパワーステアリング装置に好適な技術に関する。

近年、特許文献１にも開示されているように、ステアリングホイールと操舵輪とを機械的に連携することなく実質的に分離したステアバイワイア式のパワーステアリング装置が種々提案されている。この種のパワーステアリング装置は、典型的には、２つの出力側液圧室の差圧に応じて操舵輪に操舵力を付与するパワーシリンダと、出力側液圧室を選択的に加圧するための液圧ポンプ及び切替弁等を備えている。また、フェールセーフ用に、ステアリングホイールの回転に連動して軸方向に移動する入力側ピストンにより２つの入力側液圧室に画成された入力側シリンダを有し、各入力側液圧室と各出力側液圧室とをそれぞれ連通路により接続して、マニアルステアによる操舵を可能とするものが知られている。
特開２０００−１３５９８４号公報

しかしながら、入力側シリンダの入力側液圧室とパワーシリンダの出力側液圧室とを連通路により単に連通しただけでは、ステアリングホイールの回転変位量と操舵輪の転舵変位量との変換比であるステアリングギアレシオが一義的に固定されることとなるため、ハンドル操作量に対して操舵輪の転舵量を変更することができない。

本発明は、液圧回路に切替弁等を設ける必要のない簡素な構成でありながら、車両走行状態に応じてステアリングホイール（ハンドル）の操作量と操舵輪の転舵量との変換比を適切に変更・制御することができる新規なパワーステアリング装置を提供することを主たる目的としている。

ステアリングホイールに接続された入力軸と、入力側ピストンにより第１入力側液圧室と第２入力側液圧室とに液密に画成された入力側シリンダと、第１出力側液圧室と第２出力側液圧室との差圧により操舵輪に操舵力を付与するパワーシリンダと、上記第１入力側液圧室と第１出力側液圧室とを連通する第１連通路と、上記第２入力側液圧室と第２出力側液圧室とを連通する第２連通路と、上記入力軸と入力側ピストンとに連携し、入力軸の回転運動と入力側ピストンの軸方向運動とを相互に変換・伝達する変換機構と、この変換機構に連携し、入力軸の回転変位量と入力側ピストンの軸方向変位量との変換比を変更可能な可変アクチュエータと、を有する。

本発明によれば、可変アクチュエータにより変換機構を介して入力軸の回転変位量とピストンの軸方向変位量との変換比、すなわちステアリングギアレシオを変更することができる。従って、走行状態に応じてステアリングホイールの回転変位量と操舵輪の転舵量（切れ角）の双方を適切に調整することができ、操舵性が向上する。また、入力側液圧室と出力側液圧室とを結ぶ連通路（油圧回路）に油圧ポンプ，切替弁や油圧制御弁を敢えて必要とせず、構成の簡素化を図ることができる。更に、入力側液圧室と出力側液圧室とが連通路を介して常時連結されているため、フェールセーフ性に優れ、かつ、ステアバイワイヤ式の構成でありながら、操舵輪からの反力が操舵反力として常時ステアリングホイールに伝達されるため、操安性が向上する。

より詳しくは、上記変換機構が、上記入力側ピストンに固定されるとともに、上記入力軸の外周に相対回転が拘束された状態で軸方向に移動可能に嵌合するスライダと、このスライダの外周にボールスクリュー機構を介して嵌合するボールナットと、を有し、上記可変アクチュエータが、上記ボールナットを回転駆動する可変モータである。このように、ボールスクリュー機構を利用することにより、滑らかな変換・伝達を行うことができる。

図２は、本発明の一実施例に係るパワーステアリング装置の全体構成を示す概略斜視図である。このパワーステアリング装置は、運転者により回動操作されるハンドルすなわちステアリングホイール１１と車両の一対の操舵輪１２とが機械的に連結されておらず、両者が実質的に分離したステアバイワイヤ式の形態となっている。但し、フェールセーフ性を確保するために、ステアリングホイール１１と操舵輪１２とは液圧回路１３を介して連携されている。ステアリングホイール１１には入力軸１４が固定され、両者１１，１４は軸周りに一体的に回転する。操舵輪１２は転舵軸１５の両端に連携されている。転舵軸１５が軸方向に移動すると操舵輪１２が転舵する。

上記の液圧回路１３は、入力軸１４の先端に設けられた入力側シリンダ４０と、転舵軸１５に設けられたパワーシリンダ１７と、を有している。入力側シリンダ４０の内部は、後述するように、入力軸１４に変換機構４５を介して連携する入力側ピストン４２により第１入力側液圧室４３と第２入力側液圧室４４とに液密に画成されている（図１参照）。パワーシリンダ１７の内部は、転舵軸１５に固定されたパワーピストン１８により第１出力側液圧室１９と第２出力側液圧室２０とに画成されている。これら出力側液圧室１９，２０の差圧により、転舵軸１５を介して操舵輪１２に操舵力（の一部）が付与される。

