JP2013256264A

JP2013256264A - ラック＆ピニオン式ステアリング装置

Info

Publication number: JP2013256264A
Application number: JP2012135107A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Suzuki; 祐介鈴木
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-12-26

Abstract

【課題】ラックとピニオンのバックラッシュの経時変化を吸収してラトル音の発生を常に安定して抑制することができるラック＆ピニオン式ステアリング装置を提供すること。
【解決手段】ステアリングシャフト５の回転変位をピニオン１８とラック２０によってラック軸１９及びタイロッド２６の直線変位に変換する装置であって、スプリング（付勢手段）２３の付勢力をサポートヨークを介してラック軸１９に伝達してラック２０をピニオン１８側に付勢するようにしたラック＆ピニオン式ステアリング装置１において、前記タイロッド２６の振動数を加速度センサ２８によって検出し、検出された振動数に応じてソレノイド（アクチュエータ）２４を制御してスプリング２３の付勢力を変更するコントローラ（制御手段）９を設け、該コントローラ９によってピニオン１８とラック２０のバックラッシュが判別値に近づくようソレノイド２４をフィードバック制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両のステアリングシャフトの回転変位を、互いに噛合するピニオンとラックによってラック軸及びタイロッドの直線変位に変換するラック＆ピニオン式ステアリング装置に関するものである。

車両のステアリングシャフトの回転変位を、互いに噛合するピニオンとラックによってラック軸及びタイロッドの直線変位に変換して操舵輪である左右の前輪を所望の方向に転舵させるラック＆ピニオン式ステアリング装置においては、スプリング等の付勢手段の付勢力をサポートヨークを介してラック軸に伝達して該ラック軸に形成されたラックをピニオン側に付勢してラックとピニオンのバックラッシュを適正値に保持する構成が採用されている。

斯かるラック＆ピニオン式ステアリング装置においては、長期の使用によってサポートヨークの摺動部やラック軸の外周面の初期磨耗、及び、ラックとピニオンのギヤ歯面の磨耗が増大してピニオンとラックとのバックラッシュが大きくなると、例えば悪路走行時等においてキックバック等の大きな荷重や振動がタイヤを介してラック軸に作用し、ラックとピニオンとの間でラトル音（歯打ち音）と称される金属音が発生するという問題があった。

そこで、特許文献１には、サポートヨークの傾斜面に係合する２つのカム部材と、両カム部材をサポートヨークの移動方向に対して直交する方向に付勢する圧縮コイルばねを設け、該圧縮コイルばねによって付勢されたカム部材によってサポートヨークをラック軸側に常時付勢することによって、サポートヨークの磨耗を補償してラックとピニオンの噛み合い部の押圧力を略一定に維持し、これによって騒音の発生を抑制するようにした構成が提案されている。

又、特許文献２には、車速センサによって検出される車両の車体速度と加速度センサによって検出されるタイロッドの軸方向加速度に基づいて油圧調整弁を制御し、油圧ポンプによって発生された油圧を油圧調整弁によって調整することによってラックの押圧力を変化させ、該ラックとピニオンとの摩擦力を増減させて打音（ラトル音）やキックバック等の発生を防ぐようにした構成が提案がなされている。

特開２０１１−１７３４６６号公報特開昭６０−０５３４６７号公報

しかしながら、特許文献１において提案された構成では、圧縮コイルばねによってサポートヨークをラック軸側に付勢する構成が採用されているため、サポートヨークがラックをピニオン側に押す力が徐々にではあるが低下し、ラックとピニオンのバックラッシュが大きくなってラトル音が発生する可能性がある。このようなラトル音の発生を防ぐために圧縮コイルばねの付勢力を過度に大きくすると、ラックとピニオンとの噛み合い抵抗や摩擦抵抗が増加し、ステアリングの操作性が悪化する可能性がある。

