JP2007112240A - 電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
高い伝達効率を有し耐摩耗性に優れ、キックバックや振動等を効果的に抑制できるラックアンドピニオンタイプの電動式パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】
ギヤボックスＧＢの剛的支持と転がりタイプのラック支持装置ＲＳＤとを採用することにより、応答遅れ等がなく、伝達効率の高いシステム構成となり、更に長期に渡って電動式パワーステアリング装置で求められる高度な操舵性能、近年益々高度になる制御された補助操舵力を効率良く車輪まで伝達することが可能となる。更に、不図示の車輪が路肩に衝接するなどして逆入力があった場合は、トルクセンサＴＳでトルクを検出し、モータＭＴと減速機で逆入力に抗した補助操舵力を出力軸ＯＳに出力できる為、結果的にステアリングシャフトＳＳ側ヘ逆入力トルクを伝えることが抑制され、車輪からステアリングホイールＳＷへキックバック、振動を伝えにくいという利点がある。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電動式パワーステアリング装置に関し、特にラック軸とピニオンとを備えた電動式パワーステアリング装置に関する。

車両のステアリング装置の一タイプとして、ラック軸のラック歯にピニオンを噛合させることで、ピニオンの回転力と回転量をラック軸の軸線方向推力とストロークに変換するラックアンドピニオン式ステアリング装置が知られている。ここで、比較的車重の重い車両においては、運転者の操舵力及び操舵量の低減のため、一般的には、補助操舵力を出力する、いわゆるパワーステアリング装置を設けることが行われている。

パワーステアリング装置には、大きく分けて、油圧式パワーステアリング装置と電動式パワーステアリング装置とがある。油圧式パワーステアリング装置は、運転者のステアリングホイールに加えられる操舵トルクに応じて、ピニオン軸上に設けられたコントロールバルブによって油圧を発生させ、ラック軸上に設けた油圧シリンダに油圧を作用させることで、ラック軸の移動方向に直接推力を発生させる。従って、運転者がステアリングホイールに加える操舵トルクは、コントロールバルブを作動させるに必要な小さいもので十分であり、更に操舵量をも軽減するために、マニュアルステアリング装置よりも大きなストロークレシオとされている。

これに対し、電動式パワーステアリング装置は、ステアリングホイールに加えられた操舵トルクに応じて、電動モータにより補助操舵力を操舵軸やラック軸に出力するものであり、油圧式パワーステアリング装置に比較して、油圧ポンプ、油圧配管、作動油タンクなどを必要としないなど、コンパクトな構成を有する等の優れた特徴があり、当初は軽自動車などの軽量な車両に採用されていたが、近年は車重の重い車両にも適用されるようになってきている。ここで、電動式パワーステアリング装置は、ステアリングコラムに電動モータを取り付けることで、ステアリングシャフトに直接補助操舵力を出力する、いわゆるコラムアシストタイプの電動式パワーステアリング装置や、ラックアンドピニオン装置に電動モータを取り付けることで、ピニオン軸に直接補助操舵力を出力する、いわゆるピニオンアシスト式の電動式パワーステアリング装置がある。これらのタイプの電動式パワーステアリング装置によれば、電動モータの補助操舵力が付加された強大な力が、ピニオンとラック軸のラック歯との間で伝達されることとなる。

ところで、ラックアンドピニオン式ステアリング装置を車体に固定する手法としては、従来、車輪から伝達される振動を吸収する目的で弾性部材を有する固定構造を取ることが多かった。しかし近年、より高度な操舵性能の要求があり、これを満足させる為に、例えば特許文献１のように弾性部材を廃し、ステアリングギヤボックスを剛的に支持することにより、取付け剛性を高くしようとする例も示されている。これによると操舵開始時にステアリングギヤが車体に対し相対的に移動しない為、応答遅れ等が生じずに優れた操舵性能が実現される。
特開２００１−８０５２８号公報

しかしながら、このようにステアリングギヤボックスを剛的に支持する構造は、前述の説明のように操舵がダイレクトになり、より高度な操舵性能を実現できる代わりに、車輪からの逆入力であるキックバック、振動等もダイレクトにステアリングホイール側に伝えてしまう欠点がある。

更に、ステアリング系で従来より度々問題となるピニオンギヤ噛合い部のギヤ歯面の打音（ラトル音）の問題があるが、これはギヤ部に持たせているバックラッシュが大きくなればなるほど打音が大きくなる傾向があり、また、車輪から伝達される振動の振幅、頻度が大きければ大きいほど、打音が大きく頻繁になり、運転者及び乗員に不快感を与える恐れがある。

