JP2014077459A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作動性を良好とし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。
【解決手段】鋼材からなるナット１５に、強化繊維を含まない高分子材料からなる転動体循環部材３３が嵌まり込む凹形状の循環部材装着部３１Ａ（３１Ｂ）を形成した。また、転動体循環部材を、強化繊維を含まない高分子材料で形成した。さらに、循環部材装着部内に装着した転動体循環部材の所定位置に、循環部材装着部との間にクリアランスＣ１〜Ｃ３を設けた。
【選択図】図１１

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ヤによりラック軸の直線運動に変換されて、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、この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。

ボールねじ機構は、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転動体を介して螺合されるナットと、転動体循環路を設けた転動体循環部材と、ナットの軸方向端部に凹形状として形成され、転動体循環部材を内部に装着することで両ねじ溝間と転動体戻し通路とを転動体循環路で連通させる転動体循環部材装着部とを備えた装置である。
ボールねじ機構のナットは鋼材であり、転動体循環部材は、耐久性及び耐衝撃性を高めるために高分子材料で形成される場合がある。

このようなボールねじ機構において、室温で転動体循環部材をナットの軸方向端部に形成した転動体循環部材装着部にスキマを設けずに装着すると、温度上昇により高分子材料からなる転動体循環部材と鋼材からなるナットの間に熱膨張差が生じ、転動体循環部材が転動体循環部材装着部に収まらず、ナットの軸方向やナットの内径側に変位する場合がある。また、転動体循環部材が吸水性を有する高分子材料で成形される場合には、吸水により転動体循環部材が膨張し、転動体循環部材装着部に収まりきらず、ナットの軸方向やナットの内径側に変位する場合がある。

このように、転動体循環部材がナットに対して変位すると、転動体の掬い上げ点のずれ、転動体循環部材装着部への転動体循環部材の装着不良、ボールねじ軸と転動体循環部材との干渉といった不具合が発生し、ボールねじ機構の作動性が悪化するおそれがある。
転動体循環部材の変位を防止する方法として、例えば特許文献１，２に示すものが知られている。しかし、これら特許文献１，２は、転動体循環部材がナットの軸方向に変位するのを抑制することができるが、転動体循環部材がナットの内径側に変位するのを抑制することができない。

実用新案登録３０３４０５２号 特開２００３−３２９０９８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、作動性を良好とし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、鋼材からなる前記ナットに、前記転動体循環部材が嵌まり込む凹形状の循環部材装着部を形成し、前記転動体循環部材を、強化繊維を含まない高分子材料で形成するとともに、前記循環部材装着部内に装着した前記転動体循環部材の所定位置に、前記循環部材装着部との間にクリアランスを設けた。

また、一の実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、前記クリアランスが、前記転動体の直径の３％以上１０％以下であることが好ましい。
また、一の実施形態に係るボールねじ機構は、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以下とすることが好ましい。

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は、鋼材からなるナットに、転動体循環部材が嵌まり込む凹形状の循環部材装着部を形成し、転動体循環部材を、強化繊維を含まない高分子材料で形成するとともに、循環部材装着部内に装着した転動体循環部材の所定位置に、循環部材装着部との間に部分的にクリアランスを設けたボールねじ機構を備えている。このボールねじ機構は、耐久性及び耐衝撃性を確保するとともに、温度上昇や吸水により膨張した転動体循環部材がナットの軸方向やナットの内径側に変位するのが抑制されるので、このボールねじ機構を備えた電動パワーステアリング装置は、作動性を良好として信頼性を高くすることができる。

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。 転動体循環部材のタング部の背面形状を説明する図である。 ボールねじナットに嵌合した転動体循環部材の様子を示す図である。 転動体循環部材装着部に転動体循環部材を装着した状態を示す図である。

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ＥＰＳ１０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。

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９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９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。

（転動体循環部材と転動体循環部材装着部のクリアランス）
次に、転動体循環部材３３と、ボールねじナット１５に形成した転動体循環部材装着部３１Ａのクリアランスについて説明する。なお、転動体循環部材装着部３１Ｂも、転動体循環部材装着部３１Ａと同一構造である。
図１０は、転動体循環部材装着部３１Ａに装着した転動体循環部材３３と、螺旋軌道Ｐとの関係を表す図であり、図１１は、転動体循環部材装着部３１Ａに転動体循環部材３３を装着した状態を示す図である。

