JP2018065528A - ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵感の向上と、構造の簡素化を図った、ステアリング装置を提供する。
【解決手段】ステアリングシャフト３と、ピニオン軸１１とラック軸を含むステアリングギヤ部９と、ステアリングシャフト３のトルクをステアリングギヤ部９に伝達するインタミシャフト８と、ステアリングシャフト３とインタミシャフト８を連結する第１ジョイント１５ａと、インタミシャフト８とステアリングギヤ部９のピニオン軸１１を連結する第２ジョイント１５ｂと、操舵補助力を供給するモータ５を含む電動アシスト装置６と、制御部７とを有するステアリング装置１であって、ステアリングギヤ部９に伝達されるトルクが変動するように第１ジョイント１５ａと第２ジョイント１５ｂの位相角が設定されており、制御部７がステアリングホイール２の操舵範囲の一部でトルクの変動を打ち消すようにモータ５の駆動を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステアリング装置に関する。

従来、良好な操舵感を得るため、ギヤ比可変機構を備えたステアリング装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特許第２１３３９７７号公報

昨今、ステアリング装置に対して、操舵感の向上とともに、構造の簡素化が期待されている。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、操舵感の向上と、構造の簡素化を図った、ステアリング装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、ステアリングホイールが取り付けられるステアリングシャフトと、ピニオン軸と前記ピニオン軸に噛み合うラック軸とを含むステアリングギヤ部と、前記ステアリングシャフトのトルクを前記ステアリングギヤ部に伝達するインタミシャフトと、前記ステアリングシャフトと前記インタミシャフトとを連結する第１ジョイントと、前記インタミシャフトと前記ステアリングギヤ部の前記ピニオン軸とを連結する第２ジョイントと、前記ステアリングホイールの操舵補助力を供給するモータを含む電動アシスト装置と、前記電動アシスト装置を制御する制御部と、を有するステアリング装置であって、前記ステアリングギヤ部に伝達されるトルクが変動するように前記第１ジョイントと前記第２ジョイントの位相角が設定されており、前記制御部が前記ステアリングホイールの操舵範囲の一部でトルクの変動を打ち消すように前記モータの駆動を制御するように構成されている。

本発明によれば、操舵感の向上と、構造の簡素化を図った、ステアリング装置を提供することができる。

本実施形態に係るステアリング装置の構成を示す図（一部は断面）である。 本実施形態に係るステアリング装置の第１、第２ジョイントの構成を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係るステアリング装置における、操舵角とラック軸の変位速度、操舵角と操舵トルクの関係をそれぞれ示すグラフである。 本実施形態に係るステアリング装置の位相角の設定方法を説明するための図であり、（ａ）は３次元空間に４つの基準点を配置した画像の一例を示す図であり、（ｂ）は図４（ａ）における基準軸Ｓ上の矢印ＶＪ方向で見た（ＧＪ−ＨＪ軸上視）投影平面を説明する図である。 本実施形態に係るステアリング装置における、電動アシスト装置のモータの駆動制御を示すフローチャートである。

本実施形態に係るステアリング装置を、添付図面に基づいて説明する。

本実施形態に係るステアリング装置１は、図１に示すように、車両用で、コラムアシスト型の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である。ステアリング装置１は、車体後方側（図１の右側）から順に並んだ、ステアリングホイール２、ステアリングシャフト３を挿通したステアリングコラム４、モータ５を含みステアリングシャフト３に補助トルクを付与する電動アシスト装置６、電動アシスト装置６を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）７、インタミシャフト８、ステアリングギヤ部９を備える。ステアリングギヤ部９は、インタミシャフト８に接続されたピニオン軸１１、及びピニオン軸１１に噛合して車体左右方向へ延在する不図示のラック軸を内包しており、ラック軸の両端にはタイロッド１２、１２等を介して不図示の車輪が接続される。

