JP3631456B2

JP3631456B2 - 同軸型電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP3631456B2
Application number: JP2001333032A
Authority: JP
Inventors: 哲尚高木; 俊則田中; 武史杉山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2021-10-30
Also published as: JP2003137108A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、操舵が重荷重の状態であっても容易にステアリング操作を行うことが可能な同軸型電動パワーステアリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、例えば、特開２０００−３０２０５１号公報に開示された従来の同軸型電動パワーステアリング装置の構成を示す断面図である。図において、操向軸１は、図の左右方向に移動することにより軸の両端に設けられた図示しないタイロッドを介して図示しない車輪を操向するものであり、この左右方向の移動は運転者の操舵に基づき、図示しないが、操向軸１に設けられたラックとステアリングホイールの操舵軸に設けられたピニオンとからなる周知のラックアンドピニオン機構と、後述する電動機によるアシストによりなされるものである。また、上記のステアリングホイールの操舵軸には後述するアシスト動作のための操舵トルク検出手段が設けられている。
【０００３】
操向軸１はハウジング２に、図示しない軸受けにより軸方向に移動が可能なように支承され、また、ハウジング２の内径には操向軸１とは同軸に電動機３が設けられている。電動機３はハウジング２の内径に固定された固定子４と、円筒状に形成されて内径を操向軸１が貫通すると共に、ハウジング２に軸受け５などにより回転自在に支承された回転軸６を有する回転子７とから構成されている。操向軸１にはボールネジ１ａが設けられており、このボールネジ１ａにはボール１０を介してボールネジナット１１が螺合されると共に、ボールネジナット１１は軸受け１２と１３とにより回転自在にハウジング２に支承されている。
【０００４】
減速機構８は上記の回転軸６の一端に設けられた太陽歯車９と、ハウジング２に固定された内接歯車１４と、太陽歯車９と内接歯車１４とに噛み合う遊星歯車１５とから構成された遊星歯車減速機構であり、遊星歯車１５はボールネジナット１１に設けられたピン１６に回転自在に嵌合されると共に、保持部材１７によりピン１６に対して軸方向には固定されている。
【０００５】
このように構成された従来の同軸型電動パワーステアリング装置において、運転者が図示しないステアリングホイールを操作すると図示しないラックアンドピニオン機構を介して操向軸１に推力が加わり、操作された方向に移動して車輪を繰向するが、同時にステアリングホイールの操舵軸に設けられた操舵トルク検出手段がこのときの操舵トルクを検知し、図示しない制御手段に入力されて制御手段が電動機３を駆動する。電動機３の回転は減速機構８に伝達され、減速比に相当するトルク増大がなされてボールネジナット１１に伝達される。ボールネジナット１１に加わる回転方向のトルクはボールネジ１ａにより軸方向の推力に転換され、運転者による操舵をアシストする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、運転者の操舵力による操向軸１に対する推力が電動機３による操向軸１の推力によりアシストされるため、運転者の操舵は軽く滑らかに行われることになる。しかし、例えば車両の車輪が道路端の縁石など障害物に接触していたり、乗り上げたりしている場合、車輪の操向には大きな力を必要とし、上記のような従来の同軸型電動パワーステアリング装置では電動機３のトルクが減速機構８の減速比相当分しか増大されないので、電動機３がロック状態になってしまうことがあった。また、このような状態でも操舵ができるようにするためには減速機構８の減速比を大きくすればよいが、減速比の増大は通常走行時における操舵フィーリングの悪化につながり、走行の安全性を阻害するものであった。
