JP2014172610A - パワーアシスト型ラックピニオン式ステアリングシステムにおける摩擦の増大の認識方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ラックドライブ電動ステアリングシステムにおける摩擦の増大を認識するための改善された方法を提供する。
【解決手段】パワーアシスト型ラックピニオン式ステアリングシステムにおける摩擦の増大の認識方法に関する。ラックピニオン式ステアリングシステムの電動サーボモータ７に試験電流を印加し、電動サーボモータ７に試験電流を印加したことによる電動サーボモータ７のロータの位置変化を検出する。続いて、検出した位置変化を、所定の予測される位置変化と比較する。比較の結果に応じて、摩擦状態を確定する。電動サーボモータ７と本発明の方法を実施するための制御ユニット１０とを備えるパワーアシスト型ラックピニオン式ステアリングシステム、及び、このラックピニオン式ステアリングシステムを備える自動車１にも関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーアシスト型ラックピニオン式ステアリングシステムにおける摩擦の増大を認識する方法、及び、摩擦の増大を認識するように設計されたパワーアシスト型ラックピニオン式ステアリングシステムに関する。

ラックドライブ電動ステアリング（Rack Drive Electric Power Assisted Steering：Ｒ−ＥＰＡＳ）システム、すなわち電力アシストによるラックピニオン式ステアリングシステムは、自動車における一般的な種類のステアリングシステムである。この種のステアリングシステムのステアリング機構においては、内部摩擦が増大する可能性があり、これは、自動車の乗り心地、及びステアリング動作に悪影響を及ぼす可能性がある。極端な場合には、運転者のためのパワーアシストが無くなり、その結果、自動車のステアリングが非常に困難になり、自動車は運転者が慣れていたように動作しなくなる。

ステアリング機構における摩擦は、例えば、跳ねた水等からステアリングシステムを保護するべきスリーブが損傷した場合に、水及び埃粒子の侵入により増大する可能性がある。また、湿気は錆につながる可能性があり、錆は、ステアリング機構における内部摩擦も増大させる。しかしながら、運転者のためのパワーアシストのせいで、運転者が摩擦の増大に初めて気付くのは、損傷したステアリングシステムの部品の完全な交換が必要となってしまい、それ故に高いコストの伴う、非常に後の段階になってからである。したがって、ステアリング機構における摩擦の増大を早い段階で検出することが重要である。

そのために、別個のセンサを使用できるが、別個のセンサは、自動車のコストを上げてしまう。他の周知の方法は、一方ではステアリング機構に存在する摩擦と、他方では車道舗装の変化により生じる、又は、ホイールサスペンションに存在する摩擦とを確実に区別することができない。これにより、不要なコストのかかるステアリングシステムの交換につながる誤った診断がなされる可能性がある。

これらの理由により、本発明の目的は、Ｒ−ＥＰＡＳ−ステアリングシステムにおける摩擦の増大を認識するための改善された方法を提供することにある。

したがって、本発明は、少なくとも、
ラックピニオン式ステアリングシステムの電動サーボモータに試験電流を印加するステップと、
電動サーボモータに試験電流を印加したときに結果としての電動サーボモータのロータの位置変化を検出するステップと、
検出した位置変化を所定の予測される位置変化と比較するステップと、
比較の結果に応じて摩擦状態を確定するステップとを含む、パワーアシスト型ラックピニオン式ステアリングシステムにおける摩擦の増大を認識するための方法を提供する。

本発明の方法により、センサのような追加のステアリング構成要素を必要とすることなく、ステアリングシステムの内部の摩擦の増大を検出できるようになる。同時に、増大した内部摩擦を、他の原因の摩擦から確実に区別することができる。

本発明は、ステアリングシステムのラックにサーボモータを接続するステアリング機構は、その設計により、汚れによって内部摩擦が増大する可能性が最も高い、という認識に基づくものである。それ故、ステアリングシステムのラックにサーボモータを接続するステアリング機構において摩擦の増大が確定されないならば、ステアリングシステム全体が記載の作用による悪影響を受けていない、ということが高い確度で考えられる。このステアリング機構は、通常はボールネジとして実現されるので、その複雑な機械的設計により、ステアリング機構が汚れや錆等の影響を特に受け易くなるのは尚更である。このようなＲ−ＥＰＡＳ−ステアリングシステムの電動サーボモータを制御するためには、サーボモータのロータの位置を正確に測定できるセンサが設けられている。それ故、本発明では、ステアリング機構における摩擦を測定するための別個のセンサの代わりに、サーボモータに試験電流を印加し、試験電流の結果として生じるサーボモータのロータの位置変化を観察することにより、摩擦を間接的に測定することを考えている。これは、ロータの位置を測定するためのセンサは通常は非常に正確だということによっても有利である。

