JP2005280589A - 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が小さくて済むものとし、かつ、過負荷による電動モータや減速機構の損傷や故障を効果的に防止する。
【解決手段】本電動パワーステアリング装置は、電動モータ４の回転軸４ａにトルクリミッタ（連結機構）２９を介して連結されるウォーム軸（駆動ギヤ）５１と、ウォーム軸５１と噛合するウォームホイール（従動ギヤ）５２とを備える。トルクリミッタ２９は、ウォーム軸５１側の内輪体２９１と、回転軸４ａ側に固定され内輪体２９１と同心に配置された外輪体２９２とを備える。外輪体２９２の円筒状内周面２９２ａｓに、内輪体２９１の円筒状外周面２９１ａｓに圧接して内輪体２９１と外輪体２９２とを一体回転可能とし、かつ所定値以上の回転トルクに対して内輪体２９１と外輪体２９２とを相対回転可能とする複数の突起３１を設けた構成。
【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等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、ＥＣＵに含まれる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。
特開２００２−１６６８３８号公報

上記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、電動モータに連結機構として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られる、摩擦を利用したトルクリミッタは、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、全体では部品が多く構造が複雑で、組込みに比較的大きなスペースを必要とする課題がある。加えて、摩擦面どうしの圧接では、すべりが生じる際のトルクにばらつきがあり、伝達しうる限界トルクの設定、調整が難しいという課題もある。

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であって、電動モータの回転軸に連結機構を介して連結される駆動ギヤと、駆動ギヤと噛合する従動ギヤとを備え、上記連結機構は、上記回転軸側と駆動ギヤ側とのうちの一方に固定された内輪体と、他方に固定されかつ上記内輪体と同心に配置された外輪体とを備え、上記内輪体の円筒状外周面および外輪体の円筒状内周面のうちの一方に、他方に圧接して所定値未満の回転トルクに対して上記内輪体と上記外輪体とを一体回転可能とし、かつ所定値以上の回転トルクに対して上記内輪体と上記外輪体とを相対回転可能とする複数の突起を設けたことを特徴とするものである。

本発明によると、上記複数の突起を介して、内輪体の円筒状外周面と外輪体の円筒状内周面とが圧接しているから、通常の動作状態では、電動モータの回転軸の回転は、連結機構を介して駆動ギヤに伝達されるとともに、当該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。

次に、操向用の車輪の向きが例えば、それ以上変えられなくなって電動モータの出力側が過負荷状態になって所定値以上の回転トルクがかかると、上記複数の突起が圧接していても、内輪体の円筒状外周面と外輪体の円筒状内周面との間にすべりが生じ、電動モータの回転軸と駆動ギヤとが相対回転可能状態となって当該回転軸が空転し、その過負荷状態が解消される。

この場合、連結機構は仮に内輪体の円筒状外周面と外輪体の円筒状内周面との直接の接触でトルクを伝達するものであると、これら円筒状面（円筒状外周面および円筒状内周面）の加工精度等により、両円筒状面を全面均等に接触させることが難しく、両円筒状面間の位相角度が異なる毎にその間の摩擦力が変わり、すべりが生じる際のトルク（限界トルク）にかなり大きなばらつきが生じる。

これに対して、本発明の連結機構では、突起を円筒状内周面もしくは円筒状外周面に圧接させてトルクを伝達させるようにしているから、一方の円筒状面の側から他方の円筒状面の側に作用する圧接力が突起の圧接点に集中し、しかも、突起の周囲部分や圧接点の周囲部分が微量的にたわみ変形するから、複数の圧接点において、円筒状面への圧接力が均等になる。このため、円筒状面に対する突起群の位相角度が異なっても、突起の圧接による摩擦力は、全体として大きく変化せず、すべりが生じる際の限界トルクが安定し、限界トルクを正確に設定、調整することができる。

また、上記連結機構では、上記円筒状外周面と円筒状内周面とが、常に径方向内外に互いに重なり合った状態を保っていて、当該両円筒状面を軸方向に相対変位させる必要がないから、一対の摩擦面を圧接させる方式の連結機構のように、摩擦面を圧接させる手段（例えば、コイルばね、皿ばね等のばね）が必要でなくなり、また、ばねの端部を受止める部材も必要でなくなるから、構造が簡単で、部品点数が少なくて済み、組込みに大きなスペースを必要としない。

