JP2005247242A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で組込みスペースの小さなもので、過負荷による電動モータや減速機構の損傷や故障を防止する。
【解決手段】電動パワーステアリング装置において、ステアリングシャフト２側の従動ギヤ（ウォームホイール５２）と噛合した状態で電動モータ４により駆動される駆動ギヤ（ウォーム軸５１）と、駆動ギヤ５１に軸方向に弾力を付勢する付勢手段（皿ばね２８）と、駆動ギヤ５１と電動モータ４の回転軸４ａとの間で所定値以下のトルクを伝達するトルクリミッタ２９とを備えている。トルクリミッタ２９は、軸直交面に対して傾斜する回転面からなる一対の摩擦面２９ａ，２９ｂを、付勢手段２８の付勢弾力により圧接させている。
【選択図】図２

Description

本発明は、運転者により行われるハンドル（ステアリングホイール）等の操舵部材の操作に応じて電動モータを駆動して運転者の操舵補助を行う電動パワーステアリング装置に関し、特には、電動モータの回転を減速してステアリングシャフトに伝達する減速機構を備えた電動パワーステアリング装置に関する。

上記電動パワーステアリング装置は、ハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサ等のセンサと、操舵補助用の電動モータと、電動モータを駆動するモータ駆動回路と、電動モータの回転を減速してステアリングシャフトに伝達する減速機構と、これらを電子的に制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）とを備え、ＥＣＵにおいては、センサから取り込んだセンサ信号に基づいて、上記操舵補助に適したトルクを発生するのに必要な電動モータの駆動量を演算し、その駆動量に対応する制御信号をモータ駆動回路に与えて電動モータを駆動する構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

減速機構は、ステアリングシャフトに嵌着されたウォームホイールと、電動モータの回転軸に連結されたウォーム軸とをハウジング内に収容したもので、ウォーム軸とウォームホイールとの噛み合いにより、電動モータの回転を減速してステアリングシャフトに伝達することで、ハンドルの操作によって加えられる操舵トルクと、電動モータが発生する操舵補助トルクとの和を、出力トルクとしてステアリング機構に与える。

上記の減速機構においては、ウォーム軸とウォームホイールとの間のバックラッシュに起因する騒音や振動の発生を抑制もしくは防止する必要があり、そのため、多くの場合、ウォーム軸の端部を支持する軸受の軸方向外側に押圧部材を設けて、この押圧部材で軸受を軸方向内方に押圧することで、ウォーム軸に軸方向の予圧を付与している。
特開２００２−１６６８３８号公報

ところで、上記の電動パワーステアリング装置では、ハンドルを一方向に切っていって、操向用の車輪の向きを限界角度まで変えた場合や、車輪の側面が道路の段差面に当たった場合、車輪はそれ以上に向きが変えられないのに、電動モータは慣性で回転を続けようとするから、過負荷が生じ、電動モータや減速機構に無理な力が加わることがある。

このような過負荷状態を回避するため、従来は、電動モータにトルクリミッタを内蔵したものを採用するか、あるいは、電動モータの回転軸とウォーム軸との間に、摩擦を利用したトルクリミッタを介装して、過負荷時には、電動モータの回転軸をウォーム軸に対して空転させるようにしている。

しかしながら、トルクリミッタを内蔵した電動モータは高価で、装置のコストアップを招く。また、電動モータとは別に設けるトルクリミッタは、摩擦面を有する部材だけでなく、これら部材を互いに圧接させる手段が必要で、全体では数多くの部品が必要で、構造が複雑となるばかりか、組込みに比較的大きなスペースを必要とする等の問題がある。

本発明による電動パワーステアリング装置は、操舵部材の操作に応じて電動モータを駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置において、従動ギヤと噛合した状態で電動モータにより駆動される駆動ギヤと、駆動ギヤに軸方向に沿って電動モータ側へ弾力を付勢する付勢手段と、駆動ギヤと電動モータの回転軸との間で、軸直交面に対して傾斜する回転面からなる一対の摩擦面を、上記付勢手段の付勢弾力により互いに圧接させて所定値以下のトルクを伝達するトルクリミッタとを備えたことを特徴とするものである。

