JP6571808B2 - 電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法。 - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリングシステムの測定方法に関し、詳しくは電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法に関するものである。

自動車技術が発展し、環境保護の意識が高まるのに伴って電動パワーステアリングシステムが油圧式パワーステアリングシステムの代わりに自動車に応用されるようになった。その理由は下記の通りである。

１、エンジンが回転する際、油圧式パワーステアリングシステムの場合には油圧ポンプが稼働状態を維持し、エンジンの部分的な動力を消耗するため、燃料油の消費量を増加させる。電動パワーステアリングシステムの場合にはバッテリーがエネルギーのもとになり、稼働方式がエンジンと異なり、独立するため、エンジンの動力を消耗することがない。一方、電動パワーステアリングシステムは油圧式パワーステアリングシステムより稼働効率が高いため、燃料油を削減できる。

２、油圧式パワーステアリングシステムは機能の異なる部品が異なる位置に配置され、配線を配置することによってパワーステアリング機能を構成する。それに対し、電動パワーステアリングシステムは同じ装置に統合されることができるため、取付およびメンテナンスの便をはかることができる。

３、油圧式パワーステアリングシステムに対し、電動パワーステアリングシステムは油圧作動オイルを交換する必要がなく、環境に比較的優しい。

４、油圧式パワーステアリングシステムは補助パワーが一定に維持されるため、自動車の走行状況に応じて補助パワーを変えることができない。それに対し、電動ステアリングシステムはソフトウェアの制御によって異なる運転状況に応じて補助パワーを調整し、運転時の安定性および快適性を改善することができる。

電動ステアリングシステムは、コラム型電動ステアリングシステム（Ｃｏｌｕｍｎ−Ｔｙｐｅ ＥＰＳ）、ピニオン型電動ステアリングシステム（Ｐｉｎｉｏｎ−Ｔｙｐｅ ＥＰＳ）およびラック型電動ステアリングシステム（Ｒａｃｋ−Ｔｙｐｅ ＥＰＳ）に分かれる。

ラック型電動ステアリングシステム（Ｒａｃｋ−Ｔｙｐｅ ＥＰＳ）の場合、稼働方式は下記の通りである。
ユーザーがハンドルを回すと、ステアリングコラムは歯車とステアリングラックの歯部とを噛み合わせてステアリングラックを移動させる。同時にステアリングコラムに装着されたトルクセンサーは電子制御ユニットに情報を伝達する。続いて、モーターは電子制御ユニットの指令によって主動輪を駆動するとともにベルトを作動させる。ベルトはナットに被さる被動輪を駆動するとともにナットを回転させる。続いてナットはステアリングラックのねじ部を移動させる。上述した稼働方式により、パワーステアリング機能をユーザーに提供する。

ラック型電動ステアリングシステムにおいて、ベルトは異なる張力下で耐える最大限のトルクがベルトパラメータおよび装着方式によって予測される。しかし、ベルトが長期にわたって使用された場合、機構およびベルトは緩くなったり、変形または老化したりするため、ベルトの張力、即ち耐える最大限のトルクは低下し、主動輪、ベルトまたは被動輪との間の回転は一致せず、ずれ現象が生じる。
ずれ現象に伴ってベルトドライブの老化が進行するため、電動パワーステアリングシステムは補助パワーを十分に生じることができなくなる。或いは、ベルトが断裂したうえで方向転換を行う際、補助パワーが急になくなるため、危険を招く。従って、ずれ現象を測定することによって電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を確実に把握することは重視すべきである。

電動パワーステアリングシステムの健康状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ， ＳＯＨ）を測定する方法について、特許文献１は下記のステップを開示している。まず動態モードによって一つ目のタイヤの復元トルクを計算する。続いて状態センサーによって二つのタイヤの復元トルクを検知する。続いて、一つ目のタイヤの復元トルクと二つ目のタイヤの復元トルクとの差を計算する。続いて、両者の差を持続的に観察し、０から１の間の健康状態数値を算出する。続いて、健康状態数値に基づいて電動パワーステアリングシステムを制御する。
しかしながら、上述した特許文献１の測定方法に基づいて求めた健康状態数値、即ち電動パワーステアリングシステム全体に対する健康状態数値から、単一部品を対象に健康状態を探ることはできない。つまり、稼働中のベルトを対象に健康状態を測定することによってベルトが突然に断裂してドライバーを危険に巻き込むことを避けることはできない。

