JP2013522104A - パワーステアリングシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、パワーステアリングシステム（１）に関する。特には、サーボモータ（２）によって駆動される回転部材（５’）と、当該回転部材（５’）をフレーム（４）内で軸方向及び径方向に支持する回転軸受（９）と、を備えた乗物用の電子パワーステアリングシステムに関する。作動ノイズと摩擦とが最小化されたパワーステアリングシステムを開示するべく、回転軸受（９）の少なくとも１つのインナーレース（１０）またはアウターレース（１１）が分離平面（１２）によって２つのレース部分（１３、１４）に分割されている。分離平面（１２）は、回転部材（５’）の長手方向軸に略垂直に延びている。前記レース部分は、互いに対して、スプリングによって軸方向に付勢されている。互いに面するレース部分（１３、１４）の端面（１５、１６）は、その径方向外側（１７）から径方向内側（１８）まで角度（β）であるように、互いに整列されている。円錐状断面を有し、前記アウターレース（１１）またはインナーレース（１０）の熱膨張係数（α_Ａ ）より大きい熱膨張係数（α_Ｂ ）を有する部材（１９）が、前記端面（１５、１６）の間に配置されている。これにより、レース部分（１３、１４）は、熱が導入される時、部材（１９）の膨張によって、互いに向かって軸方向に移動されることができる。また、レース部分（１３、１４）は、部材（１９）が冷える時、互いから離れるように軸方向に移動されることができる。

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１の上位概念に従う、サーボモータによって駆動される回転部材を備えたパワーステアリングシステム、特には乗物用の電子パワーステアリングシステム、に関する。

ＤＥ１０３１０４９２Ａ１は、電子パワーステアリングシステムを開示している。そこでは、サーボモータが軸方向に移動可能な部材を駆動する。当該部材は、そのボールネジ部で、フレーム内で軸方向に移動しないように軸支されたナットのナットネジ部と係合している。当該ナットは、サーボモータとそのように形成された移動ネジとの間の牽引手段変速機のベルトプーリと回転しないように結合されている。当該ナットは、径方向固定軸受を介してフレームに支持ないし軸支されている。当該径方向軸受は、転がり軸受として形成され、特には４点（４点接触）軸受として形成されている。後者の場合、軸方向力も吸収される。

４点軸受の遊びと軸受支持のがたつき（rattling）とは、パワーステアリングシステムの運転中に急速に変化する軸受レース及び転動体の軸方向力によって引き起こされるのであるが、好適な対処法によって低減される。

パワーステアリングシステムにおいては、更に回転する部材が知られている。これは、転がり軸受によって軸支されている。当該転がり軸受は、例えば、ステアリングコラム変速機のステアリングナットの軸受の際には、軸方向力を吸収しなければならない。

そのようなパワーステアリングシステムの運転中に生じる、急速に変化する転がり軸受の軸受レースの軸方向力は、とりわけ転がり軸受の軸受レースの異なる加熱によって、パワーステアリングシステムの運転開始時に、転がり軸受における「遊びの変化」を引き起こす。この「遊びの変化」によって、パワーステアリングシステムの運転開始時の状況下で、時々（偶発的に）、転がり軸受の部材の均一な加熱により設計上一定の運転遊びが生じるようになるまで、がたつき（rattling）が生じる。低い運転温度では、軸受の遊びは、軸受摩擦の観点で好ましくない。

公知の転がり軸受構造は、パワーステアリングシステムの特殊な応用領域の場合、いわゆる運転段階において、ノイズ生成を常には防止できない。

本発明の課題は、その運転ノイズと摩擦とが最小化されたパワーステアリングシステムを提供することである。

当該課題は、特許請求の範囲の請求項１の特徴を備えたパワーステアリングシステムによって解決される。

転がり軸受のアウターレースまたはインナーレースが、回転部材の長手方向軸に略垂直に延びる分離平面に沿って、２つのレース半部またはレース部分に分割されることにより、転がり軸受ないしその軸受遊びを実際の運転温度に適合するという可能性、ないし，当該運転温度に亘って一定の軸受遊びを可能とする可能性、がもたらされる。但しここで、前記レース部分は、互いに対して、軸方向に付勢されており、互いに面する前記レース部分の端面は、その径方向外側から径方向内側までがある角度であるように、互いに整列されており、前記端面の間には、断面が円錐状の、前記アウターレースまたはインナーレースの熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有する部材が配置されている。

