JP2005214339A

JP2005214339A - 減速機構及びそれを備えた電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2005214339A
Application number: JP2004023759A
Authority: JP
Inventors: Toru Segawa; 徹瀬川
Original assignee: NSK Ltd; NSK Steering Systems Co Ltd
Current assignee: NSK Ltd; NSK Steering Systems Co Ltd
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】駆動ギヤと従動ギヤの噛み合いの摩擦を低減し、これに伴う騒音、及び操舵性能の悪化を防止することができ、モータの動力伝達効率を向上させることができる減速機構及びそれを備えた電動パワーステアリング装置を提供すること。
【解決手段】電動モータ４の駆動力を少なくとも金属製の駆動ギヤ２と樹脂製の従動ギヤ３の２つのギヤの噛み合わせによって減速するもので、駆動ギヤ２の軸２ａは２つの軸受６,７によって軸支された減速機構であって、駆動ギヤ２の歯表面の粗さを、算術平均粗さＲa０.１μｍ以下にしている。また、駆動ギヤ２の歯表面の硬度をＨv４００以上にしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属製の駆動ギヤと樹脂製の従動ギヤを有する減速機構、及びそれを備えた電動パワーステアリング装置に関し、特に、動力伝達効率及び作動音の改善を図った減速機構に関するものである。

従来より、電動パワーステアリング装置の減速機構においては、コンパクトで減速比を比較的大きくすることが可能なウォームギヤが用いられている。ウォームギヤは、ウォーム軸を有するウォームとこの螺条に噛み合うウォームホイールとから成っている。この減速機構において、ウォーム軸及びウォームホイールを組み付ける時に、ウォーム、ウォーム軸、これを支持する軸受部、ウォームホイール及びこれを支持する操舵軸等の寸法誤差によって、組立後に比較的大きな割合でバックラッシュが生じることになる。このため、ウォームとウォームホイールの噛み合い部より連続したギヤ打音が発生するという問題点があった。

この対策としては、各部品を精度毎に分けて組み付けたり、ウォームホイールに樹脂を用いる等の方法を採っていた。しかも、近年のように搭載車両の大型化に伴って操舵補助力も高出力化が要求されるため、ウォームホイールの樹脂にはガラス繊維等の強化繊維を混入して強度を向上させたものが用いられている。

しかし、特許文献１に示されるように、ウォーム及びウォームホイールの歯の磨耗が増大するのに伴って、ホイール強度の低下やバックラッシュの発生が避けられなくなる。この場合、バックラッシュによるギヤ打音が自動車の車室まで響いてくるという不具合が生じることになる。

これらの問題に対して、特許文献２のように、ギヤ打音を抑制するためにウォームをウォームホイール方向に予圧してバックラッシュを無くす方法が知られている。
特開平１０−２６７０３４号公報特開２０００−４３７３９号公報

しかしながら、従来の上記電動パワーステアリング装置における、ウォームをウォームホイール方向に予圧する方式では、予圧による摩擦が増大するためにハンドルの戻り等の操舵性能が悪化するという問題点があった。

また、モータ駆動時には、この予圧による摩擦のために動力伝達効率が低下するという不具合もあった。現在の車両の１２Ｖのバッテリーでは、モータの出力(転追性)が限界に近づいているため、動力伝達効率が低下するのは要求出力を満足させるのをいよいよ難しくしている。

本発明は、上述した従来例の有する不都合を改善し、駆動ギヤと従動ギヤの噛み合いの摩擦を低減し、これに伴う騒音、及び操舵性能の悪化を防止することができ、モータの動力伝達効率を向上させることができる減速機構及びそれを備えた電動パワーステアリング装置を提供することを課題としている。

上記課題を達成するために、本発明では、電動モータの駆動力を少なくとも金属製の駆動ギヤと樹脂製の従動ギヤの２つのギヤの噛み合わせによって減速するもので、前記駆動ギヤの軸は２つの軸受によって軸支された減速機構において、前記駆動ギヤの歯表面の粗さを、算術平均粗さＲa０.１μｍ以下にしたこと、また、前記駆動ギヤの歯表面の硬度がＨv４００以上であることを特徴としている。

本発明によれば、ウォームの面粗度Ｒa値を０.１μｍ以下に設定したので、ギヤ擦れによる不快な音の発生を防止することができ、ハンドル戻りが悪いといった操舵性能の悪化を防止することができる。また、減速機の動力伝達効率を向上させることができるので、モータを変更せずに、モータの出力を向上させたのと同様の効果を得ることができる。

