JP5794591B2 - 電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動式パワーステアリング装置、特に、ラック・アンド・ピニオン式操舵機構を備え、ピニオンをモータによってパワーアシストする方式の電動式パワーステアリング装置に関するものである。

特許文献１には、電動式パワーステアリング装置をフォークリフトに組み込んだ従来例が記載されている。
この電動式パワーステアリング装置は、ラック・アンド・ピニオン式操舵機構を備えている。ラック・アンド・ピニオン式操舵機構は、車体のメインフレームの後部に突設された水平な中央旋回軸に取り付けられて、上下方向に旋回可能とされたアクスルフレームを有している。

アクスルフレームの左右両側には、操舵輪を支持するナックルが取り付けられ、また、アクスルフレームには、円筒状のハウジングが取り付けられて、アクスルフレームの長手方向にのびている。そして、ハウジングにラックシャフトが挿通されて、軸方向にスライド運動可能に案内されている。

ラックシャフトの両端はそれぞれタイロッドによって対応するナックルに連結されている。また、アクスルフレームの中央部に、ラックシャフトの歯部分に係合するピニオンが取り付けられている。ピニオンの回転軸は連結機構によってハンドルシャフトの一端に伝動連結されている。ハンドルシャフトの他端にはハンドルが固定されている。

そして、ラックシャフトの歯部分の中央がピニオンに係合するとき操舵輪が平行位置にあり、この位置からハンドルの正逆回転に応じてラックシャフトがスライド運動することによって、操舵輪が左右に切られるようになっている。
また、ナックルおよびアクスルフレームの一方に衝突部が設けられ、他方には衝突部と対をなすストッパが設けられていて、操舵輪が最大切れ角まで切られたときに、対応する衝突部がストッパに当接するようになっている。

電動式パワーステアリング装置は、さらに、ラック・アンド・ピニオン式操舵機構をパワーアシストする手段を備えている。これは、アクスルフレームに取り付けられてピニオンを回転駆動する、モータを駆動源として含むアクチュエータと、アクチュエータのモータを制御する制御ユニットと、ハンドルの回転トルクを検出するトルクセンサとから構成され、制御ユニットが、トルクセンサの検出信号に基づいてモータへの供給電圧を制御するようになっている。

こうして、ハンドルからの駆動力とモータからの駆動力との合成駆動力によってピニオンが回転駆動され、それによってラックシャフトがスライド運動し、それに応じて操舵輪が左右に操舵される。

ところで、この構成においては、操舵輪の位置情報（切れ角）は不明なままで、モータによるアシストが専らトルクセンサの検出信号に基づいて行われるので、トルクセンサの検出信号の信号強度が同じであれば、操舵輪の現在位置とは無関係に、モータは同じ回転速度で回転する。

そのため、操舵輪が、最大切れ角の付近まで切られた位置から、モータの回転速度が落ちることなく、さらに最大切れ角まで切られる向きにアシストされる場合がある。このような場合には、ナックルおよびアクスルフレームの一方に設けられた衝突部が、ナックルおよびアクスルフレームの他方に設けられたそれと対をなすストッパに勢いよく衝突し、それによってストッパの摩耗が助長され、また、この衝突による衝撃がハンドル側に伝わるという問題があった。
また、ストッパの摩耗が著しくなってくると、走行中に操舵輪に外力が加わること等により操舵輪が最大切れ角を超えて旋回し、その結果、ピニオンの歯がラックシャフトの歯部分の端に衝突して、ピニオンの歯が損傷するおそれがあった。

また、従来のフォークリフトの電動式パワーステアリング装置においては、操舵輪が左右に最大切れ角の付近まで切られた場合に、ラックシャフトの歯部分の端部がハウジングからむき出しになっていた。そのため、操舵輪によって跳ね上げられた泥や水等が歯部分の端部に付着した後、ラックシャフトのスライド運動とともにハウジング内に侵入し、さらにはピニオンまで達し、関係する部材の錆や損傷の原因となっていた。

