JP4433411B2 - パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵力をアシストするパワーステアリング装置に関する。

従来、特許文献１に開示されるようなパワーステアリング装置においては、パワーシリンダと、このパワーシリンダに接続された可逆式ポンプと、この可逆式ポンプを正・逆回転駆動するモータを備え、パワーシリンダ室の左右の圧力室に選択的に油圧を供給することにより、操舵アシスト力を得ている。また、可逆式ポンプから吐出された作動油はほぼ全量パワーシリンダへ供給される構成となっている。
特開２００４−２７６６６４号公報

しかしながら上記従来技術にあっては、コントロールバルブを備えておらず、ポンプから供給された作動油をパワーシリンダとリザーバタンクへと選択的に分配することができず、ポンプから吐出された作動油は全てパワーシリンダへ供給されてしまう。したがって、ポンプの固有吐出量（１回転当たりの吐出量）が大きすぎる場合、モータを効率のよい領域で駆動することができないため消費電力が大きくなるという問題があった。また、モータ慣性が大きくなるため、モータの応答性が十分でなく、操舵フィーリングの悪化を招いてしまう、という問題もある。

本発明は上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、効率のよい領域でモータを駆動し、応答性を改善して操舵フィーリングを向上させたパワーステアリング装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明では、転舵輪に連結された操舵機構の操舵力を補助し、第１油圧室及び第２油圧室を有する油圧パワーシリンダと、前記第１油圧室に接続される第１通路と、前記第２油圧室に接続される第２通路と、前記第１通路と第２通路に接続される一対の吐出口を備え、前記油圧パワーシリンダに対し油圧を供給する可逆式ポンプと、前記可逆式ポンプに接続され、この可逆式ポンプを正・逆回転させるモータと、前記転舵輪を転舵制御するステアリングホイールの操舵負荷を検出または推定する操舵負荷検出手段と、前記操舵負荷に基づき、前記モータに所望の油圧を発生させるために前記モータに対して駆動信号を出力するモータ制御手段とを備えたパワーステアリング装置において、前記可逆式ポンプの１回転当たりの吐出量は５ｃｃ以下かつ１ｃｃ以上であり、前記モータの最高回転数は毎分３０００回転以上であり、前記可逆式ポンプを駆動するために必要とされるモータトルクの上限値である必要最大モータトルクは、前記モータが最高出力を発生するときの前記モータトルクよりも小さいこととした。

よって、ポンプの固有吐出量を最適に設定することで、効率のよい領域でモータを駆動し、応答性を改善して操舵フィーリングを向上させたパワーステアリング装置を提供することができる。

以下、本発明のパワーステアリング装置を実現する最良の形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。

［パワーステアリング装置のシステム構成］
実施例１につき図１ないし図４に基づき説明する。図１は、本願パワーステアリング装置のシステム構成図である。運転者がステアリングホイール２を操舵すると、シャフト３を介してピニオン４が駆動され、いわゆるラック&ピニオン機構によりラック軸５が軸方向に移動し、前輪を操舵する。シャフト３には、運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサ６が設けられ、コントロールユニット７に対しトルク信号を出力する。

ラック軸５には、運転者の操舵トルクに応じてラック軸５の移動をアシストするパワーステアリング機構が設けられている。パワーステアリング機構は、ポジションセンサ９を備えたモータＭと、可逆式のポンプ１と、ラック軸５を左右に移動させるシリンダ室８が設けられている。このシリンダ室８の内部には軸方向移動可能なピストン８３が設けられ、このピストン８３により第１シリンダ室８１及び第２シリンダ室８２が画成される。

第１シリンダ室８１は第１通路２１と接続し、第１通路２１はポンプ１と接続されている。また、第２シリンダ室８２は第２通路２２と接続し、第２通路２２はポンプ１と接続されている。

コントロールユニット７には、トルクセンサ６からのトルク信号に加え、イグニッションスイッチからのスイッチ信号、エンジン回転数センサからのエンジン回転数信号、車速センサからの車速信号等が入力され、これら各種信号に基づいて操舵アシスト力を決定し、モータＭへ指令信号を出力する。

このモータＭはブラシレスタイプの低トルク高回転型モータであり、毎分当たり回転数は３０００回転以上とする。３０００回転以上ではモータ効率が６０％以上となり（図４参照）、高効率領域にてモータＭを駆動する。また、ブラシレスモータはイナーシャ特性に優れており、正・逆回転の変更頻度が高いパワーステアリング装置の応答性を向上させて操舵フィーリングを改善する。

