JP2012236565A

JP2012236565A - ステアリング装置

Info

Publication number: JP2012236565A
Application number: JP2011108300A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Kajino; 英紀梶野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-12-06

Abstract

【課題】ステアリング装置における振動の抑制と操舵感の向上とを高いレベルで両立し得る技術を提供する。
【解決手段】ステアリング装置は、ステアリングホイールの回転が伝達されるピニオン４０と、ピニオン４０と噛み合うラック４２が形成されているラックバー５２と、ラックバー５２を収納する筒状のラックハウジング５０と、ラックバー５２をピニオン４０に向けて付勢しつつ支持するラックガイド機構３０と、を備える。ラックガイド機構３０は、ラックバー５２の振動をエネルギーに変換する圧電素子６４と、エネルギーの大きさに応じてラックバー５２をピニオン４０に向けて変位させる駆動部２６と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステアリング装置に関する。

従来、ラックアンドピニオン式の電動パワーステアリング装置が知られている。このような電動パワーステアリング装置は、車両が走行する路面状態によっては、路面から受ける外乱を受けてステアリングホイールに不快な振動を伝達することがある。そこで、このような問題を解消するために、外乱検出センサと、外乱検出センサで検出した値に基づいてステアリング系が受ける外乱の影響を抑制する外乱抑制手段と、を備えるパワーステアリング装置が考案されている（特許文献１参照）。

また、ラックアンドピニオン式の電動パワーステアリング装置においては、ラック軸のラックとピニオン軸のピニオンとの噛み合い部分で、ラック軸とピニオン軸との間に互いに離反する力が作用する。そのため、ラック軸にたわみが発生し、ラック軸の歯すじ方向へのガタつきが大きくなり、ラックとピニオンとの歯部間に打音が生じることがある。そこで、このような打音の発生を防止するために、ラックガイドがラック軸から大荷重を受けたときにラック軸がピニオン軸に向かうように構成されたラック軸支持装置が考案されている（特許文献２参照）。

特開２００８−２６５６４８号公報特開２００２−８７２９０号公報

このように、ラックとピニオンの歯面同士を押し付けることでステアリング装置における振動や異音を低減することが可能となるが、一方で歯面同士の摩擦力が増えるためステアリングホイールの操舵感が悪化する場合がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ステアリング装置における振動の抑制と操舵感の向上とを高いレベルで両立し得る技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のステアリング装置は、ステアリングホイールの回転が伝達されるピニオンと、ピニオンと噛み合うラックが形成されているラックバーと、前記ラックバーを収納する筒状のハウジングと、前記ラックバーを前記ピニオンに向けて付勢しつつ支持するラックガイド機構と、を備える。前記ラックガイド機構は、前記ラックバーの振動をエネルギーに変換する変換部と、前記エネルギーの大きさに応じて前記ラックバーを前記ピニオンに向けて変位させる駆動部と、を有する。

この態様によると、ラックガイド機構は、ラックバーの振動によって生じるエネルギーの大きさに応じてラックバーをピニオンに向けて変位させることができる。そのため、ラックバーが大きく振動し、異音が発生しそうな状況においては、振動によって生じるエネルギーが増加するため、ラックバーをピニオンに付勢する力が増加し、振動や異音が抑制される。一方、ラックバーの振動が小さい場合、振動によって生じるエネルギーは減少するため、ラックバーをピニオンに付勢する力は減少し、ラックバーとピニオンとの間の摩擦力が小さくなる。その結果、操舵感の低下が抑制される。

本発明によれば、ステアリング装置における振動の抑制と操舵感の向上とを高いレベルで両立できる。

第１の実施の形態に係るステアリング装置の概略構成を示す図である。図１に示すラックハウジングにおけるピニオンおよびラック付近の部分断面図である。ステアリング装置における振動の時間変化と圧電素子の電圧波形との関係を示すグラフである。第２の実施の形態に係るラックガイド機構およびその近傍の部分断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

（第１の実施の形態）
はじめに、本実施の形態に係るラックガイド機構を備えたステアリング装置の構造を説明する。図１は、第１の実施の形態に係るステアリング装置１０の概略構成を示す図である。

図１に示すように、ステアリング装置１０は、ステアリングホイール１２、ステアリングシャフト１４、ピニオン４０、ラックハウジング５０、ラックバー５２などの部品から構成されている。

ステアリングシャフト１４は、運転者によって操作されるステアリングホイール１２に連結されステアリングホイールの回転が入力される入力軸１４ａと、ピニオン４０へ回転を伝達する中間軸１４ｂとに分割されている。入力軸１４ａと中間軸１４ｂとは自在継手１６で接続される。

ラックハウジング５０内には、車両の左右方向、すなわち車幅方向に延びるラックバー５２が移動可能に収納されている。ピニオン４０の両端は、軸受４４によって回転可能に軸支される。ピニオン４０は、ラックバー５２の一部に形成されたラック４２と噛み合わされている。自在継手１６に接続された中間軸１４ｂが回転すると、図示しないギヤを介してピニオン４０が回転する。