大きい熱膨張係数を有する前記部材は、転がり軸受の中心に向かって細くなる断面円錐形状に基づいて、径方向外側への膨張時、軸受外方（Lagernest）の方向に移動し（wandern）、冷却作用による収縮時、径方向に転がり軸受の中心の方向に移動する。大きい熱膨張係数を有する前記部材の膨張により、前記レース部分は、互いに対する付勢力に基づいて移動され得る。これにより、前記レース部分の軸受溝の側面が、転がり軸受の転動体上に移動され得て、軸受遊びが、より高い軸受温度において再び適合される。大きい熱膨張係数を有する前記部材の冷却に起因する収縮時には、前記レース部分は互いから軸方向に離れるように移動し、軸受遊びが、より低い軸受温度に適合される。

好ましい実施の形態が、下位の請求項から明らかである。

特に好適な実施の形態では、サーボモータによって駆動される回転部材が、フレーム内で軸方向に摺動しないように軸支されたナットであり、前記ナットは、軸方向に移動可能な部材と共に移動ネジを形成すると共に、転がり軸受によってフレーム内に軸支されており、前記軸方向に移動可能な部材のネジ部は、前記ナットの内側ネジと係合している。

１または複数のスプリング要素が、前記レース部分（レース半部）を、互いに対して付勢することができる。

前述のようなタイプのステアリング変速機にレース部分が分離されていない転がり軸受を設置する場合、時間順でまず転がり軸受のアウターレースが内燃機関からパワーステアリングシステムのフレームないしハウジング上への熱伝導によって加熱し、その後にインナーレースが加熱するということによって、不所望の軸受遊びが生じ得る。この場合、アウターレースが広がって、肩部が軸受長手方向軸から径方向に移動する。従って、アウターレースを２つのレース部分ないしレース半部に径方向に分離すること、及び、より大きい熱膨張係数を有する部材を円錐状断面を有するリング部材として２つのレース半部の間に配置すること、は合目的的である。前記部材の両側面がなす円錐角は、好ましくは、約５°〜５０°の範囲で選択される。

より大きい熱膨張係数を有するリング状の部材がもたらす径方向の膨張は、その外形寸法に依存する。当該部材の幾何的なサイズは、全体のサイズと、その組付位置の運転温度と、に依存する。当該部材の内径は、アウターレースの最大内径よりも大きく選択される。これにより、当該部材は、転動体と接触することなく、また、アウターレースの外周の取付面と接触することなく、径方向に膨張することができる。より大きい熱膨張係数を有する部材がインナーレースに設けられる場合でも、この関係は明らかに有効である。リング状部材の寸法決めによって、及び／または、フレーム内に好適な開口を設けることによって、当該リング状部材の径方向の運動が可能である。

前記部材の熱膨張係数α_Ｂ は、好ましくは、鋼鉄のそれとアルミニウムのそれとの間である。すなわち、約２６×１０^−６Ｋ^−１と１６×１０^−６Ｋ^−１との間である。好ましくは、アルミニウムや真鍮のような材料が、当該部材の製造に利用される。

両方のレース部分は、好ましくは、対向するように向けられて軸方向に互いに作用する複数のスプリング要素によって付勢されている。前記スプリング要素は、エラストマー材料から形成され得る。あるいは、様々な形態の鋼鉄バネ、例えば波形バネや皿バネやコイルバネ、として形成され得る。当該スプリング要素は、前記レース部分の側面周りに互いに間隔を空けて配置されている。コイルバネは、軸受外側に（Lagernest）形成されたフレームまたはフレーム固定の部材と前記アウターレースまたは前記インナーレースの前記レース部分の側端面との間に支持されている。