上記構成において、駆動ギヤには例えばウォーム軸が、従動ギヤにはウォームホイールが用いられるが、駆動ギヤおよび従動ギヤには、はすばかさ歯車やハイポイド歯車等、他種の歯車が含まれる。また、軸直交面に対して傾斜する回転面とは、例えば、凸もしくは凹の円すい面であるが、この回転面には、凸もしくは凹の球面のように、軸直交面に対する傾斜角度が小径側から大径側へ連続的に変化する面や、軸直交面に対する傾斜角度が小径側から大径側へ段階的に変わる面が含まれる。

本発明によると、通常の動作状態では、電動モータの回転軸の回転は、そのままトルクリミッタを介して駆動ギヤに伝わり、駆動ギヤから従動ギヤ、そして、例えばステアリングシャフトに伝達されるが、操向用の車輪の向きがそれ以上変えられなくなったような場合、トルクリミッタでは、付勢手段による付勢弾力に抗して、一対の摩擦面の間ですべりが生じて、電動モータの回転軸が駆動ギヤに対して空転し、過負荷状態が解消される。

また、本発明では、付勢手段が、駆動ギヤに軸方向の予圧を付与する手段としても、トルクリミッタの摩擦面を圧接させる手段としても作用するから、トルクリミッタの構成が簡略化するとともに、組込みスペースを小さくすることができる。

この場合、駆動ギヤに付与する予圧は、定圧予圧となるから、装置の動作中もウォーム軸に一定の予圧を作用させることで、定位置予圧よりも、騒音や振動の発生を効果的に抑制できる。

さらに、トルクリミッタでの摩擦面は、軸直交面に対して傾斜しているから、径方向の広がりを大きくすることなく所要の面積の摩擦面を確保でき、この点からも、トルクリミッタの小型化、組込みスペースの縮小化が可能になる。

本発明によると、構造が簡単で組込みスペースの小さなもので、過負荷による電動モータや減速機構の損傷や故障を未然に防止しうる。

図面を参照して、本発明による最良の形態に係る電動パワーステアリング装置を説明すると、図１は、同電動パワーステアリング装置を、関連する車両構成と共に示す概略構成図で、主要部は軸方向に沿って断面して示している。図２は、図１の（２）−（２）に沿った拡大断面図である。

この電動パワーステアリング装置は、コラムアシストタイプであって、操舵部材としてのステアリングホイール（ハンドル）１に一端が連結されたステアリングシャフト２と、ステアリングホイール１の操作によってステアリングシャフト２に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ３と、駆動により操舵補助トルクを発生させる電動モータ４と、この電動モータ４の回転を減速してステアリングシャフト２に伝達する減速機構５と、トルクセンサ３等のセンサの出力信号に基づいて電動モータ４の駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）６とを備えている。

ステアリングシャフト２の他端は、図示省略した下部軸を介して、ステアリング機構（舵取機構）７に連結される。ステアリング機構７は、ラックアンドピニオン式のもので、図示しないが、操舵操作により回転するピニオンと、このピニオンに噛み合うラック軸とを有し、ピニオンはステアリングシャフト２の他端に連結され、ラック軸の両端は、タイロッドおよびナックルアーム等からなる連結部材８を介して操向用の車輪９に連結されている。ＥＣＵ６に出力信号を供給するセンサとしては、トルクセンサ３のほかには、車速センサや、エンジン回転センサがある。

以下の説明では、電動パワーステアリング装置の車両への実装状態に即して、ステアリングホイール１に近い側を上側もしくは上端、ステアリング機構７に近い側を下側もしくは下端という。

ステアリングシャフト２の中途部は、ステアリングホイール１側から順に、上部軸１０と、筒状の入力軸１１と、トーションバー１２と、筒状の出力軸１３とから構成されている。

