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JP2010269766A - パワーステアリング装置 - Google Patents

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JP2010269766A JP2009125671A JP2009125671A JP2010269766A JP 2010269766 A JP2010269766 A JP 2010269766A JP 2009125671 A JP2009125671 A JP 2009125671A JP 2009125671 A JP2009125671 A JP 2009125671A JP 2010269766 A JP2010269766 A JP 2010269766A
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steering shaft
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Yoichi Fujinori
洋一 藤範
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Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】ステアリングシャフトにステアリングホイールの操舵トルクを求めるためのトーションバーおよび回転角センサを組付けないで、ステアリングホイールの操舵トルクを求めることが可能なパワーステアリング装置を提供すること
【解決手段】操舵軸30が同軸的に挿通されている中空軸51は、ステアリングシャフト20に連結されステアリングシャフト20の回転に伴い回転可能な第1シャフト部51aと、ボールネジ機構52を介して操舵軸30に連結されるとともに電動モータ53に連結される第2シャフト部51bと、第1シャフト部51aと第2シャフト部51bの間に弾性捻り変形可能な弾性部51cを有する。第1シャフト部51a外周に、第1シャフト部51aの回転角θ1を検出する第1レゾルバ54が設けられ、第2シャフト部51bの外周に、第2シャフト部51bの回転角θ2を検出する第2レゾルバ55が設けられる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、パワーステアリング装置に関し、特にステアリングホイールを一体回転可能に支持するステアリングシャフトと、車幅方向に延在しステアリングシャフトの回転に応じて車幅方向に移動して車輪を転舵可能な操舵軸と、この操舵軸をその軸方向(車幅方向)に移動可能かつ回転不能に支持するハウジングと、操舵軸にアシスト力を付与するアシスト装置を備えたパワーステアリング装置に関する。
この種のパワーステアリング装置においては、例えば下記特許文献1に記載されていて、下記特許文献1に記載されているパワーステアリング装置においては、ハウジングに対して回転可能かつ軸方向に移動不能に組付けられ操舵軸が同軸的に挿通されている中空軸(モータシャフト)と、ステアリングホイールの操舵トルクに応じて中空軸を回転可能な電動モータと、中空軸と操舵軸の間に介装されて中空軸の回転を操舵軸の軸方向移動に変換するネジ機構(ボールねじ機構)を有する電動アシスト装置が設けられている。
また、下記特許文献1に記載されているパワーステアリング装置においては、ステアリングシャフトの下端側に設けられているピニオンシャフト(ステアリングシャフトの一部)が、ステアリングホイール側の入力軸と、操舵軸側の出力軸とから構成されていて、この入力軸と出力軸がトーションバーを介して連結されており、出力軸に形成されたピニオンギヤと操舵軸に形成されたラックが噛合している。また、入力軸の外周に、同入力軸のハウジングに対する回転角を検出する第1レゾルバが設けられ、出力軸の外周に、同出力軸のハウジングに対する回転角を検出する第2レゾルバが設けられている。
特開2003−75109号公報
