JP2006022883A

JP2006022883A - ウォームホイールおよび電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP2006022883A
Application number: JP2004200951A
Authority: JP
Inventors: Takanori Kurokawa; 貴則黒川; Hideo Matsubara; 英雄松原; Masahiko Shiina; 晶彦椎名
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-07-07
Also published as: JP4482802B2; EP1614935A1; US20060005652A1; EP1614935B1; KR100828865B1; US7562601B2; KR20060049905A

Abstract

【課題】耐久性に優れたウォームホイールおよびこれを用い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】環状の金属製のコア部４０と、コア部４０の外周に嵌合された樹脂製のリム部５０とを備える。リム部５０は、コア部４０の外周４０ａを覆い外周に歯部５１を形成する環状の主体部５２と、主体部５２から径方向内方Ｘへ延びコア部４０の第１および第２の側面４３，６４の外縁部４３ａ，６４ａをそれぞれ覆う一対の環状フランジ５３，５４とを含む。第１の環状フランジ５３は、コア部４０の対応する側面４３に形成された凹部４４に係合する。凹部４４の底部は、径方向外方Ｙに関するアンダーカット部を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、ウォームホイールおよびこれを備える電動パワーステアリング装置に関するものである。

自動車用の電動パワーステアリング装置には減速機が用いられている。例えばコラム型ＥＰＳでは、モータの回転力をウォームに伝え、さらにウォームホイールに伝えることでモータの回転を減速してモータの出力を増幅し、ステアリング操作をトルクアシストするようにしている。
ところで、ウォーム及びウォームホイールの噛み合いには適度なバックラッシが必要であるが、例えば石畳み等の悪路を走行した場合、タイヤからの反力により上記のバックラッシに起因した歯打ち音として発生したり、軸受その他のクリアランスを有する部品がラトル音を発生する場合がある。これらの音が車室内に騒音として伝わると、運転者に不快感を与えることになる。

そこで、通例、環状の金属製のコア部と、コア部の外周に嵌合された樹脂製のリム部とを備え、リム部の外周に歯部を形成するウォームホイールが用いられる（例えば特許文献１参照。）。
特開平１１−３０１５０１号公報

ところが、近年、電動パワーステアリング装置の高出力化の要請があり、そのために、ウォームホイールとして、高温環境下においてもコア部とリム部との連結強度が確保されることが要望されている。
そこで、本発明の課題は、耐久性に優れたウォームホイールおよびこれを備える電動パワーステアリング装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、環状の金属製のコア部と、コア部をインサートして成形された樹脂を含む環状のリム部とを備え、リム部は、コア部の外周を覆い外周に歯部を形成する環状の主体部と、主体部から径方向内方へ延びコア部の一対の側面の外縁部をそれぞれ覆う一対の環状フランジとを含み、少なくとも一方の環状フランジは、コア部の対応する側面に形成された、径方向外方に関するアンダーカット部に係合していることを特徴とするウォームホイールを提供する。

本発明では、リム部の環状フランジがコア部の径方向外方へ移動することを防止することができるので、リム部とコア部の連結強度が格段に向上する。その結果、例えば高温、高負荷にて使用しても高い耐久性を確保することが可能となる。ここで、径方向外方に関するアンダーカット部とは、径方向外方からみて開いていない（見えない）面要素のことをいう。

また、本発明において、上記少なくとも一方の環状フランジは、コア部の対応する側面の外縁部に形成された環状凹部に嵌め合わされ、この環状凹部の底部に上記アンダーカット部が形成される場合がある。この場合、リム部とコア部との連結強度をより向上することができる。特に、環状フランジがコア部の外周に乗り上がるようなことを確実に防止することができる。

上記のウォームホイールを含む伝動装置を介して、電動モータの動力を操舵機構に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置であれば、高出力化されても耐久性に優れる。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の一実施の形態の電動パワーステアリング装置の模式的断面図である。図１を参照して、本電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール等の操舵部材２に連結しているステアリングシャフト３と、ステアリングシャフト３に自在継手４を介して連結される中間軸５と、中間軸５に自在継手６を介して連結されるピニオン軸７と、ピニオン軸７の端部近傍に設けられたピニオン歯７ａに噛み合うラック歯８ａを有して自動車の左右方向に延びる転舵軸としてのラックバー８とを有している。ピニオン軸７およびラックバー８により、ラックアンドピニオン機構からなる操舵機構Ａが構成されている。

