JP4899716B2 - 操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラックピニオン式の舵取機構を備え、操舵部材に加えられる操舵トルクを検出する検出手段を有する操舵装置に関する。

車両の操舵を行う操舵装置は、運転者によるステアリングホイール等の操舵部材の操作を舵取機構に伝え、この舵取機構を動作させるよう構成されている。このような舵取機構として、操舵部材の回転操作に応じたピニオンの回転を、該ピニオンに噛合するラックを有するラック軸の軸長方向の移動に変換し、ラック軸の両端に連結された左右の前輪を押し引きする動作を行うラックピニオン式の舵取機構が広く採用されている。このラックピニオン式の舵取機構は、ラック及びピニオンをバックラッシなしに良好に噛合させるべく、両者の噛合部の逆側からラック軸に弾接し、前記噛合部に与圧を加えるサポートヨークを備えている。また、多くのラックピニオン式の舵取機構において、前記ピニオン及びラックは、大容量の負荷伝達を可能とすべく、かみあい率が大きいはす歯に夫々形成してある。

一方、近年においては、操舵部材を操作する運転者の負担を軽減すべく、操舵部材に加えられる操舵トルクをトルクセンサにより検出して、検出された操舵トルクに基づいて操舵補助用のモータを駆動して舵取機構に補助力を加える電動パワーステアリング装置として構成された操舵装置が普及している。

前記トルクセンサは、操舵部材の操作を舵取機構に伝えるステアリング軸の中途に配してあり、操舵トルクの作用によりステアリング軸に生じる捩れを検出対象として構成されている。このトルクセンサは、一般的に、前記捩れを大きくして操舵トルクの検出精度を高めることを目的として、ステアリング軸の中途に、操舵部材側の入力軸と舵取機構側の出力軸とを低剛性のトーションバーにより連結してなる連結部を設け、この連結部において前記トーションバーの捩れを適宜の手段により検出するようにしてある。

このようなトルクセンサを備える操舵装置においては、トーションバーが一種のダンパーの働きをし、路面状態が操舵部材に伝わりにくいという状況が生じたり、操舵部材を操作するときに若干の時間遅れを伴って舵取機構が反応したりというような状況が生じ、操舵感が悪化するという問題があった。

そこで、ラックピニオン式の舵取機構を備える操舵装置においては、ラック軸の軸長方向に作用する力（以下、ラック軸力という）を検出して、このラック軸力から操舵部材に加えられた操舵トルクを求めることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−３２１６８５号公報

特許文献１においては、ラック軸を支持するラックハウジングから突出するラック軸の中途にラック軸力を検出する力センサを設けて、この力センサによりラック軸力を直接検出する構成と、前輪のナックルアームに荷重を検出する荷重センサを設けて、検出された荷重に基づいてラック軸力を検出する構成とが開示してある。ところが、このような構成においては、前記力センサ又は荷重センサが外部環境に曝されるため、水、泥、塵埃等の異物の影響により検出精度の低下、故障等の不具合を引き起こす虞がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、低剛性のトーションバーを用いずに操舵部材に加えられる操舵トルクを求めることにより、操舵感を向上することができ、また検出手段の検出精度の低下、故障等の不具合を未然に防止することができる操舵装置を提供することを目的とする。

