JP2014059032A

JP2014059032A - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2014059032A
Application number: JP2012205455A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kawahara; 弘志河原
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2014-04-03

Abstract

【課題】異音及び作動不良が防止されて信頼性の高い電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】ねじ軸９のねじ溝９ａ及びナット１５のねじ溝１５ａ間の転動体１４を掬い上げて転動体戻し通路３２に案内する転動体循環部材３３の転動体が転動する循環軌道は、螺旋軌道Ｐ上の掬い上げ点から螺旋軌道の接線方向に伸ばした第１の直線Ｓと、転動体戻し通路の中心を通過する第２の直線Ｔと、これら第１及び第２の直線を繋ぐ曲線Ｒとで構成され、曲線の半径は、転動体の直径の５０％以上９０％以下に設定されている。
【選択図】図８

Description

本発明は、ボールねじ機構を備えた電動パワーステアリング装置に関する。

車両のラックピニオン式ステアリング装置では、ステアリングホイールを操舵したときの操舵回転力がピニオン軸に伝達され、このピニオン軸に噛合するラックアンドピニオンギアによりラック軸の直線運動に変換され、この直線運動がラック軸の両端に連結されたタイロッドを介して転舵輪に伝達され、転舵輪が転舵される。
このラック軸を電動モータで駆動されるボールねじ機構に連結することにより、ラックアシスト式の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ：Electric Power Steering）を構成することができる。なお、ラックアシスト式の電動パワーステアリング装置を、ラックアシスト式ＥＰＳと称する。

ラックアシスト式ＥＰＳのボールねじ機構において、何らかの異常が発生すると車両の操舵が不能になるおそれがあるため、いかなる場合にもロックしない信頼性が必要となる。また、ボールねじ機構で生じた振動や音は、ラック軸及び操舵軸を介してステアリングホイールへと伝達されるため、ドライバーに不快感を与えるおそれがある。そのため、ラックアシスト式ＥＰＳは、作動性、静音性に対する要求が高い。

特に、駆動モータをラック軸に対しオフセットさせ、ベルト減速機などの減速機構でボールねじ機構へ動力伝達を行う方式の電動パワーステアリング装置（以下、オフセット・ラックアシスト式ＥＰＳと称する）では、車載性を確保するために、ボールねじ機構を車両外側にレイアウトする場合が多く、ラック軸のラジアル荷重をボールねじ機構が受けるため、ボールねじ機構からの異音が発生しやすいという問題があった。

例えば、こま式ボールねじにおいて、ナット1回転に1位相で循環部分が存在する単列サーキットを、位相をずらして複数巻き配列し構成する。この場合、ナット最端に位置するサーキットの特定位相（循環部分の位相）では、ボールねじ機構のモーメント剛性が低くなり、ナット位相によってモーメント剛性が変化することになる。その結果、ボールねじ機構の駆動に伴ってラック軸が撓み、異音が発生する。
このような問題を解決するオフセット・ラックアシスト式ＥＰＳとして、外部デフレクタ式ボールねじの1サーキットを複列とし、ボールねじのモーメント剛性をナット位相に因らない設計とした装置が知られている（例えば、特許文献１）。

また、作動性、静音性を有するラックアシスト式ＥＰＳを得るために、外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、このねじ溝に対応するねじ溝を内周面に有するとともに、軸方向に貫通する転動体戻し通路を有してねじ軸に遊嵌されるナットと、両ねじ溝間と転動体戻し通路とを連通させる転動体循環路を有してナットの両端面に配置される循環部材とを備えたボールねじ機構において、転動体をねじの螺旋軌道の接線方向に転動体をすくい上げることで、転動体の循環を円滑に行う循環部材を備えた装置（例えば、特許文献２）、転動体との衝突音を低減するために、循環部材を高分子材料などの樹脂材料とする装置（例えば、特許文献３）などが知られている。

ここで、オフセット・ラックアシスト式ＥＰＳのボールねじ機構は、多くの場合、エンジンルーム内のエンジンや、排気管、トランスミッション等の熱源の近傍に搭載され、雰囲気温度が−４０℃から１２０℃以上に達する環境で使用されるとともに、ボールねじ機構の循環部品には、操舵に伴い転動体が連続的に衝突を繰り返す。
このような条件下で特許文献３の樹脂材料からなる循環部品を使用すると、低温雰囲気では樹脂材料の衝撃強さが低下し、転動体との衝突によりクラックなどが生じ易くなり、循環部品の破損の可能性が高くなる。また、高温雰囲気で特許文献３の樹脂材料からなる循環部品を使用すると、樹脂材料の引張強さが低下し、すくい上げ部などの破損といった不具合が生じるおそれがある。

そこで、低温雰囲気、或いは高温雰囲気であっても使用可能なボールねじ機構の循環部品として、ガラス繊維や炭素繊維を充填した強化樹脂からなるものが提案されている（例えば、特許文献４）。
しかし、この強化樹脂からなる循環部品は、転動体との連続的な衝突により表面に磨耗が生じると、充填されている繊維が循環部品の表面に露出して転動体の傷の要因となるおそれがあるとともに、脱落した繊維が噛み込まれることによる異音や作動不良の要因となるおそれがある。

特開２００５−３２６００９号公報特開２００６−０６９５１８号公報特開２００６−１５３２１６号公報特開２００４−１００７５６号公報

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、異音及び作動不良が防止されて信頼性の高い電動パワー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、一の実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、外周面にねじ溝を形成したねじ軸と、このねじ軸の前記ねじ溝に対応するねじ溝を内周面に形成するとともに、軸方向に貫通する転動体戻し通路を形成したナットと、前記ねじ軸のねじ溝と前記ナットのねじ溝とで形成される螺旋軌道及び前記転動体戻し通路に介装された多数の転動体と、前記螺旋軌道の一端から前記転動体を前記螺旋軌道の接線方向に掬い上げて前記転動体戻し通路へ導くとともに前記転動体戻し通路から前記螺旋軌道の他端へ案内する転動体循環軌道を形成する転動体循環部材とを有するボールねじ機構を備え、当該ボールねじ機構の前記ねじ軸を、ステアリング機構を構成するピニオン軸に螺合するラック軸に連結し、前記ナットを電動モータで回転駆動する電動パワーステアリング装置において、前記転動体循環軌道は、前記螺旋軌道上の掬い上げ点から、前記螺旋軌道の接線方向に伸ばした第１の直線と、前記転動体戻し通路の中心を通過する第２の直線と、これら第１及び第２の直線を繋ぐ曲線とで構成され、前記曲線の半径は、前記転動体の直径の５０％以上９０％以下に設定されている。

