JP4567502B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の改良技術に関する。

近年、ステアリングホイールの操舵力を軽減して快適な操舵感を与えるために、電動パワーステアリング装置が多用されてきた。この種の電動パワーステアリング装置において、電動モータで操舵トルクに応じた補助トルクを発生し、この補助トルクをステアリング系のラック軸に伝達する、ラックアンドピニオン式の技術が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３２１６３２公報

特許文献１による従来の電動パワーステアリング装置は、車幅方向に延ばしたラック軸の一端部の前面にラックを形成し、このラックにピニオンを噛み合わせ、ラック軸のラックを形成した面の背面側に背面を押出すラックガイドを取付けることにより、ピニオンとラックガイドとでラック軸の一端部を支持したというものである。
このような電動パワーステアリング装置は、更にラック軸の他端部及び中間部をそれぞれ軸受にて支持することで、上述のピニオンとラックガイドによる支持と合わせて、いわゆる３点支持構造を採用している。ラック軸の他端部及び中間部を支持する軸受は、ラック軸をスライド可能に支持するものであるから、一般に平軸受（滑り軸受又はブッシュとも言う）を採用する。

ところで、車両に搭載された電動パワーステアリング装置は、低温から高温まで広範囲の温度で使用されることが多い。このため、ラック軸と平軸受との間には、一般にラック軸及び平軸受の熱膨張差を勘案した、所定大きさの隙間を有している。この隙間は、低温時に大きくなるとともに、高温時に小さくなる。

ステアリングハンドルを操舵することで発生した操舵トルクに、この操舵トルクに応じて電動モータが発生した補助トルクを加えたトルク、いわゆる複合トルクは、ピニオン軸からラックアンドピニオン機構を介してラック軸に伝わる。

上述のように、ラック軸と平軸受との間に隙間を有しているので、ピニオンでラックを駆動したときに、両者の噛み合い作用に伴って、ラック軸には径方向の振動が発生し得る。特に、ピニオンやラックの歯の圧力角の関係によって、径方向の振動を発生する傾向が強い。
ラック軸には、さらに路面反力に起因する外力が作用するので、この外力によって振動が更に助長される。

このようにラック軸は、比較的大きい複合トルクと路面反力に起因する外力との、両方の影響を受けるので、前後方向の振動が顕著に表れやすい。その振動がステアリングハンドルを介して車室内に伝わるので、車室内の騒音の要因となる。また、ステアリングハンドルに振動が伝わると、操舵フィーリング上好ましくない。

本発明は、操舵時におけるラック軸の振動を、簡単な構造で抑えることができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、操舵入力に応じて駆動される電動モータが発生したモータトルクを、ラック軸に付与するようにした電動パワーステアリング装置であって、ラック軸の一端部にラックを形成し、このラックにピニオンを噛み合わせ、ラック軸のラックを形成した面の背面側にこの背面を押出すラックガイドを取付け、ピニオンとラックガイドとでラック軸の一端部を支持するとともに、ラック軸の他端部を所定の隙間を有して軸受で支持するようにした電動パワーステアリング装置において、ラック軸の他端部のうち、軸受に隣接した位置を、弾性変形が可能な材料からなる弾性軸受によって支え、弾性軸受の内径が、ラック軸の他端部を支持する軸受の内径よりも小径で、且つ、ラック軸を軸方向にスライド可能に支持できる径であることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、軸受が金属材料からなることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、操舵トルク及びモータトルクを、ピニオンからラックに直接に伝えるように構成したことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、ラック軸の他端部を、隙間を有した軸受にて支持するだけではなく、更に、この軸受に隣接した、弾性変形が可能な材料からなる補助的な弾性軸受によっても支えたので、ラック軸の振動を抑制することができる。このため、操舵時において、ピニオンとラックとの噛み合い作用に伴って発生する振動、及び、路面反力に起因する外力の影響を受けて発生する振動を抑えることができる。
このように、補助的な弾性軸受を追加しただけの簡単な構造で、ラック軸の振動を容易に抑えることができる。ラック軸の振動が抑制されると、ステアリングハンドルの振動も抑制されるので、操舵フィーリングが高まる。また、ステアリングハンドルを介して車室内に伝わる振動が抑えられるので、車室内の騒音を抑えることができる。さらには、ラック軸の振動が低減するので、ラックアンドピニオン機構の摩耗を少なくすることができ、その結果、電動パワーステアリング装置の耐久性を高めることができる。
しかも、弾性軸受を、弾性変形が可能な材料によって構成したので、ラック軸と弾性軸受との間に熱膨張差があったとしても、弾性軸受が弾性変形して、吸収することができる。