また、本願パワーステアリング装置において、ステアリングホイール２の１回転に対するモータＭの回転数は１５回転以上３８回転以下、すなわち減速比は１５以上３８以下とする。

減速比を１５以上とすることでモータＭに対するトルク負荷を低減し、低トルク高回転型のモータを使用することが可能とし、モータＭのイナーシャを低減する。一方、ステアリングホイール２に対するモータＭの減速比が大きくなりすぎるとモータＭのイナーシャが必然的に大きくなるため、減速比を３８以下としてイナーシャの増大を抑制し、良好な操舵フィーリングを得るものである。

［ポンプの詳細］
図２はポンプ１の軸方向断面図である。ポンプ１はいわゆるトロコイドタイプの双方向ポンプであり、ベーンポンプ等に比べ１回転当たりの吐出回数が多いトロコイドポンプとすることで、脈動を低減して振動抑制及び操舵フィーリングの向上を図る。

ポンプ１はハウジング１１、アウタロータ１３、インナロータ１４、カムリング１５、及び駆動軸１６を有する。内周側から順にインナロータ１４、アウタロータ１３、カムリング１５の順に配置され、軸方向からハウジング１１に収装される。駆動軸１６はモータＭの出力軸と直結され、減速ギヤ等を介在させることなく伝達ロスを低減する。

アウタロータ１３は内周に内歯歯車１３１を有し、カムリング１５に回転自在に収装される。また、アウタロータ１３の内周には外歯歯車１４１を備えたインナロータ１４が収装される。

ここで、ポンプ脈動はポンプ１回転当たりの外歯歯車１４１と内歯歯車１３１との噛合い数により発生するため、脈動低減のためには外歯歯車１４１の歯数をなるべく多くすることが望ましい。したがって、本願実施例１では外歯歯車１４１の歯数を８以上に設け、ポンプ脈動を低減する。

なお、内歯歯車１３１の歯数は外歯歯車１４１の歯数よりも１つ多く設けられている。なお、内歯歯車１３１の歯数は外歯歯車１４１の歯数に対し２つ以上であってもよく特に限定しない。

ハウジング１１においてI-I直線よりもｘ軸負方向の領域には第１ポート１１１が設けられ、ｘ軸正方向の領域には第２ポート１１２が設けられている。この第１ポート１１１及び第２ポート１１２は、アウタロータ１３に設けられた内歯歯車１３１と、インナロータ１４に設けられた外歯歯車１４１に対応する位置に設けられている。

収装時には内歯歯車１３１と外歯歯車１４１が噛合うよう収装されるが、内歯歯車１３１の歯数は外歯歯車１４１の歯数よりも１つ多いため、内歯歯車１３１と外歯歯車１４１が噛合う際互いに偏心して噛合うこととなる。偏心により内歯歯車１３１と外歯歯車１４１により隔成されたポンプ室１６０が形成される。

本願実施例では、ポンプ１の１回転当たりの吐出量、すなわち固有吐出量は、１ｃｃ以上５ｃｃ以下となるよう設けられている。なお、ポンプ室１６０の容積を１ｃｃ以上５ｃｃ以下となるよう設けることとしてもよく特に限定しない。

アウタロータ１３とインナロータ１４の偏心により、内歯歯車１３１と外歯歯車１４１はそれぞれｙ軸正方向へ向かうほど密に噛合い、ｙ軸正方向端部Ａにおいて完全に噛合ってポンプ室１６０は最小容積となる。また、ｙ軸負方向へ向かうほど噛合を解かれ、ｙ軸負方向端部Ｂにおいて完全に噛合を解かれて最大ポンプ容積となる。

すなわち、インナロータ１４及びアウタロータ１３が反時計回りに回転されると、ポンプ室１６０におけるI-I直線に対しｘ軸負方向側領域では回転に伴って容積が増加する吸入領域１６１となり、ｘ軸正方向側領域では回転に伴って容積が減少する吐出領域１６２となる。

ｚ軸と平行に設けられた駆動軸１６は、図１に示すモータＭに接続されてインナロータ１４を駆動する。インナロータ１４とアウタロータ１３の噛み合いにより、駆動軸１６の回転に伴ってインナロータ１４及びアウタロータ１３は回転駆動される。この駆動軸１６が正逆回転を行うことでポンプ１は双方向ポンプとして機能する。

