JP2018511755A - ボールねじおよび該ボールねじが装備された自動車のステアリング - Google Patents

Abstract

本発明は、ステアリングにおいて使用されるボールねじ（１０）に関する。このボールねじ（１０）は、電動モータ（Ｍ）により生ぜしめられたアシストトルクを、自動車のステアリングに設けられたラック（２ｂ）に作用する並進的なアシスト力に変換するためのねじ軸（２ａ）を有しており、前記ねじ軸（２ａ）の一方の端部および前記ラック（２ｂ）の一方の端部は、それぞれ軸方向継手（Ｇ）を介してタイロッド（３）に結合されており、当該ボールねじ（１０）は、固定側軸受（４）を介してハウジング（ＧＨ）内で支持されたボールナット（５）を有している。１つ／複数のタイロッド（３，３’）から生じて半径方向（ｙ）に作用する高い横方向荷重もしくは横方向力に耐えられるようにするためには、ねじ軸（２ａ）の、タイロッド（３）に結合された端部と、ボールねじ（１０）との間に、ねじ軸（２ａ）をハウジング（ＧＨ）に対して半径方向において支持する、滑り軸受部材（２０）が配置されている。支持は、調節可能な半径方向遊びを介して行われ、この場合、滑り軸受部材は、好適にはねじ軸（２ａ）を包囲するスリーブ（２０）として形成されており、スリーブ（２０）は、円錐形に形成された部分（２２）を有しており、円錐形に形成された部分（２２）は、その外周面において、軸方向（ｘ）に見て円錐形に形成されていると共に、ハウジング（ＧＨ）内に円錐形に形成された内壁（２３）に当て付けられている。

Description

本発明は、ボールねじおよび該ボールねじが装備された自動車のステアリングに関する。特に本発明は、電動モータにより生ぜしめられたアシストトルクを、自動車のステアリングに設けられたラックに作用する並進的なアシスト力に変換するためのねじ軸を有する、ボールねじに関する。

自動車ステアリングの分野において、アシスト力モータ（電動モータ）により生ぜしめられた回転アシスト力（トルク）を、ねじ軸もしくはステアリングのラックに作用する並進的なアシスト力に変換するためにボールねじを使用することは、十分に知られている。図１には、このような構造が概略的に示されている。図１に見られるように、ボールねじ１０を介して、ねじ軸２ａもしくはステアリングのラック２ｂが変位され、この場合、ねじ軸２ａの一方の端部は軸方向継手Ｇを介してタイロッド３に結合されている。これに相応してラック２ｂも一方の端部において、タイロッド３’と枢着結合されている。ラック２ｂは、ステアリングギヤボックスＬのピニオンに係合している。ボールねじ１０は、ベルトＲ等を介して電動モータＭにより駆動される。図２には、ボールねじの構成が詳細に示されている。ボールねじ１０は、固定側軸受４を介してケーシング1内で支持されたボールナット５を有しており、ボールナット５は、ねじ軸２ａと循環するボール６と共に、ボールねじの主要部分を形成すると共に、回転軸線Ｄを中心として回転可能である。

このようなボールねじは、例えば独国特許出願公開第１０２０１２１１００８１号明細書から公知である。この形式のボールねじは、電動式アシストパワーステアリング、いわゆるＥＰＳステアリング（Electric Power Steering）によく使用される。

さらに、例えば独国特許出願公開第１０２００１００２９２６６号明細書からは、冒頭で述べた形式のボールねじを改良して、固定側軸受の各端面、特に固定側軸受の外輪（当該明細書の図２参照）に、少なくとも１つのばね部材「２４」が配置される、ということが公知である。これにより、固定側軸受において軸受の弾性が達成されるので、軸方向に作用する衝撃的な荷重を有効に緩衝することができるようになっている。

