JP4862493B2

JP4862493B2 - パワーステアリング装置

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Publication number: JP4862493B2
Application number: JP2006147044A
Authority: JP
Inventors: 治松田
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: US7537081B2; EP1860019B1; JP2007314082A; EP1860019A2; US20070289806A1; EP1860019A3

Description

本発明は、ステアリングホイール等の操舵部材の操作に応じて操舵補助用のアクチュエータを駆動し、該アクチュエータの発生力により操舵を補助するように構成されたパワーステアリング装置に関する。

自動車用のパワーステアリング装置として、電動モータを操舵補助用のアクチュエータとして備える電動パワーステアリング装置が普及している。この電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール等の操舵部材に加えられる操舵トルクを、操舵部材と舵取機構とを連結するステアリング軸の中途に配したトルクセンサにより検出し、検出された操舵トルクの方向及び大きさに基づいて目標補助力を求め、この目標補助力を発生させるべく操舵補助用のモータを駆動制御する構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

また近年においては、舵取機構に配した復動式の油圧シリンダ（パワーシリンダ）を操舵補助用のアクチュエータとして備える油圧パワーステアリング装置においても、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、この検出結果に基づいて前記パワーシリンダに作動油を給排する油圧制御弁を制御し、車速、ヨーレート等の走行状態に応じて補助力特性の変更に対応できるようにした油圧パワーステアリング装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

以上の如きパワーステアリング装置において用いられるトルクセンサは、一般的に、検出対象となるステアリング軸を操舵部材の側の第１軸と舵取機構の側の第２軸とに分割し、これらを細径のトーションバーにより同軸上に連結して、操舵部材の操作によりステアリング軸に加わる操舵トルクをトーションバーの捩れを伴って第１，第２軸間に生じる相対角変位を媒介として検出するように構成されている。
特開２００４−３３８５６２号公報特開平１１−１８０３３２号公報

ところが、この種のトルクセンサを備えるパワーステアリング装置においては、操舵部材の操作がなされてから操舵トルクの検出がなされるまでの間に前記トーションバーの捩れに要する時間遅れが生じ、例えば、操舵開始時、又は一方向から他方向への切り返し操舵時に操舵補助力の応答が遅れ、操舵感の低下を招来するという問題がある。

また一方、車両の走行中には、路面からの反力が舵取機構を介してステアリング軸に伝わり、操舵部材を操作する運転者に、所謂「逆入力」として体感される。この逆入力は、過大である場合を除けば、走行中の路面の状態を運転者に伝え、操舵感を良好に保つために有用であるが、前述したトルクセンサを備えるパワーステアリング装置においては、逆入力の作用時にもトーションバーが捩れ、正入力としての操舵トルクの作用時と全く同様にトルク検出がなされ、このトルク検出に応じた操舵アクチュエータの動作により逆入力を打ち消す向きの力が加えられ、逆入力が無条件に排除されて、路面の状態が運転者に伝わり難いという不具合が生じる。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、トーションバーを用いることなく、また正入力と逆入力との判別を可能として操舵トルクを検出可能なトルクセンサを備え、トルク検出の遅れと逆入力の無為な排除を防止して良好な操舵感が得られるパワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明に係るパワーステアリング装置は、操舵部材の操作に応じたピニオン軸の回転をラック軸の軸長方向の移動に変換して操舵を行わせるラックピニオン式の舵取機構を備える車両に装備してあり、前記操舵部材に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出装置と、該トルク検出装置による検出トルクに基づいて動作し、前記ラック軸に操舵補助力を加える操舵アクチュエータとを備えるパワーステアリング装置において、前記ピニオン軸に設けたピニオンと前記ラック軸に設けたラック歯とに噛合し、前記ピニオン軸の回転を前記ラック軸に伝える中間ギヤを備え、前記トルク検出装置は、前記ピニオン軸に加わる力を検出する第１の力センサと、前記中間ギヤの支軸に加わる力を検出する第２の力センサと、前記第１の力センサ及び第２の力センサによる検出力の差に基づいて前記操舵トルクを演算するトルク演算部とを備えることを特徴とする。

本発明においては、ピニオン軸の回転をラック軸に伝える伝動系に、ピニオン軸及びラック軸の双方に噛合する中間ギヤを設け、この中間ギヤの支軸とピニオン軸とに加わる力を第１，第２の力センサにより夫々検出し、これらの検出力の差を用いて操舵トルクを演算するから、トーションバーを用いることなく操舵トルクを検出することができトーションバーの捩れに起因する遅れを排除して応答性の良好な操舵感を実現することが可能となる。

