JP3666245B2

JP3666245B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP3666245B2
Application number: JP15689898A
Authority: JP
Inventors: 修司遠藤; 稔高橋; 靖宮沢
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2018-05-22
Also published as: JPH11334615A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵アシスト用に直流モータを使用した電動パワーステアリング装置に係り、保舵走行時におけるステアリングシャフトの振動軽減等を図る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用の操舵系では、外部動力源を用いて操舵アシストを行わせる、いわゆるパワーステアリング装置が広く採用されている。従来、パワーステアリング装置用の動力源としては、ベーン方式の油圧ポンプが一般に用いられており、この油圧ポンプをエンジンにより駆動するものが多かった。ところが、この種のパワーステアリング装置は、油圧ポンプを常時駆動することによるエンジンの駆動損失が大きい（最大負荷時において、数馬力〜十馬力程度）ため、小排気量の軽自動車等への採用が難しく、比較的大排気量の小型自動車等でも走行燃費が無視し得ないないほど低下することが避けられなかった。そこで、これらの問題を解決するものとして、電動モータを動力源とする電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳ：ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍと記す）の開発が進められている。ＥＰＳでは、電動モータの電源に車載バッテリを用いるために直接的なエンジンの駆動損失が無く、かつ、電動モータが操舵アシスト時にのみに起動されるために走行燃費の低下（オルタネータに係るエンジンの駆動損失）も抑えられる。
【０００３】
ＥＰＳは、電動モータの装着部位によってコラムアシスト型やピニオンアシスト型等に分類され、その型式に応じてステアリングシャフトやステアリングギヤピニオン等に対してアシストが行われる。電動モータには、一般的な永久磁石式の直流モータが用いられることが多く、その駆動力が歯車減速機により減速されてアシスト対象に伝達される。また、ＥＰＳの場合、操舵力が入力側（ステアリングホイール側）と出力側（ステアリングギヤ側）との間の相対変位部に設けられたトルクセンサにより検出され、その検出信号等に基づいてコントローラが駆動電流を直流モータに出力する。したがって、ＥＰＳでは、コントローラ内のＲＯＭ等に種々の制御プログラムを格納することにより、車速感応制御やフェールセーフ制御等が極めて容易に行える他、エンジン停止時における操舵アシストも可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したＥＰＳには、自動車をＵターンさせるとき等、運転者がステアリングホイールを切った状態で保舵して（一定の操舵角を維持して）走行する際、直流モータ内でのアーク電流により、以下のような手順でステアリングシャフトが振動することがあった。例えば、右旋回時の保舵状態においては、その保舵トルクをトルクセンサが検出し、コントローラにより駆動電流を出力された直流モータが右回りの操舵アシストを行う。この時、姿勢変化や上体の揺れ等に起因して、運転者は、ステアリングホイールを保舵しているつもりでも、無意識にステアリングホイールを微小量（例えば、０．１ｄｅｇ程度）右方向に更に操舵してしまう。この際、直流モータにおいては、減速ギヤ比に応じてモータが比較的大きく回転し、アーマチュアの起動に伴ってコミューテータがブラシに対して右方向に回転する。この時、ブラシがコミューテータの第１のセグメントから離れる間際の位置に合った場合、ブラシの摺接端面がコミューテータの第１のセグメントから離れる瞬間に、ブラシと第１のセグメントとの間にアーク電流が流れる。
【０００５】
