JP2018034711A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数が少なく、組み立てが容易であり、且つ、出力プーリとナットの位相ズレが生じにくい電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】電動パワーステアリング装置が備えるボールねじ１１のナット１５の外周面に複数の凸部４１が形成され、出力プーリ２０の内周面に凹部４３が形成されていて、凸部４１と凹部４３が嵌め合わされナット１５と出力プーリ２０が連結されている。複数の凸部４１は、下記の３つの条件Ａ、Ｂ、Ｃのうち少なくとも１つを満たす。
条件Ａ：複数の凸部４１のうち一部は他部とは形状が異なる。
条件Ｂ：複数の凸部４１がナット１５の外周面上に周方向に不等配に配置されている。 条件Ｃ：複数の凸部４１のうち一部にボール循環路２２が形成されている。
【選択図】図７

Description

本発明は電動パワーステアリング装置に関する。

自動車のラックピニオン式ステアリング装置においては、運転者の操舵によるステアリング軸の回転がピニオン軸に伝達され、このピニオン軸の回転がラックアンドピニオンギヤによりラック軸の軸方向直線運動に変換され、このラック軸の軸方向直線運動が転舵輪に伝達されて、転舵輪が転舵される。
運転者の操舵トルクに応じて電動モータを駆動し、この電動モータの回転力を軸方向直動力に変換してラック軸に伝達することによって運転者の操舵を補助する方式の電動パワーステアリング装置（以下、「ラックアシスト式電動パワーステアリング装置」と記すこともある）が知られている。ラックアシスト式電動パワーステアリング装置においては、電動モータの回転力をラック軸の軸方向直動力に変換するために、ボールねじを用いる場合がある。

電動モータをラック軸に対してオフセットさせる方式のラックアシスト式電動パワーステアリング装置には、電動モータの回転をボールねじに伝達するベルト減速機等の伝達機構が設けられている。
例えばベルト減速機は、電動モータの回転軸に取り付けられた入力プーリと、ボールねじのナットに取り付けられた出力プーリと、入力プーリと出力プーリとに掛け渡されて入力プーリの回転を出力プーリに伝達する無端ベルトと、を備えている。そして、電動モータの回転がベルト減速機によって減速されつつボールねじのナットに伝達され、ボールねじによって軸方向直線運動に変換されてラック軸に伝達されるようになっている。

出力プーリはナットの外周部に取り付けられるが、出力プーリとナットの連結方法として以下のようなものが提案されている。例えば特許文献１には、出力プーリの内周面とナットの外周面とにそれぞれ複数の溝を形成して両溝を対向させることにより複数の空隙部を設け、それら空隙部にそれぞれピン状部材を挿入することにより出力プーリとナットとを連結する方法が開示されている。しかしながら、特許文献１に開示の方法は、組み立て時に複数のピン状部材を空隙部に挿入する必要があるため、部品点数が多い、組み立てに時間や手間を要する等の問題があった。

また、特許文献２には、出力プーリの内周面とナットの外周面とを結合させる方法が開示されている。しかしながら、特許文献２に開示の方法は、円柱面での結合となるため、出力プーリに伝達される回転力が大きい場合には出力プーリとナットが相対回転し、出力プーリとナットの位相（周方向位置）がずれるおそれがあった。なお、これ以降においては、出力プーリとナットが相対回転し出力プーリとナットの位相（周方向位置）がずれることを、「位相ズレ」と記すこともある。

