JP2015113962A - ボールねじ機構及びステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ねじ軸及びナットを滑らかに動作させることのできるボールねじ機構を提供する。
【解決手段】このボールねじ機構は、外周面に螺旋状のねじ溝４５が形成されたラックシャフト４２と、ラックシャフト４２のねじ溝４５に対向する螺旋状のねじ溝８１が形成された円筒状のナット８０と、ラックシャフト４２のねじ溝４５とナット８０のねじ溝８１とにより囲まれる空間からなる螺旋状の転動路Ｒに配置される複数のボール８２とを備える。転動路Ｒには、所定間隔Ｌをおいて絞り部８５が形成されている。所定間隔Ｌは、転動路Ｒの絞り部８５が形成されていない部分に配置される各ボール８２の中心を通る軸線ｍ上でボール８２の直径Ｄｗよりも長く設定されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、ボールねじ機構、及びボールねじ機構を備えるステアリング装置に関する。

この種のステアリング装置としては、特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置がある。特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置は、ねじ軸としてのラックシャフトの外周に取り付けられるボールねじ機構、及びモータの出力軸の回転をボールねじ機構に伝達する減速機構を備えている。

ボールねじ機構は、ラックシャフトの外周面に形成された螺旋状のねじ溝に対向する螺旋状のねじ溝が内周面に形成された円筒状のナット、及びナットとラックシャフトとの間に配置される複数のボールを備えている。ナットの内周面に形成されたねじ溝と、ラックシャフトの外周面に形成されたねじ溝とにより囲まれる空間により螺旋状の転動路が形成されており、この転動路に複数のボールが配置されている。

減速機構は、モータの出力軸の回転をナットに伝達することにより、ナットをラックシャフトに対して相対回転させる。
この電動パワーステアリング装置では、モータの出力軸の回転に伴いナットがラックシャフトに対して相対回転すると、ボールがナット及びラックシャフトから負荷（摩擦力）を受けて転動路を転動する。このボールの転動によりナットのトルクがラックシャフトに伝達され、ラックシャフトがナットに対して軸方向に相対移動する。すなわち、ラックシャフトに軸方向の力が付与される。このラックシャフトに付与される軸方向の力がアシスト力となって、運転者のステアリング操作が補助される。

特開２０１２−１４４２０２号公報

ところで、このようなボールねじ機構では、複数のボールが転動路に密に配置されている。そのため、ボールが転動路を転動する際に、隣接する２つのボールが接触する。こうしたボールの接触によりボールの転動が阻害されると、ラックシャフト及びナットの動作が阻害され、ラックシャフトに伝達されるアシスト力に変動が生じる。これが運転者の操舵感を悪化させる要因となっている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ねじ軸及びナットを滑らかに動作させることのできるボールねじ機構、及び同ボールねじ機構を備えるステアリング装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、同ねじ軸のねじ溝に対向する螺旋状のねじ溝が内周面に形成された円筒状のナットと、前記ねじ軸のねじ溝と前記ナットのねじ溝とにより囲まれる空間からなる螺旋状の転動路に配置される複数のボールと、を備えるボールねじ機構において、前記転動路には、所定間隔をおいて絞り部を形成し、前記所定間隔を、前記転動路の前記絞り部が形成されていない部分に配置される各ボールの中心を通る軸線上で前記ボールの直径よりも長くなるように設定することとした。

この構成によれば、転動路の絞り部が形成された部分にはボールが配置され難くなるため、互いに隣り合う２つのボールをボールの直径よりも離間させることができる。これにより、互いに隣り合う２つのボールが接触し難くなるため、ボールが滑らかに転動し易くなる。その結果、ねじ軸及びナットを滑らかに動作させることができる。

上記ボールねじ機構について、前記ねじ軸のねじ溝は、その谷径が前記転動路に沿って周期的に変化する形状からなることが好ましい。
あるいは、上記ボールねじ機構について、前記ナットのねじ溝は、その谷径が前記転動路に沿って周期的に変化する形状からなることが好ましい。