すると、ブラシと第１のセグメントとの間にはアーク電流に比例したアーク引力が発生し、ステアリングホイールが保舵された状態であるために、アーマチュアの回転角度や回転速度がごく低いことも相俟って、アーク引力の周方向成分によりアーマチュアが微少量左回転する。そして、アーマチュアが左回転することにより、ブラシと第１のセグメントとが再接触してアーク電流が流れなくなると、コントローラからの駆動電流によりアーマチュアが右回転してブラシが第１のセグメントから離れ、その瞬間にブラシと第１のセグメントとの間にはアーク引力の原因となるアーク電流が再び流れる。これにより、直流モータでは、アーマチュアが右方向と左方向とに短いサイクルで交番的に回転することになり、その回動が伝達されることでステアリングシャフトに振動が惹起されるのである。
【０００６】
このように、直流モータが用いられたＥＰＳでは、保舵走行時にステアリングシャフトが振動することが避けられないが、従来のＥＰＳは軽自動車用のものが主流であり、直流モータ自体の定格出力が小さいことも相俟って、振動の問題は顕在化していなかった。ところが、小型自動車や普通自動車に搭載されるＥＰＳでは、比較的大出力の直流モータが用いられ、定常的に使用される電流も４５Ａ以上と大きくなるため、このような振動が生じた場合、歯車減速機内のバックラッシュ等に起因する異音が発生したり、ステアリングホイールに振動が伝わって運転者に不快感を与える虞等があった。一方、従来の軽自動車用ＥＰＳでは、直流モータに内部抵抗の比較的大きい（０．１５ル以上）ものが用いられていたが、車載バッテリの電圧が１２Ｖ程度と小さいため、４５Ａ以上の電流を供給することが難しかった。
本発明は、上記状況に鑑みなされたもので、保舵走行時におけるステアリングシャフトの振動軽減等を図った電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、上記課題を解決するべく、本発明では、外部から供給される直流電流をブラシとコミューテータとにより回転に同期する交流にして回転トルクを発生させる直流モータを備え、該直流モータを駆動源として操舵アシストを行う電動パワーステアリング装置において、前記直流モータは前記ブラシとしてカーボン含有率４０％以上のものを用い、前記ブラシの前記コミューテータへの押付力を１６０ｇｆ以下として、前記ブラシと前記コミューテータとを摺接させることにより該コミューテータの表面に酸化皮膜を形成させ、微小操舵の際発生するアーク電流を該酸化皮膜を破壊することにより消費させてステアリングホイールの保舵時におけるトルク変動を解消するよう構成したことを特徴とする電動パワーステアリング装置を提案する。
本発明の電動パワーステアリング装置における直流モータによれば、保舵状態においてステアリングホイールが微小操舵され、ブラシとコミューテータのセグメントとの間にアーク電流が発生しても、その大部分が酸化皮膜を破壊することにより消費されるため、異音や振動の原因となるトルク変動が生じ難くなる。
【０００８】
また、本発明の電動パワーステアリング装置における直流モータによれば、大きなアシストトルクを得るべく比較的大きな駆動電流を供給できる他、ブラシとコミューテータとの間に酸化皮膜が生成されやすくなると共に、ブラシとコミューテータとの間での電圧降下が比較的大きくなるため、アーク電流の消費量が大きくなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、ステアリング装置の車室側部分を示す側面図であり、同図中の符号１はステアリングコラムを示す。ステアリングコラム１は、アジャスティングブラケット２を介して車体側メンバ３に固定されたアッパステアリングコラム（以下、アッパコラムと略称する）４と、車体側メンバ３に直に固定されたロアステアリングコラム（以下、ロアコラムと略称する）５とから構成されている。尚、本実施形態のステアリング装置には衝撃吸収機構が組み込まれており、二次衝突時等に図示しないカプセルが破断してアッパコラム４がアジャスティングブラケット２と伴に脱落するが、煩雑になるためにその詳細は省略する。
【００１０】
