JP2009160960A - ラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動パワーステアリング装置を組み合わせても、ラック歯の疲労による歯欠けを防止す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を提供する。
【解決手段】ピニオン２２は、基礎円２４から径方向外方にインボリュート歯形２３ａのピニオン歯２３を形成し、基礎円から径方向内方の歯底円２７までアンダカット２８を形成している。ラック歯２０のアデンダムＨは、ピニオンの噛み合いピッチ円と基礎円との間の径方向距離（噛み合いピッチ円２６の直径Ｄ３から基礎円２４の直径Ｄ１を差し引いた値）より大きく、噛み合いピッチ円と歯底円とのあいまでの距離（噛み合いピッチ円２６の直径Ｄ３から歯底円２７の直径Ｄ４を差し引いた値）より小さくなるように形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置を組み合わせることで好適な車両用のラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置に関する。

車両用のラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置は、ステアリングホイールの操舵をピニオン軸に回転として伝達し、ピニオン軸に形成されているピニオンをラック軸に形成されているラック歯に噛合することで、ラック軸の端部に取付られているタイロッッドを移動させ、操向車輪の向きを操作する舵取り機構に伝達するように構成されている。
このラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置に電動パワーステアリング装置を組み合わせると、モータの回転力が減速機構を介して増幅され、この増幅された大きな回転力がピニオン軸に伝達されるので、ピニオンがストロークエンドでラックハウジングに突き当って強制的に停止して衝撃荷重が発生し、最端部に位置するラック歯の歯元に大きな曲げ応力が発生する。

このラック歯の大きな曲げ応力を緩和する方法として、ラック歯の最端部に位置するラック歯の歯形形状を、ラック歯の最端部以外のラック歯の歯形形状より歯溝の底が浅い形状に形成したり、ラック歯の最端部に位置するラック歯の歯形形状を、ラック歯の最端部以外のラック歯の歯形形状より歯溝の底部の曲率半径が大きい曲面となるように形成する方法がある（例えば、特許文献１）。
特開２００６−０９６２４３号公報

しかし、電動パワーステアリング装置を組み合わせたラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置は、最端部のラックに作用する大きな曲げ応力に限らず、ラック歯の疲労強度の面で問題がある。
すなわち、特許文献１を含めた一般的なラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置は、図５に示すように、ラック歯３０及びピニオン３１のピニオン歯３２が、ラック歯３０の歯先３３のエッジ３３ａとピニオン歯３２の歯元３４とが噛み合っている。このため、電動パワーステアリング装置のモータで増幅された大きな回転力がピニオン歯３２からラック歯３０の歯先３３のエッジ３３ａに高面圧で噛み合うと、エッジ３３ａにエッジロードが発生して歯先３３が疲労により欠けてしまうおそれがある。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、電動パワーステアリング装置を組み合わせても、ラック歯の疲労による歯欠けを防止す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を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、ピニオンを同軸に結合したピニオンシャフトと、前記ピニオンのピニオン歯に噛合するラック歯を形成したラックシャフトと、を備えたラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置において、前記ピニオンは、基礎円から径方向外方にインボリュート歯形の前記ピニオン歯を形成し、前記基礎円から径方向内方の歯底円までアンダカットを形成しているとともに、前記ラック歯のアデンダムは、前記ピニオンの噛み合いピッチ円と前記基礎円との間の径方向距離より大きく、前記ピニオンの前記噛み合いピッチ円と前記歯底円との間の径方向距離より小さくなるように設定されている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置において、前記アンダカットは、前記ピニオン歯の前記インボリュート歯形に対して前記基礎円上で曲面で連続するように、所定曲率の円弧面形状に形成されている。
さらに、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置において、前記ピニオンシャフトに操舵補助力を伝達する電動パワーステアリング装置が組み込まれている。

本発明に係るラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置によれば、ピニオンのピニオン歯からラック歯に大きな回転力が伝達されても、ラック歯のアデンダムが、ピニオンの噛み合いピッチ円と基礎円との間の径方向距離より大きく、ピニオンの噛み合いピッチ円と歯底円との間の径方向距離より小さくなるように設定されているので、ラック歯のエッジにはエッジロードが発生せず、従来の装置と比較してピニオン歯に対するラック歯の噛み合い面圧が大幅に減少するので、ラック歯の疲労による歯欠けを確実に防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明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示す図であり、図２は本発明に係るラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置の要部を示す図であり、図３はラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置のピニオンとラックの噛合状態を示す図であり、図４はピニオンとラックの噛合状態を拡大して示した図である。