本発明によると、部品点数が少なくて済み、かつ組込みスペースも小さくて済む構造のものでありながら、過負荷から電動モータや減速機構の損傷や故障を確実に防止できる。

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ともに示す概略構成図で、主要部を軸方向に沿う断面で示している。図２は、図１の（２）−（２）線に沿う拡大断面図、図３は、図２の（３）−（３）線に沿う断面図で、その一部を拡大して示している。

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、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外嵌内挿されている。

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とは、ステアリングシャフト２の中途部の周りに軸方向上下に配置されて互いに結合され、その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と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、両端開放で段付き円筒形状のウォームホイール収容部１８２と、ウォーム軸収容部１８１とからなる。ウォームホイール収容部１８２は、その大径円筒部１８２ａの内部にウォームホイール５２を収容した状態で、下端側の小径円筒部１８２ｂ内に設けられている玉軸受２１により出力軸１３を支持している。上端側の大径円筒部１８２ａ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、上記したウォームホイール収容部１８２の大径円筒部１８２ａとは、内部空間が互いに連通しており、その連通する空間内部でウォーム軸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から遠い側の端部は閉塞されている。

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、フランジ部５１ｄ，１５ｅの軸方向外側に設けられた玉軸受２５，２６により回転可能に支持されている。両玉軸受２５，２６のうち、一方の玉軸受２６の電動モータ４側にはロックナット２７付きの押えねじ環２８が設けられ、この押えねじ環２８のねじ込みにより、玉軸受２６を介してウォーム軸５１に所要の軸方向の予圧が付与されている。

ギヤハウジング１８のウォーム軸収容部１８１の内部には、また、電動モータ４の回転軸４ａとウォーム軸５１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（連結機構）２９が設けられている。

トルクリミッタ２９は、ウォーム軸５１側の内輪体２９１と、電動モータ４側の外輪体２９２とからなる。

内輪体２９１は、外側円筒部２９１ａと、これと同心の内側円筒部２９１ｂと、両円筒部２９１ａ，２９１ｂを一体連成する環状部２９１ｃとからなる。内側円筒部２９１ｂは、その内周面が、ウォーム軸５１の電動モータ４側の端部５１ｃの外周面にセレーション、スプライン等により固着されており、これによって、内輪体２９１はウォーム軸５１と回転一体に固定されている。

外輪体２９２は、軸方向に段付き円筒形状に構成されている。すなわち、外輪体２９２は、内部に内輪体２９１の外側円筒部２９１ａが同心状態に入り込む大径円筒部２９２ａと、この大径円筒部２９２ａと一体に連成され、かつ内周に電動モータ４の回転軸４ａが挿嵌される小径円筒部２９２ｂとから構成されている。外輪体２９２は、その小径円筒部２９２ｂの内周面が電動モータ４の回転軸４ａにセレーション、スプライン等により固着されることによって、電動モータ４の回転軸４ａに回転一体に結合されている。

内輪体２９１の外側円筒部２９１ａの外周面２９１ａｓ（円筒状外周面）と、外輪体２９２の大径円筒部２９２ａの内周面２９２ａｓ（円筒状内周面）とは、径方向ほぼ同心に対向しており、互いの対向面間には、環状の隙間３０が存在している。そして、外輪体２９２の大径円筒部２９２ａの内周面２９２ａｓには、図３に明示するように、径方向内向きに突出して内輪体２９１の外側円筒部２９１ａの外周面２９１ａｓに圧接する複数の、本例では４個の、半球状突起３１が円周方向等間隔で一列に形成されている。突起３１は、円周方向２以上の列に形成されてもよい。

これらの突起３１は、内輪体２９１の外側円筒部２９１ａの外周面２９１ａｓに圧接することで、所定値未満の回転トルクに対して内輪体２９１と外輪体２９２とを一体回転可能とし、かつ所定値以上の回転トルクに対して内輪体２９１と外輪体２９２とを相対回転可能とするものであり、半球状に限定されず、軸方向に広がった形でも円周方向に長い形状等でもよく、内輪体２９１の外側円筒部２９１ａの外周面２９１ａｓに点状に圧接して、その圧接力を当該外側円筒部２９１ａの外周面２９１ａｓの狭い範囲に集中させるものであればよい。

