JP2013257011A - ボールジョイント及びラックアンドピニオン機構 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の過度な変動を抑制することができる技術を提供すること。
【解決手段】ボールジョイント５０は、球面部５８を有する金属製のボールスタッド５４と、このボールスタッド５４を回転可能に支持する樹脂製のホルダ５３とからなり、ボールスタッド５４及びホルダ５３の間に潤滑剤５６が充填されてなる。ボールスタッド５４の球面部５８の一部に、ダイヤモンドライクカーボン膜５８ａが形成されている。ラックアンドピニオン機構３０についても同様である。
【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂製の支持部材と、この支持部材上を摺動する金属製の摺動部材とによって構成される摺動機構に関する。

樹脂製の支持部材と、この支持部材上を摺動する金属製の摺動部材とによって構成される摺動機構が広く知られている。摺動機構の一例として、ホルダと、このホルダに回転可能に支持されていると共にホルダの表面を摺動するボールスタッドとからなるボールジョイントが挙げられる（例えば、特許文献１（Figur１）参照。）。

特許文献１に示されるような、ボールジョイントのホルダは、繊維強化プラスチックに付着性の低い材料を付加した素材が用いられている。このような素材を用いることにより、ボールスタッドとホルダとの摩擦により生ずる摩耗を抑制させる。

ところで、ボールジョイントを回転させる際に、ボールジョイントにトルクが加わる。過度なトルクの変動は、ボールスタッドの疲労の原因となり、好ましくない。

特表２００４−５３８４３１号公報

本発明は、負荷の過度な変動を抑制することができる技術の提供を課題とする。

請求項１に係る発明は、球面部を有する金属製のボールスタッドと、このボールスタッドを回転可能に支持する樹脂製のホルダと、ボールスタッド及びホルダの間に充填されボールスタッドの動きを円滑にする潤滑剤とからなるボールジョイントにおいて、ボールスタッドの球面の一部に、ダイヤモンドライクカーボン膜が形成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、球面部を有する金属製のボールスタッドと、このボールスタッドを回転可能に支持する樹脂製のホルダと、ボールスタッド及びホルダの間に充填されボールスタッドの動きを円滑にする潤滑剤とからなるボールジョイントにおいて、ボールスタッドの球面の一部に、ボールスタッドの軸から外周に向かって突出する突起部が形成され、この突起部にダイヤモンドライクカーボン膜が形成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、樹脂製のラックブッシュによって金属製のラック軸がガイドされ、これらのラックブッシュ及びラック軸の間にラック軸の動きを円滑にする潤滑剤が充填されているラックアンドピニオン機構において、ラック軸の表面の一部に、ダイヤモンドライクカーボン膜が形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、樹脂製のラックブッシュによって金属製のラック軸がガイドされ、これらのラックブッシュ及びラック軸の間にラック軸の動きを円滑にする潤滑剤が充填されているラックアンドピニオン機構において、ラック軸の表面の一部に、ラック軸の軸から外周に向かって突出する突起部が形成され、この突起部にダイヤモンドライクカーボン膜が形成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、ダイヤモンドライクカーボン膜は、ボールスタッドの表面の一部に形成されている。ボールスタッドを回転させる際には、力を加えた直後に大きなトルクが加わりやすい。本発明においては、ダイヤモンドライクカーボン膜が形成されない部位において、ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さの分、ダイヤモンドライクカーボン膜とホルダとの間に隙間が生じる。この隙間には潤滑剤が充填されている。即ち、隙間があることによって、ダイヤモンドライクカーボン膜とホルダとの間には、多量の潤滑剤が供給されている。多量の潤滑剤が供給されることにより、ボールスタッドが回転しやすくなる。ボールスタッドを回転しやすくすることにより、ボールスタッドを回転させ始めた際に加わるトルクを抑制できる。

