JP2005297789A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】路面側から過大な衝撃トルクが作用した場合にも、操舵が不能な状態に陥るのを防止し、車両の安全性を高める。
【解決手段】モータ軸１２と、減速ギア機構１１を構成するウォーム軸１３とを連結し、モータの回転力を減速ギア機構１１を介してアシストするようにし、ウォーム軸１３は、両端付近を一対の軸受１６、１７で回転自在に支持するとともに、モータ軸１２の出力側軸受３７からウォーム軸１３のモータ側軸受１７までのトルク伝達経路に最弱強度部Ｄｓを設け、トルク伝達経路に過大な衝撃力が作用した場合に、最弱強度部Ｄｓを破損させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置の改良に関し、特に車輪側から作用する過大な衝撃トルクに対して安全性を向上させることにある。

一般に、電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳという）は、車両の運転操舵に関わる重要な部品であり、極めて高い安全性が要求される。その中で、ＥＰＳのトルク伝達経路は、車両の運転操舵中の路面状態によって外部から大きな衝撃トルクが加わる恐れがあり、これに対する配慮が必要であった。

また、トルク伝達経路の中で、衝撃トルクに対してアシスト用モータのモータ軸が強度的に最も弱い箇所になる恐れがあり、モータ軸の破損による操舵に支障が生じるのを防止するため、トルクリミッタを取り付けたり、モータ軸の軸径を太くして対応していた。

このうち、トルクリミッタを取り付ける場合として、例えば特許文献１などに開示されている。図６は、従来のＥＰＳ用のモータの概略構成を示し、同図において、モータ１０１のケース１０２内に、モータ軸１０３が軸受１０４,１０５に回転自在に支持されている。このモータ軸１０３の出力側には、トルクリミッタ１０６が設けられている。

このトルクリミッタ１０６は、通常、トルクリミッタのケース内に摩擦板や、該摩擦板をケース側に押圧するスプリングなどを配し、トルクリミッタ１０６を介して操舵補助トルクを被駆動軸に伝達させるようになっている。一方、路面状況に応じて車輪側から設定値以上の衝撃トルクが作用した場合、トルクリミッタ内の摩擦板などの部材に滑りを生じさせ、モータ軸１０３を相対的に回転させて、外部からの衝撃トルクを吸収するようになっている。
特開平９−８４３００号公報

ところが、上記従来の技術では、ＥＰＳのモータにトルクリミッタを取り付けると、外部からの衝撃トルクを遮断することは可能であるが、トルクリミッタのコストが高く、またトルクリミッタ自体の慣性により衝撃トルクが増幅されることがある。また、トルクリミッタに寸法精度のばらつきがあると、モータ軸のウォーム軸側の接続用スプライン嵌合部で摩擦音を発生することがあった。さらに、トルクリミッタの設定トルク（滑りトルク）の設定管理も難しいという問題もあった。

さりとて、衝撃トルクに対する強度を増すため、モータ軸の軸径を太くしただけでは、コストが高くなり、慣性による弊害も増大するという問題があった。この場合、過大な衝撃トルクが作用して、比較的強度の小さいコイル巻線や磁石というモータの他の部品を破損してしまうと、操舵が不能になり、安全性の点で問題があった。

さらに、減速ギア機構を構成するウォームホイールの最外周部は、通常、強度の弱い樹脂などで形成されているため、過大な衝撃トルクが作用すると、樹脂部で欠損する恐れがあった。そのため、ウォームホイールの最外周部とウォーム軸との接触部で破損することがあり、欠損した樹脂片がウォーム軸とウォームホイールとの間に引掛かって、ウォームホイール、すなわちステアリングシャフトの回転を阻害する恐れがあり、容易なメインテナンスの面でも、操舵の安全性の面からも問題があった。

そこで、本発明の目的は、路面側から過大な衝撃トルクが作用した場合に、モータ軸の出力側軸受からウォーム軸のモータ側軸受までの間のトルク伝達経路で、強度の小さい最弱強度部を設け、過大な衝撃トルクが作用した場合でも、最弱強度部を意図的に破損させることによって、モータの回転とステアリングシャフトの操舵とが遮断されても、ウォーム軸を空転可能にして、操舵が不能な状態に陥るのを防止し、車両の安全性を高めることにある。