特開平８−２１６８９８号公報

したがって、本発明の課題は、操舵輪が左右に最大切れ角まで切られる際にナックルの衝突部がストッパに及ぼす衝撃力を軽減することにある。
本発明の別の課題は、ストッパが著しく摩耗した場合等において、操舵輪が最大切れ角を超えて旋回していることを運転手に警告することにある。
本発明のさらに別の課題は、操舵輪が操舵される間に、ラックシャフトの歯部分に泥や水等が付着するのを防止することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、車体に設けられたハンドルおよびハンドルシャフトと、前記車体の幅方向にのびるとともに、前記車体のメインフレームの前部または後部に突設された水平な中央旋回軸に取り付けられて、上下方向に旋回可能とされたアクスルフレームと、前記アクスルフレームの左右両側に取り付けられ、操舵輪を回転自在に支持するナックルと、前記アクスルフレームに取り付けられ、前記アクスルフレームの長手方向にのびる円筒状のハウジングと、前記ハウジングに挿通され、軸方向にスライド運動可能に案内されたラックシャフトと、前記ラックシャフトの両端をそれぞれ対応するナックルに連結するタイロッドと、前記ハウジングの中央部に取り付けられて、前記ハウジングの側壁に形成された開口部を通じて前記ラックシャフトの歯部分に係合するピニオンと、前記車体のメインフレームに設けられ、前記ピニオンの回転軸を前記ハンドルシャフトに伝動連結する伝動連結機構と、を備え、前記ラックシャフトの歯部分の中心が前記ピニオンと係合するとき前記操舵輪が平行位置にあり、この位置から前記ハンドルの正逆回転に応じて前記ラックシャフトがスライド運動することによって前記操舵輪が左右に切られ、前記ナックルに衝突部が設けられ、前記アクスルフレームには前記衝突部と対をなすストッパが設けられ、前記操舵輪が最大切れ角まで切られたときに、対応する前記衝突部が前記ストッパに当接することによって、前記操舵輪の最大切れ角以上の旋回が規制されるようになっており、さらに、前記アクスルフレームに取り付けられ、前記ピニオンを回転駆動させる、モータを駆動源として含むアクチュエータと、前記アクチュエータの前記モータを制御する制御ユニットと、前記ハンドルシャフトに設けられたトルクセンサと、を備え、前記制御ユニットが、前記トルクセンサの検出信号に基づいて前記モータに対する供給電圧を制御する電動式パワーステアリング装置において、前記モータの回転軸または前記ピニオンの回転軸の回転の向きおよび回転角度を検出する検出器を備え、前記制御ユニットは、前記検出器の検出信号に基づき、前記ラックシャフトの歯部分の中心が前記ピニオンと係合する位置を基準点として、前記基準点から左右両側への前記ラックシャフトの移動距離を測定し、前記移動距離が、前記操舵輪が前記平行位置から前記最大切れ角の手前まで切られたときの所定移動距離から、前記操舵輪が前記平行位置から前記最大切れ角まで切られたときの最大移動距離まで増加する間に、前記モータに対する最大供給電圧を徐々にゼロまで減少させるものであることを特徴とする電動式パワーステアリング装置を構成したものである。

上記構成において、好ましくは、前記制御ユニットは、前記ラックシャフトの移動距離が前記所定移動距離から前記最大移動距離まで増加する間に、前記モータに対する最大供給電圧を前記ラックシャフトの移動距離に比例して減少させる。
また好ましくは、前記制御ユニットは、前記検出器の検出信号に基づき、前記ラックシャフトの移動距離が前記最大移動距離を超えて第２の所定移動距離に達したと判定したとき、警告を発するようになっている。

また、前記ラックシャフトの歯部分は、前記操舵輪が左右の前記最大切れ角まで切られたときに、前記歯部分の端が前記ハウジングの外側に突出しないような長さに設定されていることが好ましい。

