JP3942147B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機パワーをステアリング系に直接作用させてドライバの操舵力を軽減する電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動パワーステアリング装置は、電動機の駆動力を直接利用してドライバの操舵力をアシストする。電動パワーステアリング装置を搭載した車両は一般に普及しており、この電動パワーステアリング装置により、ステアリングの動きが軽快になり、ドライバは強い力でステアリングを操作する必要がなくなる。
【０００３】
このような電動パワーステアリング装置において、電動機の駆動力（補助トルク）を与える手段として、ウォームギヤが設けられたウォーム軸とウォームホイールを用いた、いわゆるピニオンアシスト式のものがある。このピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置は、いわゆるラック・アンド・ピニオン式の電動パワーステアリング装置におけるピニオン軸に取り付けられたウォームホイールと、電動機に取り付けられ、ウォームギヤが設けられたウォーム軸などを備える歯車式減速機構を備える。ウォーム軸は、電動機の回転軸と同軸に接続され、ウォーム軸と噛み合うウォームホイールはピニオン軸と同軸に配設される。ピニオン軸は、ドライバが操作するステアリングホイールに取り付けられたステアリング軸に連結されている。このピニオン軸に設けられたピニオンは、車両の車輪を転舵させるためのラック軸に設けられたラック歯に噛み合っている。そして、電動機が回転して付与する補助トルクが、歯車式減速機構を介し、さらにピニオンとラック歯の噛み合いによりラック軸に伝達される。そうして、電動機の補助トルクをステアリング系に付与するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置においては、ドライバの操舵トルク（操舵力）ＴＳと、電動機の補助トルクＴＭがピニオン軸に伝達される。このため、ピニオン軸に設けられたピニオンとラック軸に設けられたラック歯の噛み合い部には、ドライバの操舵トルクＴＳと電動機の補助トルクＴＭの和である伝達トルク（ＴＳ＋ＴＭ）が作用する。
【０００５】
また、ラック歯は、ピニオンとの噛み合いにおいて連続性を得るためにラック軸の軸方向に垂直な方向に対して傾いて形成されている。このため、ピニオンからラック歯に伝達される力Ｆ（＝伝達トルク（ＴＳ＋ＴＭ）／Ｒ、ただしＲはピニオンのピッチ円半径）は、ラック軸を撓ませる方向に作用するので、ピニオンからラック歯に伝達される力Ｆが大きすぎると、ラック軸に曲がりが生じる。このように、ラック軸に曲がりが生じると、ラック歯とピニオンとの噛み合い角度が変化するので、噛み合い部において噛み合いが片当たりとなる不良を発生させて、ピニオンからラック歯に伝達トルク（ＴＳ＋ＴＭ）を歯面全体で良好に伝達できなくなる。この結果、伝達トルク（ＴＳ＋ＴＭ）の伝達が悪化しドライバの操舵フィーリングを低下させるという問題が生じる。また、このように（ＴＳ＋ＴＭ）という伝達トルクが大きな状態ではピニオンとラック歯がスムーズに噛み合わないことから、ピニオンやラック歯の磨耗が激しく、耐久性が低下するという問題も生じる。
【０００６】
したがって、ピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置では、前記伝達トルク（ＴＳ＋ＴＭ）が大きい場合には、前記の不具合が発生するので、結果的に電動機から付与する補助トルクＴＭをあまり大きくすることができず、そのため、軽自動車などの前軸荷重が小さなものにしか使用できないという問題があった。
【０００７】
他方、ラック軸のたわみを防止する技術として、特開平１１−２０７１７号公報に開示されたものがある。この技術は、ラック軸の一端部にピニオンとラック歯の噛み合い部を設け、他端部にボールねじ機構によるボール支持部を設ける。さらに、中間部に軸受けを設けて、３点でラック軸を支持し、路面反力などに起因するモーメントによるラック軸のたわみによる微妙な振動を抑制するものである。
【０００８】
しかし、前記公報に開示されている技術は、ラック軸に対して電動機の補助トルクを直接（ピニオンを介することなく）作用させる、いわゆるラックアシスト式の電動パワーステアリング装置に関する技術である。このようなラックアシスト式の電動パワーステアリング装置では、ピニオンとラック歯の噛み合い部に作用する伝達トルクは、ドライバから与えられる操舵トルクＴＳのみである。この操舵トルクＴＳは、通常、電動機による補助トルクＴＭの１／５〜１／１０程度と小さいので、ピニオンとラック歯の噛み合い部に大きな伝達トルクが作用することにより、ラック軸に曲がりが生じるという課題を有するものではなかった。
【０００９】
