JP4593318B2 - 電動ステアリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、電動ステアリング装置に関するものである。

車両用操舵装置として電動パワーステアリング装置が知られている。電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールに結合されたステアリングシャフトと転舵輪を転舵させる転舵機構とが機械的に連結されるとともに、操舵力を補助するためのステアリングモータが前記転舵機構に連係されて構成されている。
ところで、前記転舵機構にラックアンドピニオン式を採用している場合、一般に、ラック軸に設けたラックエンドプレートがストロークエンドにおいてラックハウジングの係止部に突き当たることで、転舵輪の最大転舵を規制している。
特許文献１には、ラックエンドプレートを皿バネで形成し、皿バネ状のラックエンドプレートが係止部に突き当たった際に生じるラックエンドプレートの弾性変形により、ラックエンドプレートと係止部が突き当たる際の衝撃を吸収し緩和する技術が開示されている。
特開平８−１１７２８号公報

しかしながら、前記公報に記載されている従来の最大転舵時の衝撃緩和構造では、ラック軸が係止部の近傍において軸受で支持されているため、皿バネ状のラックエンドプレートはラック軸の長手方向にしか撓むことができない。ところで、このラックエンドプレートが変形している最中は、ピニオンとラック歯の圧力角によりピニオン軸とラック軸には両者を離反させる方向に力が作用する。しかしながら、この方向の力を緩和する機能を、前記皿バネ状のラックエンドプレートは有していない。

したがって、従来の皿バネ状のラックエンドプレートでは、最大転舵時にラック軸の長手方向の荷重緩和は可能であるが、ラック軸の長手方向に交差する方向の荷重緩和ができないため、ピニオン軸やラック軸等の強度を高める必要があり、その結果重量が増大するなどした。
そこで、この発明は、ラック軸の長手方向およびこれに交差する方向の荷重を緩和することができ、且つ、ラック軸の揺動を抑制することができる電動ステアリング装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、ラック軸（例えば、後述する実施例におけるラック軸８）およびピニオン軸（例えば、後述する実施例におけるピニオン軸５）が収容された筒状のラックハウジング（例えば、後述する実施例におけるラックハウジング２１）と、前記ラック軸を前記ピニオン軸に接近する方向に付勢するラックガイド（例えば、後述する実施例におけるラックガイド１５）と、前記ラック軸のストロークエンドで前記ラックハウジングの係止部（例えば、後述する実施例における係止部２２）と干渉するラックエンドプレート（例えば、後述する実施例におけるラックエンドプレート４０）と、を備え、モータ（例えば、後述する実施例におけるステアリングモータ１１）の駆動力を前記ラック軸またはピニオン軸に伝達して転舵輪（例えば、後述する実施例における前輪１０）を転舵する電動ステアリング装置（例えば、後述する実施例における電動ステアリング装置１００）において、前記ラック軸は長手方向のいずれか一方側で軸受（例えば、後述する実施例における軸受１４）により支持されるとともに、長手方向の他方側で前記ピニオン軸のピニオン（例えば、後述する実施例におけるピニオン７）と噛合し、該ピニオンとの噛合部の背面側を前記ラックガイドが付勢しており、前記ラックエンドプレートの外周部の一部には、ラック軸を挟んだ反対側を含む他の部分よりも前記係止部に接近する方向に突出し、ラック軸の長手方向に弾性変形することによりラック軸の長手方向に撓むとともに、ラック軸に長手方向と交差する方向の撓みを生じさせる凸部（例えば、後述する実施例における凸部４２）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、ラック軸のストロークエンドにおいてラックエンドプレートの凸部がラックハウジングの係止部に突き当たると、凸部が弾性変形してラック軸の長手方向に撓むとともに、ラック軸が軸受を支点としてラック軸の長手方向と交差する方向に撓む。このラックエンドプレートの凸部の撓みとラック軸の撓みが、ラックエンドプレートが係止部に衝突する際の衝撃力を吸収し、衝撃を緩和する。また、ラックガイドの付勢力はラック軸が長手方向と交差する方向に動揺するのを抑制する。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記凸部は前記ラックガイドと反対側のラック歯（例えば、後述する実施例におけるラック歯８ａ）側に配置されていることを特徴とする。
このように構成することにより、ラックエンドプレートの構成を簡単にすることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記ラックエンドプレートは略円板状をなし、ラックエンドプレートの外周部の一部が折り曲げることにより前記凸部が形成されていることを特徴とする。
このように構成することにより、容易に凸部を形成することができる。