本発明によれば、操舵輪の平行位置からの旋回角を、操舵輪が平行位置にあるときを基準点として、ラックシャフトの基準点からの移動距離を測定することで間接的に検出し、ラックシャフトの移動距離が、操舵輪が平行位置から最大切れ角の手前まで切られたときの所定移動距離から、操舵輪が最大切れ角まで切られたときの最大移動距離まで増加する間にモータに対する最大供給電圧を徐々にゼロまで減少させるようにしている。

そのため、操舵輪が前記の最大切れ角の手前まで切られた位置から、さらに最大切れ角まで切られる時にモータによるアシストがなされる場合には、操舵輪の切りはじめの位置が最大切れ角の位置に近いほど、モータの最大回転速度が低下し、それに伴いアシスト時のモータの回転速度は小さくなる。
その結果、ナックルに設けられた衝突部が、アクスルフレームに設けられたストッパに衝突する際の衝撃が緩和され、それによって、ストッパの摩耗が最小限に抑制され、またハンドル側に伝わる衝撃力も弱められる。

また、制御ユニットが、ラックシャフトの移動距離が最大移動距離を超えて第２の所定移動距離に達したと判定したときに警告を発する構成とした場合には、ストッパが著しく摩耗する等して、操舵輪が最大切れ角を超えて旋回していることを運転者に警告することによって、運転者にストッパの交換等を促し、ラックシャフトの歯部分の端とピニオンの歯との衝突によるピニオンの歯の損傷を未然防止することができる。

さらに、ラックシャフトの歯部分が、操舵輪が左右の最大切れ角まで切られたときに、歯部分の端がハウジングの外側に突出しないような長さに設定された構成とした場合には、操舵輪が操舵される間に、ラックシャフトの歯部分に泥や水等が付着してハウジング内に侵入することが防止される。

本発明の１実施例による電動式パワーステアリング装置が組み込まれたフォークリフトの概略的な側断面図である。 図１の電動式パワーステアリング装置において操舵輪が平行位置にあるときのアクスルフレーム付近の構成を示す図であり、（Ａ）は車体後方から見た斜視図であり、（Ｂ）は上面図である。 図１に示した電動式パワーステアリング装置において操舵輪が左側に最大切れ角まで切られたときのアクスルフレーム付近の構成を示す図２に類似の図である。 図１に示した電動式パワーステアリング装置の操舵輪が操舵されるときのラックシャフトおよびピニオンの位置関係を示す平面図であり、（Ａ）は操舵輪が平行位置にあるときの位置関係を、（Ｂ）は操舵輪が右に最大切れ角まで切られたときの位置関係を、（Ｃ）は操舵輪が左に最大切れ角まで切られたときの位置関係をそれぞれ示している。 制御ユニットによるモータに対する供給電圧の制御、並びに警告のタイミングを具体的に説明するグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。図１は、本発明の１実施例による電動式パワーステアリング装置が組み込まれたフォークリフトの概略的な側断面図である。図２は、図１の電動式パワーステアリング装置において操舵輪が平行位置にあるときのアクスルフレーム付近の構成を示す図であり、（Ａ）は車体後方から見た斜視図であり、（Ｂ）は上面図である。図３は、図１に示した電動式パワーステアリング装置において操舵輪が左側に最大切れ角まで切られたときのアクスルフレーム付近の構成を示す図２に類似の図である。また、図４は、図１に示した電動式パワーステアリング装置の操舵輪が操舵されるときのラックシャフトおよびピニオンの位置関係を示す平面図であり、（Ａ）は操舵輪が平行位置にあるときの位置関係を、（Ｂ）は操舵輪が右に最大切れ角まで切られたときの位置関係を、（Ｃ）は操舵輪が左に最大切れ角まで切られたときの位置関係をそれぞれ示している。

