JP2016174438A

JP2016174438A - 駆動モータ

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Publication number: JP2016174438A
Application number: JP2015051996A
Authority: JP
Inventors: 谷口　真; Makoto Taniguchi; 真谷口; 康次磯谷; Koji Isotani
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2035-03-16
Also published as: US20160272238A1; CN105984489B; JP6468009B2; CN105984489A; US10435061B2

Abstract

【課題】径方向体格を大きくすることなく、回転軸を支持する軸受への負担を軽減したベルト駆動式電動パワーステアリング装置の駆動モータを提供する。【解決手段】駆動モータ１２は、３周以上巻かれた螺旋状のウェーブワッシャである多重ヘリカルウェーブワッシャ５１を備える。多重ヘリカルウェーブワッシャ５１は、第２軸受３４の外輪４５とケース１７の軸受ホルダ４３の底部４６との間にある軸方向隙間５０に設けられ、外輪４５に軸方向のばね荷重を与えている。多重ヘリカルウェーブワッシャ５１は、一巻きあたりのばね荷重を小さく設定すれば、ばね定数を小さくすることができる。そして、巻き回数を適宜設定すれば、所望のばね荷重を発生させることができる。そのため、回転軸１６が反力を受けて軸方向へ比較的大きく変位する間、第２軸受３４に比較的大きなばね荷重を与え続けることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、車両の操舵装置に用いられる駆動モータに関する。

近年、車両の操舵装置のラック軸付近に搭載される電動パワーステアリング装置が増えてきている。この種の電動パワーステアリング装置は、駆動モータの動力を例えばベルト伝動機構などの伝動機構によりラック軸に伝達する。駆動モータは、ドライバーの意思に応じて車両を右左折させる必要から、回転方向を頻繁に反転する。このときの違和感の無い操舵を実現してステアリングのフィーリングを向上させるために、伝動機構には、ヘリカル歯付きのもの（例えば、プーリおよびベルト、または、ギヤ対など）が採用される。

ところが、ヘリカル歯付きのプーリおよびベルトなどが採用された場合、駆動モータの駆動時、回転軸には軸方向の反力が作用する。この反力の方向は、駆動モータの回転方向が反転するにしたがって、同じように反転する。そのため、回転軸を支持する軸受には、上記反力の方向の反転時に衝撃が加わることになる。この衝撃が軸受の負担となることがわかってきた。この軸受への負担を軽減するには、軸受を大径化すればよい。しかし、駆動モータも径方向へ大型化することになり、車両への搭載性を考えると好ましくない。

そこで、軸受の大きさを変えずに軸受への負担を軽減する方法として、軸受とケースとの間に軸方向の空間を設けて、その空間に例えば特許文献１に記載されたような多重ヘリカルウェーブワッシャを装着し、上記衝撃を吸収することが考えられる。

特許４３０６４７６号公報

ところが、特許文献１では、多重ヘリカルウェーブワッシャは、オルタネータに用いることを想定している。オルタネータの回転軸の回転方向は一定である。また、オルタネータのケースは鉄製である。

一方、前述のように、ヘリカル歯付きの伝動機構が採用され且つ駆動モータの回転方向が頻繁に反転する電動パワーステアリング装置においては、軸受とケースとの間の空間の軸方向距離の変化が、量、頻度ともオルタネータとは比べものにならない。このように軸方向距離が大きく変化する空間において、軸受に所望のばね荷重を与え続けるためには、オルタネータ用途よりも更にばね定数が小さいばねを必要とすることが発明者等の研究で明らかになった。特に、ケースがアルミニウム製である場合には、ケースが鉄製である場合と比べて、温度変化に伴う軸受とケースとの径方向の隙間の変化が大きいことから、一層大きいばね荷重を与えて軸受を保持する必要がある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、径方向体格を大きくすることなく、回転軸を支持する軸受への負担を軽減した電動パワーステアリング装置の駆動モータを提供することである。

本発明は、回転軸方向に荷重変化を発生させ得る伝動機構を備えた車両の操舵装置に用いられる駆動モータであって、ケースと、ステータと、ロータと、第１軸受と、第２軸受とを備える。ケースはアルミニウム製である。ステータはケースに固定されている。ロータは、ステータが発生する回転磁界に応じて回転する。回転軸は、一端に伝動機構の入力回転体が固定され、ロータと共に回転する。第１軸受は、入力回転体とロータとの間に位置し、ケースに設けられ、回転軸を回転可能に支持している。第２軸受は、ロータに対して第１軸受とは反対側に位置し、ケースに設けられ、回転軸を回転可能に支持している。