図２に示す従来のボールねじ１０の場合には、通常使用において、ＥＰＳステアリングにおけるボールねじの構成群に対し、特に（車両の各タイロッド３に与えられた角度に基づき生ぜしめられる）タイロッド力ａの横方向力成分ｃが大きく誘発される、という問題が生じる。ステアリングが、このように高い横方向力を吸収することができないと、ボールねじ（以下、ボール循環ねじとも云う）が損傷する恐れがあり、このことはとりわけ、音響特性の著しい悪化を招く。図２におけるタイロッド力ａの成分ｂおよびｃへの分解図に基づき判るように、タイロッド力ａの横方向力成分ｃは、ラジアル荷重、すなわち半径方向Ｙに作用するボールねじ１０の横方向荷重をもたらす。この横方向荷重は、ねじ軸２ａとラック２ｂとを弾性的に曲げる恐れがあるばかりでなく、ボールねじ１０に相応の傾動モーメントＫをも形成する。傾動モーメントＫもやはり、ねじ駆動装置の最初のボール６と最後のボールとに、特に高い荷重（図２に矢印で示唆）を加えることになる。そこで高い傾動モーメントは、ボール循環部の前方もしくは後方領域に支持され、特にボールナット５の外側のねじ山における「ボール−軌道」もしくは「ボール−ボール」接触部に、高いヘルツの接触応力を生ぜしめる。このこともやはり、大きな損傷、耐用年数の減少、およびボール軌道および／またはボールの変形をもたらし、その結果、ボールねじの著しい音響的な悪化を招くことになる。

要するに本発明は、電動モータにより生ぜしめられたアシストトルクを、自動車のステアリングに設けられたラックに作用する並進的なアシスト力に変換するためのねじ軸を有する、従来のボールねじを起点とし、この場合、ねじ軸の一方の端部およびラックの一方の端部は、それぞれ軸方向継手を介してタイロッドに結合されており、当該ボールねじは、固定側軸受を介してハウジング内で支持されたボールナットを有している。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式のボールねじを大幅に改良して、上で述べた欠点が有利に克服されるようにすることにある。特に、ステアリングに取り付けるためのボールねじは、横方向荷重が高い場合でも、当該ボールねじのボール循環部には高荷重を一切生ぜしめないようになっていることが望ましい。

この課題は、請求項１記載の特徴を有するボールねじにより解決される。さらに我々は、このようなボールねじが装備されたステアリングを提案する。

本発明によるボールねじは、ねじ軸の、タイロッドと結合された端部と、ボールねじとの間に、ねじ軸をハウジングに対して半径方向において支持する、滑り軸受部材が配置されている、という点において優れている。

好適には、滑り軸受部材は、ねじ軸を包囲するスリーブとして形成されており、この場合、スリーブは、円錐形に形成された部分を有しており、円錐形に形成された部分は、その外周面において、軸方向に見て円錐形に形成されていると共に、ハウジング内に円錐形に形成された内壁に当て付けられている。これにより、正確に調節可能な半径方向遊びを備えた滑り軸受が実現され得る。

つまり、ボールねじと、タイロッドの結合部との間に、ねじ軸を半径方向において支持し、発生する横方向力を受け止めることのできる滑り軸受が設けられており、これにより、極端に高い横方向荷重がボール循環部に直接に作用する恐れがある、ということが有効に防止される。半径方向遊びを調節することにより、半径方向での支持作用は、横方向荷重がある程度の値を超過した場合にのみ、効力を発揮する。よって好適には、ステアリングの通常動作に影響が及ぼされることは全くない。

横方向荷重が高い場合に生じる傾動モーメントが制限されるので、構成部材（ボールナット、ボール）の材料負荷も、ねじ軸もしくはラックのたわみと同様に、大幅に制限されることになる。これにより、許容される強度を上回ること無しに、より小さなねじ軸またはラック直径を適用し、かつボール循環部により少数のねじ山を設けることも可能である。これにより、ステアリングの構造を極めて廉価に実現することができる。さらに、ボール連鎖全体にかかる荷重がより低くなるので、運転特性に関する頑健性が大幅に向上する。