ラックバー８は車体に固定されるハウジング９内に図示しない複数の軸受を介して直線往復動自在に支持されている。ラックバー８の両端部はハウジング９の両側へ突出し、各端部にはそれぞれタイロッド１０が結合されている。各タイロッド１０は対応するナックルアーム（図示せず）を介して対応する車輪１１に連結されている。
操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３が回転されると、この回転がピニオン歯７ａおよびラック歯８ａによって、自動車の左右方向に沿ってのラックバー８の直線運動に変換される。これにより、車輪１１の転舵が達成される。

ピニオン軸７は、操舵部材２に連なる入力側のアッパーシャフト７１と、ピニオン７ａを設ける出力側のロアーシャフト７２とに分割されており、これらアッパーおよびロアーシャフト７１，７２はトーションバー１２を介して同一の軸線上で相対回転可能に互いに連結されている。
トーションバー１２を介するアッパーシャフト７１およびロアーシャフト７２間の相対回転変位量により操舵トルクを検出するトルクセンサ１３が設けられており、このトルクセンサ１３のトルク検出結果は、ＥＣＵ（Electric Control Unit ：電子制御ユニット）１４に与えられる。ＥＣＵ１４では、トルク検出結果や図示しない車速センサから与えられる車速検出結果等に基づいて、駆動回路１５を介して操舵補助用の電動モータ１６を駆動制御する。電動モータ１６の出力回転が伝動装置としての減速機１７を介して減速されてピニオン軸７のロアーシャフト７２に伝達され、ラックバー８の直線運動に変換されて、操舵が補助される。

減速機１７は、電動モータ１６により回転駆動されるウォーム軸１８と、このウォーム軸１８に噛み合うと共にピニオン軸７のロアーシャフト７２に一体回転可能に連結されるウォームホイール１９を備える。
ピニオン軸７を収容するハウジング２０は、互いに嵌め合わされるセンサハウジング２１およびギヤハウジング２２を含む。ピニオン軸７のロアーシャフト７２は、ウォームホイール１９を挟んだ両側で軸受２３，２４を介して回転自在に支持されている。軸受２３はセンサハウジング２１に保持され、軸受２４はギヤハウジング２２に保持されている。軸受２３，２４は例えば玉軸受からなる。

図２を参照して、ウォーム軸１８は電動モータ１６の出力軸２５と同軸上に配置される。ウォーム軸１８は、その軸長方向に離隔する第１および第２の端部１８ａ，１８ｂを有し、第１および第２の端部１８ａ，１８ｂ間の中間部に歯部１８ｃを有する。
ウォーム軸１８の第１の端部１８ａに設けられた連結部１８ｄと電動モータ１６の出力軸２５の対向する端部とは、例えばセレーション嵌合を用いる継手２６を介して同軸上に動力伝達可能に連結されている。

ウォーム軸１８の第１および第２の端部１８ａ，１８ｂは、対応する第１および第２の軸受２７，２８をそれぞれ介してギヤハウジング２２により回転自在に支持されている。第１および第２の軸受２７，２８は例えば玉軸受からなる。
第１および第２の軸受２７，２８の内輪２９，３０が、ウォーム軸１８の第１および第２の端部１８ａ，１８ｂに一体回転可能に嵌合されている。各内輪２９，３０はそれぞれウォーム軸１８の対応する互いに逆向きの位置決め段部に当接している。第１および第２の軸受２７，２８の外輪３１，３２は、ギヤハウジング２２の対応する軸受保持孔３３，３４に回転不能に保持されている。

軸受保持孔３３に連なるねじ孔３５にはねじ部材３６がねじ込まれ、ねじ部材３６が第１の軸受２７の外輪３１の端面に当接することにより、第１の軸受２７をウォーム軸１８の軸方向に位置決めしている。ねじ部材３６はロックナット３７によって止定されている。
図１および図２を参照して、ウォームホイール１９は、ピニオン軸７のロアーシャフト７２の軸方向中間部に一体回転可能に且つ軸方向移動不能に連結されている。ウォームホイール１９は、ロアーシャフト７２に一体回転可能に結合される環状の金属製のコア部４０と、コア部４０の外周に嵌合された、歯部５１を有する樹脂製の環状のリム部５０とを備える。

