JP2014073805A - 車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の衝突時に、乗員の意思によらずにステアリングが回転することを防止できる技術を提供すること。
【解決手段】車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置５０は、車体１０の下部に設けられているサブフレーム３１に取付け可能なハウジング９０と、このハウジング９０に収納されているラックアンドピニオン７１と、これらのラックアンドピニオン７１のラック７２が形成されているラック軸６６と、ラックアンドピニオン７１のピニオン７１が形成されているピニオン軸６４と、このピニオン軸６４に自在継手６３を介して連結されているステアリングシャフト６２と、このステアリングシャフト６２に連結されているステアリングホイール６１とからなる。ハウジング９０には、脆弱部９５が形成され、この脆弱部９５は、衝撃力によってラック７２がピニオン７１から外れるように、ハウジング９０を破断させる部分である。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両に搭載されるラックアンドピニオン式ステアリング装置の改良技術に関する。

多くの車両のステアリング系に、ラックアンドピニオン式のステアリング装置が採用されている（例えば、特許文献１（図１）、特許文献２（図１）参照。）。

特許文献１に示されるような、ステアリング装置は、運転者が操舵するステアリングホイールと、このステアリングホイールに一端が連結されているステアリングシャフトと、このステアリングシャフトに自在継手を介して連結されピニオンが形成されているピニオン軸と、このピニオン軸のピニオンに噛合うラックが形成されているラック軸と、このラック軸の両端にタイロッドを介して取付けられている転舵車輪とからなる。ラックアンドピニオンは、ハウジングに収納されている。このハウジングに形成されているブラケットによって、ラック軸は車体に取付けられている。

ラック軸を車体に取付けているブラケットには、脆弱部が形成されている。車両が被衝突物に衝突した際には、脆弱部が破断する。脆弱部が破断することにより、ラックアンドピニオンが噛合った状態のまま、ラック軸が後退可能な状態となる。ラック軸を後退可能とすることにより、エンジンやトランスミッションの後退を容易に許容することができるようになる。

特許文献２に示されるような、ステアリング装置は、車体の下部に取付けられているサブフレームの近傍にラックアンドピニオンが配置されている。車両の衝突時には、衝撃によってサブフレームが下方に向かって折曲がる。サブフレームが折曲がる際に、ラックアンドピニオンが噛合った状態のまま、サブフレームによって車体後方且つ下方に向かって変位させられる。ラックアンドピニオンが後下方に変位することにより、ピニオン軸、ステアリングシャフト及びステアリングホイールが引張られる。引張られることにより、ステアリングホイールは、運転者から離間するように変位する。

特許文献１の場合においても、特許文献２の場合においても、ラックアンドピニオンは、噛合った状態のまま変位する。ラックアンドピニオンが噛合い状態にあるため、ステアリングホイールは、衝突に伴う転舵車輪の挙動の影響を受ける。即ち、車両の衝突時には、乗員の意思によらずにステアリングが回転し得る。

特開２００６−２８１９２７号公報 特開平８−１５６８２７号公報

本発明は、車両の衝突時に、乗員の意思によらずにステアリングが回転することを防止できる技術の提供を課題とする。

請求項１に係る発明は、車体の下部に設けられているサブフレームに取付け可能なハウジングと、このハウジングに収納されているラックアンドピニオンと、これらのラックアンドピニオンのラックが形成されているラック軸と、前記ラックアンドピニオンのピニオンが形成されているピニオン軸と、このピニオン軸に自在継手を介して連結されているステアリングシャフトと、このステアリングシャフトに連結されているステアリングホイールとからなる車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置において、前記ハウジングには、脆弱部が形成され、この脆弱部は、衝撃力によって前記ラックが前記ピニオンから外れるように、ハウジングを破断させる部分であることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、ハウジングに、脆弱部が形成されている。衝突時には、衝撃力によって、脆弱部からハウジングが破断する。ハウジングを破断させることにより、ラックをピニオンから外す。ラックがピニオンから外れることにより、転舵車輪とステアリングホイールとが切り離される。ステアリングホイールが切り離されることにより、転舵車輪の挙動により、ステアリングホイールが回転することを防止することができる。即ち、乗員の意思によらずにステアリングホイールが回転することを防止できる。