本発明に係る操舵装置は、操舵部材の操作に応じて回転するピニオンと、該ピニオンに噛合するラックを有するラック軸と、該ラック軸に前記ラック及びピニオンの噛合部の逆側から弾接するサポートヨークとを備え、前記ピニオンの回転が、前記噛合部にて前記ラック軸の軸長方向の移動に変換されて操舵がなされる操舵装置において、前記ピニオン及びラックは、はす歯に形成されており、前記サポートヨーク及びラック軸により定まる平面を基準に対称な位置に設けられ、前記噛合部における作用力により前記サポートヨークに加わる力を検出する２つの力センサと、該２つの力センサにより夫々検出される力の差を求め、求めた差から前記操舵部材に加えられる操舵トルクを演算する演算手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、操舵部材の操作に伴いピニオン及びラックの噛合部に作用する力によりサポートヨークに加わる力を、サポートヨーク及びラック軸夫々の軸心を含む平面を基準に対称な位置に設けた２つの力センサにより検出して、これらの検出結果の差から操舵部材に加えられる操舵トルクを演算しているから、従来のトルクセンサのように低剛性のトーションバーを設ける必要が無く、ステアリング軸を剛性の高い中空材又は中実材により構成することにより操舵感を向上することができる。また、２つの力センサは、例えばサポートヨークを支持するヨークハウジングの内部に設ける等、外部環境に曝さずに設けることが可能であるから、水、泥、塵埃等の異物の影響による検出精度の低下、故障等の不具合を未然に防止することができ、操舵トルクをその方向を含めて精度良く検出することが可能となる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係る操舵装置の構成を示す模式図である。本図に示す操舵装置は、ラックピニオン式の舵取機構を備えており、ラックアシスト型の電動パワーステアリング装置として構成されている。

ラックピニオン式の舵取機構１は、図示しない車体の左右方向に延設されたラックハウジング１１の内部に軸長方向への移動自在に支持されたラック軸１０と、ラックハウジング１１の中途に交叉するピニオンハウジング２０の内部に回転自在に支持されたピニオン軸２とを備える公知の構成を有している。

ラックハウジング１１の両側から外部に突出するラック軸１０の両端は、各別のタイロッド１２，１２を介して操舵用車輪としての左右の前輪１３，１３に連結されている。またピニオンハウジング２０の一側から外部に突出するピニオン軸２の上端は、ステアリング軸３を介して操舵部材としてのステアリングホイール３０に連結されている。

ステアリング軸３は、筒形をなすコラムハウジング３１の内部に回転自在に支持され、該コラムハウジング３１を介して、図示しない車室の内部に前方を下とした傾斜姿勢を保って取付けてあり、コラムハウジング３１の下方へのステアリング軸３の突出端にピニオン軸２が連結され、同じく上方への突出端にステアリングホイール３０が固設されている。

図２は、ピニオンハウジング２０及びラックハウジング１１の交叉部周辺を略示する縦断面図である。ピニオン軸２は、図示のように、下半部を拡径して一体形成されたピニオン２１を備えており、このピニオン２１の上下両側に位置する一対のベアリング２２，２３により、ピニオンハウジング２０の内部に回転自在に支持されている。

ピニオンハウジング２０の下半部の一側には、前述したように、円筒形をなすラックハウジング１１が、軸心を交叉させて連設されている。このラックハウジング１１の内部に支持されているラック軸１０は、ピニオンハウジング２０との連通部を臨む側に、軸長方向の適長に亘って一体形成されたラック１４を備えており、このラック１４はピニオン２１に噛合させてある。

ラックハウジング１１及びピニオンハウジング２０の交叉部には、これら夫々と略直交する向きに円筒形のヨークハウジング４０が突設されている。ヨークハウジング４０の内部には、円形断面を有するサポートヨーク４が嵌合され、軸長方向への摺動自在に保持されている。

ラックハウジング１１の内側に臨むサポートヨーク４の一端は、ラック軸１０の外形に対応するアーチ形状を有し、ラック１４及びピニオン２１の噛合部の逆側からラック軸１０の外周面に滑り板４１を介して摺接させてある。また、サポートヨーク４の他端は、ヨークハウジング４０の開口部にねじ込まれ、ロックナット４３により位置決め固定された支持キャップ４２の底面に臨ませてある。サポートヨーク４と支持キャップ４２との対向面間には、押しばね４４が介装されており、サポートヨーク４は、押しばね４４のバネ力によりラック軸１０に向けて付勢され、該ラック軸１０に弾接させてある。

このように取付けられたサポートヨーク４は、ラック軸１０をピニオン軸２に押し付けてラック１４とピニオン２１との噛合部に与圧を付与して、両者をバックラッシなしに良好に噛合させる作用をなす。前記与圧の大きさは、支持キャップ４２のねじ込み量の増減により適正に調整される。