このため、上記特許文献1に記載されているパワーステアリング装置においては、ステアリングホイールが回動操舵されると、ステアリングシャフト(ピニオンシャフト)が回転し、ラックアンドピニオンの噛合により、操舵軸が車幅方向に移動して、車輪が転舵される。また、このとき(ステアリングホイールの回動操舵時)には、ピニオンシャフトにおける入力軸と出力軸が相対回転し、第1レゾルバにより検出された入力軸の回転角と第2レゾルバにより検出された出力軸の回転角とトーションバーのねじり剛性に基づいて、ステアリングホイールの操舵トルクが求められ、このステアリングホイールの操舵トルクに応じて電動モータが中空軸を回転させる。これにより、中空軸の回転がネジ機構を介して操舵軸の軸方向移動(車幅方向の移動)に変換され、操舵軸に電動アシスト力が付与される。
ところで、上記特許文献1に記載されているパワーステアリング装置においては、ピニオンシャフト(ステアリングシャフトの一部)に、トーションバーと第1レゾルバと第2レゾルバが組付けられる構成であるため、ステアリングシャフトの上端(ステアリングシャフトとステアリングホイールの連結部位)からステアリングシャフトの下端(ステアリングシャフトと操舵軸の連結部位)までの間隔にトーションバーの軸方向長さを確保する分だけ、ステアリングシャフトの車両搭載性が悪化するおそれがあった。すなわち、ステアリングシャフトを車両に搭載するための間隔は、所定範囲に限られていて、ステアリングシャフトにインターミディエイトシャフト(ステアリングシャフトの一部)およびテレスコピック機構等に加えて、トーションバーを組付けた場合には、操舵軸側のステアリングシャフト(トーションバーが組付けられているピニオンシャフト)と、ステアリングホイール側のステアリングシャフト(インターミディエイトシャフトおよびテレスコピック機構等が組付けられているステアリングシャフト)を連結するスペースが小さくなり、ステアリングシャフトの車両搭載性が悪化するおそれがあった。
本発明は、上記した課題に対処すべくなされたものであり、ステアリングホイールを一体回転可能に支持するステアリングシャフトと、車幅方向に延在し前記ステアリングシャフトの回転に応じて車幅方向に移動して車輪を転舵可能な操舵軸と、この操舵軸をその軸方向に移動可能かつ回転不能に支持するハウジングと、このハウジングに対して回転可能かつ軸方向に移動不能に組付けられ前記操舵軸が同軸的に挿通されている中空軸と、前記ステアリングホイールの操舵トルクに応じて前記中空軸を回転可能な電動モータと、前記中空軸と前記操舵軸の間に介装されて前記中空軸の回転を前記操舵軸の軸方向移動に変換するネジ機構を備えたパワーステアリング装置において、前記中空軸は、前記ステアリングシャフトに連結され同ステアリングシャフトの回転に伴い回転可能な第1シャフト部を有し、前記ネジ機構を介して前記操舵軸に連結されるとともに前記電動モータに連結される第2シャフト部を有し、前記第1シャフト部と前記第2シャフト部の間に弾性捻り変形可能な弾性部を有していて、前記第1シャフト部の外周には、同第1シャフト部の前記ハウジングに対する回転角を検出する第1回転角センサが設けられ、前記第2シャフト部の外周には、同第2シャフト部の前記ハウジングに対する回転角を検出する第2回転角センサが設けられていることに特徴がある。
本発明におけるパワーステアリング装置においては、ステアリングホイールが回動操舵されると、ステアリングシャフトが回転し、ステアリングシャフトに連結された中空軸の第1シャフト部が、ステアリングシャフトの回転に伴い、回転する。そして、第1シャフト部の回転は、弾性部を介して第2シャフト部に伝達され、第2シャフト部が回転する。これにより、第2シャフト部の回転は、ネジ機構を介して操舵軸の軸方向移動(車幅方向の移動)に変換され、操舵軸の車幅方向の移動により車輪が転舵される。
また、ステアリングホイールの回動操舵時には、第1シャフト部と第2シャフト部が弾性捻り変形可能な弾性部により連結されているため、第1シャフト部と第2シャフト部が相対回転する。このとき、第1回転角センサにより検出される第1シャフト部の回転角と第2回転角センサにより検出される第2シャフト部の回転角と弾性部のねじり剛性に基づいて、ステアリングホイールの操舵トルクが求められ、このステアリングホイールの操舵トルクに応じて電動モータが中空軸の第2シャフト部を回転させる。これにより、第2シャフト部の回転がネジ機構を介して操舵軸の軸方向移動に変換され、操舵軸に電動アシスト力を付与することが可能である。