本発明は、前記のようなボールねじが装備された自動車用ステアリングに関し、さらに前記のようなボールねじの構成に適した滑り軸受部材自体にも関する。これについては各従属請求項も参照されたい。

上述した利点ならびに別の利点は、本発明の有利な構成が記載された各下位請求項からも明らかである。

つまり滑り軸受部材が、雄ねじ山を有する環状の部分を備えたスリーブとして形成されており、雄ねじ山は、ハウジング内に形成された雌ねじ山と係合していると有利である。これにより、スリーブの取付け位置ひいては円錐形の部分の固定部をも規定することができる。すなわち、雄ねじ山を介して半径方向遊びを極めて正確に調節することができるようになっている。

これに関連して、滑り軸受部材、特にスリーブとして形成された滑り軸受部材は、好適には平滑な内壁を有しており、この内壁には、ねじ軸の外周面が調節可能な半径方向遊びを備えて当て付けられる。この場合、半径方向遊びは、スリーブとして形成された滑り軸受部材をハウジング内に取り付けることにより、特に、円錐形に形成された内壁に対して雄ねじ山を介して調節される、円錐形に形成された部分の位置により、調節される。

好適には、円錐形に形成された部分は、軸方向に延在する複数のスリットを有しており、これらのスリットは、前記部分を複数のセグメントに分割している。これにより円錐形の部分は、半径方向遊びの正確な調節を更に容易にすると共に改善する、ある程度の弾性を獲得することになる。スリットの長さにより、円錐形の部分の弾性を決定するもしくは適合させることができる。

有利には、半径方向遊びは、所定の横方向荷重が加えられて初めて、特に横方向力成分がタイロッド力の１０％、特に２０％を上回る場合に生じる横方向荷重が加えられて初めて、滑り軸受部材、特にスリーブがねじ軸をハウジングに対して半径方向において支持するように、調節される。つまり滑り軸受は、ある程度の横方向荷重から、付加的な自由側軸受として作用する。第１の調節（＞１０％）により、既に低下された横方向荷重を、滑り軸受により半径方向において支持することができる。第２の調節（＞２０％）により、半径方向の支持は、例えば特別な事象もしくは乱用に際して発生する、特に高い荷重が加えられて初めて作用することになる。

好適には、円錐形に形成された部分は、１〜１．５の勾配を有するように寸法設計されている。滑り軸受部材もしくはスリーブは、好適には金属、特に鋼またはアルミニウムから製造されている、またはプラスチック、特にポリアミドから製造されている。

以下に、本発明を自動車用ステアリングに関する各実施例に基づき添付の図３、図４および図５ａ／ｂに関連して詳細に説明する。
従来技術によるボールねじの構造を概略的に示す図である。 従来技術によるボールねじの構成を詳細に示す図である。 本発明によるボールねじが装備されたステアリングの構造を横断して示した図である。 ステアリング内にスリーブの形態で設けられた滑り軸受部材の取付け部の細部を、より詳しく示す図である。 図５ａ／ｂは、スリーブとして形成された滑り軸受部材の取付け部および構造を具体的に示す、別の詳細図である。

図３および図４に示すボールねじも、既に図１および図２に符号を付して示したような各コンポーネントを有している。よって次のコンポーネントの符号は保持される。すなわち、ステアリングギヤボックスＬＧおよびケーシング（部分）１内のボールねじ１０を備えるステアリングハウジングＧＨ；ボールナット５；ボール６を備える内部領域もしくはボール循環部；回転軸線Ｄを有するねじ軸２ａ；固定側軸受４;ラック２ｂ;各タイロッド３もしくは３’を結合する継手Ｇ；ベルトＲおよびモータＭである。