また、一の実施形態に係る発明は、請求項１記載の電動パワーステアリング装置において、ＢＣＤ（Ｂall Ｃircle Ｄiameter）をφ２５mm以上φ３２mm以下とし、前記転動体の直径をφ３．９６８mm以上φ５．０００mm以下とし、リードを６．０mm以上８．０mm以下とした。

以上説明したように、本発明に係る電動パワーステアリング装置によると、転動体循環軌道を、螺旋軌道上の掬い上げ点から螺旋軌道の接線方向に伸ばした第１の直線と、転動体戻し通路の中心を通過する第２の直線と、これら第１及び第２の直線を繋ぐ曲線とで構成し、曲線の半径を、転動体の直径の５０％以上９０％以下に設定したことで、ナットイナーシャが増加せず、ボールねじ機構に作用する端当て荷重が低減し、操舵フィーリングが向上するので、異音及び作動不良が防止されて信頼性が高い電動パワーステアリング装置を提供することができる。

本発明に係る操舵ギヤ機構を示す正面図である。図１の操舵ギヤ機構に適用するラック軸を示す正面図である。図１の電動パワーステアリング装置の要部断面図である。ボールねじ機構を示す要部断面図である。転動体循環部材を示す斜視図である。電動パワーステアリング装置を構成するボールねじ機構のボールねじナットの内部を示す図である。ボールねじナットに形成した転動体循環部材装着部を示す図である。ボールねじナットの循環経路を概略的に示した図である。球径比(曲線Ｒの半径とボールの直径との比）とイナーシャとの関係を示したグラフである。転動体循環部材のタング部の背面形状を設定する図である。複数種類の高分子材料の雰囲気温度と引張強さとの関係を示すグラフである。複数種類の高分子材料のボールねじ耐久試験後の形状を示すものである。複数種類の高分子材料のシャルピー衝撃強さを示すグラフである。複数種類の高分子材料のボールねじ耐久試験後の形状を示すものである。

以下、本発明を実施するための形態（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。
（電動パワーステアリング装置）
図１は、本発明に係る操舵ギヤ機構１を示すものであり、図２は、ラック軸を示す正面図である。
図１の操舵ギヤ機構１は、ピニオン機構２とラック機構３とを備えている。

ピニオン機構２はピニオンハウジング４に回転自在に支持されたピニオン軸５を備えている。このピニオン軸５は、図示しないステアリングシャフト等を介してステアリングホイールに連結されている。ラック機構３はラックハウジング６に摺動可能に支持されたラック軸７を備えている。ピニオン軸５とラック軸７は噛合しており、ピニオン軸５に伝達される回転力がラック軸７の直動力に変換される。
ラック軸７は、図２に示すように、ピニオン軸５が噛合するラック部８と、このラック部８の右方に形成された螺旋状のゴシックアーク断面形状のボールねじ溝９ａを有するボールねじ軸９とを備えている。

そして、ラック軸７の右端側にラックアシスト式の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ：Electric Power Steering、以下、ラックアシスト式ＥＰＳと称する）１０が配置されている。このラックアシスト式ＥＰＳ１０は、ボールねじ機構１１と、操舵補助用の電動モータ１２と、ボールねじ機構１１と電動モータ１２との間を連結する減速機構１３とで構成されている。このラックアシスト式ＥＰＳは、後述するボールねじ機構１１のボールねじ軸９及び電動モータ１２の軸線を平行に配置したオフセット式のラックアシスト式ＥＰＳ１０である。

電動モータ１２は、図３に示すように、ラックハウジング６の軸受収容部１６の半径方向外方に一体に形成されたモータ支持部１８のピニオン機構２側に固定支持され、その回転軸１２ａがモータ支持部１８に形成された貫通孔１８ａを通じて反対側に突出されている。この操舵補助用の電動モータ１２は、図１に示すように、モータ制御装置３０によって回転駆動される。このモータ制御装置３０は、ステアリングホイール（図示せず）に入力される操舵トルクを検出するトルクセンサ３０ａと、車速を検出する車速センサ３０ｂとを有し、トルクセンサ３０ａで検出した操舵トルク及び車速センサ３０ｂで検出した車速に基づいて操舵補助トルク指令値を算出し、算出した操舵補助トルク指令値に基づいて操舵補助用の電動モータ１２で必要な操舵補助トルクを発生させるモータ駆動電流を求め、このモータ駆動電流を操舵補助用の電動モータ１２に出力する。

さらに、減速機構１３は、図３に示すように、操舵補助用の電動モータ１２の回転軸１２ａの先端に取付けられた小径プーリ１９と、前述したボールねじナット１５の半径方向外方に一体に形成された大径プーリ２０と、小径プーリ１９及び大径プーリ２０との間に巻装されたタイミングベルト２１とで構成されている。
そして、小径プーリ１９と、大径プーリ２０、及びボールねじ溝９ａを覆うようにカバー２２が軸受収容部１６及びモータ支持部１８に例えばボルト締め等により固定されている。

ボールねじ機構１１は、図３に示すように、ラック軸７のボールねじ軸９のボールねじ溝９ａに転動体１４を介して螺合するボールねじナット１５を備えている。このボールねじナット１５は、ラックハウジング６の右端部に形成された軸受収容部１６に収容された転がり軸受１７によって回転自在に支持されている。この転がり軸受１７は、内輪１７ａがボールねじナット１５と一体に形成された内輪１７ａと、この内輪１７ａにボール１７ｂを介して連結され軸受収容部１６に固定支持された外輪１７ｃとで構成されている。