独国特許第１０２０１４２０１６００号明細書 米国特許第８７８９６４８号明細書

そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、部品点数が少なく、組み立てが容易であり、且つ、出力プーリとナットの位相ズレが生じにくい電動パワーステアリング装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の一態様に係る電動パワーステアリング装置は、運転者の操舵に応じて回転するピニオン軸に噛み合いピニオン軸の回転に応じて直動するラック軸と、運転者の操舵トルクに応じて回転駆動される電動モータと、電動モータの回転力をラック軸の軸方向に沿う方向の直動力に変換してラック軸に伝達するボールねじと、電動モータの回転をボールねじに伝達する伝達機構と、を備え、
ボールねじは、螺旋状のねじ溝を外周面に有し且つラック軸と同軸に連結されたねじ軸と、ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有し且つ電動モータの回転が伝達機構を介して入力されて回転するナットと、両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転動路に転動自在に装填される複数のボールと、ボールをボール転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路と、を備え、電動モータによってナットを回転させることにより、ボール転動路内でのボールの転動を介して、ねじ軸がラック軸の軸方向に直動可能とされており、
伝達機構は、電動モータの回転が伝達される入力プーリと、ナットに連結されナットに回転を伝達する出力プーリと、入力プーリ及び出力プーリに掛け渡されて入力プーリの回転を出力プーリに伝達する無端ベルトと、を備え、
出力プーリはナットの外周面を覆うように配置され、径方向外方に突出する複数の凸部がナットの外周面に形成されているとともに、ナットの凸部に対応する形状の凹部が出力プーリの内周面に形成されていて、ナットの凸部と出力プーリの凹部とが嵌め合わされナットと出力プーリとが連結されて一体的に回転可能となっており、
複数の凸部は下記の３つの条件Ａ、Ｂ、及びＣのうち少なくとも１つを満たすことを要旨とする。
条件Ａ：複数の凸部のうち一部は他部とは形状が異なる。
条件Ｂ：複数の凸部がナットの外周面上に周方向に不等配に配置されている。
条件Ｃ：複数の凸部のうち一部にボール循環路が形成されている。

本発明の電動パワーステアリング装置は、部品点数が少なく、組み立てが容易であり、且つ、出力プーリとナットの位相ズレが生じにくい。

本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す平面図である。 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。 ナットに出力プーリが連結されたボールねじの正面図である。 ナットに出力プーリが連結されたボールねじの斜視図である。 ナットに出力プーリが連結されたボールねじの分解斜視図である。 出力プーリの斜視図である。 ボールねじの斜視図及び正面図である。 第一の変形例の電動パワーステアリング装置におけるボールねじの正面図である。 第二の変形例の電動パワーステアリング装置におけるボールねじの正面図である。 図１の電動パワーステアリング装置におけるボールねじ及び出力プーリの断面図である。 第三の変形例の電動パワーステアリング装置におけるボールねじ及び出力プーリの断面図である。

本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態の電動パワーステアリング装置は、後述するラック軸７と電動モータ１２の回転軸１２ａとを平行に配置してオフセットさせる方式のラックアシスト式電動パワーステアリング装置であり、ピニオン機構２とラック機構３を備える例えば車両用の操舵ギヤ機構１に対して好適に適用されるものである。

操舵ギヤ機構１のピニオン機構２は、ピニオンハウジング４内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、ステアリング軸（図示せず）等を介してステアリングホイール（図示せず）に連結されており、運転者の操舵に応じて回転する。
操舵ギヤ機構１のラック機構３は、ラックハウジング６内に摺動可能に支持されたラック軸７を備えている。ラック軸７はピニオン軸５と噛み合っており、ピニオン軸５の回転に応じてラック軸７の軸方向（長手方向）に直動するようになっている。すなわち、ピニオン軸５に伝達された回転が、ラックアンドピニオンギヤによってラック軸７の直線運動に変換される。

本実施形態の電動パワーステアリング装置は、上記のラック軸７と、運転者の操舵トルクに応じて回転駆動される操舵補助用の電動モータ１２と、電動モータ１２の回転力をラック軸７の軸方向に沿う方向の直動力に変換してラック軸７に伝達するボールねじ１１と、電動モータ１２の回転をボールねじ１１に伝達する伝達機構１３と、を備えている。
電動モータ１２は、ラックハウジング６の軸受収容部１６の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を通じてピニオン機構２とは軸方向反対側に突出している。

