JP4273908B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車などの車両に搭載され、電動モータを用いてドライバーの操舵動作を補助する電動パワーステアリング装置に関する。

例えば自動車に搭載される電動パワーステアリング装置は、操舵部材から操向車輪に至る操舵機構に連結された電動モータを備えており、このモータ動力を減速機構を介在させて操舵機構に付与することで上記操舵部材でのドライバーによる操舵動作を補助するようになっている。また、このようなステアリング装置では、上記減速機構に含まれた歯部の噛み合い部にて生じた歯打ち音がドライバーにラトルノイズ（ラトル音）として伝わって不快感を与えることがあり、このラトル音を低減することが求められている。
そこで、従来装置には、その減速機構において上記電動モータの出力軸側に連結されたウォーム軸を上記操舵機構に装着されたウォームホイール側に付勢することにより、これらウォームホイールとウォーム軸との上記歯部噛み合い部でのバックラッシュを吸収してラトル音を抑制しようとしたものがある（特許文献１参照。）。
また、従来装置には、上記歯部噛み合い部の近傍に永久磁石を設置するとともに、この磁石により磁気的に吸引される磁性流体からなる潤滑油を使用することで、この潤滑油を歯部噛み合い部に常に介在させて、当該潤滑油にてラトル音を緩衝しようとしたものもある（特許文献２参照。）。

特開２０００−４３７３９号公報（第３〜４頁、第１図） 特開２００３−６３４２４号公報（第３〜５頁、第２図）

ところが、上記のような従来装置では、その減速機構及び電動モータを含んだ振動系については充分に考慮されたものではなく、その振動系の固有振動に起因してラトル音が生じたり、操舵フィーリングが低下したりすることがあった。詳細にいえば、慣性要素である電動モータが弾性要素である減速機構の歯部噛み合い部を介して操舵機構に連結されており、操舵機構及び電動モータをそれぞれ基準端側及び自由端側とする上記振動系が構成されている。そして、例えば操向車輪側からの外乱が逆入力されたとき、ことに電動モータを駆動しないアシスト不感帯において、この振動系は振動（共振）し易く、ラトル音が大きくなったり、操舵フィーリングの大幅な低下を招いたりすることがあった。

上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、減速機構及び電動モータを含んだ振動系に起因するラトル音の発生及び操舵フィーリングの低下を抑えることができる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明は、操舵部材から操向車輪に至る操舵機構に減速機構を介在させて電動モータの動力を付与して操舵補助を行う電動パワーステアリング装置であって、
前記電動モータの慣性をＪとし、この電動モータ及び前記減速機構を含んだ前記操舵機構での共振角周波数をωpとしたときに、下記の不等式（１）
０．８Ｊωp ≦ Ｃ ――（１）
を満足する粘性定数Ｃを有する粘性体を、前記電動モータから前記減速機構を経て前記操舵機構までの当該モータの動力伝達経路上に設けたことを特徴とするものである。

上記のように構成された電動パワーステアリング装置では、不等式（１）を満足した粘性定数Ｃを有する粘性体を上記モータの動力伝達経路上に設けることにより、本発明の発明者は、当該粘性体から適切な粘性を上記動力伝達経路に付与させることができる知見を得た。そして、上記粘性体からの粘性により、慣性要素としての電動モータと、上記減速機構内に設けられた弾性要素としての歯部の噛み合い部とを含む振動系の固有振動を容易に抑制できることを見出した。

また、上記電動パワーステアリング装置において、前記粘性体は、その粘性定数Ｃが、下記の不等式（２）
０．８Ｊωp ≦ Ｃ ≦ ４Ｊωp ――（２）
を満足するように設定されていることが好ましい。
この場合、粘性体から動力伝達経路に付与される粘性が不等式（２）の右辺項によって制限されることとなり、電動モータを駆動するアシスト時において操舵機構側に伝えられるモータ動力の十分な応答性を確保することができ、よって応答性不足に伴う操舵フィーリングの低下も防止することができる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、前記粘性体が、前記減速機構に含まれた歯部の噛み合い部に介装されるグリースであってもよい。
この場合、グリースが電動モータのオン／オフ状態に係わらず上記粘性体として当該モータの動力伝達経路上に常に設けられることとなり、当該モータのオン／オフ状態の切り換え時などでの上記振動系の振動をより確実に抑制することができ、ラトル音の発生及び操舵フィーリングの低下が生じるのをさらに効果的に抑えることができる。

