JP2006224816A - コラムアシスト式電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コラムアシスト式電動パワーステアリング装置を、軸方向に全長を短縮化して、小型化を図ること。
【解決手段】 ウォームホイール２０の芯金部２０ａの内径側基端部は、ウォームホイール２０とウォーム１１とのギヤ噛み合い位置の内径側から、車両前方側に軸方向に変位して延在した軸方向変位部２０ｃを有している。軸方向変位部２０ｃは、その内径側が出力軸３に嵌合してあると共に、その外径側が一つの玉軸受３０を介して、前方側ハウジング１４に回転自在に支持してある。トルクセンサーＴＳは、ウォームホイール２０とウォーム１１とのギヤ噛み合い位置の径方向内方に設けた円筒状部２１ａを有し、トルクセンサーＴＳの一部であるヨーク９等は、円筒状部２１ａの径方向内方側に配置してある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車の操舵機構に用いられる電動パワーステアリング装置のうち、運転者の操舵力をステアリングコラム部で補助する形式のコラムアシスト式電動パワー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は、油圧式パワーステアリングから、効率の高い電動パワーステアリング（Electric Power Steering、以下ＥＰＳと記す）に置き換えられる傾向にある。

油圧パワーステアリングは、常時油圧ポンプを駆動するが、ＥＰＳは、動力が必要な時にだけ電動モータを駆動するので、ＥＰＳは、油圧パワーステアリングに比較して効率が良い。一般に、ＥＰＳは、油圧パワーステアリングに比較して、３〜５［％］程度の省燃費化効果があるとされる。

ＥＰＳは、油圧パワーステアリングに比較して、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、近年は、ＥＰＳの性能が向上して、大きな推力を発生できるようになり、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は、「ステアリングホイールから操舵輪（両前輪）に至るまでのステアリング機構のどの部分に補助動力装置を備えているか」によって、幾つかの形式に分類される。

電動モータの補助動力装置をコラム部に備えたものを、コラムアシスト式ＥＰＳと、電動モータの補助動力装置をピニオンギヤに備えたものを、ピニオンアシスト式ＥＰＳと呼ぶ。

また、電動モータの補助動力装置をラックに備えたものは、ボールねじを使って、電動モータの回転運動をラックの直線運動に変換するので、ボールねじ式ＥＰＳと呼ばれる。

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。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。ボールねじ式ＥＰＳは、例えば特許文献３などにみることができる。

図３は、従来例に係るコラムアシスト式電動パワーステアリング装置の縦断面図である。

コラムアシスト式電動パワーステアリング装置では、ステアリングコラム（図示略）内に回転自在に装着したステアリングシャフト２（入力軸）の車両前方側には、出力軸３が連結してある。

この出力軸３の車両前方端部には、中間シャフト（図示略）や自在継手（図示略）等を介してラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置（図示略）等が連結してある。

ステアリングシャフト２（入力軸）の車両前方側には、トーションバー５の基端が圧入固定してあり、このトーションバー５は、中空に形成した出力軸３の内部を延在して、その先端が出力軸３の端部に固定ピン６により固定してある。なお、トーションバー５は、入力軸２から出力軸３に操舵力を伝達すると共に操舵力に応じて入力軸２と出力軸３の間に微小な角度差を生じさせる。

出力軸３の車両後方側には、トルクセンサーＴＳが設けてある。即ち、出力軸３の車両後方側には、トルクセンサーＴＳの検出用溝７が形成してあり、これらの溝７の径方向外方には、トルクセンサーＴＳのスリーブ８が配置してある。このスリーブ８は、その車両後方側端部がステアリングシャフト２（入力軸）の車両前方側端部に加締め等により固定してある。スリーブ８の径方向外方には、ヨーク９や基板等が設けてある。

出力軸３には、電動モータ（図示略）の駆動軸に連結したウォーム減速機構のウォーム（図示略）に噛合したウォームホイール１２が取付けてある。なお、ウォームホイール１２は、出力軸３に嵌合した芯金部１２ａと、この芯金部１２ａに一体的に成形した樹脂製ギア部１２ｂとからなる。