この電動モータ１２は、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、運転者の操舵によりステアリングホイール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、を有する。そして、モータ制御装置３０は、トルクセンサ３０ａで検出した操舵トルクと車速センサ３０ｂで検出した車速とに基づいて操舵補助トルク指令値を算出し、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操舵補助トルク指令値に基づいて求め、このモータ駆動電流を電動モータ１２に出力する。

ボールねじ１１は、螺旋状のねじ溝９ａを外周面に有するねじ軸９と、ねじ軸９のねじ溝９ａに対向するねじ溝１５ａを内周面に有するナット１５と、両ねじ溝９ａ、１５ａにより形成される螺旋状のボール転動路に転動自在に装填される複数のボール１４と、ボール１４をボール転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路２２（図３を参照）と、を備えている。ボール１４の循環方式は特に限定されるものではないが、例えば、エンドデフレクタを用いてナット１５の内部においてボール１４を循環させる内部循環方式を用いることができる。

そして、ねじ軸９はラック軸７と同軸（すなわち一直線状をなすように）に連結されており、ナット１５は電動モータ１２の回転が伝達機構１３を介して入力されて回転するようになっている。よって、電動モータ１２によってナット１５を回転させることにより、ボール転動路内でのボール１４の転動を介して、ねじ軸９がラック軸７の軸方向に直動可能とされている。

なお、ナット１５は、ラックハウジング６の軸受収容部１６に収容された転がり軸受１７によって、ラックハウジング６に回転自在に支持されている。この転がり軸受１７は、ナット１５と一体に形成された内輪１７ａと、軸受収容部１６に支持された外輪１７ｃと、内輪１７ａと外輪１７ｃとの間に転動自在に配された複数のボール１７ｂと、で構成されている。ナット１５と内輪１７ａは、一体に形成されていてもよいが、別体のものを止め輪等で連結してもよい。

伝達機構１３としては、例えば、図２に示すようなベルト減速機等の減速機構を用いることができる。図２に示すベルト減速機は、電動モータ１２の回転軸１２ａの先端に取付けられ電動モータ１２の回転が伝達される入力プーリ１９と、ナット１５に連結されナット１５に回転を伝達する出力プーリ２０と、入力プーリ１９及び出力プーリ２０に掛け渡されて入力プーリ１９の回転を出力プーリ２０に伝達する無端ベルト２１と、を備えている。ナット１５に出力プーリ２０が連結されたボールねじ１１を図３〜５に示し、出力プーリ２０を図６に示し、ボールねじ１１を図７に示す。

運転者が操舵を行うと、運転者の操舵トルクに応じて電動モータ１２が回転駆動され、電動モータ１２の回転が伝達機構１３を介してボールねじ１１のナット１５に伝達される。ナット１５の回転はボールねじ１１によってねじ軸９の直線運動に変換されるので、ねじ軸９及びラック軸７が軸方向に直動する。そして、ねじ軸９及びラック軸７の直動によって、ラック軸７の端部（図１の例においては左端部）とねじ軸９の端部（図１の例においては右端部）とにタイロッド２３、２３を介してそれぞれ連結されている転舵輪（図示せず）が転舵される。

ここで、ナット１５と出力プーリ２０の連結構造について詳細に説明する。ナット１５は、環状の出力プーリ２０の内側に嵌め込まれて連結されている。すなわち、出力プーリ２０はナット１５の外周面を覆うように配置されている。
ナット１５の外周面には、ナット１５の軸方向に延びる複数の凸部４１がナット１５の径方向外方に突出するように形成されている。本実施形態においては、図３及び図７に示すように、ナット１５の外周面に２つの凸部４１、４１が形成されている。２つの凸部４１、４１のうち一方の凸部４１Ａの内部には、ナット１５の軸方向に延びる貫通孔が形成されていて、この貫通孔によりボール循環路２２が構成されている。この貫通孔は凸部４１Ａの周方向中央に形成されていてもよいし、図３及び図７（ｂ）に示すように凸部４１Ａの周方向端部近傍に形成されていてもよい。２つの凸部４１、４１のうち他方の凸部４１Ｂには貫通孔（ボール循環路２２）は形成されていない。