図１において、符号ＳＭはコラムアシスト式電動パワーステアリング装置を示すものである。
この装置ＳＭは、ステアリングホイール１に運転者から作用される操舵力が伝達される入力軸２ａとこの入力軸２ａに図示しないトーションバーを介して連結された出力軸２ｂとを有するステアリングシャフト２を備えている。このステアリングシャフト２は、ステアリングコラム３に回転自在に内装され、入力軸２ａの一端がステアリングホイール１に連結され、他端は図示しないトーションバーに連結されている。

そして、出力軸２ｂに伝達された操舵力は、２つのヨーク４ａ，４ｂとこれらを連結する十字連結部４ｃとで構成されるユニバーサルジョイント４を介して中間シャフト５に伝達され、さらに、２つのヨーク６ａ，６ｂとこれらを連結する十字連結部６ｃとで構成されるユニバーサルジョイント６を介してピニオンシャフト７に伝達される。
このピニオンシャフト７に伝達された操舵力はステアリングギヤ８を介して左右のタイロッド９に伝達され、これらタイロッド９によって図示しない操舵輪を操舵させる。

すなわち、ステアリングギヤ８はラック・アンド・ピニオン形式に構成されており、図１及び図２に示すように、ラックハウジング８ａに収納されて長手方向に複数のラック歯２０が形成されているラックシャフト２１と、ラックハウジング８ａに一体に形成されたピニオンハウジング８ｂに収納され、ピニオンシャフト７に連結して所定のラック歯２０にピニオン歯２３が噛合しているピニオン２２とを有し、ピニオン２２に伝達された回転運動をラックシャフト２１に直進運動として変換する。そして、ラックシャフト２１の端部にはボールジョイント（不図示）を介してタイロッド９が結合している。

また、ステアリングシャフト２の出力軸２ｂには、操舵補助力を出力軸２ｂに伝達する操舵補助機構１０が連結されている。この操舵補助機構１０は、出力軸２ｂに連結した減速ギヤ１１と、この減速ギヤ１１に連結された操舵補助力を発生する電動機としての例えばブラシレスモータで構成される電動モータ１２とを備えている。
また、減速ギヤ１１のステアリングホイール１側に連接されたハウジング１３内に操舵トルクセンサ１４が配設されている。この操舵トルクセンサ１４は、ステアリングホイール１に付与されて入力軸２ａに伝達された操舵トルクを検出するもので、例えば、操舵トルクを入力軸２ａ及び出力軸２ｂ間に介挿した図示しないトーションバーの捩れ角変位に変換し、この捩れ角変位を非接触の磁気センサで検出するように構成されている。

図３及び図４は、ステアリングギヤ８のラックシャフト２１に形成したラック歯２０と、ピニオン２２のピニオン歯２３との噛合状態を示す図である。
図３に示すように、ピニオン２２のピニオン歯２３は、直径Ｄ１の基礎円２４、直径Ｄ２（Ｄ２＞Ｄ１）の基準ピッチ円２５、直径Ｄ３（Ｄ３＞Ｄ２＞Ｄ１）の噛み合いピッチ円２６、直径Ｄ４（Ｄ４＜Ｄ１）の歯底円２７の諸元を有している。

また、ピニオン２２の基礎円２４から径方向外方に位置するピニオン歯２３の歯形２３ａは、インボリュート曲線で形成したインボリュート歯形（以下、インボリュート歯形２３ａ）となっている。
さらに、基礎円２４と歯底円２７との間の領域には、径方向内方に所定曲率の円弧面形状に形成したアンダカット２８が設けられている。

一方、ラックシャフト２１のラック歯２０は、基準ピッチ線２９から歯先２０ａの頂げきまでの高さ（アデンダム）Ｈが、ピニオン２２の噛み合いピッチ円２６と基礎円２４との間の径方向距離（噛み合いピッチ円２６の直径Ｄ３から基礎円２４の直径Ｄ１を差し引いた値）より大きく、噛み合いピッチ円２６と歯底円２７との間の径方向距離（噛み合いピッチ円２６の直径Ｄ３から歯底円２７の直径Ｄ４を差し引いた値）より小さくなるように形成されている。このため、図４に示すように、ラック歯２０の歯先２０ａはピニオン２２のアンダカット２８内に位置し、歯先２０ａのエッジ２０ａ１が、ピニオン２２の基礎円２４に対して径方向内方に位置する。

次に、本実施形態のコラムアシスト式電動パワーステアリング装置ＳＭの作用効果について説明する。
運転者がステアリングホイール１を操舵し、操舵トルクセンサ１４が検出した操舵トルクに基づく駆動電流により電動モータ１２が起動すると、減速ギヤ１１、出力軸２ｂ、ユニバーサルジョイント４，７を介してラック・アンド・ピニオン形式のステアリングギヤ８に、電動モータ１２の操舵補助力が付加された大きな回転力が伝達される。

