JP2006103422A - ラックアンドピニオン式ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 入力軸とラックの交差角、すなわち軸交角を２０〜２５［゜］の範囲に持つままに、ラックアンドピニオン式ステアリング装置の効率を向上させること。
【解決手段】 ラック３とピニオンギヤ２を略直交して噛合させているので、歯筋すべりが発生せず、噛合い面のすべり摩擦損失が小さくなり、ラックアンドピニオン式ステアリング装置１０の効率が向上する。入力軸７とピニオンギヤ２の間に、自在継手を設けているので、ピニオンギヤ２とラック３を略直交して噛合わせることができ、かつ、ステアリングコラム５から入力軸７に動力を伝達するインターミディエイトシャフト６にストレスなく接続できる。自在継手にダブルカルダンジョイント３０を用いているので、速度／トルク変動が少ない。
【選択図】 図４

Description

本発明は、自動車の操舵機構に用いられ、車両への積載性を損なわないままに、効率を向上させることができるラックアンドピニオン式ステアリング装置に関する。

自動車のパワーステアリング装置は、従来の油圧式パワーステアリング装置から、より効率の高い電動パワーステアリング（ＥＰＳ）に置き換えられる傾向にある。ＥＰＳは、油圧パワーステアリング装置に比較して、大きな推力を発生するのが難しいので、従来は、軽自動車を中心に利用されていた。しかしながら、ＥＰＳの性能が向上し、大きな推力を発生できるようになったので、最近は、小型乗用車を中心に、普通自動車にも適用範囲が広がりつつある。

ＥＰＳや油圧パワーステアリング装置では、ステアリングホイールの回転運動をラックの軸方向運動に変換する機構に、ラックアンドピニオン式ステアリング装置を使うことが多い。

一般に、停車状態での転舵（いわゆる据え切り）や危険回避の高速転舵時など、必要とされる最大のラック軸推力は、車体前軸重量程度である。

従来の油圧式パワーステアリングでは、ラックを駆動する動力は２系統ある。一方は、運転者の操舵力がピニオンギヤを介してラックに伝達される動力であり、他方は、ラックに取り付けられた油圧シリンダーから入力される補助動力である。

停車状態での転舵（いわゆる据え切り）や危険回避の高速転舵時など、最大推力が必要とされるときの補助動力の大きさは、運転者の操舵力の５〜６倍である。

さて、近年その使用例が増えてきているＥＰＳのうち、特にコラムアシスト式ＥＰＳとピニオンアシスト式ＥＰＳについて考えてみても、やはりラックを駆動する動力は、２系統ある。一方は、運転者の操舵力、他方は、モータの補助動力である。

しかし、これら二つの方式のＥＰＳが、前述の油圧式パワーステアリングと大きく異なる点は、運転者の操作力と補助動力が同一のピニオンギヤを介してラックに伝達される点である。

従来のコラムアシスト式ＥＰＳは、例えば特許文献１などにみることができる。従来のピニオンアシスト式ＥＰＳは、例えば特許文献２などにみることができる．
特開２００２−３３１９４３号公報 特開２００２−３２１６３２号公報 特開２００１−１０６１０１号公報

油圧パワーステアリング装置であっても、ＥＰＳであっても、同じ車両に搭載するならば、全体として必要な動力は、同じである。

ＥＰＳのピニオンギヤが伝達する動力は、従来の油圧パワーステアリング装置のピニオンギヤが伝達する動力に比較して、６〜７倍程度大きくなっている。

ここで、ラックアンドピニオン装置の効率η［−］を考える。ピニオンギヤが伝達する動力がＰ［Ｗ］だとすると、ラックアンドピニオン装置の損失は、（１−η）Ｐ［Ｗ］である。

効率η［−］が同じならば、伝達動力Ｐ［Ｗ］が大きいほど、摩擦損失は、大きい。

ラックアンドピニオン装置で発生する摩擦損失は、ＥＰＳの方が油圧パワーステアリング装置よりも６〜７倍程度大きいといえる。

従って、コラムアシスト式ＥＰＳやピニオンアシスト式ＥＰＳでは、油圧パワーステアリング装置に比べて、ラックアンドピニオン装置の効率向上が、パワーステアリング装置全体の効率向上を図る上で、より重要になる。