以上の構成により、操舵のためにステアリングホイール３０が回転操作された場合、この回転がステアリング軸３を介してピニオン軸２に伝達され、該ピニオン軸２の回転が、ピニオン２１とラック１４との噛合部においてラック軸１０の軸長方向の移動に変換されることとなり、このようなラック軸１０の移動により、左右の前輪１３，１３が各別のタイロッド１２，１２を介して押し引きされて舵取りがなされる。

ラックハウジング１１の中途部外側には、操舵補助用のモータ５が取付けてある。このモータ５の出力軸は、ラックハウジング１１の内部に延設され、ボールねじ機構等の運動変換機構を介してラック軸１０の中途に伝動構成されている。モータ５は、後述するように求められる操舵トルクに基づいて駆動され、この駆動により発生した回転を、前記運動変換機構を介してラック軸１０に伝えることにより、前述の如く行われる舵取りを補助している。

サポートヨーク４は、図２に示すように、支持キャップ４２の側に位置し、押しばね４４により付勢される付勢部４ａと、ラック軸１０の側に位置し、ラック軸１０の外周面に弾接する弾接部４ｂとからなる。付勢部４ａの弾接部４ｂとの対向端面は、図２に示す断面内において、サポートヨーク４の前記円形断面の中心を通り摺動方向と平行をなす軸心に対して夫々等しい角度（９０°−θｓ°）をなして傾斜する谷形の面としてある。同様に、弾接部４ｂの付勢部４ａとの対向端面は、図２に示す断面内において、サポートヨーク４の軸心に対して夫々等しい角度（９０°−θｓ°）をなして傾斜する山形の面としてある。これら付勢部４ａ及び弾接部４ｂの端面間にロードセル６，７が夫々挟持されている。ロードセル６，７は、例えば、歪みゲージを弾性体に設け、付加された力による弾性体の変形を歪みゲージの電気抵抗の変化として検出して、この変化に基づいて付加された力を求める公知の力センサである。

本発明に係る操舵装置においては、以上のように設けられたロードセル６，７を用いてサポートヨーク４に作用する力を検出し、検出された力からピニオン軸２に加えられるトルク、即ち操舵トルクを求めている。まず、サポートヨーク４に作用する力とピニオン軸２に加えられるトルクとの関係について、舵取機構１に作用する力の説明図である図３を参照して、以下に説明する。

図３に示すように、ラック１４は、はす歯に形成された複数のラック歯１４ａ，１４ａ…を備えており、これらのラック歯１４ａ，１４ａ…は、ピニオン２１の外周に、はす歯に形成されたピニオン歯２１ａ，２１ａ…に噛合させてある。ピニオン軸２にトルクＴが加えられたときに、ピニオン２１とラック１４との噛合部においてラック１４には、ピニオン歯２１ａ，２１ａ…及びラック歯１４ａ，１４ａ…の歯面に直交する力Ｎが作用する。ピニオン２１には、作用反作用の関係により作用力Ｎの反力Ｎ’が作用する。なお、ピニオン２１に作用する反力Ｎ’とラック１４に作用する力Ｎは、作用反作用の関係により常に等しくなる。ピニオン２１のピニオン歯２１ａ，２１ａ…及びラック１４のラック歯１４ａ，１４ａ…が、夫々はす歯に形成されているため、ピニオン２１に作用する反力Ｎ’は、径方向の分力Ｐｖと軸長方向の分力Ｐａにより表され、ラック１４に作用する力Ｎは、軸長方向の分力Ｎａとサポートヨーク４及びラック軸１０の軸心の夫々に直交する方向（図において上下方向）の分力Ｎｖにより表される。

ピニオン軸２に加えられるトルクＴと、このトルクＴによりラック１４に作用する力Ｎの軸長方向の分力Ｎａとの関係は次式のように表される。
Ｔ＝Ｎａ・Ｓ／（２π） … （１）
ここで、Ｓはピニオン軸２が１回転する間にラック軸１０が移動する移動長さを表すラックストロークレシオである。ピニオン軸２に加えられるトルクＴは、ステアリングホイール３０の直進中立位置からの方向に応じて正負が定められており、例えば、直進中立位置から右方向を正、左方向を負としてある。

