JP2004299449A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】打音の発生を防止した上で、反力による負荷に対する負荷容量を確保すると共に操舵フィーリングの悪化を防止する。
【解決手段】ラック軸３に形成されたボールねじ部３ｂ及びボールナット７の内周７ｂに形成される螺旋溝７ｃを組み合わせて構成される転動路１１に複数のボール１２を充填してボールねじ機構１４を形成する。同数となる複数ボール１２毎に、ボール１２に比べて大径の樹脂ボール１３を配置する。樹脂ボール１３は負荷を弾性変形で吸収し打音の発生を防止すると共に、弾性変形した樹脂ボール１３に代わってボール１２が負荷を受け止めて所要の負荷容量を確保する。樹脂ボール１３の配置はラック軸３の周方向で均等的にしてラック軸３の支持バランスが良好になり、初期操舵フィーリングを向上させる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラック軸をアシストするタイプの電動パワーステアリング装置に関し、電動モータの駆動をラック軸に伝達するためにボールねじ機構を用いたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ラックアシストタイプと称される電動パワーステアリング装置では、ラック軸の軸長方向の移動を電動モータで補助している。この種の電動パワーステアリング装置には、ラック軸に形成したボールねじ部及びボールナットの内周に形成した螺旋溝の組み合わせにより構成される転動路に複数の鋼製のボールを充填したボールねじ機構を用いたものがあり、電動モータで前記ボールナットを回転させることで操舵補助を行う。
【０００３】
前記電動パワーステアリング装置ではボールが転動路内をスムーズに転動するように、転動路の内寸法をボール外径より若干大きくしてボールとの間に所要の隙間を確保している。しかし、前記隙間の影響で、路面からの反力による負荷荷重をボールねじ機構のラック軸が受ける場合などに、鋼製のボールが転動路の内周面に衝突し打音が発生していた。
【０００４】
このような打音を解消するために、鋼製の第１ボール及び第１ボールに比べて大径且つ低弾性の第２ボールを交互に配置した電動パワーステアリング装置が開示されている（特許文献１参照）。
また、電動射出成形機及び電動プレス機等におけるボールねじ機構では、ボール及び該ボールに比べて小径のスペーサボールを交互に配置、又は、ボールとスペーサボールの配置比が２：１〜４：１となるようにしたものが開示されている（特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１９６２５号公報
【特許文献２】
特開２０００−２９１７７０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の電動パワーステアリング装置では、路面からの反力による負荷が大きい場合、低弾性の第２ボールが変形するので負荷を受け止めるのは小径の第１ボールになり、想定される負荷荷重に耐え得る負荷容量を確保するためには剛性の高い第１ボールの個数を多くする必要がある。その結果、第１ボール及び第２ボールの交互配置では転動路を長くして溝巻回数を多くしなければならずボールねじ機構が大型化すると云う問題がある。
【０００７】
また、低弾性の第２ボールが負荷荷重により変形する場合、径が外方向へ膨らむので、この変形による膨らみで交互に配置された各ボール間の接触圧が増加し、それに伴い転動フリクションも増大して操舵フィーリングを著しく悪化させると云う問題がある。
【０００８】
さらに、特許文献１の電動パワーステアリング装置はラック軸と同軸に配置されるタイプの電動モータを用いており、この電動モータの回転子の一方端を玉軸受により回転自在に支持すると共に他方端をボールナットに連結する構成にしている。よって、ボールねじ機構を用いた電動パワーステアリング装置でも、ラック軸と離れて電動モータを配置して電動モータの駆動をギヤを介してボールナットに伝達するタイプでは、負荷荷重に対するラック軸の負荷応力分布が相違し、上述した特許文献１に係るボール配置をそのまま適用できない問題がある。
【０００９】
一方、特許文献２のボールねじ機構は、高負荷荷重で使用頻度が高い揺動部に使用されることを前提としているため、負荷による荷重のかかり方が相違する車両の電動パワーステアリング装置のボールねじ機構に特許文献２に係る構成を適用するのは不適切であり実情に合致しない。
【００１０】
また、ボールねじ機構において打音を防止する一つの方法として、転動路及びボール間の隙間寸法の精度を向上させることが想定できる。しかし、隙間の寸法精度を向上させるためには、ラック軸のボールねじ部及びボールナットの螺旋溝を高精度で加工すると共にボール径の精度管理も向上させて、最適なもの同士を組み合わせてボールねじ機構を構成する必要があり、高精度維持に対する製作負担が増大し、製作コストも上昇する問題がある。