一般的には車両を長期間に渡り使用した場合、ピニオンギヤ部の摩耗、ラックガイド部の摩耗が増してくるとギヤ部のバックラッシュは大きくなり、ラトル音が大きくなる頻度は高くなる傾向がある。更に、ステアリングギヤボックスを剛的に支持した構造においては、キックバック、振動等が車体からギヤボックスへとダイレクトに入力される為、ギヤボックスを弾性的に支持する構造の車両に比べて、ラトル音に対して非常に不利になるという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、高い伝達効率を有し耐摩耗性に優れ、キックバックや振動等を効果的に抑制できるラックアンドピニオンタイプの電動式パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明の電動式パワーステアリング装置は、電動モータにより補助操舵力を出力可能となっている電動式パワーステアリング装置において、
車体に対して弾性体を介さず取り付けられたサブフレームに、弾性体を介さずに取り付けられるギヤボックスと、
ラック歯を備え前記ハウジングに対して移動自在となっていて操舵機構に連結されたラック軸と、
前記ラック歯に噛合するピニオン歯を備え、ステアリングホイールからの操舵力をラック軸に伝達するピニオン軸と、
前記ギヤボックスに設けられ、前記ラック軸におけるラック歯に対向する面を転動する転動体を備えたラック支持装置とを有することを特徴とする。

ここで、ラック軸を支持する支持装置としては、滑りタイプのラック支持装置と転がりタイプのラック支持装置とがある。ラックアンドピニオン式ステアリング装置の基本構造としては、ステアリングホイール側からの回転運動をラック軸の直線運動に変換するラックアンドピニオン式ギヤ構造を有する。従って、ピニオンギヤ部は、噛合いがストローク全域渡ってスムーズに行われるように任意のバックラッシュを要するが、滑りタイプのラック支持装置は、上述するラトル音を抑制するようピニオンギヤ部に発生する離反力に抗するべく、ラック背面をコイルバネ等の弾性体により押圧されたラックガイド等でスベリ軸受支持している。

滑りタイプのラック支持装置では、一般的にラックガイドの摺動面の摩耗が大きいため、特開２００４−２９９５１４号公報に記載されたような工夫もなされている。しかし、滑りタイプでは、摺動面の摩耗を大きく抑えることは難しく、入力荷重が高いなどのより条件の厳しい場合、早期摩耗が懸念される。

これに対し、転がりタイプのラック支持装置は、ラックアンドピニオン式ステアリング装置において、ラック軸の背面をローラ等の転動体を介して支持するものである。この作動機構としては、ピニオン軸にトルクが入力されるとギヤ歯面は圧力角を持つ為、噛合い部よりラック支持装置の方向に離反力が発生し、ラック背面は転動体に押付けられる。滑りタイプのラック支持装置の場合は、摺動面に摩擦力が発生し、離反力が大きくなるほど摩擦力は高くなっていくが、転がりタイプのラック支持装置の場合は、離反力が大きくなっても滑りの場合ほどの摩擦力は大きくならない。従って、本発明のように転動体を有する転がりタイプのラック支持装置の方が、滑りタイプのラック支持装置よりも高い伝達効率を得ることができるといえる。

転がりタイプのラック支持装置では、支持部分が転動体の回転構造となる為、滑りタイプのラック支持装置に比べて耐久摩耗性を大幅に抑えることができる為、前記ギヤボックスの剛的支持構造の場合の耐久性向上（長期的にラトル音を防止する）に非常に有効な手段と言える。

ところが、前記ギヤボックスを弾性体を介さず車体に対して直接固定する、いわゆる剛的支持構造とした場合は、前述のように車輪からのキックバックがダイレクトに入力される為、通常タイロッド、ラック軸、ピニオン軸、インターミディエイトシャフト、コラム軸を介して、ステアリングホイールまでキックバック、振動が伝わり易いという課題がある。

また、前述の転がりタイプのラック支持装置は、滑りタイプのラック支持装置に比べて摩擦が少なく伝達効率が高いので、高度な操舵性能を車輪側に伝達し易くする為には有効な手段であるが、その反面、逆効率も高い為、この構造によっても車輪からのキックバックをステアリングホイールまで伝え易いという課題がある。

これに対して、電動式パワーステアリング装置は、システムの構成上、車輪からの逆入力があった場合は、トルクセンサでトルクを検出し、モータと減速機で逆入力に抗したアシスト力で出力軸をアシストしてしまう為、結果的に入力軸側ヘ逆入力トルクを伝えず、車輪からステアリングホイールへキックバック、振動を伝えにくくなるような駆動制御を与えることができる。

従って、本発明の電動式パワーステアリング装置において、前記ギヤボックスの剛的支持と転がりタイプのラック支持装置とを採用することにより、応答遅れ等がなく、伝達効率の高いシステム構成となり、更に長期に渡って電動式パワーステアリング装置で求められる高度な操舵性能、近年益々高度になる制御されたアシスト力を効率良く車輪まで伝達することが可能となる。

