JP2016217469A - ウォーム減速機およびステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組み付け誤差や加工誤差を許容しつつ、トルク変動を低減できるウォーム減速機およびこのウォーム減速機を含むステアリング装置を提供すること。【解決手段】ウォーム減速機１９では、ウォーム２０の外径Ｄ１と、ウォームホイール２１を切削して歯溝４２を形成するためのホブの外径Ｄ２との関係が以下の式（１）を満足する。ウォーム２０およびウォームホイール２１の噛み合いピッチ円Ｐにおけるウォームホイール２１の圧力角αとウォーム２０の圧力角βとの関係が以下の式（２）を満足する。３≧Ｄ２／Ｄ１≧１．７ …式（１）０．１度≦α−β≦０．５度 …式（２）【選択図】図４

Description

この発明は、ウォーム減速機およびこのウォーム減速機を含むステアリング装置に関する。

下記特許文献１に開示された電動パワーステアリング装置では、操舵補助力発生用モータの回転が、ウォームと、このウォームに噛み合うウォームホイールとを介して、舵角が変化するように車輪に伝達される。ウォームホイールは、ホブ加工によって成形される。

特開２００３−３３４７２４号公報

ウォームホイールのホブ加工に用いられるホブの外径をウォームの外径に近づけると、ホブ加工後のウォームホイールの歯溝の形状がウォームの歯の形状に近似するので、理論上では、ウォームとウォームホイールとの間でのトルクの伝達誤差（いわゆるトルク変動）を小さく抑えることができる。しかし、この場合には、ウォームホイールの組み付け誤差や加工誤差を許容する余裕がないので、これらの誤差が生じると、ウォームの歯とウォームホイールの歯とで互いに接触する位置が適正位置から変わってしまう虞がある。

この発明は、かかる背景のもとでなされたものであり、組み付け誤差や加工誤差を許容しつつ、トルク変動を低減できるウォーム減速機およびこのウォーム減速機を含むステアリング装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、ウォーム（２０）と、前記ウォームと噛み合う歯溝（４２）を有するウォームホイール（２１）とを含み、前記ウォームの外径Ｄ１と、前記ウォームホイールを切削して前記歯溝を形成するためのホブ（５０）の外径Ｄ２との関係が以下の式（１）を満足し、前記ウォームおよび前記ウォームホイールの噛み合いピッチ円（Ｐ）における前記ウォームホイールの圧力角αと前記ウォームの圧力角βとの関係が以下の式（２）を満足することを特徴とする、ウォーム減速機（１９）である。

３≧Ｄ２／Ｄ１≧１．７ …式（１）
０．１度≦α−β≦０．５度 …式（２）
請求項２記載の発明は、補助操舵用の電動モータ（１８）と、前記電動モータの回転を減速する請求項１記載のウォーム減速機とを含むことを特徴とする、ステアリング装置（１）である。

なお、上記において、式（１）および式（２）以外における括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

請求項１および２記載の発明によれば、式（１）を満足するようにホブの外径Ｄ２をウォームの外径Ｄ１よりも大きく設定することによって、ホブ加工後のウォームホイールの歯溝は、ある程度の余裕を持ってウォームの歯を受け入れることができるので、組み付け誤差や加工誤差を許容できる形状になる。
そして、式（２）を満足するようにウォームおよびウォームホイールの噛み合いピッチ円におけるウォームの圧力角βをウォームホイールの圧力角αよりも小さく設定することによって、ウォームとウォームホイールとの間におけるトルク変動を低減できる。

図１は、本発明の一実施形態に係るステアリング装置の概略図である。 図２は、ステアリング装置に備えられるウォーム減速機における要部の側面図である。 図３は、ウォーム減速機のウォームホイールをホブ加工により成形する様子を示す模式図である。 図４は、ウォーム減速機におけるウォームとウォームホイールとの噛み合い部分を示す模式図である。 図５は、ウォームホイールの斜視図である。 図６は、ウォームの回転角度と、ウォームホイールの歯面に作用する負荷荷重との関係を示すグラフである。 図７は、ウォームの圧力角とウォームホイールの圧力角との差と、噛み合い変動との関係を示すグラフである。 図８は、ウォームの回転角度とトルクとの関係を示すグラフである。

