JP2011207381A - 転動体ねじラックギヤ及びこれを用いたステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
リレーロッドのストローク量を確保しつつも、当該リレーロッドの軸長を短く設定することが可能であり、もってステアリング装置全体を小型化及び軽量化することが可能な転動体ねじラックギヤを提供する。
【解決手段】
外周面にラックギヤ及び螺旋状の転動体転動溝が形成された軸部材と、多数の転動体を介して前記軸部材の転動体転動溝に螺合すると共に回転自在に支承されるナット部材と、前記軸部材のラックギヤに噛み合うピニオンギヤとを有し、前記軸部材の転動体転動溝は前記ラックギヤを横断するようにして形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば、ステアリング軸の回転に応じて転舵輪を操作するためのステアリング装置に用いられる転動体ねじラックギヤに関する。

従来、前記ステアリング装置としては、ボールナット式又はラック＆ピニオン式と称されるものが知られている。

前記ラック＆ピニオン式のステアリング装置は、リレーロッドにラックギヤが形成される一方、このラックギヤと噛み合うピニオンギヤをステアリング軸の先端に設け、ステアリング軸の回転運動を直接的にリレーロッドの軸方向への運動に変換し、前記リレーロッドで転舵輪の向きを変更するように構成されている。

近年、運転者が操作する際の操作力を軽減するものとして、電動式パワーステアリング装置が普及している。この電動式パワーステアリング装置は前記ラック＆ピニオン式のステアリング装置と組み合わせて使用されるものであり、代表的なものとしては、ボールねじ装置を用いて電動モータの回転トルクをリレーロッドと平行な方向の軸力に変換し、リレーロッドの軸方向への移動を補助する所謂ラックアシストタイプが知られている。

具体的には、ギヤケーシングと、このギヤケーシングを貫通すると共に外周面にラックギヤ及び螺旋状のボール転動溝が形成されたリレーロッドと、このリレーロッドのボール転動溝に螺合するナット部材と、このナット部材にギヤを介して結合すると共に該ナット部材を回転駆動させるモータと、前記リレーロッドのラックギヤに噛み合うピニオンギヤとから構成されており、前記ボール転動溝とラックギヤは前記リレーロッドの外周面上に重なることなく形成されている（特許文献１）。

特開２００３―２６００７号公報

しかし、このような従来のステアリング装置では、前記ボール転動溝とラックギヤがリレーロッドの外周面上に重なることなく形成されている、すなわち、前記ピニオンギヤとナット部材はリレーロッドの外周面上干渉することなく該リレーロッドに結合されており、当該リレーロッドの外周面上にナット部材が移動可能な領域とピニオンギヤが移動可能な領域とが互いに独立して設けられている。このため、前記リレーロッドのストローク量に比べて該リレーロッドの軸長を長く設定する必要があった。このことは、ステアリング装置全体の大型化及び重量化を招いていた。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、前記リレーロッドのストローク量を確保しつつも、当該リレーロッドの軸長を短く設定することが可能であり、もってステアリング装置全体を小型化及び軽量化することが可能な転動体ねじラックギヤを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の転動体ねじラックギヤは、外周面にラックギヤ及び螺旋状の転動体転動溝が形成された軸部材と、多数の転動体を介して前記軸部材の転動体転動溝に螺合すると共に回転自在に支承されるナット部材と、前記軸部材のラックギヤに噛み合うピニオンギヤとを有しており、前記軸部材の転動体転動溝は前記ラックギヤを横断するようにして形成されている。

このように構成された本発明の転動体ねじラックギヤによれば、前記転動体転動溝がラックギヤを横断するようにして形成されていることから、かかる転動体転動溝に螺合するナット部材が軸部材のラックギヤ上を移動することが可能となり、軸部材の外周面上におけるナット部材とピニオンギヤとの距離を短く設定することが可能となる。それ故、前記軸部材のストローク量を確保しつつも、かかる軸部材の軸長を短く設定することが可能となる。その結果、本発明の転動体ねじラックギヤをステアリング装置に用いた場合、軸部材としてのリレーロッドの軸長を短く設定することが可能となり、もってステアリング装置全体の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。

本発明を適用したステアリング装置の一例を示す概要図である。 図１のステアリング装置に利用される本発明の転動体ねじラックギヤの第一実施形態を示す平面図である。 図２に示す転動体ねじラックギヤを構成するリレーロッドの一部を示す斜視図である。 図２に示す転動体ねじラックギヤを構成するナット部材の一例を示す斜視図である。 図２に示す転動体ねじラックギヤを構成するピニオンギヤを示す斜視図である。 電動式パワーステアリング装置における電動モータの制御系を示すブロック図である。 本発明の転動体ねじラックギヤの第二実施形態を構成するリレーロッドの一部を示す斜視図である。 図７に示すリレーロッドのラックギヤとピニオンギヤとの噛み合わせ状態を示す半断面図である。