【０００７】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、運転者の操舵力などを検知して減速機構の減速比を切り換えることにより、通常走行時においては操舵フィーリングが良好であり、操舵の重荷重時においては容易に操舵することが可能な同軸型電動パワーステアリング装置を得ることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる同軸型電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールの操舵により車両の車輪を操向する操向軸と、操向軸に第一または第二のボールネジ機構を介して補助推力を与える電動機と、電動機の回転軸から第一の遊星減速機構と第一の回転伝達子とこの第一の回転伝達子とは結合と分離とが可能な第二の回転伝達子と第二の遊星減速機構とを経由して第一のボールネジ機構に回転を伝達する第一の回転伝達経路と、電動機の回転軸から第一の遊星減速機構の遊星子を保持する第三の回転伝達子を経由して第二のボールネジ機構に回転を伝達する第二の回転伝達経路と、第一の回転伝達子と第二の回転伝達子との結合と分離の操作、および、第三の回転伝達子の固定と解放との操作により第一の回転伝達経路と第二の回転伝達経路とを切り換える電磁クラッチとを備え、第一の回転伝達経路と第二の回転伝達経路との減速比が異なるようにしたものである。
【０００９】
また、電磁クラッチを制御する制御手段を有しており、制御手段がステアリングホイールの操舵トルクを検知して電磁クラッチを制御し、第一の回転伝達経路と第二の回転伝達経路とを切り換えるようにしたものである。
さらに、電磁クラッチを制御する制御手段を有しており、制御手段が車両の走行速度を検知して電磁クラッチを制御し、第一の回転伝達経路と第二の回転伝達経路とを切り換えるようにしたものである。
【００１０】
また、第一の減速機構と第二の減速機構とを、太陽歯車と内接歯車と遊星歯車とからなる遊星歯車減速機構により構成したものである。
さらに、第一の減速機構と第二の減速機構とを、あるいは、いずれか一方を、太陽ローラと内接ローラと遊星ローラとからなる遊星ローラ減速機構により構成したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１ないし図３は、この発明の実施の形態１による同軸型電動パワーステアリング装置を説明するもので、図１と図２とは構成を説明する断面図であり、図１は通常の状態を、図２は操舵に高トルクが必要となって電磁クラッチ２３が動作した状態を示すものである。また、図３は、クラッチ２０の構成と動作とを説明する説明図であり、図１と図２とにおいて上記の従来例と同一機能部分には同一符号が付与されている。
【００１２】
図において、操向軸１は上記の従来例と同様に、図の左右方向に移動することにより軸の両端に設けられた図示しないタイロッドを介して図示しない車輪を繰向する。この左右方向の移動は運転者の操舵に基づき、操向軸１に設けられた図示しないラックと図示しないステアリングホイールの操舵軸に設けられたピニオンとによりなされるもので、これには公知のラックアンドピニオン機構が使用され、図示しないステアリングホイールの操舵軸には後述するように操舵トルク検出手段が設けられている。また、操向軸１はハウジング２に、図示しない軸受けにより軸方向の移動が可能なように支承され、ハウジング２の内径には操向軸１とは同軸構成による電動機３が設けられている。
【００１３】
電動機３はハウジング２の内径に固定された固定子４と、円筒状に形成されて内径を操向軸１が貫通すると共に、ハウジング２に軸受け５などにより回転自在に支承された回転軸６を有する回転子７とから構成されている。操向軸１にはボールネジ１ａが設けられており、ボールネジ１ａにはボール１０を介して第二のボールネジナット１８と第一のボールネジナット１９とが螺合されており、第二のボールネジナット１８とボールネジ１ａとボール１０とで第二のボールネジ機構を、また、第一のボールネジナット１９とボールネジ１ａとボール１０とで第一のボールネジ機構を構成している。また、第二のボールネジナット１８の外周には後述するクラッチ２０を介して第三の回転伝達子２１が設けられており、第一のボールネジナット１９は軸受け２２により回転自在にハウジング２に支承されている。