又、特許文献２において提案された構成は、ラトル音発生の主原因であるラックとピニオンのバックラッシュを制御するのではなく、ラックの押し付け油圧を制御して摩擦力を調整する方式を採用しているため、ラックとピニオンのバックラッシュのバラツキのためにラトル音に対する効果に個体差が生じるという問題がある。そして、この方式では予め決められたロジックによって制御がなされ、ラックとピニオンの磨耗によるバックラッシュの経時変化が考慮されていないため、ラトル音の発生を長期に亘って防ぐことができないという問題もある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、ラックとピニオンのバックラッシュの経時変化を吸収してラトル音の発生を常に安定して抑制することができるラック＆ピニオン式ステアリング装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、車両のステアリングシャフトの回転変位を、互いに噛合するピニオンとラックによってラック軸及びタイロッドの直線変位に変換する装置であって、付勢手段の付勢力をサポートヨークを介して前記ラック軸に伝達して前記ラックを前記ピニオン側に付勢するようにしたラック＆ピニオン式ステアリング装置において、前記ラック軸又は前記タイロッドの振動数に応じて前記付勢手段の付勢力を変更する制御手段を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記付勢手段をスプリングで構成し、該スプリングを伸縮させてその付勢力を変更するアクチュエータを設けたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、
前記ラック軸又は前記タイロッドの加速度を検出する加速度センサと、
前記ステアリングシャフトのトルクを検出するトルクセンサと、
前記加速度センサによって検出された加速度から前記ラック軸又は前記タイロッドの変位を算出する演算回路と、
を設け、前記制御手段は、前記演算回路によって算出された前記ラック軸又は前記タイロッドの変位と前記トルクセンサによって検出されたトルクから前記ピニオンと前記ラックのバックラッシュを算出し、算出したバックラッシュが所定の値に近づくよう前記アクチュエータをフィードバック制御することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記制御手段は、前記加速度センサによって検出される前記ラック軸又は前記タイロッドの振動数が所定の範囲内にあるときのみ前記フィードバック制御を行うことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、ラック軸又はタイロッドの振動数がラトル音が発生し易い値（２０Ｈｚ程度）を示すときに付勢手段の付勢力を変更し、ラックとピニオンのバックラッシュを適正な値に調整することができるため、ラックとピニオンのバックラッシュの経時変化を吸収してラトル音の発生を常に安定して抑制することができる。

請求項２記載の発明によれば、サポートヨークを介してラックを付勢するスプリングをアクチュエータによって伸縮させることによって該スプリングの付勢力を容易に調整することができるため、ラックとピニオンのバックラッシュの制御が容易化する。又、スプリングを介してアクチュエータの力をラックに作用させることができるため、アクチュエータの動きに伴う過度の押し付け力がラックに作用してしまうこがを抑制されるとともに、タイヤから入力される衝撃荷重をスプリングによって吸収することができるため、アクチュエータを衝撃荷重から保護して該アクチュエータの耐久性を高めることができる。

請求項３記載の発明によれば、加速度センサによって検出されたラック軸又はタイロッドの加速度からラック軸又はタイロッドの変位を算出し、この変位とトルクセンサによって検出されたステアリングシャフトのトルクからピニオンとラックのバックラッシュを算出し、算出したバックラッシュが所定の値（ラトル音が発生しづらい設計値）に近づくようアクチュエータをフィードバック制御するようにしたため、ラックとピニオンのバックラッシュの経時変化を吸収してラトル音の発生を常に安定して抑制することができる。

請求項４記載の発明によれば、加速度センサによって検出されるラック軸又はタイロッドの振動数が所定の範囲、具体的にはラトル音が発生し易い値（２０Ｈｚ程度）を示すときにのみアクチュエータのフィードバック制御を行うようにしたため、車両の旋回時等のようにラトル音が発生しづらい高トルク作用時には制御を省略して制御機器の耐久性向上を図ることができる。

