JP2005306317A - パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】局部的に過大な負荷がかからない状態で、動力のロス、エネルギーのロスを増大させることなく、大きな操舵補助力が得られるようにする。
【解決手段】本発明のパワーステアリング装置は、操舵軸２と、上記操舵軸に減速機構２２を介して連結される第１操舵補助手段としての電動モータ４と、上記操舵軸の回転を軸方向の移動に変換するボールねじ機構５と、上記ボールねじ機構と連動するセクターギヤ６とを備え、電動モータ４とは別にセクターギヤ６を操舵補助する第２操舵補助手段を設け、第２操舵補助手段をボールねじ機構５を収容するシリンダ部７１と、シリンダ部７１内に圧油を供給してボールねじ機構５を軸方向に移動させる油圧供給回路９とにより構成。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の運転者による操舵力を軽減するパワーステアリング装置に係り、詳しくは、２つの動力源により操舵補助するようにしたパワーステアリング装置に関する。

従来より、ステアリング装置には、操舵入力により回転する操舵軸と、この操舵軸の回転を軸方向の移動に変換するボールねじ機構と、このボールねじ機構に連動して揺動するセクターギヤとを備え、操舵軸の回転によりボールねじ機構のボールナットが軸方向に移動し、このボールナットの軸方向移動によりセクターギヤが揺動して、ピットマンアーム等の部材を揺動させ、この部材の揺動をタイロッドやナックルアーム等の連結部材を介して操向用の車輪に伝達して車両の操舵を行う（例えば、特許文献１参照）。

パワーステアリング装置は、上記ステアリング装置に対して操舵軸からセクターギヤに至る操作入力の伝達経路を形成するいずれかの部材に、油圧もしくは電動モータによる操舵補助力を付与する構成としている。

このようなパワーステアリング装置のうち、油圧式のものでは、出力が大きいため、大型自動車にも適用できる。しかしながら、油圧シリンダや油圧配管等を用いる必要性があり、構成が複雑になるほか、動力源として用いる油圧を蓄積しておくことは実質的に不可能であるため、油圧ポンプは常時エンジンで駆動するようにしており、動力のロス、エネルギーのロスが大きい。

これに対して、電動式のものでは、構成部分を配線で接続すればよく、構成が簡単で、各種の制御も容易に行える利点があり、しかも、操舵補助が必要な時点で電動モータを駆動させればよいから、省エネルギーの面で有利であるが、大きな出力が得られない。

ところで、最近は、大型の車両の操舵を行いやすくするため、より大きな操舵補助力を発生するパワーステアリング装置が望まれている。この場合、電動モータや油圧のうちのいずれか単独の操舵補助手段により、大きな操舵補助力を得ようとすると、局部的に過大な負荷がかかる部分ができ、強度の面で問題が発生するおそれがある。また、油圧式の場合は、油圧を極めて高圧に設定する必要が生じ、これにより、装置が一段と大型化し、重量が増すほか、動力のロス、エネルギーのロスがさらに大きくなってしまう。電動式の場合は、電動モータに過大な駆動電流を供給する必要が生じ、実施が容易ではない。
特開平９−１１９２１号公報

本発明により解決すべき課題は、局部的に過大な負荷をかけることなく、動力のロス、エネルギーのロスが少ない状態で、大きな操舵補助力が得られるようにすることである。

本発明によるパワーステアリング装置は、操舵軸と、上記操舵軸に減速機構を介して連結される第１操舵補助手段としての電動モータと、上記操舵軸の回転を軸方向の移動に変換するボールねじ機構と、上記ボールねじ機構と連動して揺動するセクターギヤとを備えるとともに、上記第１操舵補助手段とは別に上記セクターギヤを操舵補助する第２操舵補助手段を具備したことを特徴とするものである。

上記構成によれば、運転者が操舵部材を操作した場合、第１操舵補助手段である上記電動モータの回転動力が減速機構、操舵軸、ボールねじ機構を介してセクターギヤに伝達されて当該セクターギヤが操舵補助されるとともに、上記第２操舵補助手段により上記セクターギヤは操舵補助される。したがって、運転者の操舵力は、上記両操舵補助手段により操舵補助されることになり、大型の車両であっても、少ない操作力で軽快に操舵操作ができる。