それに対し、特許文献２は角度センサーが失効した時の対応方法と、システムに異常が発生したか否かを診断する方法とを開示している。しかしながら、該案は突然発生した異常状態しか検知できないため、電動パワーステアリングシステムの健康状態を把握できない。

ＵＳ８６３４９８６Ａ１号公報 ＷＯ２０１７０６１２５７Ａ１号公報

本発明は、電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法を提供することを主な目的とする。電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法は、ずれ現象を判断することによって電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を把握し、電動パワーステアリングシステムを失効させるリスクを低減する。

上述した課題を解決するための電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法は、電動パワーステアリングシステムに応用される。
前記電動パワーステアリングシステムはピニオンステアリング機構、小歯車、ナットおよびモーターを備える。ピニオンステアリング機構はハウジングおよびステアリングラックを有する。ハウジングは第一開口部および第二開口部を有する。ステアリングラックは第一開口部および第二開口部を貫通するようにハウジング内に装着され、歯部およびねじ部を有する。小歯車はステアリングコラムに連結され、ステアリングラックの歯部と噛み合うように装着される。ナットはハウジング内のステアリングラックのねじ部に螺合される。モーターはハウジングに固定され、少なくとも一つの回転子、出力軸、主動輪、被動輪およびベルトを有する。回転子は出力軸を回転させる。主動輪は出力軸に接続される。被動輪はナットに被さる。ベルトは主動輪および被動輪に被さる。電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法は下記のステップを含める。ステップａ）即ち情報の測定は、第一センサーによってステアリングコラムの運転時間当たりの回転数を測定し、第一測定データを作成し、第二センサーによって回転子の時間当たりの回転数を測定し、第二測定データを作成することである。ステップｂ）即ち情報の判読は、回転子とステアリングコラムとの相対的な回転関係および判断基準がデータベースに予め保存してある電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって第一測定データおよび第二測定データを読み取ることである。ステップｃ）即ちずれ状態の判断は次の通りである。第一測定データまたは第二測定データおよびデータベース内の回転関係に基づいて電子制御ユニットは対比データを作成し、第二測定データまたは第一測定データと対比データとを比較する。両者の差が閾値より小さい場合が正常と判定される。両者の差が閾値より大きい場合がずれ現象と判定される。

ずれ現象が発生すると、電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態が低下することをユーザーに伝達し、電動パワーステアリングシステムを失効させるリスクを低減する。

第一測定データおよび第二測定データは回転角度、角速度および角加速度のいずれか一つまたはその組み合わせである。

ステップｃ）において、ずれ現象が発生した際、電子制御ユニットは警告情報を発信することによってユーザーに警告する。

電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法はさらにステップｄ）を含む。ステップｄ）即ち健康状態の診断は次のとおりである。電子制御ユニットはずれ現象の発生した時間を記録し、予め設定した時間帯において、あらかじめ電子制御ユニットに保存された頻度閾値よりずれ現象の発生頻度が小さい場合を警戒状態と判定し、ずれ現象の発生頻度が頻度閾値より大きい場合を危険状態と判定する。ステップｄ）において、危険状態が判明した場合、電子制御ユニットは警告情報を発信することによってユーザーに警告する。

或いは、ステップｄ）において、ステアリングコラムに位置するトルクセンサーによって運転手の出力を測定するか、電流センサーによってモーターの出力を測定し、出力信号を電子制御ユニットに出力し、続いて高出力条件を設定する。出力信号、即ち出力値が高出力条件より大きい場合は高出力状態と判定される。ずれ現象が発生しない場合は正常状態と判定される。非高出力状態下でずれ現象が発生した場合は危険状態と判定される。高出力状態下でずれ現象が発生し、発生頻度が頻度閾値より小さい場合は警戒状態と判定される。高出力状態下でずれ現象が発生し、発生頻度が頻度閾値より大きい場合は危険状態と判定される。上述したステップにより、使用状況を詳細に切り分け、ユーザーの要望に近づけることができる。