また、ラックアシスト式の電動パワーステアリング装置では、ピニオンとラック歯の噛み合い部に対して他の支持部としてボールネジ機構が設けられている。このボールネジ機構が設けられた構成では、たとえばボールねじ機構のナットが高回転数にて振れ回る際や路面反力を受ける際にボール支持部の低剛性に起因するラック軸のたわみによる振動を防止することはできるものの、ラック軸の曲がりを防止できるものではなかった。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、ピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置において、ピニオンとラック歯の間に作用する力が大きくなったとしても、ラック軸に生じる曲がりを防止することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明は、操舵トルクが与えられるピニオン軸と、このピニオン軸に連結されて前記操舵トルクを補助する補助トルクを前記ピニオン軸に与える電動機と、前記ピニオン軸に形成されたピニオンと噛み合うラック歯を有するラック軸と、このラック軸の両端に設けられた操舵輪とを有し、前記ピニオンと前記ラック歯が噛み合い、前記ピニオン軸の回転が前記ラック軸の軸方向の変位に変換されることによって前記操舵輪を転舵するピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置において、前記ラック軸の一端側を支持する第１支持手段と、前記ラック軸の他端側を軸方向に摺動可能に支持する第２支持手段と、前記ラック軸の一端側と他端側との間の撓み量が大きくなる中間部を軸方向に摺動可能に支持する第３支持手段とを有し、前記第１支持手段は、前記ラック軸の一端側に設けられた前記ラック歯と、前記ピニオン軸に設けられた前記ピニオンとの噛み合いによって形成され、前記第１支持手段、前記第２支持手段、および前記第３支持手段は、前記ラック軸における前記操舵輪の作用点に対して車幅方向の内側に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
いわゆるラック・アンド・ピニオン式の電動パワーステアリング装置のうち、ピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置において、ピニオン軸には、操舵トルクと、電動機からの補助トルクが与えられる。このため、ピニオンとラック歯には大きなトルクがラック軸を曲げる方向に掛かるので、ラック軸が曲がるという課題がある。この点、本発明では、ラック軸をその一端側と他端側を支持する第１、第２支持手段のほかに、ラック軸の一端側と他端側との間を支持する第３支持手段を設けている。この第３支持手段により、ラック軸が強固に支持されるので、ピニオンからラック歯に大きなトルクが掛かった場合であっても、ラック軸の曲がりを防止することができる。その結果、ピニオンとラック歯の噛み合い部において噛み合いが片当たりとなる不良が生じることがなく、もってピニオンからラック歯に対して歯面全体で良好にトルクを伝達することができる。こうして、ドライバの操舵フィーリングを損なうことがないようにすることができる。また、ピニオンやラック歯の磨耗を減少させて、耐久性を向上させることができる。
【００１７】
請求項２に係る発明は、前記ピニオン軸は、前記ラック軸に直交する方向に対して傾いた状態に配置されると共に、前記ピニオンが前記ピニオン軸の軸方向から傾いた状態で形成され、前記ラック歯の方向が、前記ラック軸の軸方向に対してほぼ垂直な方向を向くように形成されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置である。
【００１８】
請求項２に係る発明では、ラック歯の方向がラック軸に対してほぼ垂直となる方向を向くように形成されている。このため、ピニオンから与えられる伝達トルクは、ラック軸の軸方向に与えられる。その結果、ピニオンから与えられる伝達力がラック軸を曲げる方向に向かないので、ラック軸の曲がりを防止することができる。したがって、ピニオンとラック歯の噛み合い部において噛み合い不良が生じることがなく、もってピニオンからラック歯に対して良好にトルクを伝達することができる。そうして、ドライバの操舵フィーリングを損なうことがないようにするとともに、ピニオンやラック軸の磨耗を減少させ、耐久性を向上させることができる。
【００１９】
なお、ここでいう「ほぼ垂直」とは垂直と垂直に近い角度、具体的には垂直に機械誤差を加味した範囲を含む角度の概念である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は、第１の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構成図、図２はその要部正断面図である。
【００２１】