次に、図３〜図５ａ／ｂにつき第１の実施例を説明する。

図３には、本発明によるボールねじ１０が装備されたステアリングの構造を横断した図が示されている。このボールねじ１０は、ねじ軸２ａを有しており、ねじ軸２ａは構造上、ステアリングのラック２ｂと統合されて形成されている。この構成全体を、略して簡単にラックとも云う。構成全体の両自由端部には、タイロッド３もしくは３’が枢着式に接続されている。高い横方向荷重、つまり半径方向Ｙにおける高い横方向力が、ボールねじ１０のボール循環部を過剰に負荷することを防止するために、ボールねじ１０と、ねじ軸２ａの一方の自由端部、つまりタイロッド３と結合された端部との間には、滑り軸受部材２０が配置されており、滑り軸受部材２０はねじ軸２ａを、ハウジングＧＨに対して半径方向において支持している。

図４および図５ａ／ｂがより詳細に細部を示しているように、滑り軸受部材は、ねじ軸２ａを包囲するスリーブまたはブシュ２０として形成されている。スリーブ２０は、円錐形に形成された部分２２を有しており、この部分２２は、その外周面において、軸方向ｘに見て円錐形に形成されており、かつハウジングＧＨ内に円錐形に形成された内壁２３に当て付けられている。図示の例では、前記部分２２の円錐は方向Ｘに、すなわちボールナットに向かって先細になっている。スリーブ２０は、雄ねじ山２５を備える環状の部分２１をも有しており、雄ねじ山２５は、ハウジングＧＨ内に形成された雌ねじ山に係合している。スリーブ２０もしくは前記部分２１は、ハウジングＧＨの雌ねじ山に螺入することで円錐形の部分２２を多少なりとも強力にハウジングＧＨの円錐形の内壁に押し付ける、調節ねじであると解釈してもよい。これにより、円錐の位置もしくは円錐の固定部が決定されるので、スリーブ２０の平滑な内壁と、ねじ軸２ａとの間の半径方向遊びＲＳの有無および程度も、やはり求められることになる。

特に図５ａが示すように、円錐形に形成された部分２２には、軸方向ｘに延在する複数のスリット２４が設けられているので、この部分２２は、複数のセグメントに分けられることになる。これにより、スリーブ（調節ねじ）２０の所望の弾性が決められる。また、材料選択、例えばＰＡ６プラスチック、および円錐形の部分２２の寸法設定も、スリーブの弾性を共に決定する。

特に図５ｂにつき具体的に示す半径方向遊びＲＳは、円錐形に形成された部分２２の位置が雄ねじ山２５を介して、円錐形に形成された内壁２３に対して所望の寸法に調節されることにより、スリーブ２０の取付け中に調節可能である。ハウジングＧＨの円錐形の内壁に円錐を固定する寸法が大きくなる程、半径方向遊びは小さくなる。これにより、横方向荷重が全く生じない場合または小さな横方向荷重しか生じない場合には、常に半径方向遊びが存在している、ということが達成され得る。これにより差し当たり、ボールねじ１０の機能に影響が及ぼされることはない状態が保たれる。つまり、スリーブ２０内でのねじ軸２ａの、いわば自由回転が生じることになる。

スリーブもしくは調節ねじは、所定の横方向荷重が加えられて初めて、つまり、ねじ軸２ａがスリーブ２０の平滑な内壁２６に接触する程にたわんで初めて、ねじ軸２ａがハウジングＧＨに対して半径方向において支持されるように、調節されている。例えば、スリーブの位置もしくは円錐固定の度合いは、横方向力成分（図２の”ｃ”参照）が生じた場合、タイロッド力（”ａ”参照）の少なくとも１０％になるように調節されていてもよい。よって半径方向遊びＲＳは、滑り軸受もしくはスリーブ２０の半径方向支持作用が、前記値から初めて生じるように調節されることが望ましい。限界値は、例えば少なくとも２０％に調節されてもよく、これにより支持作用は、極端な状態（特別な事象、乱用）において特に高い横方向荷重が発生した場合に、初めて生じることになる。

