JP2005247163A - 電動パワーステアリング用ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】
精度、品質を維持し、軽量で低コストな電動パワーステアリング用ボールねじを提供する。
【解決手段】
操舵軸２の一部がボールねじ１３を構成するねじ軸２１となっているラックアシスト式の電動パワーステアリング用ボールねじにおいて、操舵軸２が、外周に転造加工によってねじ溝１４ａが形成された中実のねじ軸２０と、外周に塑性加工によってラック歯７が形成された中空のラック軸２１とからなり、これら両部材２０、２１の一端部が摩擦圧接により接合され一体に構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等の電動パワーステアリングに使用されるボールねじ、特にラック軸にねじ軸が一体に形成されたラックアシスト方式の電動パワーステアリング用ボールねじに関する。

自動車の電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳと呼ぶ）は、ステアリングホイールの操舵力を電動モータでアシストするものであり、種々の形式のものがある。そのうちの一つとして、車輪の操舵機構に連結された進退自在な操舵軸に対して、ステアリングホイールからラックピニオン機構等の変換機構を介して軸方向移動力を与えると共に、電動モータの出力を、ボールねじを介して軸方向移動力として与えるようにしたものがある。

このステアリングホイールによる操舵力アシスト用モータの回転をボールねじ機構を介して操舵軸の軸方向の移動に変換したＥＰＳが知られている。このＥＰＳは、図４に示すように、操舵力アシスト用モータ５５は、操舵軸（ラック軸）５１を包持するラックハウジングＨ１の中途部を適長に亘って拡径して構成された円筒形のモータハウジングＨ３と、このモータハウジングＨ３の内側に設けられたステータ６１と、このステータ６１の内側に同軸的に設けられたロータ６２とを備え、３相ブラシレスモータとして構成されている。

ロータ６２は、操舵軸５１の外径より大きな内径を有する円筒体の外周に、ステータ６１の内周に僅かな径方向すきまを介して対向する磁極６３を保持して構成されており、左右一対の転がり軸受６４、６５により、モータハウジングＨ３の軸心回りに回転自在に支承されている。このロータ６２は、ステータ６１への通電に応じて正逆両方向に回転することができる。

操舵力アシスト用のモータ５５は、ピニオン軸６０を内装するピニオンハウジングＨ２の内部に配設されたトルクセンサ（図示せず）の検出信号に基き、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクの方向に、この操舵トルクの大きさに対応する回転力を発すべく駆動制御されている。この駆動制御によりモータ５５の一側に構成された運動変換用のボールねじ機構により軸方向移動力に変換されて操舵軸５１に加えられ、ラックハウジングＨ１内で操舵軸５１の移動により生じる操舵がアシストされる。５１ａは操舵軸５１に形成されたラック歯で、ピニオン６０ａに噛合する。

この運動変換用のボールねじ機構は、ロータ６２の一側端部に同軸的に圧入固定され、筒形をなすナット部材５２と、このナット部材５２に内挿された操舵軸（ねじ軸）５１と、多数のボール５３で構成されている。ナット部材５２の内周には螺旋状の雌ねじ溝５６が形成され、この雌ねじ溝５６に対応する雄ねじ溝５４が操舵軸５１の外周に形成されている。そして、これらのねじ溝５６、５４に沿って転動自在にボール５３が収容されている。ナット部材５２は、ラックハウジングＨ１内に転がり軸受６５、６６により回動自在に支持され、このナット部材５２が操舵力アシスト用のモータ５５からの伝動によって軸回りに回転する。

近年、操舵軸５１と同軸上にボールねじ機構が配設されたＥＰＳにおいて、自動車の燃費向上と操舵性の安定化を図るためにボールねじ機構の軽量化が望まれている。そのため、中実の操舵軸をガンドリル加工で中空に形成するか、中空のパイプ素材を用いて雄ねじ溝５４およびラック歯５１ａを研削加工等の機械加工によって形成して軽量化を図ることが考えられるが、このような機械加工ではコストが高騰して自動車のＥＰＳ用としては適用できない。

こうした問題を解決したものとして図３に示すような中空ボールねじが知られている。この中空ボールねじは、パイプ材７１の外周のボールねじ転造部７２が、ねじ転造下径となるように絞り加工等によって成形されると共に、パイプ材７１の両端に必要なねじ穴７３、７４が切削加工によって形成されている。