【００１４】
２３は励磁コイル２４と第一の回転伝達子２５と分離バネ２６とからなる電磁クラッチであり、第一の回転伝達子２５は電磁クラッチ２３の可動子を兼ねており、励磁コイル２４が無励磁の場合は第一の回転伝達子２５は分離バネ２６の押圧力により反励磁コイル２４側に押し出され、図１に示すように第二の回転伝達子２７との間に設けられた連結部２８が結合して第二の回転伝達子２７が第一の回転伝達子２５と共に回転し、励磁コイル２４が励磁されると第一の回転伝達子２５が励磁コイル２４側に吸引されて固定されると共に、図２に示すように連結部２８が分離して第二の回転伝達子２７は駆動されない構成となっている。
【００１５】
電動機３の回転軸６と第一の回転伝達子２５との間には第一の減速機構３０が設けられている。第一の減速機構３０は回転軸６に設けられた太陽歯車３１と、第一の回転伝達子２５に固定された内接歯車３２と、第三の回転伝達子２１に設けられたピン３３に回転自在に支承された遊星歯車３４とからなる遊星減速機構であり、遊星歯車３４はストッパ３５と３６とにより内接歯車３２に軸方向位置が固定され、また、遊星歯車３４は保持部材３７によりピン３３に対しても軸方向に固定されている。従って、電磁クラッチ２３が動作して第一の回転伝達子２５が移動した場合、内接歯車３２と共に遊星歯車３４も移動し、遊星歯車３４と共に第三の回転伝達子２１も移動するようになっている。
【００１６】
第一のボールネジナット１９と第二の回転伝達子２７との間には第二の減速機構３８が設けられている。第二の減速機構３８は、第一のボールネジナット１９に設けられた太陽歯車３９と、第二の回転伝達子２７に固定された内接歯車４０と、ハウジング２の突出部２ａに設けられたピン４１に回転自在に支承された遊星歯車４２とからなる遊星減速機構であり、ピン４１の一端には連結部４３が形成されて第三の回転伝達子２１と結合するように構成されており、この連結部４３の結合は、電磁クラッチ２３が動作して第一の回転伝達子２５が励磁コイル２４側に移動したとき、遊星歯車３４を介して第三の回転伝達子２１も移動し、離脱するように構成されている。
【００１７】
図３は第二のボールネジナット１８と第三の回転伝達子２１との間に介在するクラッチ２０の構成を示すものである。クラッチ２０は第三の回転伝達子２１の内径側に円周方向に所定の長さを有して設けられた溝４４と、この溝４４内に収納された二つのローラ４５ａおよび４５ｂと、ローラ４５ａと４５ｂとの位置を決めるバネ４６および４７とから構成されている。溝４４は中央から円周方向の左右対称に形成され、内径側に位置する第二のボールネジナット１８の外径に対する溝４４の深さは、中央部ではローラ４５ａおよび４５ｂの外径より小さく、左右両端部ではローラ４５ａおよび４５ｂの外径より大きく形成され、左右両端部から中央部までは底面が連続面として形成されている。
【００１８】
また、ローラ４５ａおよび４５ｂの両側に配設されたバネ４７とローラ４５ａと４５ｂとの間に配設されたバネ４６はいずれも圧縮コイルバネであり、バネ４６の力量がバネ４７の力量より強く形成されている。そのために、通常状態ではローラ４５ａと４５ｂとは溝４４の両端側に押されて溝４４の底面との間には隙間が形成されることになる。この状態において、内径側の第二のボールネジナット１８が例えば左回転した場合を考えると、ローラ４５ａと４５ｂとは回転方向に移動しようとするが、ローラ４５ａはバネ４７の力量が弱いので溝４４の底面との間の隙間が大きくなる方向に移動することになり、ローラ４５ｂはバネ４６の力量が大きいので溝４４の底面との間の隙間が保有される位置までの移動にとどまることになる。
【００１９】
また、外径側の第三の回転伝達子２１が同じく左回転した場合を考えると、第二のボールネジナット１８に対してローラ４５ａと４５ｂとが停止した状態で溝４４が移動することになり、バネ４７の力量が弱いのでローラ４５ａが溝４４に対して相対移動し、底面との間の隙間がゼロになって第二のボールネジナット１８と第三の回転伝達子２１とがロックされ、第三の回転伝達子２１の回転により第二のボールネジナット１８が駆動されることになる。すなわち、クラッチ２０は、第三の回転伝達子２１側（外径側）からの駆動は第二のボールネジナット１８（内径側）に伝達するが、第二のボールネジナット１８側（内径側）からの駆動は第三の回転伝達子２１（外径側）に伝達しない機能を有するものである。