請求項２に係る発明では、ボールスタッドの球面の一部に、ボールスタッドの軸から外周に向かって突出する突起部が形成され、この突起部にダイヤモンドライクカーボン膜が形成されている。ボールスタッドを回転させる際には、力を加えた直後に大きなトルクが加わりやすい。本発明においては、突起部が形成されない部位において、突起部の高さの分、突起部が形成されていない部位におけるＤＬＣ膜とホルダとの間に隙間が生じる。この隙間にはグリースが充填されている。即ち、隙間があることによって、ＤＬＣ膜とホルダとの間には、多量のグリースが供給されている。多量の潤滑剤が供給されることにより、ボールスタッドが回転しやすくなる。ボールスタッドを回転しやすくすることにより、ボールスタッドを回転させ始めた際に加わるトルクを抑制できる。

請求項３に係る発明では、ダイヤモンドライクカーボン膜は、ラック軸の表面の一部に形成されている。ラック軸を移動させる際には、力を加えた直後に大きな負荷が加わりやすい。本発明においては、ダイヤモンドライクカーボン膜が形成されない部位において、ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さの分、ダイヤモンドライクカーボン膜とラックブッシュとの間に隙間が生じる。この隙間には潤滑剤が充填されている。即ち、隙間があることによって、ダイヤモンドライクカーボン膜とラックブッシュとの間には、多量の潤滑剤が供給されている。多量の潤滑剤が供給されることにより、ラック軸が移動しやすくなる。ラック軸を移動しやすくすることにより、ラック軸を移動させ始めた際に加わる負荷を抑制できる。

請求項４に係る発明では、ラック軸の表面の一部に、ラック軸から外周に向かって突出する突起部が形成され、この突起部にダイヤモンドライクカーボン膜が形成されている。ラック軸を移動させる際には、力を加えた直後に大きな負荷が加わりやすい。本発明においては、ダイヤモンドライクカーボン膜が形成されない部位において、ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さの分、ダイヤモンドライクカーボン膜とラックブッシュとの間に隙間が生じる。この隙間には潤滑剤が充填されている。即ち、隙間があることによって、ダイヤモンドライクカーボン膜とラックブッシュとの間には、多量の潤滑剤が供給されている。多量の潤滑剤が供給されることにより、ラック軸が移動しやすくなる。ラック軸を移動しやすくすることにより、ラック軸を移動させ始めた際に加わる負荷を抑制できる。

実施例１によるボールジョイント及びラックアンドピニオン機構が搭載されている電動パワーステアリング装置の模式図である。 図１に示されたボールジョイントの断面図である。 図２に示されたホルダの斜視図である。 図１に示されたラックブッシュ及びラックの断面図である。 図４の５−５線断面図である。 トルクの変動を観測するために作成したボールスタッドについて説明する図である。 トルクの変動を観測するための試験について説明する図である。 図７で行った試験の結果を説明する図である。 図７の試験結果について理由を説明する図である。 実施例２によるボールジョイントの断面図である。 実施例３によるボールジョイントの断面図である。 実施例４によるボールジョイントの断面図である。 図１２の１３−１３線断面図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１に示されるように、電動パワーステアリング装置１０は、車両のステアリングホイール２１から車両の操舵車輪２９，２９（例えば前輪）に至るステアリング系２０と、このステアリング系２０に補助トルクを加える補助トルク機構４０とからなる。

ステアリング系２０は、ステアリングホイール２１にステアリングシャフト２２及び自在軸継手２３，２３を介してピニオン軸２４を連結し、ピニオン軸２４にラックアンドピニオン機構３０を連結し、ラックアンドピニオン機構３０のラック軸３２（摺動部材３２）の両端にボールジョイント５０，５０、タイロッド２７，２７及びナックル２８，２８を介して左右の操舵車輪２９，２９を連結したものである。

ラックアンドピニオン機構３０は、ピニオン軸２４に形成されたピニオン３１と、ラック軸３２と、このラック軸３２に形成されピニオン３１に噛合うラック３３と、ラック軸３２をガイドすると共に支持しているガイド部材６０とからなる。また、ラック軸３２とガイド部材６０とにより、摺動機構７０が構成される。

ステアリング系２０によれば、運転者がステアリングホイール２１を操舵することで、この操舵トルクによりラックアンドピニオン機構３０を介して、左右の操舵車輪２９，２９を操舵することができる。