以下、添付図面に沿って本発明の転動体ねじラックギヤを利用したステアリング装置を詳細に説明する。

図１は、本発明の転動体ねじラックギヤを適用したステアリング装置の一例を示すものである。このステアリング装置は、ステアリングホイール１に結合されたステアリング軸２と、このステアリング軸２の回転に応じて軸方向へ移動する軸部材としてのリレーロッド３と、前記ステアリング軸２の回転を前記リレーロッド３の軸方向の運動に変換するステアリングギヤボックス４とを有しており、前記リレーロッド３は前記ステアリングギヤボックス４のギヤケーシング５を貫通している。左右の転舵輪６を支えるハブ７にはナックルアーム９が設けられており、前記リレーロッド３の両端はタイロッド１０を介してそれぞれに左右のナックルアーム９に連結されている。また、ナックルアーム９とタイロッド１０の連結、タイロッド１０とリレーロッド３の連結はボールジョイント１１を介して行なわれている。

前記ステアリングホイール１を回してステアリング軸２を矢線Ａ方向に沿っていずれかの方向へ回転させると、その回転方向に応じてリレーロッド３が軸方向（矢線Ｂ方向）へ移動し、前記タイロッド１０がナックルアーム９を押し引きする結果として、左右の転舵輪６が矢線Ｃ方向へ揺れ動いてその向きが変更することになる。

図２は本発明を適用した前記ステアリングギヤボックス４の第一実施形態を示すものであり、前記ギヤケーシング５を取り去った状態を示す平面図である。このステアリングボックス４は、前記ギヤケーシング５を貫通すると共に外周面にラックギヤ１２及び転動体転動溝としてのボール転動溝１３が形成されたリレーロッド３と、このリレーロッド３に螺合するナット部材１４と、前記ステアリング軸２に結合されて該ステアリング軸２の回転角に応じて回転するピニオンシャフト１５と、このピニオンシャフト１５の先端に設けられると共にリレーロッド３のラックギヤ１２と噛み合うピニオンギヤ１６とから構成されている。

図３は前記リレーロッド３の一部を示す斜視図である。このリレーロッド３は中空部を有して円筒状に形成されており、その外周面には前記ラックギヤ１２及び一条のボール転動溝１３が形成されている。かかるラックギヤ１２の歯１２ａは、前記リレーロッド３の軸方向に沿って複数形成されると共に該リレーロッド３の軸線に対して所定の捩れ角で傾斜している。その一方で、前記ボール転動溝１３は螺旋状に形成されると共に、前記リレーロッド３に形成されたラックギヤ１２を横断するようにして形成されている。

このように構成されたリレーロッド３の製造方法としては、先ず、通常のボールねじ装置に用いられるボールねじ軸を製造し、その後、このボールねじ軸の軸方向に沿ってラックギヤ１２すなわち、ラックギヤ１２を構成する歯１２ａを前記ボールねじ軸の軸方向に沿って形成していく。この製造方法によって、前記リレーロッド３が完成する。

尚、前記リレーロッド３は中空部を有しているが、中実である円柱状に形成されていても差し支えない。但し、ステアリング装置全体の軽量化という観点からすれば、中空部を有して円筒状に形成されている方が好ましい。また、前記リレーロッド３に対してボール転動溝１３が一条形成されているが、当該リレーロッド３に対して複数条形成されていても差し支えない。

前記リレーロッド３のボール転動溝１３には多数の転動体としてのボール１７を介してナット部材１４が螺合しており、前記リレーロッド３と相まってボールねじを構成している。図４は前記ナット部材１４の一例を示すものであり、一部を切り欠いた斜視図である。このナット部材１４はリレーロッド３が貫通する貫通孔を有して円筒状に形成されており、その内周面には前記リレーロッド３のボール転動溝１３と対向する負荷転動溝１８が形成されている。このようなナット部材１４が回転すると、ボール１７はリレーロッド３のボール転動溝１３とナット部材１４の負荷転動溝１８との間で荷重を負荷しながら当該リレーロッド３の周囲を螺旋状に転動する。