実施例１による車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置が搭載される車体の斜視図である。 図１に示された車体に車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置が搭載された状態の側面図である。 図２に示された車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置の模式図である。 図３に示された電動パワーステアリング装置の全体構成図である。 図４の５−５線断面図である。 図５に示されたハウジングの斜視図である。 図６の７部拡大図である。 車両に衝突荷重が加わる前における車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置を説明する側面図である。 車両に衝突荷重が加わった瞬間の車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置を説明する斜視図である。 図９に示された車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置の断面図である。 衝撃によりハウジングが破断した車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置を説明する斜視図である。 図１１に示された車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置の断面図である。 図１２に示された車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置にさらに衝撃エネルギが加わった状態を示す図である。 実施例２による車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置の模式図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
なお、説明中、左右とは車両の乗員を基準として左右、前後とは車両の進行方向を基準として前後を指す。また、図中Ｆｒは前、Ｒｒは後、Ｌは乗員から見て左、Ｒは乗員から見て右、Ｕｐは上、Ｄｗは下を示している。

実施例１による車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置について、まず、車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置を支持する車体について説明し、その後に車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置について詳細に説明する。図１及び図２に示された車体１０は、右ハンドル車を例示している。図１は、車体前部を左側の斜め下から見上げた状態において示している。

図１及び図２に示されるように、車体１０は、乗用車などの車両に採用されているモノコックボディからなり、この車両の車幅方向の中心を通って車両前後方向へ延びる車幅中心線ＣＬ１に対し、左右対称形に形成されている。この車体１０の内側には、前部のパワーユニット収容室２５と、このパワーユニット収容室２５の真後ろに位置する車室２６と、が形成されている。

車体１０は、左右のフロントサイドフレーム１１，１１（以下、「サイドフレーム１１，１１」という）と、フロントバルクヘッド１２と、左右のアウトリガー１３，１３と、左右のサイドシル１４，１４と、左右のフロアフレーム１５，１５と、ダッシュボードロアパネル１６と、フロアパネル１９と、を含む。

ダッシュボードロアパネル１６は、左右のサイドフレーム１１，１１の後に位置して車体１０を前と後に区画する、つまり前のパワーユニット収納室２５と後の車室２６との間を区画する隔壁である。ダッシュボードロアパネル１６は、上半部分の区画板１７と、下半部分の傾斜板１８とからなる。

車体１０の前部には、ダッシュボードロアパネル１６よりも前にサブフレームユニット３０が設けられている。サブフレームユニット３０は、サブフレーム３１と、サブフレーム３１にマウントされた電動パワーステアリング装置５０（以下、「ステアリング装置５０」という。）及びパワーユニットＰＵと、からなる。ステアリング装置５０は、本発明による車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置であり、詳細については後述する。

パワーユニットＰＵは、車両の走行駆動力を発生するものであって、例えばエンジン及びトランスミッションを一体にユニット化した構成である。パワーユニットＰＵは、ステアリング装置５０の前に位置している。

サブフレーム３１は、ダッシュボードロアパネル１６の前に位置するとともに、左右のサイドフレーム１１，１１の下部に設けられている。サブフレーム３１は、サブフレーム本体３２と左右の前ステイ３８，３８と左右の後ステイ３９，３９とからなる。

サブフレーム本体３２は、搭載部３３と、搭載部３３の左右の前端部から車体前方へ延びた左右の前取付部３４，３４と、搭載部３３の左右の後端部から車体後方へ延びた左右の後取付部３５，３５と、搭載部３３の左右の側部から車幅方向外側へ延びた左右のサイド取付部３６，３６と、からなり、例えばダイカストによる一体品である。右サイド取付部３６には、ステアリング装置５０の下端が取付けられている。

搭載部３３は、ステアリング装置５０とパワーユニットＰＵとを搭載することが可能な部材である。

サブフレーム３１の前端から車体後方に向けて衝突力が入力した場合に、左サイド取付部３６は破断可能である。例えば、左サイド取付部３６は、左サイドフレーム１１の後端部１１ａ寄りの部位から脱落させることが可能である。右のサイド取付部３６の取付け構成は、左のサイド取付部３６の取付け構成と同じなので、説明を省略する。