図１〜図３に示すように、本発明によれば、フォークリフトの車体の運転席に、ハンドル２およびハンドルシャフト３が配置され、また、車体のメインフレーム１の後部に突設された水平な中央旋回軸４には、車体の幅方向にのびるアクスルフレーム５が取り付けられて、上下方向に旋回し得るようになっている。また、メインフレーム１の前部には、駆動輪１９が取り付けられている。
なお、この実施例では、アクスルフレーム５がメインフレーム１の後部に取り付けられるが、電動式パワーステアリング装置がフォークリフト以外の作業車に適用される場合に、アクスルフレーム５がメインフレーム１の前部に取り付けられ、駆動輪がメインフレーム１の後部に備えられることもある。

アクスルフレーム５の左右両側には、それぞれ、操舵輪１０を回転自在に支持するナックル６が取り付けられ、また、アクスルフレーム５には、アクスルフレーム５の長手方向にのびる円筒状のハウジング７が取り付けられている。ハウジング７には、ラックシャフト８が挿通されて、軸方向にスライド運動可能に案内されている。そして、ラックシャフト８の両端が、それぞれ、タイロッド９を介して対応するナックル６に連結されている。

ハウジング７の中央部には、ピニオン１３が取り付けられている。ピニオン１３は、ハウジング７の側壁に形成された開口部を通じてラックシャフト８の歯部分８ａに係合する。また、ピニオン１３の回転軸をハンドルシャフト３に伝動連結する伝動連結機構１６が備えられる。

そして、ラックシャフト８の歯部分８ａの中心がピニオン１３と係合するとき操舵輪１０が平行位置にあり（図４Ａ参照）、この位置からハンドル２の正逆回転に応じてラックシャフト８がスライド運動することによって操舵輪１０が左右に切られるようになっている。

この場合、ナックル６に衝突部１１が設けられるとともに、アクスルフレーム５には衝突部１１と対をなすストッパ１２が設けられ、図３に示すように、操舵輪１０が最大切れ角まで切られたときに、対応する衝突部１１がストッパ１２に当接することによって、操舵輪１０の最大切れ角以上の旋回が規制されるようになっている。
それに対応して、ラックシャフト８は、ラックシャフト８の中心がピニオン１３と係合する位置を基準点として（図４Ａ参照）、基準点の左右両側に、操舵輪１０が最大切れ角まで切られたときの最大移動距離まで移動可能になっている（図４Ｂ、Ｃ参照）。

また、この実施例では、図４Ｂおよび図４Ｃから明らかなように、ラックシャフト８の歯部分８ａは、操舵輪１０が左右の最大切れ角まで切られたときに、歯部分８ａの端がハウジング７の端縁７ａ、７ｂから外側に突出しないような長さに設定されている。
それによって、操舵輪１０が操舵される間に、ラックシャフト８の歯部分８ａに泥や水等が付着してハウジング７内に侵入することが防止される。

さらに、アクスルフレーム５に、ピニオン１３を回転駆動させるアクチュエータ１４が取り付けられている。アクチュエータ１４は、モータ１５を駆動源として含んでいる。アクチュエータ１４のモータ１５は、制御ユニット１８によって制御される。
また、車体のメインフレーム１に、ハンドル２の回転トルクを検出するトルクセンサ１７が設けられている。

そして、制御ユニット１８は、トルクセンサ１７の検出信号に基づいてモータ１５に対する供給電圧を制御する。
こうして、ハンドル２からの駆動力とモータ１５からの駆動力の合成駆動力によって操舵輪１０が左右に操舵される。

さらに、本発明によれば、モータ１５の回転軸に、この回転軸の回転の向きおよび回転角度を検出するポテンショメータ（図示しない）が取り付けられる。
なお、この実施例では、ポテンショメータをモータ１５の回転軸に配置しているが、その代わりに、ポテンショメータをピニオン１３の回転軸に配置することもできる。
また、ポテンショメータの代わりに、モータ１５またはピニオン１３の回転軸の回転の向きおよび回転角度が検出可能な公知の別の検出器（例えば、ロータリーエンコーダ等）を用いることもできる。