調節するには、円錐の勾配の寸法設定も必要である。ここでは１〜１．５の勾配が特に有利であるということが判った。スリーブ２０の全長は、例えば約１５ｍｍであってもよい。ねじ部分２１の長さｌ１および円錐部分２２の長さｌ２（図５ｂ参照）に関しては、ｌ１よりもｌ２の方が明らかに長くなっており、例えばｌ２は、ｌ１の少なくとも２倍の長さを有している。

スリーブ２０の取付け箇所は、好適にはタイロッド３用の接続継手を備えた自由端部付近に位置している。これにより、タイロッドに作用する横方向力成分をより良好に支持する／受け止めることができる。スリーブ自体は、本発明の例ではＰＡ−６タイプのポリアミド製であるが、しかしまた、別の適当なプラスチックから製造されていてもよく、択一的には例えば鋼またはアルミニウム等の金属から製造されていてもよい。

本発明は特に、自動車のステアリング、特に電気的なアシスト力支援手段を備えるステアリングに取り付けられるのに適している。本発明により、より軽量な設計変化形もしくは構造変化形が実現可能である。より小型のねじ軸またはラックのより小さな直径が可能だからである。また、より少数のねじ山が必要とされるため、ボールナットの、より短い構成形式も可能である。パフォーマンスもしくは運転特性は、荷重が加えられず変形しないボール連鎖に基づき、大幅に改良される。

まとめると、本発明は、ステアリングにおいて使用されるボールねじ１０に関する。このボールねじ１０は、電動モータＭにより生ぜしめられたアシストトルクを、自動車のステアリングに設けられたラック２ｂに作用する並進的なアシスト力に変換するためのねじ軸２ａを有しており、この場合、ねじ軸２ａの一方の端部およびラック２ｂの一方の端部は、それぞれ軸方向継手Ｇを介してタイロッド３に結合されており、この場合、ボールねじ１０は、固定側軸受４を介してハウジングＧＨ内で支持されたボールナット５を有している。１つ／複数のタイロッド３，３’から生じて半径方向ｙに作用する高い横方向荷重もしくは横方向力に耐えられるようにするためには、ねじ軸２ａの、タイロッド３に結合された端部と、ボールねじ１０との間に、ねじ軸２ａをハウジングＧＨに対して半径方向において支持する、滑り軸受部材２０が配置されている。支持は、調節可能な半径方向遊びを介して行われ、この場合、滑り軸受部材は、好適にはねじ軸２ａを包囲するスリーブ２０として形成されており、スリーブ２０は、円錐形に形成された部分２２を有しており、円錐形に形成された部分２２は、その外周面において、軸方向ｘに見て円錐形に形成されていると共に、ハウジングＧＨ内に円錐形に形成された内壁２３に当て付けられている。

１０ ボールねじ
１ ボールねじのケーシング
２ａ ねじ軸
２ｂ ラック
３，３’ タイロッド
４ 固定側軸受
４Ａ 外輪
５ ボールナット
６ ボールもしくはボール循環部
ＧＨ ステアリングのハウジング
Ｌ ステアリングギヤボックス
Ｄ 回転軸線
Ｇ タイロッドをねじ軸もしくはラックに枢着結合するための軸方向継手
ａ タイロッド力（成分ｂとｃとに分解可能）
ｂ 軸方向力成分
ｃ 横方向力成分
Ｋ 傾動モーメント
ｘ，ｙ，ｚ 空間軸線もしくは方向座標
Ｒ ベルト
Ｍ 電動モータ
２０ ねじ軸用のラジアル支持軸受としての、調節ねじの形態の滑り軸受
２１ 雄ねじ山を備えたスリーブの環状の部分
２２ 円錐形の部分／セグメント
２３ ハウジングＧＨの円錐形の内壁
２４ スリット
２５ 雄ねじ山
２６ スリーブの内壁
ＲＳ 半径方向遊び（調節可能）