図１に示すように、本発明に係る電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール２を有しており、ステアリングホイール２は、ステアリング軸３を介してピニオン軸４に連結されている。ドライバがステアリングホイール２を操作して生じる操舵トルクは、ステアリング軸３を介してピニオン軸４に与えられる。ピニオン軸４には、図２にも示すように、ステアリング系に作用する操舵トルクを検出する磁歪式のトルクセンサ５およびトルク伝達手段６が取り付けられており、トルク伝達手段６は、いわゆる倍力装置であり、ステアリング系に補助トルクを加えるための電動機７に接続されている。本実施形態では、電動機７はたとえばブラシレスモータから構成されている。
【００２２】
電動パワーステアリング装置１は、いわゆるラック・アンド・ピニオン式のものであり、ピニオン軸４の下端に設けられたピニオン４Ａは、ラック軸８に形成されたラック歯８Ａと噛み合わされており、ピニオン軸４の回転がラック軸８の軸方向の変位に変換されて、操舵輪９，９を転舵する。また、トルクセンサ５は制御装置１０に接続されており、操舵トルク信号Ｔを出力している。制御装置１０では、少なくともトルクセンサ５から出力された操舵トルク信号Ｔに基づいて、補助トルクを算出し、電動機電圧Ｖ_Oを電動機７に出力して電動機７を制御している。
【００２３】
トルク伝達手段６は、図２に示すように、ピニオン軸４に対して同軸に固定されたウォームホイール１１を有している。電動機７にはウォーム軸１２が連結されており、ウォーム軸１２に設けられたウォームギヤ１３がウォームホイール１１に噛み合わされている。電動機７を駆動してウォーム軸１２が回転すると、ウォームギヤ１３に噛み合わされたウォームホイール１１が回転しウォームホイール１１とともにピニオン軸４が回転するようになっている。こうして、電動機７の補助トルクがピニオン軸４に伝達され、ピニオン軸４を介してステアリング系に伝達される。
【００２４】
ラック軸８は、ラックハウジング１４内に配設されており、ラックハウジング１４の両端部は、ブーツ１５，１５に覆われて、ラックハウジング１４内を保護するとともに塵埃などの混入を防止している。ラック軸８の両端部には、それぞれタイロッド１６，１６が接続されており、さらに図示しないナックルなどを介して操舵輪９，９（図１）が取り付けられる。
【００２５】
また、ラックハウジング１４の外側には、補強用のリブ１７が形成されており、ラックハウジング１４の曲げ方向の剛性を高めている。さらに、ラックハウジング１４の下部における中間部からやや一端側寄りの位置には、ラックハウジング１４を図示しない車体に取り付けるための取付部１８が形成されている。
【００２６】
ラックハウジング１４内には、ラック軸８を支持する第１〜第３支持手段２１〜２３が配設されている。第１支持手段２１は、ラック軸８の一端側を支持するものであり、ピニオン軸４の下端に形成されたピニオン４Ａとラック軸８に形成されたラック歯８Ａの噛み合いによって構成されている。また、ラック歯８Ａの背面側には、ラック軸８を背後からピニオン４Ａに向けて押圧するラックガイド１９が設けられている。
【００２７】
第２支持手段２２は、ラック軸８の他端側に設けられた支持軸受けによって構成されており、ラック軸８の他端側を摺動可能に支持している。第３支持手段２３は、ラック軸８における一端側と他端側の間（中間部）に設けられた支持軸受けによって構成されており、ラック軸８における一端側と他端側の中間部を摺動可能に支持している。
【００２８】
以上の構成を有する本実施形態に係る電動パワーステアリング装置の作用について説明する。
ドライバがステアリングホイール２を操作して、操舵輪９，９を転舵させようとすると、ドライバが与えた操舵力をトルクセンサ５が検出して、制御装置１０に操舵トルク信号Ｔを出力する。制御装置１０では、少なくともこの操舵トルク信号に基づいて、電動機７がステアリング系に与える補助トルクを算出し、その補助トルクに応じた電動機電圧Ｖ_Oを電動機７に出力する。
【００２９】
電動機７では、電動機電圧を受けて、補助トルクをステアリング系に付与する。具体的に補助トルクを与えるために電動機７の回転軸が回転すると、トルク伝達手段６を介してピニオン軸４に補助トルクが伝達される。ピニオン軸４に伝達された補助トルクは、ピニオン４Ａを介してラック軸８のラック歯８Ａに伝達される。また、ピニオン軸４には、ドライバがステアリングホイール２を操作することによって与えられた操舵力も伝達され、この操舵力もラック歯８Ａに伝達される。
【００３０】
