(57)【要約】【課題】ステアリング系を構成するインタミシャフトなどのジョイント構造を改良することにより、ステアリング系に発生するトルク変動を利用して、ハンドル操作時に最も操舵トルクを必要とする最大切れ角付近で、トルク変動を操舵トルクを減らす側の位相領域になるようにし、大きな容量のモータを用いる必要性をなくし、低コストで、操舵性に優れた装置を提供することにある。【解決手段】ステアリングシャフトからインタミシャフトを介してステアリングギア部に至るステアリング系をジョイントによって連結し、前記ジョイントに起因してトルク変動が生じるステアリング装置において、前記トルク変動の伝達トルク比（ステアリングシャフト側の操舵トルク／ステアリングギア部側の伝達トルク）が１．０以下となる領域に、ハンドルの最大切れ角位置を設定した。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングシャフトからインタミシャフトを介してステアリングギア部に至るステアリング系をジョイントによって連結し、前記ジョイントに起因してトルク変動が生じるステアリング装置において、
前記トルク変動における伝達トルク比（ステアリングシャフト側の操舵トルク／ステアリングギア部側の伝達トルク）が１．０以下となる領域に、ハンドルの最大切れ角位置を設定したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【請求項２】
前記最大切れ角の位置は、前記トルク変動でステアリングシャフト側の操舵トルクよりステアリングギア部側の伝達トルクを増やす側の位相領域に設定され、前記最大切れ角付近で、操舵角に対して、前記伝達トルク比の変動が減少する過程の領域になるようにした請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動パワーステアリング装置の改良に関し、インタミシャフト周辺に配されるジョイントなどに起因して必然的に発生するトルク変動を利用し、ＥＰＳの出力不足を補うようにしたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の舵取り装置は、例えば非特許文献１などに開示されている。同文献１の図１１では、ハンドル５１の操作をステアリングシャフト５２からステアリングギア部５３に伝え、ピップマンアーム５４を介してタイロッド５５を往復動させることにより、キングピン５６の回りでステアリングアーム５７を回転させて、車輪５８の方向を変化させるようになっている。
【０００３】
また、この舵取り装置を電動パワーステアリング装置に搭載する場合、ステアリングシャフト５２とステアリングギア部５３のピニオン軸は、レイアウト上の観点から異なる位置に配され、インタミシャフトを介して連結される。その場合、両軸の軸長や取付角度も異なるため、インタミシャフトの両端には、ユニバーサルジョイント（カルダンジョイント）が取り付けられ、ステアリングシャフト５２からステアリングギア部５３に至るステアリング系を機械的に連結させるようになっている。
【０００４】
この場合、ハンドル５１の操作によって、タイロッド５５の往復動により、ステアリングアーム５７をキングピン５６の回りで回転させて車輪５８の方向を変化させる。そのため、ハンドル５１の切れ角が最大付近になると、どうしても車輪５８の方向変化に要する力が大きくなる。すなわち、この付近では、タイロッド５５からの出力をステアリングアーム５７の回転軌跡の接線方向に効率よく働かせることができないため、操舵に要する力が大きくなってしまう。
【０００５】
ところで、ＥＰＳ、例えばコラム型ＥＰＳでは、ステアリングシャフトのアシストトルクは、インタミシャフトを介してステアリングギア部に伝達される。その際、インタミシャフトとして、カルダンジョイントなどのユニバーサルジョイントを採用することが多い。このユニバーサルジョイントは、駆動軸に接続されたヨークと、従動軸に接続されたヨークを十字軸によって回転自在に接続し、駆動軸の回転を従動軸に等しく伝達するように構成される。
【０００６】
ところが、インタミシャフトに、１つのユニバーサルジョイントを用いた場合、駆動軸の回転運動と従動軸の回転運動の間で構造的な相対変位、すなわち回転運動の非同一性が生じる。その結果、ハンドルの操作角度と車輪の操舵角度が異なってしまい、車輪の正確な操舵が困難になるという問題があった。