斯かる構成の下、車両の運転者がステアリングホイール２を回転操作（操舵）することにより、ステアリングシャフト３やインタミシャフト８を介してステアリングギヤ部９内のピニオン軸１１が回転し、これに応じてラック軸が車体左右方向へ移動し、車輪の操舵角を変えることができる。またこのとき、電動アシスト装置６のモータ５によって操舵補助力がステアリングシャフト３に付与されるため、運転者がステアリングホイール２の回転操作に要する力を軽減することができる。

ステアリングコラム４及びステアリングシャフト３は、公知のテレスコピック機構により軸方向へ伸縮することができる。ステアリングコラム４及び電動アシスト装置６は、公知のチルト機構により車体１３に対してチルト可能に取り付けられている。よって、ステアリングホイール２の高さ及び車体前後方向の位置調整（チルト・テレスコピック調整）が可能である。

電動アシスト装置６内には、ステアリングシャフト３の回転方向及び回転角（操舵角）を検出するアングルセンサ（操舵角センサ）１０ａ、ステアリングシャフト３にトーションバーを介して連結された出力軸１４にモータ５の回転力を伝達する減速ギヤ機構、トーションバーのねじれからステアリングシャフト３の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０ｂが備えられている。なお、トーションバー及び減速ギヤ機構は不図示である。

インタミシャフト８は、軸方向へ伸縮可能であり、図１に示すように、電動アシスト装置６とステアリングギヤ部９との間に配置されている。インタミシャフト８は、一端が第１ジョイント１５ａを介して電動アシスト装置６の出力軸１４に連結され、他端が第２ジョイント１５ｂを介してステアリングギヤ部９のピニオン軸１１に連結されている。

第１、第２ジョイント１５ａ、１５ｂは、図２に示すように、駆動軸１６に接続されたヨーク１６ａと従動軸１８に接続されたヨーク１８ａとを十字軸１９によって回転自在に接続し、駆動軸１６の回転を従動軸１８へ伝達するユニバーサルジョイントである。

第１、第２ジョイント１５ａ、１５ｂにおいて、駆動軸１６と従動軸１８とのなす角を交差角という。また、第１、第２ジョイント１５ａ、１５ｂ同士の回転方向の角度差、詳細には第１ジョイント１５ａの交差角を含む平面と、第２ジョイント１５ｂの交差角を含む平面とのなす角を位相角という。

ステアリング装置１において、ステアリングシャフト３のトルクは、ピニオン軸１１へ伝達される際に、上記構成の第１、第２ジョイント１５ａ、１５ｂを介することによって変動する。詳細には、当該トルクは、第１、第２ジョイント１５ａ、１５ｂの交差角の差と位相角に依存して正弦波状に変動する。このため、ピニオン軸１１に噛合するラック軸の変位速度も正弦波状に変動する（図３（ａ）中の実線Ａを参照）。またこれにより、運転者がステアリングホイール２を回転操作する際に、ステアリングホイール２に加える操舵トルクは、ラック軸の変位速度の増減と逆の関係で変動する（図３（ｂ）中の実線Ｂを参照）。

トルクの変動（回転角の変動）は、第１、第２ジョイント１５ａ、１５ｂの交差角の差と位相角を予め設定することにより調整可能である。一般のステアリング装置では、操舵フィーリングはトルクの変動が小さい方が望ましいため、トルクの変動を低減するように第１、第２ジョイント１５ａ、１５ｂの交差角の差と位相角を設定する。これに対し、本実施形態に係るステアリング装置１は、以下に述べるように、第１、第２ジョイント１５ａ、１５ｂによるトルクの変動を利用することにより、図３（ａ）中に点線で示すギヤ比可変機構を用いたような操舵感を実現する。

