JPH07277213A - 車両のステアリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】パワーステアリング装置のトーションバーをス
テアリングシャフト系に介装したステアリング装置にあ
って良好なステアリング応答特性を発揮する。 【構成】ステアリングシャフト２系に設けられたコラム
カップリング５の弾性係数Ｋ₁ 及び減衰係数Ｃ₁ から算
出される折点周波数（Ｋ₁ ／２πＣ₁ ）を、当該コラム
カップリング５の捩じり方向に換算した，ラックハウジ
ング９に設けられたラックインシュレータ１０の等価的
な弾性係数Ｋ₂'及び減衰係数Ｃ₂'から算出される折点周
波数（Ｋ₂'／２πＣ₂'）より高周波数側に設定すること
で、コラムカップリング５の弾性係数Ｋ₁ 及び減衰係数
Ｃ₁ とトーションバー１６の弾性係数Ｋ₃ とから算出さ
れるパワーステアリング装置の折点周波数（Ｋ₁ ＋Ｋ₃
／２πＣ₁ ）をより高周波側に設定し、このパワーステ
アリング装置の共振周波数における一次遅れ成分による
ゲインの減少や位相の遅れ等の影響を小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は車両のステアリング装置
に関するものであり、特にステアリングコラムシャフト
の回転に伴って弾性変形するコラムカップリングと、こ
のステアリングコラムシャフトの回転運動を直線運動に
変換するためのラックアンドピニオン機構のラックハウ
ジングを弾性支持するラックインシュレータとを備えた
車両のステアリング装置に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】このような車両のステアリング装置とし
ては、例えば本出願人が先に提案した特開昭６０−１６
１２５１号公報に記載されるものがある。このうち、前
記コラムカップリングは，ステアリングホイールの操舵
に伴って回転するステアリングコラムシャフトの途中に
介装されており、当該ステアリングコラムシャフトが回
転すると，その捩じり方向に弾性変形しながら、その捩
じり力，所謂操舵トルクに対して減衰力を発揮する。ま
た、前記ラックインシュレータは，前記ステアリングコ
ラムシャフトの回転運動を直線運動に変換するために設
けられたラックアンドピニオン機構のハウジング（以
下，ラックハウジングとも記す）を車体にマウントする
際に，当該車体とラックハウジングとの間に介装された
ものであり、主として当該ラックハウジングが，内装さ
れたラック軸の軸線方向に移動するのを弾性支持すると
共に、その移動力，即ち推力に対して減衰力を発揮す
る。

【０００３】前記特開昭６０−１６１２５１号公報に記
載される車両のステアリング装置では，これらの弾性変
形を許容する部材の弾性変形量又はその弾性変形速度を
拘束する手段又は規制する手段を設け、これらの拘束手
段又は規制手段を車両の走行状態或いは操舵状態等によ
って変更制御することで，操舵伝達系の剛性，所謂ステ
アリング剛性を変更制御し、これにより車両の操縦性や
走行安定性，或いは乗り心地等を向上可能とするもので
ある。つまり、前記弾性変形の拘束又は規制手段が，前
述の減衰力を積極的に発揮する部材或いはアクチュエー
タに相当すると考えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ような車両のステアリング装置には、前記コラムカップ
リングやラックインシュレータの弾性係数や減衰係数が
ステアリング特性（自動車工学に言う車両旋回中のステ
アリング特性ではなく、むしろステアリング操作，舵取
り操作に対する車両挙動や転舵の応答性などのように、
所謂車両と運転者との間で構成されるフィードバック制
御系の中で，当該運転者が感じられる操縦感とか操舵感
といった方が理解し易い）に及ぼす影響は考慮されてお
らず、これらの弾性係数や減衰係数を如何様に設定する
かの開示がなされていないために、当該ステアリング装
置のもつ特性を十分に活かしきれず、特に操舵応答性の
向上効果がでないといった可能性がある。

【０００５】また、例えば流体式パワーステアリング装
置によって操舵系に操舵補助力（以下，アシスト力とも
記す）を与えるために，その流体の供給方向を切換える
回転式流体制御弁（以下，ロータリバルブとも記す）を
ステアリングコラムシャフトに設けた車両にあっては、
このロータリバルブ内に介装されたトーションバーの弾
性係数も前記操縦感や操舵感といった操舵応答性に関与
しているはずであるが、このトーションバーの弾性をも
考慮して前記コラムカップリングやラックインシュレー
タの弾性係数及び減衰係数を如何様に設定すれば，当該
ステアリング装置の操舵応答性を良好とするのかは，未
だ解決されない問題である。なお、この問題は例えば電
動パワーステアリング装置のように，流体式でないパワ
ーステアリング装置であっても、前記トーションバーを
用いた場合には同様に発生する可能性がある。

【０００６】本発明はこれらの諸問題に鑑みて開発され
たものであり、特にパワーステアリング装置でアシスト
力を発揮するためにトーションバーを介装したステアリ
ング装置で，コラムカップリング及びラックインシュレ
ータの弾性係数や減衰係数を適切に設定することによ
り、当該ステアリング装置のもつ特性を十分に発揮し
て，特に操縦応答性に関する操縦感や操舵感を向上可能
な車両のステアリング装置を提供することを目的とする
ものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本件発明者等は前記諸問
題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果，以下の知見を得
て本発明を開発した。即ち、前述のような操縦感とか操
舵感といったものを考えた場合、ゆっくりとした操舵，
即ち運転者によるステアリングホイールの操舵速度が比
較的遅いときには、実際の転舵輪の転舵角がより大きい
或いは速いほうが当該転舵輪のコーナリングフォースの
発生を早めるから，車両の回頭性が向上して所謂きびき
びした車両挙動が望め、従って操縦性が向上する。従っ
て、ステアリングホイールの操舵速度を周波数入力とし
て捉えた場合、より低周波数帯域の操舵入力に対しては
転舵出力の応答性を高く設定して車両挙動を鋭敏にする
ことが望まれる。

【０００８】さて、前述のように弾性力を有しながら減
衰力を発揮するコラムカップリング及びラックインシュ
レータを備えたステアリング装置にあっては、当該コラ
ムカップリングもラックインシュレータも夫々に弾性係
数と減衰係数とを併せ持っていると考えられる。一方、
操舵入力に対する転舵出力の伝達関数に着目すると、例
えばゲイン（利得）の増加傾きが一定である場合には，
前述のように低周波数帯域の操舵入力に対してゲインの
増加量を増大することが，前記ゆっくりとした操舵時に
転舵出力の応答性を高くすることであり、これは当該低
周波数帯域の操舵入力に対する転舵出力の位相進み角を
大きくすること，即ちゲインを大きくすることでも達成
される。そこで、コラムカップリング及びラックインシ
ュレータの夫々による，操舵入力に対する転舵出力の伝
達関数に着目すると、夫々の減衰系による位相進み，即
ち微分的な作用によってゲインが増加する操舵入力周波
数帯域の存在することが分かる。ここで、コラムカップ
リング及びラックインシュレータの夫々によるゲインの
増加開始操舵入力周波数を折点周波数と定義すると、夫
々の折点周波数は，夫々の弾性係数及び減衰係数から一
意に設定され、具体的には弾性係数の減衰係数に対する
比（実質的には更にそれを２πで除した形）で表され
る。今、コラムカップリング及びラックインシュレータ
に要求される仕様諸元から両者の夫々による位相進み，
即ち前記ゲインの増加傾きがほぼ一定であるとすると、
前記目的を達成するためには，より折点周波数が低周波
数側に位置する，つまり前記弾性係数の減衰係数に対す
る比が小さい方のゲインの増加量を確保する，或いは積
極的に大きくすることが必須要件となり、具体的には当
該折点周波数の小さい，即ち弾性係数の減衰係数に対す
る比の小さい方の弾性係数を小さくすることで，前記ゲ
インの増加周波数帯域の幅を広くすることができること
を見出した。