【００１１】
本発明は、斯かる種々の問題に鑑みてなされたものであり、同数の複数ボール毎に大径の弾性ボールを配置することで、打音の発生を防止した上で良好な操舵フィーリングを確保した電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、周方向における弾性ボールの配置数及びボールの連続数を考慮することで、負荷に対するラック軸の周方向の剛性バランスの最適化を図った電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
第１発明に係る電動パワーステアリング装置は、操舵軸と連動するラック軸に形成されたボールねじ部と、電動モータの出力軸が有する小歯車に噛合してある大歯車を備えるボールナットの内周に形成された螺旋溝とで形成される転動路に複数のボールが充填してあるボールねじ機構を用いて操舵補助を行う電動パワーステアリング装置において、前記ボールの同一複数毎に、該ボールに比べて大径である弾性ボールが配置してあることを特徴とする。
【００１３】
第１発明にあっては、同数の複数ボール毎に大径の弾性ボールを配置するので、多数のボールにより負荷を受け止めることができ、ボールねじ機構の大型化を防止して所要の負荷容量を確保できる。また、大径の弾性ボールの数は交互配置される場合に比べて少ないため、弾性ボールの変形による膨らみの影響を低減して操舵フィーリングの悪化を抑えることができる。
【００１４】
また、転動路内の弾性ボールは、ボールに比べて大径であるため、転動路に接して弾性ボールの配置箇所では隙間が生じなくなり、負荷加重を受けた場合、弾性ボールの弾性変形により負荷加重を吸収して打音の発生を防止できる。さらに、弾性ボールが転動路に接することで、転動路及びボールに対する精度管理の程度を緩和でき、ボールねじ機構に係る精度管理に対する製作負担も低減できる。
【００１５】
第２発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記弾性ボールは、前記ボールの同一複数毎に１個配置してあることを特徴とする。
第２発明にあっては、ボールの同一複数毎に１個の弾性ボールを配置することで、弾性ボールの個数に対してボール数を確実に多く配置でき、所要の負荷容量の確保が容易になると共に、弾性ボールの変形による膨らみの影響を一段と低減できる。
【００１６】
第３発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記ボールの同一複数Ｎは、下記の関係をみたすことを特徴とする。
（π・Ｄ）／（ｄ・Ｋ）−１．５＜Ｎ＜（π・Ｄ）／（ｄ・Ｋ）−０．５
（但し、Ｄは前記ボールねじ部のピッチ円直径、ｄは前記ボールの直径、Ｋは２、３、４、５又は６のいずれか一つの数）
【００１７】
第３発明にあっては、複数ボールの個数を規定することで、転動路の一巻き（一周）における弾性ボールの配置が６０度間隔、７２度間隔、９０度間隔、１２０度間隔又は１８０度間隔のいずれかになり、ボールナット内でラック軸をバランス良く支持できる。その結果、特に低負荷を受けた場合のラック軸に対する周方向剛性を良好にでき、操舵開始時の初期操舵フィーリングを向上できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置１の全体的な構成を示している。電動パワーステアリング装置１は長筒状のハウジング５の内部に図中の左右方向へ移動可能にラック軸３を支持している。ラック軸３は図中の右方となる側にラック部３ａを形成しており、このラック部３ａをステアリングホイール２を取り付けた操舵軸６の端部に設けたピニオン（図示せず）に噛合させて、操舵軸６の回転に連動させてラック軸３を図中の左右方向に移動させている。なお、ラック軸３の左右方向の移動によりラック軸３の両端に設けられた車輪（図示せず）が操舵される。
【００１９】
また、ラック軸３は図中の左方となる側にボールねじ部３ｂを形成しており、このボールねじ部３ｂにハウジング５内のベアリング１５で回転支持されるボールナット７を外嵌してボールねじ機構１４を構成している。ボールナット７は外周７ａに取り付けた大ベベルギヤ８（大歯車）に電動モータ４の出力軸１０に取り付けた小ベベルギヤ９（小歯車）を噛合させている。
【００２０】
電動モータ４は、図示しない制御部により操舵軸６の回転に応じて駆動が制御されており、出力軸１０の回転を大ベベルギヤ８に伝達してボールナット７を回転させることによりラック軸３の移動を補助している。
【００２１】