次に、パイプ材７１の内周に、この内径と略同径に形成されたアーバー７５が挿入され、この状態で、ボールねじ転造部７２にねじ転造加工によりボールねじ７０が形成される。ねじ転造加工の際に、アーバー７５が転造加工時の反力を受けてパイプ材７１の内径が縮小するのを防止するので、必要な加工精度を維持しつつボールねじ７０を加工することができる。ねじ転造加工後、アーバー７５が引き抜かれ、熱処理・歪み取り等が行われる。このようにパイプ材７１を用いて転造加工により中空のボールねじ７０が成形できるので生産性が良く、軽量で低コストな中空のボールねじ７０を提供することができる。
特開平１０−２３０４１３号公報

しかしながら、このような従来の中空ボールねじの製造方法では、実際の転造時、内部に挿入されたアーバー７５とパイプ材７１との軸方向の塑性変形量が異なるため、両者を精度良く管理しても分離してしまい中子としての機能は果たさない。したがって、ある程度の肉厚を有するパイプ材７１を用いる必要があり、軽量化の効果は半減してしまうばかりでなく低コスト化が期待できない。増してや薄肉のパイプ材を用いてのねじ転造加工は非常に困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、精度、品質を維持し、軽量で低コストな電動パワーステアリング用ボールねじを提供することを目的としている。

係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、略円筒状をなすハウジングと、このハウジングに貫通し、車輪を操舵する操舵機構に連結された操舵軸と、ステアリングホイールからの回転力を、前記操舵軸を長手方向に移動させるための力に変換する変換機構と、前記ステアリングホイールで発生する操舵トルクに応じて補助トルクが発生するモータとを備えた電動パワーステアリング装置に使用され、前記操舵軸の一部がねじ軸となり、このねじ軸に複数のボールを介して外嵌されたナットとからなる電動パワーステアリング用ボールねじにおいて、前記操舵軸が、中実のねじ軸と中空のラック軸とからなり、これら両部材の一端部が接合され一体に構成されている。

このように、操舵軸が、中実のねじ軸と中空のラック軸とからなり、これら両部材の一端部が接合され一体に構成されているので、操舵軸の軽量化を図ることができると共に、ねじ軸におけるねじ溝の加工性および熱処理性を向上させることができ、精度の高いねじ溝を提供することができる。また、両部材をそれぞれ専用化した加工機で加工することができ、加工効率を向上させ、加工時間の短縮によって低コスト化を達成することができる。

また、請求項２に記載の発明のように、前記ねじ軸のねじ溝が転造加工によって形成されていても良いし、請求項３に記載の発明のように、前記ラック軸のラック歯が塑性加工によって形成されていても良い。このような加工手段により生産性が向上し、操舵軸の低コスト化が達成できる。

また、請求項４に記載の発明は、前記ねじ軸およびラック軸の接合部にそれぞれ芯出しのための支持部が形成されているので、これら支持部をチャックして芯出しした状態で接合することができ、両部材の同軸度の狂いを最小限に抑制することができる。

また、請求項５に記載の発明は、前記ねじ軸の接合部側の端部にインロウ部が形成され、前記ラック軸に嵌合されているので、両部材の芯出し精度を一層向上させることができる。

また、請求項６に記載の発明は、前記ナットの可動領域が前記ねじ軸の接合部側の端部に設定されているので、中実のねじ軸の長さを極力短くし、中空のラック軸の比率が大きくなるように設定することができ、操舵軸の軽量化を一層図ることができる。

本発明に係る電動パワーステアリング用ボールねじは、略円筒状をなすハウジングと、このハウジングに貫通し、車輪を操舵する操舵機構に連結された操舵軸と、ステアリングホイールからの回転力を、前記操舵軸を長手方向に移動させるための力に変換する変換機構と、前記ステアリングホイールで発生する操舵トルクに応じて補助トルクが発生するモータとを備えた電動パワーステアリング装置に使用され、前記操舵軸の一部がねじ軸となり、このねじ軸に複数のボールを介して外嵌されたナットとからなる電動パワーステアリング用ボールねじにおいて、前記操舵軸が、中実のねじ軸と中空のラック軸とからなり、これら両部材の一端部が接合され一体に構成されているので、操舵軸の軽量化を図ることができると共に、ねじ軸におけるねじ溝の加工性および熱処理性を向上させることができ、精度の高いねじ溝を提供することができる。また、両部材をそれぞれ専用化した加工機で加工することができ、加工効率を向上させ、加工時間の短縮によって低コスト化を達成することができる。