これらの構成によれば、所定間隔をおいて絞り部が形成された転動路を容易に実現することができる。
上記ボールねじ機構について、前記所定間隔は、前記転動路の前記絞り部が形成されていない部分に配置される各ボールの中心を通る軸線上で前記ボールの直径よりも長く、且つ、前記ボールの直径の２倍の長さよりも短い長さに設定されてなることが好ましい。

この構成によれば、隣り合う絞り部間には１つのボールのみが配置されるため、１つのボールと、その両隣に配置される２つのボールとをボールの直径よりもそれぞれ離間させることができる。すなわち、各ボールをボールの直径よりも離間させることができる。これにより、各ボールが更に接触し難くなるため、ボールをより滑らかに転動させることができる。その結果、ねじ軸及びナットを更に滑らかに動作させることができる。

そして、車両の転舵軸をねじ軸として、前記転舵軸の外周面に形成された螺旋状のねじ溝に対向する螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナット、及び前記転舵軸のねじ溝と前記ナットのねじ溝とにより囲まれる空間からなる螺旋状の転動路に配置される複数のボールを備えるボールねじ機構と、前記ナットにトルクを付与するモータと、を備えるステアリング装置において、前記ボールねじ機構として、上記のようなボールねじ機構が用いられることが好ましい。

この構成によれば、モータからボールねじ機構を介して転舵軸に伝達されるアシスト力の変動を抑制することができるため、運転者の操舵感を向上させることができる。

これらのボールねじ機構及びステアリング装置によれば、ねじ軸及びナットを滑らかに動作させることができる。

電動パワーステアリング装置の一実施形態についてその概略構成を示す断面図。 実施形態の電動パワーステアリング装置についてそのアシスト機構の断面構造を示す断面図。 実施形態のアシスト機構についてそのボールねじ機構の断面構造を示す断面図。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面構造の一部を示す断面図。 ボールねじ機構の変形例についてその断面構造を示す断面図。 ボールねじ機構の他の変形例についてその断面構造を示す断面図。

以下、ボールねじ機構が搭載された電動パワーステアリング装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、電動パワーステアリング装置１は、運転者のステアリングホイール２の操作に基づき転舵輪３を転舵させる操舵機構４、及び運転者のステアリング操作を補助するアシスト機構５を備えている。

操舵機構４は、ステアリングホイール２の回転軸となるステアリングシャフト４０、及びステアリングシャフト４０の下端部にラックアンドピニオン機構４１を介して連結されたラックシャフト４２を備えている。本実施形態では、ラックシャフト４２が転舵軸に相当する。操舵機構４では、運転者のステアリングホイール２の操作に伴いステアリングシャフト４０が回転すると、その回転運動がラックアンドピニオン機構４１を介してラックシャフト４２の軸方向の往復直線運動に変換される。このラックシャフト４２の軸方向の往復直線運動がその両端に連結されたボールジョイント４３を介してタイロッド４４に伝達され、タイロッド４４が駆動する。これにより転舵輪３の転舵角が変化することで車両の進行方向が変更される。

アシスト機構５はラックシャフト４２に設けられている。アシスト機構５はモータ６及び動力伝達機構７により構成される。モータ６及び動力伝達機構７を含め、ラックシャフト４２は、ハウジング１０により覆われている。モータ６は、その出力軸６０がラックシャフト４２の中心軸に対して平行となるようにハウジング１０の外壁にボルト１１により組み付けられている。また、モータ６の出力軸６０は、ハウジング１０に形成された貫通孔１２を通じてハウジング１０の内部に延びている。動力伝達機構７は、ラックシャフト４２の外周に取り付けられるボールねじ機構８、及びモータ６の出力軸６０の回転をボールねじ機構８に伝達する減速機構９からなる。

次に、ボールねじ機構８及び減速機構９のそれぞれの構造について説明する。
図２に示すように、ラックシャフト４２の外周面にはねじ溝４５が形成されている。ボールねじ機構８は、ラックシャフト４２をねじ軸として、ラックシャフト４２のねじ溝４５に対向する螺旋状のねじ溝８１が内周面に形成されたナット８０、及びラックシャフト４２のねじ溝４５とナット８０のねじ溝８１とにより囲まれる空間からなる螺旋状の転動路Ｒに配置される複数のボール８２を備えている。ナット８０は、ボールベアリング８３によりハウジング１０に対して回転可能に支持されている。また、ナット８０には、転動路Ｒの二箇所間を短絡する図示しない環流路が形成されている。すなわちボール８２は、環流路を介して転動路Ｒを無限循環する。