【０００９】ここで、コラムカップリングが，ステアリ
ングコラムシャフトの回転方向（厳密には捩じり方向）
への力（回転力，偶力）に対して弾性力や減衰力を発揮
するのに対して、ラックインシュレータは，ラックアン
ドピニオン機構のラックハウジングの移動方向，即ちラ
ック軸の移動方向への力（直線推力）に対して弾性力や
減衰力を発揮することに着目すると、これらの各弾性係
数や減衰係数をそのまま用いたのでは，前記運動方程式
から導出される伝達関数と特性方程式から導出される折
点周波数との相関が不明瞭なものになってしまう。勿
論、最終的に設定されるべきは，これら運動方向の異な
る力に対する弾性係数や減衰係数であることは間違いな
いのであるが、伝達関数と折点周波数との相関を明瞭に
するために，考え方としてラックインシュレータの弾性
係数及び減衰係数を，コラムカップリングの捩じり方向
への等価的な弾性係数及び減衰係数に換算し、この等価
的な弾性係数及び減衰係数を用いたゲインの増加周波数
帯域同志を比較して所望するステアリング応答特性を得
ようとするものである。

【００１０】さて、このようなステアリング装置に，所
謂パワーステアリング装置を備え、このパワーステアリ
ング装置が，例えばパワーシリンダへの供給流体によっ
てアシスト力を発揮し、この流体の供給を切換えるため
にステアリングコラムシャフトにロータリバルブを設け
たものである場合には、このロータリバルブに内装され
ているトーションバーの弾性力が，当該ステアリング装
置の操縦感や操舵感といった操縦応答特性に影響を及ぼ
すことが考えられる。このトーションバーは、その捩じ
り変位に応じた流体圧や流体流量をパワシリンダに供給
してアシスト力を発揮する，所謂トーションバーの油圧
反力特性を達成するために、本来的にその捩じり剛性を
高くする限度があり、これが当該トーションバーの弾性
係数を大きくする上限となる。そして、前記操舵力伝達
経路において，このトーションバーの出力端までの操舵
入力周波数特性は、これより上流側にあるコラムカップ
リングの弾性係数及び減衰係数並びに当該トーションバ
ーの弾性係数に応じて一意に設定され、このトーション
バーを介した操舵力伝達経路の伝達関数に着目すると、
操舵力（操舵トルク）はこのトーションバーを介装した
ことによって，一次遅れ系で遅れてしまう、即ち，位相
が遅れてゲインが減少する。ここでは、このトーション
バーによるゲインの減少開始操舵入力周波数を，当該ト
ーションバーの折点周波数と定義する。そこで、このト
ーションバーによる操舵トルク伝達の遅れの影響度を極
力小さくするためには、操舵入力の低周波数帯域での定
常ゲインから，前記コラムカップリング及びラックイン
シュレータの各折点周波数帯域で位相が進んだりゲイン
が増加したりする影響を考慮して，前記操舵入力周波数
応答特性で求められるような操舵入力の低周波数側でゲ
インの増加量を大きくするといった意味合いからも，当
該トーションバーの折点周波数帯域でのゲインの減少を
できるだけ高周波数側に設定する必要があり、具体的に
は，コラムカップリング及びラックインシュレータのう
ちの，操舵入力周波数応答特性上，より高周波数側の折
点周波数よりも、更に高周波数側にこのトーションバー
の折点周波数を設定することが望ましいことになる。

【００１１】そこで、もしラックインシュレータの折点
周波数よりもトーションバーの折点周波数を高く設定す
ることにすると、当該ラックインシュレータの折点周波
数は，前記コラムカップリングの捩じり方向に置換した
当該ラックインシュレータの等価的な弾性係数及び等価
的な減衰係数のみから一意に設定されるため、両者の折
点周波数条件は全く異なる変数のみで構成されることに
なる。ところが、実質的なトーションバーの弾性係数
は，前述のようにパワーステアリング装置におけるアシ
スト力の油圧反力特性を設定するための重要なファクタ
ーであることから、このような互いに相関のない条件で
のみトーションバーの弾性係数を設定することは，逆に
このアシスト力の油圧反力特性を悪化して操舵感を悪化
させることになりかねない。一方、コラムカップリング
の折点周波数は，当該コラムカップリングの弾性係数及
び減衰係数から一意に設定されるから、前記トーション
バーの折点周波数と比較すると，当該トーションバーの
弾性係数分だけ当該トーションバーの折点周波数の方
が，コラムカップリングの折点周波数より大きい（高
い）ことになる。従って、トーションバーの折点周波数
がより高周波数側に設定されるための十分条件として、
コラムカップリングの折点周波数をラックインシュレー
タの折点周波数よりも高周波数側に設定することが挙げ
られる。

【００１２】ところで、前記操舵入力周波数に対する転
舵出力の伝達関数は、当該操舵入力周波数に対してコラ
ムカップリングやラックインシュレータが線形に弾性力
や減衰力を発現することを前提としている。若し、これ
らの周波数特性が非線形であるとすると，即ち何らかの
ヒステリシスを有するものであるとすると、前述した折
点周波数やゲインの増加周波数帯域が変化してしまい，
或いはゲインの増加傾きが変化してしまうから、前記所
望するステアリング応答特性の設定が困難となって実車
へのチューニングは非常に困難なものとなる。従って、
実車レベルでのチューニングを考慮すると、コラムカッ
プリング及びラックインシュレータの操舵入力周波数特
性は線形であることが望ましい。そして、少なくとも現
時点で，このような線形周波数特性を有する弾性・減衰
部材には、所謂剪断変形を伴って弾性力や減衰力を発現
するものが好適である。従って、剪断変形を伴って弾性
力や減衰力を発現するコラムカップリング及び／又はラ
ックインシュレータを用いることで，前記ステアリング
応答特性を設定，チューニングし易くなる。

【００１３】而して本発明のうち請求項１に係るステア
リング装置は、ステアリングコラムシャフトの回転に伴
って弾性変形しながら減衰力を有するコラムカップリン
グと、このステアリングコラムシャフトの回転運動を直
線運動に変換するためのラックアンドピニオン機構のラ
ックハウジングを弾性支持しながら減衰力を有するラッ
クインシュレータと、パワーステアリング装置によるア
シスト力を発揮するために，前記ステアリングコラムシ
ャフトの回転に伴って捩じり方向に弾性変形するトーシ
ョンバーとを備えた車両のステアリング装置において、
前記コラムカップリングの弾性係数及び減衰係数から算
出される当該弾性係数の減衰係数に対する比が，ラック
インシュレータの弾性係数及び減衰係数をコラムカップ
リングの捩じり方向に換算した等価的な弾性係数及び減
衰係数から算出される当該等価的な弾性係数の等価的な
減衰係数に対する比より大きくなるように、コラムカッ
プリング及びラックインシュレータの弾性係数，減衰係
数を設定したことを特徴とするものである。

【００１４】また、本発明のうち請求項２に係る車両の
ステアリング装置は、前記コラムカップリングが、剪断
変形に伴って前記弾性力及び減衰力を発現するものであ
ることを特徴とするものである。また、本発明のうち請
求項３に係る車両のステアリング装置は、前記ラックイ
ンシュレータが、剪断変形に伴って前記弾性力及び減衰
力を発現するものであることを特徴とするものである。

【００１５】

【作用】本発明の車両のステアリング装置では、前記コ
ラムカップリングの弾性係数及び減衰係数から算出され
る折点周波数と，ラックインシュレータの弾性係数及び
減衰係数をコラムカップリングの捩じり方向に換算した
等価的な弾性係数及び減衰係数から算出される折点周波
数とに基づいて、コラムカップリングの弾性係数の減衰
係数に対する比が，前記ラックインシュレータの等価的
な弾性係数の等価的な減衰係数に対する比より大きくな
るように、コラムカップリング及びラックインシュレー
タの弾性係数，減衰係数を設定したことにより、コラム
カップリングの弾性係数の減衰係数に対する比から算出
される当該コラムカップリングの折点周波数は，ラック
インシュレータの等価的な弾性係数の等価的な減衰係数
に対する比から算出される当該ラックインシュレータの
折点周波数よりも大きく（高く）なる。一方、パワース
テアリング装置のアシスト力によるトーションバーの折
点周波数は，当該トーションバーの弾性係数及び前記コ
ラムカップリングの弾性係数の和のコラムカップリング
の減衰係数に対する比から算出されるから、このトーシ
ョンバーの折点周波数は，当該トーションバーの弾性係
数が或る正値であるとして，必然的にコラムカップリン
グの折点周波数よりも大きく（高く）なる。従って、操
舵入力の周波数応答特性を考えると，操舵入力周波数が
極めて小さい（低い）ときのステアリング装置の定常ゲ
インに対して、より低周波数側に折点周波数を有するラ
ックインシュレータによって等価的な減衰係数が乗じら
れる操舵角速度や転舵角速度等の一次進み成分の影響が
大きくなって，その伝達関数における位相が大きくなり
（進み）ゲインの増加傾きが大きくなる（広くなる）か
ら、従って前記低周波数帯域の操舵入力に対する転舵出
力の応答性が高くなり、ゆっくりとした操舵入力に対し
ては車両挙動が鋭敏になり、運転者にはきびきびとした
操縦性が感じられると共に、より高周波数側に折点周波
数を有するコラムカップリングよりも更に高周波数側に
折点周波数を有する前記トーションバーの一次遅れ効果
によって操舵入力周波数応答特性の位相が遅れてゲイン
が減少しようとするが、それよりも低い周波数側に折点
周波数を有するコラムカップリングの減衰係数が乗じら
れる一次進み成分の影響に伴う伝達関数の位相の進みや
ゲインの増加傾きによって，当該トーションバーによる
操舵入力周波数応答特性のゲインの減少を抑制又はゲイ
ンを確保することができる。