【０００７】
そのため、インタミシャフトの両端に、一対のユニバーサルジョイントを用いた場合、図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、Ｗ字状或いはＺ字状に配置すれば、駆動軸側のジョイント角α１と、従動軸側のジョイント角α２とが等しくなり、駆動軸の回転運動と被駆動軸の回転運動が実質的に同一となるため、正確な操舵精度を得ることができる。
【０００８】
ここで、駆動軸側（この場合、ステアリングシャフト側）のジョイント角α１は、駆動軸の中心軸とインタミシャフトの中心軸との間の角度であり、被駆動軸側（この場合、ステアリングギア部側）のジョイント角α２は、インタミシャフトの中心軸と従動軸の中心軸との間の角度である。
【非特許文献１】理論自動車工学入門（日刊工業新聞社編）、第１章  自動車の構造と機能
【特許文献２】特許第２１３３９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、ハンドルの操作角に対し角速度比（伝達トルク比の逆数）を一定にすることは、理論的には可能であり、極力伝達トルク比の変動を小さくするようにジョイントの位相配置を選択することになるが、現実のステアリング装置では、伝達トルク比の変動をゼロにすることは困難であった。
【００１０】
つまり、ステアリングシャフトとステアリングギア部との配置関係は、通常、レイアウト上などの車体構造的な理由から、ステアリングシャフト側のジョイント角α１とステアリングギア部側のジョイント角α２とが異なった状態で配置される。
【００１１】
なお、ユニバーサルジョイントは、回り対偶の軸心が一点を通る球面運動連鎖であり、各ユニバーサルジョイントでは、ステアリングシャフト側の回転角速度ω１とステアリングギア部側の回転角速度ω２との角速度比（ω１／ω２）は、ｃｏｓα／（１−ｓｉｎ２θ・ｓｉｎ２α）である。
【００１２】
その結果、ステアリングシャフト側の回転運動と、ステアリングギア部側の回転運動との間に、相対的な変位、すなわち回転運動に非同一性が生じ、ハンドルの操作角と車輪の操舵角とが異なってしまい、インタミシャフト回りのトルク伝達に非同一性が発生して操舵トルクに変動が生じ（図１３参照）、正確な操舵を行うことが困難であった。
【００１３】
また、操舵トルクは、ハンドルの最大切れ角付近で最も大きくなるが、操舵トルクの変動が、最大切れ角付近で正側領域（図１３のＢ領域）の位相、すなわち必要な操舵トルクを増加させなければならないような位相にあると、アシスト力がより一層不足するという弊害を生じ、ハンドル操作が重すぎる感覚を与えることになる。特にコラム型ＥＰＳの場合、寸法的制約のためにモータでのアシスト力が大きくできず、操舵力不足という弊害がより顕著になる。ここで、最大切れ角とは、ハンドルを回転させて転舵した時に、ラック軸がストッパーに当接し回転しなくなる最大の操舵角をいい、通常、片側に１．５回転で約５４０度程度である。
【００１４】
また、アシスト力不足を回避するため、予備のアシスト用モータを備え、最大切れ角付近のためにだけ、予備のモータを使用するのも、コスト的に無駄で、モータの慣性による操舵応答性も低下し、本質的な解決策ではない。
【００１５】
ちなみに、ハンドルの最大切れ角付近で、アシスト力の不足を補うために、例えば特許文献２では、図１４に示すように、特殊なＶＧＲ（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｇｅａｒ  Ｒａｔｉｏ）ギアを用いた構成、すなわちステアリングギア部のピニオン歯７１とラック歯７２の噛合部に、ラック歯７２の中央Ｃから端部に向かって圧力角を減少させるような構成（圧力角α１から圧力角α２に減少する構成）になっている。これにより、最大切れ角付近の操舵力を緩和し、ハンドルの操作範囲の全域に亘って一定の操舵力が得られるようにしたものが開示されている。
【００１６】