また第１，第２の力センサによる検出力の差は、ピニオン軸と中間ギヤとの間の伝動の方向に応じて正負となるから、正入力と逆入力との判別が可能となり、必要な逆入力を排除することなく操舵部材にフィードバックし、路面の状態を運転者に的確に体感させて良好な操舵感を実現することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

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、本発明に係るパワーステアリング装置の構成を示す模式図である。なお本図には、操舵補助用のアクチュエータとして電動モータを備える電動パワーステアリング装置を例示してあるが、復動式の油圧シリンダを操舵アクチュエータとする油圧パワーステアリング装置として構成することも可能である。

本発明に係るパワーステアリング装置は、車体の左右方向に延設されたラックハウジング10の内部に軸長方向への移動自在に支持されたラック軸１と、ラックハウジング10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とを有するラックピニオン式の舵取機構を備えている。

ラック軸１の両端は、ラックハウジング10の両側から外部に突出され、操舵用の車輪としての左右の前輪11，11のナックルアーム12，12に各別のタイロッド13，13を介して連結してあり、ラックハウジング10内にて生じるラック軸１の軸長方向の移動が両端のタイロッド13，13を介して左右の前輪11，11のナックルアーム12，12に伝えられ、これらのナックルアーム12，12を押し引きして左右の前輪11，11が操舵される構成となっている。

ピニオン軸２の上端は、ピニオンハウジング20の外側に突出され、上位置に対向するステアリング軸３の下端に連結されている。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支持されている。ステアリング軸３の両端は、コラムハウジング31の上下両側から外部に突出させてあり、下方への突出端に前述の如くピニオン軸２が連結され、上方への突出端には、操舵部材としてのステアリングホイール30が固設されている。

一方、ピニオンハウジング20の内部に延びるピニオン軸２の下端は、ラックハウジング10との交叉部において、図２に示す伝動手段を介してラック軸１に連結されている。図２は、ピニオン軸２からラック軸１への伝動手段の構成を略示する説明図である。

図示の如くピニオン軸２の下端は、ラック軸１の近傍にまで延長されており、ピニオン軸２の下半部には、外周にウォーム歯を備えるピニオン21が一体形成されている。またラック軸１の外周には、ピニオン軸２の下端との対向部に、軸長方向の適長に亘ってラック歯14が形成されている。このようにラック軸１の外面に形成されたラック歯14とピニオン21の外周のウォーム歯とは、ラック軸１及びピニオン軸２の夫々と直交する支軸16の周りに回転自在に支持された中間ギヤ15に、周方向の異なる位置にて夫々噛合させてある。

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が軸周りに回転する。ピニオン軸２が回転した場合、下半部に設けたピニオン21と噛合する中間ギヤ15が回転し、この回転が、ラック歯14との噛合部において運動変換され、ラック軸１が軸長方向に移動することとなり、この移動により、前述の如く、両端のタイロッド13，13を介してナックルアーム12，12が押し引きされ、これらのナックルアーム12，12を備える左右の前輪11，11が操舵される。

本発明に係るパワーステアリング装置は、以上の如くなされる操舵に際して操舵部材としてのステアリングホイール30に加えられる操舵トルクを検出すべく、以下に示す特徴的な構成を有するトルク検出装置４を備えており、このトルク検出装置４による検出トルクに基づいて駆動制御され、舵取機構に操舵補助力を加える操舵補助用のモータ５を備えている。

図１に示す如くトルク検出装置４は、ピニオン軸２を支持するピニオンハウジング20の内部に設けてあり、図２に示す如く、ピニオン軸２に付設された第１の力センサ41と、中間ギヤ15の支軸16に付設された第２の力センサ42と、第１，第２の力センサ41，42の出力から操舵トルクを算出するトルク演算部40とを備えている。

第１，第２の力センサ41，42は、夫々が付設されたピニオン軸２及び中間ギヤ15の支軸16に加わる力を検出するセンサであり、例えば、ピニオン軸２及び支軸16を支持する図示しない軸受に加わる反力を検出するセンサとして構成することができる。トルク演算部40は、第１の力センサ41の出力から第２の力センサ42の出力を減じて両出力の差を求め、この差に所定のゲインを乗じて得られたトルク検出値Ｔを出力する演算処理部として構成されている。