本発明の第１実施形態においての電動パワーステアリングシステムを示す斜視図である。 本発明の第１実施形態においての電動パワーステアリングシステムを示す断面図である。 本発明の第１実施形態においての電動パワーステアリングシステムの一部分を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態においての電動パワーステアリングシステムの構築を示す模式図である。 本発明の第１実施形態による電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法を示すプロセスである。 本発明の第２実施形態による電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法を示すプロセスである。 本発明の第２実施形態による電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法に高出力状態の判断条件が追加された状態を示す模式図である。

以下、本発明による電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１から図３に示すように、第１実施形態による電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法は電動パワーステアリングシステム１０に応用される。電動パワーステアリングシステム１０はピニオンステアリング機構１１、小歯車１２、ナット１３およびモーター１４を備える。

ピニオンステアリング機構１１は、ハウジング１１１およびステアリングラック１１２を有する。ハウジング１１１は第一開口部１１１ａおよび第二開口部１１１ｂを有する。ステアリングラック１１２は第一開口部１１１ａおよび第二開口部１１１ｂを貫通するようにハウジング１１１内に装着され、歯部１１２ａおよびねじ部１１２ｂを有する。複数の車輪を連結するタイロッド２１はステアリングラック１１２に別々に接続され、駆動される。

小歯車１２は、ステアリングコラム１２１に連結され、ステアリングラック１１２の歯部１１２ａと噛み合うように装着されるため、ステアリングコラム１２１の駆動力によって回転するとともにステアリングラック１１２の歯部１１２ａを回転させる。ステアリングラック１１２は歯部１１２ａの回転に伴って移動する。

ナット１３は、ハウジング１１１内のステアリングラック１１２のねじ部１１２ｂに螺合される。ナット１３が回転するとステアリングラック１１２のねじ部１１２ｂを移動させる。

モーター１４は、ハウジング１１１に固定され、少なくとも一つの回転子（周知の技術のため図面未表示）、出力軸１４２、主動輪１４３、被動輪１４４およびベルト１４５を有する。主動輪１４３は出力軸１４２に接続される。被動輪１４４はナット１３に被さる。ベルト１４５は主動輪１４３および被動輪１４４に被さる。モーター１４が回転子によって出力軸１４２を回転させる際、動力は主動輪１４３を介してベルト１４５を運動させ、被動輪１４４を介してナット１３へ伝達されることによってステアリングラック１１２のねじ部１１２ｂを移動させる。

図１から図５に示すように、電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法は下記のステップを含む。

ステップａ）即ち情報の測定は、第一センサー１５によってステアリングコラム１２１の運転時間当たりの回転数を測定し、第一測定データを作成し、第二センサー１６によって回転子の時間当たりの回転数を測定し、第二測定データを作成することである。

ステップｂ）即ち情報の判読は、電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ，ＥＣＵ）１７によって第一測定データおよび第二測定データを読み取ることである。電子制御ユニットはデータベースＤを有する。回転子とステアリングコラム１２１との相対的な回転関係および判断基準はデータベースＤに予め保存される。電動パワーステアリングシステムが健康状態に維持される場合、回転関係は回転子とステアリングコラム１２１との間の回転比である。

図４に示すように、ベルト１４５が伝動する際、主動輪１４３の歯の数Ｎｍ、回転子の回転角度θｍ、被動輪１４４の歯の数Ｎｂｓおよびナット１３の回転角度θｂｓの間の関係は式１によって表示される。

被動輪１４４がナット１３を回転させる際、ナット１３の回転数およびステアリングラック１１２の移動距離の比例関係は一定である。ステアリングラック１１２が移動すると、小歯車１２はステアリングラック１１２のねじ部１１２ｂの駆動力によって回転する。式２に示すように、小歯車１２の回転角度θｓｗおよびステアリングラック１１２の移動距離の比例関係（線角伝達比）は一定である。小歯車１２の回転角度はステアリングコラムの回転角度θｓｗに等しい。

主動輪１４３の歯の数Ｎｍは４８である。被動輪１４４の歯の数Ｎｂｓは１４８である。ナット１３が３６０度回転すると、ステアリングラック１１２を８ｍｍ移動させる。小歯車１２が３６０度回転すると、ステアリングラック１１２を４８．６８ｍｍ移動させる。上述した関係により、式３から式５を推知できる。