そして、ラックアシスト式ＥＰＳ１０は、操舵補助用の電動モータ１２の回転軸１２ａを回転駆動することにより、小径プーリ１９及び大径プーリ２０がタイミングベルト２１によってそれぞれ回転駆動され、これに応じてボールねじナット１５が回転駆動されるため、ボールねじ軸９すなわちラック軸７が直線駆動される。そして、ラック軸７のラック部８の左端部及びボールねじ軸９の右端部がそれぞれタイロッド２３を介して図示しない転舵輪に連結されている。

（ボールねじナット及び転動体循環部材）
図４に示すように、ボールねじ機構１１のボールねじナット１５の内周面には、転動体１４が転動するゴシックアーク断面形状のボールねじ溝１５ａが螺旋状に形成されている。また、ボールねじナット１５の軸方向の左右両端部には、一対の転動体循環部材３３を装着するための一対の転動体循環部３１Ａ，３１Ｂが形成されている。さらに、ボールねじナット１５の軸方向の左右両端部には、ボールねじナット１５の内周面のボールねじ溝１５ａと外周面との間を軸方向に通って左右両端部の一対の転動体循環部材装着部３１Ａ，３１Ｂの間を連通する転動体戻し通路３２が形成されている。
右端側の転動体循環部材装着部３１Ａは、図６及び図７（ｂ）に示すように、ボールねじナット１５の軸方向の一方の端面に開口した切欠凹部であり、平坦面３１ａと、湾曲面３１ｂ，３１ｃと、半円筒面３１ｄと、上面３１ｅとを備えた部材である。

平坦面３１ａは、ボールねじナット１５の軸方向の一方の端面のボールねじ溝１５ａの溝底部にほぼ連続して接線方向に転動体戻し通路３２の下面まで延長し、ボールねじナット１５の中心軸に対して平行に延在している。また、湾曲面３１ｂ，３１ｃは、平坦面３１ａの前端側（図６の手前側、図７（ｂ）の左側）に連続してボールねじ溝１５ａの両側に湾曲延長している。また、半円筒面３１ｄは、平坦面３１ａの後端側（図６の奥側、図７（ｂ）の右側）で連続し、転動体戻し通路３２の直径より大きい直径で形成されている。さらに、上面３１ｅは、半円筒面３１ｄの上端（図６の上側）からボールねじ溝１５ａの両側の内周面まで平坦面３１ａと平行に延長して形成されている。そして、半円筒面３１ｄの上面３１ｅに近い位置に半円筒面３１ｄより深さの浅い抜け止め凹部３１ｆがボールねじ溝１５ａに沿う方向に形成されている。

また、左端側の転動体循環部材装着部３１Ｂは、図６に示すように、ボールねじナット１５の軸方向の他方の端面に開口した切欠凹部であり、転動体循環部材装着部３１Ａと同様に平坦面３１ａ、湾曲面３１ｂ，３１ｃ、半円筒面３１ｄ及び上面３１ｅを備えている。そして、左端側から見た転動体循環部材装着部３１Ｂの各部位（平坦面３１ａ、湾曲面３１ｂ，３１ｃ、半円筒面３１ｄ及び上面３１ｅ）の配置位置は、右端側から見た転動体循環部材装着部３１Ａの各部位の配置位置と同一に形成されている。

そして、これらボールねじナット１５の軸方向の左右両端部に設けた一対の転動体循環部材装着部３１Ａ，３１Ｂに転動体循環部材３３が装着され、図５で示した転動体循環部材３３のこのタング部３３ｅの先端位置が、転動体循環部材装着部３１Ａ，３１Ｂの平坦面３１ａと湾曲面３１ｂ及び３１ｃとの境界位置より半円筒面３１ｄ側となるように設定されている。このため、タング部３３ｅで掬い取った転動体１４はボールねじ溝１５ａから離脱してボールねじ溝１５ａの底面より外周側となる転動体案内側板部３３ａ及び３３ｂ間の平坦面３１ａに接触することになり、タング部３３ｅが転動体１４を掬い上げることができる。

転動体循環部材３３は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、一対の転動体案内側板部３３ａ，３３ｂと、これら転動体案内側板部３３ａ及び３３ｂを連結する連結板部３３ｃとを備えている。
一対の転動体案内側板部３３ａ，３３ｂの側面形状（図５（ａ）の上方から見た形状）は、ボールねじナット１５の軸方向の両端面に切欠凹部として形成した一対の転動体循環部材装着部３１Ａ，３１Ｂの形状と略同一に形成されている。ここで、転動体案内側板部３３ａには、一対の転動体循環部材装着部３１Ａ，３１Ｂの抜け止め凹部３１ｆと同一形状の抜け止め凸部３３ｄが形成されている。

連結板部３３ｃは、図５（ａ）の右側から見て、一対の転動体案内側板部３３ａ，３３ｂの中間部から左側を連結し、転動体循環部材３３を門形に形成している。
また、連結板部３３ｃには、ボールねじ軸９のボールねじ溝９ａ内に非接触状態で挿入されて転動体１４を接線方向に掬い取るタング部３３ｅが形成されている。
そして、タング部３３ｅと転動体案内側板部３３ａ及び３３ｂとで囲まれて転動体戻し通路３２に転動体１４を案内する平面から見て略逆Ｌ字状に湾曲し、転動体戻し通路３２と対向する位置で開口する転動体循環路３３ｆが形成されている。

次に、転動体循環部材３３のより具体的な形状の決定、及び材料の決定のために必要な条件について説明する。
（ラックアシスト式ＥＰＳのボールねじ機構の諸元）
ラックアシスト式ＥＰＳ１０のボールねじ機構１１の諸元（ボールねじの耐久寿命、ラック軸外径、アシストモータからラック軸までの減速比といった設計要件）について説明する。

標準的な乗用車では、ラック軸７の曲げ強度及びラック＆ピニオンギヤの噛合い強度の確保の観点から、ラック軸７の外径はφ２５mm以上φ３２mm以下であり、ボールねじ機構の転動体１４のＢＣＤ（Ｂall Ｃircle Ｄiameter）もラック軸７の外径と略同様のφ２５mm以上φ３２mm以下となる。
転動体１４は、φ３．９６８mm以上φ５．０００mm以下のものを使用する。転動体１４の直径をφ３．９６８mmよりも小さくし過ぎると、定格荷重が低下する。またこれと同時に、循環経路内の球数が増え、転動体１４同士の競り合いが生じる。この結果、耐久性が低下するとともに、作動不良などが生じ易くなる。反対に転動体１４の直径がφ５．０００mmよりも大きくなると、ボールねじ機構１１の外寸が大きくことに加え、リードも大きくする必要があるため、後述する減速比の確保が困難になる。