レース部分に軸方向に広がる（uebergreifen）か、その開口を介して差し込まれている（durchgreifen）、スプリングクリップ（Federklammer）の類の１つのスプリング要素、または、そのような複数のスプリング要素を設けることも合目的的であり得る。アウターレースまたはインナーレースは、好ましくは、前記分離平面に関して、対称の断面を有している。

転がり軸受は、玉軸受として、特には深溝玉軸受として形成することが合目的的である。それは、単列または複列であり得る。あるいは、４点軸受として形成され得る。あるいは、２つのアンギュラ玉軸受によって形成され得る。軸方向に移動可能な部材は、スピンドルまたはギヤラックのネジ部として形成される。軸方向に移動可能な部材は、それ自体公知の態様で、ステアリングタイロッドまたはステアリングレバーを介して、ステアリング可能な（操舵可能な）自動車の車輪に結合され得る。前記ネジ部または前記スピンドルは、支持対象であるナットと協働する。このように形成されたステアリング変速機の移動ネジ部は、電子式ないし油圧式のパワーステアリングシステムである。フレームは、ステアリング変速機ハウジングとして示されている。それは、ボールネジ−スピンドル変速機またはボールネジ−油圧変速機のための構成要素を形成している。

好適には、サーボモータは、電気モータとしてパルス幅変調方式で制御され、その長手方向軸がギヤラックまたはスピンドルに平行に配置されている。これにより、当該パワーステアリングシステムは、好適には、軸平行な電子式のパワーステアリングシステムとして形成される。

電気モータのモータ軸は、ベルトプーリに回転しないように結合されている。その上を走る（移動する）ベルトは、更に、前記ナット上の一つの（別の）ベルトプーリに掛け渡されている。当該２つのベルトプーリが、自己緊張式の（selbstspannend）牽引手段変速機を形成している。ベルトは、歯付きベルトとして形成され得る。２つの異なるベルト構造の組み合わせも、牽引手段変速機において設置可能である。自己緊張式の牽引手段変速機の代わりに、サーボモータが、軸方向に移動可能な部材とナットとの長手方向軸に対して移動可能に設けられてもよい。

本発明は、以下において、一実施の形態に基づいて記述され、図面に基づいて記述される。

本発明によるパワーステアリングシステムの長手方向の部分断面図である。 図１のパワーステアリングシステムのナットのための転がり軸受の、寸法について正確でない概略断面図である。

図１には、乗用車用の、電子パワーステアリングシステムとして形成されたパワーステアリングシステム１の部分縦断面図が示されている。当該パワーステアリングシステム１の主要な構成要素は、閉塞されたステアリング変速機ハウジング２７として形成された、アルミニウムダイカストからなるフレーム４である。ステアリング変速機ハウジング２７は、径方向フランジ２８を有しており、その上にネジボルト２９によって電気サーボモータ２がネジ固定されている。電気サーボモータ２は、ギヤラック２４のネジ部２５へのステアリングアシスト力の供給のために機能する。ギヤラック２４は、ステアリング変速機ハウジング２７内の軸方向移動可能な部材６に相当している。ギヤラック２４の不図示の軸方向端部には、関節式のタイロッドが固定されており、ステアリングレバーで操舵される乗用車の車輪は、ギヤラック２４の軸方向移動の際に、車輪の操舵角度調整に服する。