この場合、従来のパワーステアリング装置におけるように、電動モータもしくは油圧のいずれか単独の操舵補助手段により、大きな操舵補助力を得ようとすると、局部的に過大な負荷がかかる部分ができ、強度の面で問題が発生するおそれがある。また、電動モータの場合、これに過大な駆動電流を供給する必要が生じ、油圧の場合は、これを極めて高圧に設定する必要が生じ、いずれも実施が容易ではない。これに対して、本発明では、上記第１、第２両操舵補助手段が分担して操舵補助力を受け持つので、局部的に過大な負荷がかかる部分がなく、強度面での問題を生じることなく、容易に実施しうる。

また、上記両操舵補助手段のうち、少なくとも一方は電動モータであり、この電動モータは、操舵補助が必要な時点で駆動させればよいから、動力のロスが少なくて済み、省エネルギーの面で有利である。

上記構成のパワーステアリング装置において、上記第２操舵補助手段を、上記ボールねじ機構を収容するシリンダ部と、上記シリンダ部内に圧油を供給して当該ボールねじ機構のボールナットを軸方向に移動させる油圧供給回路とにより構成することができる。かかる構成では、油圧供給回路から、シリンダ部内に圧油を供給してボールナットを軸方向に移動させるから、これによってセクターギヤを揺動回転させる操舵補助力を発生する。なお、油圧供給回路を構成する油圧ポンプは、動力ロス、エネルギーロスを少なくする上で、電動モータで駆動されるポンプであることが望ましい。

上記構成のパワーステアリング装置において、第２操舵補助手段を、上記セクターギヤと同軸に設けられた別のセクターギヤと、当該別のセクターギヤを揺動させる別の電動モータとにより構成することができる。かかる構成では、第２操舵補助手段における別の電動モータを駆動することで、上記別のセクターギヤを揺動させて操舵補助力を発生することができるから、操舵補助手段として、第１、第２操舵補助手段それぞれによる２つの電動モータを使用するものであるから、油圧を利用するものより、構成が簡略化し、また、複雑な制御も比較的容易に行える。

本発明によれば、局部的に過大な負荷をかけることなく、また、動力のロス、エネルギーのロスを増大させることなく、操舵補助力を大きくして、大型車両の操舵操作を軽快に行えるようにすることができる。

添付図面を参照して、本発明の最良の形態に係るパワーステアリング装置を説明すると、図１は、同パワーステアリング装置を、関連する車両構成と共に示す概略構成図で、主要部は軸方向に沿った断面で示している。

このパワーステアリング装置は、操舵部材としてのステアリングホイール（ハンドル）１に一端が連結された操舵軸２と、操舵軸２に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサとして動作する２個一組の回転センサ３１，３２と、第１の操舵補助手段としての電動モータ４と、操舵軸２の回転を軸方向の移動に変換するボールねじ機構５と、ボールねじ機構５のボールナット５１と連動するセクターギヤ６と、このセクターギヤ６およびボールねじ機構５とを収容するシリンダハウジング７と、シリンダハウジング７の外部でセクターギヤ６の軸（ギヤ軸６ａ）に固着されたピットマンアーム８と、第２の操舵補助手段としての油圧供給回路９と、上記電動モータ４や上記油圧供給回路９の動作を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０とを備えており、ピットマンアーム８は、タイロッドおよびナックルアーム等からなる連結部材１１を介して操向用の車輪１２に連結されている。

以下、図示のパワーステアリング装置の主要部の説明では、パワーステアリング装置の車両への実装状態に即して、ステアリングホイール１に近い側を上側もしくは上端、車輪１２に近い側を下側もしくは下端という。

操舵軸２の下部は、ステアリングホイール１側から順に、中間軸１３と、筒状の入力軸１４と、トーションバー１５と、筒状の出力軸１６とから構成されており、軸方向上下に２分割されたセンサハウジング１７１，１７２の内部に回転可能に支持されている。

入力軸１４は、その筒状内部に挿入したトーションバー１５とともに、径方向に貫通するピン１８により中間軸１３の下端部に連結されている。トーションバー１５は、その中間部に長尺で細径のねじり領域を有するもので、大径の上端部が前記したように中間軸１３および入力軸１４に連結されるとともに、同じく大径の下端部が出力軸１６の筒状内部に挿入されて、径方向に貫通するピン１９により出力軸１６に連結されている。このトーションバー１５の外周で、入力軸１４はトーションバー１５の下端側へ、また出力軸１６はトーションバー１５の上端側へそれぞれ延出し、それらの延出部は、トーションバー１５の中間部の外周で互いに軸方向に対向している。