図１０の寸法Ｘ１は、転動体循環部材装着部３１Ａの平坦面３１ａに対向する転動体循環部材３３の第１対向面３３ｇから掬い上げ点ＱまでのＯＱ方向の寸法であり、この寸法Ｘ１は、図８で示した転動体循環部材３３の溝Ｕの溝幅の決定と同様の思想で、溝Ｕの深さは転動体１４の直径の１１０％以下に設定されている。
また、転動体循環部材装着部３１Ａの上面３１ｅに対向する転動体循環部材３３の第２対向面３３ｈと第１対向面３３ｇとの間の寸法Ｘ２は、転動体循環部材３３のタング部３３ｅの強度を確保できる範囲とし、転動体１４の直径の１５０〜２００％に設定されている。また、寸法Ｘ２を、転動体循環部材装着部３１Ａの加工に用いる刃物の外寸法と略同等の値とすることで、加工工数を減らすことができる。

また、図１１の符号３１ｇで示す転動体循環部材装着部３１Ａの円弧面は、寸法Ｘ２を直径とした円弧で形成されており、湾曲面３１ｂ（３１ｃ）も、その中心を、ボールねじナット１５の中心Ｏと掬い上げ点Ｑとを結んだ直線上に位置して寸法Ｘ２を直径とした円弧で形成されている。
転動体循環部材装着部３１Ａの抜け止め凹部３１ｆは、転動体循環部材３３がボールねじナット１５の内径側に倒れ込むことを防止する形状である。詳細な形状寸法は規定しないが、ボールねじナット１５の内径や外径、隣接するボールねじ溝１５ａに干渉しない形状であるとともに、ボールねじナット１５の加工時の刃物剛性を考慮し、極力幅を広くすることが望ましい。

前述したボールねじ機構１１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、転動体循環部材３３の概要を設計すると、寸法Ｘ１＝２．５mm、寸法Ｘ２＝８．０mm、転動体循環部材３３の抜け止め凸部３３ｄを除いた部分の掬い上げ点Ｑにおける螺旋軌道Ｐの接線と平行な方向の寸法Ｚ＝２１．５mmの転動体循環部材３３となる。
強化繊維を含まない高分子材料であるＰＡ４６やＰＡ６６の線膨張係数は８〜１０×１０^−５であり、室温２０℃から１２０℃まで温度が変化すると、転動体循環部材３３に寸法変化が生じる。例えば上記寸法を有する転動体循環部材３３の場合、寸法Ｚは０．１７mmほど大きくなる。

この様な寸法変化が発生すると、転動体循環部材３３は、寸法Ｘ２が膨張した分、ボールねじナット１５の内径側に変位するとともに、寸法Ｚが膨張することで湾曲面３１ｂ（３１ｃ）から転動体循環部材３３の転動体案内側板部３３ａ，３３ｂが競り出すような形でボールねじナット１５の内径側に変位する。転動体循環部材３３が変位すると、タング部３３ｅの位置がボールねじナット１５の内径側にズレ、転動体１４の掬い上げが円滑に行われなくなる可能性がある。また、変位量が大きくなると、転動体循環部材３３とボールねじ軸９が干渉するおそれがある。

これに対し、本発明に係る転動体循環部材３３は、図１１に示すように、転動体循環部材装着部３１Ａとの間にクリアランスを設けて装着される。なお、図１１では、実際の大きさとは関係なく、判別しやすいようにクリアランスを大きく図示している。
転動体循環部材３３の熱膨張の対策としては、高分子材料からなる転動体循環部材３３の線膨張係数と、鋼材からなるボールねじナット１５の線膨張係数の差から，室温から高温まで環境が変化した際の寸法変化量の相互差を求め、この相互差以上のクリアランスを設けることが好ましい。

また、吸水膨張の対策としては，高分子材料の吸水膨張率から吸水による寸法変化量を求め、この寸法変化量以上のクリアランスを設けるのが好ましい。
また、熱膨張及び吸水膨張の両方が想定される場合には、これらを複合した条件下での寸法変化量を見越したクリアランスを設けるのが好ましい。
本実施形態では、転動体循環部材装着部３１Ａの湾曲面３１ｂ（３１ｃ）と、転動体循環部材３３の転動体案内側板部３３ａ、３３ｂとの間に、転動体循環部材３３の寸法変化量を見越したクリアランスＣ１を設けている。