リードは６．０mm以上８．０mm以下が一般的である。現在市場に流通する一般的な電動パワーステアリングのアシストモータからラック軸までの減速比は、概ね２．３mm/rev（モータ1回転当りのラックの移動量）以上３．０mm/rev以下である。これに対し、本実施形態のベルト減速機を用いたラックアシスト式ＥＰＳで同等の減速比を確保するためには、リードを６．０mm以上８．０mm以下とする。

なお、リードを６．０mm以上８．０mm以下とする理由は、ベルト減速機の減速比が概ね３．０以下の設計となるためであるが、その背景にはベルト減速機の従動プーリ外径、駆動プーリ外径の制約がある。従動プーリを大きくすると、ラックアシスト式ＥＰＳの外寸も大きくなり、車両搭載性が低下する。反対に、駆動プーリを小さくすると、噛合い歯数が減少して耐久性が低下するといった弊害が存在するため、ラックアシスト式ＥＰＳ１０のベルト減速比としては、３．０以上の設計とするのが困難となる。

次に、転動体循環部材３３の形状、材料を決定するための条件について説明する。
（転動体と転動体循環部材との衝突が起こる条件）
先ず、ドライバーが操舵をした際に、上述した諸元のボールねじ機構１１において、転動体１４と転動体循環部材３３との衝突が起こる条件について説明する。
説明に当り、具体的なボールねじ機構１１の諸元を以下の通り例示する。

＜ボールねじ機構の諸元＞
転動体１４のＢＣＤ：３０．０mm
転動体１４の直径： φ４．７６２５mm
リード：７．０
接触角：４５deg
すきま：無し

＜その他の条件＞
ラック＆ピニオン比ストローク５０．０mm/rev（ハンドル1回転当りのラック移動量）
ラックストローク７５．０mm（中立からストロークエンドまで）
耐久サイクル数１００，０００cycle
今、ハンドル回転速度３６０deg/secで操舵した場合について考える。ラック＆ピニオン比ストロークが５０．０mm/revであり、ハンドルを３６０deg/secで操舵すると、ラック軸７は５０．０mm/secで直動し、ボールねじ機構１１のボールねじナット１５は７．１４rev/sec（約４３０rpm）で回転する（ラック直動速度５０mm/sec÷ボールねじのリード７．０mm/rev）。

上記諸元で、ボールねじナット１５が４３０rpmで回転すると、転動体１４の公転速度は、おおよそ２４０rpmとなる。この時、ボールねじナット１５の回転方向と転動体１４の公転方向は同一方向であり、ボールねじナット１５と転動体１４の相対速度は約１９０rpmである。これを転動体１４のＢＣＤにおける周速に換算すると約３００mm/secであり、転動体１４はこの速度で転動体循環部材３３に導かれることとなる。なお、電動パワーステアリングの耐久試験条件としては、転舵速度３６０deg/sec程度が一般的であり、転動体循環部材３３の疲労強度を考える際には、この条件で計算するのが適当である。

また、疲労強度を考える際の繰返し数については、ラックストロークと耐久サイクル数から求まる。耐久サイクル当りのラック移動量３００mm（７５mm×4）、１０万サイクルでの総移動量３０kmから、ボールねじナット１５の総回転数は４．３×１０^６revとなる。なお、ボールねじナット１５の1回転当りの衝突回数は、転動体１４公転とボールねじナット１５の相対回転から、約８．４回と求まる。

転動体循環部材３３が転動体１４を掬い上げるのは一方の回転方向のみであり、逆転時は転動体循環部材３３からボールねじ溝１５ａに転動体１４を導くことになる。そのため、転動体１４と転動体循環部材３３の衝突が発生するのは、前述のボールねじナット１５の総回転数は４．３×１０^６revの内の半分であり、衝突回数は約１．８×１０^７回であることが求まる。
なお、乗用車の最も早い操舵条件は、危険回避などの際の急ハンドル操作で、８００deg/sec程度が一般的であり、この条件で転動体循環部材３３が破損しないことも求められる。

以上、代表的なボールねじ機構１１の諸元での計算概要を例示したが、転動体１４のＢＣＤが大きくなると、転動体１４の公転周速が速くなり、衝突荷重が増加する。また、転動体１４の直径が大きくなると重量が増え、衝突荷重が増加する。リードが小さくなると、ボールねじナット１５の回転速度が速くなり総回転数も増えるため、衝突荷重、衝突回数が増加する。加えて、接触角、ラジアルすきまの変化によっても転動体１４の公転速度が変化する。
そのため、本実施形態のラックアシスト式ＥＰＳ１０のボールねじ機構１１で使用される転動体循環部材３３の材料の決定に際しては、衝突エネルギーが最も大きくなる条件を前記範囲の中から選定した。

（転動体循環部材の具体的な形状）
次に、本実施形態のボールねじ機構１１で使用される転動体循環部材３３の具体的な形状について説明する。
転動体循環部材３３の循環軌道形状は、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、ボールねじ機構１１の螺旋軌道Ｐ上の掬い上げ点をＱとすると、循環軌道は、掬い上げ点Ｑから螺旋軌道Ｐの接線方向に伸ばした直線Ｓと、ボールねじナット１５に設けた転動体戻し通路３２の中心を通過する直線Ｔと、これら直線Ｓ，Ｔを繋ぐ曲線Ｒとで構成される。この循環軌道に沿って転動体１４を滑らかに循環させるため、転動体循環部材３３には、転動体１４の直径よりも溝幅が広い溝Ｕが設けられている。

溝Ｕの溝幅は、転動体１４の直径の１１５％以下が好ましい。より好ましくは１１０％以下である。これは、溝Ｕの溝幅が１１５％を超えると、転動体１４同士が競り合い、滑らかに循環しないためである。
また、直線Ｔの位置は、ボールねじナット１５のボールねじ溝１５ａとの位置関係および曲線Ｒの寸法によって設定される。