一方、出力プーリ２０の内周面には、ナット１５の凸部４１に対応する形状の凹部４３が形成されている。本実施形態においては、図５及び図６に示すように、出力プーリ２０の内周面に２つの凹部４３、４３が形成されている。これにより、出力プーリ２０の内周面は、ナット１５の外周面に対応する形状となっているので、ナット１５の２つの凸部４１、４１を出力プーリ２０の２つの凹部４３、４３にそれぞれ嵌め合わせつつナット１５を出力プーリ２０の内側に嵌め込めば、ナット１５と出力プーリ２０とを連結し一体的に回転可能とすることができる。ナット１５に設けられた止め輪溝（図示せず）に止め輪４５（図５を参照）を嵌め込めば、この止め輪４５とナット１５の軸方向端面とによって出力プーリ２０の軸方向位置を規制することができる。

さらに、複数の凸部４１は、下記の３つの条件Ａ、Ｂ、及びＣのうち少なくとも１つの条件を満たす。
条件Ａ：複数の凸部４１のうち一部は他部とは形状が異なる。
条件Ｂ：複数の凸部４１がナット１５の外周面上に周方向に不等配に配置されている。
条件Ｃ：複数の凸部４１のうち一部にボール循環路２２が形成されている。
さらに、ナット１５の重心がナット１５の回転軸上に位置するように複数の凸部４１が設けられていてもよい。

すなわち、３つの条件Ａ、Ｂ、及びＣのうち１つ、２つ、又は全てを満たし、さらに、ナット１５の重心がナット１５の回転軸上に位置するように、複数の凸部４１が設けられていてもよい。ナット１５の重心がナット１５の回転軸上に位置すれば、ナット１５の回転バランスが良好に保たれる。なお、条件Ａの形状が異なる一部の凸部４１と条件Ｃのボール循環路２２が形成されている一部の凸部４１とは、同一の凸部４１であってもよいし、異なる凸部４１であってもよい。

例えば図３〜７に示す本実施形態の電動パワーステアリング装置の場合は、複数の凸部４１が条件Ａ及び条件Ｃを満たしている。すなわち、２つの凸部４１、４１をボールねじ１１の正面側から見た形状は略台形であり、２つの凸部４１、４１は周方向に等配に配置されている。また、２つの凸部４１、４１のうち一方の凸部４１Ａにはボール循環路２２が形成されており、他方の凸部４１Ｂにはボール循環路２２は形成されていない。

そして、ナット１５の重心をナット１５の回転軸上に位置させるために、ボール循環路２２が形成されていない凸部４１Ｂよりもボール循環路２２が形成されている凸部４１Ａの方を大きく形成している。すなわち、ボール循環路２２が形成されていると凸部４１の質量が小さくなるので、その分を補ってバランスを取りナット１５の重心がナット１５の回転軸上に位置するように、凸部４１Ｂよりも凸部４１Ａの方を大きく形成する。

あるいは、図８に示す本実施形態の電動パワーステアリング装置の第一の変形例は、凸部４１及び凹部４３をそれぞれ３つ有している例であるが、複数の凸部４１は条件Ａ及び条件Ｃを満たしている。すなわち、３つの凸部４１、４１、４１をボールねじ１１の正面側から見た形状はいずれも略台形であり、３つの凸部４１、４１、４１は周方向に等配に配置されている。また、３つの凸部４１、４１、４１のうち一の凸部４１Ａにはボール循環路２２が形成されており、他の凸部４１Ｂ、４１Ｂにはボール循環路２２は形成されていない。

そして、ナット１５の重心をナット１５の回転軸上に位置させるために、ボール循環路２２が形成されていない凸部４１Ｂ、４１Ｂよりもボール循環路２２が形成されている凸部４１Ａの方を大きく形成している。すなわち、ボール循環路２２が形成されていると凸部４１の質量が小さくなるので、その分を補ってバランスを取りナット１５の重心がナット１５の回転軸上に位置するように、凸部４１Ｂ、４１Ｂよりも凸部４１Ａの方を大きく形成する。ボール循環路２２が形成されていない２つの凸部４１Ｂ、４１Ｂは、同じ大きさである。

