JP2008044576A - Steering device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a steering device capable of improving feeling of steering by obtaining steering torque to be applied to a steering member without using a torsion bar having low rigidity. <P>SOLUTION: This steering device is provided with a pinion 21 rotating in accordance with operation of a steering wheel, a rack shaft 10 having a rack 14 meshing with the pinion 21, and a support yoke 4 coming into contact with the rack shaft 10 elastically from a reverse side of a meshing part of the rack 14 and the pinion 21 and is steered by converting the rotation of the pinion 21 into travel in the direction of shaft length of the rack shaft 10 in the meshing part. Since the pinion 21 and the rack 14 are formed into helical teeth, the force applied to the support yoke 4 by acting force in the meshing part is detected, and steering torque applied to the steering wheel is obtained based on the detected force, a steering shaft is constituted by a hollow material or a solid material having high rigidity to improve feeling of steering. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

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。   The present invention relates to a steering apparatus that includes a rack and pinion type steering mechanism and includes detection means that detects a steering torque applied to a steering member.

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。   A steering device that steers a vehicle is configured to transmit an operation of a steering member such as a steering wheel by a driver to a steering mechanism and operate the steering mechanism. As such a steering mechanism, the rotation of the pinion according to the rotation operation of the steering member is converted into the movement in the axial direction of the rack shaft having the rack meshing with the pinion, and the left and right connected to both ends of the rack shaft. A rack and pinion type steering mechanism that pushes and pulls the front wheels is widely used. This rack and pinion type steering mechanism includes a support yoke that elastically contacts the rack shaft from the opposite side of the both meshing portions and applies pressure to the meshing portions in order to allow the rack and pinion to mesh well without backlash. Yes. Further, in many rack and pinion type steering mechanisms, the pinion and the rack are respectively formed on a tooth having a large meshing rate so as to enable transmission of a large capacity load.

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。   On the other hand, in recent years, in order to reduce the burden on the driver who operates the steering member, the steering torque applied to the steering member is detected by a torque sensor, and the steering assist motor is driven based on the detected steering torque. Thus, a steering device configured as an electric power steering device that applies auxiliary force to the steering mechanism has become widespread.

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。   The torque sensor is arranged in the middle of the steering shaft that transmits the operation of the steering member to the steering mechanism, and is configured to detect torsion that occurs in the steering shaft due to the action of the steering torque. This torque sensor generally lowers the input shaft on the steering member side and the output shaft on the steering mechanism side in the middle of the steering shaft for the purpose of increasing the torsion and improving the detection accuracy of the steering torque. A connecting portion connected by a rigid torsion bar is provided, and the torsion of the torsion bar is detected by an appropriate means at this connecting portion.

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。   In a steering apparatus equipped with such a torque sensor, the torsion bar acts as a kind of damper, and the situation where the road surface condition is difficult to be transmitted to the steering member occurs, or there is a slight time delay when operating the steering member. As a result, the steering mechanism reacts and the steering feeling deteriorates.

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 Therefore, in a steering apparatus having a rack and pinion type steering mechanism, a force acting in the axial direction of the rack shaft (hereinafter referred to as a rack axial force) is detected and applied to the steering member from the rack axial force. It has been proposed to obtain the steering torque (see, for example, Patent Document 1).
JP-A-11-321685

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。   In Patent Document 1, a force sensor that detects a rack axial force is provided in the middle of a rack shaft that protrudes from a rack housing that supports the rack shaft, and a rack axial force is directly detected by the force sensor, and a knuckle for a front wheel is provided. There is disclosed a configuration in which a load sensor for detecting a load is provided on an arm and a rack axial force is detected based on the detected load. However, in such a configuration, since the force sensor or the load sensor is exposed to the external environment, there is a possibility of causing a problem such as a decrease in detection accuracy or a failure due to the influence of foreign matters such as water, mud, and dust.

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。   The present invention has been made in view of such circumstances, and by obtaining the steering torque applied to the steering member without using a low-rigidity torsion bar, the steering feeling can be improved, and detection by the detection means An object of the present invention is to provide a steering device that can prevent problems such as a decrease in accuracy and a failure.

第１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検出手段と、該検出手段により検出された力に基づいて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。   A steering apparatus according to a first aspect of the present invention includes a pinion that rotates in response to an operation of a steering member, a rack shaft that has a rack that meshes with the pinion, and elastically contacts the rack shaft from the opposite side of the meshing portion of the rack and the pinion. And a support yoke, wherein the pinion and the rack are formed in a helical tooth in a steering device in which rotation of the pinion is converted into movement in the axial length direction of the rack shaft at the meshing portion. And detecting means for detecting a force applied to the support yoke by an acting force in the meshing portion, and a calculating means for calculating a steering torque applied to the steering member based on the force detected by the detecting means. It is characterized by that.