請求項１に係る発明によれば、ラック軸のストロークエンドにおけるラックエンドプレートの凸部の撓みとラック軸の撓みが、ラックエンドプレートが係止部に衝突する際の衝撃荷重を吸収するので、ラック＆ピニオン等の強度を高く設定しなくて済み、その結果、電動ステアリング装置１００の軽量化が可能になる。また、ラックガイドの付勢力はラック軸が長手方向と交差する方向に揺動するのを抑制する。
請求項２に係る発明によれば、ラックエンドプレートの構成を簡単にすることができる。
請求項３に係る発明によれば、容易に凸部を形成することができる。

以下、この発明に係る電動ステアリング装置の実施例を図１〜図５の図面を参照して説明する。
図１に示すように、車両用操舵装置としての電動ステアリング装置１００はステアリングホイール（操舵手段）２に連結されたステアリングシャフト１を備えている。
ステアリングシャフト１は、ステアリングホイール２に一体結合されたメインステアリングシャフト３と、ラック＆ピニオン機構のピニオン７が設けられたピニオン軸５とが、ユニバーサルジョイント４によって連結されて構成されている。
ピニオン軸５はその下部、中間部、上部を軸受６ａ，６ｂ，６ｃによって支持されており、ピニオン７はピニオン軸５の下端部に設けられている。ピニオン７は車幅方向に往復動し得るラック軸８のラック歯８ａに噛合している。

また、ステアリングギヤボックス２０には、ステアリングホイール２による操舵力を軽減するための操舵補助力を発生させるブラシレスモータからなるステアリングモータ（以下、モータと略す）１１が取り付けられており、モータ１１の出力軸は、図示しないカップリングを介して、ギヤボックスハウジング２０に軸支されたウォームギヤ１２に連結され、このウォームギヤ１２は、ピニオン軸５に一体的に設けられたウォームホイールギヤ１３に噛合している。ウォームギヤ１２とウォームホイールギヤ１３は減速機構を構成し、モータ１１で発生したトルクは、ウォームギヤ１２とウォームホイールギヤ１３により倍力されてピニオン軸５に伝達される。
モータ１１は、回転角を検出するためのレゾルバ（図示略）を備えており、レゾルバはモータ１１の回転角に対応する電気信号をステアリング電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）５０に出力する。

ウォームギヤ１２，ウォームホイールギヤ１３、ピニオン軸５、ラック軸８は、ステアリングギヤボックス２０に収容されている。特に、ラック８とピニオン７はステアリングギヤボックス２０における略円筒状のラックハウジング２１に収容され、ラック軸８の長手方向の一方側において軸受１４を介して長手方向へ往復動可能に支持されている。ラック歯８ａはラック軸８の長手方向の他端側に設けられており、図４に示すように、ピニオン７が噛合する部位の背面側には、スプリング１６によってラック軸８をピニオン７に接近する方向に付勢するラックガイド１５が当接している。

ラックハウジング２１の両端は開口していて、その開口からラック軸８の端部８ｂが突出している。ラック軸８の端部８ｂは常にラックハウジング２１の外側に位置している。ラックハウジング２１にはその両端の開口近傍に、径方向内側に突出するリング状の係止部２２が形成されている。
ラック軸８の各端部にはラック軸８よりも外径が大きいラックエンドプレート４０が取り付けられている。詳述すると、図２に示すように、ラックエンドプレート４０は中央に孔４１を有する略円板状をなし、外周部の一部がピニオン７に接近する方向に角度θだけ折り曲げられて凸部４２が形成されている。この凸部４２以外の外周部は平坦部４４となっている。
また、ラックエンドプレート４０の内周部であって凸部４２から周方向に９０度離間する部位には、平坦部４４に対して直角に起立する一対の爪部４３，４３が形成されている。

一方、ラック軸８の端部８ｂは他の部位よりも若干小径にされており、この端部８ｂの外周部に互いに１８０度離間する位置に面取り部８ｃが形成され、さらに、この面取り部８ｃに位置決め用の凹部８ｄが形成されている。
ラックエンドプレート４０は、各爪部４３，４３をラック軸８の凹部８ｄに係合することによりラック軸８に対して回動不能に位置決めされ、この位置決めされた状態において、ラックエンドプレート４０の凸部４２の周方向位置がラック軸８のラック歯８ａと同方向になるように設定されている。そして、ラックエンドプレート４０は、ラック軸８に対して位置決めされた後に、ラック軸８の端面に設けられたねじ孔（図示略）に、ラックエンドヘッド５０のねじ部５１を孔４１に挿通させて螺合することにより、ラック軸８の端部８ｂとラックエンドヘッド５０に挟まれて固定される。また、図３に示すように、ラックエンドプレート４０においてラック軸８から露出している平坦部４４のラック軸８側の面には、３つのブッシュ４５が周方向等間隔に取り付けられている。