これらウォーム（図示略）及びウォームホイール１２は、後方側ハウジング１３と、前方側ハウジング１４とに収納してある。

なお、出力軸３は、ウォームホイール１２の車両後方側の軸受１６と、ウォームホイール１２の車両前方側の軸受１７とにより、ハウジング１３，１４に回転自在に支持してある。

従って、運転者がステアリングホイール（図示略）を操舵することにより発生した操舵力は、ステアリングシャフト２（入力軸）、トーションバー５、出力軸３、及びラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置を介して、図示しない転舵輪に伝達される。

また、電動モータ（図示略）の回転力は、そのウォーム（図示略）及びウォームホイール１２を介して出力軸３に伝達されるようになっており、電動モータ（図示略）の回転力及び回転方向を適宜制御することにより、出力軸３に適切な操舵補助トルクを付与できるようになっている。
特開２００２−３３１９４３号公報 特開２００２−３２１６３２号公報 特開２００４−１１４９７２号公報

一般に、停車状態の転舵（据え切り）や危険回避の高速転舵などに必要な最大のラック推力は、車体前軸重量程度である。軽自動車から普通自動車に適用範囲が拡大すると、車体重量が増し、ラック推力も大きくなる。

ラック推力の増大に伴い、電動モータ出力も減速機の伝達動力も大きくなり、ＥＰＳ装置全体が大型化する。

しかし、コラムアシスト式ＥＰＳは、その機構部分がステアリングコラム内に配置されるので、装置が大きくなりすぎると、衝撃吸収用のストロークが不足することも考えられる。

また、コラムアシスト式ＥＰＳのユニットは、ステアリングコラム内に配置されるので、スペース上の制約がもともと大きい。

以上の理由から、コラムアシスト式ＥＰＳは、大推力のＥＰＳには、不向きとされる。そのため、大推力ＥＰＳには、ボールねじ式ＥＰＳなど他の形式が使われることが多い。

しかし、コラムアシスト式ＥＰＳは、その構造が簡単で車両への搭載が容易という優れた利点がある。コラムアシスト式ＥＰＳを小型化できれば、大推力のＥＰＳに適用範囲を拡大できる。

以上のように、コラムアシスト式ＥＰＳは、他のピニオンアシスト式ＥＰＳやボールねじ式ＥＰＳなどに比べて、装置の小型化が特に重要である。

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、軸方向に全長を短縮化して、小型化を図ることができるコラムアシスト式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。

上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に係るコラムアシスト式電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールへの操舵力に対応して、トルクセンサーにより捩りトルクや角度を検出して、電動モータから補助操舵トルクを発生し、減速機構により減速して、操舵機構のコラム部の出力軸に伝達するコラムアシスト式電動パワーステアリング装置に於いて、
前記減速機のウォームホイールの内径側基端部は、当該ウォームホイールとウォームとのギヤ噛み合い位置の内径側から、軸方向に変位して延在した軸方向変位部を有し、
当該軸方向変位部は、その内径側が前記出力軸に嵌合してあると共に、その外径側が一つの玉軸受を介してハウジングに回転自在に支持してあり、
前記トルクセンサーの少なくとも一部は、前記ウォームホイールとウォームとのギヤ噛み合い位置の径方向内方に、配置してあることを特徴とする。

本発明の請求項２に係るコラムアシスト式電動パワーステアリング装置は、前記玉軸受は、４点接触玉軸受であることを特徴とする。

本発明の請求項３に係るコラムアシスト式電動パワーステアリング装置は、前記４点接触玉軸受は、そのの内外輪の有効肉厚比を、６．０〜２．５［％］に設定してあることを特徴とする。

本発明の請求項４に係るコラムアシスト式電動パワーステアリング装置は、前記４点接触玉軸受は、そのの内外輪の有効肉厚比を、４．０〜３．０［％］に設定してあることを特徴とする。

