JP2012002264A - 回転直動変換機構 - Google Patents

Abstract

【課題】回転直動変換機構における噛合い箇所以外での干渉を抑制して、変換機構の高効率化、信頼性の向上を図る。
【解決手段】外周面にねじ部を備えたラックロッド１と、前記ラックロッドの外周に設けられ、前記ラックロッドに対して回転可能でかつ軸方向移動可能に設けたホルダ部材３と、前記ホルダ部材に回転可能に支持され、外周面に前記ねじ部と噛合う環状溝を有し、かつ前記ラックロッドの中心軸に対して、ラックロッドに設けた前記ねじ部に前記環状溝が噛み合うような軸角でねじり配置された公転ローラ２１とを備え、前記ねじ部と前記環状溝の噛合い箇所における前記ねじ部の前記環状溝との当接面を、半径方向で曲率の異なる凸曲面とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転直動変換機構に係り、特に、噛み合い部における干渉を抑制して信頼性を向上した回転直動変換機構に関する。

回転運動と直線運動の間で運動方向を相互に変換する回転直動変換機構としては、外周面にねじ部を備えたラックロッドと、ラックロッドに対して回転可能かつ軸移動可能に設けられたホルダ部材と、該ホルダ部材に回転可能に支持されて外周面に前記ねじ部と噛合う環状溝を備え、ラックロッドの中心軸に対してねじ部のリード角に等しい軸角又は大きい軸角でねじり配置された公転ローラとを備えた回転直動変換機構が知られている。

この機構は、ねじ部と環状溝の噛合い箇所における両接平面を公転ローラの中心軸に対して直交させること、噛合い箇所を互いに曲面とすることで、噛合い設定箇所以外での干渉を抑制して大きな推力を発生可能としている（特許文献１参照）。

特開２００７−１２０６５９号公報

前記文献には、ねじ部と環状溝の噛合い箇所を曲面とすることについての開示はなされている。しかし、その詳細形状については言及されていない。噛み合い箇所を曲面とするのみでは、例えば機構に大きな荷重が加わったとき、噛み合い箇所が変形して接触面の面積が増加（多点接触）し、これに起因してすべりが誘発されて変換効率が低下する。また、一旦すべりが発生すると、噛合い面に荒れが生じ、一層のすべりを誘発することになる。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、回転直動変換機構における噛合い設定箇所以外の箇所での干渉を抑制して、変換機構の高効率化、信頼性の向上を図るものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

外周面にねじ部を備えたラックロッドと、前記ラックロッドの外周に設けられ、前記ラックロッドに対して回転可能でかつ軸方向移動可能に設けたホルダ部材と、前記ホルダ部材に回転可能に支持され、外周面に前記ねじ部と噛合う環状溝を有し、かつ前記ラックロッドの中心軸に対して、ラックロッドに設けた前記ねじ部に前記環状溝が噛み合うような軸角でねじり配置された公転ローラとを備え、前記ねじ部と前記環状溝の噛合い箇所における前記ねじ部の前記環状溝との当接面を、半径方向で曲率の異なる凸曲面とする。

本発明は、以上の構成を備えるため、回転直動変換機構における噛合い箇所以外での干渉を抑制して、変換機構の高効率化、信頼性の向上を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る回転直動変換機構を説明する図である。 図１のＡ−Ａ断面を示す図である。 図２のＢ−Ｂ断面を示す図である。 ラックロッドねじ部の拡大図である。 ラックロッドねじ部の形状の詳細を示す図である。 ラックロッドねじ部の形状の詳細を示す図である。 荷重と変換効率の関係を示す図である。 荷重と微小変形（受け面の面積変化）の関係を示す図である。 第２の実施形態を示す図である。 電動パワーステアリング装置に適用した例を示す図である。

以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。まず、本発明に係る回転直動変換機構を図１乃至図８に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転直動変換機構を説明する縦断面図である。図２は、図１に示す回転直動変換機構に対して視点を９０度回転したとき（図１の上部から見下ろした場合）の縦断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。また、図３は公転ローラとホルダ部材の関係を示す断面図（図２のＢ−Ｂ断面）で噛合い部の詳細図である。また、図４はラックロッドねじ部の拡大図である。また、図５乃至図６は本発明の噛合い面であるラックロッドねじ部の形状の詳細を示す図である。また、図７は荷重と変換効率の関係を示す図、図８は荷重と微小変形（受け面の面積変化）の関係を示す図である。