【００１６】そして、本発明のうち請求項２に係る車両
のステアリング装置では、前記コラムカップリングが，
剪断変形を伴って弾性力や減衰力を発現するもの，つま
り線形周波数特性を有するものであるために、前記ステ
アリング応答特性の特性や実車へのチューニングが容易
になり、前記発明を実用化し易くなる。また、本発明の
うち請求項３に係る車両のステアリング装置では、前記
ラックインシュレータが，剪断変形を伴って弾性力や減
衰力を発現するもの，つまり線形周波数特性を有するも
のであるために、前記ステアリング応答特性の特性や実
車へのチューニングが容易になり、前記発明を実用化し
易くなる。

【００１７】

【実施例】次に本発明の車両のステアリング装置につい
て図面を引用しながら詳細に説明する。図１〜図３は本
発明の車両のステアリング装置の一実施例を示すもので
ある。なお、この実施例では，所謂パワーステアリング
装置を介装したステアリング装置について説明する。

【００１８】図１ａにおいて、ステアリングホイール１
にはステアリングコラムシャフト２が嵌合されており、
運転者のステアリングホイール１の回転操舵によって，
このステアリングコラムシャフト２も同等の位相で回転
する。このステアリングコラムシャフト２の回転運動，
即ちステアリングホイール１の回転運動は、上方ジョイ
ント３ａを介してインターミディエートシャフト４に伝
達され、更に下方ジョイント３ｂを介してスタブシャフ
ト６に伝達される。

【００１９】このスタブシャフト６は，後述するパワー
ステアリング装置のロータリーバルブ１５に内装されて
いるトーションバー１６を介してピニオンシャフト１４
に連結されており、このピニオンシャフト１４にはピニ
オン７が取付けられ、このピニオン７にラック軸８のラ
ック８ａが噛合していて、両者で所謂ラックアンドピニ
オン機構をなす。このラックアンドピニオン機構は、既
知のように前記ステアリングホイール１から伝達された
ピニオン６の回転運動を，ラック８ａを介してラック軸
８の直線運動（並進運動）に変換するものであり、当該
ラック軸８の直線推力はその軸線方向に一致又はほぼ一
致すると考えてよい。

【００２０】このように並進運動に変換されたラック軸
８の直線推力は、内側ジョイント２１ａを介してサイド
ロッド（タイロッド）１１に伝達され、このサイドロッ
ド１１に掛かる直線推力が，外側ジョイント２１ｂを介
してナックルアーム１２を腕とする偶力に変換され、こ
の偶力によって転舵輪１３が転舵する。但し、本実施例
では，前述のようにパワーステアリング装置を備えてい
るため、このラック軸８の直線推力は，後述するパワー
シリンダのアシスト力によって発生すると考えればよ
く、実質的に運転者がステアリングホイール１に与える
操舵力は，後述するコラムカップリング５の弾性力や減
衰力及び前記トーションバー１６の弾性力に抗して，ス
テアリングコラムシャフト２系を捩じる力に消費される
と考えればよい。

【００２１】前記インターミディエートシャフト４の中
間部には、従来と同様に高ロスファクターゴムのラバー
カップリング等からなるコラムカップリング５が介装さ
れている。このコラムカップリング５は、主として操舵
入力として与えられるステアリングコラムシャフト２の
回転力（実質的にはインターミディエートシャフト４に
伝達された回転力）の，当該インターミディエートシャ
フト４の捩じり方向に作用する捩じり力に対して弾性力
を発揮するものであるが、通常のラバーカップリングと
同様にこのインターミディエートシャフト４の捩じり方
向への捩じり力に対して減衰力も発揮する。更に本発明
では，このコラムカップリング５が捩じり力に対して弾
性力や減衰力を線形に発現するために、当該コラムカッ
プリング５が捩じり力によって剪断変形する部材で構成
しており、具体的には例えば実開昭６４−１８６３４号
公報に記載される，所謂チューブインチューブタイプの
コラムカップリングが採用される。前述したようにコラ
ムカップリングによる操舵入力周波数に対する転舵出力
の伝達関数を考慮した場合、当該コラムカップリングに
よるゲイン増加開始操舵入力周波数，つまり折点周波数
やその増加周波数帯域，或いはその増加傾きは、当該コ
ラムカップリングの弾性係数や減衰係数から一意に設定
されるべきであるが、この弾性係数や減衰係数に相当す
る弾性力や減衰力が，操舵入力周波数に対して線形特性
を有さない，つまり何らかのヒステリシスを有するとす
ると、これらの設定されるべき数値も変化してしまって
後述するステアリング応答特性を設定することが困難と
なり、実車へのチューニングは非常に困難になる。その
点、前述のように剪断変形を伴って弾性力や減衰力を発
現するコラムカップリングでは，その出力周波数特性が
線形であって、所望するステアリング応答特性の設定や
実車へのチューニングが容易となる。逆に、例えば特開
平４−１５７２１０号公報に記載されるコラムカップリ
ングのように，圧縮変形や引張変形を伴って弾性力や減
衰力を発現するものにあっては、ヒステリシスが大きく
て実車へのチューニングが非常に困難となることが予想
される。なお、このようにコラムカップリングが弾性力
と減衰力とを同時に発揮するものであることから、前記
特開昭６０−１６１２５１号公報に記載されるように，
弾性力はラバーカップリングに主として専任させ、減衰
力はオリフィスを通過する粘性流体によって主として専
任的に発揮されるようにしても差し支えない。また、こ
のコラムカップリング５は、タイヤを介して転舵輪１３
に伝達される路面入力が、前記操舵力伝達経路を逆上っ
てステアリングコラムシャフト２（最終的にはステアリ
ングホイール１）に伝達される際にも、この路面入力の
インターミディエートシャフト４の捩じる方向への捩じ
り力に対して弾性力及び減衰力を発揮するが、ここでは
単に操舵力の伝達方向への弾性力及び減衰力についての
み説明を行う。