さらに、図９に示す本実施形態の電動パワーステアリング装置の第二の変形例は、凸部４１及び凹部４３をそれぞれ３つ有している例であるが、複数の凸部４１は条件Ａ、Ｂ、及びＣを全て満たしている。すなわち、３つの凸部４１、４１、４１をボールねじ１１の正面側から見た形状はいずれも略台形であり、３つの凸部４１、４１、４１は周方向に不等配に配置されている。また、３つの凸部４１、４１、４１のうち一の凸部４１Ａにはボール循環路２２が形成されており、他の凸部４１Ｂ、４１Ｃにはボール循環路２２は形成されていない。

図９に示すように３つの凸部４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃはいずれも異なる大きさであるが（すなわち、３つの凸部４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃはいずれも異なる形状である）、ナット１５の重心がナット１５の回転軸上に位置するような周方向位置に、凸部４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃは配されている。
このように、上記の３つの条件Ａ、Ｂ、及びＣのうち１つ、２つ、又は全てを満たし、且つ、ナット１５の重心がナット１５の回転軸上に位置するように、複数の凸部４１が設けられているならば、各凸部４１の形状やナット１５の外周面上の周方向位置は特に限定されず、自由に設計することができる。

上記のように、本実施形態の電動パワーステアリング装置及び各変形例においては、ナット１５の凸部４１を出力プーリ２０の凹部４３に嵌め合わせることによりナット１５と出力プーリ２０を連結しているので、出力プーリ２０に大きな回転力が伝達されたとしても、ナット１５と出力プーリ２０の位相ズレが生じにくい。また、位相ズレを防ぐための部材（例えばねじ）が不要であるため、本実施形態の電動パワーステアリング装置及び各変形例は部品点数を少なくすることができる。さらに、このような連結方法であれば、出力プーリ２０のナット１５に対する連結（組み立て）に時間や手間を要することがなく、連結（組み立て）が容易である。さらに、ナット１５と出力プーリ２０を連結するための部材が不要であるため、本実施形態の電動パワーステアリング装置及び各変形例は部品点数が少ない。

さらに、複数の凸部の形状が全て同一で且つナットの外周面上に周方向に等配に配置されている場合は、各凸部はいずれの凹部にも嵌め合わせることが可能であるため、間違った位相で出力プーリをナットに連結してしまう組み付けミスが生じやすい。これに対して、本実施形態の電動パワーステアリング装置や各変形例のように、複数の凸部４１が条件Ａ及び条件Ｂの一方又は両方を満たしていれば、各凸部４１はそれぞれ特定の凹部４３にしか嵌め合わせることができないため、間違った位相で出力プーリ２０をナット１５に連結してしまう組み付けミスが生じることがない。

さらに、凸部４１は、ナット１５の外周部の駄肉（不要部分）を除去することによって形成しているので、ナット１５の軽量化と低イナーシャ化が図られている。そのため、ステアリングホイールの操舵時に運転者が感じる操舵感の重さの低減や、路面反力による電動パワーステアリング装置への衝撃力の低下が実現可能である。
このような本実施形態の電動パワーステアリング装置は、自動車等の電動パワーステアリング装置として使用することができる。

なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。また、本実施形態には種々の変更又は改良を加えることが可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明に含まれ得る。
例えば、本実施形態の電動パワーステアリング装置においては、凸部４１の個数は２つであり、本実施形態の電動パワーステアリング装置の第一及び第二の変形例においては、凸部４１の個数は３つであったが、凸部４１の個数は複数であれば特に限定されるものではなく、４つ以上でもよい。