第２発明に係る操舵装置は、第１発明における検出手段が、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た２つの力センサを備え、第１発明における演算手段が、前記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トルクを演算するように構成してあることを特徴とする。   In the steering apparatus according to the second invention, the detection means in the first invention includes two force sensors provided at symmetrical positions with respect to a plane determined by the support yoke and the rack shaft. A difference between the forces detected by the force sensors is obtained, and the steering torque is calculated from the obtained difference.

第１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検出手段により検出して、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、前記検出手段は、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る。   According to the first aspect of the present invention, the force applied to the support yoke by the force acting on the pinion and rack meshing portions in accordance with the operation of the steering member is detected by the detecting means, and the steering torque applied to the steering member is calculated. Thus, it is not necessary to provide a low-rigidity torsion bar as in the conventional torque sensor, and the steering feeling can be improved by configuring the steering shaft with a highly rigid hollow material or solid material. Further, since the detection means can be provided without being exposed to the external environment, for example, inside a yoke housing that supports the support yoke, the detection accuracy is lowered due to the influence of foreign matters such as water, mud, and dust. It is possible to prevent problems such as failures.

第２発明によれば、サポートヨーク及びラック軸により定まる平面、例えば、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２つの力センサを設けて検出手段とし、演算手段は、これら２つの力センサにより検出される力の差を求め、求めた差から操舵部材に加えられた操舵トルク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と共に、力センサの一方を基準として両者の差を求めることにより、求めた差の正負により操舵部材に加えられる操舵トルクの方向を求めることができる。   According to the second aspect of the invention, the two force sensors are provided at the symmetrical positions with respect to a plane determined by the support yoke and the rack shaft, for example, a plane including the axis of each of the support yoke and the rack shaft. Calculates the difference between the forces detected by these two force sensors, and calculates the steering torque applied to the steering member from the obtained difference, so that the magnitude of the steering torque can be determined and the force sensor The direction of the steering torque applied to the steering member can be determined based on whether the difference is positive or negative.

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。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings illustrating embodiments thereof. FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a steering apparatus according to the present invention. The steering apparatus shown in the figure includes a rack and pinion type steering mechanism, and is configured as a rack assist type electric power steering apparatus.

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。   A rack and pinion type steering mechanism 1 includes a rack shaft 10 that is supported in an axially movable manner in a rack housing 11 that extends in the left-right direction of a vehicle body (not shown), and crosses the rack housing 11 in the middle. And a pinion shaft 2 rotatably supported inside the pinion housing 20.

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。   Both ends of the rack shaft 10 projecting outward from both sides of the rack housing 11 are connected to left and right front wheels 13 and 13 as steering wheels via separate tie rods 12 and 12, respectively. Further, the upper end of the pinion shaft 2 protruding outward from one side of the pinion housing 20 is connected to a steering wheel 30 as a steering member via the steering shaft 3.

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。   The steering shaft 3 is rotatably supported inside a cylindrical column housing 31, and is attached to the interior of a vehicle compartment (not shown) while maintaining a tilted posture with the front facing down via the column housing 31. The pinion shaft 2 is connected to the projecting end of the steering shaft 3 below the column housing 31, and the steering wheel 30 is fixed to the projecting end.

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。   FIG. 2 is a longitudinal sectional view schematically showing the periphery of the crossing portion of the pinion housing 20 and the rack housing 11. As shown in the figure, the pinion shaft 2 includes a pinion 21 integrally formed by expanding the diameter of the lower half, and a pair of bearings 22 and 23 located on both upper and lower sides of the pinion 21 are used to form the pinion housing 20. It is rotatably supported inside.

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。   As described above, the cylindrical rack housing 11 is connected to one side of the lower half of the pinion housing 20 with the shaft centers crossed. The rack shaft 10 supported inside the rack housing 11 includes a rack 14 integrally formed over an appropriate length in the axial length direction on the side facing the communication portion with the pinion housing 20. 14 is meshed with the pinion 21.

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。   A cylindrical yoke housing 40 protrudes from the crossing portion of the rack housing 11 and the pinion housing 20 in a direction substantially orthogonal thereto. A support yoke 4 having a circular cross section is fitted inside the yoke housing 40 and is held so as to be slidable in the axial direction.