左右の前ステイ３８，３８は、左右の前取付部３４，３４に、ボルト及びナット４１，４１によって上下に締結されている。左右の前ステイ３８，３８は、サブフレーム本体３２の左右の前取付部３４，３４よりも脆弱に構成されている。従って、左の前ステイ３８のなかで、左の前取付部３４の前端に締結されている部分に対し、前側の部分４２が特に脆弱である。前側の部分４２のことを、以下「前部折曲許容部４２」ということにする。左と同様に、右の前ステイ３８のなかの、前側の部分４２も「前部折曲許容部４２」である。

また、左右の後ステイ３９，３９は、サブフレーム本体３２の左右の後取付部３５，３５よりも脆弱に構成されている。左の後ステイ３９のなかで、左の後取付部３５に一体化されている部分に対し、後側の部分４４が特に脆弱である。後側の部分４４のことを、以下「後部折曲許容部４４」ということにする。左と同様に、右の後ステイ３９のなかの、後側の部分４４も「後部折曲許容部４４」である。

左右の後ステイ３９，３９は、左右のスイング機構４６，４６により、左右のフロアフレーム１５，１５に、車体上下方向にスイング可能に連結されている。

図３以降において、ステアリング装置５０の詳細を説明する。
図３に示されるように、ステアリング装置５０は、車両のステアリングホイール６１から車両の転舵車輪６９，６９（例えば前輪）に至るステアリング系６０と、このステアリング系６０に補助トルクを加える補助トルク機構８０とからなる。

ステアリング系６０は、ステアリングホイール６１にステアリングシャフト６２及び自在継手６３，６３を介してピニオン軸６４を連結し、ピニオン軸６４にラックアンドピニオン６５を介してラック軸６６を連結し、ラック軸６６の両端に左右のタイロッド６７，６７及びナックル６８，６８を介して左右の転舵車輪６９，６９を連結したものである。

ラックアンドピニオン６５は、ピニオン軸６４に形成されたピニオン７１と、ラック軸６６に形成されたラック７２とからなる。

ステアリング系６０によれば、運転者がステアリングホイール６１を操舵することで、この操舵トルクによりラックアンドピニオン６５及び左右のタイロッド６７，６７を介して、左右の転舵車輪６９，６９を転舵することができる。

補助トルク機構８０は、ステアリングホイール６１に加えたステアリング系６０の操舵トルクを操舵トルクセンサ８１で検出し、この操舵トルクセンサ８１のトルク検出信号に基づき制御部８２で制御信号を発生し、この制御信号に基づき操舵トルクに応じた補助トルクを電動モータ８３で発生し、この補助トルクをピニオン軸６４に伝達し、さらに、補助トルクをピニオン軸６４からステアリング系６０のラックアンドピニオン６５に伝達するようにした機構である。

操舵トルクセンサ８１は、ピニオン軸６４に加えられたトルクを検出し、トルク検出信号として出力するものであり、例えば磁歪式トルクセンサやトーションバー式トルクセンサによって構成される。

ステアリング装置５０によれば、運転者の操舵トルクに電動モータ８３の補助トルクを加えた複合トルクにより、ラック軸６６で転舵車輪６９，６９を転舵することができる。

図４に示されるように、ハウジング９０は車幅方向（図左右方向）に延びており、ラック軸６６を軸方向にスライド可能に収容している。ラック軸６６は、ハウジング９０から突出した長手方向両端にボールジョイント７６，７６を介してタイロッド６７，６７を連結している。

図４及び図５に示されるように、ハウジング９０はピニオン軸６４の下半分、ラックアンドピニオン６５及びウォームギヤ機構１０３を収納するとともに、上端に形成されている上部開口９１に、センサハウジング１０１を取付けたものである。このようなハウジング９０は、上部開口９１に対して反対側、つまり底部が塞がれている。ハウジング９０の上部には、ピニオン軸６４のシールをするためのオイルシール１０２が設けられている。