【００２２】また、前記ラック軸８のラック８ａ（ピニ
オン７を含む）はラックハウジング９に内装されてお
り、このラックハウジング９が，ラックインシュレータ
１０を介して車体側部材２０に連結されている。このラ
ックインシュレータ１０は，従来と同様に高ロスファク
ターゴムのラバーインシュレータ等からなり、前記ラッ
クハウジング９が，前記ラック軸８の移動方向，即ち当
該ラック軸８の軸線方向に移動しようとする直線推力に
対して主として弾性力を発揮するものであるが、通常の
ラバーインシュレータと同様にこのラックハウジング９
のラック軸線方向への移動推力に対して減衰力も発揮す
る。更に本発明では，このラックインシュレータ１０が
前記直線推力に対して弾性力や減衰力を線形に発現する
ために、当該ラックインシュレータ１０が直線推力によ
って剪断変形する部材で構成している。ここでも、前述
したようにラックインシュレータによる操舵入力周波数
に対する転舵出力の伝達関数を考慮した場合、当該ラッ
クインシュレータによるゲイン増加開始操舵入力周波
数，つまり折点周波数やその増加周波数帯域，或いはそ
の増加傾きは、当該ラックインシュレータの弾性係数や
減衰係数から一意に設定されるべきであるが、この弾性
係数や減衰係数に相当する弾性力や減衰力が，操舵入力
周波数に対して線形特性を有さない，つまり何らかのヒ
ステリシスを有するとすると、これらの設定されるべき
数値も変化してしまって後述するステアリング応答特性
を設定することが困難となり、実車へのチューニングは
非常に困難になる。その点、前述のように剪断変形を伴
って弾性力や減衰力を発現するラックインシュレータで
は，その出力周波数特性が線形であって、所望するステ
アリング応答特性の設定や実車へのチューニングが容易
となる。逆に、圧縮変形や引張変形を伴って弾性力や減
衰力を発現するラックインシュレータにあっては、ヒス
テリシスが大きくて実車へのチューニングが非常に困難
となることが予想される。なお、このラックインシュレ
ータは前述のようにラックハウジングの直線推力に対し
て弾性力と減衰力とを同時に発揮するものであることか
ら、前記特開昭６０−１６１２５１号公報に記載される
ように，オリフィスを通過する粘性流体及び当該粘性流
体の圧力制御弁等を用いて構成しても差し支えない。ま
た、このラックインシュレータ１０は、車体から前記ラ
ックハウジング９に伝達される振動入力が、前記操舵力
伝達経路を逆上ってステアリングコラムシャフト２（最
終的にはステアリングホイール１）に伝達される際に
も、この車体振動入力のラック軸線方向への直線推力に
対して弾性力及び減衰力を発揮するが、ここでは単に操
舵力の伝達方向への弾性力及び減衰力についてのみ説明
を行う。

【００２３】また、本実施例では前述のようにステアリ
ングコラムシャフト２系にロータリーバルブ１５を介装
して，流体式パワーステアリング装置を構築している。
即ち、既存のロータリーバルブと同様に、ロータリーバ
ルブ１５に内装されているトーションバー１６は，その
操舵入力側端であるスタブシャフト６に回転力が発生す
ると，捩じり変位を伴いながら当該回転力を出力側端で
ある前記ピニオンシャフト１４に伝達する。つまり、こ
のトーションバー１６の入力側端と出力側端との間に，
前記操舵トルクに相当する回転力に応じた位相差が発生
することになる。このようにトーションバー１６に捩じ
り変位が発生すると、その外周に配設されているロータ
１６ａが当該トーションバー１６の捩じり変位に応じて
回転する。このロータ１６ａには油路が形成されてお
り、前記トーションバー１６の捩じり変位に伴ってロー
タ１６ａが回転すると、前記油路が，ロータリーバルブ
１５のポンプポートＰから供給される流体（この場合は
流体圧）を何れか一方の出力ポートＣ₁ 又はＣ₂ に出力
し，且つ何れか他方の出力ポートＣ₂ 又はＣ₁ からの戻
り圧をリターンポートＲに戻す油路となる。

【００２４】そして、前記ロータリーバルブ１５の何れ
かの出力ポートＣ₁ 又はＣ₂ からの出力流体圧は、パワ
ーシリンダ１７の何れかの入力ポートＰ₁ 又はＰ₂ に供
給される。このパワーシリンダ１７は，前記ラック軸８
に連結されたピストン１７ａを内装しており、従って、
前記何れかの入力ポートＰ₁ 又はＰ₂ に流体圧が供給さ
れると、その入力ポートＰ₁ 又はＰ₂ に連通されている
油室の内圧が増加してピストン１７ａを他方の入力ポー
トＰ₂ 又はＰ₁ に連通されている油室側に移動しようと
し、この移動力が，前記ラック軸８に作用して操舵の補
助力，即ちアシスト力になる。ここで、移動されるピス
トン１７ａによって容積が小さくなる油室内の流体圧
は、当該油室に連通されている他方の入力ポートＰ₂ 又
はＰ₁ からロータリーバルブ１５の他方の出力ポートＣ
₂ 又はＣ₁ を介して前記リターンポートＲを通って，図
示されないリザーバタンク等に還元される。

【００２５】この図１ａのステアリング装置を模式化し
たのが図１ｂである。この図１ｂでは、前記ステアリン
グコラムシャフト２から伝達されるインターミディエー
トシャフト４の捩じり方向への捩じり力に対して，コラ
ムカップリング５が発揮する弾性力及び減衰力に係る弾
性係数Ｋ₁ 及び減衰係数Ｃ₁ を、前記捩じり方向に合わ
せて図のように表記した。

【００２６】また、前記トーションバー１６の捩じり方
向への捩じり変形を許容する弾性係数Ｋ₃ を，前記スタ
ブシャフト６及びピニオンシャフト１４間で発生する捩
じり方向に合わせて図のように表記した。また、前記ラ
ックハウジング９のラック軸線方向への直線推力に対し
て，前記ラックインシュレータ１０が発揮する弾性力及
び減衰力に係る弾性係数Ｋ₂ 及び減衰係数Ｃ₂ を、前記
ラック軸線方向への直線推力に合わせて図のように表記
した。

【００２７】また、前記ロータリーバルブ１５を介して
パワーシリンダ１７のピストン１７ａに作用するアシス
ト力をｆで表し、このアシスト力ｆは前記ラック軸８に
軸線方向への推力として作用するように表記した。な
お、ステアリングホイール１からピニオン７に回転力を
伝達するステアリングコラムシャフト２，上方ジョイン
ト３ａ，インターミディエートシャフト４，下方ジョイ
ント３ｂ，スタブシャフト６，ピニオンシャフト１４ま
では機械的に一連の剛体（制御応答からは直達系）であ
るとして取扱う。また、ラック軸８，内側ジョイント２
１ａ，サイドロッド１１，外側ジョイント２１ｂまで
も，機械的に一連の剛体（制御応答からは直達系）であ
るとして，ラック軸８を代表的に取扱う。また、ナック
ルアーム１２から転舵輪１３までも機械的に一連の剛体
であるとして取扱う。

【００２８】ここで、図１ｂ中の各記号について説明す
る。図中、前述のようにＫ₁ はコラムカップリング５の
弾性係数，Ｃ₁ はコラムカップリングの減衰係数であ
り、Ｋ ₂ はラックインシュレータ１０の弾性係数，Ｃ₂
はラックインシュレータの減衰係数である。また、前述
のようにＫ₃ はトーションバー１６の弾性係数である。
また、ｒはピニオン７の有効（ピッチ円）半径で，操舵
入力である操舵トルクをＴとし、この操舵トルクＴによ
るステアリングホイール１からステアリングコラムシャ
フト２系の操舵角θに対してトーションバー１６の入力
側端，即ち上部の回転角をθ₁ とし、トーションバー１
６の出力側端，即ち下部，つまりピニオン７の回転角を
θ₂ とする（前述のようにトーションバー１６の入出力
側端には位相差が発生するため）。これに対して、前記
ラックアンドピニオン機構のギヤ比をＮとし、前記ピニ
オン７の回転角θ₂ を伴うパワーステアリング装置のパ
ワーシリンダ１７によるラック軸８の軸線方向直線推力
（アシスト力）をｆとする。このラック軸８の軸線方向
アシスト力ｆによって，ナックルアーム１２及び転舵輪
１３は，キングピン（仮想的なキングピンを含む）Ｋ．
Ｐ回りに回転されることになり、ここでナックルアーム
１２の着力点ＰからキングピンＫ．Ｐまでの腕（モーメ
ントアーム）の長さをＬとし、このキングピンＫ．Ｐ回
りのナックルアーム１２及び転舵輪１３（タイヤやホイ
ールを含む）の慣性モーメントをＩとする。更に、前記
ナックルアーム１２及び転舵輪１３に係る偶力（回転
力，モーメント）による転舵輪１３の実転舵角をδと
し、転舵輪１３のタイヤの捩じり弾性係数をＫ₄ とす
る。また、前記ラックハウジング９のラック軸方向への
直線推力による前記ラックインシュレータ１０の撓み量
（変位）をｙとする。一方、前記パワーステアリング装
置のパワーシリンダ１７によるアシスト力ｆが，トーシ
ョンバー１６の入力側端に作用する力に変換される際の
変換係数を，パワーステアリングアシスト係数としてＫ
で表す。

【００２９】次に、本発明の基本原理を説明するため
に，このステアリング装置回りの運動方程式を以下のよ
うに構築する。まず、キングピンＫ．Ｐ回りの偶力の運
動方程式は下記１式で表される。 Ｉδ”＋Ｋ₄ δ＝Ｌ（Ｔ／ｒ＋ｆ） ……… (1) また、ラックインシュレータ１０に作用する推力の運動
方程式は下記２式で表される。