ところで、本発明におけるパワーステアリング装置においては、操舵軸が同軸的に挿通されている中空軸に弾性捻り変形可能な弾性部が設けられ、かつ、中空軸の第1シャフト部の外周に第1回転角センサが設けられるとともに、中空軸の第2シャフト部の外周に第2回転角センサが設けられるように構成されているため、ステアリングシャフトの上端(ステアリングシャフトとステアリングホイールの連結部位)からステアリングシャフトの下端(ステアリングシャフトと中空軸の連結部位)に、従来のパワーステアリング装置におけるトーションバーに相当する部材を設ける必要がない。したがって、ステアリングシャフトの上端からステアリングシャフトの下端までの間隔にトーションバーの軸方向長さを確保する必要がなく、従来のパワーステアリング装置に比して、ステアリングシャフトの軸方向長さを短くすることができて、ステアリングシャフトの車両搭載性を向上させることが可能である。
本発明におけるパワーステアリング装置の第1実施形態を示した全体構成図である。 図1の2−2線に沿った拡大縦断側面図である。 図2の3−3線に沿った拡大横断平面図である。 本発明におけるパワーステアリング装置の第2実施形態を示した全体構成図である。
以下に本発明の各実施形態を図1〜図4に基づいて説明する。図1〜図3は、本発明における電動式のパワーステアリング装置の第1実施形態を示していて、この電動式のパワーステアリング装置は、回動操舵可能なステアリングホイール10と、このステアリングホイール10を支持するステアリングシャフト20と、車幅方向(車両の左右方向)に延在する操舵軸30と、この操舵軸30をその軸方向(車幅方向)に移動可能に支持するハウジング40と、操舵軸30に電動アシスト力を付与する電動アシスト装置50を備えている。
ステアリングホイール10は、図1に示したように、ステアリングシャフト20の上端に一体回転可能に支持されている。ステアリングシャフト20は、ベアリングBr1およびベアリングBr2を介してハウジング40に回転可能に組付けられている。また、ステアリングシャフト20の下端部には、図2および図3に示したように、ウォームホイール21が一体回転可能に組付けられている。
操舵軸30は、図1に示したように、中間部に電動アシスト装置50におけるボールネジ機構52のネジ軸52a一体に有し、左方部にてハウジング40に組付けられているエンドストッパ41に軸方向移動可能に支持され、右方部にてハウジング40に組付けられているエンドストッパ42に軸方向移動可能に支持されている。また、操舵軸30は、左方部外周に設けた外スプライン30aにてエンドストッパ41に設けた内スプライン41aにスプライン嵌合されている。これにより、操舵軸30は、ハウジング40に対して軸方向に移動可能かつ回転不能に支持されている。また、操舵軸30は、左右両端にてボールジョイント(図示省略)、タイロッド(図示省略)、ナックルアーム(図示省略)等を介して、左右前輪FW1,FW2に連結されている。これにより、操舵軸30が車幅方向に移動すると、左右前輪FW1,FW2が転舵されるようになっている。
ハウジング40は、図1〜図3に示したように、操舵軸30と同方向(車幅方向)に延在していて、車体側部材(図示省略)に固定されている。このハウジング40は、図2および図3に示したように、ステアリングシャフト20に組付けられたウォームホイール21を収容するために、図2の左方向(車両前方向)に突出する膨出部40aを有している。
電動アシスト装置50は、図1に示したように、操舵軸30が同軸的に挿通されている中空軸51と、この中空軸51と操舵軸30の間に介装されているボールネジ機構52と、中空軸51を回転可能な電動モータ53と、中空軸51の外周に設けられている第1レゾルバ54(第1回転角センサ)および第2レゾルバ55(第2回転角センサ)と、電動モータ53の作動を制御する電気制御装置56を有している。
中空軸51は、図1に示したように、左方側にウォームギヤ機構GMを介してステアリングシャフト20に連結されている第1シャフト部51aを有し、右方側にボールネジ機構52を介して操舵軸30に連結されている第2シャフト部51bを有し、第1シャフト部51aと第2シャフト部51bを連結していて弾性捻り変形可能な弾性部51cを有している。この中空軸51と操舵軸30の間には、僅かな隙間が形成されている。