このクリアランスＣ１は、掬い上げ点Ｑにおける螺旋軌道Ｐの接線方向に設けられ、螺旋軌道Ｐから転動体戻し通路３２へ転動体１４を案内する転動体案内側板部３３ａ，３３ｂのせり出しを防止できるように設けられた隙間である。
また、クリアランスＣ１は、転動体循環部材３３の前記接線方向の伸びを吸収できる隙間であり、位置決めのために接線方向の一端側のみに設けられることが好ましい。そして、転動体循環部材３３は、接線方向において、転動体案内側板部３３ａ，３３ｂに対して逆側の転動体循環部材装着部３１Ａの円弧面３１ｇと接触する部分で位置決めされることが好ましい。

湾曲面３１ｂ（３１ｃ）及び転動体案内側板部３３ａ、３３ｂは、ボールねじ軸９のボールねじ溝９ａ及びボールねじ溝１５ａにより形成された螺旋軌道から転動体循環部材３３の転動体循環路３３ｆへ転動体１４を導入する部分である。
前述したクリアランスＣ１を設けた範囲では、転動体１４がボールねじ軸９のボールねじ溝９ａから離間する過程にある。そのため、湾曲面３１ｂ（３１ｃ）及び転動体案内側板部３３ａ、３３ｂでは、転動体１４はボールねじ軸９のボールねじ溝９ａに位置が規制されており、前述したクリアランスＣ１によって転動体１４の循環が妨げられることはない。

また、本実施形態では、転動体循環部材装着部３１Ａの平坦面３１ａと転動体循環部材３３の第１対向面３３ｇとの間の一部にクリアランスＣ２を設けている。
このクリアランスＣ２は、ＯＱ方向に設けられ、転動体循環部材３３の内径側への変位を防止し、転動体循環部材３３のＯＱ方向の伸びを吸収する隙間である。
また、クリアランスＣ２は、位置決めのためにＯＱ方向の一端側のみに設けられ、タング部３３ｅから遠いＯＱ方向の端面である第１対向面３３ｇ側に設けることが好ましく、特に、タング部３３ｅから近い方向の端面である第２対向面３３ｈで転動体循環部材３３の位置決めを行うことが好ましい。

平坦面３１ａと第１対向面３３ｇの全域が当接している場合、図１０で示した寸法Ｘ２（第１対向面３３ｇと第２対向面３３ｈとの間の寸法）が膨張すると、転動体循環部材３３がボールねじナット１５の内径側に変位する。これに対し、平坦面３１ａと第１対向面３３ｇとの間の一部にクリアランスを設けていると、転動体循環部材装着部３１Ａの上面３１ｅによって転動体循環部材３３のボールねじナット１５の内径側への変位が規制され、このクリアランスが転動体循環部材３３の寸法変化を許容する。なお、クリアランスＣ２を設ける位置は、転動体循環部材３３の循環経路の隅部に設ける。その結果、クリアランスＣ２が転動体１４の循環に影響を与えることはない。

さらに、本実施形態は、転動体循環部材装着部３１Ａの抜け止め凹部３１ｆと転動体循環部材３３の抜け止め凸部３３ｄとの間にクリアランスＣ３を設けている。
このクリアランスＣ３は、転動体循環部材３３が抜け止め凸部３３ｄを備え、転動体循環部材装着部３１Ａが抜け止め凹部３１ｆを備える場合に設けることが好ましく、抜け止め凸部３３ｄの膨張による転動体循環部材３３の変位を防止することができる。

そして、抜け止め凹部３１ｆと抜け止め凸部３３ｄとの間にクリアランスが無い場合、転動体循環部材３３が膨張変形すると、抜け止め凸部３３ｄの行き場がなくなり、抜け止め凹部３１ｆから押し出される方向に移動する。この結果、転動体循環部材３３がボールねじナット１５の内径側に変位する。これに対し、本実施形態ではクリアランスＣ３により寸法変化を許容できる。

ここで、これらクラアランスＣ１〜Ｃ３の大きさ（転動体循環部材３３と転動体循環部材装着部３１Ａ，３１Ｂの対向する部分の間の距離）は、転動体１４の直径の３％以上１０％以下にするのがより好ましい。この理由は、前述の通り、ラックアシスト式ＥＰＳ１０のボールねじ機構１１の諸元は大凡限られ、転動体１４と転動体循環部材３３との寸法の相関関係は、ほぼ一義的に決まる。そのため、クリアランスＣ１〜Ｃ３の範囲を前述のようにすることで、転動体循環部材３３の寸法変化を許容するとともに、転動体循環部材３３の強度を確保することが可能になるからである。