通常、ラックとピニオンギヤとは、一定の角度を持って噛合わされており、この交差角（以下では、特に、軸交角と呼ぶ）が、ラックアンドピニオン装置の効率に最も大きな影響を与える設計因子である（図１参照）。なお、図１は、一般的なコラムアシスト式ＥＰＳの構成例の斜視図である。ここで、符号２は、ピニオンギヤを、符号５は、ステアリングコラムを、符号６は、インターミディエイトシャフトを、符号７は、入力軸を、符号１０は、ラックアンドピニオン式ステアリング装置を、符号αは、軸交角を示している。

一般に軸交角が小さいほど、歯筋すべりが小さいので、ラックアンドピニオン装置の効率が良くなる。軸交角を小さくして、ラックアンドピニオン装置の効率を向上させる技術は、例えば特許文献３の図７および図８などに紹介されている。

通常、図２に示すように、ステアリングホイール１は、ピニオンギヤ２よりも車体中心線から遠い位置にある。なお、図２は、ステアリングホイールとピニオンギヤの相対的な位置関係の例の図である。ここで、符号１は、ステアリングホイールを、符号３は、ラックを、符号４は、タイロッドを示している。

このとき、軸交角（α）を０［゜］にすると、ステアリングコラム５とラックアンドピニオン式ステアリング装置１０の入力軸７との成す角が大きくなるので、入力軸７とインターミディエイトシャフト６（中間軸）の接続が難しい。

この場合は、例えば図３のように、インターミディエイトシャフト６にフック継手１１，１２，１３を３個所に設けるなど、インターミディエイトシャフト６の許容角度差を大きくする必要がある。なお、図３は、３点にフック継手をもつインターミディエイトシャフトの構造例の図である。

インターミディエイトシャフト６にフック継手１１，１２，１３を３箇所設けると、軸の振れ回りを抑えるために、中間軸受１４が必要になり、構造が複雑になるので、車両への積載性を損ねてしまう。

以上のような、車両への積載性の問題から、通常は、ラックアンドピニオン式ステアリング装置の軸交角（α）は、２０〜２５［゜］程度のものが多く使われている。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、入力軸とラックの交差角、すなわち軸交角を２０〜２５［゜］の範囲に持つままに、ラックアンドピニオン式ステアリング装置の効率を向上させることを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置は、外周の少なくとも―箇所以上にラック歯を有し、かつピニオンギヤに駆動され軸方向に移動自在に支持されたラックと、
前記ラックに噛合わされラックを軸方向に駆動するピニオンギヤと、
前記ラックと一定の軸交角を持ち、かつインターミディエイトシャフトと接続する入力軸と、
前記ラックと前記ピニオンギヤおよび前記入力軸を−体に支持するギヤケースと、
を具備するラックアンドピニオン式ステアリングギヤにおいて、
前記ラックと、前記ピニオンギヤとを、略直交して噛合わせ、かつ、
前記入力軸と、前記ピニオンギヤとの間に、自在継手が設けてあることを特徴とする。

本発明の請求項２に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置は、前記自在継手は、ダブルカルダンジョイントであることを特徴とする。

本発明の請求項３に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置は、前記入力軸と、前記ラックとの交差角は、０［゜］以上３０［゜］以下であることを特徴とする。

本発明によれば、ラックとピニオンギヤを略直交して噛合させているので、歯筋すべりが発生せず、噛合い面のすべり摩擦損失が小さくなり、ラックアンドピニオン式ステアリング装置の効率が向上する。

入力軸とピニオンギヤの間に、自在継手を設けているので、ピニオンギヤとラックを略直交して噛合わせることができ、かつ、ステアリングコラムから入力軸に動力を伝達するインターミディエイトシャフトにストレスなく接続できる。

自在継手にダブルカルダンジョイントを用いているので、速度／トルク変動が少ない。

入力軸とピニオンギヤの交差角を０［゜］以上３０［゜］以下の範囲にしているので、速度／トルク変動が少ない。

本発明により、入力軸とラックに交差角がある場合でも、ピニオンギヤとラックを略直交して噛合わせることができる。従って、車両への積載性を損なわないままに、ピニオンギヤとラックの間で発生する歯筋方向のすべり摩擦損失を抑制できるので、ラックアンドピニオン式ステアリング装置の効率が向上する。