以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るステアリング装置１の概略図である。図１を参照して、ステアリング装置１は、電動式パワーステアリング装置であって、操舵機構２および転舵機構３を含み、運転者のステアリングホイール４（操舵部材）の操舵（ステアリング操作）に基づき、転舵輪５を転舵させる。操舵機構２は、運転者のステアリング操作を補助するアシスト機構６を備えている。

操舵機構２は、入力シャフト７、出力シャフト８、インターミディエイトシャフト９およびピニオンシャフト１０を有している。入力シャフト７は、ステアリングホイール４に連結されている。出力シャフト８では、一端がトーションバー１１を介して入力シャフト７に連結され、他端が自在継手１２を介してインターミディエイトシャフト９に連結されている。インターミディエイトシャフト９は、自在継手１３を介して、ピニオン１０Ａを有するピニオンシャフト１０に連結されている。

転舵機構３は、ラックシャフト１４およびタイロッド１５を有している。ラックシャフト１４は、ピニオン１０Ａに噛み合ったラック１４Ａを有している。タイロッド１５は、一端がラックシャフト１４に連結されて、他端が転舵輪５に連結されている。
運転者のステアリングホイール４の操作に応じて、ステアリングホイール４が回転すると、入力シャフト７、出力シャフト８およびインターミディエイトシャフト９を介して、ピニオンシャフト１０が回転する。ピニオンシャフト１０の回転は、転舵機構３により、ラックシャフト１４の軸方向の往復運動に変換される。ラックシャフト１４の軸方向の往復運動により、転舵輪５の転舵角が変化する。

アシスト機構６は、トルクセンサ１６と、ＥＣＵ(Electronic Control Unit) １７と、補助操舵用の電動モータ１８と、ウォーム減速機１９とを含む。
ウォーム減速機１９は、ウォーム２０と、ウォーム２０と噛み合うリダクションギヤであるウォームホイール２１と、ウォーム２０およびウォームホイール２１を収容するハウジング２２とを含む。ウォーム２０は、電動モータ１８の回転軸（図示せず）に連結されている。ウォームホイール２１は、出力シャフト８に一体回転可能に連結されている。

運転者の操舵に伴ってステアリングホイール４が回転すると、トルクセンサ１６は、入力シャフト７と出力シャフト８との間の捩れ量を検出する。ＥＣＵ１７は、トルクセンサ１６により検出された捩れ量から得られる操舵トルクＴや、車速センサ２３によって検出された車速Ｖ等に基づいてアシストトルクを決定する。電動モータ１８は、ＥＣＵ１７により駆動制御される。このようにステアリングホイール４の操舵に基づいて駆動された電動モータ１８は、ウォーム２０に出力回転を伝達してウォーム２０を回転させる。すると、ウォーム２０と噛み合ったウォームホイール２１がウォーム２０よりも低速で回転し、ウォームホイール２１および出力シャフト８が一体回転する。このように、ウォーム減速機１９は、電動モータ１８の出力回転をウォームホイール２１によって減速し、アシストトルクとして操舵機構２の出力シャフト８に伝達する。これにより、運転者によるステアリングホイール４のステアリング操作が補助される。

次に、ウォーム減速機１９について詳しく説明する。図２は、ウォーム減速機１９における要部の側面図である。
図２では、前述したハウジング２２の図示が省略されている。図２を参照して、ウォーム２０は、円柱状の軸部３０と、軸部３０の外周面３０Ａに一体形成された歯３１とを含む。軸部３０の中心軸Ｊの延びる方向を軸方向Ｘと呼ぶことにする。歯３１は、中心軸Ｊを中心とした螺旋を描くように、外周面３０Ａにおいて軸方向Ｘの両端部よりも内側の領域に形成されている。軸方向Ｘから見たときの歯３１は、中心軸Ｊを円中心とする円形状の輪郭を有している。この輪郭の直径がウォーム２０の外径Ｄ１である。

また、中心軸Ｊを通って軸方向Ｘに延びる仮想の平面で切断したときの歯３１の断面は、中心軸Ｊから離れる方向へ向けて幅狭となった略等脚台形状に形成されている（後述する図４を参照）。歯３１の軸方向Ｘにおける両側の側面を歯面３２と呼ぶことにする。
軸方向Ｘにおける軸部３０の両端部には、軸受３３が１つずつ取り付けられており、ウォーム２０は、これらの軸受３３を介してハウジング２２によって回転自在に支持されている。軸方向Ｘにおける軸部３０の一端部（図２では右端部）において軸受３３からはみ出した部分には、継手３４が取り付けられている。継手３４は、電動モータ１８の回転軸（図示せず）に連結されている。そのため、前述したように、電動モータ１８が駆動されるとウォーム２０が中心軸Ｊまわりに回転する。