【００２０】
このように構成されたこの発明の実施の形態１による同軸型電動パワーステアリング装置において、運転者がステアリングホイールを操作すると図示しないラックアンドピニオン機構を介して操向軸１が操作された方向に移動して車輪を繰向しようとするが、同時に図示しないステアリングホイールの操舵軸に設けられた操舵トルク検出手段が操舵トルクを検知してトルク信号を出力する。このトルク信号が図示しない制御手段に入力されると、制御手段は信号に基づき演算を行い、所定の回転方向と駆動トルクにて電動機３を駆動する。ステアリングホイールに対する操舵トルクが所定値以下である場合には制御手段は電動機３のみを操作し、電磁クラッチ２３を操作しないので図１に示す構成において動作が開始される。
【００２１】
電動機３が駆動されると駆動トルクは第一の減速機構３０の太陽歯車３１から遊星歯車３４と内接歯車３２とに伝達される。遊星歯車３４を保持する第三の回転伝達子２１は連結部４３によりピン４１と結合し、回転が阻止されているので遊星歯車３４は自転のみして公転せず、内接歯車３２に回転を伝達する。内接歯車３２を有する第一の回転伝達子２５は連結部２８にて第二の回転伝達子２７と結合されているので、内接歯車３２の回転は第二の回転伝達子２７を経由して第二の減速機構３８の内接歯車４０に伝達される。第二の減速機構３８の遊星歯車４２はピン４１によりハウジング２に保持されているため公転せず、自転のみして太陽歯車３９を有する第一のボールネジナット１９を駆動する。
【００２２】
第一のボールネジナット１９の回転はボール１０とボールネジ１ａとにより操向軸１の軸方向の推力に転換され、操向軸１が移動して図示しない車輪を操向する。このようにステアリングホイールに対する操舵トルクが所定値以下である場合には、第一の減速機構３０と第二の減速機構３８とによる所定の減速比で第一のボールネジナット１９が駆動され、ステアリングホイールの操作をアシストするもので、この動作により操向軸１が移動するとボール１０を経由して第二のボールネジナット１８が駆動され、回転することになるが、クラッチ２０は内径側からの駆動力は伝達しないので第二のボールネジナット１８は空転することになる。以上の回転伝達経路が第一の回転伝達経路である。
【００２３】
例えば、車両の車輪が道路の縁石などの障害物に接しており、通常の操舵力では操舵ができない場合、運転者はステアリングホイールに対する操舵力を強めることになる。この操舵トルクが所定値を越えると制御手段は、まず、電磁クラッチ２３を動作させ、第一の回転伝達子２５を分離バネ２６の押圧力に抗して励磁コイル２４側に吸引移動させる。第一の回転伝達子２５が励磁コイル２４側に移動すれば連結部２８の結合が分離して第二の回転伝達子２７はフリーとなり、同時に第一の回転伝達子２５に固定された内接歯車３２と、この内接歯車３２にストッパ３５と３６とにより軸方向位置が固定された遊星歯車３４と、この遊星歯車３４を保持する第三の回転伝達子２１とが第一の回転伝達子２５と共に移動して連結部４３が外れ、第三の回転伝達子２１は回転阻止状態から離脱すると共に第一の回転伝達子２５は励磁コイル２４に吸着されて回転阻止状態となる。
【００２４】
この状態を示したのが図２であり、図２において電動機３が駆動されると駆動トルクは第一の減速機構３０の太陽歯車３１から遊星歯車３４と内接歯車３２とに伝達され、内接歯車３２を有する第一の回転伝達子２５は電磁クラッチ２３に吸着固定されており、第三の回転伝達子２１は回転阻止状態から離脱しているので第三の回転伝達子２１に保持された遊星歯車３４は公転して第三の回転伝達子２１を所定の方向に駆動する。第三の回転伝達子２１が回転すればクラッチ２０は外径側から駆動されるのでロック状態となり、第三の回転伝達子２１から第二のボールネジナット１８が駆動される。第二のボールネジナット１８の回転はボール１０とボールネジ１ａとにより操向軸１の軸方向の推力に転換され、操向軸１が移動して図示しない車輪を操向する。これが第二の回転伝達経路である。