アッパコラム４にはアッパステアリングシャフト６が回動自在に支持され、ロアコラム５にはミドルステアリングシャフト７が回動自在に支持されている。また、アッパステアリングシャフト６の上端にはステアリングホイール８が装着される一方、ミドルステアリングシャフト７の下端にはユニバーサルジョイント９を介してロアステアリングシャフト１０が連結されている。図１中の符号１１は直流モータ１２の他に図示しないトルクセンサや歯車減速機等を保持・収納するモータハウジング、１３はアジャスティングブラケット２に取り付けられたチルトレバー、１４はアッパコラム４の下部を覆う防塵用のゴム製ベローズをそれぞれ示す。また、１５はアッパコラム４を覆うコラムカバー、１６は車室とエンジンルームとを区画するダッシュボードをそれぞれ示す。
【００１１】
本実施形態において直流モータ１２は、いわゆるブラシ付の永久磁石型直流モータであり、その内部抵抗が０．１５ル以下に設定されている。図２は、直流モータ１２を示す縦断面図であり、同図中の符号２１はブラケットを示し、２２はフレームを示してある。ブラケット２１およびフレーム２２には、前後のボールベアリング２３，２４を介して、出力軸２５が回動自在に支持されている。出力軸２５には、フレーム２２側に電機子鉄心と巻線とからなるアーマチュア（回転子）２６が外嵌・固着されると共に、ブラケット２１側にアーマチュア２６に隣接してコミューテータ２７が外嵌・固着されている。また、フレーム２２の内周面には、アーマチュア２６を囲繞するかたちで、界磁用の永久磁石２８が固着される一方、ブラケット２１には、コミューテータ２７に摺接するブラシ２９と、ブラシ２９をコミューテータ２７に押圧するブラシスプリング３０が保持されている。図２中の符号３１はブラシホルダであり、３２は図示しないコントローラからの電力供給電線である。
【００１２】
図３にその斜視を示すように、コミューテータ２７は、純銅製の多数個のセグメント４１を放射状に配置してレジンモールドしたものであり、各セグメント４１間には所定幅のスリット（空隙）４２が形成されている。ブラシ２９は、銅とカーボンとを主成分とするいわゆる金属黒鉛質ブラシであり、コミューテータ２７の外周面に対して直角に押圧されている。また、ブラシスプリング３０には、ブラシ２９の摩耗状態に拘わらず一定の押圧力Ｆを発生するべく、弦巻ばね等の定張力スプリングが用いられている。本実施形態の場合、ブラシ２９にはカーボン含有率が４０％のものが用いられる一方、ブラシ２９のコミューテータ２７に対する押圧力Ｆが１６０ｇｆに設定されている。
【００１３】
以下、本実施形態の作用を述べる。旋回走行時等において、運転者がステアリングホイール８を左右に切ると、操舵トルクがモータハウジング１１内のトルクセンサにより検出され、操舵トルクや車速等に応じた駆動電流がコントローラから直流モータ１２に出力される。これにより、直流モータ１２は正逆どちらかの方向に回転し、その回転トルクが歯車減速機により減速された後、ミドルステアリングシャフト７に伝達される。この際、本実施形態では、ブラシ２９のカーボン含有率が４０％と高く、かつ、ブラシ２９のコミューテータ２７への押付力Ｆが１６０ｇｆと低いため、コミューテータ２７との摩擦熱等によって、セグメント４１の表面には酸化皮膜（Ｃｕ２Ｏ）が非常に形成されやすくなる。尚、直流モータ１２は、その内部抵抗が０．１５以下と小さく設定されているため、４５Ａ以上の大電流が定常的に使用でき、小型車や普通車で必要とされるアシスト力を十分に発生する。
【００１４】
さて、保舵状態でステアリングホイール８が微小操舵されると、その操舵トルクがトルクセンサにより検出され、図示しないコントローラにより直流モータ１２に駆動電流が出力される。このとき、例えばアーマチュア２６の回転に伴ってコミューテータ２７が左回転すると、図４に示したように、ブラシ２９の摺接端面が図中右方のセグメント４１ａから離れ、その瞬間にアーク電流５１がブラシ２９とセグメント４１ａとの間に発生する。ところが、本実施形態では、セグメント４１の表面に酸化皮膜５３が形成されているため、アーク電流５１の大部分はこの酸化皮膜５３を破壊することにより消費されてしまい、ブラシ２９とセグメント４１との間にはアーク引力が殆ど発生しない。これにより、コミューテータ２７（すなわち、アーマチュア２６）は短いサイクルで交番的に回転しなくなるために電流振動が小さくなり、ミドルステアリングシャフト７やアッパステアリングシャフト６の振動の他、従来装置で問題となっていた歯車減速機内での異音やステアリングホイール８の振動も無視し得るレベルに抑えられた。
【００１５】