ここで、第１、第２ジョイント１５ａ、１５ｂの位相角の具体的な設定方法について、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、３次元空間に、ハンドル位置基準点Ｈ、第１ジョイント１５ａの基準点ＨＪ、第２ジョイント１５ｂの基準点ＧＪ及びステアリングギヤ部９の基準点ＧＣを配置し、軸Ｒ（ピニオン軸１１）、基準軸Ｓ（インタミシャフト８）及び軸Ｔ（ステアリングシャフト３）の関係を示した説明図である。ステアリングシャフト３及びピニオン軸１１の回転の角速度が等速となるために、基準点ＨＪでの基準軸Ｓと軸Ｔとのなすジョイント角度θｈは、基準点ＧＪでの基準軸Ｓと軸Ｒとのなすジョイント角度θｇと等しく設計する必要がある。図４（ｂ）は、図４（ａ）における基準軸Ｓ上の矢印ＶＪ方向で見た（ＧＪ−ＨＪ軸上視）投影平面を説明するための図である。基準軸Ｓで交わる軸Ｒの投影線と軸Ｔの投影線とのなす角が位相角αとなる。

図４（ａ）に示すように、軸Ｔにおける角速度ω、軸Ｔにおける回転角θ、軸Ｔにおける入力トルクＴｉｎ、軸Ｓにおける角速度ω_１、軸Ｓにおける基準点ＨＪの回転角θ_１、軸Ｓにおける中間トルクＴｍｉｄ、軸Ｓにおける基準点ＧＪの回転角θ_１’、軸Ｒにおける角速度ω_２、軸Ｒにおける回転角θ_２、軸Ｒにおける中間トルクＴｏｕｔ、ジョイント角θｈ、θｇとする。

軸Ｓにおける回転角θ_１は、式（１）に示される。

式（１）の両辺を時間で微分し、角速度を算出すると式（２）が導かれる。

同様に、軸Ｒにおける角速度ω_２を算出すると式（３）が導かれる

そこで、出力軸である軸Ｒと入力軸である軸Ｔとの角速度比Ｒａｔｅは、下記式（４）となる。

トルク変動率Ｔｒ（％）は、入力トルクＴｉｎと出力トルクＴｏｕｔとの比であり、この比は角速度比Ｒａｔｅの逆数となるので、式（５）で表される。トルク変動率Ｔｒは、車両を操舵したときのトルク変動を示すものである。

式（５）において式（４）を代入すると、変動率Ｔｒがθの関数として求められる。また、回転角θ_１’は、位相角αの関数として、式（６）で表される。

式（５）、（６）を用いて、トルク変動率Ｔｒが最大（トルク変動の山のピーク）となるように位相角αを調整するとともに、その時のθを軸Ｔの中心（ハンドルセンタ）と一致するように設定すればよい。

本実施形態では、第１、第２ジョイント１５ａ、１５ｂの位相角αは、トルクの変動が最大となる９０°に設定されている。また、第１、第２ジョイント１５ａ、１５ｂの交差角の差は、０°に設定されている。これにより、所望のトルク変動、ひいては図３（ａ）に示す所望のラック軸の変位速度が得られる。

また、ステアリングホイール２を操舵した際に操舵中立位置を基準として、トルクが対称に変動する、即ちラック軸の変位速度が対称に変化するように、操舵中立位置の位置決めがなされている。具体的には、図３（ａ）に示すように、ステアリングホイール２の操舵中立位置Ｐにおいて、ラック軸の変位速度が最小となるように設定されている。ここで操舵中立位置Ｐとは、ステアリングホイール２を左右に転舵していない、回転角０°の状態をいう。

斯かる設定の下、本実施形態に係るステアリング装置１では、ステアリングホイール２の操舵中立位置Ｐ付近以外におけるトルクの変動が、電動アシスト装置６のモータ５の駆動制御によって解消される。当該モータ５の駆動制御は、コントロールユニット７により以下の手順にしたがって行われる（図５を参照）。

ステップＳ１：アングルセンサ１０ａが、ステアリングシャフト３の回転角及び回転方向を検出する。
ステップＳ２：トルクセンサ１０ｂが、ステアリングシャフト３のトルクを検出する。
ステップＳ３：ステップＳ１、Ｓ２の検出結果に基づいて、コントロールユニット７が、メモリ７ａからモータ５の駆動電流値を取得する。なお、メモリ７ａはコントロールユニット７内に備えられており、ステアリングシャフト３の回転角、回転方向及びトルクに応じて、ステアリングシャフト３に操舵補助力を付与するためのモータ５の駆動電流値のテーブル（データ）が予め記憶されている。