また、転動体循環部材３３が装着される転動体循環部材装着部３１Ａ（３１Ｂ）の形状は、掬い上げ点Ｑと、ボールねじナット１５に設けた転動体戻し通路３２の開口部の中心との間の距離Ｌ（図７（ｂ）参照）は、ボールねじ溝１５ａの溝底と干渉しない範囲とする必要がある。
また、図７（ａ）に示している、転動体循環部材３３の転動体案内側板部３３ｂが当接する転動体循環部材装着部３１Ａの当接面Ｙは、隣接するボールねじ溝１５ａと所定のクリアランスＣＬを必要とする。転動体循環部材３３の前述した、掬い上げ点Ｑから螺旋接線方向に伸ばした直線Ｓと、ボールねじナット１５に設けた転動体戻し通路３２の中心を通過する直線Ｔとを繋ぐ曲線Ｒの終端Ｒｅは、当接面Ｙよりも下側に位置させる。

このような制約の範囲内で曲線Ｒの寸法を大きくすると、ボールねじナット１５に設けた転動体戻し通路３２の開口部の位置は、必然的にボールねじナット１５の外周側に位置するため（図７（ｂ）で破線の円で記載した位置）、ボールねじナット１５の外径が大きくなってボールねじナット１５のイナーシャが増大する。
また、図７（ｂ）に示している、転動体循環部材装着部３１Ａの径方向の装着幅Ｖは、転動体循環部材３３の強度によって変化する。そして、前述したクリアランスＣＬを確保するためには、装着幅Ｖは小さいほうが有利であるが、装着幅Ｖを小さくすると転動体循環部材３３のタング背面が薄肉になって強度が低下するため、装着幅Ｖは、転動体１４の直径の１５０％以上２００％以下とする。

図９は、ボールねじ機構11の所定の諸元（転動体１４のＢＣＤ：３０．０mm、転動体１４の直径：φ４．７６２５mm、リード：７．０mm）で、図８で示した曲線Ｒの寸法（球径比：曲線Ｒの半径と転動体１４の直径との比）を変化させた際の、ボールねじナット１５のイナーシャと、イナーシャをラック軸７の質量に換算した結果を示した一例である。
ボールねじの巻き数によってボールねじナット１５の軸方向寸法が異なるため、絶対値は多少前後するものの、曲線Ｒの寸法とボールねじナット１５の外径の相関は一定であり、この例示から、曲線Ｒの寸法が、球径比９０％以上からナットイナーシャが急激に増加することがわかる。

ここで、ボールねじナット１５の外径を具体的に説明する。ＢＣＤ：３０．０mmに対して転動体１４の直径：φ４．７６２５mmであるから、螺旋軌道を転走する転動体１４の最外径はφ３４．７６２５mmである。ボールねじナット１５のボールねじ溝１５ａの溝直角形状が、接触角４５°、溝曲率半径２．７mmのゴシック溝とすると、ボールねじナット１５の溝底径は略φ３５mmとなる。ボールねじナット１５に設ける転動体戻し通路３２の穴径を、前述の溝Ｕの溝幅と同様の考え方でφ５．２mmとし、転動体戻し通路３２の穴径と、ボールねじ溝１５ａとの最小肉厚を１mm程度確保すると、転動体戻し通路３２のボールねじナット１５外径は、最低でもφ５０mm必要となる。

また、本実施形態のように、ボールねじナット１５を支持する転がり軸受１７の内輪１７ａをボールねじナット１５の外径に一体成形する場合や、プーリーなどの動力伝達構造をボールねじナット１５の外径側に成形する場合、ボールねじナット１５の外径は更に大きくなることとなる。なお、例えば特開２００４−９２８５５号公報、或いは特開２００６−１２５５４４号公報のように、曲線Ｒの曲率半径を転動体１４の直径以上として転動体１４を円滑に移動させて作動性を有利とする先行技術もあるが、図９のようにイナーシャが大きくなる。ＥＰＳ用のボールねじの場合、ボールねじ機構１１の諸元及び使用環境を前述のように限定し、それに適した循環経路の設計とすることで、作動性を損なうことなく、ボールねじを小型化してイナーシャを小とすることが可能となる。
したがって、本実施形態は、曲線Ｒの半径は、転動体１４の直径の５０〜９０％に設定されることが好ましい。

次に、ボールねじ軸９との干渉を回避する転動体循環部材３３の外形状について、図１０を参照して説明する。
転動体循環部材３３の外形状は、基本的にはボールねじ軸９のボールねじ溝９ａの溝直角断面形状に略倣った形状となる。
転動体循環部材３３の外周部Ｒｎ（転動体案内側板部３３ａ，３３ｂのボールねじ軸９と対向する部分）は、ボールねじナット１５の内径寸法に一致させて、ボールねじ軸９のランド部に対して所定のクリアランスを確保して対向するように形成されている。

また、転動体循環部材３３のタング部３３ｅの輪郭のうち、ボールねじ溝９ａに沿った方向の断面視形状をＲｓ、ボールねじ溝９ａに直角な断面視形状をＲｔとすると、Ｒｓ，Ｒｔは、転動体１４のＢＣＤに沿って形成されており、タング部３３ｅの背面とボールねじ軸９のボールねじ溝９ａの底部とのクリアランスが転動体１４の直径の２％以上１０％以下にすることが好ましい。

これは、タング部３３ｅの背面とボールねじ溝９ａの底部とのクリアランスが２％を下回ると、タング部３３ｅの先端の肉厚が薄くなり、転動体循環部材３３が破損しやすくなるためである。また、タング部３３ｅの背面とボールねじ溝９ａの底部とのクリアランスが１０％を上回ると、掬い上げ点がずれて転動体１４の循環が滑らかに行われないためである。
なお、Ｒｎ及びＲｔは連結部Ｒｆで滑らかに接続されており、連結部Ｒｆはボールねじ軸９と干渉しない範囲で大きく設定するのが好ましい。また、図１０では、背面部Ｒｔの形状を単一円弧としているが、ボールねじ溝９ａに倣ったゴシックなどとしてもよい。