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。   One end of the support yoke 4 facing the inside of the rack housing 11 has an arch shape corresponding to the outer shape of the rack shaft 10, and a sliding plate 41 extends from the opposite side of the meshing portion of the rack 14 and the pinion 21 to the outer peripheral surface of the rack shaft 10. Are in sliding contact with each other. The other end of the support yoke 4 is screwed into the opening of the yoke housing 40 and faces the bottom surface of the support cap 42 that is positioned and fixed by the lock nut 43. A pressing spring 44 is interposed between the opposing surfaces of the support yoke 4 and the support cap 42, and the support yoke 4 is urged toward the rack shaft 10 by the spring force of the pressing spring 44. 10 is elastic.

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。   The support yoke 4 attached in this manner acts to press the rack shaft 10 against the pinion shaft 2 and apply pressure to the meshing portion between the rack 14 and the pinion 21 so that the both mesh well with each other without backlash. . The magnitude of the pressurization is appropriately adjusted by increasing or decreasing the screwing amount of the support cap 42.

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。   With the above configuration, when the steering wheel 30 is rotated for steering, this rotation is transmitted to the pinion shaft 2 via the steering shaft 3, and the rotation of the pinion shaft 2 is caused between the pinion 21 and the rack 14. The movement of the rack shaft 10 is converted into a movement in the axial direction of the rack shaft 10 at the meshing portion, and by such movement of the rack shaft 10, the left and right front wheels 13, 13 are pushed and pulled through the separate tie rods 12, 12. Steering is done.

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。   A steering assist motor 5 is attached to the outer side of the middle portion of the rack housing 11. The output shaft of the motor 5 extends inside the rack housing 11 and is configured to be transmitted in the middle of the rack shaft 10 via a motion conversion mechanism such as a ball screw mechanism. The motor 5 is driven based on a steering torque required as will be described later, and the rotation generated by this driving is transmitted to the rack shaft 10 via the motion conversion mechanism, thereby assisting the steering performed as described above. ing.

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。   As shown in FIG. 2, the support yoke 4 is located on the support cap 42 side, is located on the rack shaft 10 side with the biasing portion 4 a biased by the pressing spring 44, and the outer peripheral surface of the rack shaft 10. And a ball contact portion 4b that is elastically contacted. The opposing end surface of the urging portion 4a with the elastic contact portion 4b has an equal angle with respect to an axial center passing through the center of the circular cross section of the support yoke 4 and parallel to the sliding direction in the cross section shown in FIG. 90 ° -θs °) and a valley-shaped surface inclined. Similarly, the end surface of the elastic contact portion 4b facing the urging portion 4a is inclined at an equal angle (90 ° −θs °) with respect to the axis of the support yoke 4 in the cross section shown in FIG. As a face of Yamagata. Load cells 6 and 7 are sandwiched between end faces of the urging portion 4a and the elastic contact portion 4b, respectively. For example, the load cells 6 and 7 are provided with a strain gauge on an elastic body, detect deformation of the elastic body due to the applied force as a change in the electrical resistance of the strain gauge, and obtain the applied force based on the change. Force sensor.

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。   In the steering device according to the present invention, the force acting on the support yoke 4 is detected using the load cells 6 and 7 provided as described above, and the torque applied to the pinion shaft 2 from the detected force, that is, the steering torque Seeking. First, the relationship between the force acting on the support yoke 4 and the torque applied to the pinion shaft 2 will be described below with reference to FIG. 3, which is an explanatory diagram of the force acting on the steering mechanism 1.

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。   As shown in FIG. 3, the rack 14 includes a plurality of rack teeth 14 a, 14 a... Formed on the helical teeth, and these rack teeth 14 a, 14 a. Are meshed with pinion teeth 21a, 21a. When a torque T is applied to the pinion shaft 2, a force N perpendicular to the tooth surfaces of the pinion teeth 21a, 21a ... and the rack teeth 14a, 14a ... is applied to the rack 14 at the meshing portion between the pinion 21 and the rack 14. Works. A reaction force N ′ of the acting force N acts on the pinion 21 due to the relationship of action and reaction. Note that the reaction force N 'acting on the pinion 21 and the force N acting on the rack 14 are always equal due to the relationship of action and reaction. The pinion teeth 21a, 21a ... of the pinion 21 and the rack teeth 14a, 14a ... of the rack 14 are formed as helical teeth, so that the reaction force N 'acting on the pinion 21 is equal to the radial component force Pv. A force N acting on the rack 14 expressed by a component force Pa in the axial direction is a direction perpendicular to the axial force component Na and the axes of the support yoke 4 and the rack shaft 10 (vertical direction in the figure). It is represented by the component force Nv.