ウォームホイール２１は、円盤形状である。ウォームホイール２１の中心軸Ｋは、ウォームホイール２１の厚さ方向と一致した軸方向Ｙに延びている。以下では、ウォームホイール２１の周方向を周方向Ｓと呼び、ウォームホイール２１の径方向を径方向Ｒと呼ぶことにする。径方向Ｒのうち、中心軸Ｋに近づく側を径方向内側Ｒ１と呼び、中心軸Ｋから離れる側を径方向外側Ｒ２と呼ぶことにする。周方向Ｓは、ウォームホイール２１の回転方向である。

ウォームホイール２１は、中心軸Ｋ側に位置する円盤状のスリーブ４０と、中心軸Ｋから径方向外側Ｒ２へ離れた外周側においてスリーブ４０を取り囲む環状の歯部４１とを含む。スリーブ４０と歯部４１とは、同じ材料（例えば金属）で一体形成されてもよい。または、インサート成形により、樹脂製の歯部４１が金属製のスリーブ４０に一体化されてもよい。スリーブ４０の円中心位置には、出力シャフト８が嵌め込まれる挿通穴４０Ａが形成されている。

歯部４１の外周面には、ウォーム２０と噛み合う複数の歯溝４２が周方向Ｓに等間隔で形成されている。それぞれの歯溝４２は、歯部４１の外周部を軸方向Ｙに切り欠きつつ、径方向内側Ｒ１へ窪んでいる。軸方向Ｙから見て、それぞれの歯溝４２は、径方向内側Ｒ１へ向けて幅狭となるように略等脚台形状に形成されている。歯部４１において周方向Ｓに隣り合う歯溝４２に挟まれた凸状の部分が、ウォームホイール２１における１つの歯４３である。中心軸Ｋに直交する仮想の平面で切断したときの歯４３の断面は、径方向外側Ｒ２へ向けて幅狭となった略等脚台形状に形成されている（図４も参照）。１つの歯４３の周方向Ｓにおける両側の側面を歯面４４と呼ぶことにする。歯面４４は、図２では平面的に図示されているが、厳密には湾曲している。周方向Ｓに隣り合う歯４３において歯溝４２を挟んで対向する一対の歯面４４の間隔は、径方向内側Ｒ１へ向かうに従って狭くなっている。これら一対の歯面４４によって１つの歯溝４２が区画されており、歯溝４２の溝底４２Ａは、歯底として、これら一対の歯面４４の径方向内側Ｒ１の端部同士の間に架設されている。

図３に示すホブ５０を回転させてウォームホイール２１に切削加工（ホブ加工）を施すことによって、歯溝４２が形成される。ホブ５０は、ウォームホイール２１を切削するための複数の切り刃５１が外周面にねじ状に並んで形成された円筒体である。ホブ５０の軸方向Ｌから見て、切り刃５１の刃先は、仮想の円上に配置されており、この円の直径がホブ５０の外径Ｄ２である。なお、この円は、ホブ５０が回転したときにおける切り刃５１の刃先の回転軌跡でもある。ウォーム２０の外径Ｄ１（図２参照）とホブ５０の外径Ｄ２との関係は、以下の式（１）を満足するように設定されている。

３≧Ｄ２／Ｄ１≧１．７ …式（１）
式（１）を満足するようにホブ５０の外径Ｄ２をウォーム２０の外径Ｄ１よりも大きく設定することによって、ホブ加工後のウォームホイール２１の歯溝４２は、ある程度の余裕を持ってウォーム２０の歯３１を受け入れることができるので、組み付け誤差や加工誤差を許容できる形状になる。つまり、組み付け誤差や加工誤差に鈍感な特性をウォームホイール２１に付与することができる。

ちなみに、Ｄ２／Ｄ１の値が３を上回るような外径Ｄ２の大きなホブ５０を用いると、ホブ加工後のウォームホイール２１の歯４３の歯面４４が、平面的になり、ウォームホイール２１の歯溝４２は、ウォーム２０の歯３１の形状から著しくかけ離れた形状となる。これでは、ウォーム２０とウォームホイール２１との噛み合いが悪化し、トルク変動が大きくなる虞がある。