ステアリングシャフト２の上部軸１０は、ステアリングホイール１と一体に回転しうる状態でステアリングコラム１４内に挿通されている。入力軸１１は、その筒状内部に挿入したトーションバー１２とともに、径方向に貫通するピン１５により上部軸１０の下端部に連結されている。トーションバー１２は、その中間部１２ｃに長尺で細径のねじり領域を有するもので、大径円柱形状をなす上端部１２ａが前記したように上部軸１０に連結されるとともに、同じく大径円柱形状をなす下端部１２ｂが出力軸１３の筒状内部に挿入されて、径方向に貫通するピン１６により出力軸１３に連結されている。このトーションバー１２の外周で、ステアリングシャフト１２の入力軸１１はトーションバー１２の下端側へ、また出力軸１３はトーションバー１２の上端側へそれぞれ延出しており、それらの延出部は、トーションバー１２の中間部１２ｃの外周で互いに軸方向に対向するとともに、径方向内外に入れ子状に嵌挿されている。

トルクセンサ３はセンサハウジング１７に収容され、また、減速機構５はギヤハウジング１８に収容されている。センサハウジング１７とギヤハウジング１８は、ステアリングシャフト２の周りに軸方向上下に配置されて互いに結合され、結合状態でステアリングコラム１４の下部を構成している。

センサハウジング１７は、上端部がステアリングコラム１４に結合されて、ステアリングコラム１４に近い位置で針状ころ軸受１９により入力軸１１を回転可能に支持し、下端側では、その内周に設けた玉軸受２０により出力軸１３を回転可能に支持している。ギヤハウジング１８は、センサハウジング１７の下部に結合されて、その下端側の内周に設けた玉軸受２１により出力軸１３を回転可能に支持している。このギヤハウジング１８のさらに詳しい構造、形状については、その内部に収容する減速機構５の構成に関連付けて後述する。

トルクセンサ３は、センサハウジング１７の内部で、入力軸１１と出力軸１３との軸方向対向部の外周に配置されており、検出用のコイル３１と、温度補償用のコイル３２とを有している。これらのコイル３１，３２は、通電により、各コイル３１，３２を収容する磁性体製のケース３３，３４と、両コイル３１，３２の内周で入力軸１１および出力軸１３の外周面に取付けられた磁性体製のリング２２，２３，２４との間に磁気回路を形成する。検出用コイル３１の周りに形成される磁気回路の磁気抵抗は、トーションバー１２のねじれに伴い、入力軸１１に対して出力軸１３が回転方向に位置ずれすることで変化し、この変化に応じて検出用コイル３１のインピーダンスを変化させる。トルクセンサ３は、トーションバー１２のねじれを、検出用コイル３１でのインピーダンスの変化として検出するようになっている。

減速機構５は、ウォーム軸（駆動ギヤ）５１と、ウォームホイール（従動ギヤ）５２とを備え、これらウォーム軸５１およびウォームホイール５２は、ギヤハウジング１８の内部に収容されている。ウォームホイール５２は、センサハウジング１７側の玉軸受２０と、ギヤハウジング１８の下端側の玉軸受２１との間で、出力軸１３に同軸に固着されている。

ウォーム軸５１は、図２に示すように、大径のウォーム軸本体５１ａの両側から軸方向両方に小径の端部５１ｂ，５１ｃが延出した形状で、ウォーム軸本体５１ａがウォームホイール５２と噛み合う状態で、電動モータ４の回転軸４ａに同軸に配置されている。

ウォーム軸５１の各端部５１ｂ，５１ｃに隣接してそれぞれフランジ部５１ｄ，５１ｅが形成されている。

ギヤハウジング１８は、ウォームホイール収容部（従動ギヤ収容部）１８２と、ウォーム軸収容部（駆動ギヤ収容部）１８１とからなる。

ウォームホイール収容部１８２は、両端開放の段付き円筒形状で、内部にウォームホイール５２を収容する大径円筒部１８２ａと、玉軸受２１を介して出力軸１３を支持する小径円筒部１８２ｂとを連成した構成になっている。大径円筒部１８２ａの上端側の開放部はセンサハウジング１７により閉塞されている。