さらに、駆動モータは多重ヘリカルウェーブワッシャを備える。多重ヘリカルウェーブワッシャは、３周以上巻かれた螺旋状のウェーブワッシャである。多重ヘリカルウェーブワッシャは、第１軸受および第２軸受の一方の外輪とケースとの間にある軸方向隙間に設けられ、その外輪に軸方向のばね荷重を与えている。

多重ヘリカルウェーブワッシャは、一巻きあたりのばね荷重を小さく設定すれば、ばね定数を小さくすることができる。そして、巻き回数を適宜設定すれば、所望のばね荷重を発生させることができる。そのため、回転軸が反力を受けて軸方向へ比較的大きく変位する間、軸受に比較的大きなばね荷重を与え続けることができる。したがって、本発明によれば、径方向体格を大きくすることなく、回転軸を支持する軸受への負担を軽減できる。
本明細書において、「アルミニウム製」とは、アルミニウムを主成分とする合金（アルミニウム合金）からつくられたものを含む。

本発明の一実施形態による駆動モータと、これを用いた電動パワーステアリング装置とを示す断面図である。図１の駆動モータを拡大して示す断面図である。図２の多重ヘリカルウェーブワッシャを示す斜視図である。図２の矢印ＩＶ方向から見た回転軸とプーリとベルトとを示す図である。図２の多重ヘリカルウェーブワッシャの伸縮量とばね荷重との関係、および、１重のウェーブワッシャの伸縮量とばね荷重との関係を比較して示す図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
［一実施形態］
本発明の一実施形態による駆動モータと、これを用いた電動パワーステアリング装置とを図１に示す。

（電動パワーステアリング装置）
先ず、電動パワーステアリング装置１０の構成について図１を参照して説明する。
電動パワーステアリング装置１０は、ベルト駆動式であって、ハウジング１１と、駆動モータ１２と、ボールねじ１３と、ベルト伝動機構１４とを備えている。

ハウジング１１は、操舵装置のラック軸１５の一部を収容しており、例えば車体などに固定されている。
駆動モータ１２は、回転軸１６がラック軸１５と平行になるよう配置されている。そして、駆動モータ１２のケース１７はハウジング１１に固定されている。

ボールねじ１３は、ボールねじ軸部１８と、ボールナット１９と、ボール２０とを有する。ボールねじ軸部１８は、ラック軸１５の一部を構成している。ボールナット１９は、ボールねじ軸部１８に嵌合し、軸受２１を介してハウジング１１により回転可能に支持されている。ボール２０は、ボールねじ軸部１８とボールナット１９との間に設けられている。ボールねじ１３は、ボールナット１９の回転運動をボールねじ軸部１８の軸方向への直線運動に変換する。

ベルト伝動機構１４は、２つのヘリカル歯付きプーリ２２、２３と、ヘリカル歯付きベルト２４とを有する。ヘリカル歯付きプーリ２２は、「伝動機構の入力回転体」であり、回転軸１６の一端に固定されている。ヘリカル歯付きプーリ２３はボールナット１９に固定されている。ヘリカル歯付きベルト２４はヘリカル歯付きプーリ２２、２３に巻き掛けられている。ベルト伝動機構１４は、回転軸１６の回転をボールナット１９に伝達する。

このように構成された電動パワーステアリング装置１０は、操舵トルクおよび車速等に応じて回転軸１６を回転させる。回転軸１６の回転運動は、ベルト伝動機構１４とボールねじ１３とを介してラック軸１５の軸方向への直線運動に変換され、ドライバーの操舵を補助する。駆動モータ１２は、ドライバーの意思に応じて車両を右左折させる必要から、回転方向を頻繁に反転する。このときの違和感の無い操舵を実現してステアリングのフィーリングを向上させるために、ベルト伝動機構１４にはヘリカル歯付きプーリ２２、２３およびヘリカル歯付きベルト２４が採用されている。ベルト伝動機構１４は、回転軸方向に荷重変化を発生させ得る伝動機構である。

（駆動モータ）
次に、駆動モータ１２の構成について図２〜図５を参照して説明する。
図２に示すように、駆動モータ１２は、ケース１７と、ステータ３０と、ロータ３１と、回転軸１６と、第１軸受３３と、第２軸受３４とを備えている。

ケース１７は、アルミニウム製の第１ケース部３５および第２ケース部３６から構成されている。第１ケース部３５および第２ケース部３６は、相互間にステータコア３７を挟んだ状態で図示しないボルト等により互いに固定されている。