Claims (11)

1. 電動モータ（Ｍ）により生ぜしめられたアシストトルクを、自動車のステアリングに設けられたラック（２ｂ）に作用する並進的なアシスト力に変換するねじ軸（２ａ）を有するボールねじ（１０）であって、
   前記ねじ軸（２ａ）の一方の端部および前記ラック（２ｂ）の一方の端部は、それぞれ軸方向継手（Ｇ）を介してタイロッド（３）に結合されており、当該ボールねじ（１０）は、固定側軸受（４）を介してハウジング（ＧＨ）内で支持されたボールナット（５）を有している、ボールねじ（１０）において、
   前記ねじ軸（２ａ）の、前記タイロッド（３）と結合された端部と、当該ボールねじ（１０）との間に、前記ねじ軸（２ａ）を前記ハウジング（ＧＨ）に対して半径方向において支持する、滑り軸受部材（２０）が配置されていることを特徴とする、ボールねじ（１０）。
2. 前記滑り軸受部材は、前記ねじ軸（２ａ）を包囲するスリーブ（２０）として形成されており、該スリーブ（２０）は、円錐形に形成された部分（２２）を有しており、該円錐形に形成された部分（２２）は、その外周面において、軸方向（ｘ）に見て円錐形に形成されていると共に、前記ハウジング（ＧＨ）内に円錐形に形成された内壁（２３）に当て付けられている、請求項１記載のボールねじ（１０）。
3. 前記スリーブ（２０）は、雄ねじ山（２５）を備える環状の部分（２１）を有しており、前記雄ねじ山（２５）は、前記ハウジング（ＧＨ）内に形成された雌ねじ山と係合している、請求項２記載のボールねじ（１０）。
4. 前記円錐形に形成された部分（２２）は、該部分（２２）を複数のセグメントに分割する、軸方向（ｘ）に延在する複数のスリット（２４）を有している、請求項２または３記載のボールねじ（１０）。
5. 前記滑り軸受部材、特にスリーブ（２０）として形成された前記滑り軸受部材は、平滑な内壁（２６）を有しており、該内壁（２６）には、前記ねじ軸（２ａ）の外周面が調節可能な半径方向遊び（ＲＳ）を備えて当て付けられる、請求項１から４までのいずれか1項記載のボールねじ（１０）。
6. 前記半径方向遊び（ＲＳ）は、スリーブ（２０）として形成された前記滑り軸受部材を前記ハウジング（ＧＨ）内に取り付けることにより、特に、前記円錐形に形成された内壁（２３）に対して前記雄ねじ山（２５）を介して調節される、前記円錐形に形成された部分（２２）の位置により調節可能である、請求項５記載のボールねじ（１０）。
7. 前記半径方向遊び（ＲＳ）は、所定の横方向荷重が加えられて初めて、特に横方向力成分（ｃ）がタイロッド力（ａ）の１０％、特に２０％を上回る場合に生じる横方向荷重が加えられて初めて、前記滑り軸受部材、特に前記スリーブ（２０）が、前記ねじ軸（２ａ）を前記ハウジング（ＧＨ）に対して半径方向において支持するように、調節されている、請求項５または６記載のボールねじ（１０）。
8. 前記円錐形に形成された部分（２２）は、１〜１．５の勾配を有している、請求項２から７までのいずれか1項記載のボールねじ（１０）。
9. 前記滑り軸受部材、特に前記スリーブ（２０）は、金属、特に鋼またはアルミニウムから製造されている、またはプラスチック、特にポリアミドから製造されている、請求項１から８までのいずれか1項記載のボールねじ（１０）。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載のボールねじ（１０）を有することを特徴とする、自動車用ステアリング、特に電気的なアシスト力支援手段を備えるステアリング。
11. 請求項１から９までのいずれか１項記載のボールねじ（１０）のための滑り軸受部材（２０）。

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