第１入力側液圧室４３と第１出力側液圧室１９とは第１連通路２１により直接的に連通・接続されており、第２入力側液圧室４４と第２出力側液圧室２０とは第２連通路２２により直接的に連通・接続されている。これらの連通路２１，２２は、可撓性を有する周知のフレキシブル液圧配管である。各連通路２１，２２には、作動流体としての作動油を一時的に貯留・蓄圧する周知のアキュムレータ２３，２４がそれぞれ設けられている。言い換えると、各連通路２１，２２にはアキュムレータ２３，２４を除いて何も設けられていない。

各種センサ類として、ステアリングホイール１１及び入力軸１４の操舵角を検出する操舵角センサ２５と、運転者によるステアリングホイール１１の操舵方向及び操舵入力トルクを検出する周知のトルクセンサ２６と、操舵輪１２の転舵量に相当する実舵角を検出する実舵角センサ２７と、後述するステアリングギアレシオに相当する可変モータ（可変アクチュエータ）３０の回転角を検出する回転角センサ２８と、が設けられている。また、転舵軸１５を回転駆動する転舵アクチュエータ２９が設けられている。コントローラ３１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ及び入出力インターフェースを備えた周知のデジタルコンピュータであって、各種制御処理を記憶及び実行する機能を有し、上述した各種センサ類２５〜２８からの検出信号等に基づいて、アクチュエータ類２９，３０等へ指令信号を出力し、その動作を制御する。

図１は、上記の入力側シリンダ４０を示す断面図である。この入力側シリンダ４０は、内部に作動流体としての作動油が液密に充填されたシリンダハウジング４１と、このハウジング４１内を一対の第１入力側液圧室４３及び第２入力側液圧室４４とに液密に画成する入力側ピストン４２と、入力軸１４と入力側ピストン４２とに連携し、入力軸１４の回転運動と入力側ピストン４２の軸方向に沿う直線運動とを互いに変換しつつ伝達する変換機構４５と、この変換機構４５に連携し、入力軸１４の回転変位量と入力側ピストン４２の軸方向変位量との比を変更する可変アクチュエータとしての可変モータ３０と、を有している。

入力側ピストン４２は、この実施例では後述するスライダ５０を軸方向に挟み込む一対のピストン片４２ａ，４２ｂにより構成されている。各ピストン片４２ａ，４２ｂの外周にはハウジング４１の内周との隙間をシールする外周シールリング４２ｃが取り付けられている。各ピストン片４２ａ，４２ｂの内周には入力軸１４の外周との隙間をシールする内周シールリング４２ｄが取り付けられている。

ハウジング４１は、入力軸１４の先端外周に同心状に配置され、その両端が一対の蓋部４６ａ，４６ｂにより液密に閉塞されている。各蓋部４６ａ，４６ｂには、入力軸１４を回転可能に支持するボールベアリング４７が設けられているとともに、このボールベアリング４７よりも軸方向外側に凹部４７ａが形成されている。この凹部４７ａによりボールベアリング４７に潤滑油としての作動油を十部に供給することができ、その潤滑性が向上する。また、各蓋部４６ａ，４６ｂには、連通路２１，２２と入力側液圧室４３，４４とを接続する接続管部４９が液密に取り付けられている。更に、入力軸１４が貫通する第２蓋部４６ｂには、ハウジング４１内の液密性を確保するために、入力軸１４の回転を許容しつつ入力軸１４との隙間をシールするシールリング４８が設けられている。

上記の変換機構４５は、スプライン５１により入力軸１４の外周に嵌合するスライダ５０と、このスライダ５０の外周にボールスクリュー機構を介して嵌合するボールナット５２と、により、構成される。スライダ５０は、上記のスプライン５１によって、入力軸１４に対する相対回転が拘束・規制されており、この入力軸１４と一体的に軸周りに回転し、かつ、入力軸１４に対して軸方向に移動（スライド）可能である。また、スライダ５０は、その両端が入力側ピストン４２を構成する一対のピストン片４２ａ，４２ｂに嵌合しており、この入力側ピストン４２と一体的に軸方向に移動する。上記のボールスクリュー機構は、スライダ５０，ボールナット５２，及び両者に形成された螺旋状の溝に配置された複数個のボール５３により構成されている。このボールスクリュー機構により、スライダ５０がボールナット５２に対して滑らかに回転しつつ軸方向に移動する。

可変モータ３０とボールナット５２とは、互いに噛み合うウォーム５４及びウォームホイール５５を介して機械的に連携されている。ウォーム５４は、ボールナット５２の外周に固定又は形成されている。ウォームホイール５５は、可変モータ３０の出力軸３２に固定又は形成されている。