補助トルク機構４０は、ステアリングホイール２１に加えたステアリング系２０の操舵トルクを操舵トルクセンサ４１で検出し、この操舵トルクセンサ４１のトルク検出信号に基づき制御部４２で制御信号を発生し、この制御信号に基づき操舵トルクに応じた補助トルクを電動モータ（電動機）４３で発生し、この補助トルクをウォームギヤ機構４４を介してピニオン軸２４に伝達し、さらに、補助トルクをピニオン軸２４からステアリング系２０のラックアンドピニオン機構３０に伝達するようにした機構である。

操舵トルクセンサ４１は、ピニオン軸２４に加えられたトルクを検出し、トルク検出信号として出力するものであり、例えば磁歪式トルクセンサやトーションバー式トルクセンサによって構成される。

電動パワーステアリング装置１０によれば、運転者の操舵トルクに電動モータ４３の補助トルクを加えた複合トルクにより、ラック軸３２で操舵車輪２９，２９を操舵することができる。
図２以降においてボールジョイントの詳細を説明する。

図２に示されるように、ボールジョイント５０（摺動機構５０）は、筒状のケース５１と、このケース５１の一端を塞いでいる蓋部材５２と、これらのケース５１及び蓋部材５２によって囲われているポリアセタール製のホルダ５３（支持部材５３）と、このホルダ５３によって回転可能に支持されている鋼製のボールスタッド５４（摺動部材５４）と、このボールスタッド５４の一部を囲うように配置されているゴム製のブーツ５５と、このブーツ５５及びケース５１内に充填されボールスタッド５４を円滑に回転させるグリース５６（潤滑剤５６）とからなる。

ボールスタッド５４は、表面が略球面状に形成されている球面部５８と、この球面部５８に一体的に取付けられているスタッド部５９とからなる。

球面部５８には、ダイヤモンドライクカーボン膜５８ａ（diamond-like-carbon 以下、「ＤＬＣ膜５８ａ」と記す。）が一体的に形成されている。ＤＬＣ膜５８ａは、球面部５８に対して、帯状に２本形成されている。ＤＬＣ膜５８ａは、ボールスタッド５４の回転方向に沿って形成されている。

ホルダ５３には、ポリアセタールの他、ナイロン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、エラストマーまたはこれらの繊維強化複合材の他、用途に応じて任意の素材を用いることができる。

ボールスタッド５４には、普通鋼および特殊鋼を含む鉄鋼製材の他、非鉄金属等の金属を用いることができる。また、用途に応じて球面部５８とスタッド部５９とで素材を変えることもできる。
非鉄金属としては、アルミニウム、マグネシウム、チタンまたはこれらを主成分とする合金を挙げることができる。

ブーツ５５には、天然ゴムの他、合成ゴムを含む任意のエラストマーを用いることができる。
ＤＬＣ膜５８ａは、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。ＤＬＣ膜５８ａの形成には、ＣＶＤ法の他にＰＶＤ法を採用することもできる。
また、球面部５８の一部にマスクを被せて処理することにより、球面部５８の一部に対して任意の形状にＤＬＣ膜５８ａを形成することができる。

図３も合わせて参照して、ホルダ５３には、４箇所にスリット５３ｂが形成されている。これらのスリット５３ｂは、ボールスタッド５４の軸ＣＬに沿って形成されている。スリット５３ｂが形成されていることにより、ホルダ５３を撓ませることができる。球面部５８をホルダ５３に向かって押し込むことにより、ホルダ５３を撓ませながら球面部５８が取付けられる。ホルダ５３を撓ませることのできる構成とすることにより、球面部５８の全体を１つのホルダ５３によって覆うことができる。
図４以降において、ガイド部材（図１、符号６０）の詳細を説明する。

