JP2015094446A - 回転装置並びに車両用ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステップスリップ音を防止した回転装置を提供する。【解決手段】内周に円筒形状の第１嵌合面１１ａを有するハウジングと、第１嵌合面１１ａに隙間嵌めで嵌合された転がり軸受と、外周に円筒形状の第２嵌合面を有し、第２嵌合面が転がり軸受の内周に締まり嵌めで嵌合された回転軸とからなり、転がり軸受は、円筒形状で内周に外輪側軌道面を形成した外輪７１と、外輪７１の内周側に配置され、円筒形状で外周に内輪側軌道面を形成した内輪と、外輪側軌道面および内輪側軌道面上を転動する転動体とを有する回転装置において、第１嵌合面１１ａおよび外輪７１間の軸方向の接触幅をｂ、外輪７１の直径をａ、第１嵌合面１１ａおよび外輪７１間の静摩擦係数をμとし、ａ・ｂ／（ａ・ａ＋ｂ・ｂ）＞μの関係が成り立つように、接触長さａ、外輪７１の外径ｂを選定した。【選択図】 図３

Description

本発明は、転がり軸受を介して回転軸を回転可能に支持した回転装置に関する。また、この回転装置を適用した車両用ステアリング装置に関する。

回転装置を車両用ステアリング装置に適用したものとして、特許文献１に示すものがある。このものは、ギヤハウジングに一対の転がり軸受を介して出力軸が回転可能に支持され、出力軸の内周に入力軸およびトーションバーが同軸に配置され、出力軸の外周にウォームホイールが嵌合固定されている。

クリープを防止するために、一対の転がり軸受の一方は、外輪がギヤハウジングに締まり嵌めで嵌合され、内輪が出力軸に締まり嵌めで嵌合され、一対の転がり軸受の他方は、内輪が出力軸に締まり嵌めで嵌合されている。

組付け性およびアライメントエラーを吸収するために、一対の転がり軸受の他方は、外輪がギヤハウジングに隙間嵌めで嵌合されている。

特開２０１２−２１４２０８号公報

この隙間によって一対の転がり軸受の他方は、傾きながら軸方向に移動することができる。出力軸を介して一対の転がり軸受の他方にモーメントが作用し、モーメントによる摩擦力と、モーメントによる軸方向の力との関係で、外輪がギヤハウジングに固着したり、固着解放したりしてステップスリップ音が発生する。このステップスリップ音は、傾いた転がり軸受が戻り、外輪の外周がギヤハウジングの内周に当たる時の音である。本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、ステップスリップ音を防止した回転装置を提供することである。

請求項１に記載の発明は、内周に円筒形状の第１嵌合面を有するハウジングと、前記第１嵌合面に隙間嵌めで嵌合された転がり軸受と、外周に円筒形状の第２嵌合面を有し、前記第２嵌合面が転がり軸受の内周に締まり嵌めで嵌合された回転軸とからなり、前記転がり軸受は、円筒形状で内周に外輪側軌道面を形成した外輪と、前記外輪の内周側に配置され、円筒形状で外周に内輪側軌道面を形成した内輪と、前記外輪側軌道面および前記内輪側軌道面上を転動する転動体とを有する回転装置において、前記第１嵌合面および前記外輪間の軸方向の接触幅をｂ、前記外輪の外径をａ、前記第１嵌合面および前記外輪間の静摩擦係数をμとし、ａ・ｂ／（ａ・ａ＋ｂ・ｂ）＞μの関係が成り立つように、前記接触長さａ、前記外輪の直径ｂを選定したことを特徴とするものである。

請求項１の構成によれば、外輪およびハウジング間の摩擦力よりも、転がり軸受を軸方向に動かそうとする力の方が常に大きいので、ステップスリップ音を防止した回転装置を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、前記第１嵌合面が、前記ハウジングの前記内周に対し内径方向に突出しており、前記第１嵌合面の軸方向の長さが、前記接触長さａと同じであることを特徴とするものである。