ラックエンドヘッド５０はボールジョイント５２を内包しており、このボールジョイント５２にタイロッド９が連結され、タイロッド９に転舵輪としての前輪１０が連係されている。
この構成により、ステアリングホイール２の操舵時に通常のラック＆ピニオン式の転舵操作が可能であり、前輪１０，１０を転舵させて車両の向きを変えることができる。なお、ラック軸８およびタイロッド９は転舵機構を構成する。
ラックハウジング２１の端部には、ラック軸８の端部８ｂ、ラックエンドプレート４０、タイロッド９等を覆う伸縮可能な蛇腹状のラックエンドカバー２３が取り付けられており、タイロッド９はラックエンドカバー２３を貫通して外方に突出している。

また、ピニオン軸５において中間部の軸受６ｂと上部の軸受６ｃとの間には、磁歪に起因する磁気特性の変化に基づいて操舵トルク（操舵入力）を検出する磁歪式の操舵トルクセンサ（操舵トルク検出手段、操舵入力検出手段）３０が配置されている。
操舵トルクセンサ３０は、ピニオン軸５の外周面に設けられた２つの磁歪膜３１，３２と、各磁歪膜３１，３２に対向配置された２つの検出コイル３３，３４と、各検出コイル３３，３４にそれぞれ接続された検出回路３５，３６を備え、検出回路３５，３６は、磁歪に起因して生じる各検出コイル３３，３４のインダクタンスの変化を電圧変化に変換してＥＣＵ５０に出力する。ＥＣＵ５０は各検出回路３５，３６の出力に基づいてステアリングシャフト１に作用する操舵トルクを算出する。

そして、ＥＣＵ５０は、操舵トルクセンサ３０で検出される操舵トルク（操舵入力）の大きさに応じて、モータ１１に供給すべき目標電流を決定し、モータ１１に流れる電流が目標電流と一致するように制御（例えば、ＰＩＤ制御）を行うことにより、モータ１１の出力トルクを制御し、操舵補助力を制御する。これにより、操舵入力と同方向にモータ１１による操舵補助力が作用し、運転者がステアリングホイール３に入力する操舵トルクが比較的に小さくても、容易に前輪１０の転舵が可能になる。

この電動ステアリング装置１００では、ラックエンドプレート４０の凸部４２が、ラックハウジング２１の係止部２２に突き当たることで、ステアリングホイール２の回転が規制され、このときにハンドル最大回転角となる。すなわち、ラック軸８のストロークエンドにおいて凸部４２が係止部２２に干渉してハンドル最大回転角となる。
特に、図１においてラック軸８の左方を軸受１４により片持ち支持され、ラック軸８の右方でラック歯８ａにピニオン７が噛合し、その背面側からラックガイド１５によりラック軸８をピニオン７側に付勢しているので、ラック軸８の右端部では以下のような作用がある。

図４（Ａ）は、ラックエンドプレート４０が係止部２２に突き当たる前の状態を示している。このとき、ラックガイド１５はスプリング１６の付勢力によりラック軸８をピニオン７に押し付けており、これによりラック軸８の車両前後方向の揺動が抑制される。
図４（Ｂ）は、ラックエンドプレート４０が係止部２２に突き当たった瞬間を示している。このとき、ラックエンドプレート４０の凸部４２だけが係止部２２に突き当たり、ラックエンドプレート４０の平坦部４４と係止部２２との間には隙間ができ、この隙間が凸部４２の弾性変形を可能にする。

この状態からモータ１１の慣性によりピニオン軸５がさらに回転せしめられると、図４（Ｃ）および図５（Ａ）に示すように、ラックエンドプレート４０の凸部４２が弾性変形し、凸部４２がラック軸８の長手方向に撓むとともに、ラック軸８に軸受１４を支点として車両前後方向の撓みを生じさせる。この凸部４２のラック軸長手方向の撓みａと長手方向と交差する方向のラック軸８の撓みｂが、ラックエンドプレート４０が係止部２２に衝突する際の衝撃力を吸収し、衝撃を緩和する。
ラック軸８に撓みが生じるのは、ラックエンドプレート４０が係止部２２に係合してラック軸８の長手方向の移動が規制されると、ピニオン７とラック歯８ａの圧力角によりラック軸８をラックガイド１５方向に変位させる力が作用するからであり、これによりラック軸８は軸受１４を支点にして角度αだけ回転し（図４（Ｃ）参照）、その結果、ラック軸８が長手方向と交差する方向（すなわち、車両前後方向）に撓むのである。

