JP2018512331A - 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（３０）が配置されている。この滑り軸受部材は、好適には滑り軸受ブシュ（３０）として形成されており、滑り軸受ブシュ（３０）は少なくとも、タイロッド力（ａ）の横方向力成分（ｃ）が生じる方向（ｙ）に対して垂直に向けられた横方向軸線（ｚ）を中心としてカルダン式に旋回可能に、ハウジング（ＧＨ）内で支持されている。好適には、滑り軸受ブシュ（３０）は、凸状に湾曲された、特に球冠の形態で湾曲された、環状の外周面（３１）を有している。凸状の外周面（３１）の少なくとも第１の部分領域は、凹状に湾曲されたハウジング（ＧＨ）の内壁の、凹状の部分領域に接触している。

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。固定側軸受４は、実質的に軸方向力のみを支持するものであり、したがって半径方向に荷重が加えられることはない。

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（ＫＧＴ）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、場合により極めて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）とＫＧＴ用軸受と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、（軸方向力のみを吸収可能な）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、ねじ軸を包囲する滑り軸受ブシュとして形成されており、この場合、滑り軸受ブシュは、ハウジング内でカルダン式に支持されており、かつタイロッドから生じるラックの横方向力成分を吸収する。

ここに開示した本発明に基づき、ボールねじ（略：ＫＧＴ）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、これにより、横方向荷重（ＫＧＴおよびＫＧＴ用軸受は軸方向力しか考慮していない）がボール循環部もしくはその軸受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。好適には、本発明は、ハウジング内でカルダン式に旋回可能に取り付けられた滑り軸受ブシュにより実現される。

力導入箇所に極めて密着するように配置された滑り軸受箇所に基づき、ラックのより小さなたわみと、ＫＧＴおよびＫＧＴ用軸受のねじ軸に対する負荷の減少とが生じることになる。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。これについては各副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。

つまり滑り軸受ブシュは、好適には凸状に湾曲された、特に球冠の形態で湾曲された環状の外周面を有している。これに関連して有利なのは、滑り軸受ブシュの外周面の少なくとも第１の部分領域が、ハウジングの、凹状に湾曲された内壁に接触している場合である。これにより、滑り軸受ブシュの半カルダン式の支持が、極めて有効に実現されることになる。

好適には、滑り軸受ブシュの外周面の少なくとも第２の部分領域は、ハウジングに挿入可能なリングの凹状に湾曲された内壁に接触している。挿入可能なリングは、位置決め部材により、所定の位置で位置固定され得る。これにより、滑り軸受ブシュの、ハウジング内への取付けが簡単になる。さらに、ブシュのカルダン式の支持は、場合により所望される遊びに応じて調整可能である。

択一的に第２の実施例に基づいて、滑り軸受ブシュは、その両端部において、各１つの丸形線材リングにより、軸方向にずれないように位置固定されていてもよい。好適には、このために滑り軸受ブシュは、その外周面に２つの溝を有しており、これらの溝に丸形線材リングが取り付けられている。さらに想定され得るのは、滑り軸受ブシュの内壁が、ブシュの両端部に、傾斜を有しているもしくは傾斜を付けられている点である。

滑り軸受部材もしくは滑り軸受ブシュは、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４ａ／ｂ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。 図４ａ／ｂは、カルダン式に支持された滑り軸受ブシュの形態の第１の実施例による滑り軸受部材の取付け部を詳細に示す図である。 図５ａ／ｂは、丸形線材リングにより位置固定された滑り軸受ブシュの形態の第２の実施例による滑り軸受部材の取付け部を詳細に示す図である。

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３０が配置されており、滑り軸受部材３０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４ａ／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を包囲する滑り軸受ブシュ３０として形成されている。ブシュ３０は、実質的に１つの環状体から成っており、この環状体は、平滑な内壁３２と、凸状に湾曲された外周面３１とを有している。ここに示す例では、ブシュのこの部分は球冠の形態を有しており、球冠は、ほぼ半分（図４ｂでは右半分）まで、ハウジングＧＨの凹状に成形された部分に支持される。球冠３１の他方の半部（図４ｂでは左半分）は、ハウジング内に挿入可能なリング３３により、もしくはハウジングの凹状に成形された内壁により保持され、これにより球冠ひいては滑り軸受ブシュ３０全体が、所定の位置でｚ軸線を中心として旋回可能に位置決めされている。このユニットの位置固定には、リング３５の形態の位置決め部材が用いられる。