減速機構９は、モータ６の出力軸６０に一体的に取り付けられた駆動プーリ９０、及びナット８０の外周面に一体的に取り付けられた従動プーリ９１、及び各プーリ９０，９１に巻き掛けられた無端状のベルト９２を備えている。

これらのボールねじ機構８及び減速機構９からなるアシスト機構５では、モータ６への通電に基づきモータ６の出力軸６０が回転すると、モータ６の出力軸６０と一体となって駆動プーリ９０が回転する。これにより、駆動プーリ９０はベルト９２を介して従動プーリ９１及びナット８０を一体回転させる。このようにしてナット８０に付与されるトルクに基づいてボールねじ機構８が駆動する。すなわち、ボールねじ機構８では、ナット８０がラックシャフト４２に対して相対回転すると、ボール８２がナット８０及びラックシャフト４２から負荷（摩擦力）を受けて転動路Ｒ及び環流路を無限循環する。このボール８２の無限循環を通じて、ナット８０に付与されたトルクがラックシャフト４２に伝達され、ラックシャフト４２がナット８０に対して軸方向に相対移動する。すなわちラックシャフト４２に軸方向の力が付与される。このラックシャフト４２に付与される軸方向の力がアシスト力となって、運転者のステアリング操作が補助される。

次に、ボールねじ機構８の構造について詳述する。以下では、図３に示すように、ラックシャフト４２のねじ溝４５の谷部直径を「ｄ」で示し、ナット８０のねじ溝８１の谷部直径を「Ｄ」で示す。また、ボール８２の直径を「Ｄｗ」で示し、ボール８２のピッチ円直径を「Ｄｐｗ」で示す。なお、ボール８２のピッチ円直径Ｄｐｗは、転動路Ｒに配置される各ボール８２の中心を包含する円筒の直径に対応する。図４は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面構造の一部を示したものである。

図４に拡大して示すように、本実施形態のボールねじ機構８では、ナット８０のねじ溝谷径Ｄが一定値に設定されている。これに対し、ラックシャフト４２のねじ溝谷径ｄは、転動路Ｒに沿って周期的に変化している。詳しくは、図中に拡大して示すように、ラックシャフト４２のねじ溝谷径ｄは、基本的には、基準径ｄｓに設定されている。基準径ｄｓは、例えばラックシャフト４２のねじ溝４５におけるボール８２との接触点Ｐ１と、ナット８０のねじ溝８１におけるボール８２との接触点Ｐ２との間の距離がボール８２の直径Ｄｗに略等しくなるように設定される。また、ラックシャフト４２のねじ溝４５には、その谷径ｄが基準径ｄｓよりも所定値（例えば数マイクロメートル程度）だけ長い「ｄｔ」に設定された部分が周期的に形成されている。これにより、転動路Ｒには所定間隔Ｌをおいて周期的に絞り部８５が形成されている。なお、所定間隔Ｌは、転動路Ｒの絞り部８５が形成されていない部分に配置される各ボール８２の中心を通る螺旋状の軸線ｍ上において、ボール８２の直径Ｄｗの直径よりも長く、且つ、ボール８２の直径Ｄｗの２倍の長さよりも短い長さに設定されている。このような構造により、ボール８２のピッチ円直径Ｄｐｗは、図中に二点鎖線で示すように、軸線ｍに沿って変動している。

このような構成からなるボールねじ機構８及び電動パワーステアリング装置１によれば、以下の（１）及び（２）に示す作用及び効果を得ることができる。
（１）図４に示すように転動路Ｒに絞り部８５が形成されている場合、各ボール８２は絞り部８５に配置され難くなる。そのため、互いに隣り合うボール８２，８２間に隙間を形成することができる。また、絞り部８５の形成される間隔Ｌが、ボール８２の直径Ｄｗよりも長く、且つ、ボール８２の直径Ｄｗの２倍の長さよりも短く設定されていれば、絞り部８５，８５間には一つのボール８２のみが配置されるため、一つのボール８２と、その両隣に位置する２つのボール８２，８２とを離間させることができる。これにより、各ボール８２が接触し難くなるため、ボール８２が滑らかに転動し易くなる。その結果、ラックシャフト４２及びナット８０を滑らかに動作させることができるため、アシスト力の変動を抑制することができ、ひいては運転者の操舵感を向上させることができる。