図４は、ウォーム２０とウォームホイール２１との噛み合い部分を示す模式図である。図４では、ウォーム２０の歯３１の歯面３２とウォームホイール２１の歯４３の歯面４４とが接触することによってウォーム２０とウォームホイール２１とが噛み合った状態におけるウォーム２０およびウォームホイール２１の噛み合いピッチ円Ｐの軌跡の一部が１点鎖線で図示されている。また、図４では、噛み合いピッチ円Ｐにおけるウォームホイール２１の圧力角αとウォーム２０の圧力角βとが図示されている。圧力角αは、径方向Ｒに沿う基準線Ｑと噛み合いピッチ円Ｐとの交点Ｕにおいて基準線Ｑと歯面４４（厳密には、軸方向Ｙから見た歯面４４の輪郭に対する接線）とがなす鋭角である。圧力角βは、交点Ｕにおいて基準線Ｑと歯面３２（厳密には、軸方向Ｙから見た歯面３２の輪郭に対する接線）とがなす鋭角である。圧力角αと圧力角βとの関係は、以下の式（２）を満足するように設定されている。

０．１度≦α−β≦０．５度 …式（２）
式（２）を満足するように噛み合いピッチ円Ｐにおけるウォーム２０の圧力角βをウォームホイール２１の圧力角αよりも大きく設定することによって、ウォーム２０とウォームホイール２１との間におけるトルク変動を低減できる。詳しくは、以下で説明する。
図５は、ウォームホイール２１の斜視図である。図５を参照して、ウォームホイール２１において周方向Ｓに連続して並ぶ任意の３つの歯４３に着目する。これらの３つの歯４３を、周方向Ｓにおける一方側Ｓ１から順に、歯４３Ａ、歯４３Ｂおよび歯４３Ｃというように区別する。ウォーム２０の回転に従動してウォームホイール２１が周方向Ｓにおける一方側Ｓ１とは反対の他方側Ｓ２へ回転する場合には、歯４３Ａ、歯４３Ｂおよび歯４３Ｃのそれぞれでは、一方側Ｓ１における歯面４４が、ウォーム２０の歯面３２によって接触される。歯面４４において歯面３２によって接触される領域を接触領域と呼ぶことにする。ウォームホイール２１の回転中における所定のタイミングに着目すると、ウォーム２０の歯３１と噛み合い始めの状態にある歯４３Ａでは歯先側に接触領域Ａが存在するときに、別の歯３１と噛み合い途中の状態にある歯４３Ｂでは、歯先と歯元との間に接触領域Ｂが存在し、さらに別の歯３１と噛み合い終わりの状態にある歯４３Ｃでは、歯元側に接触領域Ｃが存在する。

図６は、ウォーム２０の回転角度と、ウォーム２０の回転によってウォームホイール２１の歯面４４に作用する負荷荷重との関係を示すグラフである。ここでの負荷荷重は、ウォームホイール２１の歯面４４に対するウォーム２０の歯面３２の押圧力に相当する。
図６を参照して、噛み合い始めの歯４３Ａおよび噛み合い途中の歯４３Ｂのそれぞれでは、ウォーム２０の回転角度が増加するとともに、負荷荷重が増加する。逆に、噛み合い終わりの歯４３Ｃでは、ウォーム２０の回転角度が増加するとともに、負荷荷重が減少する。図６では、式（２）を満足するように圧力角αおよび圧力角βが設定された本実施形態における負荷荷重の変化は、実線のカーブで示されていて、圧力角αと圧力角βとが等しい比較例における負荷荷重の変化は、破線、１点鎖線または２点鎖線のカーブで示されている。

本実施形態では、圧力角βを小さくすることによって、ウォームホイール２１の歯４３の歯元とウォーム２０との噛み合い（換言すれば、前述した接触領域）が増加する。これにより、負荷荷重の変化の勾配が緩やかになる。特に、噛み合い終わりの歯４３Ｃでは、負荷荷重の変化の勾配が、比較例（破線のカーブを参照）と比べて格段に緩やかになる。また、本実施形態における負荷荷重は、比較例と比べて、噛み合い始めの歯４３Ａと噛み合い途中の歯４３Ｂとでは減少しているが、噛み合い終わりの歯４３Ｃでは大幅に増加しているので、ウォームホイール２１全体では、平均の負荷荷重が増加する。これにより、ウォーム２０からウォームホイール２１へのトルクの伝達効率の向上を見込める。