上述した変換機構４５，ウォーム５４及びウォームホイール５５等は、ハウジング４１に固定されるウォームカバー５７により作動油が封入されたハウジング４１の内部、より詳しくは一対のピストン片４２ａ，４２ｂに挟まれた空間６０に収容・配置されている。これにより、装置の小型化を図りつつ、ハウジング４１内の作動油を利用して変換機構４５，ウォーム５４及びウォームホイール５５等の潤滑性を十分に確保することができる。ウォームカバー５７は、ハウジング４１に嵌合する環状部５８と、ウォームホイール５５及び可変モータ３０の出力軸３２の外周を囲繞する筒状部５９とが一体的に形成され、かつ、可変モータ３０及びハウジング４１の双方に固定されている。上記のウォーム５２は、ベアリング５６を介してウォームカバー５７の環状部５８に回転可能に支持されている。

可変モータ３０を駆動すると、ウォーム５４及びウォームホイール５５を介して変換機構４５のボールナット５２が回転する。これにより、入力軸１４の回転変位量とピストン４２の軸方向変位量との変換比が変化する。ピストン４２の軸方向変位量は実質的に転舵軸１５の移動量に相当するので、上記の変換比は、ステアリングホイール１１の回転変位量と操舵輪１２との転舵量との比、つまりステアリングギアレシオに相当する。従って、可変モータ３０により変換機構４５のボールナット５２を回転駆動することにより、ステアリングギアレシオを変更・制御することができる。これにより、ステアリングギアレシオを走行状態に応じて調整することができ、違和感のない良好な操舵フィーリングを得ることができる。例えば、車庫入れ時等にはステアリングホイール１１の操作量に対して操舵輪１２の転舵量を大きくすることにより少ないステアリングホイール１１の操作量で転舵量を十分に大きく得ることができ、かつ、高速走行時にはステアリングホイール１１の操作量に対して操舵輪１２の転舵量を小さくすることにより、車両の直進安定性を向上させることができる。

コントローラ３１は、上述したセンサ２５〜２８の他、車速を検出す車速センサ，車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサ及び車両の横Ｇを検出する横Ｇセンサ等の各種センサ類の検出信号に基づいて、上述したステアリングギアレシオの目標値の他、操舵輪１２の切れ角（転舵量）の目標値等を算出し、これらの目標値に基づいて可変モータ３０及び転舵アクチュエータ２９へ指令信号を出力する。これにより、操舵輪１２とステアリングホイール１１との双方をそれぞれ適切に作動することができる。

出力側液圧室１９，２０と入力側液圧室４３，４４とはそれぞれ連通路２１，２２により常時連結されているため、転舵アクチュエータ２９や可変モータ３０の作動不良時等のフェール時にも、連通路２１，２２を介してステアリングホイール１１の操作力が直接的に操舵輪１２に伝達されるマニアルステアリングとなり、フェールセーフ性が確保され、かつ、操舵輪１２からの反力が操舵反力として常時ステアリングホイール１１に伝達されるため、操安性に優れている。しかも、上記の連通路２１，２２には油圧ポンプや切替弁や液圧制御弁等の機器を何ら設ける必要がなく、油圧回路１３を極めて簡素な構成とすることができる。

これらの連通路２１，２２には、それぞれアキュムレータ２３，２４が設けられている。従って、モータの制御応答遅れを有効に吸収することができるとともに、入力側シリンダ４０の吐出量とパワーシリンダ１７の移動量との間に敢えて応答遅れ・ずれを伴う形態とすることにより、アキュムレータ２３，２４が発生した液圧反力を操舵反力としてより適切にステアリングホイール１１に与えることができる。

更に好ましくは、トルクセンサ２６の検出値に基づいて、上記の操舵反力が所定の目標値に維持されるように、可変モータ３０の駆動出力をフィードバック制御することにより、車両の走行状態に応じた適切な操舵反力を、操舵輪１２の切れ角に悪影響を与えることなく、安定して得ることができる。

可変モータ３０の出力軸３２に設けられたウォームホイール５５と切換機構４４のボールナット５２に固定されたウォーム５４とが周知のように非可逆機構であるため、可変モータ３０の異常・故障等のフェール時にも、入力側油圧室４３，４４の差圧によりボールナット５２が不用意に回転することはなく、ステアリングギアレシオが不用意に変動することがないので、信頼性・安全性に優れている。また、ウォームホイール５５及びウォーム５４が減速機構として機能するため、可変アクチュエータ３０の出力トルクが小さくて済む。