（２）ラックシャフト４２のねじ溝４５を、その谷径ｄが転動路Ｒに沿って周期的に変化するように形成した。これにより、所定間隔Ｌをおいて絞り部８５が形成された転動路Ｒを容易に実現することができる。

なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、ラックシャフト４２のねじ溝谷径ｄを転動路Ｒに沿って変化させたが、これに代えて、ナット８０のねじ溝谷径Ｄを転動路Ｒに沿って変化させてもよい。具体的には、図５に示すように、ナット８０のねじ溝８１には、その谷径Ｄを基準径Ｄｓよりも所定値だけ短い「Ｄｔ」に設定された部分を周期的に形成する。このような構成であっても、転動路Ｒに所定間隔Ｌをおいて絞り部８５を形成することができるため、上記実施形態による（１）の作用及び効果を同様に得ることができる。

・転動路Ｒにおいて絞り部８５の形成される所定間隔Ｌの長さは適宜変更可能である。例えば図６に示すように、所定間隔Ｌは、軸線ｍ上で、ボール８２の直径Ｄｗの２倍の長さよりも長く、且つ、ボール８２の直径Ｄｗの３倍の長さよりも短い長さに設定してもよい。このような構成であれば、２つのボール８２，８２毎に隙間を形成することができるため、ボール８２の接触を抑制することが可能である。

・上記実施形態のボールねじ機構８は、電動パワーステアリング装置に限らず、それ以外のステアリング装置にも適用可能である。例えばステアバイワイヤ式のステアリング装置など、ボールねじ機構を備える各種ステアリング装置に適用可能である。また、ステアリング装置に限らず、適宜のボールねじ機構にも適用可能である。

ｍ…軸線、Ｒ…転動路、１…電動パワーステアリング装置、３…転舵輪、４…操舵機構、５…アシスト機構、６…モータ、４２…ラックシャフト（ねじ軸）、４５…ねじ溝、８０…ナット、８１…ねじ溝、８２…ボール、８５…絞り部。

Claims (5)

1. 外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、
   同ねじ軸のねじ溝に対向する螺旋状のねじ溝が内周面に形成された円筒状のナットと、
   前記ねじ軸のねじ溝と前記ナットのねじ溝とにより囲まれる空間からなる螺旋状の転動路に配置される複数のボールと、を備えるボールねじ機構において、
   前記転動路には、所定間隔をおいて絞り部が形成され、
   前記所定間隔は、前記転動路の前記絞り部が形成されていない部分に配置される各ボールの中心を通る軸線上で前記ボールの直径よりも長くなるように設定されてなることを特徴とするボールねじ機構。
2. 請求項１に記載のボールねじ機構において、
   前記ねじ軸のねじ溝は、その谷径が前記転動路に沿って周期的に変化する形状からなることを特徴とするボールねじ機構。
3. 請求項１に記載のボールねじ機構において、
   前記ナットのねじ溝は、その谷径が前記転動路に沿って周期的に変化する形状からなることを特徴とするボールねじ機構。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のボールねじ機構において、
   前記所定間隔は、前記転動路の前記絞り部が形成されていない部分に配置される各ボールの中心を通る軸線上で前記ボールの直径よりも長く、且つ、前記ボールの直径の２倍の長さよりも短い長さに設定されてなることを特徴とするボールねじ機構。
5. 車両の転舵軸をねじ軸として、前記転舵軸の外周面に形成された螺旋状のねじ溝に対向する螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナット、及び前記転舵軸のねじ溝と前記ナットのねじ溝とにより囲まれる空間からなる螺旋状の転動路に配置される複数のボールを備えるボールねじ機構と、
   前記ナットにトルクを付与するモータと、を備えるステアリング装置において、
   前記ボールねじ機構として、請求項１〜４のいずれか一項に記載のボールねじ機構が用いられることを特徴とするステアリング装置。