また、突起３１は、外輪体２９２の大径円筒部２９２ａと一体に形成されるが、突起３１を当該大径円筒部２９２ａとは別の素材で構成して大径円筒部２９２ａの内周面に埋設してもよい。内輪体２９１や外輪体２９２の素材は、金属や樹脂や、その他の素材でもよい。また、突起３１を大径円筒部２９２ａとは別の素材で構成する場合は、当該突起３１を、弾性を有する素材、例えば、硬質のゴムで構成してもよい。

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。

上記構成において、トルクリミッタ２９では、ウォーム軸５１側の内輪体２９１の外側円筒部２９１ａの外周面２９１ａｓに、外輪体２９２の大径円筒部２９２ａに形成されている突起３１が食い込むように圧接する。内輪体２９１と外輪体２９２との間に上記所定値未満の回転トルクがかかる場合、内輪体２９１と外輪体２９２とは、突起３１の圧接により一体回転する。このような所定値未満の回転トルクがかかる通常の動作状態では、電動モータ４の回転軸４ａの回転は、上記内輪体２９１と外輪体２９２とからなるトルクリミッタ２９を介してウォーム軸５１に伝えられることになる。

操舵補助の動作中、操向用の車輪９の向きがそれ以上変えられなくなったような場合、電動モータ４の回転軸４ａはなおも慣性で回り続けようとするので、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、上記所定値以上の過大な回転トルクにより、上記突起３１の圧接による摩擦に抗して内輪体２９１と外輪体２９２との間にすべりが生じ、これで電動モータ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。

また、上記構成のトルクリミッタ２９では、外輪体２９２の大径円筒部２９２ａ側から内輪体２９１の外側円筒部２９１ａ側に作用する圧接力が突起３１の圧接点に集中し、突起３１の周囲部分や、圧接点の周囲部分が微量的にたわみ変形するから、複数の圧接点において、当該外側円筒部２９１ａの外周面２９１ａｓへの圧接力が均等になる。このため、内輪体２９１に対して外輪体２９２が相対回転することで、外側円筒部２９１ａの外周面２９１ａｓに対する突起３１群の位相角度が異なっても、突起３１の圧接による摩擦力は、全体として大きく変化せず、すべりが発生する際の限界トルクにばらつきが生じない。

上記実施形態では、突起３１は、外輪体２９２の大径円筒部２９２ａに設けられているが、この突起３１は、内輪体２９１の外側円筒部２９１ａの外周面２９１ａｓに圧接するよう外輪体２９２の一部に設けられていればよく、突起３１を有する部分は、必ずしも円筒形状に形成されなくてもよい。例えば、外輪体２９２の大径円筒部２９２ａは、その軸方向先端部分を円周方向数箇所で切り欠いたものでもよい。外輪体２９２の大径円筒部２９２ａに、このような切り欠きを設けた場合、突起３１を有する部分がたわみ変形しやすくなり、すべりを生じる際の限界トルクを低い値に設定したい場合に便利である。

なお、本発明の他の形態として、内輪体２９１を電動モータ４の回転軸４ａ側に、外輪体２９２をウォーム軸５１側に結合してもよい。また、突起３１は、内輪体２９１の外側円筒部２９１ａの外周面２９１ａｓに形成して、その突起３１を、外輪体２９２の大径円筒部２９２ａの内周面２９２ａｓに圧接させるようにしてもよい。

さらに、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。さらにまた、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、本発明は、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のピニオンをステアリング機構７の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、主要部を断面で示している。 図１の（２）−（２）線に沿った拡大断面図。 図２の（３）−（３）線に沿った一部拡大断面図。

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
２９ トルクリミッタ（連結機構）
２９１ 内輪体
２９１ａｓ 外側円筒部の外周面（円筒状外周面）
２９２ 外輪体
２９２ａｓ 大径円筒部の内周面（円筒状内周面）
３１ 突起

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であって、
   電動モータの回転軸に連結機構を介して連結される駆動ギヤと、
   駆動ギヤと噛合する従動ギヤとを備え、
   上記連結機構は、上記回転軸側と駆動ギヤ側とのうちの一方に固定された内輪体と、他方に固定されかつ上記内輪体と同心に配置された外輪体とを備え、
   上記内輪体の円筒状外周面および外輪体の円筒状内周面のうちの一方に、他方に圧接して所定値未満の回転トルクに対して上記内輪体と上記外輪体とを一体回転可能とし、かつ所定値以上の回転トルクに対して上記内輪体と上記外輪体とを相対回転可能とする複数の突起を設けた、
   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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