本発明に係るラック＆ピニオン式ステアリング装置の基本構成図である。本発明に係るラック＆ピニオン式ステアリング装置のステアリングギヤボックスの内部構造を示す断面図である。本発明に係るラック＆ピニオン式ステアリング装置の制御系の構成を示すブロック図である。加速度センサとトルクセンサの検出データ、演算回路によって算出される変位及び制御手段によって算出されるバックラッシュを示す図である。本発明に係るラック＆ピニオン式ステアリング装置の制御手順を示すフローチャートである。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係るラック＆ピニオン式ステアリング装置の基本構成図であり、本発明に係るラック＆ピニオン式ステアリング装置１は、運転者によるステアリングホイール２の回動操作によって操舵輪である左右一対の前輪３（図１には一方のみ図示）を転舵させるものであって、運転者の操作力を電動モータ４の動力によってアシストする電動パワーステアリング装置を構成している。

このラック＆ピニオン式ステアリング装置１に設けられたステアリングシャフト５の上端には前記ステアリングホイール２が結着されており、同ステアリングシャフト５の中間部にはトルクセンサ６と減速機７が設けられている。ここで、前記電動モータ４の回転動力（補助動力）は減速機７を介してステアリングシャフト５に伝達され、この回転動力によって運転者によるステアリングホイール２の操作力がアシストされる。又、トルクセンサ６によって検出されるステアリングシャフト５のトルクと車速センサ８によって検出される車速は制御手段であるコントローラ９に入力され、コントローラ９は、これに入力されるトルクと車速に基づいて電動モータ４を駆動制御する。

又、ステアリングシャフト５の下端にはユニバーサルジョイント１０によって中間軸１１の上端が連結されており、中間軸１１の下端はユニバーサルジョイント１２を介してステアリングギヤボックス１３の入力軸１４に連結されている。ここで、ステアリングギヤボックス１３の内部構造を図２に基づいて説明する。

図２はステアリングギヤボックスの内部構造を示す断面図であり、ステアリングギヤボックス１３のハウジング１５内には前記入力軸１４が上下のベアリング１６，１７によって回転可能に支持されて収容されており、該入力軸１４の上下のベアリング１６，１７の間の中間部にはピニオン１８が形成されている。そして、ハウジング１５には車幅方向（図２の紙面垂直方向）に配されたラック軸１９が貫通しており、このラック軸１９に形成されたラック２０は入力軸１４に形成された前記ピニオン１８に噛合している。

又、ハウジング１５には、横方向に（ラック軸１９に垂直な方向）に保持孔１５ａが貫設されており、この保持孔１５ａにはサポートヨーク２１が保持孔１５ａの軸方向に摺動可能に嵌合保持されている。そして、保持孔１５ａの開口部はヨークプラグ２２によって閉塞されている。ここで、サポートヨーク２１のラック軸１９に対向する一端面には、ラック軸１９の背面に摺動可能に当接するラック軸１９の背面に合致する断面半円状の嵌合孔２１ａが形成されており、同サポートヨーク２１の他端面には円穴２１ｂが形成されている。そして、円穴２１ｂ内には付勢手段であるスプリング２３が収容されている。

更に、ハウジング１５の外部（ヨークプラグ２２の外部）にはアクチュエータであるソレノイド２４が配設されており、このソレノイド２４から保持孔１５ａの軸方向に延びる進退可能なロッド２４ａは前記ヨークプラグ２２を貫通してハウジング１５の保持孔１５ａ内に臨んでいる。そして、このロッド２４ａの先端には円板状のスプリング受け２５が結着されており、このスプリング受け２５は前記スプリング２３の一端を受けている。従って、ソレノイド２４のロッド２４ａは、スプリング受け２５からスプリング２３に伝えられ、スプリング２３の付勢力はサポートヨーク２１をラック軸１９に押し付けるように働く。そして、ラック軸１９は、その背面をサポートヨーク２１で押され、該ラック軸１９に形成されたラック２０は、入力軸１４のピニオン１８に噛み合う方向に押圧される。尚、ロッド２４ａがソレノイド２４に最も引き込まれた状態でも、スプリング２３の付勢力によってサポートヨーク２１はラック軸１９の背面に押し付けられており、ラック２０は常時ピニオン１８に噛み合う方向に押圧されている。