なお、上述のクリアランスＣ１〜Ｃ３を設ける位置は、転動体循環部材３３の詳細な形状によって適宜変更可能である。例えば、クリアランスを限定された範囲に形成したり、一箇所に形成することも可能である。また、この様な高分子材料からなる成形品は射出成形によって成形されるのが一般的である。このような成形品の線膨張係数や吸水寸法変化率は材料の流れる方向によって異なる。そのため、ゲート位置などによって、各部の必要クリアランス量を適切に調整することが好ましい。また、転動体循環部材３３の固定方法については、本実施形態では特に規定しないが、ボールねじナット１５の軸方向の寸法変化を許容、または規制できる固定方法が好ましい。

また、クリアランスＣ１〜Ｃ３の全てを設けず、それらのうち一つ又は二つを設けても良い。また、転動体循環部材装着部３１Ａに対する転動体循環部材３３の位置決めは、互いに平行でない転動体循環部材装着部３１Ａの円弧面３１ｇと上面３１ｅを使用して行うことが好ましい。

（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。
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としているので、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。

ここで、ボールねじ機構１１を構成する高分子材料からなる転動体循環部材３３は、鋼材からなるボールねじナット１５と比較して線膨張係数が大きく、高温時には、転動体循環部材装着部３１Ａ（３１Ｂ）に装着した転動体循環部材３３の寸法が大きくなる。特に、ラックアシスト式ＥＰＳ１０は、エンジンルーム内のエンジンの近傍に搭載されるので、温度環境の幅が広く、−４０℃から１２５℃程度までの環境温度となる。そして、強化繊維を含まない高分子材料は、繊維強化品に比べ線膨張係数が大きい。さらに、本実施形態のようなＰＡ４６，ＰＡ６６の高分子材料は、吸水による膨張率が高い。

そこで、本実施形態のボールねじ機構１１は、転動体循環部材装着部３１Ａ（３１Ｂ）の湾曲面３１ｂ（３１ｃ）と転動体循環部材３３の転動体案内側板部３３ａ、３３ｂとの間にクリアランスＣ１を設け、転動体循環部材装着部３１Ａ（３１Ｂ）の平坦面３１ａと転動体循環部材３３との間の一部にクリアランスＣ２を設け、転動体循環部材装着部３１Ａ（３１Ｂ）の抜け止め凹部３１ｆと転動体循環部材３３の抜け止め凸部３３ｄとの間にクリアランスＣ３を設けている。この結果、温度上昇や吸水により膨張した転動体循環部材３３が、ボールねじナット１５の軸方向や、内径側に変位するのを抑制することができる。

これにより、転動体循環部材装着部３１Ａ（３１Ｂ）に装着されている転動体循環部材３３は、ボールねじ軸９のボールねじ溝９ａ及びボールねじナット１５のボールねじ溝１５ａの間に形成された螺旋軌道を転動してきた転動体１４を掬い上げて転動体戻し通路３２にスムーズに案内することができる。
したがって、本実施形態のボールねじ機構１１は、耐久性及び耐衝撃性を確保し、温度上昇や吸水により膨張した転動体循環部材３３がボールねじナット１５の軸方向や内径側に変位するのを抑制することができるので、このボールねじ機構１１を備えたラックアシスト式ＥＰＳ１０は、信頼性が高い装置を提供することができる。

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以下の範囲としたことで、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以下の範囲としたことで、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。

なお、リードを６．０mm以上８．０mm以下の範囲とするのは、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、駆動プーリの外径に制約がある。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。

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に対応し、本発明の循環部材装着部が転動体循環部材装着部３１Ａ，３１Ｂに対応し、本発明のクリアランスがクリアランスＣ１〜Ｃ３に対応している。

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…ボール、１５…ボールねじナット、１５ａ…ボールねじ溝、１６…軸受収容部、１７…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…湾曲面、３１ｄ…半円筒面、３１ｅ…上面、３１ｆ…抜け止め凹部、３１ｇ…転動体循環部材装着部の円弧面、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、３３ｇ…第１対向面、３３ｈ…第２対向面、Ｃ１〜Ｃ３…クリアランス

Claims (3)

1. 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、
   鋼材からなる前記ナットに、前記転動体循環部材が嵌まり込む凹形状の循環部材装着部を形成し、
   前記転動体循環部材を、強化繊維を含まない高分子材料で形成するとともに、
   前記循環部材装着部内に装着した前記転動体循環部材の所定位置に、前記循環部材装着部との間にクリアランスを設けたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記クリアランスは、前記転動体の直径の３％以上１０％以下である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。
3. 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又は２記載の電動パワーステアリング装置。

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