第１の力センサ41の出力は、ピニオン軸２に加わる力の大きさに対応し、また第２の力センサ42の出力は、中間ギヤ15の支軸16に加わる力の大きさに対応する。前述の如くなされる操舵の間には、ピニオン軸２の回転がピニオン21及び中間ギヤ15を介してラック軸１に伝えられる。このような力の作用時、即ち、正入力の作用時には、ピニオン軸２に加わる力と支軸16に加わる力とを比較した場合、ピニオン21と中間ギヤ15との間の伝動効率分だけ前者が後者よりも常に大きい。

一方、車両の走行中において前輪11，11に路面からの反力が加わった場合、この反力がラック軸１に伝わり、該ラック軸１が軸長方向に押され、この押圧力がラック歯14に噛合する中間ギヤ15を介してピニオン軸２に伝わる。このような力の作用時、即ち、逆入力の作用時には、ピニオン軸２に加わる力と支軸16に加わる力とを比較した場合、ピニオン21と中間ギヤ15との間の伝動効率分だけ前者が後者よりも常に小さい。

従って、前述した演算の結果トルク演算部40から出力されるトルク検出値Ｔは、正入力の作用時には正値となり、逆入力の作用時には負値となり、正値として与えられるトルク検出値Ｔは、操舵のためにステアリングホイール30に加えられた操舵トルクの大きさに対応し、負値として与えられるトルク検出値Ｔは、走行中に路面反力の作用により舵取機構に加わる逆入力の大きさに対応する。

ピニオン軸２と一体回転するピニオン21として外周にウォーム歯を備えるウォームピニオンが用いられてあるのは、この種のピニオン21と中間ギヤ15との間の伝動効率が低く、第１，第２の力センサ41，42の出力差を大とすることができ、この出力差を用いて算出されるトルク検出値Ｔの精度を高めることが可能となるためであるが、直歯又は斜歯の平歯車として構成されたピニオン21を用いてもよい。

操舵補助用のモータ５は、ピニオンハウジング20の連設部から離れたラックハウジング10の中途部外側に軸心を略直交させて取り付けてある。コラムハウジング31の内部に延びるモータ５の出力端は、例えば、該出力端に固着されたピニオンをラック軸１の該当位置に設けたラック歯に噛合させてあり、モータ５の回転を運動変換してラック軸１に伝え、該ラック軸１に軸長方向の移動力を加えて前述の如くなされる操舵を補助するように構成されている。なお、モータ５の出力端のピニオンに噛合させるラック歯は、中間ギヤ15を噛合させるべく設けたラック歯14の形成域を一側に延長し、このラック歯14と一体に構成することもできる。またモータ５の回転をラック軸１の軸長方向の移動に変換するための手段としては、ラック・ピニオン式の運動変換機構に限らず、ボールねじ式等の他の形式の運動変換機構を用いて構成することもできる。

このように取付けられた操舵補助用のモータ５は、図１に示すアシスト制御部６から駆動回路に与えられる制御指令に従って駆動される。アシスト制御部６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを備え、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従うＣＰＵの動作により以下の制御動作を実行するＥＣＵとして構成されており、アシスト制御部６には、トルク検出装置４において前述の如く求められるトルク検出値Ｔが与えられ、また操舵補助用のモータ５に付設されたモータ電流センサ50から、該モータ６の駆動電流の検出値が与えられ、更に、車両の各部に設けた走行状態センサ60から、車速、ヨーレート等、操舵に影響を及ぼす走行状態の検出結果が与えられている。

図３は、アシスト制御部６の制御動作の内容を示すフローチャートである。この制御動作は、例えば、キースイッチのオン操作に応じて電源供給がなされている間、所定の制御タイミング毎に繰り返し実行される動作であり、アシスト制御部６は、まずトルク検出装置４から与えられるトルク検出値Ｔを取り込み（ステップ１）、取り込まれたトルク検出値Ｔの正負を判定する（ステップ２）。

トルク検出装置４から与えられるトルク検出値Ｔは、第１，第２の力センサ41，42の出力を用いたトルク演算部40における前述した演算により、正入力の作用時に正値として、逆入力の作用時に負値として夫々与えられる。ステップ２は、取り込まれたトルク検出値Ｔが正入力によるものか、逆入力によるものかを判別するためのステップであり、ステップ２において、トルク検出値Ｔが正値であると判定された場合（ステップ２：ＹＥＳ）、アシスト制御部６は、ステアリングホイール30の操作に応じた正入力によるトルク検出がなされていると判別し、取り込まれたトルク検出値ＴをＲＯＭに記憶させてある補助力マップに適用して、操舵補助用のモータ５に発生させるべき操舵補助力を算出し（ステップ３）、この操舵補助力を発生すべく操舵補助用のモータ５に動作指令を発し、該モータ５をアシスト駆動して（ステップ４）一連の制御動作を終える。