略円筒状をなすハウジングと、このハウジングに貫通し、車輪を操舵する操舵機構に連結された操舵軸と、ステアリングホイールからの回転力を、前記操舵軸を長手方向に移動させるための力に変換する変換機構と、前記ステアリングホイールで発生する操舵トルクに応じて補助トルクが発生するモータとを備えた電動パワーステアリング装置に使用され、前記操舵軸の一部がねじ軸となり、このねじ軸に複数のボールを介して外嵌されたナットとからなる電動パワーステアリング用ボールねじにおいて、前記操舵軸が、外周に転造加工によってねじ溝が形成された中実のねじ軸と、外周に塑性加工によってラック歯が形成された中空のラック軸とからなり、これら両部材の一端部が摩擦圧接により接合され一体に構成されている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るボールねじを用いた電動パワーステアリング装置の一部破断側面図、図２に、本発明に係るボールねじの実施形態を示す正面図である。

モータハウジング１は、図示しないブラケットを介して車体に固定される。このモータハウジング１内には操舵軸２が貫通している。操舵軸２の両端部にはタイロッド３、４が連設され、車輪を操舵する操舵機構（図示せず）に連結されている。モータハウジング１の一側から斜め上方に延びるようにピニオン軸５が設けられ、このピニオン軸５は上端でステアリングホイール（図示せず）に連結される。ピニオン軸５は回転自在に支持されており、その回転は下端の変換機構６を介して操舵軸２に軸方向の移動力として伝達される。変換機構６は、操舵軸２の長手方向の一部に形成されているラック歯７と、ピニオン軸５の下端に設けられ、ラック歯７と噛合するピニオン（図示せず）とからなる。ピニオン軸５の一部には、その操舵トルクを検出し、モータ制御装置（図示せず）にその検出信号を送信するトルク検出器（図示せず）が設けられている。

モータハウジング１は略円筒状に形成され、中央の筒体１ａの両端に支持部材１ｂ、１ｃをそれぞれ結合して構成されている。モータハウジング１の内周中央部には、モータ８を構成するステータ９が圧入固定されている。ステータ９は、図示しないコアおよびステータコイルからなり、この内周には、モータ８のロータ１０が所定の径方向すきまを介して対向配置されている。このロータ１０は磁性体により円筒状に形成され、スリーブ１１の外周に一体固定されている。スリーブ１１の内周には操舵軸２が軸方向移動自在に挿通されている。こうしたモータ８は、図示しないモータ制御装置により、前述したトルク検出器の検出信号に従って制御される。

スリーブ１１の一端部（図中右側）は、転がり軸受（深溝玉軸受）１２によりモータハウジング１内に回転自在に支承されている。この転がり軸受１２は、単列の軸受であっても、また複列の軸受であっても良く、ラジアル荷重およびスラスト荷重を負荷できるものなら良い。

モータ８の回転は、ボールねじ１３を介して操舵軸２に対して軸方向の移動力として伝達される。また、ボールねじ１３は、操舵軸２の軸方向の一部として構成され、外周に螺旋状のねじ溝１４ａが形成されたボールねじ軸１４と、内周にねじ溝１４ａに対向するねじ溝１５ａが形成されたナット１５と、これらのねじ溝１４ａ、１５ａ間に転動自在に収容された多数のボール１６とからなる。ナット１５は、その外径部に嵌合した四点接触玉軸受１７を介してモータハウジング１内に回転自在に支承されている。この四点接触玉軸受１７は、ナット１５の外径部に突設された位置決め用のフランジ１８と、ナット１５の外周に装着された止め輪１９とで挟持された状態で軸方向に位置決め固定されている。さらに、このナット１５の一端部には、前述したロータ１０の一端部が嵌合している。