請求項２の構成によれば、外輪およびハウジング間の摩擦力よりも、転がり軸受を軸方向に動かそうとする力の方が常に大きいので、ステップスリップ音を防止した回転装置を提供することができる。また、接触長さａに影響されずに最適な転がり軸受を選定できる。

請求項３に記載の発明は、前記回転軸を、他端がインターミディエイトシャフトの一端に回転連結され、一端がトーションバーの他端に回転連結された出力軸に適用し、前記ハウジングを、ウォームホイールを回転可能に支持したギヤハウジングに適用することによって、請求項１または請求項２に記載の回転装置を車両用ステアリング装置に適用したものである。

請求項３の構成によれば、外輪およびハウジング間の摩擦力よりも、転がり軸受を軸方向に動かそうとする力の方が常に大きいので、ステップスリップ音を防止した車両用ステアリング装置を提供することができる。

本発明によれば、外輪およびハウジング間の摩擦力よりも、転がり軸受を軸方向に動かそうとする力の方が常に大きいので、ステップスリップ音を防止した回転装置を提供することができる。

本発明の一実施形態における車両用ステアリング装置の側断面図。 本発明の一実施形態における図１の一部拡大図。 本発明の一実施形態における転がり軸受にかかる力の概略図。

本発明の一実施形態を、図１および図２にもとづいて説明する。

図１に示すように車両用ステアリング装置は、ステアリングチューブと、ステアリングチューブに回転可能に支持されたステアリングシャフトと、ステアリングチューブの他端に嵌合固定されたギヤハウジング１０と、ギヤハウジング１０に回転可能に軸承された入力軸３０と、ギヤハウジング１０に回転可能に軸承された出力軸３２と、一端が入力軸３０に回転連結され、他端が出力軸３２に回転連結されたトーションバー３１と、入力軸３０および出力軸３２の相対回転を検出するトルクセンサ５０と、出力軸３２の外周に嵌合固定されたウォームホイール４０と、ウォームホイール４０と噛合するウォーム４３と、ウォーム４３を回転駆動する図略の駆動モータとを有する。

ステアリングシャフトの一端には図略のハンドルが回転連結され、出力軸３２の他端には図略のインターミディエイトシャフトが回転連結されている。車両用ステアリング装置は、ハンドルの回転をインターミディエイトシャフトに伝える機能を有するとともに、駆動モータでパワーアシストする機能を有する。

ステアリングチューブは、円筒形状のアッパーチューブ２０と、円筒形状のロアチューブ２１と、アッパーチューブ２０の内周に設けられた樹脂シート２２からなっている。アッパーチューブ２０は、ロアチューブ２１より大径で、アッパーチューブ２０は、樹脂シート２２を介してロアチューブ２１に対し軸方向に進退可能に嵌合されている。ロアチューブ２１の他端は、ギヤハウジング１０に嵌合固定されている。アッパーチューブ２０は図略のアッパー側支持機構を介して図略の車両にテレスコ及びチルト可能に支持されている。

ステアリングチューブには、第１転がり軸受６０およびニードル軸受６５を介してステアリングシャフトが回転可能に軸承されている。ステアリングシャフトは、アッパーチューブ２０に第１転がり軸受６０を介して回転可能に軸承されるアッパーシャフト２５と、ロアチューブ２１に遊嵌されるロアシャフト２６とからなっている。ロアシャフト２６の一端外周はアッパーシャフト２５の他端内周にスプライン嵌合され、ロアシャフト２６は、アッパーシャフト２５に対し軸方向に進退可能にかつ回転伝達可能になっている。アッパーシャフト２５の一端には運転手が操作する図略のハンドルが連結され、ロアシャフト２６の他端は入力軸３０に嵌合固定されている。

ギヤハウジング１０は、鋳物で作られ、フロントハウジング１１と、フロントハウジング１１に図略のボルトを介して連結されたリアハウジング１２とからなっている。リアハウジング１２は、二股形状の支持ブラケット１３と、円盤形状のモータブラケット１４とを有する。支持ブラケット１３は図略のロア側支持機構を介して図略の車両に旋回可能に支持される。モータブラケット１４には、図略の駆動モータが取り付けられる。