このようにボール１７が前記リレーロッド３の周囲を螺旋状に転動する際、前記ボール転動溝１３の溝底面は前記ラックギヤ１２の歯１２ａの間に形成された谷部の底面、すなわち、前記歯１２ａの全歯たけよりも深く形成されている。すなわち、ラックギヤ１２におけるボール転動溝１３が横断する領域では、図３に示すように、ラックギヤ１２の歯１２ａが前記ボール転動溝１３内に突出することなく切り欠かれた状態となっている。このため、前記ボール１７は前記ラックギヤ１２の歯１２ａと干渉することなく前記ボール転動溝１３内を転動することが可能となる。また、前記ボール転動溝１３はラックギヤ１２を横断するようにして形成されているため、前記ナット部材１４はリレーロッド３のラックギヤ１２上をかかるリレーロッド３の軸方向に移動することが可能となる。尚、図４ではナット部材１４とリレーロッド３とからなるボールねじの構成を理解しやすくするため、リレーロッド３に形成されるラックギヤ１２を省略して描いている。

また、前記ナット部材１４には軸方向に沿ってボールの戻し通路１９が形成される一方、かかるナット部材１４の軸方向の両端面には一対のエンドキャップ２０が固定されている。これら一対のエンドキャップ２０にはリレーロッド３の周囲を螺旋状に転動してきたボール１７の転動方向を変換させるための方向転換路が形成されている。前記負荷転動溝１８を転走してきたボール１７は、一方のエンドキャップ２０を介して前記戻し通路１９に送り込まれ、他方のエンドキャップ２０を介して負荷転動溝１８の最初の位置に戻されるようになっている。すなわち、前記ナット部材１４にはボール１７の無限循環路が形成されており、ナット部材１４の回転に伴ってボール１７が無限循環路内を循環し、リレーロッド３をその軸方向へ連続的に移動させることが可能となっている。

更に、前記ナット部材１４の外周面には多数のボール２１を介して固定外筒２２が嵌合しており、この固定外筒２２、ナット部材１４及びボール２１が組み合わさって複列アンギュラコンタクトベアリングを構成している。かかる固定外筒２２にはフランジ部２３が形成されており、ボルトを用いてこのフランジ部２３を前記ギヤケーシング５に固定することで、前記ナット部材１４がギヤケーシング５に対して回転自在に支承される。これにより、ナット部材１４に回転を与えると、その回転に応じて前記リレーロッド３がギヤケーシング５に対して軸方向へ移動することになる。

尚、本実施形態では、前記ナット部材１４に対してボールの無限循環路を具備させるために一対のエンドキャップ２０を用いているが、前記リレーロッド３に形成されたボール転動溝１３のリードに合わせて前記無限循環路を具備させる手段を任意に選定することが可能となる。例えば、前記ボール転動溝１３のリードが短い場合には、ボール転動溝１３を転動してきたボール１７を一巻分だけ戻す所謂デフレクタ部材を用いてボールの無限循環路を具備させる他、デフレクタ部材のような他の部材を設けることなくナット部材１４の内周面にボールの無限循環路を具備させるようにしても差し支えない。ここで、リードとはボール１７がリレーロッド３のボール転動溝１３を１回転する際に、該リレーロッド３が軸方向に進行する距離のことである。

図５は前記ピニオンシャフト１５及びピニオンギヤ１６を示す斜視図である。このピニオンシャフト１５は図示外のトーションバーを介して前記ステアリング軸２に結合されており、かかるステアリング軸２の回転角に応じて回転するようになっている。このピニオンシャフト１５の先端には前記リレーロッド３のラックギヤ１２と噛み合うピニオンギヤ１６が設けられている。すなわち、このピニオンギヤ１６の歯１６ａはピニオンシャフト１５の軸線に対して所定の捩れ角で傾斜しており、前記ピニオンギヤ１６と前記リレーロッド３のラックギヤ１２とは所謂はすば歯車として構成されている。これらピニオンギヤ１６と前記ラックギヤ１２とが噛み合うことにより、前記ステアリング軸２の回転がリレーロッド３に伝達されるようになっている。

前記ピニオンギヤ１６とラックギヤ１２とが噛み合う際には、かかるピニオンギヤ１６の歯１６ａ及びラックギヤ１２の歯１２ａが２乃至３枚ずつ噛み合うようになっている。このため、ボール転動溝１３の横断によってラックギヤ１２の歯１２ａが切り欠かれた領域において、前記ピニオンギヤ１６の歯１６ａがラックギヤ１２の歯１２ａと噛み合っていなくとも、かかるピニオンギヤ１６の歯１６ａと隣接する歯１６ａがラックギヤ１２の歯１２ａと噛み合うように構成されている。それ故、噛み合っているピニオンギヤ１６の歯１６ａとラックギヤ１２の歯１２ａとがリレーロッド３に作用する荷重を確実に負荷すると共に、ステアリング軸２の回転を確実にリレーロッド３に伝達することができる。