【００２５】
このように、通常では第一の回転伝達経路を経由して操向軸１が操作され、大きな操舵力を必要とするときには第二の回転伝達経路により操向軸１が操作されるもので、第一の回転伝達経路の場合、第二の減速機構３８が内接歯車４０側から駆動されるので、第一の減速機構３０との減速比が相殺されて小さくなり、第二の回転伝達経路の場合には減速比が大きくなる。従って、ステアリングホイールの操舵力が所定値を越えると電動機３によるアシスト力が増大され、この減速比を選択しておくことにより、通常の走行時には第一の回転伝達経路により通常の減速比でフィーリングの良好な操舵ができ、縁石などの障害物により操舵が重い状態になれば第二の回転伝達経路に切り替わって容易に操舵することが可能になるものである。
【００２６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２による同軸型電動パワーステアリング装置は、第一の減速機構３０と第二の減速機構３８とを遊星ローラ減速機構にしたものである。上記の実施の形態１では減速機構を遊星歯車減速機構としたが、これを太陽ローラと遊星ローラと内接ローラに置き換えても実施の形態１と同じ機能と効果とを得ることができるもので、例えば、各ローラの少なくとも接触面を弾性部材などで構成することにより、ギヤ音のない静粛な電動パワーステアリング装置を得ることができるものである。なお、第一の減速機構３０と第二の減速機構３８とのいずれか一方を遊星ローラ減速機構とすることも選択できる。
【００２７】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３による同軸型電動パワーステアリング装置は、実施の形態１による同軸型電動パワーステアリング装置に対し、車両の走行速度により電磁クラッチ２３の動作を制御するようにしたものである。車両の操舵は走行速度の低下と共に重くなり、極低速領域ではかなりの重さになる。一方、極低速領域では操舵の遅れが安全性を損なうことがないので、車速を検出して極低速領域（例えば１０ｋｍ／ｈ以下）になれば電磁クラッチ２３を動作せしめ、操舵の減速比を大きくする。このように構成することにより低速域や停車中の据え切りにおいても容易に操舵することが可能になるものである。
【００２８】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明の同軸型電動パワーステアリング装置において、請求項１に記載の発明によれば、車両の車輪を操向する操向軸と、操向軸に第一または第二のボールネジ機構を介して補助推力を与える電動機と、電動機の回転軸から第一の遊星減速機構と第一の回転伝達子とこの第一の回転伝達子とは結合と分離とが可能な第二の回転伝達子と第二の遊星減速機構とを経由して第一のボールネジ機構に回転を伝達する第一の回転伝達経路と、電動機の回転軸から第一の遊星減速機構の遊星子を保持する第三の回転伝達子を経由して第二のボールネジ機構に回転を伝達する第二の回転伝達経路と、第一の回転伝達子と第二の回転伝達子との結合と分離、および、第三の回転伝達子の固定と解放との操作により第一の回転伝達経路と第二の回転伝達経路とを切り換える電磁クラッチとを備え、第一の回転伝達経路と第二の回転伝達経路との減速比が異なるようにしたので、電磁クラッチの動作と非動作とで異なる減速比を持つ複数の操舵パターンを得ることができ、操舵の重さにより操舵パターンを選択することが可能になるものである。
【００２９】
また、請求項２に記載の発明によれば、電磁クラッチを制御する制御手段を有しており、制御手段がステアリングホイールの操舵力を検知して電磁クラッチを制御し、第一の回転伝達経路と第二の回転伝達経路とを切り換えるようにしたので、通常の走行時には減速比の小さい第一の回転伝達経路により通常の減速比でフィーリングの良好な操舵ができ、縁石などの障害物により操舵が重い状態になれば減速比の大きい第二の回転伝達経路に切り替わって容易に操舵することが可能になるものである。
【００３０】