このアシスト駆動は、ステップ３にて算出される目標補助力に対応する駆動電流をモータ５に供給すべく、電流センサ50から与えられる駆動電流の検出値を用いたフィードバック制御により行われ、この駆動によりモータ５が発生する操舵補助力がラック軸１に加えられ、前述の如く操舵を補助することができる。ステップ３において目標補助力の算出に用いる補助力マップは、車速、ヨーレート等、操舵に影響を与える走行状態毎に設定してあり、アシスト制御部７は、走行状態センサ60により検出される走行状態に応じて補助力マップを選定し、この補助力マップを用いて目標補助力を算出する。これにより、走行状態に応じて適正な操舵補助が実行される。

一方ステップ２において、トルク検出値Ｔが負値であると判定された場合（ステップ２：ＮＯ）、アシスト制御部６は、逆入力によるトルク検出がなされていると判定し、トルク検出値Ｔの絶対値と予め設定された基準値Ｔ₀とを比較する（ステップ５）。この比較の結果、トルク検出値Ｔが基準値Ｔ₀を超えている場合（ステップ５：ＹＥＳ）には、このトルク検出値Ｔを適宜に相殺するために必要な相殺力を算出し（ステップ６）、ステップ４に進んで、算出された相殺力を発生すべく操舵補助用のモータ５を駆動して一連の制御動作を終え、トルク検出値Ｔが基準値Ｔ₀以下である場合（ステップ５：ＮＯ）には、モータ５を駆動することなく一連の制御動作を終了する。

本発明に係るパワーステアリング装置においては、前述の如く構成されたトルク検出装置４によるトルク検出値Ｔが、正入力によるものか逆入力によるものかを判定することが可能である。アシスト制御部６は、逆入力によるトルク検出値Ｔが与えられている場合、このトルク検出値Ｔが予め設定された基準値Ｔ₀を超えているときにのみモータ５を駆動する動作をなすから、基準値Ｔ₀に対応する過大な力が排除された逆入力を操舵部材としてのステアリングホイール30に伝え、該ステアリングホイール30を操作する運転者は、路面の状態を的確に体感しつつ良好な操舵感の下で操舵を実行することができる。

ここで、負値として与えられるトルク検出値Ｔには、操舵補助用のモータ５の駆動によりラック軸１に加えられる力成分も含まれるから、ステップ５での比較は、モータ５による力成分を排除すべく、低周波成分を除去したトルク検出値Ｔを用いるのが望ましい。このような低周波成分の除去は、トルク検出装置４のトルク演算部40に与える第１，第２の力センサ41，42の出力を、ハイパスフィルタによりフィルタ処理することにより実現することができる。

また前述の如く構成されたトルク検出装置４は、操舵トルクの作用により捩れを生じるトーションバーを備えていないから、正入力としての操舵トルクの検出が、トーションバーの捩れに起因する応答遅れを生じることなくなされ、操舵開始時又は切り返し操舵時における操舵補助力の遅れを解消して、ステアリングホイール30を操作する運転者に良好な操舵感を体感させることが可能となる。

本発明に係るパワーステアリング装置の構成を示す模式図である。ピニオン軸からラック軸への伝動手段の構成を略示する説明図である。アシスト制御部の制御動作の内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１ラック軸、２ピニオン軸、４トルク検出装置、５モータ（操舵アクチュエータ）、14 ラック歯、21 ピニオン、15 中間ギヤ、30 ステアリングホイール（操舵部材）、40 トルク演算部、41 第１の力センサ、42 第２の力センサ

Claims

操舵部材の操作に応じたピニオン軸の回転をラック軸の軸長方向の移動に変換して操舵を行わせるラックピニオン式の舵取機構を備える車両に装備してあり、前記操舵部材に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出装置と、該トルク検出装置による検出トルクに基づいて動作し、前記ラック軸に操舵補助力を加える操舵アクチュエータとを備えるパワーステアリング装置において、
前記ピニオン軸に設けたピニオンと前記ラック軸に設けたラック歯とに噛合し、前記ピニオン軸の回転を前記ラック軸に伝える中間ギヤを備え、
前記トルク検出装置は、前記ピニオン軸に加わる力を検出する第１の力センサと、前記中間ギヤの支軸に加わる力を検出する第２の力センサと、前記第１の力センサ及び第２の力センサによる検出力の差に基づいて前記操舵トルクを演算するトルク演算部とを備えることを特徴とするパワーステアリング装置。