また、前記ラックギヤ１２とピニオンギヤ１６とのバックラッシュを排除し、両者の噛み合いを確実なものとすべく、かかるラックギヤ１２すなわち、リレーロッド３は図示外のリテーナスプリングによって前記ピニオンギヤ１６に向けて付勢されている。

尚、前記ボール転動溝１３のリードが小さい場合にはかかるボール転動溝１３の前記ラックギヤ１２の歯１２ａに対する傾斜角度が小さくなるため、前記ボール転動溝１３の横断に起因した一枚の歯１２ａの欠損領域が大きくなる。これに対して、前記ボール転動溝１３のリードが大きい場合にはかかるボール転動溝１３の前記ラックギヤ１２の歯１２ａに対する傾斜角度が大きくなるため、前記ボール転動溝１３の横断に起因した一枚の歯１２ａの欠損領域が小さくなる。それ故、ボール転動溝１３のリードが大きい場合にはかかるボール転動溝１３のリードが小さい場合よりも前記ピニオンギヤ１６の歯１６ａが多くのラックギヤ１２の歯１２ａと噛み合うようになり、リレーロッド３に作用する荷重を十分に負荷することができるようになる。

一方、このステアリング装置には前記ナット部材１４を回転駆動させるための電動モータ３０が取り付けられており、電動式パワーステアリング装置として構成されている。この電動モータ３０は、前記ギヤケーシング５に取り付けられると共に所謂ベベルギヤの構成を介して前記ナット部材１４に結合されている。従って、前記電動モータ３０を回転させると、前記ナット部材１４が回転し、これによっても前記リレーロッド３が軸方向へ移動することになる。

図６は前記電動モータ３０の制御系を示すブロック図である。前記ステアリング軸２はトーションバー３１を介して前記ピニオンシャフト１５と結合されており、運転者がステアリングホイール１を回してステアリング軸２を回転させると、このステアリング軸２の回転トルクが前記トーションバー３１を介してピニオンシャフト１５に伝達されるようになっている。一方、前記ナット部材１４の回転に対しては転舵輪６の路面抵抗が作用することから、かかるナット部材１４と電動モータ３０との間に介在するベベルギヤにも路面抵抗が作用することになる。このため、路面抵抗が大きく、ステアリングホイール１を回転させ難い場合ほど、運転者がステアリング軸２に対して大きな回転トルクを与えることになり、前記トーションバー３１に大きな捩れ角が生じることになる。従って、このトーションバー３１の捩れをトルク検出センサ３２で測定することにより、運転者がステアリング軸２に与えている回転トルクの大小、すなわち、ステアリング操作の軽重を知ることができる。

トルク検出センサ３２の出力信号はマイクロコンピュータシステムから構成される制御部３３に入力される。この制御部３３はトルク検出センサ３２の出力信号に基づいて前記電動モータ３０の駆動制御信号を生成し、それを電動モータ３０の駆動部に対して出力する。これにより、前記電動モータ３０は前記トーションバー３１の捩れ角が大きい程、大きな回転トルクを発生させるように駆動制御され、かかる回転トルクが前記ベベルギヤを介してナット部材１４に与えられる。すなわち、運転者のステアリング操作が重いほど、前記電動モータ３０が大きな回転トルクを発揮し、運転者のステアリング操作の負担が軽減されることになる。

以上のように構成された本発明の転動体ねじラックギヤによれば、前記軸部材の転動体転動溝がラックギヤを横断する領域ではかかる転動体転動溝に対してラックギヤの歯が突出することなく切り欠かれた状態となっており、転動体転動溝内の転動体の転動がラックギヤによって阻害されることがない。このため、前記転動体転動溝がラックギヤを横断している構成であったとしても、当該転動体転動溝に螺合するナット部材は前記ラックギヤ上を軸部材の軸方向へ移動することが可能となる。

このように、前記ナット部材が前記ラックギヤ上を軸部材の軸方向へ移動することが可能であるため、かかる軸部材の外周面上におけるナット部材と、前記ラックギヤに噛み合うピニオンギヤとの距離を短く設定することが可能となる。換言すれば、かかる軸部材のストローク量を確保しつつも、該軸部材の軸長を短く設定することが可能となる。

その結果、このような本発明の転動体ねじラックギヤを適用したステアリング装置の場合、軸部材としてのリレーロッドのストローク量を確保しつつも、該リレーロッドの軸長を短く設定することが可能となるため、もってステアリング装置全体の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。