第1シャフト部51aには、図2および図3に示したように、ウォーム51a1が形成されていて、このウォーム51a1とステアリングシャフト20に組付けられているウォームホイール21は、噛合している。ウォーム51a1とウォームホイール21が上述したウォームギヤ機構GMを構成していて、ステアリングシャフト20の回転が増速されて第1シャフト部51aの回転に伝達されるようになっている。この実施形態においては、ステアリングシャフト20(ウォームホイール21)が1回転すると、第1シャフト部51a(ウォーム51a1)が20回転する(増速比が20となる)ように設定されている。なお、上記した増速比は適宜変更可能である。
第2シャフト部51bは、図1に示したように、右端部外周にてベアリングBr3を介してハウジング40に回転可能かつ軸方向(車幅方向)移動不能に組付けられていて、内周にてボールネジ機構52におけるナット52bを一体回転可能に支持している。また、第2シャフト部51bは、右端にて電動モータ53におけるロータ53bの左端に一体回転可能に連結されている。弾性部51cは、そのねじり剛性がKとなっていて、ステアリングホイール10およびステアリングシャフト20が回転するとき、弾性捻り変形可能である。この弾性部51cの弾性捻り変形により、第1シャフト部51aと第2シャフト部51bは相対回転可能である。
ボールネジ機構52は、図1に示したように、中空軸51の第2シャフト部51bの回転を減速して操舵軸30の軸方向移動に変換するためのものであり、操舵軸30に対して同軸的に設けられている。また、ボールネジ機構52は、上述したネジ軸52aおよびナット52bを備えるとともに、ネジ軸52aに形成された雄ネジ溝(図示省略)とナット52bに形成された雌ネジ溝(図示省略)の間に介装された複数のボール52cと、ナット52bに組付けられて各ボール52cを無限循環させるデフレクタ(図示省略)を備えている。
電動モータ53は、図1に示したように、ハウジング40に同軸的に配置されていて、ハウジング40に固定されているステータ53aと、ハウジング40に対して回転可能なロータ53bを有している。ステータ53aは、中空状に形成されていて、電気制御装置56に接続されている。このステータ53aは、電気制御装置56から出力されるアシスト電流Aによってロータ53bを回転駆動させることが可能であり、ロータ53bの回転により第2シャフト部51bおよびナット52bが回転可能である。ロータ53bは、中空状に形成されていて、右端部にてベアリングBr4を介してハウジング40に回転可能かつ軸方向に移動不能に組付けられている。
第1レゾルバ54は、電磁気式の回転角センサであり、図1に示したように、第1シャフト部51aの右端部外周に設けられていて、ハウジング40に固定されたレゾルバステータ(図示省略)と第1シャフト部51aに固定されているレゾルバロータ(図示省略)を備えている。また、第1レゾルバ54は、電気制御装置56に接続されていて、第1シャフト部51aのハウジング40に対する回転角θ1を検出して、この回転角θ1を電気制御装置56へ出力するようになっている。
第2レゾルバ55は、電磁気式の回転角センサであり、図1に示したように、第2シャフト部51bの左端部外周に設けられていて、ハウジング40に固定されているレゾルバステータ(図示省略)と第2シャフト部51bに固定されているレゾルバロータ(図示省略)を備えている。また、第2レゾルバ55は、電気制御装置56に接続されていて、第2シャフト部51bのハウジング40に対する回転角θ2を検出して、この回転角θ2を電気制御装置56へ出力するようになっている。なお、上述したレゾルバステータおよびレゾルバロータの詳細な構成は公知であるため、その説明は省略する。
電気制御装置56は、CPU、ROM、RAM、I/Oなどからなり、第1レゾルバ54により検出される回転角θ1と第2レゾルバ55により検出される回転角θ2の差θ1−θ2、および弾性部51cのねじり剛性Kに基づいて、ステアリングホイール10の操舵トルクTを演算により求めている。また、電気制御装置56は、上記した操舵トルクTと、車速センサ(図示省略)により検出される車速Vと、エンジン回転数rpmと、第2シャフト部51bのハウジング40に対する回転角θ2(すなわち、ハウジング40に対するロータ53bの回転角)に基づいて、モータアシスト電流Aを演算により求めていて、このモータアシスト電流Aを電動モータ53のステータ53aに出力するようになっている。