ステータ３０は、ステータコア３７およびコイル３８から構成されている。コイル３８は、ステータコア３７が有するスロットに設けられている。
ロータ３１は、ステータ３０の内側に設けられており、ステータ３０が発生する回転磁界に応じて回転する。ロータ３１の重心Ｇは、第１軸受３３よりも第２軸受３４側に位置している。

回転軸１６は、ケース１７を貫通してハウジング１１内に突き出すように設けられている。回転軸１６の一端にはヘリカル歯付きプーリ２２が固定されている。回転軸１６はロータ３１と共に回転する。回転軸１６のうち、ロータ３１が嵌合している部分３９の太さは、第１軸受３３が嵌合している部分４０の太さと等しい。

第１軸受３３は、ヘリカル歯付きプーリ２２とロータ３１との間に位置し、第１ケース部３５の軸受ホルダ４１に保持されている。軸受ホルダ４１は、カップ状に形成されている。第１軸受３３は、軸受ホルダ４１の筒部４２に嵌合している。第１軸受３３は、回転軸１６の一端部を回転可能に支持している。

第２軸受３４は、ロータ３１に対して第１軸受３３とは反対側に位置し、第２ケース部３６の軸受ホルダ４３に保持されている。軸受ホルダ４３は、カップ状に形成されている。第２軸受３４は、軸受ホルダ４３の筒部４４に嵌合している。第２軸受３４は、回転軸１６の他端部を回転可能に支持している。本実施形態では、第２軸受３４の外径は第１軸受３３の外径よりも小さい。

ヘリカル歯付きベルト２４の荷重中心点すなわちヘリカル歯付きプーリ２２の軸方向中心から、第１軸受３３の軸方向中心までの距離をＬ１［ｍｍ］、第１軸受３３の軸方向中心から第２軸受３４の軸方向中心までの距離をＬ２［ｍｍ］とすると、（Ｌ２／Ｌ１）は１以上であり且つ２以下である。距離Ｌ２は、ステアリングシステムに必要な出力トルクを得るために一定の大きさが必要である。しかし、距離Ｌ２が必要以上に大きいと、第１軸受３３を支点としたてこの原理により、第２軸受３４が、ヘリカル歯付きプーリ２２にかかるベルト張力とは反対方向へ振られて軸受ホルダ４３に大きく打ちつけられてしまう。このことを考えると、（Ｌ２／Ｌ１）＝２が許容限界である。

第２軸受３４の外輪４５と軸受ホルダ４３の底部４６との間には軸方向隙間５０がある。軸方向隙間５０には、多重ヘリカルウェーブワッシャ５１が設けられている。多重ヘリカルウェーブワッシャ５１は、外輪４５に軸方向のばね荷重を与えている。

図３に示すように、多重ヘリカルウェーブワッシャ５１は、３周以上巻かれた螺旋状のウェーブワッシャである。具体的には、多重ヘリカルウェーブワッシャ５１は、１枚の鋼板（平角線）が螺旋状にエッジワイズ巻きで３周以上巻かれることによって作られている。また、鋼板は、螺旋状に巻かれるとき、１周分の山数が４となるように、板厚方向へ波状に曲成されている。このとき、偶数周と奇数周とで起伏が反転される。つまり、巻き方向の同じ箇所において偶数周の山と奇数周の谷とが対向している。本実施形態では、多重ヘリカルウェーブワッシャ５１の巻き数は４．５である。

このように構成された駆動モータ１２において、図４に示すように回転軸１６がヘリカル歯付きプーリ２２側から見て時計まわり（ＣＷ）に回転する場合、回転軸１６には、ロータ３１から第２軸受３４側に向かう方向へ反力が作用する。この反力を受けて第２軸受３４は、軸方向隙間５０が小さくなるよう軸受ホルダ４３の底部４６側へ移動する。また、回転軸１６がヘリカル歯付きプーリ２２側から見て反時計まわり（ＣＣＷ）に回転する場合、回転軸１６には、ロータ３１から第１軸受３３側に向かう方向へ反力が作用する。この反力を受けて第２軸受３４は、軸方向隙間５０が大きくなるよう底部４６とは反対側へ移動する。多重ヘリカルウェーブワッシャ５１は、上記反力に応じて軸方向へ伸縮し、反力の方向の反転時に第２軸受３４に加わる衝撃を吸収する。

ここで、軸方向隙間５０に多重ヘリカルウェーブワッシャ５１を設けたときと、軸方向隙間５０に１重のウェーブワッシャを設けたときとの違いについて、図５を参照して説明する。第２軸受３４に付与すべきばね荷重の範囲を必要ばね荷重範囲（Ｐａｍｉｎ〜Ｐａｍａｘ）とする。両方のウェーブワッシャにおいて、伸縮量が０から最大となるまでの間に必要ばね荷重範囲内のばね荷重を第２軸受３４に付与できるよう、ばね定数を設定した場合を考える。その場合、必要ばね荷重範囲における多重ヘリカルウェーブワッシャ５１の伸縮量範囲Ｓ１は、必要ばね荷重範囲における１重のウェーブワッシャの伸縮量範囲Ｓ２よりも大きくなる。