本発明の前記目的は、モータの出力側および反出力側の一対の軸受で回転自在に支持されるモータ軸と、減速ギア機構を構成するウォーム軸とを雌雄嵌合によって連結し、モータの回転力を減速ギア機構を介してアシストするようにした電動パワーステアリング装置において、前記ウォーム軸は、両端付近にそれぞれ配された一対の軸受で回転自在に支持されるとともに、前記モータ軸の出力側軸受から前記ウォーム軸のモータ側軸受までのトルク伝達経路に低強度部を設け、前記トルク伝達経路に過大な衝撃力が作用した場合に、前記低強度部を破損させることによって、前記モータ軸と前記ウォーム軸との間のトルク伝達を遮断するようにしたことにより、達成される。

また、前記目的は、前記低強度部で、トルク伝達の断面積を小さく抑えることによって、過大な衝撃力に対して、前記ウォーム軸とウォームホイールとの噛合部の強度よりも小さくしたことにより、達成される。

さらに、前記目的は、前記モータ軸の出力側軸受から前記ウォーム軸のモータ側軸受までの間のトルク伝達経路で衝撃荷重に対する最弱強度である第１最細部（Ｄｓ）の強度を、モータのトルク発生部から出力側軸受までのトルク伝達経路で衝撃荷重に対する最弱強度である第２最細部（Ｄｍ）の強度よりも小さくしたことにより、効果的に達成される。

さらに、ウォーム軸端のモータ出力軸との連結部は、ウォーム軸端内径にはメススプライン、モータ出力軸端にはオススプラインを備えた構造とし、通常はオス、メススプライン嵌合でトルク伝達を行いながら、異常な衝撃トルクが加わった場合には、最弱強度部が破断して、破断片がウォーム軸と一体の状態で回転することが可能となる。

以上のように、本発明に係るＥＰＳでは、モータ軸の出力側軸受とウォーム軸のモータ側軸受との間のトルク伝達経路に低強度部を設け、過大な衝撃力が作用した場合に、前記最弱強度部を意図的に破損させることによって、モータ軸とウォーム軸とのトルク伝達を遮断するようにした。これにより、ウォーム軸は、両側の２箇所で支持されるため、モータ軸との接続が遮断された状態でも、ウォームホイールは回転して操舵可能になり、安全性が向上する。よって、車輪側から過大な衝撃力が作用し、モータ軸からのトルク伝達経路で破損が生じた場合でも、事故時などに操舵不能に陥り、重大な支障を生じることがない。例えば、路面側から過大な衝撃力が作用して、ウォームホイールの最外周部を形成する樹脂部が欠損して、樹脂片によりウォームとウォームホイールとの噛合部などで回転不能状態に陥いることがなく、操舵可能になって安全性が向上する。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示し、同図において、ステアリングホイール１から、ステアリングコラム２、等速ジョイント３、インタミシャフト４、等速ジョイント５、およびピニオンラック機構６に連結されている。このピニオンラック機構６は、ピニオン軸７とラック軸８とから構成され、ピニオン軸７の回転をラック軸８の水平運動に変換させるようになっている。このラック軸８の両端には、それぞれタイロッド９が配され、該タイロッド９を介して、ステアリングホイール１の操舵力を車輪に伝達するようになっている。

また、前記ステアリングコラム２には、モータ１０の駆動力を減速するための減速ギア機構１１が設けられていて、該減速ギア機構１１は、図２に示すように、モータ１０のモータ軸１２に連結されたウォーム軸１３と、該ウォーム軸１３に取り付けられたウォーム１３ａに噛合してステアリングシャフト１４に設けられたウォームホイール１５とから構成される。このウォーム軸１３は、両側で一対の軸受１６,１７に回転自在に支持されている。また、ステアリングコラム２で、減速ギア機構１１のステアリングホイール１側にトルクセンサ１８が配されていて、該トルクセンサ１８からのトルク信号をコントロールユニット（ＥＣＵ）１９に送るようになっている。