図５に示されるように、ウォームギヤ機構１０３は、駆動側のウォーム１０４に従動側のウォームホイール１０５を噛合せることで、ウォーム１０４からウォームホイール１０５を介して、負荷側にトルクを伝達するようにした構成である。

ハウジング９０は内周面に、ピニオン軸６４を第１の軸受１０６及び第２の軸受１０７を介して回転可能に支持している。ピニオン軸６４の中間部分において、ピニオン７１とウォームホイール１０５との間の位置は、第２の軸受１０７を介して、ハウジング９０で回転可能に支持されている。なお、ピニオン軸６４は、ハウジング９０に収納された第１の軸受１０６に対して、軸方向への移動が可能である。図５において、ＣＬ２はピニオン軸６４の中心線（軸心）である。

ウォームギヤ機構１０３を駆動するための電動モータ８３は、モータ軸が、紙面の右側から左側へ向けてハウジング９０内に延びている。モータ軸は、ウォームギヤ機構１０３のウォーム軸１０４ａを連結した出力軸である。ウォーム軸１０４ａは、一体に形成されたウォーム１０４を備える。ウォーム軸１０４ａの両端部は、軸受を介してハウジング９０によって回転可能に支持されている。

ハウジング９０はラックガイド１１０を備える。このラックガイド１１０は、ラック７２の反対側からラック軸６６に当てるガイド部１１１と、ガイド部１１１を圧縮ばね１１２を介して押す調整ボルト１１３と、ラック軸６６の背面を滑らせる当て部材１１４と、調整ボルト１１３の位置決めをするロックナット１１５とからなる。

ハウジング９０のうち、ラックガイド１１０の上部からウォームホイール１０５の外周を囲う部位までを接続する接続部９３の一部に、脆弱部９５が形成されている。この脆弱部９５について、詳細に説明する。

図５乃至図７に示されるように、ハウジング９０には、ラックガイド１１０が配置される部位の上方にリブ９２が形成されている。このリブ９２の上部に接続部９３が形成されている。接続部９３は、ラックガイド１１０の上方からウォームホイール１０５の外周を囲う部位までを接続するように形成される略三角形の部位である。

接続部９３には、ピニオン軸６４の径方向に沿って直線状に延びる溝部９４が形成され、この溝部９４の一部に欠肉状の脆弱部９５が直線状に形成されている。脆弱部９５は、車両の衝突時にハウジング９０を任意の部位において破断させるために形成されている、他の部位よりも剛性が弱められている部位である。

脆弱部９５及び溝部９４は、ピニオン軸６４の径方向に向かって延びている。より具体的には、脆弱部９５及び溝部９４は、車体後方から前方に向かって形成されている。

車両の衝突時において、ハウジング９０が破断する場合には、脆弱部９５から破断する。脆弱部９５を囲うようにピニオン軸６４に向かって溝部９４が形成されている。溝部９４は、脆弱部９５からピニオン軸６４に向かって確実にハウジング９０を破断させるためのガイドの役割を果たす。溝部９４が形成されていることにより、任意の方向へ向かって確実にハウジング９０を破断させることができる。

また、リブ９２は、ラックガイド１１０が配置される部位に対応させて形成されている。リブ９２によってラックガイド１１０上部のハウジング９０を肉厚とすることにより、ラックガイド１１０に向かってハウジング９０が破断することを防止する。このことにより、さらに任意の方向へ向かって確実にハウジング９０を破断させることができる。

ピニオン軸６４に向かってラック軸６６を付勢するためのラックガイド１１０の上部に脆弱部９５が形成されている。このような部位に脆弱部９５が形成されていることにより、ラック７２とピニオン７１とが噛合う部位Ｐ１の近傍に脆弱部９５を形成することができる。このようなハウジング９０が搭載されているステアリング装置５０の作用について次図以降において説明する。

図８に示されるように、車両が正面衝突をした際には、車体１０のフロントバルクヘッド１２に向かって衝突荷重Ｆ１が加わる。衝突荷重Ｆ１は、サイドフレーム１１やサブフレーム３１から、車体１０後部へ向かって伝わる。衝突荷重が所定の値を超えている場合には、前部及び後部の折曲許容部４２，４４が、下方へ向かって折曲がる。