以下、本発明の実施の形態に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置を図面を参照しつつ説明する。

図４は、本発明の実施の形態に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置（コラムアシスト式ＥＰＳの例）の断面図である。

本実施の形態のラックアンドピニオン式ステアリング装置は、コラムアシスト式ＥＰＳに適用した例である。

本実施の形態のギヤケース２０は、アルミニウム製で、ギヤケース２０の一端には、ラック支持体２１が圧入固定されて一体となっている。

ギヤケース２０の内部には、グリースが封入され、ラック３、ピニオンギヤ２、ダブルカルダンジョイント３０、および支持軸受（４点接触玉軸受３１，３２とニードル軸受２２）を潤滑している。ギヤケース２０は、図示しないフランジ部で車体に固定されている
本実施の形態のラック３は、直径２７［ｍｍ］、ラック歯幅２２．５［ｍｍ］、歯数２５枚、モジュール１．６８８［−］、ねじれ角３０［゜］で、ねじれ方向は、右である。

ラック３は、高周波焼入れされている。ラック３は、ピニオンギヤ２との噛合い点と図示しないブッシュとの接触点で、ギヤケース２０およびラック支持体２１に支持される。

本実施の形態のピニオンギヤ２は、歯数８枚、モジュール１．６８８［−］、ハスバ角３０［゜］の転位ハスバ歯車（インポリュート歯車）で、ねじれ方向は、左である。

ピニオンギヤ２は、浸炭焼入れされている。ピニオンギヤ２のステアリングホイール側端は、４点接触玉軸受３１を介して、ギヤケース２０に支持されている。４点接触玉軸受３１は、ピニオンギヤ２に圧人後に加締め固定されている。

ピニオンギヤ２の反ステアリングホイール側端は、ニードルベアリング２２を介して、ギヤケース２０に支持されている。

ピニオンギヤ２のステアリングホイール側端は、ダブルカルダンジョイント３０に接続され、入力軸７から動力を伝達される。ピニオンギヤ２は、ラック３と直交して噛合わされているので、歯筋すべりが小さくなり、効率が良くなる。

本実施の形態は、自在継手にダブルカルダンジョイント３０を使っているので、自在継手に単純なフック継手（カルダンジョイントとも言う）を使った場合に比較して、入力軸７のトルクが一定の場合に、ピニオンギヤ２の回転に伴って発生するピニオンギヤ２のトルクの変動が小さくなるから、操舵フィーリングが良く、また、ＥＰＳの制御も容易になる。

本実施の形態のピニオンギヤ２を支持する４点接触玉軸受３１は、ラック３とピニオンギヤ２の噛合い点で生じるピニオンギヤ２の軸方向の反力と、ピニオンギヤ２の半径方向の反力の両方を支持でき、かつモーメント荷重の支持にも適しているので、本実施の形態のラックアンドピニオン式ステアリング装置１０のピニオンギヤ２の支持に適している。

一方、ピニオンギヤ２を支持するラジアルニードルベアリング２２は、小型の割に負荷容量（軸受に安全に掛けられる荷重の大きさ）が大きい。従って、ピニオンギヤ２の先端側を、玉軸受などの他形式の軸受で支持した場合に比較して、ギヤケース２０の大きさを小さくできる利点がある。

本実施の形態の入力軸７は、ダブルカルダンジョイント３０を介して、ピニオンギヤ２と接続されている。入力軸７とラック３の成す角、すなわち軸交角は、２４．５［゜］である。

ダブルカルダンジョイント３０は、単純なフック継手に比べると、トルク／速度の変動は、小さいものの、２軸間の交差角度が大きくなりすぎると、回転が滑らかでなくなり、トルク／速度の変動が問題になる。一般に、２軸間の交差角度が３０［゜］以下では、十分滑らかな回転が得られるとされる。