図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面の一部を示している。ボールナット７は内周７ｂに螺旋溝７ｃを形成しており、この螺旋溝７ｃ及びラック軸３のボールねじ部３ｂを組み合わせて構成される転動路１１に複数のボール１２を充填している。ボール１２は鋼製の剛球であり、ボール外径を転動路１１の高さＬに比べて小さくして隙間Ｓが生じるようにしている。
【００２２】
また、転動路１１には、ボール１２より大径且つ低弾性である弾性ボールに相当する合成樹脂製の樹脂ボール１３も充填している。本実施形態では、ボール１２の３個毎に１個の樹脂ボール１３を夫々配置している。樹脂ボール１３はボール１２より大径であるため、路面からの反力により負荷加重をラック軸３が受けた場合、ボール１２より先に低弾性の樹脂ボール１３がボールねじ部３ｂ及び螺旋溝７ｃに当接して弾性変形することで、負荷荷重を吸収し打音の発生を防止している。
【００２３】
さらに、このように樹脂ボール１３が弾性変形した後は、前後に多数存在する剛性の高いボール１２が負荷荷重を受け止めるため、路面からの反力に対しても所要の負荷容量も確保している。なお、樹脂ボール１３の個数はボール１２に比べて少ないので、樹脂ボール１３の変形による各ボール１２、１３間の寸法変動は僅かである。
【００２４】
また、負荷荷重を受けた場合、寸法精度に対して許容度の高い樹脂ボール１３が先に転動路１１と接するため、ボール１２及び転動路１１間の寸法管理を厳密に行うことが不要になる。その結果、ボール１２の外径精度、ボールねじ部３ｂ及び螺旋溝７ｃの形成に係る精度管理の程度を従来に比べて緩和できる。なお、ボール１２の外径及び樹脂ボール１３の外径の寸法差は、ボールねじ機構の良好な作動を確保する観点より、数μｍ以上数十μｍ以下にしている。
【００２５】
樹脂ボール１３の配置形態に関係するボール１２が同数で連なる同一複数Ｎは、以下の関係に基づいて決定されている。
（π・Ｄ）／（ｄ・Ｋ）−１．５＜Ｎ＜（π・Ｄ）／（ｄ・Ｋ）−０．５
但し、Ｄはボールねじ部３ｂのピッチ円直径、ｄはボール１２の直径、Ｋは２、３、４、５又は６のいずれか一つの数である。また、ボールねじ部３ｂのピッチ円直径は、ボールねじ部３ｂのねじ底に接するようにボール１２を配置した場合におけるラック軸３の周囲に形成されるボール１２の中心軌跡となる円の直径と同等になる。
【００２６】
よって、図２に示したボールねじ機構では、ボールねじ部３ｂのピッチ円直径が２５ｍｍ、ボール１２の直径が３．５ｍｍ、Ｋが６の場合であり、この場合では、２．７３＜Ｎ＜３．２３の関係よりボール１２が夫々連なる数は３になる。なお、ボール１２及び樹脂ボール１３の直径の寸法差が数十μｍ程度以内の場合は、前記関係式におけるｄに樹脂ボール１３の直径の値を用いてもよい。
【００２７】
また、本発明に係る電動パワーステアリング装置では、上述した以外のボール配置も可能であり、要求される電動パワーステアリング装置の仕様に応じてボール１２の連なる数を増減させることが可能であり、また、樹脂ボール１３の数も複数にすることも可能である。
【００２８】
さらに、同一の複数ボール１２毎に１個の樹脂ボール１３を配置する形態としては、前記関係式に基づき種々のボール配置の適用が可能である。
例えば、前記関係式でＫ＝６の場合は、図３（ａ）に示すように、ボールナット７及びラック軸３の間に形成される転動路１１の一巻き（一周）において、樹脂ボール１３が６０度間隔で計６個配置されることになる。
【００２９】
また、前記関係式でＫ＝５の場合、図３（ｂ）に示すように転動路１１の一巻き（一周）において、樹脂ボール１３が７２度間隔で計５個配置され、以下、Ｋ＝４の場合は、図３（ｃ）に示すように樹脂ボール１３が９０度間隔で計４個配置され、Ｋ＝３の場合は、図３（ｄ）に示すように樹脂ボール１３が１２０度間隔で計３個配置され、Ｋ＝２の場合は、図３（ｅ）に示すように樹脂ボール１３が１８０度間隔で計２個配置される。
【００３０】
なお、Ｋを２から６のいずれの数を適用するかは、対象となる電動パワーステアリング装置の仕様に応じて適宜決定される。また、各樹脂ボール１３間のボール１２の数は、ボールねじ部３ｂのピッチ円直径及びボール１２の直径により相違するが、同数のボール１２が連続すると共に樹脂ボール１３が略均等に配置されることでラック軸３が周方向でバランス良く支持される。
【００３１】
このようにラック軸３の支持バランスが良好になることで、上述した特許文献１に開示される電動パワーステアリング装置の問題点を解消又は低減できると共に、特に、低荷重時のラック軸３の剛性バランスが好適になり、操舵開始時の初期操舵フィーリングを良好にしている。
【００３２】