図４及び図５に示されるように、ガイド部材６０は、金属製のカバー部材６１にポリアセタール製のラックブッシュ６２（支持部材６２）が収納され、ラック軸３２とラックブッシュ６２との間には潤滑剤６３が充填されている。ＤＬＣ膜３２ａは、ラック軸３２の表面に対して等間隔に４箇所形成されている。
なお、潤滑剤６３としては、グリースが好ましい。以下、潤滑剤６３を適宜グリース６３という。
このような摺動機構について、トルクの変動を測定した。詳細を図６以降において説明する。

図６（ａ）に示されるような参考例に係るボールスタッド２８４と、図６（ｂ）に示されるような好適例に係るボールスタッド８４とを作成し、トルクの変動を測定した。
より詳細には、図６（ａ）の参考例に係るボールスタッド２８４は、球面部２８８の表面の全体にわたってＤＬＣ膜２８８ａが形成されている。図６（ｂ）に示される好適例に係るボールスタッド８４は、球面部８８の表面に回転方向に沿って２本のＤＬＣ膜８８ａが形成されている。これらのボールスタッド８４，２８４について行った測定について、図７に沿って説明する。

図７に示されるように、好適例に係るボールジョイント８０のケース８１を、板材９５，９６の間に挟んで固定した。なお、板材９５にはボールスタッド８４のスタッド部９８を突出させる穴部が設けられており、この穴部からボールスタッド８４のスタッド部８９を突出させている。

板材９５から突出しているスタッド部８９にトルクレンチ９９を取り付け、トルクレンチ９９を回転させてトルクの変動を測定した。なお、測定は、２５℃の環境温度下、トルクレンチ９９の回転速度を５°／秒とし、２５〜３０秒間回転させた。
参考例に係るボールジョイントについても同様に測定を行った。
図８において測定結果について説明する。

図８に示されるように、参考例（１点鎖線）において、トルクが安定する前の状態、即ち、試験の開始直後にはトルクが直線的に所定の値Ｐ１まで上昇し、所定の値Ｐ１から急激にＰ２まで下降していることが分かった。

一方、好適例（実線）によるボールスタッドのトルクは、試験の開始直後からトルクが直線的に上昇し、所定の値Ｐ３まで達した後、Ｐ４まで僅かに下降した。参考例の場合に比べて、頂点に達した後のトルクの下降量が少ない。好適例によるボールスタッドによれば、ＤＬＣ膜８８ａを球面部８８の一部に形成することにより、よりトルクを安定させることができることが分かった。
このような結果になった理由について、図６及び図９を参照して考察する。

図６（ａ）及び図９（ａ）の参考例に示されるように、球面部２８８の全体にＤＬＣ膜２８８ａが形成されているボールスタッド２５４は、ＤＬＣ膜２８８ａが広範囲に亘ってホルダ２５３に接触している。ＤＬＣ膜２８８ａが広範囲に接触しているため、ボールスタッド２８４とホルダ２８３との間の隙間が狭い。隙間が狭いため、ボールスタッド２８４とホルダ２８３との間に充填されるグリース２８６の量は少ない。グリース２８６の量が少ないため、ボールスタッド２８４を回転させようとした場合に、回転させるまでに大きな力が必要となる。回転させるまでに大きな力が必要であるため、回転する直前のボールスタッド２８４には大きなトルクが加わっているものと考えられる。トルクはボールスタッド２８４の捻れ方向に加わっている力ということもできるから、ボールスタッド２８４が回転を始めた直後に、捻れていたボールスタッド２８４は元に戻ろうとする。ボールスタッド２８４が元に戻ろうとすることにより、トルクが急激に下降するものと考えられる。

一方、図６（ｂ）及び図９（ｂ）の好適例に示されるように、球面部８８の一部にＤＬＣ膜８８ａが形成されているボールスタッド８４は、ＤＬＣ膜８８ａがホルダ８３に接触する面積が小さい。ＤＬＣ膜８８ａの接触面積が小さいため、ボールスタッド８４とホルダ８３との間の隙間が広い。隙間が広いため、ボールスタッド８４とホルダ８３との間に充填されるグリース８６の量が多い。グリース８６の量が多いため、ボールスタッド８４を回転させようとした場合に、回転させるまでに小さな力があれば足りる。即ち、回転する直前においてボールスタッド８４に加わっているトルクが小さいことにより、回転を始めた直後に捻れていたボールスタッド８４が元に戻ろうとする力が小さい。元に戻ろうとする力が小さいことにより、回転し始めた直後のトルクの下降量が少ないものと考えられる。