［モータのトルク及び回転数と効率の関係］
図３及び図４は、パワーステアリング装置のポンプ駆動用として一般的に用いられるモータの性能曲線である。図３は高トルク低回転型、図４は低トルク高回転型を示す。

ポンプの固有吐出量を増加させると、ポンプ室１６０内の作動油を吐出するために必要なモータトルクも増大する。したがって、固有吐出量を増大させるほど、高トルク型モータを使用することが望ましい。

しかし、高トルク低回転型モータであっても、一定値を境にトルク負荷が増加するにつれ効率は低下する。例えば、図３の高トルク低回転型モータの性能曲線に示されるように、負荷トルクが１Ｎ・ｍ付近でモータ効率は８０％以上の最大効率となる。一方、負荷トルクが５Ｎ・ｍ付近では効率が大幅に低下して４０％台となる。

したがって、ポンプ固有吐出量増大に伴い必要最大モータトルクが５Ｎ・ｍとなった場合、図３に示すように高トルク低回転型モータの使用範囲は効率８０％〜４０％の領域となり、効率面で好ましくない。

これに対し、ポンプ固有吐出量を小さくしてポンプ駆動に要求される最大モータトルクを減少させるほど、必要モータトルクが少なくて済むため低トルク高回転型モータを使用することが可能となる。図４に示すように高回転型モータであっても負荷トルクの増加に伴い効率は低下するが、要求される最大トルク自体を低く抑えることにより高効率領域のみでモータ駆動を行う。

例えば、モータに対する要求最大トルクが３Ｎ・ｍであれば、図４に示すように高回転低トルク型モータを効率６０％以上で駆動することが可能となる。したがって、ポンプ固有吐出量をできるだけ小さくしてモータに対する要求最大トルクを抑制することで、低トルク高回転型モータを高効率領域で駆動することができる。本願実施例においては、ポンプ１の固有吐出量を５ｃｃ以下とすれば、モータＭの要求最大トルクが３Ｎ・ｍ以下となる。これにより、同一仕事量（出力）を発生させるための消費電力を少なくできる。

一方、ポンプ１の固有吐出量が小さくなればなるほど流量が減少するため、パワーステアリング装置において必要なシリンダ推力を確保するためにはシリンダ容積を小さくし、油圧を上げる必要がある。しかし、油圧上昇に伴ってシール部材や配管等全ての耐圧性を向上させる必要があるため、あまりに固有吐出量を小さくすると（本願実施例においては１ｃｃ以下）、コストアップ要因を招いてしまう。

したがって、本願実施例ではポンプ１の固有吐出量を１ｃｃ以上とし、シリンダ推力発生に必要最低限の流量を確保する。これにより、シリンダ推力確保のために油圧を上昇させる必要がない。

［従来技術と本願実施例における作用効果の対比］
従来のパワーステアリング装置にあっては、ポンプにより加圧された作動油はコントロールバルブに導入され、操舵アシストに必要な流量のみを油圧シリンダに供給しているが、コントロールバルブを用いるため部品点数が増加する。また、油圧シリンダに供給されない作動油は加圧されたままリザーバタンクに排出されるため、効率が悪いという問題がある。

しかしながら、従来技術においてコントロールバルブを省略した場合、ポンプにより加圧された作動油が全て油圧シリンダに導入されるため必要以上の作動油が供給されてしまう。これに対応するためポンプを低回転駆動することも考えられるが、低回転領域ではモータの効率が悪化し、消費電力が増大してしまうという問題がある。また、低回転領域では応答性が不十分となり操舵フィーリングの悪化を招くという問題があった。

これに対し本願実施例１では、ポンプ１の固有吐出量を１ｃｃ以上５ｃｃ以下とし、ポンプ駆動に要求されるモータトルクを３Ｎ・ｍ以下に抑制しつつ、必要な流量を確保する。これにより、最大要求モータトルクを３Ｎ・ｍとしてモータＭを効率６０％以上の領域で使用することが可能となり、使用電力の削減を図ることができる。

また、モータＭの使用効率を高く設定できるため、小型低出力モータであっても十分使用に耐えうるものとすることができる。加えて、ポンプ１の固有吐出量を５ｃｃ以下と小容量とすることにより、ポンプ脈動を低減し、操舵フィーリングの向上を図ることができる。

さらに、ポンプ１の固有吐出量を１ｃｃ以上とすることで必要最低限の流量を確保し、シリンダ推力確保のための油圧上昇を回避する。これにより、コストアップの要因となるシール部材や配管等全ての耐圧性向上対策を省略し、安価な装置とすることができる。
（他の実施例）