ウォーム軸収容部１８１は、内部にウォーム軸５１を収容する小径円筒部１８１ａと、この小径円筒部１８１ａに連成されて電動モータ４が同軸に取付けられる大径円筒部１８１ｂとからなる。ウォーム軸収容部１８１の小径円筒部１８１ａと、ウォームホイール収容部１８２の大径円筒部１８２ａとは、内部でウォーム軸５１の本体５１ａとウォームホイール５２とが噛合するよう、内部空間が互いに連通している。ウォーム軸収容部１８１の小径円筒部１８１ａの軸方向両端のうち、電動モータ４から遠い側の端部が、ねじ込み可能な蓋体２５により閉塞されている。

ギヤハウジング１８のウォーム軸収容部１８１の内部において、ウォーム軸５１の各端部５１ｂ，５１ｃはそれぞれ、ウォーム軸収容部１８１の小径円筒部１８１ａ内にすきまばめもしくは中間ばめにより設けられた玉軸受２６，２７により支持されている。このうち、閉塞端の側の玉軸受２６は、ウォーム軸５１の端部５１ｂのフランジ部５１ｄの軸方向外側に配置されており、この玉軸受２６の外輪と、閉塞端の蓋体２５との間に、弾力の付勢手段として複数の皿ばね２８が介装され、これらの皿ばね２８により玉軸受２６を介してウォーム軸５１に軸方向に沿って電動モータ４の側へ弾力が付勢されている。

上記の付勢手段としては、皿ばね２８のほか、コイルばねのような他種のばねでもよく、また、耐久性を有するものであれば、ゴム、樹脂等の弾性材や、各種素材の複合材を用いてもよい。

ギヤハウジング１８のウォーム軸収容部１８１の内部には、また、ウォーム軸５１と電動モータ４の回転軸４ａとの間にトルクリミッタ２９が設けられている。このトルクリミッタ２９は、軸直交面に対して傾斜する回転面からなる一対の摩擦面２９ａ，２９ｂを、互いに軸方向に圧接させることで、所定値以下のトルクを伝達するものであり、通常の動作状態では、電動モータ４の回転軸４ａの回転をウォーム軸５１に伝達するが、ステアリングシャフト２等が回転しないよう固定される等して、過負荷状態になったときには、一対の摩擦面２９ａ，２９ｂの間にすべりを生じ、ウォーム軸５１に対して電動モータ４の回転軸４ａが空転するようになっている。

トルクリミッタ２９は、具体的には、軸方向先端に凸の円すい面からなる摩擦面２９ａを有する凸型の伝動体２９１と、この凸型の伝動体２９１の摩擦面２９ａと軸方向に対向するよう、先端に凹入した円すい面からなる摩擦面２９ｂを有する凹型の伝動体２９２とからなる。凸型の伝動体２９１は、ウォーム軸５１の電動モータ側の端部５１ｃにセレーション等の固着手段により固着され、凹型の伝動体２９２は、その背面側の軸部２９２ａが筒体３０を介して電動モータ４の回転軸４ａに回転一体に結合されている。そして、これら両伝動体２９１，２９２は、ウォーム軸５１に軸方向に作用する皿ばね２８の付勢弾力により、摩擦面２９ａ，２９ｂを互いに圧接させるようになっている。

各伝動体２９１，２９２の摩擦面２９ａ，２９ｂは、円すい面に限らず、球面のように、軸直交面に対する傾斜角度が小径側から大径側へ連続的に変化する面でもよく、また、軸直交面に対する傾斜角度が小径側から大径側へ段階的に変わる面でもよく、要するに、軸直交面に対して傾斜する回転面で構成されていればよい。さらに、電動モータ４側の伝動体２９２に凸の円すい面等からなる摩擦面２９ａを、ウォーム軸５１側の伝動体２９１に凹入した円すい面等からなる摩擦面２９ｂを、それぞれ形成してもよい。

なお、上記の構成では、トルクリミッタ２９を介して電動モータ４の回転軸４ａには、付勢手段である皿ばね２８の付勢弾力が軸方向に作用するので、電動モータ４において回転軸４ａを支持する軸受４ｂには、比較的大きなアキシアル荷重を負荷しうる軸受を用いる必要がある。