ところが、上記ＶＧＲを使用したものでは、ラック歯７２の圧力角が一定でないため、ピニオン歯７１との噛合部における強度上の問題や、歯同士の衝突に起因する騒音などの新たな問題を発生する恐れがあった。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、ステアリング系を構成するインタミシャフトなどのジョイント構造を改良することにより、ステアリング系に発生するトルク変動を利用して、ハンドル操作時に最も操舵力を必要とする最大切れ角付近で、トルク変動を操舵トルクを減らす側の位相領域になるようにし、大きな容量のモータを用いる必要性をなくし、低コストで、操舵性に優れた装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の上記目的は、ステアリングシャフトからインタミシャフトを介してステアリングギア部に至るステアリング系をジョイントによって連結し、前記ジョイントに起因してトルク変動が生じるステアリング装置において、トルク変動の伝達トルク比（ステアリングシャフト側の操舵トルク／ステアリングギア部側の伝達トルク）が１．０以下となる領域に、ハンドルの最大切れ角位置を設定したことにより、達成される。
【００１９】
また、前記目的は、前記最大切れ角の位置を、前記トルク変動でステアリングシャフト側の操舵トルクよりステアリングギア部側の伝達トルクを増やす側の位相領域に設定し、前記最大切れ角付近で、操舵角に対して、前記伝達トルク比の変動が減少する過程の領域になるようにしたことにより、効果的に達成される。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本発明に係る電動パワーステアリング装置によると、インタミシャフトの両端に配されたカルダンジョイントなどのユニバーサルジョイントの取り付け構造を改良し、トルク変動の伝達トルク比（ステアリングシャフト側の操舵トルク／ステアリングギア部側の伝達トルク）が１．０以下となる領域に、ハンドルの最大切れ角位置を設定した。これにより、ユニバーサルジョイントに起因して生ずるトルク変動を操舵トルクの低減に利用できる。さらに、ハンドル操作時に最も操舵トルクを必要とする最大切れ角付近の位置をユニバーサルジョイントに起因するトルク変動で操舵トルクを減らす側の位相領域にあるようにし、さらに操舵角に対して、前記伝達トルク比の変動が減少する過程の領域になるようにすることにより、アシストモータの出力が限界であっても操舵トルクの変化は減る方向であるため、ハンドル操作に違和感がなくなる。その結果、複数のジョイントで連結されたコラムに必然的に発生するトルク変動を有効に利用し、最大切れ角付近で、ＥＰＳによるアシスト力の不足状態を緩和することができ、操舵性、特に操舵応答性も良好に維持することができる。また、最大切れ角付近で、出力不足を緩和するために、別途ＶＧＲギアなど、付加的な部材を用いる必要がなく、装置全体のコストダウン化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示し、同図において、ハンドル１から、ステアリングコラム２、ユニバーサルジョイント３、インタミシャフト４、ユニバーサルジョイント５、およびステアリングギア部６に連結されている。このステアリングギア部６は、ピニオン軸７とラック軸８とから構成され、ピニオン軸７の回転をラック軸８の水平運動に変換させるようになっている。
【００２３】
また、ステアリングコラム２には、モータ９の駆動力を減速するための減速ギア１０が設けられ、モータ９の回転力を減速してステアリングコラム２内のステアリングシャフトに伝達させるようになっている。また、減速ギア１０のハンドル１側には、トルクセンサ１１が配されていて、該トルクセンサ１１からのトルク信号は、車速センサ１２からの車速信号とともに、コントロールユニット（ＥＣＵ）１３に送られるようになっている。また、コントロールユニット１３には、供給電源としてのバッテリー１４にイグニッションスイッチ１５を介して接続されている。なお、１６はヒューズである。
【００２４】
また、ラック軸８の両端には、それぞれボールジョイント１７を介してタイロッド１８が配され、該タイロッド１８の往復動に応じて、キングピン１９を軸としてステアリングアーム２０が回転自在に設けられていて、車輪２１の方向変化を行うようになっている。よって、ハンドル１を図１矢印方向に操作すると、車輪２１は同図矢印方向に回動する。
【００２５】