ギヤハウジング１０に入力軸３０と出力軸３２が、互いに軸方向にずらして同軸回りに回転可能に軸承されている。入力軸３０は、ニードル軸受６５を介してフロントハウジング１１に回転可能に軸承され、樹脂製滑り軸受３６を介して出力軸３２に回転可能に軸承されている。出力軸３２は、第２転がり軸受７０を介してフロントハウジング１１に回転可能に軸承され、第３転がり軸受７５を介してリアハウジング１２に回転可能に軸承されている。

図１および図２に示すように第２転がり軸受７０は、転動体として玉を用いた玉軸受である。第２転がり軸受７０は、リング状で内周に外輪用軌道面を形成した第２外輪７１と、第２外輪７１の内周側に配置され、リング状で外周に内輪用軌道面を形成した第２内輪７２と、外輪用軌道面および内輪用軌道面を転動する複数の第２玉７３と、複数の第２玉７３を円周方向に間隔を空けて回転可能に保持する第２保持器７４とを有する。

フロントハウジング１１の内周には、内径方向に突出した円筒形状の第１嵌合面１１ａが形成され、第１嵌合面１１ａの軸方向両側でテーパ面が形成されている。第１嵌合面１１ａには、第２外輪７１が隙間嵌めで嵌合されている。第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１間には、１０μｍ〜２０μｍ程度の隙間を有している。

出力軸３２の一端外周には、円筒形状の第２嵌合面が形成され、第２嵌合面の他端側で外径方向に延びる第１段面が形成されている。第２嵌合面には、第２内輪７２が締まり嵌めで嵌合されている。第１段面には、第２内輪７２の他端面が当接している。

第３転がり軸受７５は、転動体として玉を用いた玉軸受である。第３転がり軸受７５は、リング状で内周に外輪用軌道面を形成した第３外輪７６と、第３外輪７６の内周側に配置され、リング状で外周に内輪用軌道面を形成した第３内輪７７と、外輪用軌道面および内輪用軌道面を転動する複数の第３玉７８と、複数の第３玉７８を円周方向に間隔を空けて回転可能に保持する第３保持器７９とを有する。

リアハウジング１２の内周には、円筒形状の第３嵌合面が形成され、第３嵌合面の他端側で内径方向に延びる第２段面が形成されている。第３嵌合面には、第３外輪７６が締まり嵌めで嵌合されている。第２段面には、第３外輪７６の他端面が当接している。第３外輪７６の一端面に当接する止め輪３７は、リアハウジング１２に形成された環状溝に嵌め込まれている。第２段面および止め輪３７によって、リアハウジング１２に対する第３外輪７６の軸方向の抜けを防止できる。

出力軸３２の中央外周には、円筒形状の第４嵌合面が形成され、第４嵌合面の一端側で外径方向に延びる第３段面が形成されている。第４嵌合面には、第３内輪７７が締まり嵌めで嵌合されている。第４段面には、第３内輪７７の一端面が当接している。第３内輪７７の他端面に当接する止めナット３８は、出力軸３２の外周に螺合されている。第４段面および止めナット３８によって、出力軸３２に対する第３内輪７７の軸方向の抜けを防止できる。

図１に示すようにトーションバー３１の一端は、入力軸３０の内周に圧入嵌合され、トーションバー３１の他端は、出力軸３２の内周に嵌合されている。出力軸３２の他端およびトーションバー３１の他端に連結ピン３３が打ち込まれ、出力軸３２およびトーションバー３１は、連結ピン３３を介して回転連結されている。

トルクセンサ５０は、入力軸３０の外周に圧入嵌合された樹脂製のカラー５５と、カラー５５に保持されたマグネット５４と、出力軸３２の外周に圧入嵌合された鉄製のカラー５３と、カラー５３に圧入嵌合された樹脂製の中継部材５２と、フロントハウジング１１に設けられた集中部材５１とからなっている。中継部材５２には、一対のコアが埋設され、集中部材５１には、一対の集中リングが埋設されている。入力軸３０および出力軸３２間の相対回転量を、マグネット５４の磁力が一対のコアを介して一対の集中リングで捉えられることによって検出している。入力軸３０および出力軸３２間の相対回転量の増加につれて、トーションバー３１の捩れトルクが増加するので、トルクセンサ５０によってトルクを検出することができる。