本実施の形態の入力軸７とラック３の成す角は、２４．５［°］なので、十分に滑らかな回転が得られ、トルク／速度の変動が小さい。

本実施の形態のラックアンドピニオン式ステアリング装置１０では、ピニオンギヤ２とラック３を直交させて、かつ入力軸７に一定の軸交角を与えることができる。

このような場合には、ステアリングコラム５と入力軸７の角度差が小さくなるので、許容角度差の小さいインターミディエイトシャフト６を適用できる。

従って、本実施の形態のラックアンドピニオン式ステアリング装置１０では、ステアリングコラム５と入力軸７の接続に、フック継手を２箇所もつようなインターミディエイトシャフト６が適用できる。

フック継手を２箇所もつようなインターミディエイトシャフト６は、中間軸の振れまわりが生じないので、中間軸受が必要なく、車両への積載性が良い。

本実施の形態の入力軸７は、フック継手を２個所持つようなインターミディエイトシャフト６を介して、ステアリングコラム５に接続されている。

本実施の形態のピニオンギヤ２および入力軸７は、共通のギヤケース２０に固定されているので、ギヤケース２０を車体に固定するだけで、容易に車両へ組み付けできる（積載性が良い）。

以上から、本実施の形態では、ラック３とピニオンギヤ２を略直交して噛合させているので、歯筋すべりが発生せず、噛合い面のすべり摩擦損失が小さくなり、ラックアンドピニオン式ステアリング装置１０の効率が向上する。入力軸７とピニオンギヤ２の間に、自在継手を設けているので、ピニオンギヤ２とラック３を略直交して噛合わせることができ、かつ、ステアリングコラム５から入力軸７に動力を伝達するインターミディエイトシャフト６にストレスなく接続できる。自在継手にダブルカルダンジョイント３０を用いているので、速度／トルク変動が少ない。入力軸７とピニオンギヤ２の交差角を、０［゜］以上３０［゜］以下の範囲にしているので、速度／トルク変動が少ない。

本実施の形態により、入力軸７とラック３に交差角がある場合でも、ピニオンギヤ２とラック３を略直交して噛合わせることができる。従って、車両への積載性を損なわないままに、ピニオンギヤ２とラック３の間で発生する歯筋方向のすべり摩擦損失を抑制できるので、ラックアンドピニオン式ステアリング装置１０の効率が向上する。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、種々変形可能である。 本実施の形態のコラムアシスト式ＥＰＳは、ステアリングコラム５にトルクセンサを持つ，しかしながら、コラム部にトルクセンサを設けることは、本発明の必要要件ではなく、例えば、入力軸７内やピニオンギヤ２内にトルクセンサを設けても良い。あるいはコラムＥＰＳユニット内部など他の箇所にトルクセンサを設けることも可能である。

一般的なコラムアシスト式ＥＰＳの構成例の斜視図である。 ステアリングホイールとピニオンギヤの相対的な位置関係の例の図である。 ３点にフック継手をもつインターミディエイトシャフトの構造例の図である。 本発明の実施の形態に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置（コラムアシスト式ＥＰＳの例）の断面図である。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ ピニオンギヤ
３ ラック
４ タイロッド
５ ステアリングコラム
６ インターミディエイトシャフト
７ 入力軸
１０ ラックアンドピニオン式ステアリング装置
α 軸交角
２０ ギヤケース
２１ ラック支持体
２２ ニードル軸受
３０ ダブルカルダンジョイント
３１，３２ ４点接触玉軸受

Claims (3)

1. 外周の少なくとも―箇所以上にラック歯を有し、かつピニオンギヤに駆動され軸方向に移動自在に支持されたラックと、
   前記ラックに噛合わされラックを軸方向に駆動するピニオンギヤと、
   前記ラックと一定の軸交角を持ち、かつインターミディエイトシャフトと接続する入力軸と、
   前記ラックと前記ピニオンギヤおよび前記入力軸を−体に支持するギヤケースと、
   を具備するラックアンドピニオン式ステアリングギヤにおいて、
   前記ラックと、前記ピニオンギヤとを、略直交して噛合わせ、かつ、
   前記入力軸と、前記ピニオンギヤとの間に、自在継手が設けてあることを特徴とするラックアンドピニオン式ステアリング装置。
2. 前記自在継手は、ダブルカルダンジョイントであることを特徴とする請求項１に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置。
3. 前記入力軸と、前記ラックとの交差角は、０［゜］以上３０［゜］以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置。