図３に示すように、はす歯として形成されたラック歯１４ａ，１４ａ…の傾斜角がθ°である場合、ラック１４に作用する力Ｎの軸長方向の分力Ｎａ及び上下方向の分力Ｎｖの関係は次式により表される。
Ｎａ＝Ｎｖ／ｔａｎθ … （２）
（２）式を（１）式に代入して、次式が得られる。
Ｔ＝Ｎｖ・Ｓ／（２π・ｔａｎθ） … （３）
以上より、ラック１４に作用する力Ｎの上下方向の分力Ｎｖを検出することにより、検出したＮｖの値を（３）式に適用してピニオン軸２に加えられるトルクＴを求めることができる。この上下方向の分力Ｎｖは、ラック軸１０に弾接されているサポートヨーク４に伝達される。ロードセル６，７は、このＮｖを検出することを目的として、サポートヨーク４に前述したように設けられている。なお、本実施の形態において、ラック１４に作用する力Ｎの軸長方向の分力Ｎａは、右方向を正、左方向を負とし、また上下方向の分力Ｎｖは、下向きを正、上向きを負としてある。

図２に示すように、ロードセル６，７により検出される力が夫々Ｓｕ，Ｓｌであり、ラック軸１０から弾接部４ｂを介してロードセル６，７が受ける力の向きがサポートヨーク４の軸心に対してなす角度が夫々θｓ°であるから、前述したラック１４に作用する力Ｎの上下方向の分力Ｎｖは次式より求まる。
Ｎｖ＝（Ｓｌ−Ｓｕ）・ｓｉｎθｓ … （４）
なお、θｓは０°以外の９０°までの適宜の角度に設定してある。このように構成された操舵装置において、ステアリングホイール３０が右又は左に回転操作されるとき、ラック１４に下向き又は上向きの力が作用するから、ロードセル６，７により検出される力の差（＝Ｓｌ−Ｓｕ）は正又は負となる。

ロードセル６，７による検出結果は、図１に示すようにアシスト制御部８へ与えられている。アシスト制御部８は、ロードセル６，７により夫々検出された力Ｓｕ，Ｓｌを用いて、より具体的には、（４）式に示すように、検出された力Ｓｕ，Ｓｌの上下方向の分力の差からサポートヨーク４に加わる力、即ち、ラック１４に作用する力Ｎの上下方向の分力Ｎｖを求め、求めたＮｖを（３）式に適用してピニオン軸２に加えられるトルクＴを演算する。演算により得られたピニオン軸２に加えられるトルクＴは、ステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクＴｈと等しくなる。

アシスト制御部８は、このようにして求められた操舵トルクＴｈに基づいて操舵補助用のモータ５に制御指令を発し、該モータ５の駆動電流を増減制御するアシスト制御動作を行う。またアシスト制御部８には、操舵補助用のモータ５の電流を検出するモータ電流センサ５０による検出結果も与えられている。モータ電流センサ５０により検出された電流は、操舵補助用のモータ５を駆動制御するためのフィードバック信号として用いられている。

このように構成された本発明に係る操舵装置においては、ステアリングホイール３０の操作に伴いピニオン２１及びラック１４の噛合部に作用する力によりサポートヨーク４に加わる力、即ちラック１４に作用する力Ｎの上下方向の分力Ｎｖを、（４）式に示すようにロードセル６，７により夫々検出された力Ｓｕ，Ｓｌの差から求め、求めたＮｖを（３）式に適用してピニオン軸２に加えられるトルクＴ、即ちステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクＴｈを求めることができる。この結果、従来のトルクセンサのように低剛性のトーションバーを設ける必要が無く、ステアリング軸３を剛性の高い中空材又は中実材により構成することにより操舵感を向上することができる。また、ロードセル６，７は、図２に示すように、サポートヨーク４を支持するヨークハウジング４０の内部に設けてあるから、外部環境に曝されることなく、水、泥、塵埃等の異物の影響による検出精度の低下、故障等の不具合を未然に防止することができる。