以上、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明してきたが、本発明の具体的な構成は各実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。

更に、上記実施例から把握しうる技術的思想について、以下にその効果とともに記載する。

（イ）請求項１に記載のパワーステアリング装置において、
前記可逆式ポンプはトロコイドポンプであることを特徴とするパワーステアリング装置。

ベーンポンプ等に比べてポンプ１回転当たりの吐出回数（ポンプ室の数）を多く設定することができるため、ポンプ脈動を小さくすることができる。よって、操舵フィーリングが向上し、またポンプのノイズ、脈動を抑制することができる。

（ロ）上記（イ）に記載のパワーステアリング装置において、
前記トロコイドポンプの外歯歯車の歯数は８以上であることを特徴とするパワーステアリング装置。

ポンプ脈動はポンプ１回転当たりの内歯歯車と外歯歯車とで形成されるポンプ室の数分だけ発生する。よって、外歯歯車の歯数を８以上とすることにより、固有吐出量の低下に伴うポンプ脈動をさらに低下させることができる。

（ハ）前記モータの最高回転数は毎分３０００回転以上であることを特徴とするパワーステアリング装置。

高回転、低トルク型のモータを採用した場合、モータ効率のよい領域を使用することができ、同一仕事量（出力）を発生させるための消費電力を少なくできる。

（ニ）請求項１に記載のパワーステアリング装置において、
前記モータの出力軸と前記可逆式ポンプの駆動軸とは直結されることを特徴とするパワーステアリング装置。

モータと可逆式ポンプの駆動軸とを直結することにより、減速ギヤ等を介在させた場合に比べて伝達ロスを低減することができる。

（ホ）請求項１に記載のパワーステアリング装置において、
前記モータはブラシレスモータであることを特徴とするパワーステアリング装置。

ブラシレスモータはイナーシャ特性に優れるため、固有吐出量を小さくし、モータ使用回転数を高く設定したパワーステアリング装置に適用した場合にはモータの応答性を早くすることができ、操舵フィーリングを向上させることができる。

（ヘ）請求項１に記載のパワーステアリング装置において、
運転者が操舵操作するステアリングホイールをさらに備え、このステアリングホイール１回転に対するモータの回転数は１５以上であることを特徴とするパワーステアリング装置。

ステアリングホイール１回転に対するモータの回転数を１５以上とすることにより、モータを高回転領域で使用することとなり、低トルク型モータを使用することができる。よって、モータのイナーシャを小さくすることができ、操舵フィーリングを向上させることができる。

（ト）請求項１に記載のパワーステアリング装置において、
運転者が操舵操作するステアリングホイールをさらに備え、このステアリングホイール１回転に対するモータの回転数は３８以下であることを特徴とするパワーステアリング装置。

減速比が大きくなるとモータのイナーシャが大きくなるため、適度な減速比に設定することにより良好な操舵フィーリングを得ることができる。

（チ）転舵輪に連結された操舵機構の操舵力を補助し、第１油圧室及び第２油圧室を有する油圧パワーシリンダと、
前記第１油圧室に接続される第１通路と、
前記第２油圧室に接続される第２通路と、
前記第１通路と第２通路に接続される一対の吐出口を備え、前記油圧パワーシリンダに対し油圧を供給する可逆式ポンプと、
前記可逆式ポンプに接続され、この可逆式ポンプを正・逆回転させるモータと、
前記転舵輪を転舵制御するステアリングホイールの操舵負荷を検出または推定する操舵負荷検出手段と、
前記操舵負荷に基づき、前記モータに所望の油圧を発生させるために前記モータに対して駆動信号を出力するモータ制御手段と
を備えたパワーステアリング装置において、
前記内歯歯車と外歯歯車との間に形成される隙間空間容積は、５ｃｃ以下であることを特徴とするパワーステアリング装置。

可逆式ポンプの固有吐出量（ポンプ１回転当たりの吐出量）を最適化することにより、モータの使用範囲を最適化することができる。よって、モータの小型化、使用電力の削減を図ることができる。また、固有吐出量を５ｃｃ以下と小容積とすることにより、ポンプ脈動を小さくし、操舵フィーリングを向上させることができる。