式３に示すように、主動輪１４３および回転子の回転角度がθｍである場合、ナット１３の回転角度は０．３２４３θｍである。

式４に示すように、ナット１３の回転角度が０．３２４３θｍである場合、ステアリングラック１１２の歯部１１２ａの移動距離は７．２０７＊１０^−３θｍ（ｍｍ）である。

式５に示すように、ステアリングラック１１２の歯部１１２ａの移動距離が７．２０７＊１０^−３θｍ（ｍｍ）である場合、小歯車１２およびステアリングコラム１２１の回転角度θｓｗは０．０５３３θｍ（ｄｅｇ）である。つまり、回転子およびステアリングコラム１２１の回転比例は式６によって表示される。

ステップｃ）即ち、ずれ状態の判断は次の通りである。第一測定データまたは第二測定データおよびデータベースＤ内の回転関係に基づいて電子制御ユニット１７は対比データを作成する。本実施形態は第二測定データを例として挙げるが、これに限らず、第一測定データを採用してもよい。電子制御ユニット１７は第二測定データまたは第一測定データと対比データとを比較する。
両者の差が閾値より小さい（例えば閾値の１０％）場合が正常と判定される。両者の差が閾値より大きい場合がずれ現象と判定される。

ずれ現象が発生すると、電動パワーステアリングシステムにおいてベルト１４５、主動輪１４３および被動輪１４４からなる結合体の健康状態が低下することをユーザーに伝達し、電動パワーステアリングシステムを失効させるリスクを低減することができる。

第一測定データおよび第二測定データは回転角度、角速度および角加速度のいずれか一つまたはその組み合わせである。

本実施形態のステップｃ）において、ずれ現象が判定された際、電子制御ユニット１７は警告情報を発信することによってユーザーに警告する。警告情報は文字、音声またはそれ以外の方式で表示される。

（第２実施形態）
図１から図４および図６に示すように、本発明の第２実施形態による電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法は第１実施形態に対し、さらにステップｄ）を含む。
ステップｄ）即ち健康状態の診断は次のとおりである。電子制御ユニット１７はずれ現象の発生した時間を記録し、予め設定した時間帯（例えば２秒間）において、あらかじめ電子制御ユニット１７に保存された頻度閾値（２回／２秒）よりずれ現象の発生頻度が小さい場合を警戒状態と判定し、ずれ現象の発生頻度が頻度閾値より大きい場合を危険状態と判定する。ステップｄ）において危険状態が判明した場合、電子制御ユニット１７は警告情報を発信することによってユーザーに警告する。つまり、健康状態の判断結果は異なるランプで表示され、ユーザーに注意を促す。

図７に示すように、ステップｄ）において、ステアリングコラム１２１に位置するトルクセンサー１８（ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｏｒ）によって運転手の出力を測定するか、電流センサー１９によってモーター１４の出力を測定し、出力信号を電子制御ユニット１７に出力する。続いて高出力条件を設定する。
出力信号、即ち出力値が高出力条件より大きい場合は高出力状態と判定される。ずれ現象が発生しない場合は正常状態と判定される。非高出力状態下でずれ現象が発生した場合は危険状態と判定される。高出力状態下でずれ現象が発生し、発生頻度が頻度閾値より小さい場合は警戒状態と判定される。高出力状態下でずれ現象が発生し、発生頻度が頻度閾値より大きい場合は危険状態と判定される。上述したステップにより、使用状況を詳細に切り分け、ユーザーの要望に近づけることができる。

１０ 電動パワーステアリングシステム
１１ ピニオンステアリング機構（ｐｉｎｉｏｎ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）
１１１ ハウジング
１１１ａ 第一開口部
１１１ｂ 第二開口部
１１２ ステアリングラック（ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｒａｃｋ）
１１２ａ 歯部（ｔｏｏｔｈｅｄ ｐｏｒｔｉｏｎ）
１１２ｂ ねじ部（ｓｃｒｅｗｅｄ ｐｏｒｔｉｏｎ）
１２ 小歯車（ｐｉｎｉｏｎ）
１２１ ステアリングコラム（ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃｏｌｕｍｎ）
１３ ナット
１４ モーター
１４２ 出力軸
１４３ 主動軸
１４４ 被動軸
１４５ ベルト
１５ 第一センサー
１６ 第二センサー
１７ 電子制御ユニット
１８ トルクセンサー
１９ 電流センサー
２１ タイロッド（ｔｉｅ ｒｏｄ）
Ｄ データベース