最初に本実施形態に係る回転直動変換機構の構成を説明する。まず、図３を参照して、回転直動変換機構を形成する複数の公転ローラ２１とホルダ３の関係を説明する。図３に示すように、公転ローラ２１は、ローラシャフト４の中間部に位置している。そして、このローラシャフト４の外周面と、さらにその外周に設けた公転ローラ２１の内周面との間には、ラジアル軸受５（公転ローララジアル軸受５ｆ１、５ｆ２）が設置されている。また、公転ローラ２１を支持するスラスト軸受６（公転ローラスラスト軸受）は、公転ローラ２１とローラシャフト４の大径部との間に挿入される。また、ローラシャフト４の右端部は、ホルダ３の凹形受け面部に挿入され、ナット７で固定されている。

公転ローラ２１の左側において、左ホルダ端板３aに設けた挿入穴には、ローラシャフト４および位置決め用（調芯用）のテーパカラー８が挿入されている。ローラシャフト４の左端は、前記テーパカラー８を介して左ホルダ端板３aにボルト９により固定されている。なお、１０はホルダ３内に圧入固定されるメタル軸受である。

以上により、ホルダ３にねじり配置された複数の公転ローラ２1を組み込むことが可能になる。このようにして公転ローラ２１の両端を軸支したホルダ端板３、３ａを連結したホルダアセンブリが形成される。

このホルダアセンブリでは、図２に示すように、公転ローラ２１の中心軸（公転ローラ軸）２１ｄが、ラックロッド１の中心軸（ラックロッド軸）１ｄに対してラックロッドねじ山１ａ（図４参照）のリード角程度の軸角をもってねじり配置されている。前記軸角は、後述するように、ラックロッド１ａのねじ山の面とそれに噛合う公転ローラ２１の環状溝２１ａの面の設定に依存する。

前記公転ローラの環状溝の機構組立て時における軸方向位置は、各公転ローラ２１のずらし量とともに、公転ローラスラスト軸受６の厚さやそのスラスト軸受６を固定するローラシャフト４の取り付け箇所の軸方向位置等により決定される。このため、これらの寸法あるいは取り付け位置を高精度化するのみでは、公転ローラ２１の環状溝を含む機構組立て時の軸方向位置精度を確保することは困難である（誤差の重なりがあるため）。

そこで、本実施形態では、公転ローラ２１とホルダ３の取り付け箇所を公転ローラ２１の取り付けねじとし、このねじを設けた公転ローラスラスト軸受６を回して公転ローラ２１の軸方向位置を調整可能な構造としている。

これにより、公転ローラ２１とホルダ部材３とのサブアセンブリに、ラックロッド１をねじ込み、ラックロッドねじ山１ａと公転ローラ環状溝２１ａを噛合わせる。そして、各公転ローラ２１の軸方向位置を調整することにより、ラックロッド１を容易に回転するようにすることができる。

ここで、公転ローラ２１を回転支持する軸受は、ラジアル軸受とスラスト軸受の役割を有するアンギュラー玉軸受あるいはテーパローラ軸受とすることができる。また、前記軸受はそれぞれ複列アンギュラー玉軸受とすることができる。また、調芯性を持つ軸受にしてもよく、この場合には、軸受取り付け精度を低減することができる。なお、以上の組み立てに際しては、適宜、グリース等を構成部品間に流し込む。

次に、噛合い箇所となる公転ローラ２１の環状溝面２１ａとラックロッド１ａのねじ山の面形状の製作法について説明する（図４〜図８参照）。

図４において、ねじ山の左側の面を左ラックロッドねじ山フランク１ａ１、右側の面を右ラックロッドねじ山フランク１ａ２とする。また、それらに噛合う公転ローラ２１の環状溝２１ａの噛合い面を、左ラックロッドねじ山フランク１ａ１に噛合う左側の面（ラックロッドねじを見たときと同様の視点とする）という意味で、一括して左公転ローラ環状溝面２１ａ１とし、もう一方を右公転ローラ環状溝面２１ａ２とする。

これらの公転ローラ環状溝２１ａ面は、今後、あいまいさのない場合に限り、特定の環状溝を取り上げて説明を行う。その他の環状溝の説明は、そこで説明した内容と同様とする。

まず、ねじのフランク毎に噛合い設定平面を設け、その各々の面上に断面線を定義する。噛合い設定平面は、ラックロッド軸１ｄを通る平面と平行で一定の距離だけ離れた面として定義される。

本実施形態のねじは、左ラックロッドねじ山フランク１ａ１と右ラックロッドねじ山フランク１ａ２の二面があるため、一般的には、二面の噛合い設定平面を定義する必要がある。