ここで、ハンドル最大回転角のときの衝撃吸収について考察する。
今、モータ１１による運動エネルギＥは、モータ１１の慣性モーメントをＩ、モータ１１の回転角速度をωとすると、式（１）で表される。
Ｅ＝Ｉ・ω^２／２ ・・・ 式（１）
一方、モータ１１からタイロッド９までの剛性（バネ定数）をｋ１、ラックエンドプレート４０が係止部２２に突き当たったときに発生する荷重をＰとすると、式（２）が成立する。
Ｅ＝（１／ｋ１）・Ｐ^２／２ ・・・ 式（２）
式（１），（２）から、荷重Ｐは式（３）で表される。
Ｐ＝（Ｉ・ｋ１・ω^２）^１／２ ・・・ 式（３）
つまり、もし凸部４２を有しない平板状のラックエンドプレートが係止部２２に衝突した場合には、式（３）で表される荷重Ｐが衝撃荷重として発生する。

これに対して、この電動ステアリング装置１００の場合には、ラックエンドプレート４０のバネ定数をｋ２とすると、全体の剛性Ｋは式（４）で表される。
Ｋ＝ｋ２・ｋ１／（ｋ２＋ｋ１） ・・・ 式（４）
したがって、荷重Ｐを小さくすることができ、その結果、例えば、ステアリングホイール２を右回転いっぱいまで回転させたときに、ラック軸８の終端に設けたラックエンドプレート４０とラックハウジング２１の係止部２２が係合した際には、モータ１１には慣性モーメントによる慣性トルクが発生するが、モータ１１とタイロッド９までの例えばウォームギヤ１２、ウォームホイールギヤ１３、ピニオン７、ラック歯８ａに作用する荷重を小さくすることができるので、これらの強度を高く設定する必要がなくなり、電動ステアリング装置１００の軽量化が可能になる。

また、ラック軸８に車両前後方向の撓みｂが生じるとスプリング１６の弾発力が増し、ラック軸８をピニオン７側に戻そうとする力が大きくなる。その結果、ラック軸８の車両前後方向の撓みを抑制することができる。
なお、ラックエンドプレート４０のブッシュ４５は、凸部４２がある程度弾性変形したときに係止部２２に突き当たり、凸部４２がそれ以上、過度に変形するのを防止する。

次に、この発明に係る電動ステアリング装置に関連する技術の参考例を図５（Ｂ）の図面を参照して説明する。
前述した実施例では、凸部４２をラックガイド１５と反対側にだけ配置したが、この参考例ではこれに加えてラックガイド１５と同じ側にも凸部４２を設けている。その際は、図５（Ｂ）に示すように、凸部４２の折り曲げる方向を揃えることが好ましい。そのようにしても前述した実施例と同様の作用・効果を得ることができる。
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、この発明に係る電動ステアリング装置は、ステア・バイ・ワイヤ・システムのステアリング装置にも適用可能である。なお、ステア・バイ・ワイヤ・システムとは、ステアリングホイールなどの操作子と転舵機構とが機械的に分離されていて、操作子に反力を作用させる反力モータと、転舵機構に設けられて転舵輪を転舵させる力を発生させるステアリングモータとを備えた操舵システムである。

この発明に係る電動ステアリング装置の構成図である。 ラック軸の端部の分解斜視図である。 図２のIII−III矢視図である。 ラックエンドプレートの作用を説明する図である。 ラックエンドプレートが弾性変形した状態を示す拡大図である

符号の説明

５ ピニオン軸
７ ピニオン
８ ラック軸
８ａ ラック歯
１０ 前輪（転舵輪）
１１ ステアリングモータ
１４ 軸受
１５ ラックガイド
２１ ラックハウジング
２２ 係止部
４０ ラックエンドプレート
４２ 凸部
１００ 電動ステアリング装置

Claims (3)

1. ラック軸およびピニオン軸が収容された筒状のラックハウジングと、
   前記ラック軸を前記ピニオン軸に接近する方向に付勢するラックガイドと、
   前記ラック軸のストロークエンドでラックハウジングの係止部と干渉するラックエンドプレートと、
   を備え、モータの駆動力を前記ラック軸またはピニオン軸に伝達して転舵輪を転舵する電動ステアリング装置において、
   前記ラック軸は長手方向のいずれか一方側で軸受により支持されるとともに、長手方向の他方側で前記ピニオン軸のピニオンと噛合し、該ピニオンとの噛合部の背面側を前記ラックガイドが付勢しており、前記ラックエンドプレートの外周部の一部には、ラック軸を挟んだ反対側を含む他の部分よりも前記係止部に接近する方向に突出し、ラック軸の長手方向に弾性変形することによりラック軸の長手方向に撓むとともに、ラック軸に長手方向と交差する方向の撓みを生じさせる凸部が設けられていることを特徴とする電動ステアリング装置。
2. 前記凸部は前記ラックガイドと反対側のラック歯側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電動ステアリング装置。
3. 前記ラックエンドプレートは略円板状をなし、ラックエンドプレートの外周部の一部が折り曲げることにより前記凸部が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動ステアリング装置。

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