いま、電動機７から与えられる補助トルクをＴＭ、ドライバから与えられる操舵トルクをＴＳとすると、図３に示すように、ピニオン４Ａからラック歯８Ａに伝達される力Ｆは、伝達トルク（補助トルクＴＭ＋操舵トルクＴＳ）／Ｒ（ただしＲはピニオン４Ａのピッチ円半径）の大きさとなる。このように大きな伝達力Ｆ（＝（ＴＭ＋ＴＳ）／Ｒ）がラック歯８Ａに掛かる。また、ラック歯８Ａにおける歯筋は、ラック軸８に直交する方向Ｘに対して歯筋角度θの傾斜をもって形成されているため、ラック歯８Ａにピニオン４Ａから伝達される力Ｆは、ラック軸８に交差する方向にも作用する。ラック軸８に交差する方向に力Ｆが作用したとき、ラック軸８が第１支持手段２１、第２支持手段２２のみで支持されている、すなわち支点ａ，ｂでラック軸８が支えられているとする。この場合には、電動機７から伝達される補助トルクＴＭは、ドライバがステアリングホイール２を操作することによって伝達される操舵トルクＴＳの約５〜１０倍と大きなものであるので、伝達力Ｆ（＝（ＴＭ＋ＴＳ）／Ｒ）の作用によってラック軸８が図３に仮想線で示す方向に曲がることが懸念される。
【００３１】
したがって、ラック軸８がたとえば第１支持手段２１および第２支持手段２２のみで支持されている場合には、ラック軸８を曲げる方向に向けて大きな力Ｆが作用すると、ラック軸８が曲がってしまう。ラック軸８が曲がってしまうと、ピニオン４Ａとラック歯８Ａの噛み合い部において、噛み合いの片当たりという不良を発生させて、ピニオン４Ａからラック歯８Ａに力を歯面全体で良好に伝達できなくなるという不具合が生じる。
【００３２】
この点、本実施形態では、第１支持手段２１と第２支持手段２２との間に第３支持手段２３が配設されている。このため、ラック軸８を支える支点ａ，ｂのほかに、支点ｃでラック軸８における一端側と他端側の間の位置が支持される。こうして、ラック軸８が曲がるという事態を抑制している。
【００３３】
さらに、ラックハウジング１４には、曲げ方向の補強用のリブ１７が形成されている。この補強用のリブ１７によってラックハウジング１４の曲げ方向の剛性が高くなり、各支持手段２１，２２，２３の取付部分の剛性が高くなるので、ひいてはラック軸８が曲がるという事態を抑制している。したがって、操舵トルクＴＳに補助トルクＴＭを付与した大きなトルクがピニオン４Ａとラック歯８Ａの噛み合い部に作用する場合、噛み合いの片当たりという不良が発生して、ピニオン４Ａからラック歯８Ａに力を良好に伝達できなくなるという事態を防止することができる。そうして、ドライバの操舵フィーリングを損なうことがなくなる。また、ピニオン４Ａやラック歯８Ａの磨耗を減少させることができるので、耐久性を向上させることができる。
【００３４】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態を示す要部正断面図である。なお、本実施形態において、前記第１の実施形態と同一の機能を有する部材については、同一の番号を付してその詳細な説明は省略する。
図４に示すように、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置１′では、前記第１実施形態と比較して、ピニオン３１とラック歯３２の噛み合い部３０においてその構成が異なる。本実施形態に係る電動パワーステアリング装置１′では、ラック歯３２における歯筋がラック８に対して直交する方向を向いて形成されている。ピニオン３１は、このラック歯３２に対応するように、ねじの間隔が若干長く設定されている。その他の構成は前記第１の実施形態と同一である。
【００３５】
かかる構成を有する本実施形態に係る電動パワーステアリング装置１′においては、前記第１の実施形態と同様に、図１に示すステアリングホイール２を作動させることによって付与される操舵トルクＴＳに対して、電動機７によって付与される補助トルクＴＭが加味されてピニオン軸４が回転される。ピニオン軸４が回転すると、ピニオン３１が回転し、ピニオン３１と噛み合うラック歯３２に操舵トルクＴＳと補助トルクＴＭが加算された大きなトルク（＝ＴＳ＋ＴＭ）が伝達される。ここで、ラック歯３２はラック軸８に対して垂直となるように形成されているので、ピニオン３１からラック８に対して伝達される力Ｆ（＝伝達トルク（ＴＳ＋ＴＭ）／Ｒ）は、ラック軸８に沿った方向に向けて加えられる。このため、ラック軸８を曲げる方向に作用されることはないので、ラック軸８の曲がりを防止することができる。その結果、操舵トルクＴＳに補助トルクＴＭを付与した大きな力をピニオン３１とラック歯３２に伝達したとしても、ピニオン３１とラック歯３２の噛み合い部において噛み合い不良が発生して、ピニオン３１からラック歯３２に力を良好に伝達できなくなるという事態を防止することができる。そうして、ドライバの操舵フィーリングを損なうことがなくなる。また、ピニオン３１やラック歯３２の磨耗を減少させることができるので、耐久性を向上させることができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、ラック歯３２をラック軸８に対して垂直となるように形成したが、ドライバの操舵トルクＴＳと電動機７の補助トルクＴＭの大きさ（最大値）によっては、ラック歯３２をラック軸８に対してわずかに傾けるように設計することもできる。このように、ラック歯３２をラック軸８に対してわずかに傾けることによって、ラック軸８が曲がる方向に作用する力を少なくすることができるので、その分ラック軸８の曲がることを防止することができる。すなわち、電動機７から付与される補助トルクＴＭの大きさによって、ラック歯の歯筋角度を適宜設定することができる。