トルクセンサを構成する一方の回転センサ３１は、上側のセンサハウジング１７１の内部に設けられ、入力軸１４の外周に取付けられたパルサリング２０に対向している。他方の回転センサ３２は、下側のセンサハウジング１７２の内部に設けられ、出力軸１６の外周に取付けられたパルサリング２１に対向している。これら２つの回転センサ３１，３２のセンサ信号は、ＥＣＵ１０に入力する。ＥＣＵ１０は、各回転センサ３１，３２が検出する入力軸１４と出力軸１６の回転位相差から、操舵軸２に加わる操舵トルクを検出する。

第１操舵補助手段としての電動モータ４は、上側のセンサハウジング１７１に、回転軸４ａを下向きにして装着されている。この電動モータ４の回転軸４ａには、小径の駆動ギヤ２２１が同軸一体に設けられ、この駆動ギヤ２２１に噛合する大径の従動ギヤ２２２は、出力軸１６に同軸に取付けられており、電動モータ４の回転軸４ａの回転は、駆動ギヤ２２１と従動ギヤ２２２とからなる減速機構２２により減速されて出力軸１６に伝達されるようになっている。駆動ギヤ２２１と従動ギヤ２２２とからなる減速機構２２は、上側のセンサハウジング１７１と下側のセンサハウジング１７２との間に収められている。

ボールねじ機構５は、ボールねじ軸５２と、多数のボール５３と、これらのボール５３を介してボールねじ軸５２に噛み合うボールナット５１とからなる。

ボールねじ軸５２は、出力軸１６に圧入やセレーション嵌合等の結合手段により同軸に結合されて、シリンダハウジング７の上端開放部を閉塞する蓋部材２３に回転可能に支持されている。ボール５３は、ボールねじ軸５２外周のねじ溝５２ａとボールナット５１内周のねじ溝５１ａとの間に介装され、例えば、ボールナット５１の肉厚内に形成した還流通路（図示省略）を通じて循環するようになっている。ボールナット５１は、外周の一部に、セクターギヤ６と噛合するラック５４が形成されており、このラック５４の形成部位以外の外周面は、断面が非円形の筒状外周面に形成されてピストン状とされている。ボールナット５１の下端開放部は、キャップ２４で閉塞されている。

シリンダハウジング７は、ボールねじ軸５２の軸方向に沿った、断面が非円形の筒状のシリンダ部７１と、セクターギヤ６を収容するギヤ収容部７２とを、互いに連通する形に形成したものである。上記のボールナット５１は、シリンダ部７１の内部にピストンとして密に嵌合し、シリンダ部７１の軸方向両側に油圧室２５，２６が存する状態で軸方向に摺動しうる。

油圧供給回路９は、電動油圧ポンプ９１と切換え弁９２と油タンク９３等を含み、切換え弁９２から配管９４，９５を通じて、シリンダハウジング７内の油圧室２５，２６に圧油を供給するようになっている。切換え弁９２には、これを切換え駆動するソレノイド９６が設けられている。上記シリンダ部７１と油圧供給回路９は、第２操舵補助手段を構成する。

ＥＣＵ１０は、回転センサ３１，３２等のセンサの出力信号に基づいて、電動モータ４と、電動油圧ポンプ９１の電動モータ９１ａと、切換え弁９２用のソレノイド９６の駆動を制御する。ＥＣＵ１０に出力信号を供給するセンサとしては、トルクセンサを構成する２つの回転センサ３１，３２のほかには、車速センサや、エンジン回転センサがある。ＥＣＵ１０は、特に図示しないが、マイクロコンピュータを中心に構成されており、センサ用インタフェースやモータ駆動回路、ソレノイド駆動回路等の周辺回路を含んでいる。

上記構成において、運転者がステアリングホイール１に加える操舵力は、操舵軸２の上部から、中間軸１３、入力軸１４、トーションバー１５、出力軸１６からボールねじ軸５２に伝わり、ボールねじ機構５において、ボールねじ軸５２の回転がボールナット５１の軸方向の移動に変換され、ボールナット５１の軸方向の移動に伴い、セクターギヤ６が揺動回転し、これとともにピットマンアーム８が揺動し、この動きが操舵力として操向用の車輪１２に伝わる。