転動体１４が転動体循環部材３３に衝突すると、図５及び図８で示すように、転動体循環部材３３のタング部３３ｅの先端（図５（ａ）の符号Ａで示す丸印の領域）と、転動体循環部材３３のタング部３３ｅの付け根（図５（ａ），（ｂ）の符号Ｂで示す丸印の領域）で衝突による応力が高くなり、転動体１４の循環方向が変わる転動体循環路３３ｆを臨む部位（図５（ｂ）の符号Ｃで示す丸印の領域）にも負荷がかかる。

（転動体循環部材の材料）
次に、本実施形態のボールねじ機構１１で使用される転動体循環部材３３の具体的な材料について説明する。
本実施形態の転動体循環部材３３は、高温（１２５℃）の雰囲気温度において３０ＭＰａ以上の引張強度を有する高分子材料で形成されている。この３０ＭＰａ以上の引張強度という値は、前述した条件の下、転動体１４と転動体循環部材３３の衝突エネルギーが最も大きくなる場合について、ＦＥＭ構造解析を行った結果、得られた値である。

また、本実施形態の転動体循環部材３３は、３．３ｋＪ/ｍ^２以上のシャルピー衝撃強さを有する高分子材料で形成されている。この３．３ｋＪ/ｍ^２以上のシャルピー衝撃強さという値も、前述した条件の下、転動体１４と転動体循環部材３３の衝突エネルギーが最も大きくなる場合について、ＦＥＭ構造解析を行った結果、得られた値である。

また、本実施形態の転動体循環部材３３は、ガラス繊維や炭素繊維などの強化繊維を含まない高分子材料で形成されている。転動体循環部材を繊維強化の高分子材料とすると、転動体１４との連続的な衝突により内部に充填されている繊維が露出して転動体１４の損傷、或いは脱落した繊維がボールねじ機構１１を循環して異音を発生するおそれがあるが、ガラス繊維や炭素繊維などの強化繊維を含まない本実施形態の転動体循環部材３３は、ボールねじ機構１１の異音及び作動不良の防止を図ることができる。
また、強化繊維を含まず、高温（１２５℃）の雰囲気において３０ＭＰａ以上の引張強さであり、シャルピー衝撃強さが３．３ｋＪ/ｍ^２以上の特性を有する高分子材料は、熱安定剤を加えると耐熱性を向上させることができる。

熱安定剤としては、例えば、銅系熱安定剤、フェノール系熱安定剤、リン系熱安定剤、硫黄系熱安定剤、又はアミン系熱安定剤のいずれかの単独物、またはこれらの混合物が挙げられる。銅系熱安定剤としては、塩化銅、臭化銅、ヨウ化銅、硫酸銅、燐酸銅等の無機物、又は酢酸銅、ステアリン酸銅、ミリスチン酸銅、ナフテン酸銅、パルミチン酸銅等の有機酸塩、並びにこれらの２種以上の混合物があり、フェノール系熱安定剤としては、N、N’−ヘキサメチレンビス(３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシ−ヒドロシンナマミド)、１，３，５−トリス(４−ｔ−ブチル−３−ヒドロキシ−２、６−ジメチルベンジル)イソシアネレート、トリエチレングリコール−ビス[３−(３−ｔ−ブチル−５−メチル−４−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、１−オキシ−３−メチル−４−イソプロピルベンゼン、又は２，６−ジ−ｔ−ブチル−４−エチルフェノールがあり、リン系熱安定剤としては、ジフェニルイソデシルホスファイト、ジフェニルイソオクチルホスファイト、トリフェニルホスファイト、トリイソデシルホスファイト、トリス(２，４−ジ−ｔ−ブチルフェニル)ホスファイト、テトラフェニルテトラ(トリヂシル)ペンタエリスリトールテトラホスファイト、環状ネオペンタンテトライルビス(２，４−ジ−ｔ−ブチルフェニルホスファイト)、ジステアリルペンタエリスリトールジホスファイト等の亜リン酸エステル系化合物があり、硫黄系熱安定剤としては、ジラウリルチオジプロピオネート、ジステアリルチオジプロピオネート、ジミリスチル−３、３’−チオジプロピオネート、ジトリデシル−３、３−チオジプロピオネート、又はジラウリルチオジプロピオネートがあり、アミン系熱安定剤としては、４，４−ジオクチルジフェニルアミン等のアルキル置換されたジフェニルアミン、又はN，N’−ジ−２−ナフチル−ｐ−フェニレンジアミン等の置換基を有するｐ−フェニレンジアミンを例示することができる。

さらに、本発明の目的を損なわない範囲内で、各種添加剤を配合しても良い。例えば、黒鉛、六方晶窒化ホウ素、フッ素雲母、四フッ化エチレン樹脂粉末、二硫化タングステン、二硫化モリブデン等の固体潤滑剤、無機粉末、有機粉末、潤滑油、可塑剤、ゴム、樹脂、紫外線吸収剤、難燃剤、帯電防止剤、顔料、染料を例示することができる。
そして、本実施形態の転動体循環部材３３を形成する際に用いられる樹脂組成物を得るための方法は特に限定されないが、母材である樹脂と添加剤を予めタンブラー、Ｖブレンダー、ヘンシェルミキサー等の予備混合機を用いて混ぜ合わせてから、短軸または二軸押出し機、ロール、加圧ニーダー、バンバリーミキサー、ブラベンダープラストグラフ等の従来からの公知の樹脂用混練り装置を用いて均一に混練りする、または、母材である原料樹脂と添加剤をそれぞれ別々に樹脂用混練り装置により混練りすることが可能である。

その混練り条件は、通常は母材である原料樹脂の軟化点または融点以上の温度で且つ、原料樹脂や各種添加剤が劣化を起こさない温度以下である。また、上記樹脂組成物を循環部品とするための製造方法は、樹脂組成物を金型の中で加圧しながら加熱すれば良く、圧縮成形、トランスファー成形、射出成形等の公知の樹脂成形方法により製造することができる。