なお、本実施形態では、両噛み合い設定平面の距離が０の場合とする。この結果、二つの噛合い設定平面は一面に縮約される。この縮約された噛合い設定平面を噛み合い設定平面Ａとする。

次に、図５で示すように、噛み合い設定平面Ａ上に機構の減速割合を決定するラックロッド１のねじ山のリードと同一の周期を持つラックロッド１のねじ山断面線β（厳密には縦線部のみで、左側の線をβ１、右側の線をβ２とする）と，それに接触する公転ローラ２１の環状溝断面線γ（厳密には縦線部のみで、左側の線をγ１、右側の線をγ２とする）を描画する。β１とγ１はともに曲線であり本実施形態では平面と凸で接触し、その接点における共通接線がラックロッド軸１ｄに垂直となっている。線β２とγ２についても同様である。

ここで、設定した線βとγの接点Ｐ１，Ｐ２が公転ローラ２１の環状溝面とラックロッド１のねじ山フランクが噛合う点となる。

ラックロッド１のねじ山フランクの創生（制作）に際しては、左ラックロッド１のねじ山断面線β１を左ラックロッドねじ螺線に沿ってスイープさせる（研削する）ことにより、左ラックロッドねじ山フランク１ａ１を創生することができる。

同様に、右ラックロッド１のねじ山断面線β２を右ラックロッドねじ螺線に沿ってスイープさせることにより、右ラックロッドねじ山フランク１ａ２を創生することができる。

なお、ねじ溝底面は、線β１とβ２の下端を上に凸とならない線（直線でもよい）で繋ぎ、この線を螺線に沿ってスイープさせることにより創生することができる。この結果、左ラックロッドねじ山フランク１ａ１及び右ラックロッドねじ山フランク１ａ２は、大局的には螺旋面であり、噛合い箇所近傍においては、局所的にいかなる向きの断面においても負の曲率を持たない円筒側面の形状となる。すなわち、凸曲面（最小主曲率がたかだか０であり、マイナスとならない面）となっている。

また、本実施形態のように、ローラ環状溝断面線が周期的な線であっても、ローラ軸最接近点からの距離によって各環状面形状は異なっている。すなわち、本実施形態では図６に示すように、噛合い領域Ａ（図１６の１１ａ部であって、ねじ山の右あるいは左に形成される環状溝との接点を構成する微小幅領域）から非噛合い領域Ｂ（１１ｂ）にかけて任意の角度（例えば約１０度）を以って、ねじ山側面の傾斜を深くして、いわゆるアンダーカットを施している。

このように、好ましくは噛合い領域Ａ（１１ａ）の曲率に比して非噛合い領域Ｂ（１１ｂ）の曲率が大きくなるように加工創生すると良い。

また、好ましくは噛合い領域Ａ（１１ａ）の曲率に比して外周側の曲率と内周側の曲率（非噛合い領域Ｂ）がそれぞれ異なって創生されると良い。

さらに、好ましくは噛合い領域Ａ（１１ａ）の曲率と非噛合い領域Ｂ（１１ｂ）の曲率とが不連続になるように創生されると良い。

図７は荷重と変換効率の関係を示す図、図８は荷重と微小変形（受け面の面積変化）の関係を示す図である。

図７に示すように、荷重の増加に伴って発生する変換効率の低下は、従来例が数１０％であるのに比して極めて小さい。これは、図８に示すように荷重の増加によらず受け面の面積の増加が抑制されるため、噛合い箇所におけるすべりの発生（多点接触に起因する）が抑制されていることによる。

なお、噛み合い箇所では、相対すべりが無くなる向き、すなわち一体で動く向きに摩擦力が働く。この摩擦力によって、公転ローラ２１は、その公転ローラ環状溝２１ａがラックロッド１のねじ山というレール上を転がるように自転を起こす。ここで重要なことは、公転ローラ２１が自転しても噛み合い箇所において公転ローラ溝２１ａが軸方向に移動しないということである。これは、公転ローラ溝２１ａがねじではなく環状溝であることによる。

このように、公転ローラ２１は全噛み合い箇所での摩擦の和が低減するように自ら自転速度を制御するため、損失は小さくなる。

次に、噛み合い箇所における動作を説明する。前述のように、ラックロッド１は公転ローラ２１と噛合う。噛合い面は右と左の二系統あるが噛合い状況は同様であるため、ここでは、左ラックロッドねじ山フランク１ａ１と左公転ローラ環状溝面２１ａ１の噛合いに限定して説明を行う。