【００３０】 Ｋ₂ ｙ＋Ｃ₂ ｙ’＝（Ｔ／ｒ＋ｆ） ……… (2) また、コラムカップリング５に作用する偶力の運動方程
式は下記３式で表される。 Ｋ₁ （θ−θ₁ ）＋Ｃ₁ （θ’−θ₁ ’）＝Ｔ ……… (3) また、パワーシリンダ１７によるアシスト力ｆを差し引
いた操舵トルクＴの運動方程式は下記４式で表される。

【００３１】 Ｋ₃ （θ₁ −θ₂ ）＝Ｔ ……… (4) 但し、転舵輪１３の実転舵角δ及びラックアンドピニオ
ン機構のギヤ比Ｎ及びパワーシリンダ１７のアシスト力
ｆは、夫々下記５式及び６式及び７式で与えられる。 δ＝（ｒθ−ｙ）／Ｌ ……… (5) Ｎ＝Ｌ／ｒ ……… (6) ｆ＝Ｋ（θ₁ −θ₂ ） ……… (7) そして、ここでは前記キングピンＫ．Ｐ回りの慣性モー
メントＩは微小であるとして，Ｉ≒０として扱う。

【００３２】ここで、前記各条件を用いて変位ｙ，ピニ
オン半径ｒを消去するようにこれら１式〜５式を整理す
ると、下記８式〜１０式を得る。

【００３３】

【数１】

【００３４】ここで、前述のようにラックインシュレー
タ１０の弾性係数Ｋ₂ 及び減衰係数Ｃ₂ またタイヤの捩
じり弾性係数Ｋ₄ を，コラムカップリング５の捩じり方
向への等価的な弾性係数Ｋ₂ ’及び減衰係数Ｃ₂ ’また
弾性係数Ｋ₄ ’に換算する。即ち、前記８式及び９式に
おいて，これらの各係数Ｋ₂ ，Ｃ₂ ，Ｋ₄ が乗じられる
位相及び角速度の成分は，何れも当該コラムカップリン
グの捩じり方向（つまり回転方向）に一致されていると
考えられるから、各係数Ｋ₂ ，Ｃ₂ ，Ｋ₄ に乗じられる
定数項をこの係数にまとめることで，前記等価的な弾性
係数Ｋ₂ ’及び減衰係数Ｃ₂ ’また弾性係数Ｋ₄ ’への
換算が可能となる。

【００３５】従って、前記コラムカップリング５の捩じ
り方向へのラックインシュレータ１０の等価的な弾性係
数Ｋ₂ ’及び減衰係数Ｃ₂ ’，またコラムカップリング
５の捩じり方向へのタイヤの等価的な弾性係数Ｋ₄ ’
は、夫々下記１１式〜１３式で与えられる。 Ｋ₂ ’＝（Ｌ² ／Ｎ² ）Ｋ₂ ………(11) Ｃ₂ ’＝（Ｌ² ／Ｎ² ）Ｃ₂ ………(12) Ｋ₄ ’＝（１／Ｎ² ）Ｋ₄ ………(13) 従って、この１１式〜１３式を前記８式〜１０式に代入
すれば、当該８式〜１０式は微分演算子Ｓを用いて下記
１４式〜１６式に表される。

【００３６】 Ｋ₄ ’Ｎδ＝Ｔ＋Ｌｆ／Ｎ ………(14) （Ｃ₂ ’Ｓ＋Ｋ₂ ’）（θ₁ −Ｎδ）＝Ｔ＋Ｌｆ／Ｎ ………(15) Ｔ＝（Ｃ₁ Ｓ＋Ｋ₁ ）（θ−θ₁ ）＝Ｋ₃ （θ₁ −θ₂ ） ………(16) この１４式〜１６式で与えられる運動方程式は，図２に
示すタイヤの一端が路面に固定されているモデルと等価
であることが分かる。ここで、前記作用する力の方向を
統一するように変換して得られた等価的なタイヤと，同
じく等価的なラックインシュレータとの間に仮想質点ｍ
（＝０）が存在すると想定し、この仮想質点ｍにラック
インシュレータ側から力Ｆ₂ とタイヤ側から力Ｆ₃ とが
作用している状態を想定する。そして、前記パワーステ
アリング装置のない状態，即ちパワーシリンダによるア
シスト力が，トーションバーと前記等価的なラックイン
シュレータとの間の仮想質点（＝０）に作用せず、ま
た、トーションバーが存在しない（＝トーションバーの
弾性係数Ｋ₃ ＝∞である）状態で，このステアリング装
置に対して操舵入力である操舵角θと転舵出力であるギ
ヤ比・実転舵角Ｎδとの周波数応答特性を考える。な
お、前記トーションバーと前記等価的なラックインシュ
レータとの間の仮想質点に作用するパワーシリンダのア
シスト力（Ｌｆ／Ｎ）は，前記１４式から容易に得られ
よう。また、ここではトーションバーの弾性係数Ｋ₃ が
無限大である，即ちトーションバーが剛体であると想定
したから、前記トーションバーの上部での回転角θ₁ と
トーションバーの下部，即ちピニオンの回転角θ₂ とは
同等になる。

【００３７】ここで、前記等価的なタイヤと，同じく等
価的なラックインシュレータとの間に仮想質点ｍ（＝
０）に作用する各力Ｆ₂ ，Ｆ₃ は夫々下記１７式〜１９
式で表される。 Ｆ₂ ＝（Ｃ₂ ’Ｓ＋Ｋ₂ ’）（θ₁ −Ｎδ）＝（Ｃ₁ Ｓ＋Ｋ₁ ）（θ−θ₁ ） ………(17) Ｆ₃ ＝Ｋ₄ ’Ｎδ ………(18) Ｆ₂ −Ｆ₃ ＝ｍＳ² Ｎδ ………(19) ここで、前記１３式からピニオンの回転角θ₂ に等価な
トーションバーの上部の回転角θ₁ を消去すると，下記
２０式を得る。

【００３８】

【数２】

【００３９】次に、前記１９式に前記１８式及び２０式
を代入して整理すると，下記２１式を伝達関数として得
る。

【００４０】

【数３】

【００４１】ここで、前記２１式において，分母を微分
演算子Ｓの一次式の積の形で近似し、また仮想質点ｍ＝
０を代入すると，当該２１式の分母は下記２２式で与え
られる。

【００４２】

【数４】

【００４３】但し、 Ａ＝Ｋ₁ Ｋ₂'＋Ｋ₂'Ｋ₄'＋Ｋ₄'Ｋ₁ ………(23) であり、また前記２２式で表される２１式の分母の第２
項，つまり微分演算子の二乗Ｓ² の項は微小値であると
してネグレクトする。ここで、

【００４４】

【数５】

【００４５】とおくと、前記２１式の伝達関数は下記２
６式で表される。

【００４６】

【数６】

【００４７】この２６式で与えられる操舵角θに対する
ギヤ比・実転舵角Ｎδの伝達関数Ｎδ／θをボード線図
化すると図３に示すような周波数応答特性を得ることが
できる。同図において，図３ａはゲイン｜Ｎδ／θ｜，
図３ｂは位相∠（Ｎδ／θ）を示す。そして、この伝達
関数によれば図３ａに示すように操舵周波数入力に対し
てゲイン｜Ｎδ／θ｜が増加する，或いは位相∠（Ｎδ
／θ）が進む周波数帯域Ａ，Ｂが存在する。

【００４８】ここで、例えば前記コラムカップリングの
弾性係数と減衰係数との比（Ｋ₁ ／Ｃ₁ ）が，前記等価
的なラックインシュレータの弾性係数と減衰係数との比
（Ｋ ₂'／Ｃ₂'）より小さいと想定すると、より低周波数
帯域に折点周波数を有するコラムカップリングの低周波
数寄り折点周波数ｆ_L ，つまりより低周波数寄りでゲイ
ン｜Ｎδ／θ｜が増加し始める周波数は下記２７式で与
えられる。