さらに、請求項１に係る発明では、弾性軸受の内径が、ラック軸の他端部を支持する軸受の内径よりも小径で、且つ、ラック軸を軸方向にスライド可能に支持できる径であるので、ラック軸の振動を、より一層抑制することができる。
請求項２に係る発明では、軸受が金属材料からなる。

請求項３に係る発明では、操舵トルク及び電動モータが発生したモータトルクを、ピニオンからラックに直接に伝えるように構成した、すなわち、ラックアンドピニオン機構への負荷が大きく、大きな振動が発生し易いラックアンドピニオン機構であっても、補助的な弾性軸受によって、ラック軸の振動を容易に抑えることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る電動パワーステアリング装置の模式図である。
電動パワーステアリング装置１０は、車両のステアリングハンドル２１から車両の操舵車輪（前輪）３１，３１に至るステアリング系２０と、このステアリング系２０に補助トルクを加える補助トルク機構４０とからなる。

ステアリング系２０は、ステアリングハンドル２１にステアリングシャフト２２及び自在軸継手２３，２３を介してピニオン軸（入力軸）２４を連結し、ピニオン軸２４にラックアンドピニオン機構２５を介してラック軸２６を連結し、ラック軸２６の両端にボールジョイント２７，２７、タイロッド２８，２８及びナックル２９，２９を介して左右の操舵車輪３１，３１を連結したものである。
ラックアンドピニオン機構２５は、ピニオン軸２４に形成したピニオン２４ａと、ラック軸２６に形成したラック２６ａとからなる。

運転者がステアリングハンドル２１を操舵することで、その操舵トルクによりラックアンドピニオン機構２５、ラック軸２６及び左右のタイロッド２８，２８を介して、左右の操舵車輪３１，３１を操舵することができる。

補助トルク機構４０は、ステアリングハンドル２１に加えたステアリング系２０の操舵トルクを操舵トルクセンサ４１で検出し、このトルク検出信号に基づき制御部４２で制御信号を発生し、この制御信号に基づき操舵トルクに応じた補助トルクを電動モータ４３で発生し、補助トルクをウォームギヤ機構４４を介してピニオン軸２４に伝達し、さらに、補助トルクをピニオン軸２４からステアリング系２０のラックアンドピニオン機構２５に伝達するようにした機構である。
運転者の操舵トルクに電動モータ４３の補助トルクを加えた複合トルクにより、ラック軸２６で操舵車輪３１，３１を操舵することができる。

このように、電動パワーステアリング装置１０は、複合トルクの全てを、ピニオン２４ａからラック２６ａに直接に伝えるように構成したものである。

図２は本発明に係る電動パワーステアリング装置の正面図であり、左端部及び右端部を断面して表した。図２は、ラック軸２６を、車幅方向（図左右方向）に延びるハウジング５１に軸方向にスライド可能に収容したことを示す。ハウジング５１は、図示せぬ車体に取付ける取付部５２を備える。３２，３２はダストシール用ブーツである。

図３は図２の３−３線断面図であり、ラックガイド６０を備えた電動パワーステアリング装置１０の縦断面構造を示す。
電動パワーステアリング装置１０は、ピニオン軸２４、ラックアンドピニオン機構２５、操舵トルクセンサ４１、ウォームギヤ機構４４をハウジング５１に収納し、このハウジング５１の上部開口をリッド５４で塞いだものである。
ハウジング５１は、ピニオン軸２４の上端部、長手中央部及び下端部を、上下３個の軸受５５〜５７を介して回転可能に支承することで、縦置きにセットしたものであり、ラックガイド６０を備える。