発明者等は、本発明に到達するまでに、ブラシ２９のカーボン含有率や、ブラシ２９のコミューテータ２７に対する押圧力Ｆを種々に変化させて試作・試験を行い、その結果として以下のような知見を得た。先ず、ブラシ２９における電圧降下と電流振動との関係については、図５に示したように、電圧降下が０．３Ｖ以上であれば電流振動の振幅が１Ａ程度となり、ステアリングシャフト６，７の振動を引き起こす直流モータ１２のトルク変動が顕著に低下することが判った。次に、０．３Ｖ以上の電圧降下を得るべく、ブラシ２９のカーボン含有率を５％ずつ増減させたところ、図６に示したように、４０％にしたところでこれを達成できた。尚、セグメント４１は、その表面に酸化皮膜５３を形成させると摩耗の進行が当然に早くなるため、カーボン含有率を徒に高めることは好ましくない。次に、０．３Ｖ以上の電圧降下を得るべく、押圧力Ｆを２０ｇｆずつ増減させたところ、図７に示したように、１６０ｇｆにしたところでこれを達成できた。
【００１６】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、ブラシのカーボン含有率を４０％とし、ブラシのコミューテータに対する押圧力Ｆを１６０ｇｆとしたが、カーボン含有率を４０％より高くしてもよいし、押圧力Ｆを１６０ｇｆより小さくしてもよい。また、直流モータやステアリング装置の具体的構成等についても、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の電動パワーステアリングによれば、電動パワーステアリング装置の駆動源として用いられ、外部から供給される直流電流をブラシとコミューテータとにより回転に同期する交流にして回転トルクを発生させる直流モータを備え、ステアリングホイールの保舵時におけるトルク変動を解消するべく、前記ブラシと摺接させることにより前記コミューテータの表面に酸化皮膜を形成させ、微小操舵の際のアーク電流を該酸化皮膜を破壊することにより消費させるものとしたため、保舵状態においてステアリングホイールが微小操舵され、ブラシとコミューテータのセグメントとの間にアーク電流が発生しても、その大部分が酸化皮膜を破壊することにより消費されるため、異音や振動の原因となるトルク変動が生じ難くなる。
【００１８】
また、本発明の電動パワーステアリング装置において、直流モータは、前記ブラシとしてカーボン含有率を４０％以上のものとし、前記ブラシのコミューテータへの押付力を１６０ｇｆ以下としたため、大きなアシストトルクを得るべく比較的大きな駆動電流を供給できる他、ブラシとコミューテータとの間に酸化皮膜が生成されやすくなると共に、ブラシとコミューテータとの間での電圧降下が比較的大きくなるため、アーク電流の消費量が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ステアリング装置の車室側における構造を示す説明図である。
【図２】直流モータの構造を示す縦断面図である。
【図３】コミューテータとブラシとの摺接部位を示す斜視図である。
【図４】本発明の作用を示す説明図である。
【図５】電圧降下と電流振動との関係を示すグラフである。
【図６】ブラシのカーボン含有率と電圧降下との関係を示すグラフである。
【図７】ブラシのコミューテータに対する押圧力Ｆと電圧降下との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
６アッパステアリングシャフト
７ドルステアリングシャフト
８ステアリングホイール
１２直流モータ
２１ブラケット
２２フレーム
２５出力軸
２６アーマチュア
２７コミューテータ
２８永久磁石
２９ブラシ
３０ブラシスプリング

Claims

外部から供給される直流電流をブラシとコミューテータとにより回転に同期する交流にして回転トルクを発生させる直流モータを備え、該直流モータを駆動源として操舵アシストを行う電動パワーステアリング装置において、前記直流モータは前記ブラシとしてカーボン含有率４０％以上のものを用い、前記ブラシの前記コミューテータへの押付力を１６０ｇｆ以下として、前記ブラシと前記コミューテータとを摺接させることにより該コミューテータの表面に酸化皮膜を形成させ、微小操舵の際発生するアーク電流を該酸化皮膜を破壊することにより消費させてステアリングホイールの保舵時におけるトルク変動を解消するよう構成したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。