図７は、ウォーム２０の圧力角βとウォームホイール２１の圧力角αとの差と、噛み合い変動との関係を示すグラフである。噛み合い変動とは、ウォーム２０からウォームホイール２１のそれぞれの歯４３に伝達されるトルクについての実際の値と目標値との差を示す指標である。
図７を参照して、前述したように圧力角βを小さくすると、α−βの値が大きくなっていく。α−βの値が０度を上回ると噛み合い変動が小さくなる。特に、α−βの値が式（２）を満足するように０．１度から０．５度までの範囲に収まる場合には噛み合い変動が著しく小さくなり、０．３度のときに噛み合い変動が最小になる。しかし、α−βの値がこの範囲から外れると、噛み合い変動が大きくなってしまう。特に、圧力角βを小さくし過ぎてα−βの値が０．５度を上回ると、ウォームホイール２１における噛み合い始めの歯４３Ａの歯先とウォーム２０との歯当たり（換言すれば、前述した接触領域Ａ）が減少してウォーム２０とウォームホイール２１との噛み合い率が低下する。これでは、１つの歯４３が分担するトルクについての噛み合い変動が大きくなる虞がある。よって、本実施形態では、α−βの値に対して、式（２）による０．１度以上０．５度以下という最適範囲（０．３度に対して±０．２度の範囲）が設定される。

図８は、ウォーム２０の回転角度と、ウォーム２０からウォームホイール２１に伝達されるトルクとの関係を示すグラフである。ここでのトルクは、ウォームホイール２１における個々の歯４３が分担するトルクではなく、ウォームホイール２１全体に伝達されるトルクを指している。図８では、式（２）を満足するように圧力角αおよび圧力角βが設定された本実施形態におけるトルクの変化は、実線のカーブで示されていて、圧力角αと圧力角βとが等しい比較例におけるトルクの変化は、破線のカーブで示されている。

α−βの値が前述した最適範囲に収まるように圧力角αおよび圧力角βが設定されることによって、噛み合い変動が小さくなる（図７参照）。さらに、ウォームホイール２１における噛み合い終わりの歯４３Ｃの歯元とウォーム２０の歯３１の歯先とが噛み合うときに伝達されるトルクの低下が抑制される。以上の結果、図８を参照して、本実施形態では、トルク変動が比較例に比べて低減されるので、トルクが、基準値（図８では、たとえば４０．４Ｎ・ｍの近辺）に向けて収束する。

なお、α−βの値は、好ましくは０．２度以上０．４度以下であれば、トルク変動の一層の低減を図れる。
この発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
たとえば、ウォーム２０とウォームホイール２１とが噛み合った状態において、径方向外側Ｒ２から見て、ウォーム２０の中心軸Ｊとウォームホイール２１の中心軸Ｋとは、本実施形態のように直交していてもよいし（図２参照）、斜交していてもよい。

また、図６に示された負荷荷重の具体的な数値や、図７に示された噛み合い変動の具体的な数値や、図８に示されたトルクの具体的な数値は、あくまで一例であり、ウォーム２０およびウォームホイール２１のサイズに応じて変動する。

１…ステアリング装置、１８…電動モータ、１９…ウォーム減速機、２０…ウォーム、２１…ウォームホイール、４２…歯溝、５０…ホブ、Ｄ１…ウォームの外径、Ｄ２…ホブの外径、Ｐ…噛み合いピッチ円、α…ウォームホイールの圧力角、β…ウォームの圧力角

Claims (2)

1. ウォームと、前記ウォームと噛み合う歯溝を有するウォームホイールとを含み、
   前記ウォームの外径Ｄ１と、前記ウォームホイールを切削して前記歯溝を形成するためのホブの外径Ｄ２との関係が以下の式（１）を満足し、
   前記ウォームおよび前記ウォームホイールの噛み合いピッチ円における前記ウォームホイールの圧力角αと前記ウォームの圧力角βとの関係が以下の式（２）を満足することを特徴とする、ウォーム減速機。
   ３≧Ｄ２／Ｄ１≧１．７ …式（１）
   ０．１度≦α−β≦０．５度 …式（２）
2. 補助操舵用の電動モータと、前記電動モータの回転を減速する請求項１記載のウォーム減速機とを含むことを特徴とする、ステアリング装置。

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