ところで、図１に示すように、前記ラック軸１９の長手方向両端（図１には一端のみ図示）は、タイロッド２６及びナックル２７を介して左右の各前輪３にそれぞれ連結されている。そして、タイロッド２６には、該タイロッド２６の加速度及び振動数を検出する加速度センサ２８が設けられている。尚、本実施の形態では、加速度センサ２８をタイロッド２６に設けたが、加速度センサ２８をラック軸１９に設けて該ラック軸１９の加速度と振動数を検出するようにしても良い。

而して、車両の走行中に運転者がステアリングホイール２を回転操作すると、その回転は、ステアリングシャフト５から中間軸１１を経てステアリングギヤボックス１３の入力軸１４へと伝達されて該入力軸１４が回転する。そして、この入力軸１４の回転は、該入力軸１４に形成されたピニオン１８とこれに噛合するラック２０によってラック軸１９の車幅方向（左右方向）の直線運動に変換され、このラック軸１９の車幅方向の直線運動がタイロッド２６とナックル２７を経て左右の前輪３に伝達されて該前輪３の回動運動に変換され、これによって左右の前輪３が所望の方向に転舵される。

尚、前述のように、コントローラ９は、トルクセンサ６から入力されるトルクと車速センサ８から入力される車速に応じた電力を電動モータ４に供給して該電動モータ４を駆動するため、この電動モータ４によってステアリング操作の適切な補助動力が発生し、この補助動力が減速機７を経てステアリングシャフト５に伝達されるため、運転者はステアリングホイール２によるステアリング操作を楽に行うことができる。

而して、本発明に係るラック＆ピニオン式ステアリング装置１は、タイロッド２６の振動数に応じてコントローラ９がソレノイド２４を制御することによってスプリング２３の付勢力（ラック軸１９の背面へのサポートヨーク２１の押し付け力）を変更することを特徴とするが、その制御系は図３に示すように構成されている。

即ち、図３は本発明に係るラック＆ピニオン式ステアリング装置の制御系の構成を示すブロック図であり、制御系は、タイロッド２６の加速度を検出する前記加速度センサ２８と、ステアリングシャフト５のトルクを検出する前記トルクセンサ６と、加速度センサ２８によって検出された加速度からタイロッド２６の変位を算出する演算回路２９と及び前記コントローラ９を含んで構成されている。

而して、本実施の形態では、ラトル音が発生し易い振動数が２０Ｈｚ程度であることに着目し、コントローラ９は、加速度センサ２８によって検出されるタイロッド２６の振動数が２０Ｈｚ付近である場合には、該演算回路２９によって算出されたタイロッド２６の変位とトルクセンサ６によって検出されたトルクからピニオン１８とラック２０のバックラッシュを算出し、算出したバックラッシュが所定の値（ラトル音が発生しない適正値）に近づくようソレノイド２４をフィードバック制御する。

次に、本発明に係るラック＆ピニオン式ステアリング装置１におけるピニオン１８とラック２０のバックラッシュの具体的な制御方法を図４及び図５に基づいて説明する。

図４は加速度センサとトルクセンサの検出データ、演算回路によって算出される変位及びコントローラによって算出されるバックラッシュを示す図、図５はコントローラの制御手順を示すフローチャートである。

制御が開始されると（図５のステップＳ１）、加速度センサ２８によって検出されるタイロッド２６の振動数が読み込まれるとともに（ステップＳ２）、トルクセンサ６によって検出されるステアリングシャフト５のトルクが読み込まれ（ステップＳ３）、タイロッド２６の振動数が２０Ｈｚ（ラトル音が発生し易い振動数）付近であるか否かが判定される（ステップＳ４）。