ステップＳ４：コントロールユニット７が、ステップＳ１の検出結果から、ステアリングシャフト３の回転角が所定値以内であるか否かを判定する。ステアリングシャフト３の回転角が所定値以内であればステップＳ５へ進み、そうでない場合はステップＳ６へ進む。なお、前記所定値は操舵中立位置Ｐ及びその付近（以下、操舵中立範囲Ｃという）と、それ以外の操舵範囲との境界を示す角度であり、メモリ７ａに予め記憶されている。
ステップＳ５：コントロールユニット７がステップＳ３で取得した駆動電流値に基づいてモータ５を駆動し、操舵補助力をステアリングシャフト３に付与する。

ステップＳ６：ステップＳ１、Ｓ２の検出結果に基づいて、コントロールユニット７がメモリ７ａから補正係数を取得する。補正係数は、ステアリングシャフト３の回転角、回転方向及びトルクに応じて、ステアリングシャフト３のトルクの変動（即ち、図３（ａ）に示すラック軸の変位速度の変動）を打ち消すためのモータ５の駆動電流値の補正係数であって、当該補正係数のテーブルがメモリ７ａに予め記憶されている。
ステップＳ７：コントロールユニット７が、ステップＳ３で取得した駆動電流値を、ステップＳ６で取得した補正係数に基づいて補正する。
ステップＳ８：ステップＳ７で補正された駆動電流値に基づいて、コントロールユニット７がモータ５を駆動し、操舵補助力をステアリングシャフト３に付与する。

上記モータ５の駆動制御により、運転者がステアリングホイール２を操舵中立範囲Ｃ外まで回転操作した場合には、トルクの変動を解消しつつ、モータ５から操舵補助力がステアリングシャフト３に付与される。一方、運転者がステアリングホイール２を操舵中立範囲Ｃ内で回転操作した場合には、トルクの変動を解消せずに、モータ５から操舵補助力がステアリングシャフト３に付与される。したがって、操舵トルクは、図３（ｂ）中の実線Ｄで示すようになり、図３（ａ）中に点線で示すギヤ比可変機構のような操舵感が実現されていることが分かる。

本実施形態に係るステアリング装置１は、トルクの変動が大きくなるように第１、第２ジョイント１５ａ、１５ｂの位相角を設定し、ステアリングホイール２の操舵中立位置Ｐでラック軸の変位速度が最小となるように設定している。このため、運転者がステアリングホイール２を操舵中立位置Ｐから回転し始めると、ラック軸の変位速度、即ちラック軸の移動量が増加する。したがって、運転者は操舵中立範囲Ｃ内においてクイックに操舵することができ、特に低速走行時に有効となる。また、運転者がステアリングホイール２を操舵中立範囲Ｃ外へ回転すると、上記モータ５の駆動制御によりトルクの変動が解消され、ラック軸の変位速度が略一定となる。したがって、運転者は操舵中立範囲Ｃ外においてトルクの変動の影響を受けずに操舵することができる。

なお、操舵中立範囲Ｃは、ステアリングホイール２の操舵中立位置Ｐを基準として、ステアリングホイール２の操舵角が−４５°〜＋４５°の範囲であることが好ましい。コントロールユニット７は、そのような操舵中立範囲Ｃ外である場合に、トルクの変動を打ち消すように、モータ５の駆動を制御することが好ましい。

操舵角が−４５°及び＋４５°の地点は、ラック軸の変位加速度のピーク位置にあたる。変位加速度は遅くなると、運転者は操舵に引っかかりを感じるようになる。そこで、操舵が開始され、変位加速度がピークである地点、即ち操舵角−４５°及び＋４５°のいずれかに達した時もしくはその手前の操舵加速度が速いときに、操舵補助を開始することにより、直進走行時の路面状況による反力を伝えやすくする領域を残しながら、引っかかり感のない、滑らかな操舵が可能である。また、このような制御により、ギヤ比可変機構等の複雑な機構を用いることなく、簡素で安価な構造とすることができる。また、前述のように操舵中立位置Ｐ付近をスロー特性とすることにより、悪路走行時の振動に対する不要なアシストを防止し、振動をステアリングホイール２に伝えることなく、タイヤのゴムで吸収させることも可能である。