また、本実施形態の電動パワーステアリング装置及び各変形例においては、凸部４１をボールねじ１１の正面側から見た形状は略台形であったが、凸部４１をボールねじ１１の正面側から見た形状は略台形に限定されるものではなく、他の形状でもよい。例えば、半円形、半楕円形、三角形、矩形等があげられる。
さらに、本実施形態の電動パワーステアリング装置においては、ナット１５の外周面と出力プーリ２０の内周面は、図１０に示すように円柱面であったが、図１１に示す第３の変形例のように円錐面（円錐台の側面）としてもよい。ナット１５の外周面と出力プーリ２０の内周面を円錐面とすれば、以下の効果が奏される。すなわち、ナット１５の外周面と出力プーリ２０の内周面が円柱面である場合は、無端ベルト２１の張力変動を抑えるために、ナット１５を出力プーリ２０に圧入する必要があるが、円錐面とすれば、その必要がないため、ナット１５と出力プーリ２０の嵌め合い部の寸法公差を大きく設定することができる。

さらに、出力プーリ２０の材質は特に限定されるものではないが、樹脂製とすれば、出力プーリ２０が連結されたナット１５の回転における慣性モーメントをより低減することができる。樹脂の種類は特に限定されるものではなく、例えば、ポリアミド、ポリアセタール、フェノール樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリブチレンテレフタレート等があげられる。

５ ピニオン軸
７ ラック軸
９ ねじ軸
９ａ ねじ溝
１１ ボールねじ
１２ 電動モータ
１３ 伝達機構
１４ ボール
１５ ナット
１５ａ ねじ溝
１９ 入力プーリ
２０ 出力プーリ
２１ 無端ベルト
２２ ボール循環路
４１ 凸部
４３ 凹部

Claims (4)

1. 運転者の操舵に応じて回転するピニオン軸に噛み合い前記ピニオン軸の回転に応じて直動するラック軸と、前記運転者の操舵トルクに応じて回転駆動される電動モータと、前記電動モータの回転力を前記ラック軸の軸方向に沿う方向の直動力に変換して前記ラック軸に伝達するボールねじと、前記電動モータの回転を前記ボールねじに伝達する伝達機構と、を備え、
   前記ボールねじは、螺旋状のねじ溝を外周面に有し且つ前記ラック軸と同軸に連結されたねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有し且つ前記電動モータの回転が前記伝達機構を介して入力されて回転するナットと、前記両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転動路に転動自在に装填される複数のボールと、前記ボールを前記ボール転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路と、を備え、前記電動モータによって前記ナットを回転させることにより、前記ボール転動路内での前記ボールの転動を介して、前記ねじ軸が前記ラック軸の軸方向に直動可能とされており、
   前記伝達機構は、前記電動モータの回転が伝達される入力プーリと、前記ナットに連結され前記ナットに回転を伝達する出力プーリと、前記入力プーリ及び前記出力プーリに掛け渡されて前記入力プーリの回転を前記出力プーリに伝達する無端ベルトと、を備え、
   前記出力プーリは前記ナットの外周面を覆うように配置され、径方向外方に突出する複数の凸部が前記ナットの外周面に形成されているとともに、前記ナットの凸部に対応する形状の凹部が前記出力プーリの内周面に形成されていて、前記ナットの凸部と前記出力プーリの凹部とが嵌め合わされ前記ナットと前記出力プーリとが連結されて一体的に回転可能となっており、
   前記複数の凸部は下記の３つの条件Ａ、Ｂ、及びＣのうち少なくとも１つを満たす電動パワーステアリング装置。
   条件Ａ：前記複数の凸部のうち一部は他部とは形状が異なる。
   条件Ｂ：前記複数の凸部が前記ナットの外周面上に周方向に不等配に配置されている。
   条件Ｃ：前記複数の凸部のうち一部に前記ボール循環路が形成されている。
2. 前記ナットの重心が前記ナットの回転軸上に位置するように前記複数の凸部が設けられている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記ナットの外周面及び前記出力プーリの内周面が円錐面である請求項１又は請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記出力プーリが樹脂製である請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動パワーステアリング装置。

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