更に好ましくは、操舵角センサ２５及び実舵角センサ２７の検出出力に基づいて、上記入力軸１４と操舵輪１２との間に位相差が生じたかを検出し、位相差が生じた場合には、可変モータ３０により変換機構４５のボールナット５２を軸方向に駆動制御することによって、上記位相差を補正する（位相補正手段）。従って、可変モータ３０を利用して位相差を速やかに補正することができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、図３に示すように、転舵アクチュエータを省略することもできる。この場合、可変モータ３０により操舵助勢力を付与すればよい。

以上の説明より把握し得る請求項以外の発明について列記する。
（１）入力軸の操舵角度を検出する操舵角センサと、
操舵輪の転舵量を検出する実舵角センサと、
操舵輪に操舵力を付与する操舵アクチュエータと、
上記操舵角センサ及び実舵角センサの検出出力に基づいて、上記操舵アクチュエータを駆動制御する操舵アクチュエータ制御手段と、
上記操舵角センサ及び実舵角センサの検出出力に基づいて、上記入力軸と操舵輪との間に位相差が生じたかを検出し、上記位相差が生じた場合、上記可変アクチュエータにより変換機構を移動制御することによって、上記位相差を補正する位相補正手段と、を有する。

通常は、主として操舵アクチュエータによって操舵輪が転舵される。入力軸と操舵輪との間に位相差が生じた場合には、上述したように可変アクチュエータを利用して位相差を補正することができる。
（２）上記可変アクチュエータの出力軸に設けられるウォームホイールと、変換機構のボールナットに設けられ、上記ウォームホイールに噛み合うウォームと、を有している。この場合、ウォームホイール及びウォームが減速機構として機能するため、可変アクチュエータの出力トルクが小さくて済む。また、ウォームホイール及びウォームが周知の非可逆式機構であるため、操舵側からの反力によって誤って可変アクチュエータの出力軸が回動させられるおそれがなく、信頼性・安全性に優れている。
（３）上記入力側ピストンは、切換機構のスライダを挟み込む一対のピストン片により構成され、各ピストン片の軸方向外側に上記入力側液圧室が形成され、かつ、作動油が封入された一対のピストン片の間の空間に、上記変換機構が収容されている。この場合、一対のピストン片の間の空間に封入された作動流体が、変換機構の潤滑用流体として機能し、潤滑性が向上する。
（４）変換機構の軸方向移動量は、入力側ピストンが入力側シリンダの軸方向端面に突き当たらない程度に設定される。これにより、入力側ピストンが誤って入力側シリンダの軸方向端面に突き当たるおそれがないく、安全性に優れている。

本発明の一実施例に係るパワーステアリング装置の入力側シリンダの断面図。 本発明の一実施例に係るパワーステアリング装置を示す概略斜視図。 本発明の他の実施例に係るパワーステアリング装置を示す概略斜視図。

符号の説明

１１…ステアリングホイール
１２…操舵輪
１４…入力軸
１７…パワーシリンダ
１９…第１出力側液圧室
２０…第２出力側液圧室
２１…第１連通路
２２…第２連通路
２３，２４…アキュムレータ
２５…操舵角センサ
２６…トルクセンサ
２７…実舵角センサ
２９…転舵アクチュエータ
３０…可変モータ（可変アクチュエータ）
４０…入力側シリンダ
４２…入力側ピストン
４３…第１入力側液圧室
４４…第２入力側液圧室
４５…変換機構
５０…スライダ
５２…ボールナット
５４…ウォーム
５５…ウォームホイール

Claims (2)

1. ステアリングホイールに接続された入力軸と、
   入力側ピストンにより第１入力側液圧室と第２入力側液圧室とに液密に画成された入力側シリンダと、
   第１出力側液圧室と第２出力側液圧室との差圧により操舵輪に操舵力を付与するパワーシリンダと、
   上記第１入力側液圧室と第１出力側液圧室とを連通する第１連通路と、
   上記第２入力側液圧室と第２出力側液圧室とを連通する第２連通路と、
   上記入力軸と入力側ピストンとに連携し、入力軸の回転運動と入力側ピストンの軸方向運動とを相互に変換・伝達する変換機構と、
   この変換機構に連携し、入力軸の回転変位量と入力側ピストンの軸方向変位量との変換比を変更可能な可変アクチュエータと、
   を有することを特徴とするパワーステアリング装置。
2. 上記変換機構が、上記入力軸の外周に相対回転が拘束された状態で嵌合し、上記入力側ピストンとともに軸方向に移動可能なスライダと、このスライダの外周にボールスクリュー機構を介して嵌合するボールナットと、を有し、
   上記可変アクチュエータが、上記ボールナットを回転駆動する可変モータであることを特徴とする請求項１に記載のパワーステアリング装置。
   

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