タイロッド２６の振動数が２０Ｈｚ付近である場合（ステップＳ４での判定結果がＹｅｓである場合）には次の方法によってピニオン１８とラック２０のバックラッシュを算出する（ステップＳ５）。尚、タイロッド２６の振動数が２０Ｈｚ付近以外である場合（ステップＳ４での判定結果がＮｏである場合）には、以下に説明するフィードバック制御はなされない（ステップＳ１１）。又、以下に説明するフィードバック制御がなされている場合には、このフィードバック制御を終了する（ステップＳ１２）。

加速度センサ２８によって検出されるタイロッド２６の加速度Ｇの時間変化を図４に示すが、演算回路２９において、この加速度Ｇを時間で２回積分することによってタイロッド２６の変位Ｘが求められる。このようにして求められたタイロッド２６の変位Ｘの時間変位を図４に示す。このようにして求められた変位Ｘは、概ねラック軸１９の軸方向の動きと考えることができる。

又、トルクセンサ６によって検出されるステアリングシャフト５のトルクＴの時間変化を図４に示すが、コントローラ９は、演算回路２９によって算出されたタイロッド２６の変位Ｘとトルクセンサ６によって検出されたステアリングシャフト５のトルクＴからピニオン１８とラック２０のバックラッシュδを算出する（ステップＳ５）。ここで、このようにして求められるピニオン１８とラック２０のバックラッシュδが判別値δ_０と比較され（ステップＳ６）、バックラッシュδが判別値δ_０の範囲外か否かが判定される（ステップＳ７）。

バックラッシュδが判別値δ_０の範囲外である場合（ステップＳ７での判定結果がＹｅｓである場合）には、バックラッシュδが判別値δ_０の上限値を超えているか否かが判定される（ステップＳ８）。バックラッシュδが判別値δ_０の上限値を超えている場合（ステップＳ８での判定結果がＹｅｓである場合）には、コントローラ９はソレノイド２４を制御してロッド２４ａを延出させ、該ロッド２４ａの先端に結着されたスプリング受け２５によってスプリング２３を圧縮してその付勢力を高め、サポートヨーク２１によるラック軸１９の押圧力を高めてピニオン１８とラック２０とのバックラッシュδを小さくして判別値δ_０に近づくようにし（ステップＳ９）、以後、バックラッシュδが判別値δ_０の上限値以下になるまで又はタイロッド２６の振動数が２０Ｈｚ付近でなくなるまでフィードバック制御を繰り返す（ステップＳ１１）。

これに対して、バックラッシュδが判別値δ_０の範囲外であって、且つ、バックラッシュδが判別値δ_０の上限値を超えていない場合（ステップＳ８での判定結果がＮｏである場合）には、バックラッシュδが判別値δ_０の下限値を下回っている（バックラッシュδが小さ過ぎる）ため、コントローラ９はソレノイド２４を制御してロッド２４ａを後退させ、該ロッド２４ａの先端に結着されたスプリング受け２５によってスプリング２３を伸張させてその付勢力を下げ、サポートヨーク２１によるラック軸１９の押圧力を小さくしてピニオン１８とラック２０とのバックラッシュδを大きくし、このバックラッシュδが判別値δ_０に近づくようにし（ステップＳ１０）、以後、バックラッシュδが判別値δ_０の下限値以上になるまで又はタイロッド２６の振動数が２０Ｈｚ付近でなくなるまでフィードバック制御を繰り返す（ステップＳ１１）。

ところで、タイロッド２６の振動数が２０Ｈｚ付近の値を示す場合（ステップＳ４での判定結果がＹｅｓである場合）であっても、バックラッシュδが判別値δ_０の範囲内である場合（ステップＳ７での判定結果がＮｏである場合）には、以上説明したフィードバック制御（ソレノイド２４のロッド２４ａ移動）はなされない（ステップＳ１１）。