リム部５０は、その成形型内にコア部４０の一部をインサートして射出成形された合成樹脂を含む。リム部５０に用いる合成樹脂としては、ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ４６、ＰＡ１１、ＰＡ１２、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ、ＰＰＡ等のポリアミドの他、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を例示することができる。

また、上記例示の樹脂又は上記例示の樹脂を組み合わせたものをベース樹脂として、ＡＦ（アラミド繊維）、ＧＦ（ガラス繊維）、ＣＦ（カーボン繊維）等の強化繊維を充填したり、二硫化モリブデン、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）等の固体潤滑剤を混合して用いてもよい。
次いで、図３を参照して、コア部４０は、ピニオン軸７のロアーシャフト７２を嵌合させるための中心孔としての嵌合孔４１を備える。コア部４０の外周４０ａには、樹脂製のリム部５０との結合力を高めるために、例えばインボリュートスプライン４２が形成されている。コア部４０は第１および第２の側面４３，６４を有し、第１の側面４３の外縁部４３ａには、環状の凹部４４が形成されている。また、コア部４０の第１の側面４３には、例えば環状をなす肉抜き孔４５が設けられている。

リム部５０は、コア部４０の外周を覆いその外周に歯部５１を形成した主体部５２と、主体部５２から径方向内方へ延設され、コア部４０の第１および第２の側面４３，６４の外縁部４３ａ，６４ａをそれぞれ覆う第１および第２の環状フランジ５３，５４とを含む。
拡大図である図４を参照して、コア部４０の環状の凹部４４の深さは、コア部４０の径方向内方Ｘへ近づくにしたがって次第に深くなっている。すなわち、凹部４４の底部４４ａは径方向外方Ｙに関するアンダーカット部となっており、このアンダーカット部としての底部４４ａに係合する、リム部５０の第１の環状フランジ５３がコア部４０の径方向外方Ｙへ抜脱しないようになっている。本実施の形態では、凹部４４の底部４４ａは円錐テーパ状となっているが、これに限らず、段状をなすものであってもよい。また、アンダーカット部は凹部４４の底部４４ａの一部に形成されていてもよい。

ここで、第１の環状フランジ５３の厚みＴ（リム部５０の軸方向幅に相当）は、成形時の成形樹脂の流動性を考慮した場合、１ｍｍ以上であることが好ましい。
また、第１の環状フランジ５３の幅Ｗ（リム部５０の径方向の高さに相当）は、コア部４０からのリム部５０の抜脱強度を考慮した場合、２ｍｍ以上であることが好ましい。
また、凹部４４の底部４４ａのアンダーカット量Ｄは、第１の環状フランジ５３の凹部４４の底部４４ａに対する係合強度（樹脂の剥がれ強度に相当）を考慮した場合、１ｍｍ以上であることが好ましい。

また、凹部４４の底部４４ａに係合する、第１の環状フランジ５３の基部と主体部５２との間の内隅部５５の断面の曲率半径や、第１の環状フランジ５３の先端縁５６の断面の曲率半径は、０．５ｍｍ以上とすることが、これらの部分への応力集中を緩和するうえで好ましい。
本実施の形態によれば、リム部５０の第１の環状フランジ５３が、アンダーカット部としての、凹部４４の底部４４ａに係合することで、第１の環状フランジ５３がコア部４０の径方向外方Ｙへ移動することを防止できる。その結果、リム部５０とコア部４０との連結強度を格段に向上することができ、高い強度と耐久性を持つウォームホイール１９を得ることができる。

特に、高温時にリム部５０の熱膨張がコア部４０のそれよりも大きくなっても、上記のアンダーカット部の働きで、第１の環状フランジ５３がコア部４０の径方向外方Ｙへ移動することを確実に防止できる。したがって、高温、高負荷の条件下での使用にも十分に耐え得る。
ウォームホイール１９を高強度化できるので、同じトルクを伝達する場合には、ウォームホイール１９を小径化したり等、小型・軽量化することが可能となる。また、ウォームホイール１９のギヤモジュールを小さくすることで、減速比を大きくすることもでき、これにより、ひいては、電動モータ１６の低出力化が可能となり、コストダウンにつながる。