出力軸３２にはウォームホイール４０が嵌合固定され、このウォームホイール４０に図略のウォーム４３が噛合している。ウォーム４３は、図略の一対の転がり軸受を介してリアハウジング１２に回転可能に軸承されている。ウォーム４３は、図略の駆動モータの駆動軸が回転連結され、駆動モータの回転がウォーム４３、ウォームホイール４０を介して出力軸３２に伝えられるようになっている。駆動モータの回転力は、トルクセンサ５０で検出されたトルクの増加に応じて増加するようになっている。

支持ブラケット１３は図略のロア側支持機構を介して図略の車両に旋回可能に支持される。アッパーチューブ２０は図略のアッパー側支持機構を介して図略の車両にテレスコ及びチルト可能に支持されている。

次に上述した構成にもとづいて、入力軸３０および出力軸３２の組付け動作を説明する。

図１に示すように出力軸３２の外周に、ウォームホイール４０が締まり嵌めで嵌合される。出力軸３２の第２嵌合面に第２内輪７２が締まり嵌めで嵌合され、第１段面には第２内輪７２の他端面が当接する。さらに、出力軸３２の第２嵌合面に、樹脂製の中継部材５２を保持したカラー５３が圧入嵌合される。出力軸３２の一端内周に、樹脂製滑り軸受３６の外周が嵌め込まれる。こうして、ウォームホイール４０、第２転がり軸受７０、中継部品５２、樹脂製滑り軸受３６を取り付けた出力軸３２の組付け品が作られる。

リアハウジング１２の第３嵌合面に第３外輪７６が締まり嵌めで嵌合され、第２段面に第３外輪７６の他端面が当接する。リアハウジング１２の環状溝に止め輪３７が嵌め込まれ、止め輪３７に第３外輪７６の一端面が当接する。第２段面および止め輪３７によって、リアハウジング１２に対する第３外輪７６の軸方向の抜けを防止できる。こうして、第３転がり軸受７５を取り付けたリアハウジング１２の組付け品が作られる。

リアハウジング１２の組付け品に、出力軸３２の組付け品を組付ける。出力軸３２の第４嵌合面に、第３内輪７７が締まり嵌めで嵌合され、第４段面に第３内輪７７の一端面が当接する。出力軸３２の外周に止めナット３８が螺合され、止めナット３８に第３内輪７７の他端面が当接する。第４段面および止めナット３８によって、出力軸３２に対する第３内輪７７の軸方向の抜けを防止できる。こうして、出力軸３２の組付け品を取り付けたリアハウジング１２の大組付け品が作られる。

入力軸３０の内周にトーションバー３１の一端が圧入嵌合され、入力軸３０の外周にマグネット５４を保持したカラー５５が圧入嵌合される。こうして、トーションバー３１、マグネット５４を取り付けた入力軸３０の組付け品が作られる。

フロントハウジング１１の内周に、ニードル軸受６５の外周が締まり嵌めで嵌合される。こうして、ニードル軸受６５を取り付けたフロントハウジング１１の組付け品が作られる。

リアハウジング１２の大組付け品に、入力軸３０の組付け品を組付ける。トーションバー３１の他端外周が出力軸３２の内周に嵌合され、入力軸３０の他端外周が、樹脂製滑り軸受３６の内周に嵌合される。出力軸３２の他端およびトーションバー３１の他端に連結ピン３３が打ち込まれ、出力軸３２およびトーションバー３１は、連結ピン３３を介して回転連結されている。こうして、入力軸３０の組付け品を取り付けたリアハウジング１２の大々組付け品が作られる。

リアハウジング１２の大々組付け品に、フロントハウジング１１の組付け品を取付ける。第２外輪７１の外周が第１嵌合面１１ａに隙間嵌めで嵌合され、入力軸３０の外周がニードル軸受６５のニードルに隙間嵌めで嵌合される。フロントハウジング１１にリアハウジング１２が図略のボルトを介して連結される。こうして、中継部材５２の内周側にマグネット５４が配置されるとともに、フロントハウジング１１およびリアハウジング１２が一体化され、ギヤハウジング１０が構成される。