以上のように、本発明に係るラック＆ピニオン式ステアリング装置１によれば、加速度センサ２８によって検出されるタイロッド２６の加速度から該タイロッド２６の変位Ｘを算出し、この変位Ｘとトルクセンサ６によって検出されるステアリングシャフト５のトルクＴからピニオン１８とラック２０のバックラッシュδを算出し、算出したバックラッシュδが判別値δ_０（所定の値であって、トルクＴを考慮した適正なバックラッシュδの範囲）に近づくようソレノイド２４をフィードバック制御するようにしたため、ピニオン１８とラック２０とのバックラッシュの経時変化を吸収してラトル音の発生を常に安定して抑制することができる。そして、本実施の形態では、加速度センサ２８によって検出されるタイロッド２６の振動数が所定の範囲、具体的にはラトル音が発生し易い値（２０Ｈｚ程度）を示すときにのみソレノイド２４のフィードバック制御を行うようにしたため、車両の旋回時等のようにラトル音が発生しづらい高トルク作用時には制御を省略して制御機器の耐久性向上を図ることができる。

又、本発明に係るラック＆ピニオン式ステアリング装置１によれば、サポートヨーク２１を介してラック１９を付勢するスプリング２３をソレノイド２４によって伸縮させることによって該スプリング２３の付勢力を容易に調整することができるため、ピニオン１８とラック２０のバックラッシュのフィードバック制御が容易化する。そして、前輪３のタイヤから入力される衝撃荷重をスプリング２３によって吸収することができるため、ソレノイド２４を衝撃荷重から保護して該ソレノイド２４の耐久性を高めることができる。

尚、以上の実施の形態では、アクチュエータとしてソレノイドを用いたが、ソレノイド以外の油圧シリンダやエアシリンダ等の他の任意のアクチュエータを使用することができる。

１ラック＆ピニオン式ステアリング装置
２ステアリングホイール
３前輪
５ステアリングシャフト
６トルクセンサ
９コントローラ（制御手段）
１８ピニオン
１９ラック軸
２０ラック
２１サポートヨーク
２３スプリング（付勢手段）
２４ソレノイド（アクチュエータ）
２６タイロッド
２８加速度センサ
２９演算回路

Claims

車両のステアリングシャフトの回転変位を、互いに噛合するピニオンとラックによってラック軸及びタイロッドの直線変位に変換する装置であって、付勢手段の付勢力をサポートヨークを介して前記ラック軸に伝達して前記ラックを前記ピニオン側に付勢するようにしたラック＆ピニオン式ステアリング装置において、
前記ラック軸又は前記タイロッドの振動数に応じて前記付勢手段の付勢力を変更する制御手段を設けたことを特徴とするラック＆ピニオン式ステアリング装置。
前記付勢手段をスプリングで構成し、該スプリングを伸縮させてその付勢力を変更するアクチュエータを設けたことを特徴とする請求項１記載のラック＆ピニオン式ステアリング装置。
前記ラック軸又は前記タイロッドの加速度を検出する加速度センサと、
前記ステアリングシャフトのトルクを検出するトルクセンサと、
前記加速度センサによって検出された加速度から前記ラック軸又は前記タイロッドの変位を算出する演算回路と、
を設け、前記制御手段は、前記演算回路によって算出された前記ラック軸又は前記タイロッドの変位と前記トルクセンサによって検出されたトルクから前記ピニオンと前記ラックのバックラッシュを算出し、算出したバックラッシュが所定の値に近づくよう前記アクチュエータをフィードバック制御することを特徴とする請求項２記載のラック＆ピニオン式ステアリング装置。
前記制御手段は、前記加速度センサによって検出される前記ラック軸又は前記タイロッドの振動数が所定の範囲内にあるときのみ前記フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項３記載のラック＆ピニオン式ステアリング装置。