また、所定の厚みＴと幅Ｗを持つ第１の環状フランジ５３を、コア部４０の第１の側面４３の環状の凹部４４に凹凸嵌合してあるので、第１の環状フランジ５３がコア部４０の外周側に乗り上がるように抜けることを確実に防止でき、リム部５０とコア部４０との連結強度をより向上することができる。
本ウォームホイール１９を含む伝動装置としての減速機１７を電動パワーステアリング装置１に適用することで、ウォームホイール１９の耐久性を確保して電動パワーステアリング装置１の高出力化に対応することができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、例えば、図５に示すように、コア部４０の第１の側面４３の外縁部４３ａの凹部４４の底部４４ａの一部を深くして、これをアンダーカット部４４ｂとしてもよい。アンダーカット部４４ｂは図６に示すように環状であってもよいし、図７に示すように、凹部４４の底部４４ａにおいて、アンダーカット部４４ｂが第１の側面４３の周方向の一部に１乃至複数設けられてもよい。

また、第２の側面６４にもアンダーカット部を設けるようにしてもよい。

図３と同様の形状の実施例のウォームホイールを作製した。リム部にＰＡ６６を用い、モジュールを１．６５とし、歯数を５５枚（減速比をを１８．３３）とした。また、図４を参照して、第１の環状フランジ５３の厚みＴを２．８ｍｍとし、幅Ｗを３．６５ｍｍとし、アンダーカット量Ｄを１．３３ｍｍとした。
一方、図３において、凹部４４の底部４４ａを軸直角面としてアンダーカット部を廃止したことのみが、実施例と異なる比較例のウォームホイールを作製した。

実施例および比較例の最大伝達トルク（歯元強度に相当）を１００°Ｃの高温環境下で測定したところ、比較例が１４Ｎ・ｍであるのに対して、実施例が２４Ｎ・ｍであり、約７０％の強度向上が達成されることが実証された。

本発明の一実施の形態のウォームホイールを用いた電動パワーステアリング装置の模式的断面図である。図１のII−II線に沿う断面図である。ウォームホイールの要部の断面図である。図３の一部の拡大図である。本発明の別の実施の形態のウォームホイールの要部の断面図である。図５の実施の形態のウォームホイールのコア部の要部の側面図である。本発明のさらに別の実施の形態のウォームホイールのコア部の要部の側面図である。

符号の説明

１電動パワーステアリング装置
２操舵部材
３ステアリングシャフト
５中間軸
７ピニオン軸
７１アッパーシャフト
７２ロアーシャフト
７ａピニオン歯
８ラックバー
８ａラック歯
Ａ操舵機構
１１車輪
１３トルクセンサ
１４ＥＣＵ
１６電動モータ
１７減速機
１８ウォーム軸
１９ウォームホイール
４０コア部
４０ａ外周
４１嵌合孔
４２スプライン
４３第１の側面
４３ａ外縁部
４４凹部
４４ａ底（アンダーカット部）
４４ｂアンダーカット部
６４第２の側面
６４ａ外縁部
Ｘ径方向内方
Ｙ径方向外方
５０リム部
５１歯部
５２主体部
５３第１の環状フランジ
５４第２の環状フランジ

Claims

環状の金属製のコア部と、コア部をインサートして成形された樹脂を含む環状のリム部とを備え、
リム部は、コア部の外周を覆い外周に歯部を形成する環状の主体部と、主体部から径方向内方へ延びコア部の一対の側面の外縁部をそれぞれ覆う一対の環状フランジとを含み、少なくとも一方の環状フランジは、コア部の対応する側面に形成された、径方向外方に関するアンダーカット部に係合していることを特徴とするウォームホイール。
上記少なくとも一方の環状フランジは、コア部の対応する側面の外縁部に形成された環状凹部に嵌め合わされ、この環状凹部の底部に上記アンダーカット部が形成されることを特徴とするウォームホイール。
請求項１又は２記載のウォームホイールを含む伝動装置を介して、電動モータの動力を操舵機構に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置。