上記のように構成した第1実施形態においては、ステアリングホイール10が回動操舵されると、ステアリングシャフト20が回転し、ステアリングシャフト20にウォームギヤ機構GMを介して連結された中空軸51の第1シャフト部51aが、ステアリングシャフト20の回転に伴い、回転する。そして、第1シャフト部51aの回転は、弾性部51cを介して第2シャフト部51bに伝達され、第2シャフト部51bの回転は、ボールネジ機構52を介して操舵軸30の軸方向移動(車幅方向の移動)に変換され、操舵軸30の車幅方向の移動により左右前輪FW1,FW2が転舵される。
また、ステアリングホイール10の回動操舵時には、第1シャフト部51aと第2シャフト部51bが弾性捻り変形可能な弾性部51cにより連結されているため、第1シャフト部51aと第2シャフト部51bが相対回転する。このとき、電気制御装置56は、第1レゾルバ54により検出される第1シャフト部51a回転角θ1と第2レゾルバ55により検出される第2シャフト部51bの回転角θ2の差θ1−θ2、および弾性部51cのねじり剛性Kに基づいて、ステアリングホイール10の操舵トルクTを演算により求め、この操舵トルクT、車速V、エンジン回転数rpmおよびハウジング40に対するロータ53bの回転角(第2レゾルバ55により検出される回転角θ2)に基づいて、モータアシスト電流Aを演算により求めて、このモータアシスト電流Aを電動モータ53のステータ53aに出力する。これにより、電動モータ53のステータ53aは、ロータ53bおよび第2シャフト部51bを回転させ、第2シャフト部51bの回転がボールネジ機構52を介して操舵軸30の軸方向移動に変換されて、操舵軸30に電動アシスト力を付与することが可能である。
ところで、本発明におけるパワーステアリング装置においては、操舵軸30が同軸的に挿通されている中空軸51に弾性部51cが設けられ、かつ、中空軸51の第1シャフト部51aの外周に第1レゾルバ54が設けられるとともに、中空軸51の第2シャフト部51bの外周に第2レゾルバ55が設けられるように構成されているため、ステアリングシャフト20の上端(ステアリングシャフト20とステアリングホイール10の連結部位)からステアリングシャフト20の下端(ステアリングシャフト20と中空軸51の第1シャフト部51aの連結部位)に、従来のパワーステアリング装置におけるトーションバーに相当する部材を設ける必要がない。したがって、ステアリングシャフト20の上端からステアリングシャフト20の下端までの間隔にトーションバーの軸方向長さを確保する必要がなく、従来のパワーステアリング装置に比して、ステアリングシャフト20の軸方向長さを短くすることができて、ステアリングシャフト20の車両搭載性を向上させることが可能である。
また、この第1実施形態においては、第2レゾルバ55により検出される第2シャフト部51bのハウジング40に対する回転角θ2は、操舵トルクTを演算するために用いられるとともに、ハウジング40に対するロータ53bの回転角として、モータアシスト電流Aを演算するために用いられる。このため、ハウジング40に対するロータ53bの回転角を検出するために、別途回転角センサを設ける必要がなく、安価に実施することが可能である。
上記のように構成した第1実施形態においては、電動式のパワーステアリング装置に本発明を実施したが、本発明は、図4に示した第2実施形態にように、油圧アシスト部160が電動式のパワーステアリング装置に併設されているハイブリッド式のパワーステアリング装置にも、同様に実施することが可能である。
図4に示した第2実施形態においては、油圧アシスト部160が、ハウジング40の右方側に設けられていて操舵軸30に油圧アシスト力を付与する油圧シリンダ161と、中空軸51とハウジング40の間に介装されていて油圧シリンダ161に供給する作動油を制御するコントロールバルブ162と、このコントロールバルブ162に作動油を供給する油圧ポンプ163と、この油圧ポンプ163とコントロールバルブ162に接続されているリザーバ164を有している。なお、この第2実施形態においては、中空軸51の第2シャフト部51bと、ボールネジ機構52のナット52bが一体的に構成されている。