続いて、車両用ステアリング装置の使用状況を説明する。

図略のハンドルが操作されると、図１に示すようにアッパーシャフト２５が回転し、アッパーシャフト２５の回転は、ロアシャフト２６、入力軸３０、トーションバー３１、出力軸３２を介して図略のインターミディエイトシャフトに伝えられる。路面抵抗は、インターミディエイトシャフトを介して出力軸３２に伝えられる。ハンドルの操作と路面抵抗によって、トーションバー３１が捩られ、入力軸３０および出力軸３２間に相対回転が発生し、相対回転量、すなわちトルクがトルクセンサ５０によって検出される。

トルクセンサ５０の信号は図略の制御装置に入力され、トルクに応じた出力信号が制御装置から図略の駆動モータに印加される。駆動モータの回転は、ウォーム４３、ウォームホイール４０を介して出力軸３２に伝えられる。駆動モータは、トルクに応じた回転力を発生し、ハンドル操作をパワーアシストする。

続いて、第２転がり軸受７０および第３転がり軸受７５への力のかかり方を説明する。

駆動モータの回転力によって、図１に示すようにウォーム４３およびウォームホイール４０間に噛み合い力が発生する。噛み合い力によって、ウォームホイール４０の径方向の荷重が出力軸３２に作用する。径方向の荷重によって、出力軸３２に第３転がり軸受７５回りのモーメントが発生するとともに、出力軸３２に第２転がり軸受７０回りのモーメントが発生する。

図２に示すように第３転がり軸受７５は、リアハウジング１２の第３嵌合面に第３外輪７６が締まり嵌めで嵌合され、出力軸３２の第４嵌合面に第３内輪７７が締まり嵌めで嵌合されているので、出力軸３２に第３転がり軸受７５回りのモーメントが発生しても、リアハウジング１２に対する第３転がり軸受７５の軸方向の移動は発生せず、出力軸３２に対する第３転がり軸受７５の軸方向の移動は発生しない。

第２転がり軸受７０は、フロントハウジング１１の第１嵌合面１１ａに第２外輪７１が隙間嵌めで嵌合され、出力軸３２の第２嵌合面に第２内輪７２が締まり嵌めで嵌合されているので、出力軸３２に第２転がり軸受７０回りのモーメントが発生し、フロントハウジング１１に対する第２転がり軸受７０の軸方向の移動は発生しても、出力軸３２に対する第２転がり軸受７０の軸方向の移動は発生しない。

フロントハウジング１１の第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１の外周間の摩擦力よりも、フロントハウジング１１に対する第２転がり軸受７０の軸方向の力が常に上回っていれば、フロントハウジング１１の第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１の外周間にステップスリップ音が発生しない。

これから、フロントハウジング１１の第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１の外周間にステップスリップ音が発生しないための条件を見いだす。

図３に示すように第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１の外周間の接触幅をｂ、第２外輪７１の外径をａ、第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１の外周間の角度をα、第２外輪７１の対角線および第２外輪７１の径方向間の角度をθとする。

出力軸３２に第２転がり軸受７０回りのモーメントが発生すると、フロントハウジング１１の第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１の外周間の隙間分だけ、第２転がり軸受７０が傾き、第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１の外周間の接触箇所で垂直抗力Ｎが発生する。

垂直抗力Ｎは、対角線方向の力と、対角線に垂直な力に分解できる。対角線に垂直な力は、Ｎ・ｓｉｎ（θ−α）で表すことができる。対角線に垂直な力は、第１嵌合面１１ａと平行な力と、第１嵌合面１１ａと垂直な力に分解できる。第１嵌合面１１ａと平行な力は、Ｎ・ｓｉｎ（θ−α）・ｃｏｓ（θ−α）で表すことができる。フロントハウジング１１の第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１の外周間の隙間は非常に小さいので、角度αは、角度θに比べて非常に小さく、第１嵌合面１１ａと平行な力は、近似してＮ・ｓｉｎθ・ｃｏｓθで表すことができる。