ここで、ボールねじ１３を構成する操舵軸２は、図２に示すように、ねじ軸２０と、ラック歯７が形成れた別体のラック軸２１とからなる。ねじ軸２０は中実の棒状素材からなり、その外周がセンタレス研削等で所定の寸法・精度に仕上げられた後、転造加工によって一端部に支持部２２を残して外周にねじ溝１４ａが形成されている。なお、ねじ溝１４ａは転造加工に限らず、ねじ研削加工等で形成されても良い。

一方、ラック軸２１は電縫管等の中空素材からなり、一端部に支持部２３を残して外周にラック歯７が形成されている。このラック軸２１は、一側面に予め所定長さの範囲に平坦状のラック歯成形領域２４が形成されている。このラック歯成形領域２４と対向するようにラック歯成形用型（図示せず）をチャック内に固定し、内周にマンドレル等の治具（図示せず）を圧入してラック歯成形領域２４を拡径させ、ラック歯成形用型に食い込ませることによりラック歯７が形成されている。また、操舵軸２の両端部にはタイヤ（図示せず）へ連結されるタイロッド３、４（図１参照）が接続される雌ねじ２５、２５が形成されている。なお、ラック歯７はこうした塑性加工に限らず、歯切り盤等の切削加工によって形成されても良い。

前記ねじ軸２０とラック軸２１は、両端をそれぞれ芯出しした状態で接合され、この芯出しは、それぞれ外周が精度良く仕上られているねじ軸２０の支持部２２とラック軸２１の支持部２３をチャックして行われ、両部材２０、２１の同軸度の狂いを最小限に抑制している。その後、摩擦圧接によって接合され、その接合部２６の外周に突出したビード部（図示せず）を切削加工等で除去されている。

ラック軸２１の場合、ねじ軸２０に比べて断面二次モーメントの低下は少なく、中空化しても充分曲げに対する強度を維持することができる。このように、操舵軸２が、中実のねじ軸２０と中空のラック軸２１とで構成され、両部材２０、２１を摩擦圧接により接合することにより、ねじ軸２０におけるねじ溝１４ａの加工性および熱処理性を向上させることができ、精度の高いねじ溝１４ａを提供することができる。また、両部材２０、２１をそれぞれ専用化した加工機で加工することができ、加工効率を向上させ、加工時間の短縮によって低コスト化を達成することができる。

なお、ここでは、両部材２０、２１を摩擦圧接によって接合した操舵軸２を例示したが、これ以外にも抵抗溶接やレーザービーム溶接等、他の接合方法で接合しても良い。また、図示はしないが、中実のねじ軸２０の接合部２６側の端部にインロウ部を形成し、中空のラック軸２１に嵌合させることにより、両部材２０、２１の芯出し精度を向上させても良い。

本実施形態では、操舵軸２の軽量化を図るよう、中実のねじ軸２０の長さを極力短くし、中空のラック軸２１の比率が大きくなるように設定されている。すなわち、ラック軸２１の長さは通常、主に車両のタイヤスパンの仕様に対応して５００〜７００ｍｍの範囲に設定されているが、これに対し、実際の操舵におけるロックからロックまでのステアリングホイールの回転数は、２．５〜３回転程度であるため、ピニオンが稼動させられるのは概ね±９０ｍｍ程度になる。したがって、１８０ｍｍ程度のストロークになるため、ボールねじ１３がアシストして動く距離は、このストロークにナット１５の長さをプラスして２３０〜２６０ｍｍ程度となる。そのため、全長５００〜７００ｍｍのラック軸２１に対し、２３０〜２６０ｍｍ程度のねじ溝１４ａの長さが必要となり、ナット１５の可動領域をねじ軸２０の接合部２７側の端部に設定することにより、中空のラック軸２１の比率を大きく設定することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明に係る電動パワーステアリング用ボールねじは、操舵軸の一部がボールねじを構成するねじ軸となっているラックアシスト式の電動パワーステアリング用ボールねじに適用できる。