このようにして検出した位置変化を、次に、予測される所定の位置変化と比較する。予測される位置変化は、例えば、技術的に完全な比較システムを用いて、実験により、全ての自動車クラスについて、又は、各自動車について、個々に、各自動車を構成する際の最終的な措置の範囲内で、実際に使用されるステアリングシステムで決定され得る。この場合、予測される位置変化は、ステアリング機構の摩擦状態のある特定の許容可能な劣化が既に考慮されているように補正されていてもよい。

特に、検出した位置変化が予測される位置変化よりも少ない場合、摩擦の増大を確定することができる。この場合、増大した摩擦がサーボモータのロータの可動性を制限しているということが推測できる。極端な場合には、ステアリング機構において摩擦の増大がある場合、試験電流を印加してもロータは全く動けない。

試験電流は、所定の電流強度を有していることが好ましい。所定の電流強度は、対応する特定のトルクを引き起こし、サーボモータがこのトルクをステアリング機構へ作用させる。試験電流の電流強度は周知であるので、検出した位置変化を高い信頼性で評価することができる。

この場合、所定の電流強度は、ラックピニオン式ステアリングシステムのラックの位置が変化しないように選択されていることが特に好ましい。これにより、サーボモータから試験電流により実施される動きは、ステアリングシステムのこの部分に生じるあそびに限定される（「あそび」は、力又はトルクが伝達される前の移動の自由を指す）。サーボモータは、通常、ステアリング機構と固く接続されているので、あそびとは、ここでは本質的に、例えば、ボールネジの軸におけるボールの動きによりステアリング機構の内側に生じるあそびのことである。つまり、ステアリング機構は、本発明の方法のこの変形の形態の範囲内において、サーボモータからステアリングシステムのラックへトルクの実際の測定可能な伝達が行われる程の制御はされない。したがって、試験電流の電流強度は、通常のアシスト動作に必要な電流強度よりも低い。

この場合、試験電流を印加するステップ、位置変化を検出するステップ、及び、比較のステップを、複数の異なる試験電流について行うことができる。その結果、様々な試験条件を作り、試験することができ、これにより、方法の信頼性は比較的高くなる。例えば、ロータ（及び、付属のステアリング機構のうちロータと固く接続された部分）を動かすために最低限必要な１つの電流強度を決定するために、複数の異なる電流強度を有する試験電流を使用することができる。この最低限の電流強度が時間の経過と共に上昇する場合、内部摩擦が増大したと推測できる。次に、増大の程度を、摩擦状態の判定のために使用することができる。

試験電流を印加するステップ、位置変化を検出するステップ、及び、比較のステップをそれぞれ、電動サーボモータの回転とは反対の方向に行う。これにより、サーボモータのロータは、１回又は複数回前後に動かされる可能性がある。その結果、一方では、試験期間が長くなる可能性があり、他方では、ステアリング機構のあそび全体をこの方法のために確実に使用できる。したがって、試験電流はサーボモータが通常のアシスト動作中に行った最後の動きと同じ方向にロータを動かす、ということが想像できる。この場合、試験電流によるロータの更なる動きは不可能になる可能性がある。なぜなら、ステアリング機構において更なるあそびを期待できないからである。これに対し、ロータを適切な試験電流によって逆回転方向に動かす場合、いずれの場合にもステアリング機構におけるあそびを本発明の方法に利用することができる。

ロータの位置の時間的推移を検出し、ロータの位置の所定の予測される時間的推移と比較することも可能である。ロータの位置変化を測定するためにロータの位置の測定点が２つしか必要ないならば、さらに多くの測定点を検出することで試験方法の精度を上げることができる。時間的推移を評価することにより、特に固着／スライド効果（adhesion/sliding effects）を試験し、評価することができる。したがって、ロータの動作（スライド段階）につながる試験電流を、特定の期間（固着段階：adhesion phase）の後に初めて印加することが考えられる。そして、固着段階の期間を、ステアリング機構に占める摩擦の程度として使用することができる。

試験電流は、所定の波形を有していてもよい。その場合、信号処理方法の範囲内において、結果として生じるサーボモータのロータの位置の信号プロフィール（signal profiles）を評価することによりステアリング機構の摩擦状態を測定するために、正弦信号プロフィール等を使用することが考えらえる。