本発明の請求項５に係るコラムアシスト式電動パワーステアリング装置は、前記４点接触玉軸受は、その保持器に、外輪案内のアキシャルドロータイプの溶接プレス保持器が用いてあることを特徴とする。

本発明によれば、減速機のウォームホイールの内径側基端部は、当該ウォームホイールとウォームとのギヤ噛み合い位置の内径側から、軸方向に変位して延在した軸方向変位部を有し、軸方向変位部は、その内径側が出力軸に嵌合してあると共に、その外径側が一つの玉軸受を介してハウジングに回転自在に支持してあり、トルクセンサーの少なくとも一部は、ウォームホイールとウォームとのギヤ噛み合い位置の径方向内方に配置してある。従って、コラムアシスト式電動パワーステアリング装置は、軸方向に全長を短縮化して、小型化を図ることができる。

玉軸受は、ステアリングコラムに作用するウォームのギヤ反力を支える働きをする。玉軸受は、ウォームホイールの軸方向変位部に配置してあるため、ウォームのギヤ噛み合い位置から、コラム軸方向にオフセットした位置にあり、アキシャル荷重とラジアル荷重とモーメント荷重を受けている。アキシャル荷重とモーメント荷重を受ける点を考慮すると、この部分の支持には、４点接触玉軸受や複列アンギュラ玉軸受の双方が適しているが、より好適には、４点接触玉軸受であり、軸受幅を小さくできるから、特にコラムアシスト式電動パワーステアリング装置をより一層小型化することができる。

４点接触玉軸受は、その内外輪の有効肉厚比κ_ｅ，κ_ｉが６．０［％］以下、特に好ましくは４．０［％］以下になっており、軸受内径ｄ［ｍｍ］に対する軸受外径Ｄ［ｍｍ］の比Ｄ）／ｄ［−］を小さくできるから、ＥＰＳのユニットを小型化できる。また、４点接触玉軸受の内外輪の有効肉厚比κ_ｅ，κ_ｉが２．５［％］以上、特に好ましくは、３．０［％］以上であるので、熱処理変形を強制する冶具が必要ない程度に内外輪の熱処理変形を小さくでき、熱処理工程を簡素化できる。

４点接触軸受の保持器は、溶接プレス保持器なので、冠型樹脂保持器に比較して薄肉にできる。４点接触玉軸受で保持器を薄肉にすると、軌道の肩を高く設計できるので、耐乗上性が向上する。耐乗上性が向上すると、軸受の転動体寸法（ボール径）の割に、大きなモーメント荷重を負荷できるので、輪受サイズを小型化できる。従って、ＥＰＳのユニットを小型化できる。また、保持器は、外輪案内だから、案内面（保持器外径面）の研削加工が容易である。また、保持器は、アキシャルドロータイプ（ボールを保持器側面から組み込む方式）だから、内外輪にボールを組み込んだ後に保持器を組み込めるので、組立性を良好にすることができる。

以下、本発明の実施の形態に係るコラムアシスト式電動パワーステアリング装置を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るコラムアシスト式電動パワーステアリング装置の縦断面図である。

コラムアシスト式電動パワーステアリング装置では、ステアリングコラム１内に回転自在に装着したステアリングシャフト２（入力軸）の車両前方側には、出力軸３が連結してある。

この出力軸３の車両前方端部には、中間シャフト（図示略）や自在継手（図示略）等を介してラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置（図示略）等が連結してある。

ステアリングシャフト２（入力軸）の車両前方側には、トーションバー５の基端が圧入固定してあり、このトーションバー５は、中空に形成した出力軸３の内部を延在して、その先端が出力軸３の端部に固定ピン６により固定してある。なお、トーションバー５は、入力軸２から出力軸３に操舵力を伝達すると共に操舵力に応じて入力軸２と出力軸３の間に微小な角度差を生じさせる。