このような多重ヘリカルウェーブワッシャ５１を用いれば、ヘリカル歯付きのプーリおよびベルトが採用されたことによって軸方向隙間５０が比較的大きく変化する形態においても、第２軸受３４に必要ばね荷重範囲内のばね荷重を与え続けることができる。本実施形態では、多重ヘリカルウェーブワッシャ５１の板厚をｔ［ｍｍ］、外径をＤ［ｍｍ］とすると、（ｔ／Ｄ）が０．０１３以上であり且つ０．０２以下であることによって、好適なばね定数に設定されている。
一方、１重のウェーブワッシャを用いると、軸方向隙間５０が伸縮量範囲Ｓ２を超えて大きく変化したとき、所望のばね荷重が作用しなくなる。

（効果）
以上説明したように、本実施形態では、駆動モータ１２は多重ヘリカルウェーブワッシャ５１を備える。多重ヘリカルウェーブワッシャ５１は、３周以上巻かれた螺旋状のウェーブワッシャである。多重ヘリカルウェーブワッシャ５１は、第２軸受３４の外輪４５とケース１７の軸受ホルダ４３の底部４６との間にある軸方向隙間５０に設けられ、外輪４５に軸方向のばね荷重を与えている。

多重ヘリカルウェーブワッシャ５１は、一巻きあたりのばね荷重を小さく設定すれば、ばね定数を小さくすることができる。そして、巻き回数を適宜設定すれば、所望のばね荷重を発生させることができる。そのため、回転軸１６が反力を受けて軸方向へ比較的大きく変位する間、第２軸受３４に比較的大きなばね荷重を与え続けることができる。したがって、本実施形態によれば、径方向体格を大きくすることなく第２軸受３４への負担を軽減できる。

特に、軸受ホルダ４３がアルミニウム製のケース１７に一体に形成されたものにおいては、使用中の発熱や外気熱による第２軸受３４と軸受ホルダ４３との熱膨張差のため、外輪４５の外周側の支持がほとんど期待できない。そのような状況下においては、外輪４５を軸方向のばね荷重で保持する必要があり、伸縮量範囲が大きい多重ヘリカルウェーブワッシャ５１を用いることは有利である。

また、本実施形態では、多重ヘリカルウェーブワッシャ５１は、第２軸受３４とケース１７との間に設けられている。第２軸受３４は、第１軸受３３を支点としたてこの原理により、ヘリカル歯付きプーリ２２にかかるベルト張力とは反対方向へ振られやすい。このような形態において、多重ヘリカルウェーブワッシャ５１が第２軸受３４とケース１７との間に設けられることによって、第２軸受３４がばね荷重により押さえつけられ、上記第２軸受３４の振れが抑制される。

また、本実施形態では、（ｔ／Ｄ）は０．０１３以上であり且つ０．０２以下である。これにより、多重ヘリカルウェーブワッシャ５１は、軸方向隙間５０が比較的大きく変化する形態において第２軸受３４に必要ばね荷重範囲内のばね荷重を与え続けることができるよう、好適なばね定数に設定される。

また、本実施形態では、多重ヘリカルウェーブワッシャ５１は１周分の山数が４である。山数が多い方が、１周あたりの高さを抑えられる。しかし、山数が多すぎると、成形の手間や、精度の偏差に起因するばね荷重のばらつきが発生しやすくなる。そのため、１周分の山数を４とするのが適切な設計である。

また、本実施形態では、（Ｌ２／Ｌ１）は１以上であり且つ２以下である。距離Ｌ２は、ステアリングシステムに必要な出力トルクを得るために一定の大きさが必要である。しかし、距離Ｌ２が必要以上に大きいと、第１軸受３３を支点としたてこの原理により、第２軸受３４が、ヘリカル歯付きプーリ２２にかかるベルト張力とは反対方向へ振られて軸受ホルダ４３に大きく打ちつけられてしまう。このことを考えると、（Ｌ２／Ｌ１）は１以上かつ２以下に設定するのが好適である。

また、本実施形態では、第２軸受３４の外径は第１軸受３３の外径よりも小さい。このように第２軸受３４の外径が比較的小さい形態ほど、多重ヘリカルウェーブワッシャ５１を設けることによる負担軽減効果を享受できる。