また、ウォームの歯面硬度をＨv４００以上としたので、耐磨耗性を向上させることができると共に、ギヤの摩擦に起因するハンドル戻りが悪いといった操舵性能の悪化を防止することができ、減速機の動力伝達効率を向上させることができる。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係わる実施形態の電動パワーステアリング装置の減速機構を示す軸方向断面図である。

図１において、電動パワーステアリング装置の減速機構は、一般的に、ギヤハウジング１内に、金属製の駆動ギヤであるウォーム２と、このウォーム２に噛み合った樹脂製の従動ギヤであるウォームホイール３とを収納して構成され、ギヤハウジング１の側方には、ウォーム２を駆動する電動モータ４が装着されている。

電動モータ４のモータ軸はウォーム２を有するウォーム軸２ａに連結されており、電動モータ４の回転トルクをウォーム２に伝達する。ウォーム軸２ａの両端部は、ギヤハウジング１側に固定された２つの軸受６,７を介してギヤハウジング１内に回転自在に取り付けられている。ウォームホイール３は、操舵機構の出力軸５（例えば、ピニオン軸、コラム軸）に外嵌・固定されている。

ウォーム軸２ａの電動モータ４とは反対側の軸受７(又は軸端部)は、付勢部材８によりウォームホイール３方向へ付勢されており、これにより、ウォーム２のウォームホイール３に対する予圧力を発生するようになっている。

上記の構成において、図示しないステアリングホイール(ハンドル)に印加された操舵トルクに応じて、電動モータ４の駆動力をウォーム２とウォームホイール３により減速した補助操舵トルクを発生して、操舵機構の出力軸５に伝達する。

図２は、ウォームの算術平均粗さＲa値と擦れ音との関係を示す特性線図である。

上記ウォーム２の面粗度は、算術平均粗さＲa値を０.１μｍ以下に設定している。パーキング時等にハンドルを転舵した時に、ウォーム２歯面とウォームホイール３歯面の間で生じる擦れ音が不快な音として問題になることがある。この転舵時に発生する擦れ音は、ウォーム２歯面の面粗度に依存しており、特に、ウォームホイール３にガラス繊維が混入されている場合に発生し易い。

図２に示すように、この擦れ音が丸Ａで示す不快な音として認識されるのは、ウォーム２の平均粗さＲa値が０.１μｍを越えた範囲の時であることが実験によって判明した。したがって、ウォーム２の面粗度Ｒa値を０.１μｍ以下に設定することにより、ギヤ相互の擦れによる不快な音の発生を防止することができる。

また、ウォーム２をウォームホイール３方向に予圧する構造における噛み合いの摩擦力は、ウォーム２とホイール３間の面圧と摩擦係数によって決まる。本発明者が用いたＥＰＳでは、ウォームの面粗度をＲa０．０６μｍ程度、少なくともＲa０.１μｍ未満とし、かつグリス切れを防ぐために必要なＲa０．０２μｍ以上にすることによって摩擦係数を低減することができ、摩擦力を低減することができた。
したがって、ハンドル戻りが悪いといった操舵性能の悪化を防止することができる。

さらに、従来技術で説明したように、電動パワーステアリング装置の動力伝達効率の向上が求められているが、この動力伝達効率ηは次式で求められる。

η ＝Ｔ(出力のトルク)／ｔ(入力のトルク)／Ｚ(減速比)
図３は、ウォームの算術平均粗さＲa値と動力伝達効率との関係を示す特性線図である。

図３に示すように、ウォーム２の回転数を２５０rpm(◆),５００rpm(■),７５０rpm(▲),1000 rpm(□)で実験したところ、一般的に、ウォーム２の回転数が高いほど伝達効率は向上するが、同時に、面粗度Ｒa値が小さい程、伝達効率が良くなっていることが分かる。例えば、伝達効率を１％向上させることは、電動モータ４の出力を約１.２％向上させることに等しいので、モータ４の出力が限界に近づいている現状ではこの効果は大きいと言える。

このように、ウォーム２の面粗度Ｒa値を０.１μｍ以下に設定することにより、減速機の動力伝達効率を向上させることができるので、モータ４を変更せずに、モータ４の出力を向上させたのと同様の効果を期待することができる。