このコントロールユニット（ＥＣＵ）１９には、車速センサ２０からの車速信号を受け、モータ１０を駆動するための制御信号を送るようになっている。また、コントロールユニット（ＥＣＵ）１９は、イグニッションスイッチ２１を介してバッテリー２２に連結されている。これにより、コントロールユニット（ＥＣＵ）１９は、トルクセンサ１８および車速センサ２０からの信号を受け、ステアリングホイール１の操舵をアシストするようになっている。なお、２３は、ヒューズである。

また、モータ１０は、図３に示すように、ケース３１内に円筒状のアーマチュアコア３２が配され、該アーマチュアコア３２の外周にコイル３３が巻回されている。このコイル３３は、モータ軸１２に取り付けられた整流子３５に接続され、ブラシ３６から整流子３５を介して供給される電流によってモータ１０を駆動させることによってトルク発生部Ａを構成するようになっている。また、モータ１０のケース３１内には、出力側軸受３７と反出力側軸受３８が配されていて、該軸受３７,３８によってモータ軸１２を回転自在に支持するようになっている。

そして、モータ１０の出力軸としてのモータ軸１２は、出力側軸受３７からウォーム軸１３のモータ側軸受１７までの間のトルク伝達経路で衝撃荷重に対する最小強度である第１最細部（外径：Ｄｓ）を、モータ１０のトルク発生部Ａから出力側軸受３７までのトルク伝達経路で衝撃荷重に対する最小強度である第２最細部（外径：Ｄｍ）よりも、衝撃荷重に対する強度について小さくなるように設定されている（Ｄｍ＞Ｄｓ）。これにより、第１最細部が衝撃トルクに対して最も低強度部になり、トルク伝達経路に過大な衝撃トルクが作用しても、モータ軸１２の出力側軸受３７の外側で低強度部で破損し、モータ１０の内部や他のトルク伝達経路、特にウォーム１３ａとウォームホイール１５との噛合部で破損を生じることがない。

また、低強度部は、ウォームホイール１５の噛合部を樹脂で形成することが多く、ウォーム１３ａの方が強度的に安全である。そこで、低強度部の設計例として、ウォームホイール１５の歯強度から低強度部を設計する場合の例を示す。すなわち、ピッチ円上の許容円周力Ｆ（ｋｇｆ）は、ルイスの式によって、Ｆ＝ｍｙｂｆσになる（ｍ：歯直角モジュール、ｙ：歯形係数、ｂ：歯幅、ｆ：速度係数、σ：許容曲げ応力）。これにより、例えば、図４に示すように、ウォームホイール１５からウォーム１３ａに作用する回転力は、Ｆｃｏｓαである。この場合、ウォーム１３ａの回転方向分力Ｒ２は、Ｆｃｏｓα・ｓｉｎγになる。ここで、αは、ウォームホイール１５の回転方向と歯垂直方向との間の角であり、γは、ウォーム１３ａの回転方向とウォームホイール１５の回転方向との間の角である。

また、モータ軸１２上で最も大きな荷重が生じるのは、モータ１０の回転が急停止した場合であり、モータ軸１２には最も大きな衝撃荷重が作用する。よって、モータ軸１２の回転エネルギ（Ｉ・ω^２／２）がそのまま、急停止による歪エネルギ（Ａ・ｌ・（Ｔ／ｒ）^２／１６Ｇ）に変換されるとして、モータ軸１２に作用する最大トルクＴが得られる。ここで、Ａおよびｌは、モータ軸１２の断面積および有効長で、ｒは、モータ軸の半径で、Ｇは、横弾性係数であり、Ｉは、断面２次モーメントで、ωは角速度である。

そして、このモータ軸１２の最大トルクＴが、ルイスの式から導いた回転力Ｒ２にウォーム１３ａの外径を乗じて得られるトルク値よりも大きくなるように、低強度部を設計すれば、路面から大きな反力が作用しても、モータ軸１２の低強度部の方が先に破断し、ウォーム１３ａとウォームホイール１５との噛合部で破損を生じることがない。

従って、モータ軸１２の出力側軸受３７からウォーム軸１３のモータ側軸受１７までのトルク伝達経路に低強度部を設けたので、車輪側から過大な衝撃トルクが作用しても、モータ軸１２の出力側軸受３７より外側にある低強度部で破損する。そのため、ウォーム軸１３は、両端に位置する軸受１６,１７によって回転自在に支持されているので、ウォーム軸１３は回転可能である。また、ウォーム軸１３を雌スプライン部として、モータ軸１２を雄スプライン部とすることにより、モータ軸１２の破損箇所の軸片は、そのままウォーム軸１３の雌スプライン内に保持され、ウォーム軸１３の回転を妨げることはない。その結果、モータ１０によるアシスト力はステアリングシャフトに伝達されないが、ウォームホイール１５などは回転可能であるため、操舵可能であって安全性が向上する。