図１に戻って、ＥＣＵ６は、マイクロコンピュータ６１を中心に構成されたもので、特に図示しないが、センサ用インタフェースやモータ駆動回路等の周辺回路を含んでいる。ＥＣＵ６のマイクロコンピュータ６１は、トルクセンサ３等のセンサからの出力信号を取り込み、取り込んだセンサの出力信号に基づいて、操舵補助に適したトルクを発生するのに必要な電動モータ４の駆動量を演算し、その駆動量に対応する制御信号により電動モータ４を駆動する。

以上の構成において、通常の動作状態では、電動モータ４からウォーム軸５１に伝達されるトルクは、トルクリミッタ２９において設定された限界トルク（所定値のトルク）以下であるから、電動モータ４の回転軸４ａの回転は、そのままトルクリミッタ２９を介してウォーム軸５１に伝わり、ウォーム軸５１からウォームホイール５２を介して、操舵補助トルクとしてステアリングシャフト２に伝達される。

次に、操向用の車輪９の向きがそれ以上変えられなくなる等して、急にウォームホイール５２やウォーム軸５１が回転しなくなった場合、電動モータ４はなおも慣性で回転を続けようとするから、電動モータ４の出力側は過負荷状態になるが、トルクリミッタ２９では、所定値を超えるトルクが作用するから、皿ばね２８による付勢弾力に抗して一対の摩擦面２９ａ，２９ｂの間ですべりが生じて、電動モータ４の回転軸４ａがウォーム軸５１に対して空転し、過負荷状態が解消される。これにより、電動モータ４やその出力側の機構の損傷、故障が防止される。

図２に示す構造では、付勢手段である皿ばね２８の付勢弾力を、電動モータ４で受け止めるようにしているが、図３に示すように、ギヤハウジング１８のウォーム軸収容部１８１の内部で、電動モータ４の前面側には、環状の受止め部材３１を介して軸受３２を設け、この軸受３２で、電動モータ４側の伝動体である凹型の伝動体２９２の背面側を支持させ、これら軸受３２および受止め部材３１で、皿ばね２８の付勢弾力を受け止めるようにしてもよい。この構成によれば、皿ばね２８の付勢弾力は、電動モータ４の回転軸４ａに作用しなくなる。

なお、本発明においては、減速機構５の駆動ギヤや従動ギヤは、はすばかさ歯車やハイポイド歯車等、他種の歯車で構成されてもよい。また、本発明は、ステアリングシャフト１の下端の軸であって、ステアリング機構７の入力軸となるピニオン軸を、減速機構を介して駆動するタイプの電動パワーステアリング装置にも実施しうる。また、ステアリングホイール１に連結されたピニオンとは別に設けた第２のピニオンをラック軸に噛み合わせ、第２のピニオンにウォームホイール等の従動ギヤを嵌着させ、上記実施形態と同様に電動モータ４の操舵補助トルクを与える構成としてもよい。

本発明の最良の形態に係る電動パワーステアリング装置を、関連する車両構成と共に示す概略構成図で、主要部は軸方向に沿って断面して示している。 図１の（２）−（２）に沿った拡大断面図である。 本発明の他の実施形態のトルクリミッタ部分の断面図。

符号の説明

１ ステアリングホイール（操舵部材）
２ ステアリングシャフト
３ トルクセンサ
４ 電動モータ
４ａ 回転軸
５ 減速機構
５１ ウォーム軸（駆動ギヤ）
５２ ウォームホイール（従動ギヤ）
１８ ギヤハウジング
１８１ ウォーム軸収容部
２８ 皿ばね（付勢手段）
２９ トルクリミッタ
２９ａ，２９ｂ 摩擦面
２９１，２９２ 伝動体

Claims (1)

1. 操舵部材の操作に応じて電動モータを駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置において、
   従動ギヤと噛合した状態で電動モータにより駆動される駆動ギヤと、
   駆動ギヤに軸方向に沿って電動モータ側へ弾力を付勢する付勢手段と、
   駆動ギヤと電動モータの回転軸との間で、軸直交面に対して傾斜する回転面からなる一対の摩擦面を、上記付勢手段の付勢弾力により互いに圧接させて所定値以下のトルクを伝達するトルクリミッタと、
   を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
   
   

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