上記のようなウォーム２の歯面粗度を確保するためは、メディアとワークを槽に入れて攪拌するバレル処理、粒度の細かい砥石で仕上げを行う超仕上げ、無電解化学処理(カニゼンメッキ)等があるが、作業の簡易性、コスト面からバレル処理が多く用いられる。バレル処理は、メディアでワーク表面を研磨するため、硬化層が４〜６μｍの厚さがないと削り取られる。転造の場合にも、ウォーム２の面粗度をＲa０.１μｍ以下を確保することができるが、歯面硬度を確保することは困難である。

したがって、バレル処理の場合は、硬化層の厚さが４〜６μｍ有ることが求められ、仕上げ前の硬化層の深さは１０μｍ以上必要である。

また、上記の如く、ウォーム２の面粗度をＲa０.１μｍ以下とするのに加えて、歯面硬度をＨv４００以上とすることにより、耐磨耗性が改善される。ウォームホイール３がガラス繊維等で強化されている場合は磨耗し易いので、特に有効である。さらに、上記面粗度を確保するためには、硬化層を１０μｍ以上確保することが望ましい。

この歯面硬度を確保する方法としては、特許文献３で示されているタフトライド処理があるが、通常、歯面研削を行った後、比較的高温で処理されるため、ウォームに曲がりが発生し易く、歯の精度確保が困難である。他に、タフトライド処理よりも低温で処理され、ウォーム２の曲がりも比較的少ないパルソナイト処理があるが、硬化層が薄く(約５μｍ)、バレル処理には適さない。最も好ましいと思われる方法は、ウォーム２を粗研削した後、輪郭焼き入れ(高周波焼き入れ)を行い、歯面研削を行うことである。これにより、歯面硬度とウォーム２の歯精度を確保することができる。硬化層も焼き入れ後に０.６ｍｍ程度確保できるので、バレル処理にも適している。

このように、バレル処理により上記歯面粗度に成形するのに加えて、輪郭焼き入れより歯面硬度をＨv４００以上とすることにより、耐磨耗性を向上させることができると共に、ギヤの摩擦に起因するハンドル戻りが悪いといった操舵性能の悪化を防止することができ、動力伝達効率も向上させることができる。

尚、この実施形態では、電動パワーステアリング装置の予圧方式の減速機構について示したが、予圧しない方式のＥＰＳや、ＥＰＳ以外の金属製の駆動ギヤと樹脂製の従動ギヤを用いた他の減速機構にも適用できることは言うまでもない。
特開平１０―２６７０３４号公報

本発明に係わる実施形態の電動パワーステアリング装置の減速機構を示す軸方向断面図である。ウォームの算術平均粗さＲa値と擦れ音との関係を示す特性線図である。ウォームの算術平均粗さＲa値と動力伝達効率との関係を示す特性線図である。

符号の説明

１：ギヤハウジング
２：ウォーム(駆動ギヤ)
２ａ：ウォーム軸
３：ウォームホイール(従動ギヤ)
４：電動モータ
５：出力軸
６,７：軸受
８：付勢部材

Claims

電動モータの駆動力を少なくとも金属製の駆動ギヤと樹脂製の従動ギヤの２つのギヤの噛み合わせによって減速するもので、前記駆動ギヤの軸は２つの軸受によって軸支された減速機構において、
前記駆動ギヤの歯表面の粗さを、算術平均粗さＲa０.１μｍ以下にしたことを特徴とする減速機構。
前記駆動ギヤの歯表面の硬度がＨv４００以上であることを特徴とする請求項１記載の減速機構。
電動モータの駆動力を少なくとも金属製の駆動ギヤと樹脂製の従動ギヤの２つのギヤの噛み合わせによって減速するもので、前記駆動ギヤの軸は２つの軸受によって軸支された減速機構を備え、ステアリングホイールに印加された操舵トルクに応じて、前記減速機構による補助操舵トルクを発生し、これを操舵機構の出力軸に伝達する電動パワーステアリング装置において、
前記駆動ギヤの歯表面の粗さは、算術平均粗さＲa０.１μｍ以下であって、且つ、その歯表面の硬度がＨv４００以上であることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記駆動ギヤと従動ギヤは、ウォームとウォームホイールであることを特徴とする請求項３記載の電動パワーステアリング装置。
前記ウォームは、前記ウォームホイール方向へ予圧するために付勢部材により付勢されていることを特徴とする請求項４記載の電動パワーステアリング装置。