ギヤラック２４のネジ部２５は、そのネジ７によって、ナット５として形成された回転部材５’のナットネジ部８と係合している。ナット５は、ボールネジ２６ないしボール循環ネジとして形成されている。電気サーボモータ２によって駆動される移動ネジ３は、以上のように形成されている。ボールネジ２６は、フレーム４内のネジ部２５周りに回転可能に軸支されているが、軸方向にはほとんど摺動移動しないように配置されている。ボールネジ２６は、フレーム４すなわちステアリング変速機ハウジング２７内において、転がり軸受９のインナーレース１０として形成された軸受レース及びアウターレース１１として形成された軸受レースを介して、軸方向及び径方向に軸支されている。転がり軸受９は、玉軸受２３として形成されている。転がり軸受９のインナーレース１０は、ステアリング変速機ハウジング２７のハウジングカバー３２内の２つの取付部３０、３１の間に固定されている。電気サーボモータ２は、牽引手段変速機を介してナット５と作用接続されている。すなわち、歯付きベルトとして形成されたベルト３３が、ナット５上のベルトプーリ３４を掛け渡されていて循環する。ベルトプーリ３４は、段付き円筒状スリーブの態様で形成され、転がり軸受９の方を向くその側面３５によってインナーレース１１用の取付部３５を形成している。ベルト３３は、電気サーボモータ２のモータ軸に結合された不図示のベルトプーリ上を更に循環する。

サーボモータ２は、所望の操舵角度ないし車輪操舵角度を表すセンサ信号に従って、不図示の開ループ制御装置及び／または閉ループ制御装置によって制御される。これによって、ナットは、一または他の方向に回転され、ギヤラック２４は、一または他の方向に移動される。ナット５には、車輪の反作用力に起因する他の軸方向力が導入される。更に、操舵ハンドルにおける操舵運動の際、一または他の方向のナット５上の交互の軸方向力が生じて、それが転がり軸受９に作用する。運転開始時、転がり軸受９のアウターレース１１が最初に加熱される。なぜなら、熱は、一般的に、ステアリング変速機ハウジング２７が取り付けられているモータ空間から、最初ステアリング変速機ハウジング２７及び変速機カバー３２の外側から放射されるためである。

特に図２に示すように、アウターレース１１は、転がり軸受９の中央の径方向に延びる分離平面１２に沿って、当該分離平面１２に対称に形成された２つのレース半部１３、１４に分離されている。この場合、当該分離平面１２に向いたレース半部１３、１４の端面１５、１６は、分離平面１２に対して平行でなく、転がり軸受９の径方向に見て、外側１７から内側１８に分離平面１２に対してある角度βで延びている。これによって、レース半部１３、１４の間に、円錐断面ないし切頭円錐断面を有する環状の中間空間が形成される。この中間空間は、アウターレースまたはインナーレースの熱膨張係数α_Ａ より大きい熱膨張係数α_Ｂ （アルミニウムの値）を有する同じく環状の部材１９によって、部分的に充填されており、当該部材は、軸受外側及び内側に対して、または、アウターレース１１の外側１７及び内側１８に対して、径方向の間隙を維持している。このように径方向に小さい構成部材１９の寸法は、当該部材１９が加熱または冷却される際に径方向において本質的により多く膨張または収縮するために、必要である。当該部材１９の前述のような径方向の運動（変形）の際、２つのレース半部１３、１４は、軸方向に互いから離れるように移動され（冷却作用により構成部材１９が収縮する際）、及び、互いに近づくように移動される（熱の作用により構成部材１９が膨張する際）。

レース半部１３、１４は、コイルバネ２２として形成されたスプリング要素２０、２１によって、互いに対して付勢されている。このために、転がり軸受９の全周に亘って等しい間隔で配置されたスプリング要素２０、２１が、取付部３０、３１と各リング半部ないしその軸方向端面との間に支持されている。

本発明に従う転がり軸受９の設計により、運転中に生じる転がり軸受９の熱膨張が補償されて転がり軸受９の公差に全く影響しないため、常に等しい軸受遊びが可能とされ、転がり軸受９におけるノイズと摩擦が回避される。

Claims (15)