以上から、本発明者らは、摺動部材と支持部材との間の隙間を大きくすることにより、回転した直後におけるトルクの急激な低下を防止すると共に、ＤＬＣ膜を用いることにより、回転中のトルクを安定させることができることを知見した。
この知見に基づき、以下のこともいえる。

図４及び図５に戻り、ＤＬＣ膜３２ａは、ラック軸３２の表面の一部に形成されている。ラック軸３２を移動させる際には、動きだすまでの間にラック軸３２に大きな負荷が加わる。ＤＬＣ膜３２ａの厚さの分、ラック軸３２とラックブッシュ６２との間に隙間が生じる。この隙間にはグリース６３が充填されている。多量のグリース６３が供給されることにより、ラック軸３２が移動しやすくなる。ラック軸３２を移動しやすくすることにより、ラック軸３２が移動し始めた際に加わる負荷を抑制できる。
本発明の別実施例について、図１０以降において説明する。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図１０は実施例２のボールジョイントの断面構成を示し、上記図２に対応させて表している。
図１０に示されるように、ボールジョイント１１０は、ボールスタッド１１４の球面部１１８に２本の帯状のＤＬＣ膜１１８ａが形成されてなる。ＤＬＣ膜１１８ａを正面から見た場合に、ＤＬＣ膜１１８ａは、ボールスタッド１１４の軸に平行に形成されている。即ち、球面部１１８の回転方向に垂直に形成されている。

このような構成のボールスタッド１１４を用いた場合においても、本発明所定の効果を得ることができる。即ち、ボールスタッド１１４を回転させる際には、力を加えた直後に大きなトルクが加わりやすい。本発明においては、ＤＬＣ膜１１８ａが形成されない部位において、ＤＬＣ膜１１８ａの厚さの分、ＤＬＣ膜１１８ａとホルダ５３との間に隙間が生じる。この隙間にはグリース５６が充填されている。即ち、隙間があることによって、ＤＬＣ膜１１８ａとホルダ５３との間には、多量のグリース５６が供給されている。多量の潤滑剤が供給されることにより、ボールスタッド１１４が回転しやすくなる。ボールスタッド１１４を回転しやすくすることにより、ボールスタッド１１４を回転させ始めた際に加わるトルクを抑制できる。

次に、本発明の実施例３を図面に基づいて説明する。
図１１は実施例３のボールジョイントの断面構成を示し、上記図２に対応させて表している。
図１１に示されるように、ボールジョイント１２０は、ボールスタッド１２４の球面部１２８に水玉状のＤＬＣ膜１２８ａが複数形成されてなる。

このような構成のボールスタッド１２４を用いた場合においても、本発明所定の効果を得ることができる。即ち、ボールスタッド１２４を回転させる際には、力を加えた直後に大きなトルクが加わりやすい。本発明においては、ＤＬＣ膜１２８ａが形成されない部位において、ＤＬＣ膜１２８ａの厚さの分、ＤＬＣ膜１２８ａとホルダ５３との間に隙間が生じる。この隙間にはグリース５６が充填されている。即ち、隙間があることによって、ＤＬＣ膜１２８ａとホルダ５３との間には、多量のグリース５６が供給されている。多量の潤滑剤が供給されることにより、ボールスタッド１２４が回転しやすくなる。ボールスタッド１２４を回転しやすくすることにより、ボールスタッド１２４を回転させ始めた際に加わるトルクを抑制できる。

次に、本発明の実施例４を図面に基づいて説明する。
図１２及び図１３は、実施例４のボールジョイントの断面構成を示し、図１２は、上記図２に対応させて表している。図１３は図１２の１３−１３線断面図である。
図１２及び図１３に示されるように、ボールジョイント１３０は、ボールスタッド１３４の球面部１３８には、一部に周方向に向かって突出する突起部１３８ｂが形成されている。このような突起部１３８が形成されている球面部１３８の全体にＤＬＣ膜１３８ａが形成されている。