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。 The relationship between the torque T applied to the pinion shaft 2 and the component force Na in the axial length direction of the force N acting on the rack 14 by this torque T is expressed by the following equation.
T = Na · S / (2π) (1)
Here, S is a rack stroke ratio that represents the length of movement of the rack shaft 10 while the pinion shaft 2 rotates once. The torque T applied to the pinion shaft 2 is determined to be positive or negative depending on the direction of the steering wheel 30 from the straight neutral position. For example, the right direction from the straight neutral position is positive and the left direction is negative.

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。 As shown in FIG. 3, when the inclination angle of the rack teeth 14a, 14a... Formed as helical teeth is θ °, the component force Na in the axial direction and the component in the vertical direction of the force N acting on the rack 14 The relationship of force Nv is expressed by the following equation.
Na = Nv / tan θ (2)
By substituting equation (2) into equation (1), the following equation is obtained.
T = Nv · S / (2π · tan θ) (3)
From the above, by detecting the vertical component force Nv of the force N acting on the rack 14, the detected value of Nv can be applied to the equation (3) to obtain the torque T applied to the pinion shaft 2. . This component force Nv in the vertical direction is transmitted to the support yoke 4 that is elastically contacted with the rack shaft 10. The load cells 6 and 7 are provided on the support yoke 4 as described above for the purpose of detecting this Nv. In this embodiment, the component force Na in the axial direction of the force N acting on the rack 14 is positive in the right direction and negative in the left direction, and the component force Nv in the vertical direction is positive and upward in the downward direction. Is negative.

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。 As shown in FIG. 2, the forces detected by the load cells 6 and 7 are Su and Sl, respectively, and the direction of the force received by the load cells 6 and 7 from the rack shaft 10 via the elastic contact portion 4 b is the axis of the support yoke 4. Since the angles formed with respect to the heart are each θs °, the component force Nv in the vertical direction of the force N acting on the rack 14 is obtained from the following equation.
Nv = (Sl−Su) · sin θs (4)
Note that θs is set to an appropriate angle up to 90 ° other than 0 °. In the steering apparatus configured as described above, when the steering wheel 30 is rotated to the right or left, a downward or upward force acts on the rack 14, and thus a difference in force detected by the load cells 6 and 7 (= Sl-Su) can be positive or negative.

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。   The detection results by the load cells 6 and 7 are given to the assist control unit 8 as shown in FIG. The assist control unit 8 uses the forces Su and Sl detected by the load cells 6 and 7, respectively, more specifically, as shown in the equation (4), the detected forces Su and Sl in the vertical direction. The force applied to the support yoke 4 from the difference in force, that is, the vertical component force Nv of the force N acting on the rack 14 is obtained, and the torque T applied to the pinion shaft 2 by applying the obtained Nv to the equation (3). Is calculated. The torque T applied to the pinion shaft 2 obtained by the calculation is equal to the steering torque Th applied to the steering wheel 30.

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。   The assist control unit 8 issues a control command to the steering assist motor 5 based on the steering torque Th thus determined, and performs an assist control operation for increasing / decreasing the drive current of the motor 5. The assist control unit 8 is also given a detection result by a motor current sensor 50 that detects the current of the steering assist motor 5. The current detected by the motor current sensor 50 is used as a feedback signal for driving and controlling the steering assist motor 5.

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。   In the steering apparatus according to the present invention configured as described above, the force applied to the support yoke 4 by the force acting on the meshing portion of the pinion 21 and the rack 14 as the steering wheel 30 is operated, that is, the force N acting on the rack 14. Is obtained from the difference between the forces Su and Sl detected by the load cells 6 and 7, respectively, as shown in equation (4), and the obtained Nv is applied to equation (3) to obtain the pinion shaft 2 , That is, the steering torque Th applied to the steering wheel 30 can be obtained. As a result, it is not necessary to provide a low-rigidity torsion bar as in the conventional torque sensor, and the steering feeling can be improved by configuring the steering shaft 3 with a highly rigid hollow or solid material. Further, as shown in FIG. 2, since the load cells 6 and 7 are provided inside the yoke housing 40 that supports the support yoke 4, foreign substances such as water, mud, and dust are not exposed to the external environment. It is possible to prevent problems such as a decrease in detection accuracy and a failure due to the influence.