本実施形態に係るステアリング装置１において、ステアリングホイール２をチルト・テレスコピック調整した場合、トルクの変動状況は変化する。しかしながら、第１、第２ジョイント１５ａ、１５ｂの交差角の差の変化はそれほど大きくないため、位相角による効果、即ち大きなトルクの変動は維持される。このため、前述のような良好な操舵感が損なわれることはない。

以上のような本実施形態によれば、複雑な構造を用いることなく、操舵し易い直進走行時のタイヤ反力の手応えを大きくし、路面状況による反力を伝え易くする領域を残しながら、操舵し難いハンドル操舵範囲では操舵アシストを行い、操作性の向上を図ったステアリング装置１を提供することができる。

ここまで本発明を分かりやすくするために実施形態の構成要件を付して説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、コラムアシスト型のステアリング装置の例を示したが、本発明はこれに限られず、ピニオンアシスト型やラックアシスト型のステアリング装置に適用することもできる。

上記実施形態では、モータ５の駆動制御によってステアリングホイール２の操舵中立範囲Ｃ外のトルクの変動を解消しているが、これ以外の操舵範囲のトルクの変動を解消する構成とすることもできる。

上記実施形態において、位相角は、操舵中立位置Ｐ付近のスロー特性を、例えばプレッシャーパッド等を用いて、ラックアンドピニオンのギヤの噛み合い予圧を高めて調整してもよい。これにより、バックラッシュの防止を積極的に行うことができる。また、ラック軸に摺動抵抗を増す予圧機構を設けて調整してもよい。

１ ステアリング装置
２ ステアリングホイール
３ ステアリングシャフト
５ モータ
６ 電動アシスト装置
７ コントロールユニット
７ａ メモリ
８ インタミシャフト
１０ａ アングルセンサ
１０ｂ トルクセンサ
１５ａ 第１ジョイント
１５ｂ 第２ジョイント
Ｐ 操舵中立位置
Ｃ 操舵中立範囲（操舵中立位置付近）

Claims (5)

1. ステアリングホイールが取り付けられるステアリングシャフトと、
   ピニオン軸と前記ピニオン軸に噛み合うラック軸とを含むステアリングギヤ部と、
   前記ステアリングシャフトのトルクを前記ステアリングギヤ部に伝達するインタミシャフトと、
   前記ステアリングシャフトと前記インタミシャフトとを連結する第１ジョイントと、
   前記インタミシャフトと前記ステアリングギヤ部の前記ピニオン軸とを連結する第２ジョイントと、
   前記ステアリングホイールの操舵補助力を供給するモータを含む電動アシスト装置と、
   前記電動アシスト装置を制御する制御部と、を有するステアリング装置であって、
   前記ステアリングギヤ部に伝達されるトルクが変動するように、前記第１ジョイントと前記第２ジョイントの位相角が設定されており、
   前記制御部が前記ステアリングホイールの操舵範囲の一部でトルクの変動を打ち消すように、前記モータの駆動を制御することを特徴とするステアリング装置。
2. 前記制御部が前記ステアリングホイールの操舵範囲の操舵中立位置付近以外において、トルクの変動を打ち消すように前記モータの駆動を制御することを特徴とする請求項１に記載のステアリング装置。
3. 前記ステアリングホイールの操舵中立位置を基準としてトルクが対称に変動するように、前記操舵中立位置の位置決めがなされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のステアリング装置。
4. 前記ステアリングホイールの操舵中立位置においてトルクの変動が最小となるように、前記操舵中立位置の位置決めがなされていることを特徴とする請求項３に記載のステアリング装置。
5. 前記制御部は、前記ステアリングホイールの操舵中立位置を基準として、前記ステアリングホイールの操舵角が−４５°〜＋４５°の範囲外である場合に、トルクの変動を打ち消すように前記モータの駆動を制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のステアリング装置。

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