【００４９】 ｆ_L ＝Ｋ₁ ／２πＣ₁ ………(27) また、このコラムカップリングで，前記操舵力伝達経路
のゲイン｜Ｎδ／θ｜が増加する，即ち位相∠（Ｎδ／
θ）が進んでいる領域の低周波数寄りゲイン増加周波数
上限値ｆ_L ' は、下記２８式で与えられる。 ｆ_L ' ＝ｆ_L ／（１−Ｋ₁₂₃ ／Ｋ₁ ） ………(28) 同様に、より高周波数帯域に折点周波数を有する等価的
なラックインシュレータの高周波数寄り折点周波数
ｆ_H ，つまりより高周波数寄りでゲイン｜Ｎδ／θ｜が
増加し始める周波数は下記２９式で与えられる。

【００５０】 ｆ_H ＝Ｋ₂'／２πＣ₂' ………(29) また、この等価的なラックインシュレータで，前記操舵
力伝達経路のゲイン｜Ｎδ／θ｜が増加する，即ち位相
∠（Ｎδ／θ）が進んでいる領域の高周波数寄りゲイン
増加周波数上限値ｆ_H ' は、下記３０式で与えられる。 ｆ_H ' ＝ｆ_H ／（１−Ｋ₁₂₃ ／Ｋ₂'） ………(30) また、前記操舵入力に対する操舵力伝達経路の定常ゲイ
ン（１−ｋ）は下記３１式で与えられる。

【００５１】 １−ｋ＝１−Ｋ₁₂₃ ／Ｋ₁₂ ………(31) ここで、図３ａ，ｂの各横軸は対数表示されているた
め、前記ゲイン｜Ｎδ／θ｜の増大する周波数帯域Ａ，
Ｂの幅は、下記３２式及び３３式で得られる。

【００５２】

【数７】

【００５３】然るに、図３において，増大するゲイン｜
Ｎδ／θ｜の傾きは２０ｄＢ／dec.程度で一定であると
すると、操舵入力の高周波数側でゲイン｜Ｎδ／θ｜が
必ず“１”に飽和することから、前記ゲイン｜Ｎδ／θ
｜の増大する周波数帯域Ａ，Ｂの幅の和は，前記定常ゲ
イン（１−ｋ）で決定されてしまうことになる。つま
り、このゲイン｜Ｎδ／θ｜が増加する周波数帯域Ａ，
Ｂの幅を適切に設定することで、操舵力伝達系の周波数
応答特性を良好にすることができる。

【００５４】ここで、例えば自動車技術会論文集1970．
No.1，P89 〜P94 の「人動車の進路変更特性」（平尾
収，安部 正人）によれば、操舵入力が低周波数側であ
る場合，即ちゆっくりとした操舵時に、転舵応答性向
上，つまり前記ゲイン｜Ｎδ／θ｜が増大することは運
転者（人間）にとって望ましいことが述べられている。
経験的には、ゆっくりとした操舵，即ち運転者によるス
テアリングホイールの操舵速度が比較的遅いときには、
実際の転舵輪の転舵角がより大きい或いは速いほうが当
該転舵輪のコーナリングフォースの発生を早めるから，
車両の回頭性が向上して所謂きびきびした車両挙動が望
め、従って操縦性が向上することなどで言い表されよ
う。

【００５５】従って、今、仮に前記ゲイン｜Ｎδ／θ｜
が増加する低周波数帯域Ａの幅よりも，同じくゲイン｜
Ｎδ／θ｜が増加する高周波数帯域Ｂの幅を大きく（広
く）設定してしまったとすると、前記操舵入力の低周波
数側での位相進みやゲイン増大といった微分的な，つま
り一次進み成分による効果が小さくなり、本来的にこの
ステアリング装置が有する機能を十分に活かしていると
は言い難い。ここでは、前述のような操舵応答性の向上
が望まれる周波数帯域は，一般に０〜５Ｈｚ程度の低周
波数帯域であることから、ゲイン｜Ｎδ／θ｜が増加す
る低周波数帯域Ａの幅を，同じくゲイン｜Ｎδ／θ｜が
増加する高周波数帯域Ｂの幅以上に設定することにす
る。この条件式は、前記３２式及び３３式を用いて，下
記３４式で与えられることになる。

【００５６】

【数８】

【００５７】この３４式より、前述のようにコラムカッ
プリングの折点周波数が，等価的なラックインシュレー
タの折点周波数よりも小さい（低い）とき、即ちコラム
カップリングの弾性係数の減衰係数に対する比が，ラッ
クインシュレータの等価的な弾性係数の等価的な減衰係
数に対する比以下であるときには、当該等価的なラック
インシュレータの弾性係数Ｋ₂'が，コラムカップリング
の弾性係数Ｋ₁ 以上になればよいことになる。

【００５８】逆に、等価的なラックインシュレータの折
点周波数が，コラムカップリングの折点周波数よりも小
さい（低い）ときには、より低周波数帯域に折点周波数
を有する等価的なラックインシュレータの低周波数寄り
折点周波数ｆ_L ，つまりより低周波数寄りでゲイン｜Ｎ
δ／θ｜が増加し始める周波数は下記３５式で与えられ
る。

【００５９】 ｆ_L ＝Ｋ₂'／２πＣ₂' ………(35) また、この等価的なラックインシュレータで，前記操舵
力伝達経路のゲイン｜Ｎδ／θ｜が増加する，即ち位相
∠（Ｎδ／θ）が進んでいる領域の低周波数寄りゲイン
増加周波数上限値ｆ_L ' は、下記３６式で与えられる。 ｆ_L ' ＝ｆ_L ／（１−Ｋ₁₂₃ ／Ｋ₂'） ………(36) 同様に、より高周波数帯域に折点周波数を有するコラム
カップリングの高周波数寄り折点周波数ｆ_H ，つまりよ
り高周波数寄りでゲイン｜Ｎδ／θ｜が増加し始める周
波数は下記３７式で与えられる。

【００６０】 ｆ_H ＝Ｋ₁ ／２πＣ₁ ………(37) また、このコラムカップリングで，前記操舵力伝達経路
のゲイン｜Ｎδ／θ｜が増加する，即ち位相∠（Ｎδ／
θ）が進んでいる領域の高周波数寄り折点ゲイン増加周
波数上限値ｆ_H ' は、下記３８式で与えられる。 ｆ_H ' ＝ｆ_H ／（１−Ｋ₁₂₃ ／Ｋ₁ ） ………(38) ここで、前記ゲイン｜Ｎδ／θ｜の増大する周波数帯域
Ａ，Ｂの幅は、下記３９式及び４０式で得られる。

【００６１】

【数９】

【００６２】ここで、前述と同様にゲイン｜Ｎδ／θ｜
が増加する低周波数帯域Ａの幅を，同じくゲイン｜Ｎδ
／θ｜が増加する高周波数帯域Ｂの幅以上に設定するこ
とにすれば、その条件式は、前記３９式及び４０式を用
いて，下記４１式で与えられることになる。

【００６３】

【数１０】

【００６４】この４１式より、前述のように等価的なラ
ックインシュレータの折点周波数が，コラムカップリン
グの折点周波数よりも小さい（低い）とき、即ちラック
インシュレータの等価的な弾性係数の等価的な減衰係数
に対する比が，コラムカップリングの弾性係数の減衰係
数に対する比以下であるときには、当該コラムカップリ
ングの弾性係数Ｋ₁ が，等価的なラックインシュレータ
の弾性係数Ｋ₂'以上になればよいことになる。

【００６５】以上が前記パワーステアリング装置のロー
タリーバルブ及びトーションバーのない場合のコラムカ
ップリングやラックインシュレータの弾性係数及び減衰
係数の設定手法である。しかしながら、本実施例はステ
アリングコラムシャフト２系にトーションバー１６を介
装していることを前提としている。従って、このトーシ
ョンバー１６が与える操舵入力周波数応答特性に応じ
て，前記コラムカップリングやラックインシュレータの
弾性係数や減衰係数を設定する必要があろう。そこで、
前述した４式より下記４２式を得る。

【００６６】 θ₁ ＝θ₂ ＋ｆ／Ｋ ………(42) また、前記１６式から下記４３式を得る。 θ₁ ＝θ₂ ＋Ｔ／Ｋ₃ ………(43) 従って、前記４２式及び４３式から下記４４式を得る。 ｆ＝ＫＴ／Ｋ₃ ………(44) これら４２式〜４４式を前記１６式に代入すると操舵ト
ルクの伝達関数として下記４５式を得る。