また、図４は、電動パワーステアリング装置のアシストモータとしてブラシレスモータを用いた場合である。

同図において、モータ１０は、ケース４１内で出力側軸受４２および反出力軸側軸受４３に回転自在に支持されたモータ軸４４が配されている。このモータ軸４４の外周には、永久磁石４５が配され、Ｓ極とＮ極とが交互にかつ等間隔に着磁されている。このモータ軸４４と永久磁石４５によって、モータ１０のロータ４６が構成されている。また、ケース４１の内周面にはステータコア４７が圧入固定されていて、永久磁石４５を包囲するように励磁コイル４８が巻回されている。また、モータ軸４４の出力側に配されたリング状部材４９には、その外周に位相検出用の永久磁石５０が取り付けられていて、その外周側に近接して周方向に等間隔で複数のホール素子５１が設けられている。このホール素子５１の検出結果に基づいて、ロータ４６の回転位置を認識するようになっている。

そして、モータ軸４４の出力側軸受４２から外方（図４右方）には、トルク発生部Ａから出力側軸受４２までの最細部の外径（Ｄｍ）より、出力側軸受４２からスプライン嵌合部Ｂまでの間の最細部の連結外径（Ｄｓ）の方が細くなるように設定されている（Ｄｍ＞Ｄｓ）。このブラシレスモータの場合も、前記実施例のブラシ付きモータと同様の作用および効果を奏することができる。

なお、前記各実施例では、コラム型ＥＰＳを用いて説明したが、ピニオン部にモータを搭載するピニオンタイプなど、モータの位置はどこでも同様な効果を奏することができる。

なお、歯車の樹脂材料（プラスチック）として、ナイロン、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））、塩化ビニル、エポキシ、ウレタン、などが使用される。

本発明の第１実施例に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。 モータ軸とウォーム軸との連結状態を説明する図である。 ブラシ付きモータの内部構造を示す概略図である。 ウォームギアに作用する力関係を説明する図である。 ブラシレスモータの内部構造を示す概略図である。 従来のトルクリミッタ付きのモータを示す図である。

符号の説明

１ ステアリングホイール
１０ モータ
１２ モータ軸
１３ ウォーム軸
１３ａ ウォーム
１５ ウォームホイール
１６ 軸受
１７ 軸受
１９ コントロールユニット（ＥＣＵ）
３７ 軸受
３８ 軸受

Claims (3)

1. モータの出力側および反出力側の一対の軸受で回転自在に支持されるモータ軸と、減速ギア機構を構成するウォーム軸とが出力側のモータ軸端にオススプラインを有し、ウォーム軸のモータ軸側端部の内径にメススプラインを備えた、雌雄嵌合によって連結し、モータの回転力を減速ギア機構を介してアシストするようにした電動パワーステアリング装置において、
   前記ウォーム軸は、両端付近にそれぞれ配された一対の軸受で回転自在に支持されるとともに、前記モータ軸の出力側軸受から前記ウォーム軸のモータ側軸受までのトルク伝達経路に最弱強度部を設け、前記トルク伝達経路に過大な衝撃力が作用した場合に、前記最弱強度部を破損させることによって、前記モータ軸と前記ウォーム軸との間のトルク伝達を遮断するようにしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記最弱強度部は、トルク伝達の断面積を小さく抑えることによって、過大な衝撃力に対して、前記ウォーム軸とウォームホイールとの噛合部の強度よりも小さくした請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記モータ軸の出力側軸受から前記ウォーム軸のモータ側軸受までの間のトルク伝達経路で衝撃荷重に対する最小強度である第１最細部（Ｄｓ）の強度を、モータのトルク発生部から出力側軸受までのトルク伝達経路で衝撃荷重に対する最小強度である第２最細部（Ｄｍ）の強度よりも小さくした請求項１又は２記載の電動パワーステアリング装置。
   

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