出力軸３には、電動モータ１０の駆動軸に連結したウォーム減速機構のウォーム１１に噛合したウォームホイール２０が取付けてある。これらウォーム１１及びウォームホイール２０は、後方側ハウジング１３と、前方側ハウジング１４とに収納してある。

さて、本実施の形態では、ウォームホイール２０は、出力軸３に嵌合・固定した芯金部２０ａと、この芯金部２０ａに一体的に成形した樹脂製ギア部２０ｂと、からなる。

この芯金部２０ａの内径側基端部は、ウォームホイール２０とウォーム１１とのギヤ噛み合い位置の内径側から、車両前方側に軸方向に変位して延在した軸方向変位部２０ｃを有している。

この軸方向変位部２０ｃは、その内径側が出力軸３に嵌合してあると共に、その外径側が一つの玉軸受３０を介して、前方側ハウジング１４に回転自在に支持してある。この玉軸受３０は、止め輪３１により、前方側ハウジング１４に取り付けてある。

なお、この玉軸受３０は、後に詳述するように、好適には、４点接触玉軸受である。また、入力軸２の車両前方側は、深溝玉軸受２２により支持してある。

出力軸３の車両後方側には、トルクセンサーＴＳが設けてある。即ち、出力軸３の車両後方側には、トルクセンサーＴＳの検出用溝７が形成してあり、これらの溝７の径方向外方には、トルクセンサーＴＳのスリーブ８が配置してある。このスリーブ８は、その車両後方側端部がステアリングシャフト２（入力軸）の車両前方側端部に加締め等により固定してある。

本実施の形態では、トルクセンサーＴＳは、ウォームホイール２０とウォーム１１とのギヤ噛み合い位置の径方向内方に設けた円筒状部２１ａと、この円筒状部２１ａに一体的に車両後方側に設けた円盤状部２１ｂと、からなり、この円盤状部２１ｂは、ネジ２１ｃにより後方側ハウジング１３に固定してある。

スリーブ８の径方向外方には、ヨーク９等が設けてあるが、トルクセンサーＴＳの一部であるヨーク９等は、円筒状部２１ａの径方向内方側に配置してある。また、トルクセンサーＴＳの一部である基板等も、一体的に形成した円盤状部２１ｂ内に設けてある。

本実施の形態では、以上のように構成してあることから、コラムアシスト式電動パワーステアリング装置は、軸方向に全長を短縮化して、小型化を図ることができる。

コラムアシスト式ＥＰＳのユニットは、軸方向に全長を短くして、ＥＰＳのユニット全体を小型化するために、ウォームホイール１２の内径部にトルクセンサＴＳのヨーク９等を設けている。従って、従来構造に比べてウォームホイール１２を支持する玉軸受（図３に於ける１６，１７）の内径を大きくしなければならない。本実施の形態では、玉軸受３０（４点接触玉軸受）の内輪内径は、５５［ｍｍ］である。

ところが、標準の玉軸受の寸法系列で、内径を５５［ｍｍ］に採ると、外輪外径が大きくなり、軸受の負荷容量も必要以上に大きくなってしまう（例えば、ＮＳＫ カタログ ＣＡＴ．Ｎｏ．１１０１ｆ ２００３ Ｃ−１２ Ｂ １２などを参照）。内径を大きくしたのは、内部にトルクセンサーＴＳのヨーク９等を配置するためであって、玉軸受３０（４点接触玉軸受）の負荷容量が不足しているからではない。必要十分な玉軸受３０（４点接触玉軸受）の負荷容量を確保できる範囲内で、限界まで玉軸受３０（４点接触玉軸受）の外径を小さく薄肉化すれば、コラムアシスト式ＥＰＳのユニットを小型化できる。

玉軸受３０は、ステアリングコラム１に作用するウォーム１１のギヤ反力（Ｆｒ，Ｆｕ）を支える働きをする。玉軸受３０は、ウォームホイール１２の軸方向変位部１２ｃに配置してあるため、ウォーム１１のギヤ噛み合い位置から、符号（ｘ）で示すように、コラム軸方向にオフセットした位置にある。