この場合、ステアリングホイール１に加えられる操舵トルクは、２つの回転センサ３１，３２のセンサ信号から、入力軸１４と出力軸１６の回転位相差として検出される。ＥＣＵ１０は、このように検出される操舵トルクの大きさに応じて、第１の電動モータ４、電動油圧ポンプ９１のモータ９１ａ、および切換え弁９２用のソレノイド９６が動作するよう、それぞれに所要の電流を供給する。

電動モータ４の回転軸４ａが回転すると、その回転動力は、減速機構２２で減速されて出力軸１６に伝達され、運転者による操舵力を補うことになる。

また、電動油圧ポンプ９１の駆動と、切換え弁９２の切換え動作により、圧油がシリンダハウジング７内の２つの油圧室２５，２６のいずれかに供給されると、その圧油により、ボールナット５１が軸方向の一方に摺動し、ラック５４とセクターギヤ６との噛み合いにより、ギヤ軸６ａを揺動回転させる。これによっても、運転者による操舵力が補われる。

このように、運転者の操舵力には、第１操舵補助手段を構成する電動モータ４による操舵補助力と、第２操舵補助手段を構成する油圧による操舵補助力とが付加されるから、運転者の操舵力は少なくて済み、大型車でも軽快に操舵操作ができる。

（他の実施形態）
図２および図３は、本発明の他の実施形態を示すもので、図２は、他の実施形態に係るパワーステアリング装置の主要部の軸方向に沿った断面図、図３は、図２の（３）−（３）線に沿った断面図である。

この実施形態において、操舵軸２の下部に、第１の操舵補助手段としての第１の電動モータ４を設けた部分（図２の上半部に図示する部分）は、図１の実施形態のものと同じであり、操舵軸２の下部は、中間軸１３と、筒状の入力軸１４と、トーションバー１５と、筒状の出力軸１６とから構成されている。トルクセンサを構成する一方の回転センサ３１は、入力軸１４の外周部と対向する位置に設けられ、他方の回転センサ３２は、出力軸１６の外周部と対向する位置に設けられている。第１の電動モータ４の回転軸４ａの回転は、小径の駆動ギヤ２２１と大径の従動ギヤ２２２とからなる減速機構２２により減速されて出力軸１６に伝達されるようになっている。その他、図２の上半部に図示する部分については、図１と同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図２の下半部において、ボールねじ機構５を構成するボールねじ軸５２は、ギヤハウジング２７に収容された状態で、出力軸１６に同軸に結合されて、出力軸１６側の部分は、ギヤハウジング２７の上端開放部を閉塞する蓋部材２８に、また下端部はギヤハウジング２７の底部に、それぞれ回転可能に支持されている。ボールねじ機構５のボールナット５１は、多数のボール５３を介してボールねじ軸５２に噛み合っており、外周の一部にラック５４が形成されている。ボール５３は、ボールナット５１の外周に設けたチューブ５５を通じて循環するようになっている。

ギヤハウジング２７は、ボールねじ軸５２の軸方向に沿った形状の筒状収容部２７１と、セクターギヤ６を収容するギヤ収容部２７２とを、互いに連通する形に形成したものである。筒状収容部２７１とギヤ収容部２７２との間で、ボールナット５１のラック５４と、セクターギヤ６とが噛み合っている。

セクターギヤ６を一体に有するギヤ軸６ａは、図３に示すように、ギヤハウジング２７のギヤ収容部２７２にブッシュ軸受２９により回転可能に支持されるとともに、ギヤ収容部２７の外側に長く延長されて、その延長部の中途部に、第２操舵補助手段を構成する別のセクターギヤ３０が固着されている。なお、ギヤ軸６ａの延長部先端には、図１に符号８で示したピットマンアームが取付けられる。ギヤ軸６ａの内端部は、受止め部材３３により受止められ、軸方向位置が規制されている。

一方、ギヤハウジング２７のギヤ収容部２７２の外側には、２つ割りのモータハウジング３４１，３４２が設けられて、このモータハウジング３４１，３４２の一方側３４２に第２操舵補助手段としての別の電動モータ３５が装着され、その回転軸３５ａはギヤ軸６ａと平行とされている。電動モータ３５の回転軸３５ａには、遊星歯車機構からなる減速機構３６が連結されている。