図７及び図８は本発明の転動体ねじラックギヤの第二実施形態を示すものであり、図７は本実施形態の転動体ねじラックギヤを構成するリレーロッドの一部を示す斜視図である。図８は図７に示すリレーロッドのラックギヤとピニオンギヤとの噛み合わせ状態を示す半断面図である。本実施形態のナット部材の構成は第一実施形態のナット部材と同じ構成であるため、本実施形態におけるナット部材の説明は省略する。

本実施形態に用いられるリレーロッド１０３の外周面には軸方向に沿ってラックギヤ１２０及び螺旋状に形成された転動体転動溝としてのボール転動溝１３０が形成されている。かかるボール転動溝１３０は前記リレーロッド１０３に形成されたラックギヤ１２０を横断するようにして形成されているが、このボール転動溝１３０がラックギヤ１２０を横断する領域１０３ａには該ラックギヤ１２０の歯１２０ａが形成されていない。

このように構成されたリレーロッド１０３に対しては、図８に示すようなピニオンギヤ１６０が噛み合うように構成されている。このピニオンギヤ１６０は回転中心となるピニオンシャフト１５０の周囲に三つの歯部１６０ａを等間隔で配置された構成である。このような構成からなるピニオンギヤ１６０では、歯部１６０ａに形成された歯が前記ラックギヤ１２０の歯１２０ａと噛み合うように構成されている。また、前記ピニオンギヤ１６０が前記ボール転動溝１３０が横断する領域１０３ａ上を移動する際には、二つの歯部１６０ａに形成された歯が前記ボール転動溝１３０が横断する領域１０３ａに隣接するラックギヤ１２０の歯１２０ａと噛み合うようになっている、すなわち、ピニオンギヤ１６０の歯部１６０ａが前記領域１０３ａを跨るようにして移動するようになっている。尚、前記ピニオンギヤ１６０としては、既存の欠歯歯車や楕円三葉歯車を用いても差し支えない。

このように構成された本発明の第二実施形態の転動体ねじラックギヤによれば、ボール転動溝１３０とラックギヤ１２０の歯１２０ａとが干渉していないため、かかるボール転動溝１３０の溝深さに関係なく前記ラックギヤ１２０の歯１２０ａの間に形成された谷部を深溝に形成することが可能となる。それ故、第一実施形態の転動体ねじラックギヤに比べ、前記リレーロッド１０３に作用する荷重を確実に負荷することが可能となる。

尚、上述してきた各実施形態では、前記ラックギヤとピニオンギヤとが所謂はすば歯車を構成しているが、ラックギヤとピニオンギヤとからなる歯車の構成であれば、はすば歯車の構成でなくとも差し支えない。

また、上述した各実施形態では、転動体としてのボールがリレーロッドのボール転動溝とナット部材の負荷転動溝との間で荷重を負荷しながら転動しているが、かかる転動体はボールに限られるものではなく、ローラを使用しても良い。その場合、転動体の転走面の断面形状は使用するローラの形状に応じ、ボールの場合と同様な曲面状の転走溝としても良いし、単なる平面状の転走面としても良い。

３…リレーロッド（軸部材）、５…ギヤケーシング、１２…ラックギヤ、１３…ボール転動溝、１４…ナット部材、１６…ピニオンギヤ、１７…ボール、３０…電動モータ

Claims (3)

1. 外周面にラックギヤ及び螺旋状の転動体転動溝が形成された軸部材と、多数の転動体を介して前記軸部材の転動体転動溝に螺合すると共に回転自在に支承されるナット部材と、前記軸部材のラックギヤに噛み合うピニオンギヤと、を有し、
   前記軸部材の転動体転動溝は、前記ラックギヤを横断するようにして形成されていることを特徴とする転動体ねじラックギヤ。
2. 前記軸部材に形成された転動体転動溝の溝底面は、前記ラックギヤの全歯たけよりも深く形成されていることを特徴とする請求項１記載の転動体ねじラックギヤ。
3. ステアリング軸の回転をリレーロッドの軸方向への運動に変換して転舵輪の操作を行なうステアリング装置であって、
   ギヤケーシングと、
   このギヤケーシングを貫通すると共に外周面にラックギヤ及び螺旋状の転動体転動溝が形成されたリレーロッドと、
   前記リレーロッドのラックギヤに噛合うと共に前記ステアリング軸の回転を前記リレーロッドの軸方向運動に変換するピニオンギヤと、
   前記ギヤケーシングに回転自在に支承されると共に、多数の転動体を介して前記リレーロッドの転動体転動溝に螺合し、該リレーロッドのラックギヤ上を移動するナット部材と、
   前記ギヤケーシングに固定されると共に、前記ナット部材を回転駆動させる電動モータと、を有していることを特徴とするステアリング装置。

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