図５を参照すると、噛合い箇所は、左ねじ山断面線β１と環状溝断面線γ１の接点になることがわかる。これらの創生法をいいかえると、噛合い箇所を通るねじ山フランク上の螺線と、公転ローラ軸２１ｄを、公転ローラ軸２１ｄとラックロッド軸１ｄの共通垂線方向へ投影した時、噛合い箇所投影点における螺線投影線の接線が公転ローラ中心軸投影線と直交するべく前記噛合い箇所を設定し、前記ラックロッド軸１ｄ及び前記共通垂線に平行で前記噛合い箇所を通る噛合い設定平面上の前記噛合い箇所で凸面で接し、その接点での接線が前記共通垂線と同一方向となるべく、二本の断面線β１とγ１を設定し、そのうちでβ１線を前記噛合い螺線に沿ってスイープして創生する面をラックロッド１のねじ山フランクとし、γ１線を前記公転ローラ軸を中心に回転して創生する面を公転ローラ環状溝面としたということができる。

一般に、ねじ面は、それを形成する断面線を直線としても、最小主曲率が負となる（凹となる方向が面内に存在する）ため、噛合い設定箇所以外での干渉の危険性がある。本実施形態では、噛合い設定箇所近傍における噛み合い面の局所形状が円筒側面（最小主曲率が０であり負ではない）となるように形成した。また、噛合い設定箇所における両者の母線方向（噛み合い面を描く各直線の方向：図６Ｃ方向）を概略一致させる。このため、ヘルツ応力の増大を抑制しつつ、噛合い設定箇所以外での不慮の干渉を抑制できる。このため、噛合い状態をさらに精度良く把握でき、信頼性の向上を図ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図９を参照して説明する。本実施形態においてはラックロッド１のねじ山は３条ねじである。また、公転ローラ２１はホルダ３に等間隔に６本配置する。公転ローラ２１の環状溝２１ａの軸方向設定位置が２種類となるため，公転ローラを２組に分け、互いにずらして組み立てることになる。

図９は、噛合い設定平面におけるローラとラックロッド１の断面図を示したもので、ラックロッドの左側面３０の断面が直線となる以外は、第１の実施形態と同様であるため、説明は省略する。

本実施形態の回転直動機構は片荷重を受ける構造であり、フォークリフトのような荷物搬送機械に適用するとその効果が大である。リフトするときに荷重を受け、下げるときには無荷重になる。このためローラ環状溝の側面には大きな隙間を有する構成となる。

なお、本発明は、モータを回転駆動源とし前記ラックロッド１に直動のアシスト力を付与するラックアシスト機構１０７として、電動パワーステアリング装置に適用すると有利である。

図１０は、本発明を電動パワーステアリング装置に適用した例を示す図である。図１０は乗用車で現在主流となっているパワーステアリング装置を示しており、ラックピニオン方式のステアリング機構である。主な構成要素は、ステアリングホイール１０１、その回転軸であるステアリングコラム１０２、その下端部に設けられたピニオン１０３、ピニオン１０３に噛合うラックを備えたラックロッド１（このロッド自体をラックと称することもあるが、本発明ではラックロッドと称する）、その両端に接続し、その他端で操舵輪１０６を操作するタイロッド１０５である。

これらの構成を備えることにより、ドライバーがステアリングホイール１０１をまわすと、ステアリングコラム１０２が回転し、下端のピニオン１０３が回転する。ピニオン１０３が回転すると、それに噛合うラックによりラックロッド１が軸方向に直動し、それに繋がるタイロッド１０５が動いて操舵を行う。パワーステアリング装置は、これらの構成要素のいずれかをアシストしてドライバーのステアリングホイール１０１をまわす力を低減するシステムである。

近年、このパワーステアリング装置は、自動車に欠かせない装備品となっている。特に最近は、自動車全体がそうであるように、このパワーステアリング装置にも、従来の油圧アシスト方式に代わって、電動アシスト方式が主流を占めるようになり、省エネに貢献している。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、
１．公転ローラ２１の中央にホルダ３と一体化する中心軸（ローラシャフト４）を設け、これまでローラ両端に配置していたラジアル軸受けをローラの内側に配置した構造とした。このため、機構の全長を小型化することができる。

これにより、スラスト軸受とともに、配置姿勢の高精度が要求される、全軸受を部品組立てレベルのローラアセンブリ製作時に設置することができ、組み立て調整が容易となる。 ２．ホルダーブロックの一方に公転ローラ２１を挿入するための、ねじり配置した穴を設け、ホルダブロックの他方にホルダ直結部と端版とを一体構成することにより、無駄な空間スペースを廃止し、小容積化することができる。また、封入するグリースの飛散を抑制できるため、グリース封入量を低減できる。