（リ）ステアリングホイールに接続された操舵軸と、
前記操舵軸に設けられたピニオン軸と、
前記ピニオン軸に噛合い、このピニオン軸の回転運動を軸方向運動に変換するラック軸と、
前記ラック軸に連結された転舵輪と、
前記ラック軸に設けられ、このラック軸に軸推力を付与するとともに、第１油圧室及び第２油圧室を有する油圧パワーシリンダと、
前記第１油圧室に接続される第１通路と、
前記第２油圧室に接続される第２通路と、
前記第１通路と第２通路に接続される一対の吐出口を備え、前記油圧パワーシリンダに対し油圧を供給するとともに、内歯歯車と外歯歯車とから構成される可逆式ポンプと、
前記可逆式ポンプに接続され、この可逆式ポンプを正・逆回転させるモータと、
前記転舵輪を転舵制御するステアリングホイールの操舵負荷を検出または推定する操舵負荷検出手段と、
前記操舵負荷に基づき、前記モータに所望の油圧を発生させるために前記モータに対して駆動信号を出力するモータ制御手段と、
を備えたパワーステアリング装置において、
前記可逆式ポンプの１回転当たりの吐出量は５ｃｃ以下であることを特徴とするパワーステアリング装置。

可逆式ポンプの固有吐出量（ポンプ１回転当たりの吐出量）を最適化することにより、モータの使用範囲を最適化することができる。よってモータの小型化、使用電力の削減を図ることができる。また、固有吐出量を５ｃｃ以下とすることにより、ポンプ脈動を小さくし、操舵フィーリングを向上させることができる。

（ヌ）上記（リ）に記載のパワーステアリング装置において、
前記ピニオン１回転に対するモータの回転数は１５以上であることを特徴とするパワーステアリング装置。

ピニオン、すなわちステアリングホイール１回転に対するモータの回転数を１５以上とすることにより、モータを高回転領域で使用することとなり、低トルク型モータを使用することができる。よってモータのイナーシャを小さくすることができ、操舵フィーリングを向上させることができる。

（ル）上記（リ）に記載のパワーステアリング装置において、
前記ピニオン１回転に対するモータの回転数は３８以下であることを特徴とするパワーステアリング装置。

ピニオン、すなわちステアリングホイール１回転に対するモータの回転数を３８以下とすることにより、モータを高回転領域で使用することとなり、低トルク型モータを使用することができる。よってモータのイナーシャを小さくすることができ、操舵フィーリングを向上させることができる。

本願パワーステアリング装置を適用したパワーステアリング装置のシステム構成図である。 ポンプの軸方向断面図である。 パワーステアリング用モータ（高トルク低回転型）の性能曲線である。 パワーステアリング用モータ（低トルク高回転型）の性能曲線である。

符号の説明

１ ポンプ
２ ステアリングホイール
３ シャフト
４ ピニオン
５ ラック軸
６ トルクセンサ
７ コントロールユニット
８ シリンダ室
１１ ハウジング
１３ アウタロータ
１４ インナロータ
１５ カムリング
１６ 駆動軸
２１ 通路
２２ 通路
８１ シリンダ室
８２ シリンダ室
８３ ピストン
１１１ 吸入ポート
１１２ 吐出ポート
１３１ 内歯歯車
１４１ 外歯歯車
１６０ ポンプ室
１６１ 吸入領域
１６２ 吐出領域

Claims (1)

1. 転舵輪に連結された操舵機構の操舵力を補助し、第１油圧室および第２油圧室を有する油圧パワーシリンダと、
   前記第１油圧室に接続される第１通路と、
   前記第２油圧室に接続される第２通路と、
   前記第１通路と第２通路に接続される一対の吐出口を備え、前記油圧パワーシリンダに対し油圧を供給する可逆式ポンプと、
   前記可逆式ポンプに接続され、この可逆式ポンプを正・逆回転させるモータと、
   前記転舵輪を転舵制御するステアリングホイールの操舵負荷を検出または推定する操舵負荷検出手段と、
   前記操舵負荷に基づき、前記モータに所望の油圧を発生させるために前記モータに対して駆動信号を出力するモータ制御手段と
   を備えたパワーステアリング装置において、
   前記可逆式ポンプの１回転当たりの吐出量は５ｃｃ以下かつ１ｃｃ以上であり、
   前記モータの最高回転数は毎分３０００回転以上であり、
   前記可逆式ポンプを駆動するために必要とされるモータトルクの上限値である必要最大モータトルクは、前記モータが最高出力を発生するときの前記モータトルクよりも小さいこと
   を特徴とするパワーステアリング装置。

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