このような構成のボールスタッド１３４を用いた場合においても、本発明所定の効果を得ることができる。即ち、ボールスタッド１３４を回転させる際には、力を加えた直後に大きなトルクが加わりやすい。本発明においては、突起部１３８ｂが形成されない部位において、突起部１３８ｂの高さの分、突起部１３８ｂが形成されていない部位におけるＤＬＣ膜１３８ａとホルダ５３との間に隙間が生じる。この隙間にはグリース５６が充填されている。即ち、隙間があることによって、ＤＬＣ膜１３８ａとホルダ５３との間には、多量のグリース５６が供給されている。多量の潤滑剤が供給されることにより、ボールスタッド１３４が回転しやすくなる。ボールスタッド１３４を回転しやすくすることにより、ボールスタッド１３４を回転させ始めた際に加わるトルクを抑制できる。

また、ボールスタッド１３４の表面に突起部１３８ｂを形成した場合には、球面部１３８の全体にＤＬＣ膜１３８ａを形成してもよい。即ち、ＤＬＣ膜１３８ａの形成を行う際に球面部１３８にマスクを被せる必要がない。

なお、図４に示されたラックアンドピニオン機構においても、ラック軸の一部に軸線を基準として周方向に向かって広がるように突出する突起部を形成することができる。この場合、図１２及び図１３に示されたボールジョイント１３０と同様の効果を得ることができる。

尚、本発明に係るボールジョイントは、電動パワーステアリング装置に搭載する例を基に説明したが、他の装置にも適用可能であり、電動パワーステアリング装置に搭載するものに限られない。

本発明のボールジョイント及びラックアンドピニオン機構は、電動パワーステアリング装置に搭載するのに好適である。

３０…ラックアンドピニオン機構、３２…ラック軸、３２ａ…ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）、５０，１１０，１２０…ボールジョイント、５３…ホルダ、５４，１１４，１２４…ボールスタッド、５６…グリース（潤滑剤）、５８，１１８，１２８…球面部、５８ａ，１１８ａ，１２８ａ…ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）、６２…ラックブッシュ、６３…グリース。

Claims (4)

1. 球面部を有する金属製のボールスタッドと、このボールスタッドを回転可能に支持する樹脂製のホルダと、前記ボールスタッド及び前記ホルダの間に充填され前記ボールスタッドの動きを円滑にする潤滑剤とからなるボールジョイントにおいて、
   前記ボールスタッドの球面の一部に、ダイヤモンドライクカーボン膜が形成されていることを特徴とするボールジョイント。
2. 球面部を有する金属製のボールスタッドと、このボールスタッドを回転可能に支持する樹脂製のホルダと、前記ボールスタッド及び前記ホルダの間に充填され前記ボールスタッドの動きを円滑にする潤滑剤とからなるボールジョイントにおいて、
   前記ボールスタッドの球面の一部に、前記ボールスタッドの軸から外周に向かって突出する突起部が形成され、この突起部にダイヤモンドライクカーボン膜が形成されていることを特徴とするボールジョイント。
3. 樹脂製のラックブッシュによって金属製のラック軸がガイドされ、これらのラックブッシュ及びラック軸の間に前記ラック軸の動きを円滑にする潤滑剤が充填されているラックアンドピニオン機構において、
   前記ラック軸の表面の一部に、ダイヤモンドライクカーボン膜が形成されていることを特徴とするラックアンドピニオン機構。
4. 樹脂製のラックブッシュによって金属製のラック軸がガイドされ、これらのラックブッシュ及びラック軸の間に前記ラック軸の動きを円滑にする潤滑剤が充填されているラックアンドピニオン機構において、
   前記ラック軸の表面の一部に、前記ラック軸から外周に向かって突出する突起部が形成され、この突起部にダイヤモンドライクカーボン膜が形成されていることを特徴とするラックアンドピニオン機構。

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