また、負荷により樹脂ボール１３が弾性変形した場合、各樹脂ボール１３間に多数のボール１２が存在するので、Ｋ＝２〜６のいずれの場合でも所要の負荷荷重に対応できる。さらに、樹脂ボール１３の弾性変形による周方向の寸法変動も数個分の樹脂ボール１３の膨らみ分を合わせたにすぎず、各ボール間の接触圧の増加を低く抑えて操舵フィーリングの悪化も防止している。
【００３３】
なお、図１に示すようにボールナット７は、大ベベルギヤ８をロックナット等で固定するのではなく、圧入により嵌合しており、このようにすることでロックナット等の部品点数及び組立工数の低減を図ると共に、大ベベルギヤ８のボールナット７に対する径方向の取付精度を向上させて両者の同心度を高めている。同心度をさらに高めるためには、大ベベルギヤ８を加工する前の基材をボールナット７の外周７ａに圧入し、この状態で基材を歯切り加工することが有効である。
【００３４】
また、大ベベルギヤ８に噛合される小ベベルギヤ９が取り付けられる出力軸１０には第１段部１０ａ及び第２段部１０ｂを有する段付きシャフトを用いており、この出力軸１０を第１ベアリング２０及び第２ベアリング２１で回転支持している。第１ベアリング２０は小ベベルギヤ９側となる第１段部１０ａに圧入されており、第２ベアリング２１は第１段部１０ａより小径の第２段部１０ｂに圧入されている。
【００３５】
第１ベアリング２０及び第２ベアリング２１は、外輪の外径は同一にしているが、圧入箇所の軸径が相異することから、第１ベアリング２０の内輪の内径は第２ベアリング２１の内輪の内径に比べて大径にしている。このように段付きシャフトの出力軸１０に内径の夫々相異する第１ベアリング２０及び第２ベアリング２１を圧入する構成にすることで、ベアリング２０、２１間に位置決め用のスペーサを出力軸１０に挿入することなく簡易な構成で出力軸１０を回転支持可能にしており、また、製作工数の削減も可能にしている。
【００３６】
さらに、出力軸１０を駆動する電動モータ４は、ハウジング５と一体のモータマウント部５ａのフランジ端部に取り付けており、モータマウント用のハウジング部をハウジング５と別体にした場合に比べて部品点数を削減して組立の容易化を図っている。
【００３７】
【発明の効果】
以上に詳述した如く、第１発明にあっては、弾性ボールにより打音の発生を防止した上で、同一の複数となるボールにより所要の負荷容量を確保できると共に、良好な操舵フィーリングを確保でき、さらに寸法精度に対する管理負担も低減できる。
第２発明にあっては、弾性ボールの配置を１個にすることで、弾性ボールより剛性が高いボールの数を確実に多く配置でき、所要の負荷容量の確保を容易にできると共に、弾性ボールの変形による膨らみの影響を一段と低減できる。
第３発明にあっては、一巻きの転動路におけるボール及び弾性ボールの配置を均等的にすることで、ラック軸をバランス良く支持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の全体概略図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面におけるボール及び弾性ボールの配置状況を示す概略断面図である。
【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、弾性ボールの配置状況を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 電動パワーステアリング装置
３ ラック軸
３ｂ ボールねじ部
４ 電動モータ
６ 操舵軸
７ ボールナット
７ｂ 内周
７ｃ 螺旋溝
１１ 転動路
１２ ボール
１３ 樹脂ボール
１４ ボールねじ機構

Claims (3)

1. 操舵軸と連動するラック軸に形成されたボールねじ部と、電動モータの出力軸が有する小歯車に噛合してある大歯車を備えるボールナットの内周に形成された螺旋溝とで形成される転動路に複数のボールが充填してあるボールねじ機構を用いて操舵補助を行う電動パワーステアリング装置において、
   前記ボールの同一複数毎に、該ボールに比べて大径である弾性ボールが配置してあることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記弾性ボールは、前記ボールの同一複数毎に１個配置してある請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記ボールの同一複数Ｎは、下記の関係をみたす請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
   （π・Ｄ）／（ｄ・Ｋ）−１．５＜Ｎ＜（π・Ｄ）／（ｄ・Ｋ）−０．５
   （但し、Ｄは前記ボールねじ部のピッチ円直径、ｄは前記ボールの直径、Ｋは２、３、４、５又は６のいずれか一つの数）

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