本発明によれば、粘性定数Ｃが適切な値に設定された粘性体によって減速機構及び電動モータを含む振動系の固有振動を容易に抑制することができるので、この振動系に起因するラトル音を抑制することができるとともに、操舵フィーリングの低下を抑えることができる。

以下、本発明の電動パワーステアリング装置を示す好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態による電動パワーステアリング装置の主要部の構成を示す模式図である。図において、当該装置は、例えば自動車に搭載され、操舵部材（ステアリングホイール）１に加わるドライバーの操舵動作に応じて、操向車輪５の向きを変える操舵軸２を備えている。この操舵軸２には、上記操舵部材１が上端部に取り付けられる筒状の取付軸２１と、この取付軸２１に一体回転可能に連結された筒状の入力軸２２と、トーションバー２３を介在させて入力軸２２に同軸的に連結された筒状の出力軸２４が設けられている。この出力軸２４の下端側には、図示しない自在継手などを介在させてラックピニオン式伝達機構３のピニオン軸３１及びラック軸３２が順次連結されており、さらには左右の上記操向車輪５がタイロッド４を介してラック軸３２の対応する左右端部に連結されている。そして、操舵軸２の回転が、ラックピニオン式伝達機構３によって左右方向の直線運動に変換され、操向車輪５が転舵される。

上記取付軸２１は、ステアリングコラム２５内に収納された状態で車体側に固定されるものであり、その下端部には、トーションバー２３の一端部を内嵌固定した入力軸２２の上端部がピン２６により連結されている。また、上記トーションバー２３の他端部はピン２７により出力軸２４の下端部に内嵌固定されている。
上記入力軸２２及び出力軸２４は、車体側に固定され、かつ図の上下方向に分離可能な第１及び第２、第３のハウジングＨ１及びＨ２、Ｈ３の内部にニードル軸受６１及び玉軸受６２、６３を介してそれぞれ回転自在に取り付けられている。

また、上記出力軸２４には、減速歯車８１及びこれに噛み合うピニオン軸８２を有する減速機構８と、上記ピニオン軸８２が出力軸９１に一体回転可能に取り付けられるとともに、トルクセンサ７の検出結果に応じて駆動される操舵補助用の電動モータ９とが連結されている。これらの減速機構８と電動モータ９とが、操舵部材１から操向車輪５に至る操舵機構Ａにモータ動力による操舵補助力を付与する操舵補助部を構成しており、後に詳述するように、この操舵補助部内のモータ動力伝達経路上に設けられた粘性体によって上記減速機構８及び電動モータ９を含んだ振動系での振動が抑制されるようになっている。

詳細にいえば、図２も参照して、上記減速歯車８１は、例えばインボリュートはすば歯車により構成されており、その外周面に歯部８１ａが形成されるとともに、出力軸２４に一体的に取り付けられている。また、上記ピニオン軸８２には、歯部８１ａと互いに噛み合う歯部８２ａが外周面に形成されたものであり、当該ピニオン軸８２は第３のハウジングＨ３内で玉軸受６４、６５によって回転可能に支持されている。
上記電動モータ９は、その出力軸９１に一体的に取り付けられたモータロータ９２と、このロータ９２に対向配置されたモータステータ９３とを備えている。また、この出力軸９１は、上記第２のハウジングＨ２に取付・取外し自在に構成されたモータハウジングＭＨ内で玉軸受６６、６７に回転自在に支持されている。また、出力軸９１の一端部９１ａは、筒状のジョイント部材１０内に圧入されている。このジョイント部材１０には、上記ピニオン軸８２の端部８２ｂがセレーション結合によって連結されており、当該ピニオン軸８２と出力軸９１とが一体回転可能に接続されている。
また、減速機構８では、減速歯車８１とピニオン軸８２との歯部噛み合い部でのバックラッシュをある程度許容した状態で互いに連結されており、当該減速機構８でのギヤ効率を高めた状態でモータ動力を操舵軸２側に伝えるようになっている。