Claims (3)

1. 電動パワーステアリングシステムに応用され、ステップａ）からステップｄ）を含み、
   前記電動パワーステアリングシステムは、ピニオンステアリング機構、小歯車、ナットおよびモーターを備え、
   前記ピニオンステアリング機構は、ハウジングおよびステアリングラックを有し、前記ハウジングは第一開口部および第二開口部を有し、前記ステアリングラックは第一開口部および第二開口部を貫通するようにハウジング内に装着され、歯部およびねじ部を有し、
   前記小歯車は、ステアリングコラムに連結され、前記ステアリングラックの前記歯部と噛み合うように装着され、
   前記ナットは、前記ハウジング内の前記ステアリングラックの前記ねじ部に螺合され、
   前記モーターは、前記ハウジングに固定され、少なくとも一つの回転子、出力軸、主動輪、被動輪およびベルトを有し、前記回転子は前記出力軸を回転させ、前記主動輪は前記出力軸に接続され、前記被動輪は前記ナットに被さり、前記ベルトは前記主動輪および前記被動輪に被さり、
   前記ステップａ）即ち情報の測定は、第一センサーによって前記ステアリングコラムの運転時間当たりの回転数を測定し、第一測定データを作成し、第二センサーによって前記回転子の時間当たりの回転数を測定し、第二測定データを作成することであり、
   前記ステップｂ）即ち情報の判読は、前記回転子と前記ステアリングコラムとの相対的な回転関係および判断基準がデータベースに予め保存してある電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって前記第一測定データおよび前記第二測定データを読み取ることであり、
   前記ステップｃ）即ちずれ状態の判断は、前記第一測定データまたは前記第二測定データおよび前記データベース内の前記回転関係に基づいて前記電子制御ユニットが対比データを作成し、前記第二測定データまたは前記第一測定データと前記対比データとを比較し、両者の差が閾値より小さい場合を正常と判定し、両者の差が前記閾値より大きい場合をずれ現象と判定することであり、
   前記ステップｄ）即ち健康状態の診断は、前記電子制御ユニットがずれ現象の発生した時間を記録し、予め設定した２秒間の時間帯において、あらかじめ前記電子制御ユニットに保存された２回／２秒の頻度閾値よりずれ現象の発生頻度が小さい場合を警戒状態と判定し、ずれ現象の発生頻度が前記頻度閾値より大きい場合を危険状態と判定することであり、
   前記ステップｄ）において、さらに前記ステアリングコラムに位置するトルクセンサーによって運転手の出力を測定するか、電流センサーによって前記モーターの出力を測定し、出力信号を前記電子制御ユニットに出力し、続いて高出力条件を設定し、前記出力信号、即ち出力値が前記高出力条件より大きい場合は高出力状態と判定され、ずれ現象が発生しない場合は正常状態と判定され、非高出力状態下でずれ現象が発生した場合は危険状態と判定され、高出力状態下でずれ現象が発生し、前記発生頻度が前記頻度閾値より小さい場合は警戒状態と判定され、高出力状態下でずれ現象が発生し、前記発生頻度が前記頻度閾値より大きい場合は危険状態と判定され、
   前記電子制御ユニットはユーザーにベルトドライブの健康状態を知らせるために前記正常状態または警戒状態をランプで表示し、
   前記電子制御ユニットは危険状態と判定された場合にユーザーにベルトライブの健康状態が危険状態にあることを警告するために、文字、音声等の警告手段を通じて警告情報を発信することを特徴とする、
   電動パワーステアリングシステムのベルトドライブの健康状態を測定する方法。
2. 前記第一測定データおよび前記第二測定データは、回転角度、角速度および角加速度のいずれか一つまたはその組み合わせであ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システムのベルトドライブの健康状態を測定する方法。
3. 前記ステップｃ）において、ずれ現象が発生した際、前記電子制御ユニットは警告情報を発信することによって注意を呼びかけ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システムのベルトドライブの健康状態を測定する方法。

Images