３．公転ローラ１本当たりの環状溝数を３本と少なくしてローラ長を短くし、機構の全長を小型化した。また、ラックねじ軸１ｄ周囲に配置可能なローラ本数を最大数（６本）まで増加させて溝総数を確保し、ローラの熱処理を不要として低コスト化した。

なお、ラックロッドの左側面の形状が単純となるため、転造法等の通常の加工が可能となり、製作コストを低減することができる。また、公転ローラ側の対応面は隙間を大にして非接触にすることができる。このため、一層の製作コストの低減が可能である。また、重要な環状溝同士の間隔精度を向上することができるため、噛合い部の損失を低減して機構効率を向上することができる。

１：ラックロッド
１ａ：ラックロッドねじ山
１ａ１：左ラックロッドねじ山フランク
１ａ２：右ラックロッドねじ山フランク
１ｄ：ラックロッド軸
２１：公転ローラ
２１ｄ：公転ローラ軸
２１ａ：公転ローラ溝（環状溝）
３：ホルダ部材
３ａ：左ホルダ部材
５ｆ１,５ｆ２：ラジアル軸受
６：スラスト軸受
８：テーパカラー
１０：メタル軸受

Claims (8)

1. 外周面にねじ部を備えたラックロッドと、
   前記ラックロッドの外周に設けられ、前記ラックロッドに対して回転可能でかつ軸方向移動可能に設けたホルダ部材と、
   前記ホルダ部材に回転可能に支持され、外周面に前記ねじ部と噛合う環状溝を有し、かつ前記ラックロッドの中心軸に対して、ラックロッドに設けた前記ねじ部に前記環状溝が噛み合うような軸角でねじり配置された公転ローラとを備え、
   前記ねじ部と前記環状溝の噛合い箇所における前記ねじ部の前記環状溝との当接面を、半径方向で曲率の異なる凸曲面とすることを特徴とする回転直動変換機構。
2. 請求項１記載の回転直動変換機構において、
   前記当接面の曲率は前記ねじ部の当接面のうちの噛み合い領域で小さく、内周側で大きく設定したことを特徴とする回転直動変換機構。
3. 請求項１記載の回転直動変換機構において、
   前記当接面の噛み合い領域の曲率と前記噛み合い領域の内周側の曲率とは不連続であることを特徴とする回転直動変換機構。
4. 外周面にねじ部を備えたラックロッドと、
   前記ラックロッドの外周に設けられ、前記ラックロッドに対して回転可能でかつ軸方向移動可能に設けたホルダ部材と、
   前記ホルダ部材に回転可能に支持され、外周面に前記ねじ部と噛合う環状溝を有し、かつ前記ラックロッドの中心軸に対して、ラックロッドに設けた前記ねじ部に前記環状溝が噛み合うような軸角でねじり配置された公転ローラとを備え、
   前記ねじ部と前記環状溝の噛合い箇所における前記ねじ部の前記環状溝との当接面の一方のみを、半径方向で曲率の異なる凸曲面とすることを特徴とする回転直動変換機構。
5. 請求項４記載の回転直動変換機構において、
   前記ラックロッドとホルダ部材間に印加する荷重の方向は、前記ねじ部の一方の当接面と環状溝が圧接される方向であることを特徴とする回転直動変換機構。
6. 請求項４記載の回転直動変換機構において、
   前記一方の当接面の曲率は前記ねじ部の当接面のうちの噛み合い領域で小さく、内周側で大きく設定したことを特徴とする回転直動変換機構。
7. 請求項１記載の回転直動変換機構において、
   前記当接面の噛み合い領域の曲率と前記噛み合い領域の内周側の曲率とは不連続であることを特徴とする回転直動変換機構。
8. 外周面にねじ部を備えたラックロッドと、
   前記ラックロッドの外周に設けられ、前記ラックロッドに対して回転可能でかつ軸方向移動可能に設けたホルダ部材と、
   前記ホルダ部材に回転可能に支持され、外周面に前記ねじ部と噛合う環状溝を有し、かつ前記ラックロッドの中心軸に対して、ラックロッドに設けた前記ねじ部に前記環状溝が噛み合うような軸角でねじり配置された公転ローラとを備えた回転直動変換機構の製造方法において、
   前記ねじ部と前記環状溝の噛合い箇所におけるねじ山断面線の曲率を、噛み合い箇所近傍に比して前記ねじ部の内周側で大きく設定し、該断面線をラックロッドのねじ螺旋に沿ってスイープさせて研削することによりラックロッドのねじ部を形成することを特徴とする回転直動変換機構の製造方法。

Images