そして、ハンドル１を操作すると、図２に示すように、タイロッド１８は、同図矢印方向に移動し（実線位置から二点鎖線位置まで）、キングピン１９を軸としてステアリングアーム２０が回転し、車輪２１が同図のθ１だけ傾斜する。よって、車輪２１が図２の実線位置にある場合、車輪２１には、タイロッド１８からの操舵力Ｔが有効に作用するのに対し、ステアリングアーム２０の回転によって車輪２１が図２の二点鎖線位置になると、車輪２１には、タイロッド１８からの操舵力Ｔのうち傾斜角θ１に比例する分力だけが作用することになる。一方、図３に示すように、ハンドル１を逆方向に操作すると、タイロッド１８は、同図矢印方向に移動し（実線位置から二点鎖線位置まで）、キングピン１９を軸としてステアリングアーム２０が回転し、車輪２１が同図のθ２だけ傾斜する。よって、車輪２１が図３の実線位置にある場合、車輪２１には、タイロッド１８からの操舵力Ｔが有効に作用するのに対し、ステアリングアーム２０の回転によって車輪２１が図３の二点鎖線位置になると、車輪２１には、タイロッド１８からの操舵力Ｔのうち、傾斜角θ２に比例する分力だけが作用することになる。以上のように、ハンドル１の切れ角が最大になる場合に、操舵に要する力が最も大きくなる。
【００２６】
また、前記インタミシャフト４は、ステアリングコラム２とピニオン軸７との間に配され、その両端のユニバーサルジョイント３，５を介してハンドル１側の回転をピニオン軸７側の回転に伝達させるようになっている。
【００２７】
ここで、ユニバーサルジョイント３，５は、それぞれ球面運動連鎖になり、駆動軸側の回転角をθとし、駆動軸と従動軸のなす角をαとすれば、角速度比は、ｃｏｓα／（１−ｓｉｎ２θｓｉｎ２α）になる。
【００２８】
また、ユニバーサルジョイント３，５は、インタミシャフト４の両端に配され、ハンドル１の中立（直進）時に、図４のように配置される場合、ハンドル１の操作角に対して、操舵力は、中立（直進）時を基準として直線的に増大し、トルクは、図５に示すように、周期的に変動する。
【００２９】
また、任意のジョイント角で連結されたステアリング装置では、ジョイント部での入力軸と出力軸との角速度比が、操舵角（ハンドル１の回転角）に対して変動する。その際、入力軸と出力軸の角速度比（ωａ／ωｄ）と、伝達トルク比（Ｔａ／Ｔｄ）とは、Ｔａ・ωａ＝Ｔｄ・ωｄ、すなわちＴａ／Ｔｄ＝ωｄ／ωａの関係にある。よって、図６に示すように、角速度比がハンドル１の回転角に対して変動するとき、伝達トルク比は、ハンドル１の回転角に対して逆比例の関係で変動する。
【００３０】
また、例えばラック＆ピニオンなどのステアリングギア部を備えたステアリングシステムでは、図７に示すように、操舵角が大きくなるに従って、ステアリングギア部での出力が大きくなる。
【００３１】
そして、操舵力（操舵トルク）は、操舵角に応じて、ラックを作動するのに要するトルク変動値と、ジョイント部でのトルク変動値とを重ね合わせた値になり、操舵角が最大切れ角付近になると、必要な操舵力が最も大きくなる。そのため、本実施例では、トルク変動の伝達トルク比、すなわちステアリングシャフト側の操舵トルク（Ｔａ）／ステアリングギア部側の伝達トルク（Ｔｄ）を、図８に示すように、１．０以下となる領域にハンドルの最大切れ角を設定するようになっている。すなわち、トルク変動において、最大切れ角付近は、出力トルク（伝達トルク）を増やす側のトルク変動領域に設定される。その結果、操舵力は、トルク変動において最大切れ角付近で出力トルクを増大する側に変動し、その分アシスト力を補償することになる。
【００３２】
従って、上記実施例では、いずれか一方の側にハンドル１を切ると、操舵力は、図８に示すように、操舵角に対して周期的なトルク変動曲線を呈する。その際、トルク変動曲線の位相は、ジョイント部の向きによって任意に調整できる。例えば、ユニバーサルジョイント３，５を図９のような配置にすると、図８の一点鎖線で示す変動曲線を描き、図１０のような配置にすると、図８のニ点鎖線で示す変動曲線を描く。つまり、ユニバーサルジョイント３，５を図９のような配置にすれば、ハンドル１の最大切れ角付近を、操舵トルクを増やす側の位相領域になるように設定することができる。特に、最大切れ角の位置を、図８の一点鎖線のうち負の傾きである太線部（Ｄ部）に設定すれば、アシスト力の補償が増大し、トルク変動をより効果的に利用することができる。その結果、アシスト力不足をより一層軽減することができ、モータ容量の増大を抑え、予備のモータを設けたり、ＶＧＲなどの付加的な部材を用いる必要がなく、低コストで、操舵性、特に操舵応答性を良好に維持することができる。