（作用効果）
次に、本実施形態のボールねじ機構１１を備えたラックアシスト式ＥＰＳ１０の作用効果について、以下に述べる。

図８（ａ），（ｂ）で示したように、転動体循環部材３３の循環軌道は、螺旋軌道Ｐ上の掬い上げ点Ｑから螺旋軌道Ｐの接線方向に伸ばした直線Ｓと、ボールねじナット１５に設けた転動体戻し通路３２の中心を通過する直線Ｔと、これら直線Ｓ，Ｔを繋ぐ曲線Ｒとで構成されているとともに、曲線Ｒの半径は、転動体１４の直径の５０％以上９０％以下に設定されている。このように、曲線Ｒの半径を、転動体１４の直径の５０％以上９０％以下に設定したことで、図９で示したようにナットイナーシャが増加せず、ボールねじ機構１１に作用する端当て荷重が低減し、操舵フィーリングが向上するので、このボールねじ機構１１を備えたラックアシスト式ＥＰＳ１０は、異音及び作動不良が防止されて信頼性が高い装置を提供することができる。すなわち、ストロークエンドに突き当てる、或いは、縁石に当たるなどしてボールねじナット１５の回転が瞬間的に停止すると、ボールねじナット１５の慣性に応じてボールねじ機構１１には衝撃荷重（端当て荷重）が発生する。また、一般的に操舵系の慣性が大きければ大きいほど応答性が劣るため、操舵フィーリングも悪化する。ところが、本実施形態のようにナットイナーシャが増加しないと、ボールねじナット１５の外径が大きくなりがちなエンドデフレクタ式のボールねじ機構１１であっても、端当て荷重が低減し、操舵フィーリングが向上するのである。

また、本実施形態では、ボールねじ機構１１の転動体１４のＢＣＤをφ２５mm以上φ３２mm以下としたことで、ラック軸７の曲げ強度及びラック＆ピニオンギヤの噛合い強度を確保することができる。また、ボールねじ機構１１の転動体１４をφ３．９６８mm以上φ５．０００mm以下としたことで、転動体１４の耐久性を向上させ、減速比を確保することができる。さらに、ボールねじ機構１１のリードを６．０mm以上８．０mm以下としたことで、現在市場に流通する一般的な電動パワーステアリングのアシストモータからラック軸までの減速比を確保することができる。

（試験結果）
次に、図１１から図１４を用いて、本発明を更に具体的に説明する。
図１１は一般的な高分子材料（非繊維強化）の引張試験結果であり、図１２はその中から（Ａ）ＰＡ４６，（Ｂ）ＰＰＳ，（Ｃ）ＰＯＭ，（Ｄ）ＰＯＭで転動体循環部材３３を形成し、（Ａ）１２５℃，（Ｂ）１２５℃，（Ｃ）８０℃，（Ｄ）１２５℃の雰囲気中で耐久試験を行った結果である。なお、転動体循環部材３３の耐久試験は、転動体循環部材３３を用いたボールねじ機構１１のストローキング耐久を観るための試験を指し、その試験条件は前述のような一般的に電動パワーステアリング装置に要求されるものとした。

また、図１３は、同材料のシャルピー衝撃試験結果であり、図１４は図１２と同様の耐久試験結果を示したものである。図１４において、（Ａ）ＰＯＭ，（Ｂ）ＰＡ４６，（Ｃ）ＰＰＳで転動体循環部材３３を成形し、１２５℃の雰囲気中で試験を行った。なお、図１４に示す転動体循環部材３３は、ボールねじ軸９、ボールねじナット１５、転動体循環部材３３といった各部材間のミスアライメント、寸法ばらつきにより、タング部３３ｅの背面がボールねじ軸９のボールねじ溝９ａと干渉した状態で運転されたものである。
なお、引張試験、シャルピー衝撃試験の試験条件及び、試験材料の詳細は以下の通りである。

[試験材料]
ＰＯＭ（ポリアセタール）（商品名「ジュラコン M90-44」ポリプラスチックス（株））
ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）（商品名「ジュラネックス 2002」ポリプラスチックス（株））
ＰＡ６（ポリアミド６）（商品名「アミラン CM1017」東レ（株））
ＰＡ４６（ポリアミド４６）（商品名「Stanyl TW341」 DSMジャパンエンジニアリングプラスチックス（株））
ＰＡ６６（ポリアミド６６）（商品名「アミラン CM3001-N」東レ（株））
ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）（商品名「フォートロン 0220A9 」ポリプラスチックス（株））

[試験材料の成形条件]
ＰＯＭ（樹脂溶融温度：１９０〜２１０℃、金型温度：６０〜８０℃）
ＰＢＴ（樹脂溶融温度：２５０〜２７０℃、金型温度：４０〜８０℃）
ＰＡ６（樹脂溶融温度：２４５〜２８０℃、金型温度：８０℃）
ＰＡ４６（樹脂溶融温度：２８０〜３１０℃、金型温度：８０℃）
ＰＡ６６（樹脂溶融温度：２７０〜２９５℃、金型温度：８０℃）
ＰＰＳ（樹脂溶融温度：２９０〜３１０℃、金型温度：１５０℃）
また、引張試験及びシャルピー衝撃試験は以下に示す条件で行った。

[引張試験の条件]
試験方法はＩＳＯ０５２７−１，２に準ずる。
試験片の形状（mm）：全長×全幅１５０×２０
試験部：厚さ×幅×長さ（mm）４×１０×８０
試験速度：５０mm/min
試験温度（℃）：−４０、２３、８０、１２５

[シャルピー衝撃試験（ノッチ付き）の条件]
試験方法はＩＳＯ１７９／１ｅＡに準ずる。
試験片の形状（mm）：厚さ×幅×長さ４×１０×８０、ノッチ４５℃：２mm深さ
ハンマー速度：２．９m/sec
図１１の引張試験の結果によると、−４０℃から８０℃の雰囲気温度においては、例示したすべての試験材料で本発明に係る引張強さ３０ＭＰａ以上という条件を満足する。一方、雰囲気１２５℃では、ＰＯＭ，ＰＢＴ，ＰＡ６で引張強さが３０ＭＰａを下回り、本発明に係る上記条件を満足しない。

図１２の転動体循環部材３３の耐久試験では、材料の引張強さが３０ＭＰａを上回る条件（Ａ）ＰＡ４６（１２５℃）、（Ｂ）ＰＰＳ（１２５℃）、（Ｃ）ＰＯＭ（８０℃）では、転動体循環部材３３に損傷は認められない。一方、材料の引張強さが３０ＭＰａを下回る条件（Ｄ）ＰＯＭ（１２５℃）では、転動体循環部材３３に損傷が見られ、また、その損傷箇所も、タング部３３ｅの先端部及び付け根部が顕著である。これは、前述のＦＥＭ構造解析結果と一致する。