1. パワーステアリングシステム、特には乗物用の電子パワーステアリングシステムであって、
   フレーム（４）内でサーボモータ（２）によって駆動される回転部材（５’）と、
   フレーム（４）内で前記回転部材（５’）を軸方向及び径方向に軸支する回転軸受（９）と、
   を備え、
   回転軸受（９）の少なくとも１つのインナーレース（１０）またはアウターレース（１１）が、回転部材（５’）の長手方向軸に略垂直に延びる分離平面（１２）によって、２つのレース部分（１３、１４）に分割されており、
   前記レース部分は、互いに対して、軸方向に付勢されており、
   互いに面する前記レース部分（１３、１４）の端面（１５、１６）は、その径方向外側（１７）から径方向内側（１８）までがある角度（β）であるように、互いに整列されており、
   前記端面（１５、１６）の間には、断面が円錐状の、前記アウターレース（１１）またはインナーレース（１０）の熱膨張係数（α_Ａ ）より大きい熱膨張係数（α_Ｂ ）を有する部材（１９）が配置されており、
   熱が導入される時、部材（１９）が径方向に膨張することによって、前記レース部分（１３、１４）は互いに向かって軸方向に移動され、冷却時、部材（１９）が径方向に収縮することによって、前記レース部分（１３、１４）は互いから離れるように軸方向に移動される
   ことを特徴とするパワーステアリングシステム。
2. 回転部材（５’）は、フレーム（４）内で軸方向に摺動しないように軸支されたナット（５）であり、
   前記ナット（５）は、軸方向に移動可能な部材（６）と共に移動ネジ（３）を形成すると共に、転がり軸受（９）によってフレーム内に軸支されており、
   前記軸方向に移動可能な部材（６）のネジ部（７）は、前記ナット（５）の内側ネジ（８）と係合している
   ことを特徴とする請求項１に記載のパワーステアリングシステム。
3. 前記レース部分（１３、１４）は、少なくとも１つのスプリング要素（２０）によって、互いに対して付勢されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のパワーステアリングシステム。
4. 前記断面が円錐状の部材（１９）は、環状である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパワーステアリングシステム。
5. 前記断面が円錐状の部材（１９）は、約１００℃の場合に、約２６×１０^−６Ｋ^−１と１６×１０^−６Ｋ^−１との間の熱膨張係数（α_Ｂ ）を有している
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のパワーステアリングシステム。
6. 前記角度（β）は、５°よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のパワーステアリングシステム。
7. 前記断面が円錐状の部材（１９）は、アルミニウムか、真鍮か、それらの合金から形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のパワーステアリングシステム。
8. 前記レース部分（１３、１４）は、対向するように向けられて互いに作用する複数のスプリング要素（２０、２１）によって付勢されている
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のパワーステアリングシステム。
9. 前記スプリング要素（２０、２１）は、エラストマー材料から形成されている
   ことを特徴とする請求項８に記載のパワーステアリングシステム。
10. 前記スプリング要素（２０、２１）は、皿バネ、波形バネ、または、コイルバネであり、前記レース部分（１３、１４）の周りに互いに間隔を空けて、フレーム（４）またはフレーム固定の部材と前記レース部分（１３、１４）との間に支持されている
    ことを特徴とする請求項８または９に記載のパワーステアリングシステム。
11. 前記１つのスプリング要素（２０）または前記複数のスプリング要素（２０、２１）は、前記２つのレース部分（１３、１４）に軸方向に差し込まれている（durchgreifen）か広がる（uebergreifen）かしており、前記２つのレース部分（１３、１４）を互いに牽引し合う牽引力を生じさせている。
12. 前記転がり軸受（９）のインナーレース（１０）及びアウターレース（１１）は、前記分離平面に関して、対称の断面を有している
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のパワーステアリングシステム。
13. 前記転がり軸受（９）は、玉軸受（２３）、深溝玉軸受、４点軸受、または、２つのアンギュラ玉軸受である
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載のパワーステアリングシステム。
14. 前記軸方向に移動可能な部材（６）は、ネジ部（２５）を有するスピンドルまたはギヤラックであり、当該部材の周りで、軸方向には摺動しないように軸支されたボールナット（２６）が回転する
    ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載のパワーステアリングシステム。
15. 前記パワーステアリングシステム（１）は、サーボモータ（２）と軸方向に移動可能な部材（６）との軸平行な配置を伴う電子パワーステアリングシステムである
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載のパワーステアリングシステム。

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