また、サポートヨーク４及びラック軸１０夫々の軸心を含む平面を基準に対称な位置に２つのロードセル６，７を設けており、これらのロードセル６，７により検出される力の差から（４）式を用いてラック１４に作用する力の上下方向の分力Ｎｖを求め、求めた分力Ｎｖから（３）式を用いてピニオン軸２に加えられるトルクＴ、即ちステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクＴｈを演算しているから、操舵トルクの大きさを求めることができる。また、ロードセル６，７の一方を基準として両者の検出結果の差を求めているから、この求めた差の正負により、ステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクＴｈの方向を求めることができる。

なお、本実施の形態においては、ラックアシスト型の電動パワーステアリング装置について述べたが、これに限定されず、コラムハウジング３１の外側に操舵補助用のモータを取付け、ステアリング軸３に伝動構成してなるコラムアシスト型の電動パワーステアリング装置についても同様に構成することができる。

コラムアシスト型の電動パワーステアリング装置においては、ピニオン軸２に加えられるトルクＴに操舵補助用のモータによるアシストトルクが含まれるため、ステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクＴｈを求めるためには、このアシストトルク分をピニオン軸２に加えられるトルクＴから減算する必要がある。従って、操舵トルクＴｈは、（３）式により求まるピニオン軸２に加えられるトルクＴを用いて次式のように表される。
Ｔｈ＝Ｔ−Ｔｍ・α … （５）
ここで、Ｔｍはモータトルクであり、モータ電流Ｉｓとモータのトルク定数Ｋｔの積により表される。αは、操舵補助用のモータの出力軸の回転をステアリング軸３に減速伝達する減速手段の減速比である。

なお、以上の実施の形態においては、サポートヨーク４及びラック軸１０により定まる平面を、サポートヨーク４及びラック軸１０夫々の軸心を含む平面としているが、これに限定されず、例えば、サポートヨーク４の軸心を含みラック軸１０の軸心に対して適宜の角度をなす平面としてもよい。

更に、本実施の形態においては、ラック軸１０からサポートヨーク４に加えられる力を検出する力センサとしてロードセル６，７を用いているが、これに限定されず、サポートヨーク４に加えられる力を検出可能な適宜の力センサを採用することができる。また、本実施の形態においては、サポートヨーク４を支持するヨークハウジング４０の内部にロードセル６，７を設けているが、これに限定されず、ヨークハウジング４０の内面に凹部を設け、サポートヨーク４の外面に接するようにロードセルを前記凹部に設けることも可能である。

更に、本発明は、以上に述べた実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において種々変更した形態にて実施することが可能である。

本発明に係る操舵装置の構成を示す模式図である。 ピニオンハウジング及びラックハウジングの交叉部周辺を略示する縦断面図である。 舵取機構に作用する力の説明図である。

符号の説明

１ 舵取機構、２ ピニオン軸、２１ ピニオン、４ サポートヨーク、６，７ ロードセル（力センサ）、８ アシスト制御部（演算手段）、１０ ラック軸、１４ ラック、３０ ステアリングホイール（操舵部材）

Claims (1)

1. 操舵部材の操作に応じて回転するピニオンと、該ピニオンに噛合するラックを有するラック軸と、該ラック軸に前記ラック及びピニオンの噛合部の逆側から弾接するサポートヨークとを備え、前記ピニオンの回転が、前記噛合部にて前記ラック軸の軸長方向の移動に変換されて操舵がなされる操舵装置において、
   前記ピニオン及びラックは、はす歯に形成されており、
   前記サポートヨーク及びラック軸により定まる平面を基準に対称な位置に設けられ、前記噛合部における作用力により前記サポートヨークに加わる力を検出する２つの力センサと、
   該２つの力センサにより夫々検出される力の差を求め、求めた差から前記操舵部材に加えられる操舵トルクを演算する演算手段とを備えることを特徴とする操舵装置。

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