ラックバー５２の両端には、それぞれタイロッド５４の一端が接続される。タイロッド５４の他端は、左右の操舵輪５８を支持するナックルアーム５６に連結されている。ナックルアーム５６はキングピン６０を支点として回転する。ステアリングホイール１２が操作されてステアリングシャフト１４が回転すると、この回転がピニオン４０およびラック４２によってラックバー５２の車両左右方向の直線運動に変換される。この直線運動は、ナックルアーム５６のキングピン６０回りの回動に変換され、操舵輪５８の転舵が行われる。

図２は、図１に示すラックハウジング５０におけるピニオン４０およびラック４２付近の部分断面図である。図２では、ラックバー５２の中心軸５３を含む垂直断面図として示されている。

ラックガイド機構３０は、ラックバー５２をピニオン４０に向けて付勢しつつ支持する装置である。ラックガイド機構３０は、ピストン２０と、スプリング２２と、スライド部２４と、駆動部２６と、を有する。ピストン２０は、ラックバー５２と直接当接する当接部６２と、当接部６２を介して伝達されたラックバー５２の振動をエネルギーに変換する変換部としての圧電素子６４と、を有する。圧電素子６４は、ピストン２０の本体に形成されている凹部２０ａに嵌め込まれている。ピストン２０は、全体として略円柱形状であるが、ピストン２０の上端にある当接部６２は、ラックバー５２の周面に当接するための断面円弧形状の凹面が形成されている。

円筒状の導管３６は、ラックハウジング５０の壁面に形成され、ラックハウジング５０の中心軸に対して垂直方向に延びている。ラックガイド機構３０の少なくとも一部は、導管３６内に配置されている。ラックガイド機構３０と導管３６の中心軸３８は、ラックガイド機構３０に力がかかっていない状態では同軸に配置される。

ピストン２０の底面にはスプリング２２の一端を受け入れるための凹部２０ｂが形成されている。スプリング２２の他端は、スライド部２４の一方の面に形成されている凹部２４ａに支持されている。このスプリング２２によって、ピストン２０は常にラックバー５２をピニオン４０に向けて付勢する。導管３６は、その開口部がプラグ３４で塞がれている。駆動部２６は、プラグ３４とスライド部２４との間に挟まれた状態で固定されている。ここで、駆動部２６は、圧電アクチュエータやソレノイドなど、外部からのエネルギーによって変形や変位するものが好適である。

上述のように、ステアリング装置１０は、ステアリングホイール１２の回転が伝達されるピニオン４０と、ピニオン４０と噛み合うラック４２が形成されているラックバー５２と、ラックバー５２を収納する筒状のラックハウジング５０と、ラックバー５２をピニオン４０に向けて付勢しつつ支持するラックガイド機構３０と、を備える。ラックガイド機構３０は、ラックバー５２の振動をエネルギーに変換する圧電素子６４と、エネルギーの大きさに応じてラックバー５２をピニオン４０に向けて変位させる駆動部２６と、を有する。

次に、ラックガイド機構３０の機能について説明する。図３は、ステアリング装置における振動の時間変化と圧電素子６４の電圧波形との関係を示すグラフである。図３に示す期間Ｔ_Ａおよび期間Ｔ_Ｃにおいては、ステアリング（ラックバー）に関する振動はない状態であり、圧電素子６４の出力電圧に変動はない。つまり、この状態では、圧電素子６４において、ラックバーの振動をエネルギーにほとんど変換できない。そのため、駆動部２６は作動せず、ラックバー５２はピニオン４０に向けて変位しない。このように、ラックバー５２の振動が小さい場合、振動によって圧電素子６４で生じるエネルギーは減少するため、駆動部２６によってラックバーをピニオンに付勢する力が減少し、ラックバー５２とピニオン４０との間の摩擦力が小さくなる。その結果、操舵感の低下が抑制される。

一方、図３に示す期間Ｔ_Ｂにおいては、路面状態やブレーキ動作によってステアリング（ラックバー）に関する振動が発生している状態であり、圧電素子６４の出力電圧は大きく変動している。つまり、この状態では、圧電素子６４において、ラックバーの振動がエネルギーに変換される。そのため、駆動部２６は作動し、ラックバー５２をピニオン４０に向けて変位させることができる。このように、ラックバー５２の振動が大きい場合、振動によって圧電素子６４で生じるエネルギーが増加するため、駆動部２６によってラックバー５２をピニオン４０に付勢する力が増加し、振動や異音が抑制される。

このように、ステアリング装置１０は、ラックバー５２の振動状態に応じてラックバー５２をピニオン４０に付勢するセット荷重を変えることができるラックガイド機構３０を備えているため、振動や異音の抑制と操舵感の向上とを高いレベルで両立することができる。