加えて、前記ギヤボックスの剛的支持及び転がりタイプのラック支持装置を用いた場合に顕著になりがちな車輪からのキックバック、振動等は、電動式パワーステアリング装置の特性を利用して、ステアリングホイールへの伝達を効果的に抑制することができる。従って、これらを組合わせた構成では、運転者には、きめ細かく制御され操舵力が適度に軽減されたステアリング操作で、剛性感が高く、操舵性能の高い操作感を提供することができ、車両の長期使用に渡って、この性能を維持することが可能となる。以上述べたように、本発明の電動式パワーステアリング装置では、それぞれがお互いの構造の利点を引き出し、またお互いの構造の欠点を補うシステムを構成することが可能となり、単なる組合わせだけではない効果を得ることが可能となる。

本発明の電動式パワーステアリング装置は、コラムアシストタイプ又はピニオンアシストタイプであると好ましい。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態であるコラムアシストタイプの電動式パワーステアリング装置の概略構成図である。図において、ステアリングホイールＳＷを上端に取り付けたステアリングシャフトＳＳの下端は、コラムチューブＣＴ内を延在して、アシストユニットＡＵのトーションバー（不図示）の上端に連結されている。かかるトーションバーの下端は、モータＭＴに減速機（例えばウォーム機構）を介して連結された出力軸ＯＳの上端に連結されている。トーションバーがねじれることに基づいて、受けたトルクに応じたトルク信号を出力するトルクセンサＴＳが設けられており、トルクセンサＴＳから出力されたトルク信号は、制御装置ＥＣＵに伝達される。制御装置ＥＣＵは、入力されたトルク信号と、車速等の情報とに基づいて、駆動信号をモータＭＴに送信するので、かかる駆動信号に基づいて駆動制御されたモータＭＴは、減速機を介して出力軸ＯＳに補助トルクを出力するようになっている。

出力軸ＯＳは、ジョイントＪＴを介して中間軸ＩＳに接続されており、更に中間軸ＩＳは、ジョイントＪＴを介してピニオン軸ＰＳに接続されている。

図２は、図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。図２において、ギヤボックスＧＢ内を上下方向に延在するピニオン軸ＰＳは、ギヤボックスＧＢに螺合される軸受固定具ＢＦの内周に形成されたシールＳＬによりシールされており、また軸受固定具ＢＦにより固定された軸受ＢＲＧと、ニードル軸受ＮＢによりギヤボックスＧＢ内に回転自在に支持されている。

ピニオン軸ＰＳの軸受ＢＲＧとニードル軸受ＮＢの間には、ピニオン歯ＰＮが形成されている。ピニオン歯ＰＮは、ラック軸ＲＳのラック歯ＲＴに噛合している。

ギヤボックスＧＢは、ラック軸ＲＳの周囲から、図で左方に延在する中空柱部ＨＰを形成している。中空柱部ＨＰ内には、ラック支持装置ＲＳＤが配置されている。ラック支持装置ＲＳＤは、円筒状のホルダＨＤと、ホルダＨＤの溝内に両端を取り付けた軸ＳＦと、軸ＳＦの周囲に配置され、ラック軸ＲＳの背面に当接する鼓状の転動体である円筒ローラＣＲと、円筒ローラＣＲを軸ＳＦに対して回転自在に支持するニードル軸受ＮＢと、ホルダＨＤを中空柱部ＨＰに取り付けるためのネジ部材ＳＣＲと、ネジ部材ＳＣＲとホルダＨＤとの間に配置され、ホルダＨＤをラック軸ＲＳ側に付勢するための皿バネＷＳと、ネジ部材ＳＣＲのロック部材ＬＭとからなっている。ネジ部材ＳＣＲのねじ込み量を調整することで、皿バネＷＳの圧縮量が変化し、ラック軸ＲＳの押圧力を調整することができる。調整後には、ロック部材ＬＭでネジ部材ＳＣＲをロック固定しその緩み止めを図ることができる。

図１において、ラック軸ＲＳの両端は、ギヤボックスＧＢから突出しており、玉継ぎ手ＳＪを介して操舵装置を構成するタイロッドＴＲに接続されており、ラック軸ＲＳが長手方向に移動することによって、不図示の車輪が転舵されるようになっている。

図３は、ギヤボックスＧＢの固定態様を示す図である。図３に示すように、ギヤボックスＧＢは、車両のサブフレームＳＵＢに対して、弾性体などを介さず、据え付け孔ＨＬ、ＨＬに挿通されたボルトＢＴ、ＢＴにより直接固定されている。