また、上記減速機構８に含まれた歯部８１ａ、８２ａの噛み合い部には、図２に微小な黒点で示したグリースＧが介装されている。このグリースＧは、操舵機構Ａ及び電動モータ９をそれぞれ基準端側及び自由端側とする振動系、つまり減速機構８及び電動モータ９を含む振動系での固有振動を抑制する上記粘性体として働くものであり、その硬度や介装量等を調整することにより、下記の不等式（１）好ましくは不等式（２）を満足する粘性定数Ｃを有するよう構成されている。
０．８Ｊωp ≦ Ｃ ――（１）
０．８Ｊωp ≦ Ｃ ≦ ４Ｊωp ――（２）
但し、（１）及び（２）式において、Ｊは電動モータ９の慣性であり、ωpは減速機構８及び電動モータ９を含んだ操舵機構Ａでの共振角周波数である。このような粘性定数Ｃを有するグリースＧを用いることにより、電動モータ９から減速機構８を経て操舵機構Ａの操舵軸２までの当該モータ９の動力伝達経路上に適切な値の粘性を付与することができ、上記歯部８１ａと歯部８２ａとの噛み合い部でのラトル音の発生及び操舵フィーリングの低下を防ぐことができる。また、（２）式の右辺項の値により、粘性定数Ｃの上限を規定することにより、上記動力伝達経路上で操舵軸２側に伝達されるモータ動力に対し、抵抗として作用するグリースＧの粘性を制限して電動モータ９を駆動するアシスト時においてそのモータ動力の応答性が低下するのを防ぐことができる。

詳細にいえば、操舵軸２（操舵機構Ａ）側からみた上記振動系は、電動モータ９の慣性Ｊと、グリースＧの粘性定数Ｃと、歯部８１ａ、８２ａの噛み合い部での弾性定数Ｋと、ラプラス演算子ｓとにより、２次振動系の伝達関数、１／（Ｊｓ²＋Ｃｓ＋Ｋ）で表される。この伝達関数は、次の（３）及び（４）式のように展開することができることから、上記振動系の固有角周波数ωn及び減衰係数ζは、（３）及び（４）式の分母項の等価条件によって下記の（５）及び（６）式でそれぞれ示される。また、上記共振角周波数ωpは、固有角周波数ωn及び減衰係数ζを用いた（７）式に変換され、さらに（８）式のように展開することができる。
１／（Ｊｓ²＋Ｃｓ＋Ｋ）＝（１／Ｊ）／（ｓ²＋Ｃｓ／Ｊ＋Ｋ／Ｊ）――（３）
＝（１／Ｊ）／（ｓ²＋２ζωnｓ＋ωn²）――（４）
ωn ＝ （Ｋ／Ｊ）^1/2 ――（５）
ζ ＝ Ｃ／２Ｊωn ＝Ｃ／２（ＫＪ）^1/2 ――（６）
ωp ＝ ωn（１−２ζ²）^1/2 ――（７）
＝ ωn（１−Ｃ²／２ＫＪ）^1/2 ＝（Ｋ／Ｊ−Ｃ²／２Ｊ²）^1/2 ――（８）

ここで、上記減衰係数ζは、後に詳述するように、その適正な範囲として次の不等式（９）により規定されている。続いて、この不等式（９）に上記（６）式を代入し順次変形すると、上記モータ慣性Ｊ及び弾性定数Ｋにて粘性定数Ｃを規定する下記の（１０）式を得ることができる。そして、この不等式（１０）の左辺項で規定される粘性定数Ｃを有するグリースＧを上記歯部８１ａ、８２ａの噛み合い部に設けることで減速機構８及び電動モータ９を含んだ振動系の固有振動を容易に抑制することができる。また、同不等式（１０）の右辺項にてグリースＧの粘性定数Ｃを規定することにより、モータ動力の応答性が低下するのを防ぐことができる。
０．４ ≦ ζ ≦ ２ ――（９）
０．６４ＫＪ ≦ Ｃ² ≦１６ＫＪ ――（１０）