ラックガイド６０は、ラック軸２６のうちラック２６ａを有する面の背面を押出す押圧手段であって、ラック２６ａと反対側からラック軸２６に当てるガイド部６１と、このガイド部６１を圧縮ばね６２（調整ばね６２）を介して押す調整ボルト６３とからなる。

ガイド部６１によって、ピニオン軸２４の長手方向へのラック軸２６の移動を規制しつつ、ラック軸２６をその軸方向へスライド可能に支持することができる。このようなラックガイド６０によれば、ハウジング５１にねじ込んだ調整ボルト６３にて、圧縮ばね６２を介してガイド部６１を適切な押圧力で押すことにより、ガイド部６１でラック２６ａに予圧を与えて、ラック２６ａをピニオン２４ａに押し付けることができる。図中、５８はオイルシール、６４はラック軸２６の背面を滑らせる当て部材、６５はロックナットである。

図４は図３の４−４線断面図であり、ピニオン軸２４と電動モータ４３とウォームギヤ機構４４との関係を示す。
電動モータ４３は、モータ軸４３ａを横向きにしてハウジング５１に取付け、ハウジング５１内にモータ軸４３ａを延したものである。

ウォームギヤ機構４４は、電動モータ４３で発生した補助トルクをピニオン軸２４に伝達する補助トルク伝達機構、すなわち倍力機構である。詳しく述べるとウォームギヤ機構４４は、電動モータ４３のモータ軸４３ａにカップリング４５を介して連結したウォーム軸４６と、ウォーム軸４６に形成したウォーム４７と、ウォーム４７に噛み合わせたウォームホイール４８とからなる。ウォームホイール４８はピニオン軸２４に結合したものである。
このように、ウォームギヤ機構４４は、電動モータ４３側のウォーム４７にステアリング系２０（図１参照）側のウォームホイール４８を噛合わせてなる。

図４は、水平に延びるウォーム軸４６の両端部を軸受７１，７２並びに中空偏心スリーブ７３を介してハウジング５１にて回転可能に支承したことを示す。７４，７５はナットである。偏心スリーブ７３を回転させるだけで、ウォームホイール４８に対するウォーム４７のバックラッシを容易に調整することができる。

次に、ラック軸２６の支持構造について、図２及び図５に基づき説明する。図５は本発明に係るラック軸の支持構造の模式図であり、上記図１のシステムに図２の電動パワーステアリング装置１０を組合せた、平面的な模式図である。

図２及び図５に示すように、電動パワーステアリング装置１０は、車幅方向に延ばしたラック軸２６の一端部の前面又は後面にラック２６ａを形成し、このラック２６ａにピニオン２４ａを噛み合わせ、ラック軸２６のラック２６ａを形成した面の背面側にこの背面を押出すラックガイド６０を取付け、ピニオン２４ａとラックガイド６０とでラック軸２６の一端部を支持するとともに、ラック軸２６の他端部及びラック軸２６の中間部をそれぞれ軸受８１，８２にて支持した構成である。

他端部の軸受８１のことを第１軸受８１と言い、中間部の軸受８２のことを第２軸受８２と言うことにする。
第１軸受８１及び第２軸受８２は、同一の構成であって、金属材料からなる平軸受である。「平軸受」とは、軸を面で支持し、その面と軸とが滑り運動を行うことができるとともに、軸と直角方向の力を支える軸受であって、滑り軸受又はブッシュとも言われている。