【００３７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。たとえば、前記実施形態では、ドライバによる操舵トルクに加えて、さらに電動機による補助トルクを付加してアシストする電動パワーステアリング装置について説明したが、操舵輪を転舵させるラック軸に連結されるピニオン軸に対して、ウォームホイールおよびウォーム軸により電動機の駆動力を付加する構成とするものであれば、他の態様のものについても適用することができる。たとえば、電気信号に基づいて制御される電動機の駆動力のみにより操舵輪を転舵させるステア・バイ・ワイヤ構造や四輪操舵構造などにおいても本発明を適用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の請求項１に係る発明によれば、第３支持手段により、ラック軸が強固に支持されるので、ピニオンからラック歯に大きなトルクが掛かった場合であっても、ラック軸の曲がりを防止することができる。その結果、ピニオンとラック歯の噛み合い部において噛み合いの片当たりという不良が生じることがなく、もってピニオンからラック歯に対して歯面全体で良好にトルクを伝達することができる。こうして、伝達不良によるドライバの操舵フィーリングを損なうことがないようにするとともに、ピニオンやラック歯の磨耗を減少させて、耐久性を向上させることができる。
【００３９】
さらに、請求項１に係る発明によれば、ラック軸の左右方向への円滑な移動を担保するとともに、ボールねじ機構のボール支持部と比較すると、支持剛性を高くできるので、ラック軸を確実に支持することができる。
【００４１】
請求項２に係る発明によれば、ピニオンから与えられるトルクがラック軸を曲げる方向に向かないので、ラック軸の曲がりを防止することができる。したがって、ピニオンとラック歯の噛み合い部において噛み合いの片当たりという不良が生じることがなく、もってピニオンからラック歯に対して歯面全体で良好にトルクを伝達することができる。そうして、ドライバの操舵フィーリングを損なうことがないようにするとともに、ピニオンやラック軸の磨耗を減少させ、耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の要部正断面図である。
【図３】ラック軸に掛かる力の方向の関係を示す説明図である。
【図４】第２の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の要部正断面図である。
【符号の説明】
１ 電動パワーステアリング装置
４ ピニオン軸
４Ａ ピニオン
６ トルク伝達手段
７ 電動機
８ ラック軸
８Ａ ラック歯
１４ ラックハウジング
１７ リブ
２１ 第１支持手段
２２ 第２支持手段
２３ 第３支持手段
３０ 噛み合い部
３１ ピニオン
３２ ラック歯
ＴＭ 補助トルク
ＴＳ 操舵トルク
θ 歯筋角度

Claims (2)

1. 操舵トルクが与えられるピニオン軸と、このピニオン軸に連結されて前記操舵トルクを補助する補助トルクを前記ピニオン軸に与える電動機と、前記ピニオン軸に形成されたピニオンと噛み合うラック歯を有するラック軸と、このラック軸の両端に設けられた操舵輪とを有し、前記ピニオンと前記ラック歯が噛み合い、前記ピニオン軸の回転が前記ラック軸の軸方向の変位に変換されることによって前記操舵輪を転舵するピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置において、
   前記ラック軸の一端側を支持する第１支持手段と、
   前記ラック軸の他端側を軸方向に摺動可能に支持する第２支持手段と、
   前記ラック軸の一端側と他端側との間の撓み量が大きくなる中間部を軸方向に摺動可能に支持する第３支持手段とを有し、
   前記第１支持手段は、前記ラック軸の一端側に設けられた前記ラック歯と、前記ピニオン軸に設けられた前記ピニオンとの噛み合いによって形成され、
   前記第１支持手段、前記第２支持手段、および前記第３支持手段は、前記ラック軸における前記操舵輪の作用点に対して車幅方向の内側に設けられていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記ピニオン軸は、前記ラック軸に直交する方向に対して傾いた状態に配置されると共に、前記ピニオンが前記ピニオン軸の軸方向から傾いた状態で形成され、
   前記ラック歯の方向が、前記ラック軸の軸方向に対してほぼ垂直な方向を向くように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

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