（第２の実施の携帯）
図４は、第２の実施の形態に係るラックガイド機構およびその近傍の部分断面図である。図４に示すラックガイド機構１３０は、第１の実施の形態に係るステアリング装置１０におけるラックガイド機構３０の代わりとして用いることができる。なお、第１の実施の形態に係るステアリング装置１０と同様の構成については、同じ符号を付して説明を適宜省略する。

ラックガイド機構１３０は、ラックバー５２をピニオン４０に向けて付勢しつつ支持する装置である。ラックガイド機構１３０は、ピストン６６と、オイル収容部６８と、ゴムセパレータ７０と、を有する。ピストン６６は、ラックバー５２と直接当接する当接部６７を有する。ピストン６６は、円筒状の導管７２の内部に収納されている。導管７２は、ラックハウジング５０の壁面に形成され、ラックハウジング５０の中心軸に対して垂直方向に延びている。

ピストン６６は、全体として略円柱形状であるが、ピストン２０の上端にある当接部６７は、ラックバー５２の周面に当接するための断面円弧形状の凹面が形成されている。ピストン６６は、その外周部に２つの周溝６６ａが形成されている。それぞれの周溝６６ａには、ピストン６６と導管７２の内壁との隙間を封止するＯリング７４が装着されている。ピストン２０の底面にはオイルを受け入れるための空間となる凹部７６が形成されている。

オイル収容部６８は、一方が開いた有底の筒状部７８と、筒状部７８の底部に設けられているバルブ８０と、バルブ８０を筒状部７８の底部に対して接離可能に係止し、かつ、バルブの移動を規制する規制部８２と、を有する。オイル収容部６８は、筒状部７８の開口側の環状の縁部と導管７２の内壁の段差部７２ａとの間にゴムセパレータ７０を挟んだ状態で、導管７２内に固定されている。内部空間８４は、筒状部７８とゴムセパレータ７０とで囲まれた空間である。筒状部７８の底部には、筒状部７８の内部空間８４とピストン６６の凹部７６の空間とを連通するオリフィス８６が複数形成されている。また、バルブ８０は、オリフィス８６と対応する位置に、オリフィス８６より小さい貫通孔８８が形成されている。凹部７６および内部空間８４には、オイルが封入されている。

また、導管７２は、Ｎ_２ガスが封入されるガス室７２ｂが形成されている。ガス室７２ｂは、導管７２の内壁に形成されている凹部７２ｃをゴムセパレータ７０で覆うことで区画された領域である。凹部７２ｃは、Ｎ_２ガスをガス室７２ｂに充填するための充填孔７２ｄが形成されており、プラグ９０で塞がれている。

次に、ラックガイド機構１３０の機能について説明する。ステアリング（ラックバー）に関する振動が実質的に発生していない通常時、ガス室７２ｂに充填されたＮ_２ガスの圧力により内部空間８４のオイルが加圧され、その圧力が凹部７６に伝達され、ピストン６６がラックバー５２に押し付けられる。この場合、Ｎ_２ガスの圧力しか作用しないため、ラックバー５２とピニオン４０との間の摩擦力は小さくなる。その結果、操舵感の低下が抑制される。

一方、路面状態やブレーキ動作によってステアリング（ラックバー）に関する振動が発生している場合、ラックバー５２の振動によりピストン６６が振動し、その振動に合わせてオイルがバルブ８０を行き来する。バルブ８０は、内部空間８４から凹部７６に向かってオイルが流れるときは、オリフィス８６から流出するオイルによって筒状部７８の底部から僅かに離間する。これにより、内部空間８４から凹部７６に向かって流れるオイルの量は多くなる。一方、バルブ８０は、凹部７６から内部空間８４に向かってオイルが流れるときは、筒状部７８に押し付けられるため、オイルはオリフィス８６より小さな貫通孔８８を通過することしかできない。これにより、凹部７６から内部空間８４に向かって流れるオイルの量は少なくなる。

このようなラックガイド機構１３０の作用により、ラックバー５２の振動時、ピストン６６の凹部７６の圧力が上昇する。つまり、ラックガイド機構１３０は、セルフポンピング作用によりラックバーなどの振動を減衰できる。その後、振動が収束すると、凹部７６と内部空間８４とのオイルの偏りが徐々に解消し、通常時のＮ_２ガスの圧力しか作用しない状態に戻る。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１０ステアリング装置、２０ピストン、２２スプリング、２４スライド部、２６駆動部、３０ラックガイド機構、３６導管、４０ピニオン、４２ラック、５０ラックハウジング、５２ラックバー、６２当接部、６４圧電素子。

Claims

ステアリングホイールの回転が伝達されるピニオンと、
ピニオンと噛み合うラックが形成されているラックバーと、
前記ラックバーを収納する筒状のハウジングと、
前記ラックバーを前記ピニオンに向けて付勢しつつ支持するラックガイド機構と、を備え、
前記ラックガイド機構は、
前記ラックバーの振動をエネルギーに変換する変換部と、
前記エネルギーの大きさに応じて前記ラックバーを前記ピニオンに向けて変位させる駆動部と、を有する、
ことを特徴とするステアリング装置。