さらに、請求項３に記載の発明によれば、電磁クラッチを制御する制御手段を有しており、制御手段が車両の走行速度を検知して電磁クラッチを制御し、第一の回転伝達経路と第二の回転伝達経路とを切り換えるようにしたので、車両が極低速での走行中や停車中においても操舵が重くなることなく容易に操舵することが可能になるものである。
【００３１】
さらにまた、請求項４に記載の発明によれば、第一の減速機構と第二の減速機構とを、太陽歯車と内接歯車と遊星歯車とからなる遊星歯車減速機構により構成したので、二つの回転伝達経路を持つ同軸型電動パワーステアリング装置を簡単な構成により得ることができ、また、請求項５に記載の発明によれば、第一の減速機構と第二の減速機構とを、あるいは、いずれか一方を、太陽ローラと内接ローラと遊星ローラとからなる遊星ローラ減速機構により構成したので、構成が容易となり、また、ローラの少なくとも接触面を弾性部材などで構成することにより、ギヤ音のない静粛な電動パワーステアリング装置を得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による同軸型電動パワーステアリング装置の電磁クラッチが非動作状態における断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による同軸型電動パワーステアリング装置の電磁クラッチが動作状態における断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による同軸型電動パワーステアリング装置に使用するクラッチの説明図である。
【図４】従来の同軸型電動パワーステアリング装置の断面図である。
【符号の説明】
１操向軸、２ハウジング、３電動機、５固定子、６回転軸、
７回転子、１８第二のボールネジナット、
１９第一のボールネジナット、２０クラッチ、
２１第三の回転伝達子、２３電磁クラッチ、２４励磁コイル、
２５第一の回転伝達子、２６分離バネ、２７第二の回転伝達子、
２８、４３連結部、３０第一の遊星減速機構、
３１、３９太陽歯車、３２、４０内接歯車、３３、４１ピン、
３４、４２遊星歯車、３５，３６ストッパ、４４溝、
４５ａ、４５ｂローラ、４６，４７バネ。

Claims

ステアリングホイールの操舵により車両の車輪を操向する操向軸、前記操向軸に第一または第二のボールネジ機構を介して補助推力を与える電動機、前記電動機の回転軸から第一の遊星減速機構と第一の回転伝達子とこの第一の回転伝達子とは結合と分離とが可能な第二の回転伝達子と第二の遊星減速機構とを経由して前記第一のボールネジ機構に回転を伝達する第一の回転伝達経路、前記電動機の回転軸から前記第一の遊星減速機構の遊星子を保持する第三の回転伝達子を経由して前記第二のボールネジ機構に回転を伝達する第二の回転伝達経路、前記第一の回転伝達子と前記第二の回転伝達子との結合と分離の操作、および、前記第三の回転伝達子の固定と解放との操作により前記第一の回転伝達経路と前記第二の回転伝達経路とを切り換える電磁クラッチを備え、前記第一の回転伝達経路と前記第二の回転伝達経路との減速比が異なることを特徴とする同軸型電動パワーステアリング装置。
前記電磁クラッチを制御する制御手段を有しており、前記制御手段が前記ステアリングホイールの操舵トルクを検知して前記電磁クラッチを制御し、前記第一の回転伝達経路と前記第二の回転伝達経路とを切り換えることを特徴とする請求項１に記載の同軸型電動パワーステアリング装置。
前記電磁クラッチを制御する制御手段を有しており、前記制御手段が前記車両の走行速度を検知して前記電磁クラッチを制御し、前記第一の回転伝達経路と前記第二の回転伝達経路とを切り換えることを特徴とする請求項１に記載の同軸型電動パワーステアリング装置。
前記第一の減速機構と前記第二の減速機構とが、太陽歯車と内接歯車と遊星歯車とからなる遊星歯車減速機構であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の同軸型電動パワーステアリング装置。
前記第一の減速機構と前記第二の減速機構とが、あるいは、いずれか一方が、太陽ローラと内接ローラと遊星ローラとからなる遊星ローラ減速機構であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の同軸型電動パワーステアリング装置。