また、本実施形態では、ロータ３１の重心Ｇは第１軸受３３よりも第２軸受３４側に位置している。このようにロータ３１の重心Ｇが第２軸受３４側に寄っている（Ｌ３＜Ｌ２／２）と、第２軸受３４は、第１軸受３３を支点としたてこの原理により、ヘリカル歯付きプーリ２２にかかるベルト張力とは反対方向へ振られやすい。このような形態において、多重ヘリカルウェーブワッシャ５１が設けられることによって、第２軸受３４がばね荷重により押さえつけられ、上記第２軸受３４の振れが抑制される。

［他の実施形態］
本発明の他の実施形態では、多重ヘリカルウェーブワッシャは、第１軸受とケースとの間に設けられてもよい。また、多重ヘリカルウェーブワッシャは、第１軸受とケースとの間、および、第２軸受とケースとの間、の両方に設けられてもよい。
本発明の他の実施形態では、ロータの重心は、第１軸受側に寄っていてもよいし、第１軸受と第２軸受との中間点に位置していてもよい。
本発明の他の実施形態では、回転軸の太さは、軸方向位置により異なっていてもよい。

本発明の他の実施形態では、ベルト伝動機構１４に代えて、他の伝動機構が設けられてもよい。伝動機構は、例えばヘリカルギヤ対などから構成されてもよい。
本発明の他の実施形態では、ヘリカル歯付きプーリの回転運動をラック軸の軸方向への直線運動に変換する機構は、ボールねじに限らず、例えば歯車装置などの他の機構であってもよい。
本発明の他の実施形態では、電動パワーステアリング装置は、ラック軸に限らず、例えばステアリングシャフトに連結されてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０・・・電動パワーステアリング装置
１５・・・ラック軸
１６・・・回転軸
１７・・・ケース
２２、２３・・・ヘリカル歯付きプーリ
２４・・・ヘリカル歯付きベルト
３０・・・ステータ
３１・・・ロータ
３３・・・第１軸受
３４・・・第２軸受
４５・・・外輪
５０・・・軸方向隙間
５１・・・多重ヘリカルウェーブワッシャ

Claims

回転軸方向に荷重変化を発生させ得る伝動機構（１４）を備えた車両の操舵装置に用いられる駆動モータであって、
アルミニウム製のケース（１７）と、
前記ケースに固定されているステータ（３０）と、
前記ステータが発生する回転磁界に応じて回転するロータ（３１）と、
前記伝動機構の入力回転体（２２）が一端に固定され、前記ロータと共に回転する回転軸（１６）と、
前記入力回転体と前記ロータとの間に位置し、前記ケースに設けられ、前記回転軸を回転可能に支持している第１軸受（３３）と、
前記ロータに対して前記第１軸受とは反対側に位置し、前記ケースに設けられ、前記回転軸を回転可能に支持している第２軸受（３４）と、
３周以上巻かれた螺旋状のウェーブワッシャであり、前記第１軸受および前記第２軸受の一方の外輪（４５）と前記ケースとの間にある軸方向隙間（５０）に設けられ、前記外輪に軸方向のばね荷重を与えている多重ヘリカルウェーブワッシャ（５１）と、
を備えることを特徴とする駆動モータ。
前記伝動機構は、ラック軸（１５）にヘリカル歯付きプーリ（２２、２３）とヘリカル歯付きベルト（２４）とを用いて回転動力を伝達するベルト駆動式であることを特徴とする請求項１に記載の駆動モータ。
前記多重ヘリカルウェーブワッシャは、前記第２軸受と前記ケースとの間に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動モータ。
前記多重ヘリカルウェーブワッシャの板厚をｔ［ｍｍ］、外径をＤ［ｍｍ］とすると、（ｔ／Ｄ）は０．０１３以上であり且つ０．０２以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動モータ。
前記多重ヘリカルウェーブワッシャは１周分の山数が４であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の駆動モータ。
前記入力回転体の軸方向中心から前記第１軸受の軸方向中心まで距離をＬ１［ｍｍ］、前記第１軸受の軸方向中心から前記第２軸受の軸方向中心までの距離をＬ２［ｍｍ］とすると、（Ｌ２／Ｌ１）は１以上であり且つ２以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の駆動モータ。
前記第２軸受の外径は前記第１軸受の外径よりも小さいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の駆動モータ。
前記ロータの重心は前記第１軸受よりも前記第２軸受側に寄っていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の駆動モータ。
前記回転軸のうち、前記ロータが嵌合している部分（３９）の太さは、前記第１軸受が嵌合している部分（４０）の太さと等しいことを特徴とする請求項８に記載の駆動モータ。