少なくとも、試験電流を印加するステップ、及び、位置変化を検出するステップは、ラックピニオン式ステアリングシステムが作動停止しているときに行われることが好ましい。これにより、ステアリング動作（steering behavior）に対する予期しない介入による運転者の違和感（irritation）が回避されるとともに、方法の精度が高まる。この方法は、自動車が停止したとき、特に、運転者によって停車されたときに行われることが特に好ましい。

本発明の方法では、温度を測定する更なるステップを行ってもよい。この場合、測定した温度に応じて比較を実行する。これには、ステアリング機構において温度と共に変化する潤滑剤の粘性を考慮できるという利点がある。したがって、ステアリング機構に悪影響を及ぼすことなく、低温では、高温の場合よりも高い内部摩擦が予測される。

運転者がラックピニオン式ステアリングシステムのステアリングコラムに加えられたトルクも検出することができる。これは、方法の実施中にステアリングシステムのラックが運転者によって動かされたかどうかをチェックするために特に重要なことであり、運転者によってラックが動かされたら測定結果が誤りとなるであろう。

試験電流を印加するステップ、及び、位置変化を検出するステップを、方法の精度を上げるために繰り返して行ってもよく、検出した位置変化を統計的に評価する。統計的な評価により、例えば、平均値を決定することができ、及び／又は、いわゆる異常値、つまり、説明できない極端な値を排除することができる。

方法の全ての形態において、確定された摩擦状態が閾値を超えたら欠陥状態を警告することが考えられる。警告は、例えば、ダッシュボードにおける対応する表示、又は、警告音によって行うことができる。

本発明の第２の観点は、電動サーボモータと制御ユニットとを備えるパワーアシスト型ラックピニオン式ステアリングシステムに関する。この場合、制御ユニットは、本発明の前記方法を実施するために設計されている。

また、本発明は、このようなラックピニオン式ステアリングシステムを有する自動車を提供する。

本発明のラックピニオン式ステアリングシステムの一実施形態を有する自動車を示す図である。 本発明の方法の一実施形態のフローチャートである。

本発明を、実施形態の説明を参考にして以下により詳しく説明する。図１は、本発明のラックピニオン式ステアリングシステムの一実施形態を有する自動車１を示す。自動車１は、４つの車輪２−１〜２−４を有し、これら４つの車輪のうち、図示した例では２つの前輪２−１，２−１が自動車１のステアリング（操舵）のために使用されている。運転者は、ステアリングの命令を、ステアリングホイール３を介して伝達する。ステアリングホイール３のステアリングコラムは、歯車４を介してラック５に接続されている。ステアリングホイール３に所望のステアリング角度を設定することにより、ステアリングコラムを対応して回転させ、この回転が歯車４を介してラック５へ伝達される。これにより、ラック５はその縦軸に沿って押され、したがって、車輪２−１，２−２の設定角度（舵角）を変更する。ステアリングは非常に大きな力を必要とし得るので、パワーアシストが通常は備えられており、パワーアシストは、本実施形態においては、電動サーボモータ７によって提供される。サーボモータ７もラック５に連結されており、これにより、ボールネジ等のステアリング機構を介した連結が実現されている。

従来のアシスト動作では、運転者によってステアリングホイール３に加えられたトルクを測定するために、例えばステアリングコラムに配置されたトルクセンサ９が使用される。トルクセンサ９は、センサ信号を制御ユニット１０へ伝達する。制御ユニット１０は、サーボモータ７のための動作電流を予め指定することにより、サーボモータ７も制御する。パワーアシストのために、制御ユニット１０は、サーボモータ７がトルクセンサ９のセンサ信号に応じたトルクを提供するように、サーボモータ７を制御する。なお、このトルクは、運転者の命令に応じてラック５がシフトするのを助ける。制御ユニット１０は、サーボモータ７のロータに設けられたセンサ８と接続されており、センサ８は、ロータの位置を検出して制御ユニット１０へ知らせる。このことは、アシスト動作中のサーボモータ７の正確な制御のために必要である。

パワーアシストが欠陥によって行われない場合、運転者は、ステアリングホイール３をラック５に対して直接機械的に連結することにより自動車１を制御し続けることができ、これは、安全性の理由から重要である。

本発明の方法により、ステアリング機構６の内部の例えば汚れ又は腐食による摩擦の増大を確定させることができる。摩擦の増大が早い段階で認識される場合、湿気又は汚れがさらに侵入するのを防止するために、ステアリング機構６を清浄にし、再封止すれば多くの場合は十分である。これにより、相当に高いコストのかかるステアリングシステムの構成要素の交換が回避される。