【００３３】
以上のように、上記実施例では、ハンドル１の最大切れ角付近で、トルク変動曲線が操舵トルクを減少させるような位相領域になるように、ユニバーサルジョイント３，５を組み付け、トルク変動の伝達トルク比が、１．０以下となる領域に、ハンドル１の最大切れ角を設定した。また、最大切れ角の位置は、トルク変動曲線で、図８に示すように、操舵トルクを減らす側の領域であって、伝達トルク比の変動が、減少する過程の領域になるように設定した。これにより、ハンドル１の操作に大きな操舵力を要する最大切れ角付近で、ユニバーサルジョイント３，５などに起因するステアリング系のトルク変動を有効に利用することができる。すなわち、最大切れ角付近で、トルク変動がＥＰＳの出力を増やす側の位相に設定したので、トルク変動のうちアシスト力の余裕側位相を有効に活用し、最大切れ角付近で、アシスト力の不足を補うようにした。よって、ＶＧＲなどの付加的な部材や大容量のモータなどを設ける必要がなく、装置のコストダウン化を図ることができ、また、モータの慣性を効率的に抑えることができ、操舵性や追従性を損なうことなく、操舵安定性が良好になる。
【００３４】
なお、ＣＧＲ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｇｅａｒ  Ｒａｔｉｏ）の場合、最大切れ角の位置で、角速度が最小になるように設定すれば、操舵力と相殺されて、ＣＧＲでありながら、いわゆるＶＧＲと同様の効果を得ることも可能である。また、直進付近（ハンドルの中立付近）にもトルク変動が生じるが、操舵に要する力が小さく、アシストモータの容量に余裕のある領域であるため、ＥＰＳの制御によって滑らかな回転角−トルク曲線を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る電動パワーステアリング装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】タイロッドからの操舵力によって車輪が方向変化する様子を説明する図である。
【図３】図２に対応する図であって、車輪が図２とは逆方向に方向変化する様子を説明する図である。
【図４】インタミシャフトの両端に配されたジョイントの取り付け角の関係を説明する図である。
【図５】ハンドルの操作角に対するトルク変動と操舵トルクの関係を示す図である。
【図６】操舵角に対する伝達トルク比の関係を示す図である。
【図７】操舵角に対する操舵トルクの関係を示す図である。
【図８】操舵角に対する操舵トルクの関係でトルク変動曲線を説明する図である。
【図９】インタミシャフトの両端にユニバーサルジョイントが取り付けられた状態を示す。
【図１０】インタミシャフトの両端にユニバーサルジョイントが取り付けられた状態を示し、トルク変動曲線が図９の配置とは逆位相になるように取り付けた状態を示す。
【図１１】一般的な舵取り装置を説明する図である。
【図１２】（ａ）および（ｂ）は、インタミシャフトに連結される駆動側および従動側のシャフトの取り付け角が同一である状態を示す図である。
【図１３】ハンドルの操作角に対するトルク変動を示す図であり、最大切れ角時に位相が負側（不足側）にある状態を説明する図である。
【図１４】従来のＶＧＲギア構造を示し、ラック歯とピニオン歯との噛合状態を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１          ハンドル
３          ユニバーサルジョイント
４          インタミシャフト
５          ユニバーサルジョイント
７          ピニオンシャフト
８          ラック軸
９          モータ
１０          減速ギア
１３          コントロールユニット
１８          タイロッド
２０          ステアリングアーム
２１          車輪
【図１】
2005239131.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005239131.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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