この減速機構３６は、太陽ギヤ３６１と、この太陽ギヤ３６１に噛み合う複数の遊星ギヤ３６２と、遊星ギヤ３６２を回転可能に支持するキャリア３６３と、遊星ギヤ３６２の外周側で遊星ギヤ３６２と噛み合う内歯リング３６４とからなる。太陽ギヤ３６１は、電動モータ３５の回転軸３５ａと同軸に設けられ、内歯リング３６４は、モータハウジング３４２に固定され、キャリヤ３６３の軸は出力軸として、これにセクターギヤ３０と噛み合う小径の駆動ギヤ３７が設けられている。

セクターギヤ３０と該セクターギヤ３０を従動ギヤとしてこれに噛み合う駆動ギヤ３７とは、２つ割りのモータハウジング３４１，３４２の間に収容されている。第２の電動モータ３５と、その回転軸３５ａ側の減速機構３６とは、２つ割りのモータハウジング３４１，３４２の一方３４２に形成した筒状の装着部３４２ａに装着されている。

第１操舵補助手段である電動モータ４と、第２操舵補助手段である電動モータ３５とは、回転センサ３１，３２等のセンサ信号を取り込むＥＣＵ１０により、制御されるようになっている。

上記構成において、運転者がステアリングホイール１に加える操舵力は、操舵軸２の上部からボールねじ軸５２に伝わり、ボールねじ軸５２の回転がボールナット５１の軸方向の移動に変換され、ボールナット５１の軸方向の移動に伴い、セクターギヤ６が揺動回転し、この動きが、ピットマンアーム８等の部材を介し操舵力として車輪１２に伝わる。

この場合、ステアリングホイール１に加えられる操舵トルクは、２つの回転センサ３１，３２のセンサ信号により検出される。ＥＣＵ１０は、このように検出された操舵トルクの大きさに応じて、第１の電動モータ４と、第２の電動モータ３５とが動作するよう、それぞに所要の電流を供給する。

電動モータ４の回転軸４ａの回転により、出力軸１６が回転駆動され、これにより、運転者による操舵力が補われる。また、電動モータ３５の回転軸３５ａが回転すると、その回転は、遊星歯車機構からなる減速機構３６で減速された上で、駆動ギヤ３７に伝わり、駆動ギヤ３７からセクターギヤ３０に伝わり、ギヤ軸６ａを揺動回転させる。これによっても、運転者による操舵力が補われる。

このように、運転者の操舵力には、第１操舵補助手段である電動モータ４による操舵補助力と、第２操舵補助手段である電動モータ３５による操舵補助力とが付加されるから、運転者の操舵力は大幅に軽減される。

本発明の最良の形態に係るパワーステアリング装置を、関連する車両構成と共に示す概略構成図で、主要部は軸方向に沿って断面して示している。 本発明の他の実施形態に係るパワーステアリング装置の主要部の軸方向に沿った断面図。 図２の（３）−（３）線に沿った断面図。

符号の説明

１ ステアリングホイール（操舵部材）
２ 操舵軸
３１，３２ 回転センサ（トルクセンサ）
４ 電動モータ（第１操舵補助手段）
５ ボールねじ機構
５１ ボールナット
５２ ボールねじ軸
５４ ラック
６ セクターギヤ
６ａ ギヤ軸
７ シリンダハウジング
７１ シリンダ部（第２操舵補助手段）
９ 油圧供給回路（第２操舵補助手段）
２２ 減速機構
３０ セクターギヤ（第２操舵補助手段）
３５ 電動モータ（第２操舵補助手段）
３６ 減速機構

Claims (3)

1. 操舵軸と、上記操舵軸に減速機構を介して連結される第１操舵補助手段としての電動モータと、上記操舵軸の回転を軸方向の移動に変換するボールねじ機構と、上記ボールねじ機構と連動して揺動するセクターギヤとを備えるとともに、上記第１操舵補助手段とは別に上記セクターギヤを操舵補助する第２操舵補助手段を具備した、ことを特徴とするパワーステアリング装置。
2. 上記第２操舵補助手段は、上記ボールねじ機構を収容するシリンダ部と、上記シリンダ部内に圧油を供給して当該ボールねじ機構のボールナットを軸方向に移動させる油圧供給回路とを含むものである、ことを特徴とする請求項１に記載のパワーステアリング装置。
3. 上記第２操舵補助手段は、上記セクターギヤと同軸に設けられた別のセクターギヤと、当該別のセクターギヤを揺動させる別の電動モータとを含むものである、ことを特徴とする請求項１に記載のパワーステアリング装置。
   

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