その結果、玉軸受３０は、ギヤ反力（Ｆｒ，Ｆｕ）が作用して、アキシャル荷重とラジアル荷重とモーメント荷重を同時に受けている。アキシャル荷重とモーメント荷重を受ける点を考慮すると、この部分の支持には、４点接触玉軸受や複列アンギュラ玉軸受の双方が適しているが、より好適には、４点接触玉軸受であり、軸受幅を小さくできるから、特にコラムアシスト式電動パワーステアリング装置をより一層小型化することができる。

また、軸方向のガタが大きいのでウォームホイール１２を支持する玉軸受３０には、深溝玉軸受は、向かない。なぜなら、ステアリングコラム１の軸方向のガタが大きくなると操舵感を損ねるからである。ステアリングコラム１の軸方向のガタは、一般に１００［μｍ］以下が好ましい。ところが、深溝玉軸受は軸方向剛性が非常に小さいので、軸方向のガタを上記範囲内で設計するのは難しい。

さらに、軸方向剛性の高い玉軸受３０としては、４点接触玉軸受や複列アンギュラ玉軸受が考えられるが、コラムアシスト式ＥＰＳのユニットを小型化する目的には、特に４点接触玉軸受が適している。なぜならば、軸受幅を小さくできるからである。

図２は、ウォームホイールを支持する玉軸受に好適な４点接触玉軸受の構造を示す模式図である。

図２の４点接触玉軸受３０は、内輪３０ａと、外輪３０ｂと、転動体３０ｃ（ボール）と、保持器３０ｄと、ゴムシール３０ｅ（内輪摺接）と、を有している。

内輪内径５５［ｍｍ］、外輪外径６９［ｍｍ］、幅９［ｍｍ］、外輪内径６３．８［ｍｍ］、内輪外径６０．２［ｍｍ］、ボール径３．５７１８８［ｍｍ］（９／６４［ｉｎｃｈ］）、ボール数２５個、接触角３ｏ［゜］である。

外輪の軌道底径（逃げ溝底の直径）は６５．８［ｍｍ］、内輪の軌道底径（逃げ溝底の直径）は５８．２［ｍｍ］である。また、ラジアル幾何すきま（Ｃｒ）は、１〜１１［μｍ］である。

外輪有効内径ｄ_１［ｍｍ］、および内輪有効外径ｄ_２［ｍｍ］は、それぞれ式（１）および式（２）で定義される。

外輪の有効肉厚比κ_ｅ［％］、および内輪の有効肉厚比κ_ｉ［％］は、それぞれ式（３）および式（４）で定義される。

外輪の有効肉厚比κ_ｅ［％］、および内輪の有効肉厚比κ_ｉ［％］は、リングの厚さを評価する指標である。玉軸受３０の外形を小さくしＥＰＳユニットを小型化するためには、有効肉厚比は小さい方が良い。

一方で、外輪の有効肉厚比κ_ｅ［％］、および内輪の有効肉厚比κ_ｉ［％］は、それぞれを熱処理した際に発生する変形の大小を評価する指標としても使われる。有効肉厚比が小さくなりすぎると、変形を抑制するための冶具をつけて熱処理する必要がある。冶具を必要としない有効肉厚比の下限は、約２．５［％］である。２．５［％］よりも有効肉厚比が小さくなると、変形を強制する冶具が必要なので工程が増えて製造コストが増すからである。

本実施の形態に好適な４点接触玉軸受３０の有効肉厚比の範囲は６．０〜２．５［％］であり、特に好ましくは４．０〜３．０［％］の範囲である。本実施の形態に使用される４点接触玉軸受３０は、外輪３０ｂの有効肉厚比 ３．４１［％］、および内輪３０ａの有効肉厚比３．９４［％］なので、上記好適な範囲にある．
４点接触玉軸受３０の保持器３０ｄは、外輪案内のアキシャルドロータイプの溶接プレス保持器を用いている。溶接プレス保持器なので、冠型樹脂保持器に比較して薄肉にできる。４点接触玉軸受３０で保持器３０ｄを薄肉にすると、軌道の肩を高く設計できるので、耐乗上性が向上する。