上記した第2実施形態の構成以外の構成は、上記した第1実施形態の構成と実質的に同一であるため、対応する部位に同一の符合を付して、その説明を省略する。また、上記した第2実施形態の作用効果は、操舵軸30に電動アシスト力に加えて油圧アシスト力が付与されること以外は、上記した第1実施形態の作用効果と実質的に同一であるため、その説明を省略する。
上記した各実施形態においては、第1シャフト部51aのハウジング40に対する回転角θ1を検出する第1回転角センサとして、第1レゾルバ54を用いるとともに、第2シャフト部51bのハウジング40に対する回転角θ2を検出する第2回転角センサとして、第2レゾルバ55を用いて実施したが、第1回転角センサおよび第2回転角センサは、電磁気式の回転角センサであるレゾルバに限定されるものではなく、例えば、光学式の回転角センサであるロータリエンコーダを用いて実施することも可能である。
また、上記した各実施形態においては、ステアリングシャフト20の回転に伴い第1シャフト部51aを回転させる機構が、ステアリングシャフト20に組付けられたウォームホイール21と、第1シャフト部51aに形成されたウォーム51a1からなるウォームギヤ機構GMであるように構成して実施したが、上記した機構はウォームギヤ機構GMに限定されるものではなく、例えば、ステアリングシャフト20に組付けられた傘歯車と、第1シャフト部51aに組付けられた傘歯車からなるベベルギヤ機構であるように構成して実施することも可能である。
また、上記した各実施形態においては、ハウジング40に対するロータ53bの回転角と、第2レゾルバ55により検出される第2シャフト部51bのハウジング40に対する回転角θ2が同じであるため、ハウジング40に対するロータ53bの回転角を検出可能なモータ回転角センサを設けずに実施したが、上記したモータ回転角センサを別途設けて実施することも可能である。
また、上記した各実施形態においては、ネジ機構として、ボールネジ機構52を用いて実施したが、ネジ機構はボールネジ機構52に限定されるものではなく、例えば、台形ネジ機構を用いて実施することも可能である。
10…ステアリングホイール、20…ステアリングシャフト、21…ウォームホイール、30…操舵軸、40…ハウジング、41,42…エンドストッパ、50…電動アシスト装置、51…中空軸、51a…第1シャフト部、51a1…ウォーム、51b…第2シャフト部、51c…弾性部、52…ボールネジ機構、52a…ネジ軸、52b…ナット、52c…ボール、53…電動モータ、53a…ステータ、53b…ロータ、54…第1レゾルバ、55…第2レゾルバ、56…電気制御装置、θ1,θ2…回転角、K…ねじり剛性、T…操舵トルク、V…車速、rpm…エンジン回転数、A…モータアシスト電流、Br1,Br2,Br3,Br4…ベアリング、GM…ウォームギヤ機構、FW1,FW2…左右前輪、160…油圧アシスト装置、161…油圧シリンダ、162…コントロールバルブ、163…油圧ポンプ、164…リザーバ

Claims (1)

  1. ステアリングホイールを一体回転可能に支持するステアリングシャフトと、車幅方向に延在し前記ステアリングシャフトの回転に応じて車幅方向に移動して車輪を転舵可能な操舵軸と、この操舵軸をその軸方向に移動可能かつ回転不能に支持するハウジングと、このハウジングに対して回転可能かつ軸方向に移動不能に組付けられ前記操舵軸が同軸的に挿通されている中空軸と、前記ステアリングホイールの操舵トルクに応じて前記中空軸を回転可能な電動モータと、前記中空軸と前記操舵軸の間に介装されて前記中空軸の回転を前記操舵軸の軸方向移動に変換するネジ機構を備えたパワーステアリング装置において、
    前記中空軸は、前記ステアリングシャフトに連結され同ステアリングシャフトの回転に伴い回転可能な第1シャフト部を有し、前記ネジ機構を介して前記操舵軸に連結されるとともに前記電動モータに連結される第2シャフト部を有し、前記第1シャフト部と前記第2シャフト部の間に弾性捻り変形可能な弾性部を有していて、
    前記第1シャフト部の外周には、同第1シャフト部の前記ハウジングに対する回転角を検出する第1回転角センサが設けられ、前記第2シャフト部の外周には、同第2シャフト部の前記ハウジングに対する回転角を検出する第2回転角センサが設けられていることを特徴とするパワーステアリング装置。
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