また、実際の装置では、上記の歯部噛み合い部での弾性定数Ｋを求めることは難しい。それ故、以下に、比較的取得しやすい実機データ、つまり上記モータ慣性Ｊ及び共振角周波数ωpにて粘性定数Ｃを規定した上記（１）及び（２）式の取得手順を説明する。
まず、上記（７）式において、減衰係数ζが十分に小さいときには、ωp ≒ ωn の式が成立して、これにより、上記（６）式を次の（１１）式に変形することができる。
ζ ≒ Ｃ／２Ｊωp ――（１１）
そして、この（１１）式の減衰係数ζを上記（９）式に示した適正な範囲に代入して、粘性定数Ｃについて解くことにより、上述の（１）及び（２）式を得ることができる。

また、上記（９）式にて規定した減衰係数ζでは、０．４以上の値を選ぶことにより、グリースＧはその粘性を最低限必要な負荷（抵抗）として歯部８１ａ、８２ａの噛み合い部（動力伝達経路上）に与えることができ、その歯部噛み合い部での振動によって生じるラトル音及び操舵フィーリングの変化がドライバーに認識されない程度に、グリースＧからの抵抗が動力伝達経路に付与されて当該振動を抑制することができる。
また、２次振動系において、ステップ応答が定常状態に対してオーバシュートしないための条件は、理論上、減衰係数ζを２^-1/2以上とすることである。すなわち、粘性定数Ｃが、好ましくは上記（１１）式より（２Ｊωp／２^1/2）（または上記（６）式より（２（ＫＪ）^1/2／２^1/2）以上に設定されることにより、上記振動系の固有振動数においてゲインがピークをもたずに比較的安定した系を構成することができる。さらに、減衰係数ζの値を１以上、つまり粘性定数Ｃを２Ｊωp（または２（ＫＪ）^1/2）以上と設定することにより、上記振動系での振動（共振）を防げる点で好ましい。
また、２以下の減衰係数ζを選ぶことにより、グリースＧから動力伝達経路に与えられる粘性を制限して、例えば電動モータ９を動作しない非アシスト状態からアシスト状態に移行する場合に、ステアリング操作における粘っこさが急激に減少することを防ぐことができ、操舵フィーリングが大きく低下するのを防ぐことができる。

尚、０．４未満の減衰係数ζを選択したときには、グリースＧから上記動力伝達経路に付与される粘性が不足して上記振動系が安定せずに、この振動系での振動に起因するラトル音が大きくなり易くなったり、操舵フィーリングの低下を招き易くなったりする。
また、２よりも大きい減衰係数ζを選んだときには、グリースＧからの粘性が過剰なものとなって、例えば電動モータ９によるアシスト状態に切り換えられたときにモータ動力が操舵軸２側に伝えられるのが遅れて、操舵フィーリングが比較的低下する。

ここで、上記粘性定数Ｃの具体的な数値例を示すと、電動モータ９の慣性Ｊの設計値は、その出力軸９１ａ周りでＪ＝０．６７×１０^-4（ｋｇ・ｍ²）程度であり、減速機構８の減速比を９．７とすると、操舵軸２周りのモータ慣性Ｊは、Ｊ＝０．６７×１０^-4×９．７²（ｋｇ・ｍ²）＝０．６３×１０^-2（Ｎｍ・ｓ²／rad）となる。また、操舵軸２周りでの上記共振周波数ｆpの測定結果は２２〜２５（Ｈｚ）程度であり、これを共振角周波数ωpに変換すると、１３８〜１５７（rad／ｓ）となる。
これらの慣性Ｊ及び共振各周波数ωpの具体値を上記不等式（２）に代入すると、好ましい粘性定数Ｃの具体的な範囲として、０．７０≦Ｃ≦３．９６が得られる。