本実施の形態の動作を説明すると、ステアリングホイールＳＷに操舵力が入力されたとき、かかる操舵力は、ステアリングシャフトＳＳを介して，アシストユニットＡＵ内のトーションバーに伝達される。この際、トルクセンサＴＳから出力されたトルク信号に基づいて、制御装置ＥＣＵにより駆動制御されるモータＭＴが発生した補助操舵力が出力軸ＯＳに伝達される。補助操舵力を加えた操舵力は、更に中間軸ＩＳを介してピニオン軸ＰＳに伝達され、噛合するピニオン歯ＰＮとラック歯ＲＴとを介して、ピニオン軸ＰＳの回転力がラック軸ＲＳの長手方向推力に変換され、かかる長手方向推力により、タイロッドＴＲを介して不図示の車輪が転舵されることとなる。このとき円筒ローラＣＲは、ラック軸ＲＳの背面上を転動し、低摩擦でラック軸ＲＳの移動を許容する。又、ピニオン軸ＰＳとラック軸ＲＳとの間で強大な力が伝達されたとき、ラック軸ＲＳをピニオン軸ＰＳより離隔させようとする離隔力が生じるが、かかる離隔力を円筒ローラＣＲは支持することができる。

本実施の形態の電動式パワーステアリング装置によれば、ギヤボックスＧＢの剛的支持と転がりタイプのラック支持装置ＲＳＤとを採用することにより、応答遅れ等がなく、伝達効率の高いシステム構成となり、更に長期に渡って電動式パワーステアリング装置で求められる高度な操舵性能、近年益々高度になる制御された補助操舵力を効率良く車輪まで伝達することが可能となる。更に、不図示の車輪が路肩に衝接するなどして逆入力があった場合は、トルクセンサＴＳでトルクを検出し、モータＭＴと減速機で逆入力に抗した補助操舵力を出力軸ＯＳに出力できる為、結果的にステアリングシャフトＳＳ側ヘ逆入力トルクを伝えることが抑制され、車輪からステアリングホイールＳＷへキックバック、振動を伝えにくいという利点がある。

図４は、第２の実施の形態にかかるコラムアシストタイプの電動式パワーステアリング装置の概略斜視図である。本実施の形態は、図１〜３に示す実施の形態に対して基本的に同様であるので、同じ符号を付すことで説明を省略する。

図５は、第３の実施の形態にかかるピニオンアシストタイプの電動式パワーステアリング装置の概略斜視図である。本実施の形態においては、ギヤボックスＧＢにモータＭＴが配置されており、不図示の減速機を介して補助操舵力をピニオンＰＳに出力するようになっている。それ以外の点については、図１〜３に示す実施の形態と同様であるので、同じ符号を付すことで説明を省略する。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

第１の実施の形態であるコラムアシストタイプの電動式パワーステアリング装置の概略構成図である。 図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。 ギヤボックスＧＢの固定態様を示す図である。 第２の実施の形態にかかるコラムアシストタイプの電動式パワーステアリング装置の概略斜視図である。 第３の実施の形態にかかるピニオンアシストタイプの電動式パワーステアリング装置の概略斜視図である。

符号の説明

ＡＵ アシストユニット
ＢＦ 軸受固定具
ＢＲＧ 軸受
ＢＳ ブッシュ
ＢＴ ボルト
ＣＲ 円筒ローラ
ＣＴ コラムチューブ
ＥＣＵ 制御装置
ＧＢ ギヤボックス
ＨＤ ホルダ
ＨＬ 据え付け孔
ＨＰ 中空柱部
ＩＳ 中間軸
ＪＴ ジョイント
ＬＭ ロック部材
ＭＴ モータ
ＮＢ ニードル軸受
ＯＳ 出力軸
ＰＮ ピニオン
ＰＳ ピニオン軸
ＲＳ ラック軸
ＲＳＤ ラック支持装置
ＲＴ ラック歯
ＳＣＲ ネジ部材
ＳＦ 軸
ＳＪ 継ぎ手
ＳＬ シール
ＳＳ ステアリングシャフト
ＳＵＢ サブフレーム
ＳＷ ステアリングホイール
ＴＲ タイロッド
ＴＳ トルクセンサ
ＷＳ 皿バネ

Claims (3)

1. 電動モータにより補助操舵力を出力可能となっている電動式パワーステアリング装置において、
   車体に対して弾性体を介さず取り付けられたサブフレームに、弾性体を介さずに取り付けられるギヤボックスと、
   ラック歯を備え前記ハウジングに対して移動自在となっていて操舵機構に連結されたラック軸と、
   前記ラック歯に噛合するピニオン歯を備え、ステアリングホイールからの操舵力をラック軸に伝達するピニオン軸と、
   前記ギヤボックスに設けられ、前記ラック軸におけるラック歯に対向する面を転動する転動体を備えたラック支持装置とを有することを特徴とする電動式パワーステアリング装置。
2. コラムアシストタイプであることを特徴とする請求項１に記載の電動式パワーステアリング装置。
3. ピニオンアシストタイプであることを特徴とする請求項１に記載の電動式パワーステアリング装置。
   
   
   

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