図９も合わせて参照し、前部及び後部の折曲許容部４２，４４が、下方へ向かって折曲がることにより、ラック軸６６を後下方へ変位させる方向へ荷重が加わる。

一方、ステアリングシャフト（図３、符号６２）は、周方向の変位を所定の範囲に規制されつつ、回転可能に支持されている。

図９及び図１０に示されるように、ラック軸６６には、矢印（１）で示されるような、後下方へ変位しようとする力が作用し、ハウジング９０も矢印（１）の方向に変位する。変位量が大きくなると、ボディ側のダッシュボードロア１８に衝突し、反力が発生して、脆弱部が破断する。

図１０及び図１１に示されるように、ハウジング９０に加わる力によって、ハウジング９０は、脆弱部９５からピニオン軸６４の外周面に向かって破断する。

図１２に示されるように、ハウジング９０が破断することにより、ラック７２がピニオン７１から外される。図３も参照して、ラック７２がピニオン７１から外れることにより、転舵車輪６９とステアリングホイール６１とが切り離される。ステアリングホイール６１が切り離されることにより、転舵車輪６９の挙動により、ステアリングホイールが回転することを防止することができる。即ち、乗員の意思によらずにステアリングホイール６１が回転することを防止できる。

図１３に示されるように、パワーユニットＰＵの変位を阻害する方向に作用するピニオン軸６４をラック軸６６から切り離すことにより、パワーユニットＰＵをより円滑に変位させることができる。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図１４は実施例２のステアリング装置を模式的に示し、上記図３に対応させて表している。
図１４に示されるように、ステアリング装置５０Ａには、通常のラックアンドピニオン式ステアリング装置が用いられている。即ち、電動パワーステアリング装置を用いていない。通常のステアリング装置５０Ａを用いた場合であっても、本発明所定の効果を得ることができる。

尚、本発明によるステアリング装置に電動パワーステアリング装置を採用する場合には、ピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置の他、コラムアシスト式の電動パワーステアリング装置を採用する等、任意の形式のものを採用することができる。仮に、ピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置を採用する場合には、ラックアンドピニオンを確実に切り離すことができるよう、ウォームギヤ機構よりもラックアンドピニオンに近い部位に脆弱部を形成することが望ましい。

加えて、本発明においては、衝突時に下方に向かって折曲がるサブフレームを例に説明したが、衝突時に下方に向かって折曲がらないサブフレームに本発明を適用した場合にも本発明所定の効果を得ることができる。即ち、本発明が適用されるサブフレームは、衝突時に下方に向かって折曲がるサブフレームに限られない。

さらに、実施例において説明したハウジングの破断は、一例であり、衝突時の衝撃力や衝撃の加わる方向によって、破断の仕方は異なり得る。本発明においては、ハウジングに脆弱部を設け、この脆弱部からハウジングを破断させることにより、ラックをピニオンから切り離すことが重要である。

本発明の車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置は、車両重量の軽い乗用車に搭載するのに好適である。

１０…車体、３１…サブフレーム、５０，５０Ａ…車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置、６１…ステアリングホイール、６２…ステアリングシャフト、６３…自在継手、６４…ピニオン軸、６５…ラックアンドピニオン、６６…ラック軸、７１…ピニオン、７２…ラック、９０…ハウジング、９５…脆弱部。

Claims (1)

1. 車体の下部に設けられているサブフレームに取付け可能なハウジングと、
   このハウジングに収納されているラックアンドピニオンと、
   これらのラックアンドピニオンのラックが形成されているラック軸と、
   前記ラックアンドピニオンのピニオンが形成されているピニオン軸と、
   このピニオン軸に自在継手を介して連結されているステアリングシャフトと、
   このステアリングシャフトに連結されているステアリングホイールとからなる車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置において、
   前記ハウジングには、脆弱部が形成され、
   この脆弱部は、衝撃力によって前記ラックが前記ピニオンから外れるように、ハウジングを破断させる部分であることを特徴とする車両用ラックアンドピニオン式ステアリング装置。

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