摩擦の増大を認識するために、制御ユニット１０は、サーボモータ７に試験電流を印加し、センサ８を用いて、試験電流によって引き起こされるサーボモータ７のロータの位置変化を観察する。既述したように、ロータの動作性に対する内部摩擦の作用により、摩擦の不都合な増大を確実に認識することができる。この場合、周囲温度又はステアリング機構６自体における温度を測定するため、及び、測定した温度に基づいてステアリング機構６における摩擦に対する温度影響を排除するために、制御ユニット１０と接続された温度センサ１１が設けられていてもよい。

図２は、図１の自動車１において実施され得るような、本発明の方法の一実施形態のフローチャートを示す。本実施形態の方法は、例えば、自動車１が運転停止した後、ステップＳ０から始まる。ステップＳ１において、ラックピニオン式ステアリングシステムの電動サーボモータ７に試験電流を印加する。ステップＳ２において、電動サーボモータ７に試験電流を印加することによる電動サーボモータ７のロータの位置変化を検出する。任意のステップＳ３において、ステアリング機構６における摩擦に対する温度影響を排除できるように、温度センサ１１を用いて温度を測定してもよい。続いて、ステップＳ４において、ステップＳ２において検出した位置変化を所定の予測される位置変化と比較する。ステップＳ３において温度を測定した場合、測定した温度に応じて予測される位置変化を、例えば、複数の所定のデータセットから測定した温度に割り当てられたデータセットを選択することにより決定することができる。後続のステップＳ５において、ステップＳ４の比較の結果に応じた摩擦状態が確定される。この場合、ステップＳ６において、内部摩擦が許容できない程増大していると確定されたとき、ステップＳ７において欠陥ルーチンを実施する。この欠陥ルーチンは、例えば、運転者に対する欠陥の警告を含んでいてもよい。摩擦の増大が確定されなければ、欠陥ルーチンは実施されない。続いて、この方法は、あり得る両方の場合において、直ぐにもしくは待機期間の後、帰路（return branch）によってステップＳ１へ続くか、又は自動車の運転再開までに終了する。

図２の方法を、特に、試験の信頼性を上げるために複数回実施してもよい。ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５を複数回実施する方法の変形例も考えられる。このような方法の例を上に挙げた。

Claims (15)

1. パワーアシスト型ラックピニオン式ステアリングシステムにおける摩擦の増大の認識方法であって、
   試験電流を前記ラックピニオン式ステアリングシステムの電動サーボモータ（７）に印加するステップと、
   前記電動サーボモータ（７）に前記試験電流を印加したときに結果としての前記電動サーボモータ（７）のロータの移置変化を検出するステップと、
   前記検出した位置変化を所定の予測される位置変化と比較するステップと、
   前記比較の結果に応じて摩擦状態を確定するステップとを含む方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記検出した位置変化が前記予測される位置変化よりも小さい場合、摩擦が増大した状態と確定する方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、
   前記試験電流は、所定の電流強度を有する方法。
4. 請求項３に記載の方法において、
   前記所定の電流強度は、前記ラックピニオン式ステアリングシステムのラック（５）の位置は変化しないように選択されている方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法において、
   前記試験電流を印加するステップ、前記位置変化を検出するステップ、及び前記比較のステップを、複数の異なる試験電流について行う方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法において、
   前記試験電流を印加するステップ、前記位置変化を検出するステップ、及び、前記比較のステップをそれぞれ、前記電動サーボモータ（７）の回転とは反対の方向に実行する方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法において、
   前記ロータの位置の時間的推移を検出し、前記ロータの位置の所定の予測される時間的推移と比較する方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法において、
   前記試験電流は、所定の波形を有している方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法において、
   少なくとも、前記試験電流を印加するステップ、及び前記位置変化を検出するステップを、前記ラックピニオン式ステアリングシステムの作動停止時に行う方法。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法において、
    温度を測定する更なるステップを実行し、
    前記測定した温度に応じて前記比較のステップを実行する方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法において、
    運転者によって前記ラックピニオン式ステアリングシステムのステアリングコラムに加えられるトルクを検出する方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法において、
    前記試験電流を印加するステップ、及び、前記位置変化を検出するステップを繰り返して実施し、前記検出した位置変化を統計的に評価する方法。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法において、
    前記確定した摩擦状態が閾値を超えている場合、欠陥状態を示す方法。
14. 電動サーボモータ（７）と、
    制御ユニット（１０）とを備え、
    前記制御ユニット（１０）は、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法を実施するために設計されている、パワーアシスト型ラックピニオン式ステアリングシステム。
15. 請求項１４に記載のラックピニオン式ステアリングシステムを備える自動車（１）。

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