耐乗上性が向上すると、４点接触玉軸受３０の転動体３０ｃの寸法（ボール径）の割に、大きなモーメント荷重を負荷できるので、４点接触玉軸受３０のサイズを小型化できる。従って、ＥＰＳユニットを小型化できる。

また、保持器３０ｄは、外輪案内だから、案内面（保持器外径面）の研削加工が容易である。

また、保持器３０ｄは、アキシャルドロータイプ（ボール３０ｃを保持器３０ｄ側面から組み込む方式）だから、内外輪３０ａ，３０ｂにボール３０ｃを組み込んだ後に保持器３０ｄを組み込めるので、組立性を良好にすることができる。

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。

本発明の実施の形態に係るコラムアシスト式電動パワーステアリング装置の縦断面図である。 ウォームホイールを支持する玉軸受に好適な４点接触玉軸受の構造を示す模式図である。 従来例に係るコラムアシスト式電動パワーステアリング装置の縦断面図である。

符号の説明

１ ステアリングコラム
２ ステアリングシャフト（入力軸）
３ 出力軸
５ トーションバー
６ 固定ピン
７ 検出用溝
８ スリーブ
９ ヨーク
ＴＳ トルクセンサー
１０ 電動モータ
１１ ウォーム
１２ ウォームホイール
１２ａ 芯金部
１２ｂ 樹脂製ギア部
１３ 後方側ハウジング
１４ 前方側ハウジング
１６，１７ 軸受
２０ ウォームホイール
２０ａ 芯金部
２０ｂ 樹脂製ギア部
２０ｃ 軸方向変位部
２１ａ 円筒状部
２１ｂ 円盤状部
２１ｃ ネジ
２２ 深溝玉軸受
３０ ４点接触玉軸受
３０ａ 内輪
３０ｂ 外輪
３０ｃ 転動体（ボール）
３０ｄ 保持器
３０ｅ ゴムシール
３１ 止め輪

Claims (5)

1. ステアリングホイールへの操舵力に対応して、トルクセンサーにより捩りトルクや角度を検出して、電動モータから補助操舵トルクを発生し、減速機構により減速して、操舵機構のコラム部の出力軸に伝達するコラムアシスト式電動パワーステアリング装置に於いて、
   前記減速機のウォームホイールの内径側基端部は、当該ウォームホイールとウォームとのギヤ噛み合い位置の内径側から、軸方向に変位して延在した軸方向変位部を有し、
   当該軸方向変位部は、その内径側が前記出力軸に嵌合してあると共に、その外径側が一つの玉軸受を介してハウジングに回転自在に支持してあり、
   前記トルクセンサーの少なくとも一部は、前記ウォームホイールとウォームとのギヤ噛み合い位置の径方向内方に、配置してあることを特徴とするコラムアシスト式電動パワーステアリング装置。
2. 前記玉軸受は、４点接触玉軸受であることを特徴とする請求項１に記載のコラムアシスト式電動パワーステアリング装置。
3. 前記４点接触玉軸受は、そのの内外輪の有効肉厚比を、６．０〜２．５［％］に設定してあることを特徴とする請求項２に記載のコラムアシスト式電動パワーステアリング装置。
4. 前記４点接触玉軸受は、そのの内外輪の有効肉厚比を、４．０〜３．０［％］に設定してあることを特徴とする請求項２に記載のコラムアシスト式電動パワーステアリング装置。
5. 前記４点接触玉軸受は、その保持器に、外輪案内のアキシャルドロータイプの溶接プレス保持器が用いてあることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載のコラムアシスト式電動パワーステアリング装置。

Images