これらの第１・第２軸受８１，８２は、ラック軸２６を所定の大きさδの隙間Ｓｐを有して支持した構成である。この結果、第１・第２軸受８１，８２は、ラック軸２６を軸方向にスライド可能に支持することになる。
隙間Ｓｐを設けた理由は、次の通りである。車両に搭載された電動パワーステアリング装置１０は、低温から高温まで広範囲の温度で使用されることが多い。従って、ラック軸２６と第１・第２軸受８１，８２との間には、ラック軸２６及び第１・第２軸受８１，８２の熱膨張差を勘案した、所定の大きさδの隙間Ｓｐを開ける必要がある。このため、隙間Ｓｐを設けた。

さらに電動パワーステアリング装置１０は、ラック軸２６の他端部のうち、第１軸受８１に隣接した位置（例えば、第１軸受８１よりも軸端へ若干寄った位置）を、微小な弾性変形が可能な材料からなる補助的な軸受８３によって支えたことを特徴とする。以下、補助的な軸受８３のことを「弾性軸受８３」と言うことにする。

弾性軸受８３は、ラック軸２６を隙間を有することなく、しかも、軸方向にスライド可能に支持するものであって、第１・第２軸受８１，８２と同様に平軸受の構成である。つまり、弾性軸受８３の内径は、第１・第２軸受８１，８２の内径よりも小径であって、好ましくは、ラック軸２６との間に隙間を有しない径である。
弾性軸受８３の材料は、ラック軸２６と弾性軸受８３との間に熱膨張差があったときに、弾性軸受８３が弾性変形して吸収することができる材料、例えば樹脂材料からなる。

ここで、車幅方向において、ピニオン２４ａとラック２６ａとの噛み合わせ中心位置をＰ１（以下「ピニオン中心Ｐ１」と言う）とし、第１軸受８１の中心位置をＰ２（以下「第１軸受中心Ｐ２」と言う）とし、第２軸受８２の中心位置をＰ３（以下「第２軸受中心Ｐ３」と言う）とし、弾性軸受８３の中心位置をＰ４（以下「第３軸受中心Ｐ４」と言う）とする。
第２軸受中心Ｐ３は、ピニオン中心Ｐ１と第１軸受中心Ｐ２との概ね中央位置にあることが好ましいが、各中心Ｐ１，Ｐ２間に配置すればよい。

次に、上記構成のラック軸２６の支持構造の作用について、図２及び図５に基づき説明する。
この支持構造は、ラック軸２６の他端部を、隙間Ｓｐを有した第１軸受８１にて支持するだけではなく、更に、第１軸受８１に隣接した、微小な弾性変形が可能な材料からなる補助的な弾性軸受８３によっても支えたので、ラック軸２６の振動を抑制することができる。このため、操舵時において、ピニオン２４ａとラック２６ａとの噛み合い作用に伴って発生する振動、及び、路面反力に起因する外力の影響を受けて発生する振動を抑えることができる。

このように、補助的な弾性軸受８３を追加しただけの簡単な構造で、ラック軸２６の振動を容易に抑えることができる。ラック軸２６の振動が抑制されると、ステアリングハンドル２１（図１参照）の振動も抑制されるので、操舵フィーリングが高まる。また、ステアリングハンドル２１を介して車室内に伝わる振動が抑えられるので、車室内の騒音を抑えることができる。さらには、ラック軸２６の振動が低減するので、ラックアンドピニオン機構２５の摩耗を少なくすることができ、その結果、電動パワーステアリング装置１０の耐久性を高めることができる。

しかも、補助的な弾性軸受８３を、微小な弾性変形が可能な材料によって構成したので、ラック軸２６と補助的な弾性軸受８３との間に熱膨張差があったとしても、補助的な弾性軸受８３が弾性変形して、吸収することができる。

さらに、弾性軸受８３の内径は、第１・第２軸受８１，８２の内径よりも小径（好ましくは、ラック軸２６との間に隙間を有しない径）で、且つ、ラック軸２６を軸方向にスライド可能に支持できる径としたので、ラック軸２６の振動を、より一層抑制することができる。