制御ユニット１８は、ポテンショメータの検出信号に基づき、ラックシャフト８の、基準点から左右両側への移動距離を測定する。
そして、制御ユニット１８は、このラックシャフト８の移動距離が、操舵輪１０が平行位置から最大切れ角の手前まで切られたときの所定移動距離から最大移動距離まで増加する間に、モータ１５に対する最大供給電圧を、徐々に（この実施例では、ラックシャフト８の移動距離に比例して）ゼロまで減少させる。

こうして、操舵輪１０が最大切れ角の手間まで切られた位置から、さらに最大切れ角まで切られる時にモータ１５によるアシストがなされる場合には、操舵輪１０の切りはじめの位置が最大切れ角の位置に接近するほど、モータ１５の最大回転速度が低下し、それに伴いアシスト時のモータ１５の回転速度は小さくなる。
その結果、ナックル６に設けられた衝突部１１が、アクスルフレーム５に設けられたストッパ１２に衝突する際の衝撃が緩和され、そして、ストッパ１２の摩耗が最小限に抑制され、ハンドル２側に伝わる衝撃力も弱められる。

制御ユニット１８は、さらに、ラックシャフト８の移動距離が最大移動距離を超えて第２の所定移動距離に達したと判定したとき、警告を発するようになっている。
この場合、第２の所定移動距離は、ラックシャフト８の歯部分８ａの端がピニオン１３の歯に衝突する手前の位置に達するまでの移動距離に設定される。また、警告は、音によって、または運転席のディスプレイ上に警告表示をすることによって、またはその両方によって行われる。

それによって、ストッパ１２が著しく摩耗する等して、操舵輪１０が最大切れ角を超えて旋回していることを運転者に警告することにより、運転者にストッパ１２の交換または補修・再調整を促し、ラックシャフト８の歯部分８ａの端とピニオン１３の歯との衝突によるピニオン１３の歯の損傷を未然防止することができる。

図５は、制御ユニット１８によるモータ１５に対する供給電圧の制御、並びに警告のタイミングを具体的に説明するグラフであり、縦軸はモータに対する最大供給電圧を表し（通常運転時の最大供給電圧値を１としたときの百分率で表している）、横軸は基準点から左右両側へのラックシャフト８の移動距離を表している（グラフの原点に基準点をとり、右側への移動距離を横軸の正方向に、左側への移動距離を横軸の負方向にとっている）。

この例では、操舵輪１０が平行位置から最大切れ角まで切られたときのラックシャフト８の最大移動距離は、Ｘ２ｍｍに設定され（グラフの点Ｂ、Ｂ’参照）、また、ラックシャフト８の歯部分８ａがピニオン１３の歯と衝突するまでのラックシャフト８の移動距離はＸ４ｍｍとなっている（グラフの点Ｄ、Ｄ’参照）。

そして、ラックシャフト８の移動距離がＸ１ｍｍ（グラフの点Ａ、Ａ’参照）に達した後、最大移動距離Ｘ２ｍｍ（グラフの点Ｂ、Ｂ’参照）まで増加する間に、モータ１５に対する最大供給電圧が１００％から０％までリニアに減少せしめられる。
さらに、ラックシャフト８の移動距離が、最大移動距離を超えてＸ３ｍｍ（グラフの点Ｃ、Ｃ’参照）に達すると、制御ユニット１８によって警告が発せられる。