以上のことから、ラックアシスト式ＥＰＳ１０に用いるボールねじ機構１１における、転動体循環部材３３は、引張強さ３０ＭＰａ以上の材料で成形される必要があることが分かる。
また、図１１から明らかなように、高分子材料の引張強さは雰囲気温度の上昇に伴い低下するため、ラックアシスト式ＥＰＳ１０の使用環境温度である１２５℃で、引張強さを満足する必要がある。

なお、低温（−４０℃）から高温（１２５℃）までの雰囲気温度において引張強さが３０ＭＰａ以上となる高分子材料は、前述したＰＡ４６，ＰＡ６６，ＰＰＳの他に、ＰＡ１２、ＰＡ６１０、ＰＡ６１２、半芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミドポリアミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、パーフロロアルキルビニールエーテル（ＰＦＡ）などがある。
図１３はシャルピー衝撃試験の結果であり、各衝撃強さは図１３の付表の通りである。

図１４の転動体循環部材３３の耐久試験は、前述のように転動体循環部材３３のタング部３３ｅの背面とボールねじ軸９のゴシック溝を接触した状態で実施される。その結果、衝撃強さが本発明の好ましい範囲に係る３．３ｋＪ/ｍ^２以上の（Ａ）ＰＯＭ（１２５℃），（Ｂ）ＰＡ４６（１２５℃）では、タング部３３ｅの背面の摩耗が認められた。一方、衝撃強さが３．３ｋＪ/ｍ^２を下回る（Ｃ）ＰＰＳ（１２５℃）では、タング部３３ｅの背面に欠けが認められた。非繊維強化の高分子材料であれば、この程度の欠けであれば機能を大きく損なうことはないが、このような欠けは避けることが好ましい。

以上のことから、ラックアシスト式ＥＰＳ１０に用いるボールねじ機構１１における、転動体循環部材３３は、衝撃強さが３．３ｋＪ/ｍ^２以上の材料で成形される必要があることがわかる。
なお、シャルピー衝撃強さが３．３ｋＪ/ｍ^２以上となる高分子材料は、ＰＯＭ，ＰＡ６，ＰＡ４６，ＰＡ６６の他に、半芳香族ポリアミドなどがある。

なお、本発明のねじ軸がボールねじ軸９に対応し、本発明のねじ軸の外周面に形成したねじ溝がボールねじ溝９ａに対応し、本発明のナットがボールねじナット１５に対応し、ナットの内周面に形成したねじ溝がボールねじ溝１５ａに対応し、本発明の転動体が転動体１４に対応、本発明の第１の直線が直線Ｓに対応し、本発明の第２の直線が直線Ｔに対応している。

本発明の材料は、本実施形態のようなエンドデフレクタ式ボールねじ機構１１だけでなく、エンドキャップ式、チューブ式のようなタング部を備える転動体循環部材にも適用できる。ただし、ボールねじナットの位相によらず、十分なモーメント剛性を確保できる構成として、電動パワーステアリング装置に使用する場合には、転動体循環部材をエンドデフレクタとすることが好ましい。

１…操舵ギヤ機構、２…ピニオン機構、３…ラック機構、４…ピニオンハウジング、５…ピニオン軸、６…ラックハウジング、７…ラック軸、８…ラック部、９…ボールねじ軸、９ａ…ボールねじ溝、１０…電動パワーステアリング装置、１１…ボールねじ機構、１２…操舵補助用の電動モータ、１２ａ…回転軸、１３…減速機構、１４…転動体、１５…ボールねじナット、１５ａ…ボールねじ溝、１６…軸受収容部、１７…転がり軸受、１７ａ…内輪、１７ｂ…ボール、１７ｃ…外輪、１８…モータ支持部、１８ａ…貫通孔、１９…小径プーリ、２０…大径プーリ、２１…タイミングベルト、２２…カバー、２３…タイロッド、３０…モータ制御装置、３０ａ…トルクセンサ、３０ｂ…車速センサ、３１Ａ…転動体循環部材装着部、３１Ｂ…転動体循環部材装着部、３１ａ…平坦面、３１ｂ，３１ｃ…湾曲面、３１ｄ…半円筒面、３１ｅ…上面、３１ｆ…抜け止め凹部、３２…転動体戻し通路、３３…転動体循環部材、３３ａ，３３ｂ…転動体案内側板部、３３ｃ…連結板部、３３ｄ…抜け止め凸部、３３ｅ…タング部、３３ｆ…転動体循環路

Claims

外周面にねじ溝を形成したねじ軸と、このねじ軸の前記ねじ溝に対応するねじ溝を内周面に形成するとともに、軸方向に貫通する転動体戻し通路を形成したナットと、前記ねじ軸のねじ溝と前記ナットのねじ溝とで形成される螺旋軌道及び前記転動体戻し通路に介装された多数の転動体と、前記螺旋軌道の一端から前記転動体を前記螺旋軌道の接線方向に掬い上げて前記転動体戻し通路へ導くとともに前記転動体戻し通路から前記螺旋軌道の他端へ案内する転動体循環軌道を形成する転動体循環部材とを有するボールねじ機構を備え、当該ボールねじ機構の前記ねじ軸を、ステアリング機構を構成するピニオン軸に螺合するラック軸に連結し、前記ナットを電動モータで回転駆動する電動パワーステアリング装置において、
前記転動体循環軌道は、
前記螺旋軌道上の掬い上げ点から、前記螺旋軌道の接線方向に伸ばした第１の直線と、
前記転動体戻し通路の中心を通過する第２の直線と、
これら第１及び第２の直線を繋ぐ曲線とで構成され、
前記曲線の半径は、前記転動体の直径の５０％以上９０％以下に設定されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
ＢＣＤ（Ｂall Ｃircle Ｄiameter）をφ２５mm以上φ３２mm以下とし、前記転動体の直径をφ３．９６８mm以上φ５．０００mm以下とし、リードを６．０mm以上８．０mm以下としたことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。