第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１の外周間の静摩擦係数をμとすると、第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１の外周間の静摩擦力は、μ・Ｎで表すことができる。

Ｎ・ｓｉｎθ・ｃｏｓθが、μ・Ｎより上回っていれば、フロントハウジング１１の第１嵌合面１１ａに第２外輪７１間にステップスリップ音が発生しない。すなわち、次式で表すことができる。
Ｎ・ｓｉｎθ・ｃｏｓθ＞μ・Ｎ
両側のＮを省略し、
ｓｉｎθ・ｃｏｓθ＞μ
ｓｉｎθ、ｃｏｓθをａ、ｂに置き換えて、
ａ・ｂ／（ａ・ａ＋ｂ・ｂ）＞μ

ａ・ｂ／（ａ・ａ＋ｂ・ｂ）＞μを満たすようなａ、ｂを選定すれば、第１嵌合面１１ａに対して第２外輪７１が常に軸方向に移動する。言い換えれば、第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１の外周間の静摩擦力によって、第１嵌合面１１ａに対する第２外輪７１の軸方向に移動が停止し、軸方向に移動の力が摩擦力より上回って初めて、第１嵌合面１１ａに対して第２外輪７１が軸方向に移動し、第２外輪７１が回転して第１嵌合面１１ａに対して第２外輪７１の外周が衝突するステップスリップ音が発生しない。

本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

上述した実施形態は、第１嵌合面１１ａの軸方向の長さを、第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１間の接触幅ｂとした。他の実施形態として、第１嵌合面１１ａが、フロントハウジング１１の内周に対し内径方向の突出していなく、同一の径であれば、第２外輪７１の軸方向の幅が、第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１間の接触幅ｂとなる。

上述した実施形態は、第１嵌合面１１ａの軸方向の長さを、第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１間の接触幅ｂとした。他の実施形態として、第１嵌合面１１ａが、フロントハウジング１１の内周に対し内径方向の突出していなく、第２外輪７１の外周の一部が外径方向に突出して被嵌合面を形成すれば、被嵌合面の軸方向の長さが、第１嵌合面１１ａおよび第２外輪７１間の接触幅ｂとなる。

１１：フロントハウジング（ハウジング）、１１ａ：第１嵌合面、１２：リアハウジング（ハウジング）、３２：出力軸（回転軸）、７０：第２転がり軸受（転がり軸受）、７１：第２外輪（外輪）、第２内輪７２（内輪）、７３：第２玉（転動体）

Claims (3)

1. 内周に円筒形状の第１嵌合面を有するハウジングと、前記第１嵌合面に隙間嵌めで嵌合された転がり軸受と、外周に円筒形状の第２嵌合面を有し、前記第２嵌合面が転がり軸受の内周に締まり嵌めで嵌合された回転軸とからなり、前記転がり軸受は、円筒形状で内周に外輪側軌道面を形成した外輪と、前記外輪の内周側に配置され、円筒形状で外周に内輪側軌道面を形成した内輪と、前記外輪側軌道面および前記内輪側軌道面上を転動する転動体とを有する回転装置において、
   前記第１嵌合面および前記外輪間の軸方向の接触幅をｂ、前記外輪の直径をａ、前記第１嵌合面および前記外輪間の静摩擦係数をμとし、
   ａ・ｂ／（ａ・ａ＋ｂ・ｂ）＞μの関係が成り立つように、前記接触長さａ、前記外輪の外径ｂを選定したことを特徴とする回転装置。
2. 前記第１嵌合面は、前記ハウジングの前記内周に対し内径方向に突出しており、前記第１嵌合面の軸方向の長さが、前記接触幅ｂと同じであることを特徴とする請求項１に記載の回転装置。
3. 前記回転軸を、他端がインターミディエイトシャフトの一端に回転連結され、一端がトーションバーの他端に回転連結された出力軸に適用し、前記ハウジングを、ウォームホイールを回転可能に支持したギヤハウジングに適用することによって、請求項１または請求項２に記載の回転装置を適用した車両用ステアリング装置。

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