大きな回転力が伝達されたステアリングギヤ８のピニオン２２は、ピニオン歯２３がラック歯２０に噛合することで、ラックシャフト２１に対して直線運動として伝達する。そして、ラックシャフト２１の直線運動により、ラックシャフト２１の端部に結合したタイロッド９が左右の操舵輪を操舵する。
ここで、ラックシャフト２１のラック歯２０は、歯先２０ａのエッジ２０ａ１がピニオン２２の基礎円２４に対して径方向内方に位置するように、ラック歯２０の歯先２０ａがピニオン２２のアンダカット２８内に位置しているので、基礎円２４の位置からラック歯２０に噛み合うピニオン歯２３は、ラック歯２０の歯先２０ａのエッジ２０ａ１に噛み合わない。

したがって、ピニオン２２のピニオン歯２３からラック歯２０に大きな回転力が伝達されても、ラック歯２０のエッジ２０ａ１にはエッジロードが発生せず、従来の装置と比較してピニオン歯２３に対するラック歯２０の噛み合い面圧が大幅に減少するので、ラック歯２０の疲労による歯欠けを確実に防止することができる。
また、ピニオン歯２３は、基礎円２４から径方向外方にインボリュート曲線で形成したインボリュート歯形２３ａが形成され、基礎円２４から径方向内方に円弧形状のアンダカット２８が形成されており、基礎円２４の径方向内方と径方向外方とが曲面で連続して応力集中が発生しやすい角部が存在しない形状となっているので、ピニオン歯２３の歯欠けも防止することができる。

なお、本発明のピニオンの歯数、歯幅等の諸元は、図２で示すものに限るものではない。
また、上記実施形態は、コラムアシスト式電動パワーステアリング装置について説明したが、ピニオンアシスト式電動パワーステアリング装置であってもよい。
また、電動パワーステアリング装置に限らず、大きな回転力がピニオン２２に伝達される構造であれば、他の構造のステアリング装置であってもよい。

本発明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示す図である。 本発明に係るラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置の要部を示す図である。 本発明に係るラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置のピニオンとラックの噛合状態を示す図である。 本発明に係るラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置のピニオンとラックの噛合状態を拡大して示した図である。 従来のラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置のピニオンとラックの噛合状態を示す図である。

符号の説明

１…ステアリングホイール、２…ステアリングシャフト、２ａ…入力軸、２ｂ…出力軸、３…ステアリングコラム、４，７…ユニバーサルジョイント、４ａ，４ｂ…ヨーク、４ｃ…十字連結部、５…中間シャフト、６…ユニバーサルジョイント、６ａ，６ｂ…ヨーク、６ｃ…十字連結部、７…ピニオンシャフト、８…ステアリングギヤ、８ａ…ラックハウジング、８ｂ…ピニオンハウジング、９…タイロッド、１０…操舵補助機構、１１…減速ギヤ、１２…電動モータ、１３…ハウジング、１４…操舵トルクセンサ、２０…ラック歯、２０ａ…歯先、２０ａ１…歯先のエッジ、２１…ラックシャフト、２２…ピニオン、２３…ピニオン歯、２３ａ…インボリュート歯形、２４…基礎円、２５…基準ピッチ円、２６…噛み合いピッチ円、２７…歯底円、２８…アンダカット、２９…基準ピッチ線、Ｄ１…基礎円の直径、Ｄ２…基準ピッチ円の直径、Ｄ３…噛み合いピッチ円の直径、Ｄ４…歯底円の直径、Ｈ…アデンダム、ＳＭ…電動パワーステアリング装置

Claims (3)

1. ピニオンを同軸に結合したピニオンシャフトと、前記ピニオンのピニオン歯に噛合するラック歯を形成したラックシャフトと、を備えたラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置において、
   前記ピニオンは、基礎円から径方向外方にインボリュート歯形の前記ピニオン歯を形成し、前記基礎円から径方向内方の歯底円までアンダカットを形成しているとともに、
   前記ラック歯のアデンダムは、前記ピニオンの噛み合いピッチ円と前記基礎円との間の径方向距離より大きく、前記ピニオンの前記噛み合いピッチ円と前記歯底円との間の径方向距離より小さくなるように設定されてい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. 前記アンダカットは、前記ピニオン歯の前記インボリュート歯形に対して前記基礎円上で曲面で連続するように、所定曲率の円弧面形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置。
3. 前記ピニオンシャフトに操舵補助力を伝達する電動パワーステアリング装置が組み込まれていることを特徴とする請求項１又は２記載のラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置。

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