さらにまた、ラックアンドピニオン機構２５は、操舵トルクに補助トルクを付加したところの、複合トルクの全てを、ピニオン２４ａからラック２６ａに直接に伝えるようにした構成であるが、補助的な弾性軸受８３によって、ラック軸２６の振動を容易に抑えることができる。

次に、ラック軸２６の支持構造の変形例について、図６及び図７に基づき説明する。なお、上記図２及び図５に示す実施例と同様の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。

図６は本発明に係るラック軸の支持構造（第１変形例）の模式図であり、図５と対応させて表した。図６に示すように、第１変形例のラック軸２６の支持構造は、中間部の第２軸受８２（図５参照）を廃止した構成である。

図７は本発明に係るラック軸の支持構造（第２変形例）の模式図であり、図５と対応させて表した。図７に示すように、第２変形例のラック軸２６の支持構造は、ラック軸２６の中間部のうち、第２軸受８２に隣接した位置を、弾性軸受８３によって支えた構成である。

なお、本発明の実施の形態において、電動パワーステアリング装置１０は、ステアリングハンドル２１を操舵することによって発生する操舵入力に応じて駆動される、電動モータが発生したモータトルクを、ラック軸２６に付与するようにした構成であればよい。

例えば、ステアリングハンドル２１を操舵することによって発生する操舵トルクだけをピニオン２４ａからラック２６ａに付与し、操舵トルクに応じて電動モータが発生した補助トルクについては、ボールねじ等によってラック軸２６に付与する構成にすることができる。

また、ステアリングハンドル２１から、ピニオン軸２４及びラック軸２６を機械的に分離し、操舵量（操舵入力）に応じて電動モータがモータトルクを発生し、このモータトルクをピニオン軸２４又はラック軸２６へ伝えることで、車輪３１，３１を転舵させる方式の、いわゆる、ステア・バイ・ワイヤ式（steer-by-wire、略称「ＳＢＷ」）の構成にすることができる。

また、本発明の実施の形態において、第１・第２軸受８１，８２は、平軸受に限定されるものではなく、例えばニードルベアリングであってもよい。

本発明の電動パワーステアリング装置は、操舵トルクに補助トルクを付加してなる複合トルクの全てを、ピニオンからラックに直接に伝えるように構成したラックアンドピニオン機構を有しているものに好適である。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の模式図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の正面図である。 図２の３−３線断面図である。 図３の４−４線断面図である。 本発明に係るラック軸の支持構造の模式図である。 本発明に係るラック軸の支持構造（第１変形例）の模式図である。 本発明に係るラック軸の支持構造（第２変形例）の模式図である。

符号の説明

１０…電動パワーステアリング装置、２１…ステアリングハンドル、２４…ピニオン軸、２４ａ…ピニオン、２５…ラックアンドピニオン機構、２６…ラック軸、２６ａ…ラック、４３…電動モータ、６０…ラックガイド、８１…軸受（第１軸受）、８２…第２軸受、８３…弾性軸受、Ｓｐ…所定の隙間、δ…隙間の大きさ。

Claims (3)

1. 操舵入力に応じて駆動される電動モータが発生したモータトルクを、ラック軸に付与するようにした電動パワーステアリング装置であって、前記ラック軸の一端部にラックを形成し、このラックにピニオンを噛み合わせ、前記ラック軸のラックを形成した面の背面側にこの背面を押出すラックガイドを取付け、前記ピニオンとラックガイドとでラック軸の一端部を支持するとともに、前記ラック軸の他端部を所定の隙間を有して軸受で支持するようにした電動パワーステアリング装置において、前記ラック軸の他端部のうち、前記軸受に隣接した位置を、弾性変形が可能な材料からなる弾性軸受によって支え、前記弾性軸受の内径は、前記ラック軸の他端部を支持する前記軸受の内径よりも小径で、且つ、前記ラック軸を軸方向にスライド可能に支持できる径であることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記軸受は、金属材料からなることを特徴とした請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の電動パワーステアリング装置は、操舵トルク及び前記モータトルクを、前記ピニオンから前記ラックに直接に伝えるように構成したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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