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。   Further, two load cells 6 and 7 are provided at symmetrical positions with respect to the plane including the axis of each of the support yoke 4 and the rack shaft 10, and from the difference in force detected by these load cells 6 and 7 (4 ) Is used to determine the vertical component force Nv of the force acting on the rack 14, and the torque T applied to the pinion shaft 2, that is, the steering wheel 30 is applied from the calculated component force Nv using the equation (3). Since the steering torque Th is calculated, the magnitude of the steering torque can be obtained. Further, since the difference between the detection results of the two is obtained with one of the load cells 6 and 7 as a reference, the direction of the steering torque Th applied to the steering wheel 30 can be obtained based on the sign of the obtained difference.

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。   In this embodiment, the rack assist type electric power steering apparatus has been described. However, the present invention is not limited to this, and a motor for assisting steering is attached to the outside of the column housing 31 to transmit power to the steering shaft 3. The column assist type electric power steering apparatus can be similarly configured.

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。 In the column assist type electric power steering apparatus, the assist torque generated by the steering assist motor is included in the torque T applied to the pinion shaft 2. Therefore, in order to obtain the steering torque Th applied to the steering wheel 30, this assist It is necessary to subtract the torque from the torque T applied to the pinion shaft 2. Therefore, the steering torque Th is expressed by the following equation using the torque T applied to the pinion shaft 2 obtained by equation (3).
Th = T−Tm · α (5)
Here, Tm is the motor torque, and is represented by the product of the motor current Is and the motor torque constant Kt. α is a reduction ratio of a reduction means that transmits the rotation of the output shaft of the steering assist motor to the steering shaft 3 at a reduced speed.

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。   In the above embodiment, the plane determined by the support yoke 4 and the rack shaft 10 is a plane including the axis of each of the support yoke 4 and the rack shaft 10. However, the present invention is not limited to this. It is good also as a plane which includes 4 axes and makes an appropriate angle with respect to the axis of rack axis 10.

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検出手段としてロードセル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検出手段であればよい。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。   Further, in the present embodiment, the load cells 6 and 7 are used as detection means for detecting the force applied from the rack shaft 10 to the support yoke 4, but the present invention is not limited to this, and the force applied to the support yoke 4 is not limited thereto. Any detection means may be used. In the present embodiment, the load cells 6 and 7 are provided inside the yoke housing 40 that supports the support yoke 4. However, the present invention is not limited to this, and a recess is provided on the inner surface of the yoke housing 40. It is also possible to provide a load cell in the recess so as to be in contact with the outer surface.

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。   Furthermore, the present invention is not limited to the embodiments described above, and can be implemented in variously modified forms within the scope of the matters described in the claims.

本発明に係る操舵装置の構成を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing composition of a steering device concerning the present invention. 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。It is a longitudinal cross-sectional view which shows schematically the periphery of the crossing part of a pinion housing and a rack housing. 舵取機構に作用する力の説明図である。It is explanatory drawing of the force which acts on a steering mechanism.

符号の説明Explanation of symbols

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（検出手段，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） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Steering mechanism, 2 pinion shaft, 21 pinion, 4 Support yoke, 6,7 Load cell (detection means, force sensor), 8 Assist control part (calculation means), 10 Rack shaft, 14 racks, 30 Steering wheel (steering member )

Claims (2)

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検出手段と、該検出手段により検出された力に基づいて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。   A pinion that rotates in response to an operation of a steering member; a rack shaft that includes a rack that meshes with the pinion; and a support yoke that elastically contacts the rack shaft from the opposite side of the meshing portion of the rack and the pinion. In the steering apparatus in which the rotation is converted into the movement of the rack shaft in the axial length direction by the meshing portion and the steering is performed, the pinion and the rack are formed in a helical tooth, and the acting force in the meshing portion A steering device comprising: detecting means for detecting a force applied to the support yoke by means of; and a calculating means for calculating a steering torque applied to the steering member based on the force detected by the detecting means. 前記検出手段は、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た２つの力センサを備え、前記演算手段は、前記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トルクを演算するように構成してある請求項１記載の操舵装置。   The detection means includes two force sensors provided at symmetrical positions with respect to a plane determined by the support yoke and the rack shaft, and the calculation means obtains a difference between the forces detected by the force sensors, The steering apparatus according to claim 1, wherein the steering torque is calculated from the obtained difference.
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