以上のように構成された本実施形態の電動パワーステアリング装置では、上記不等式（１）（または不等式（１０）式の左辺項）で規定される粘性定数Ｃを有するグリースＧ（粘性体）を減速機構８内の歯部噛み合い部に設けて、電動モータ９から操舵軸２に至るモータ動力伝達経路に適切な粘性を付与しているので、当該減速機構８及び電動モータ９を含んだ振動系の固有振動を容易に抑制することができ、この振動系での振動に起因するラトル音の発生及び操舵フィーリングの低下を抑えることができる。
また、（２）式の右辺項（または不等式（１０）式の右辺項）の値により、粘性定数Ｃを規定することにより、上記動力伝達経路上で抵抗となるグリースＧの粘性を制限することができる。これにより、アシスト時におけるモータ動力の十分な応答性（操舵軸２側への伝達速度）を確保できるとともに、応答性不足に伴って操舵フィーリングが低下するのを防止することができる。

また、本実施形態では、上記減速歯車８１の歯部８１ａとピニオン軸８２の歯部８２ａとの噛み合い部に介装されるグリースＧにより、適切な粘性をモータ動力伝達経路に付与して上記振動系の振動を抑えているので、電動モータ９の動作状況に係わらず前記振動を抑えることができる。この結果、電動モータ９が駆動されないアシスト不感帯及び当該モータ９のオン／オフ状態の切り換え時でも、上記振動系の振動をより確実に抑えることができ、ラトル音の発生及び操舵フィーリングの低下が生じるのをさらに効果的に抑制することができる。しかも、上記特許文献２に記載された従来例と異なり、特殊な成分の潤滑油（磁性流体）の使用及び永久磁石の設置等を行うことなく、簡単な構成にて低騒音で操舵フィーリングに優れた電動パワーステアリング装置を容易に構成することができる。

尚、上記の説明では、減速歯車８１の歯部８１ａとピニオン軸８２の歯部８２ａとの噛み合い部に介装されるグリースＧの粘性定数Ｃを規定した場合について説明したが、本発明は上記不等式（１）を満足する粘性定数Ｃを有する粘性体を上記モータ動力伝達経路上に設けたものであれば何等限定されない。具体的には、例えばモータ出力軸９１やピニオン軸８２を支持する軸受に予圧を付与することにより、この軸受を粘性体として機能させる構成でもよい。
また、上記の説明では、出力軸２４に一体的に取り付けられたはすば歯車からなる減速歯車８１と、モータ出力軸９１と一体回転可能なピニオン軸８２とを有する減速機構８に適用した場合について説明したが、他の歯車形式例えばウォームホイールとこれに噛み合うウォームを有する減速機構を含んだ装置にも適用することができる。また、上記の説明では、操舵軸２に電動モータ９が連結されるコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置に適用した場合を例示したが、本発明は操舵補助モータがラック軸に連結されて、このラック軸の移動をアシストするラックアシスト式等の他のアシスト形式の装置にも適用することができる。

本発明の一実施形態による電動パワーステアリング装置の主要部の構成を示す模式図である。 図１に示した減速機構及び電動モータの具体的な構成例を示す拡大断面図である。

符号の説明

１ 操舵部材
２ 操舵軸
５ 操向車輪
８ 減速機構
８１ 減速歯車
８１ａ 歯部
８２ ピニオン軸
８２ａ 歯部
９ 電動モータ
Ａ 操舵機構
Ｇ グリース（粘性体）

Claims (3)

1. 操舵部材から操向車輪に至る操舵機構に減速機構を介在させて電動モータの動力を付与して操舵補助を行う電動パワーステアリング装置であって、
   前記電動モータの慣性をＪとし、この電動モータ及び前記減速機構を含んだ前記操舵機構での共振角周波数をωpとしたときに、下記の不等式（１）
   ０．８Ｊωp ≦ Ｃ ――（１）
   を満足する粘性定数Ｃを有する粘性体を、前記電動モータから前記減速機構を経て前記操舵機構までの当該モータの動力伝達経路上に設けたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記粘性体は、その粘性定数Ｃが、下記の不等式（２）
   ０．８Ｊωp ≦ Ｃ ≦ ４Ｊωp ――（２）
   を満足するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記粘性体が、前記減速機構に含まれた歯部の噛み合い部に介装されるグリースであることを特徴とする請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置。

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