【００６７】

【数１１】

【００６８】これに対して、パワーステアリング装置の
ない場合の操舵トルクの伝達関数は、前記トーションバ
ーの弾性係数Ｋ₃ が無限大であるとみなしてよいから，
下記４６式で与えられる。 Ｔ＝（Ｃ₁ Ｓ＋Ｋ₁ ）（θ−θ₂ ） ………(46) 前記４５式と４６式とで表されるパワーステアリング装
置を付加した（トーションバーの弾性係数Ｋ₃ を付加し
た）場合及びパワーステアリング装置を付加しない（ト
ーションバーの弾性係数Ｋ₃ が無限大である）場合の操
舵トルクとピニオンの回転角との伝達関数をボード線図
化したのが図４である。同図の図４ａはこの伝達関数の
ゲイン｜Ｔ／θ−θ₂ ｜を，図４ｂは位相∠（Ｔ／θ−
θ₂ ）を示す。両者の伝達関数やボード線図を比較すれ
ば明らかなように，パワーステアリング装置を付加する
（トーションバーの弾性係数Ｋ₃ を付加する）ことによ
って、前記ピニオンに伝達されるトルクが遅れてしま
う。即ち、このパワーステアリング装置の折点周波数
（この場合は，トーションバーまでの操舵入力伝達経路
の折点周波数と等価である）ｆ_PSで位相が遅れ，またゲ
インが増加しなくなるといったように、前記コラムカッ
プリングの減衰による微分的な効果，つまりコラムカッ
プリングの減衰係数Ｃ₁ に係る一次進み成分の効果が小
さくなってしまうことになる。

【００６９】これを前記図３に示すパワーステアリング
装置を付加しない（トーションバーの弾性係数Ｋ₃ が無
限大である）場合の通常ステアリング装置の操舵入力周
波数応答特性に合わせてみる。ここで、トーションバー
によるパワーステアリング装置の折点周波数ｆ_PSは下記
４７式で与えられる。 ｆ_PS＝（Ｋ₁ ＋Ｋ₃ ）／２πＣ₁ ………(47) 図５ａ，ｂは、このトーションバーによるパワーステア
リング装置の折点周波数ｆ_PSが，コラムカップリング又
はラックインシュレータのうち，より高周波側の折点周
波数ｆ_H よりも更に高周波側にある場合の操舵入力周波
数応答特性を示すものであり、同図ａはゲイン｜Ｎδ／
θ｜を，同図ｂは位相∠（Ｎδ／θ）を示す。これらの
図では、前記トーションバーによるパワーステアリング
装置の折点周波数ｆ_PS以上での当該パワーステアリング
装置の位相の遅れやゲインの減少の影響が小さく、同時
に前記文献に要求されるステアリング応答特性をも満足
させることが可能であることも分かる。つまり、操舵入
力のより低周波数側で位相の進みやゲインの増加傾きに
よるゲインの増加量を確保してステアリング応答特性を
高め、逆に操舵入力のより高周波数側では位相の遅れや
ゲインの増加傾き減少を抑制することも可能となる。

【００７０】一方、図５ｃ，ｄは、トーションバーによ
るパワーステアリング装置の折点周波数ｆ_PSが，コラム
カップリング又はラックインシュレータのうち，より低
周波側の折点周波数ｆ_L よりも高周波側にある場合の操
舵入力周波数応答特性を示すものであり、同図ｃはゲイ
ン｜Ｎδ／θ｜を，同図ｄは位相∠（Ｎδ／θ）を示
す。これらの図では、前記トーションバーによるパワー
ステアリング装置の折点周波数ｆ_PS以上での当該パワー
ステアリング装置の位相の遅れやゲインの減少の影響が
大きく、同時に前記文献に要求されるステアリング応答
特性をも満足させることが困難であることも分かる。つ
まり、操舵入力のより低周波数側で位相の進みやゲイン
の増加傾きによるゲインの増加量が，前記パワーステア
リング装置のトーションバーによって抑制されてステア
リング応答特性が低くなり、その結果，コラムカップリ
ング又はラックインシュレータのより高周波数側の折点
周波数ｆ_H での位相の進みやゲインの増加傾きによって
も，全体的な位相の遅れやゲインの低下を抑制ことがで
きないために、好ましいステアリング応答特性を得るこ
とが困難になっている。

【００７１】このようにトーションバーによる位相の遅
れやゲインの減少をできるだけ操舵入力の高周波数側に
設定することで，ステアリング応答特性の劣化を抑制防
止することができ、同時に前記文献に要求されるステア
リング特性の実現をも可能とすることができよう。従っ
て、前記コラムカップリング又はラックインシュレータ
のうち，何れかより低周波数側の折点周波数ｆ_L と、何
れかより高周波数側の折点周波数ｆ_H と、トーションバ
ーによるパワーステアリング装置の折点周波数ｆ_PSとの
相関は、下記４８式で表される条件を満足すればよいこ
とになる。

【００７２】 ｆ_L ＜ｆ_H ＜ｆ_PS ………(48) それでは次に、ラックインシュレータの折点周波数が，
コラムカップリングの折点周波数よりも高い場合、即
ち，より低周波数側の折点周波数ｆ_L 及びより高周波側
の折点周波数ｆ_H が前記２７式及び２９式で表される場
合，つまりコラムカップリングの弾性係数Ｋ₁ の減衰係
数Ｃ₁ に対する比（Ｋ₁ ／Ｃ₁ ）が，ラックインシュレ
ータの等価的な弾性係数Ｋ₂'の等価的な減衰係数Ｃ₂'に
対する比（Ｋ₂'／Ｃ₂'）よりも小さい((Ｋ₁ ／Ｃ₁ ）＜
（Ｋ₂'／Ｃ₂'))場合に、前記４８式で表される条件式を
満足する諸条件について考察する。

【００７３】今、操舵入力周波数の代表値としてこの操
舵入力周波数が１Ｈｚであるとして，コラムカップリン
グ及びラックインシュレータの各ロスファクターを tan
δ₁， tanδ₂ とすると、これら各ロスファクター tan
δ₁ ， tanδ₂ は，夫々下記４９式及び５０式で表され
る。 tanδ₁ ＝２πＣ₁ ／Ｋ₁ ………(49) tanδ₂ ＝２πＣ₂'／Ｋ₂' ………(50) この４９式及び５０式を，前記２７式，２９式，４７式
に代入して下記５１式〜５３式を得る。

【００７４】 ｆ_L ＝１／ tanδ₁ ………(51) ｆ_H ＝１／ tanδ₂ ………(52) ｆ_PS＝（１＋Ｋ₁ ／Ｋ₃ ）／ tanδ₁ ………(53) これらを前記条件式である４８式に代入すると、夫々，
下記５４式及び５５式を具体的な条件式として得る。

【００７５】

【数１２】

【００７６】このうち，５４式が，より低周波数側の折
点周波数ｆ_L とより高周波側の折点周波数ｆ_H との相関
条件を示すものであり、５５式が，より高周波側の折点
周波数ｆ_H とパワーステアリング装置の折点周波数ｆ_PS
との相関条件を示すものである。しかしながら、前記コ
ラムカップリング及びラックインシュレータの各ロスフ
ァクター tanδ₁ ， tanδ₂ は、現実問題として大きく
設定することができず、実質的に両者の比（ tanδ₁ ／
tanδ₂ ）は“２”と同等かやや小さい程度である。従
って、前記５５式は下記５６式に置換される。

【００７７】 Ｋ₃ ＞Ｋ₁ ………(56) 一方、このトーションバーの弾性係数Ｋ₃ は，前述のよ
うにパワーステアリング装置の油圧反力特性を決定する
重要なファクターであり、この値を前記５６式にのみ見
合うように設定すると，前記操縦感とか操舵感といった
ステアリング操作感を悪化させてしまう可能性がある。
事実、前述のようにトーションバーの捩じり変位に応じ
たパワーステアリング装置の流体供給特性，即ち油圧反
力特性を付与するものであるために応力的にも余り硬い
ものにすることができず、トーションバーの弾性係数Ｋ
₃ は，０．２kgｍ／deg.であり、一方のコラムカップリ
ングの弾性係数Ｋ₁ は，０．４kgｍ／deg.であることか
ら、このようにコラムカップリングの弾性係数Ｋ₁ の減
衰係数Ｃ₁ に対する比（Ｋ₁ ／Ｃ₁ ）が，ラックインシ
ュレータの等価的な弾性係数Ｋ₂'の等価的な減衰係数Ｃ
₂'に対する比（Ｋ₂'／Ｃ₂'）よりも小さい((Ｋ₁ ／
Ｃ₁ ）＜（Ｋ₂'／Ｃ₂'))場合には、前記５６式の条件式
は満足されにくいことが分かる。