なお、操舵輪１０が、最大切れ角まで切られた位置から平行位置まで戻される間は、モータ１５に対して、常時、通常運転時の最大供給電圧が供給されることは言うまでもない。

１ 車体のメインフレーム
２ ハンドル
３ ハンドルシャフト
４ 中央旋回軸
５ アクスルフレーム
６ ナックル
７ ハウジング
７ａ、７ｂ ハウジングの端縁
８ ラックシャフト
８ａ 歯部分
９ タイロッド
１０ 操舵輪
１１ 衝突部
１２ ストッパ
１３ ピニオン
１４ アクチュエータ
１５ モータ
１６ 伝動連結機構
１７ トルクセンサ
１８ 制御ユニット
１９ 駆動輪

Claims (4)

1. 車体に設けられたハンドルおよびハンドルシャフトと、
   前記車体の幅方向にのびるとともに、前記車体のメインフレームの前部または後部に突設された水平な中央旋回軸に取り付けられて、上下方向に旋回可能とされたアクスルフレームと、
   前記アクスルフレームの左右両側に取り付けられ、操舵輪を回転自在に支持するナックルと、
   前記アクスルフレームに取り付けられ、前記アクスルフレームの長手方向にのびる円筒状のハウジングと、
   前記ハウジングに挿通され、軸方向にスライド運動可能に案内されたラックシャフトと、
   前記ラックシャフトの両端をそれぞれ対応するナックルに連結するタイロッドと、
   前記ハウジングの中央部に取り付けられて、前記ハウジングの側壁に形成された開口部を通じて前記ラックシャフトの歯部分に係合するピニオンと、
   前記車体のメインフレームに設けられ、前記ピニオンの回転軸を前記ハンドルシャフトに伝動連結する伝動連結機構と、を備え、
   前記ラックシャフトの歯部分の中心が前記ピニオンと係合するとき前記操舵輪が平行位置にあり、この位置から前記ハンドルの正逆回転に応じて前記ラックシャフトがスライド運動することによって前記操舵輪が左右に切られ、
   前記ナックルに衝突部が設けられ、前記アクスルフレームには前記衝突部と対をなすストッパが設けられ、前記操舵輪が最大切れ角まで切られたときに、対応する前記衝突部が前記ストッパに当接することによって、前記操舵輪の最大切れ角以上の旋回が規制されるようになっており、さらに、
   前記アクスルフレームに取り付けられ、前記ピニオンを回転駆動させる、モータを駆動源として含むアクチュエータと、
   前記アクチュエータの前記モータを制御する制御ユニットと、
   前記ハンドルの回転トルクを検出するトルクセンサと、を備え、
   前記制御ユニットが、前記トルクセンサの検出信号に基づいて前記モータに対する供給電圧を制御する電動式パワーステアリング装置において、
   前記モータの回転軸または前記ピニオンの回転軸の回転の向きおよび回転角度を検出する検出器を備え、
   前記制御ユニットは、前記検出器の検出信号に基づき、前記ラックシャフトの歯部分の中心が前記ピニオンと係合する位置を基準点として、前記基準点から左右両側への前記ラックシャフトの移動距離を測定し、前記移動距離が、前記操舵輪が前記平行位置から前記最大切れ角の手前まで切られたときの所定移動距離から、前記操舵輪が前記平行位置から前記最大切れ角まで切られたときの最大移動距離まで増加する間に、前記モータに対する最大供給電圧を徐々にゼロまで減少させるものであることを特徴とする電動式パワーステアリング装置。
2. 前記制御ユニットは、前記ラックシャフトの移動距離が前記所定移動距離から前記最大移動距離まで増加する間に、前記モータに対する最大供給電圧を前記ラックシャフトの移動距離に比例して減少させることを特徴とする請求項１に記載の電動式パワーステアリング装置。
3. 前記制御ユニットは、前記ラックシャフトの移動距離が前記最大移動距離を超えて第２の所定移動距離に達したと判定したとき、警告を発することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動式パワーステアリング装置。
4. 前記ラックシャフトの歯部分は、前記操舵輪が左右の前記最大切れ角まで切られたときに、前記歯部分の端が前記ハウジングの外側に突出しないような長さに設定されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電動式パワーステアリング装置。

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