本発明に係るボールねじを用いた電動パワーステアリング装置の一部破断側面図である。 本発明に係るボールねじの実施形態を示す正面図である。 従来の中空ボールねじの製造方法の工程順を示す説明図である。 従来の電動パワーステアリング装置を示す一部破断側面図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・・・・・・モータハウジング
１ａ・・・・・・・・・・・・・・・筒体
１ｂ、１ｃ・・・・・・・・・・・・支持部材
２・・・・・・・・・・・・・・・・操舵軸
３、４・・・・・・・・・・・・・・タイロッド
５・・・・・・・・・・・・・・・・ピニオン軸
６・・・・・・・・・・・・・・・・変換機構
７・・・・・・・・・・・・・・・・ラック歯
８・・・・・・・・・・・・・・・・モータ
９・・・・・・・・・・・・・・・・ステータ
１０・・・・・・・・・・・・・・・ロータ
１１・・・・・・・・・・・・・・・スリーブ
１２・・・・・・・・・・・・・・・転がり軸受
１３・・・・・・・・・・・・・・・ボールねじ
１４・・・・・・・・・・・・・・・ボールねじ軸
１４ａ、１５ａ・・・・・・・・・・ねじ溝
１５・・・・・・・・・・・・・・・ナット
１６・・・・・・・・・・・・・・・ボール
１７、３２・・・・・・・・・・・・四点接触玉軸受
１８・・・・・・・・・・・・・・・フランジ
１９・・・・・・・・・・・・・・・止め輪
２０・・・・・・・・・・・・・・・ねじ軸
２１・・・・・・・・・・・・・・・ラック軸
２２、２３・・・・・・・・・・・・支持部
２４・・・・・・・・・・・・・・・ラック歯成形領域
２５・・・・・・・・・・・・・・・雌ねじ
２６・・・・・・・・・・・・・・・接合部
５１・・・・・・・・・・・・・・・操舵軸
５１ａ・・・・・・・・・・・・・・ラック歯
５２・・・・・・・・・・・・・・・ナット部材
５３・・・・・・・・・・・・・・・ボール
５４・・・・・・・・・・・・・・・雄ねじ溝
５５・・・・・・・・・・・・・・・モータ
５６・・・・・・・・・・・・・・・雌ねじ溝
６０・・・・・・・・・・・・・・・ピニオン軸
６０ａ・・・・・・・・・・・・・・ピニオン
６１・・・・・・・・・・・・・・・ステータ
６２・・・・・・・・・・・・・・・ロータ
６３・・・・・・・・・・・・・・・磁極
６４、６５、６６・・・・・・・・・転がり軸受
７０・・・・・・・・・・・・・・・ボールねじ
７１・・・・・・・・・・・・・・・パイプ材
７２・・・・・・・・・・・・・・・ボールねじ転造部
７３、７４・・・・・・・・・・・・ねじ穴
７５・・・・・・・・・・・・・・・アーバー
Ｈ１・・・・・・・・・・・・・・・ラックハウジング
Ｈ２・・・・・・・・・・・・・・・ピニオンハウジング
Ｈ３・・・・・・・・・・・・・・・モータハウジング

Claims (6)

1. 略円筒状をなすハウジングと、このハウジングに貫通し、車輪を操舵する操舵機構に連結された操舵軸と、ステアリングホイールからの回転力を、前記操舵軸を長手方向に移動させるための力に変換する変換機構と、前記ステアリングホイールで発生する操舵トルクに応じて補助トルクが発生するモータとを備えた電動パワーステアリング装置に使用され、前記操舵軸の一部がねじ軸となり、このねじ軸に複数のボールを介して外嵌されたナットとからなる電動パワーステアリング用ボールねじにおいて、
   前記操舵軸が、中実のねじ軸と中空のラック軸とからなり、これら両部材の一端部が接合され一体に構成されていることを特徴とする電動パワーステアリング用ボールねじ。
2. 前記ねじ軸のねじ溝が転造加工によって形成されている請求項１に記載の電動パワーステアリング用ボールねじ。
3. 前記ラック軸のラック歯が塑性加工によって形成されている請求項１または２に記載の電動パワーステアリング用ボールねじ。
4. 前記ねじ軸およびラック軸の接合部にそれぞれ芯出しのための支持部が形成されている請求項１乃至３いずれかに記載の電動パワーステアリング用ボールねじ。
5. 前記ねじ軸の接合部側の端部にインロウ部が形成され、前記ラック軸に嵌合されている請求項１乃至４いずれかに記載の電動パワーステアリング用ボールねじ。
6. 前記ナットの可動領域が前記ねじ軸の接合部側の端部に設定されている請求項１乃至５いずれかに記載の電動パワーステアリング用ボールねじ。

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