【００７８】従って、これらを前記ステアリング装置に
求められる操舵入力周波数応答特性に従って統括すれ
ば、十分条件として，本発明のように、前記コラムカッ
プリング５の弾性係数Ｋ₁ 及び減衰係数Ｃ₁ から算出さ
れる折点周波数（Ｋ₁ ／２πＣ ₁ ）と，ラックインシュ
レータ１０の弾性係数Ｋ₂ 及び減衰係数Ｃ₂ をコラムカ
ップリング５の捩じり方向に換算した等価的な弾性係数
Ｋ₂'及び減衰係数Ｃ₂'から算出される折点周波数（Ｋ₂'
／２πＣ₂'）とに基づいて、コラムカップリング５の弾
性係数Ｋ₁ の減衰係数Ｃ₁ に対する比（Ｋ₁ ／Ｃ₁ ）
が，前記ラックインシュレータ１０の等価的な弾性係数
Ｋ₂'の等価的な減衰係数Ｃ₂'に対する比（Ｋ ₂'／Ｃ₂'）
より大きくなるように、コラムカップリング５及びラッ
クインシュレータ１０の弾性係数Ｋ₁ ，Ｋ₂ ，減衰係数
Ｃ₁ ，Ｃ₂ を設定することが要件となる。

【００７９】次に、本実施例のステアリング装置で，実
際に設定されたコラムカップリングの弾性係数及び減衰
係数，ラックインシュレータの弾性係数及び減衰係数，
トーションバーの弾性係数の一例について、前記発明原
理を検証してみる。ここでは、これらの各係数は以下の
ように設定された。 コラムカップリングの弾性係数Ｋ₁ ： 337Ｎｍ／rad. コラムカップリングの減衰係数Ｃ₁ ： 16.1Ｎｍ／rad.／sec. ラックインシュレータの弾性係数Ｋ₂ ： 2940000Ｎ／ｍ ラックインシュレータの減衰係数Ｃ₂ ： 280730Ｎ／ｍ／sec. トーションバーの弾性係数Ｋ₃ ： 112Ｎｍ／rad. また、ナックルアームの腕の長さＬ：０．１３ｍ，ラッ
クアンドピニオン機構のギヤ比Ｎ：１８である。

【００８０】ここで、前記８式及び９式で算出されるラ
ックインシュレータの等価的な弾性係数Ｋ₂'及び減衰係
数Ｃ₂'は以下のようになる。 ラックインシュレータの等価的な弾性係数Ｋ₂'： 153Ｎｍ／rad. ラックインシュレータの等価的な減衰係数Ｃ₂'： 14.6Ｎｍ／rad.／sec. 従って、コラムカップリングの弾性係数の減衰係数に対
する比は２０．９３となり、等価的なラックインシュレ
ータの弾性係数の減衰係数に対する比は１０．４８とな
り、前述した条件を満足している。

【００８１】また、ラックインシュレータの折点周波数
は，前記３１式に従って１．７Ｈｚ程度となり、コラム
カップリングの折点周波数は，前記３３式に従って３．
３Ｈｚ程度となり、トーションバーによるパワーステア
リング装置の折点周波数は，前記４７式に従って４．４
４Ｈｚ程度となり、前記４８式に示すように所望するス
テアリング特性の周波数応答特性条件を満足している。

【００８２】なお、この数値は，前記実施例における一
例に過ぎず、本来的には車両特性に応じて設定されるべ
きものであり、本発明では前記の設定条件が満足されれ
ば，前述した所望するステアリング装置の周波数応答特
性を得ることができる。また、前記実施例では，流体式
パワーステアリング装置に，トーションバーを内装する
ロータリーバルブを設けた場合についてのみ詳述した
が、本発明は前記ステアリングコラムシャフト系にトー
ションバーを介装したものであれば、例えば電動パワー
ステアリング装置を介装したステアリング装置にも同様
に適用可能である。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように本発明のステアリン
グ装置によれば、パワーステアリング装置のトーション
バーを操舵力伝達経路に介装し、この操舵力伝達経路に
存在するコラムカップリング及びラックインシュレータ
の弾性係数及び減衰係数を，トーションバーによるパワ
ーステアリング装置のゲインの減少や位相の遅れの影響
が小さくなるように適切に設定することができるため、
ステアリング応答特性を良好に発揮することができる。
また、これにより低周波数帯域の操舵入力に対する転舵
出力のゲインの増加量が大きくなって応答性が高くな
り、ゆっくりとした操舵入力に対しては車両挙動が鋭敏
になって運転者にはきびきびとした操縦性が感じられる
ことを可能とする。また、コラムカップリングやラック
インシュレータが剪断変形に伴って弾性力や減衰力を発
現するものであれば、その周波数特性が線形となって，
前記ステアリング応答特性を設定し易くなり、同時に実
車へのチューニングも容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のステアリング装置の一実施例を示すも
のであり、（ａ）は概略構成図，（ｂ）は同図ａの模式
図である。

【図２】図１のステアリング装置のモデル図である。

【図３】図１のステアリング装置において，パワーステ
アリング装置もそのためのトーションバーも存在しない
場合の操舵入力に対する転舵出力の伝達関数のボード線
図である。

【図４】図１のステアリング装置において，トーション
バーによるパワーステアリング装置の操舵トルク伝達関
数のボード線図である。

【図５】図１のステアリング装置において，パワーステ
アリング装置の折点周波数を変化させた場合の操舵入力
に対する転舵出力の伝達関数のボード線図である。

【符号の説明】

１はステアリングホイール ２はスアテアリングコラムシャフト ３ａ，３ｂはジョイント ４はインターミディエートシャフト ５はコラムカップリング ６はスタブシャフト ７はピニオン ８はラック軸 ９はラックハウジング １０はラックインシュレータ １１はタイロッド １２はナックルアーム １３は転舵輪 １４はピニオンシャフト １５はロータリーバルブ １６はトーションバー １７はパワーシリンダ ２０は車体側部材 Ｋ₁ はコラムカップリングの弾性係数 Ｃ₁ はコラムカップリングの減衰係数 Ｋ₂ はラックインシュレータの弾性係数 Ｃ₂ はラックインシュレータの減衰係数 Ｋ₂'はラックインシュレータの等価的な弾性係数 Ｃ₂'はラックインシュレータの等価的な減衰係数 Ｋ₃ はトーションバーの弾性係数 Ｋ₄ はタイヤの弾性係数 Ｋ₄'はタイヤの等価的な弾性係数

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステアリングコラムシャフトの回転に伴
   って弾性変形しながら減衰力を有するコラムカップリン
   グと、このステアリングコラムシャフトの回転運動を直
   線運動に変換するためのラックアンドピニオン機構のラ
   ックハウジングを弾性支持しながら減衰力を有するラッ
   クインシュレータと、パワーステアリング装置によるア
   シスト力を発揮するために，前記ステアリングコラムシ
   ャフトの回転に伴って捩じり方向に弾性変形するトーシ
   ョンバーとを備えた車両のステアリング装置において、
   前記コラムカップリングの弾性係数及び減衰係数から算
   出される当該弾性係数の減衰係数に対する比が，ラック
   インシュレータの弾性係数及び減衰係数をコラムカップ
   リングの捩じり方向に換算した等価的な弾性係数及び減
   衰係数から算出される当該等価的な弾性係数の等価的な
   減衰係数に対する比より大きくなるように、コラムカッ
   プリング及びラックインシュレータの弾性係数，減衰係
   数を設定したことを特徴とする車両のステアリング装
   置。
2. 【請求項２】 前記コラムカップリングは、剪断変形に
   伴って前記弾性力及び減衰力を発現するものであること
   を特徴とする請求項１に記載の車両のステアリング装
   置。
3. 【請求項３】 前記ラックインシュレータは、剪断変形
   に伴って前記弾性力及び減衰力を発現するものであるこ
   とを特徴とする請求項１又は２に記載の車両のステアリ
   ング装置。