つまり、図４ａ／ｂに示した実施例は、カルダン式に支持されかつｚ軸線を中心として旋回可能なブシュ３０を表しており、ブシュ３０は、ねじ軸２ａを半径方向において支持すると共に、（ｙ方向の）横方向力を受け止めることができる。これにより、ボール循環部、特に最初と最後のボール軌道が、過負荷に対して保護されるようになっている。滑り軸受ブシュ３０とハウジングＧＨとの間の接触もしくは遊びは、位置決め部材３５を介して最適に調整され得る。ブシュ自体もしくは環状体３０は、材料節約および重量節減の目的で、（図４ｂに示すような）切込み部を有していてもよい。所望の場合には、材料の切込み部もしくはテーパ部を、ある程度の弾性を目的として、比較的薄く寸法決めすることもできる。

次に図５ａ／ｂに基づき、本発明の第２の実施形態を説明する。滑り軸受部材４０として、やはり滑り軸受ブシュの形態を有しかつねじ軸２ａを包囲する環状体が使用される。滑り軸受部材もしくは滑り軸受ブシュ４０の内壁は、内側領域ではやはり平らかつ平滑に形成されている。ブシュ４０の両端部は、傾斜を付けられていてもよい、すなわち傾斜面４２を有していてもよい。傾斜面は、取付けを容易にすると共に、ねじ山のたわみ曲線および回転に関して有利である。

ブシュ４０の外周面には複数の溝が設けられており、これらの溝は、それぞれ回転方向に延在していて、各１つの丸形線材リング４３もしくは４４を受け入れている。丸形線材リング４３もしくは４４は、ハウジングＧＨの内壁に接触しており、滑り軸受ブシュは、容易に旋回可能に（カルダン式に）取り付けられている。さらに、ブシュ４０の中間部（図５ｂ参照）において、外周面４１はやや凸状に湾曲されて、例えば球冠の形態で形成されている。この球冠は、丸形線材リング、ここでは右側のリング４４により、軸方向において位置固定されている。（横方向荷重が発生して）ユニットが変位すると、Ｏリングを介して自動的に中心位置が生じるようになっている。これにより、図５ａ／ｂに示した構成では、自動的な中心センタリングが達成されることになる。図４ａ／ｂに示した例の場合、この機能は装備されていない。

大抵の用途では、滑り軸受ブシュ３０もしくは４０の取付け箇所は、好適にはねじ軸２ａの自由端部付近、すなわちタイロッド３用の接続継手のなるべく近くに位置することが望ましい（図３も参照）。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。ブシュ３０もしくは４０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。それというのも、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３，３’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３０が配置されている。この滑り軸受部材は、好適には滑り軸受ブシュ３０として形成されており、滑り軸受ブシュ３０は少なくとも、タイロッド力ａの横方向力成分ｃが生じるｙ方向に対して垂直に向けられた横方向軸線ｚを中心として、カルダン式に旋回可能に、ハウジングＧＨ内で支持されている。好適には、滑り軸受ブシュ３０は、凸状に湾曲された、特に球冠の形態で湾曲された、環状の外周面３１を有している。凸状の外周面３１の少なくとも第１の部分領域は、ハウジングＧＨの内壁の凹状の部分領域に接触している。ＫＧＴ用軸受は、上述した軸受を用いたことにより専ら軸方向力のみを吸収するので、純粋なスラスト玉軸受として構成されてもよい。

（図５ａ／ｂに示したような）丸形鋼リングもしくはＯリングの使用は、滑りブシュの自動的な中心センタリングを生ぜしめる。すなわち、ラックに半径方向の荷重が加えられると、軸受に対してラックのたわみ曲線が生じる。この場合はカルダン式の滑り軸受が、半径方向力を支持する。理論的な計算式に反して、ブシュは「０ｍｍの理想構成長さ」を有していないので、ブシュは、その長さに相応して、ラックのたわみ曲線の延びに追従する。横方向力が消失すると、ラックはその軸受内で再びニュートラル位置を占め、かつカルダン式の滑り軸受を、完全にではないが連行する。ラックと滑り軸受との間の軸受すきまに基づき、歯当たりおよび特に摩擦に関してネガティブな影響が顕著になる、小さな余角が残されることになる。そこで、ハウジングと滑り軸受との間にＯリングを取り付けると、Ｏリングも滑り軸受の旋回時に、横方向力に基づいてやはり弾性変形する。横方向力が消失すると、Ｏリングはその最初の形状を再びとり、滑り軸受を中心位置に戻すことになる（Ｏリングが戻しモーメントを生ぜしめる）。

１０ ボールねじ
１ ボールねじのケーシング
２ａ ねじ軸もしくは ２ｂ ラック
３，３’ タイロッド
４ ４Ａ：外輪を備える固定側軸受
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
３０ カルダン式に支持された滑り軸受ブシュの形態の、中心センタリング無しの滑り軸受（第１の例）
３１ 凸状に湾曲された、例えば球冠の形態の、環状の外周面
３２ 滑り軸受ブシュの内壁
３３ くさび状／凹状に成形されたリング
３５ 位置決め部材／位置決めリング
４０ カルダン式に支持された滑り軸受ブシュの形態の、中心センタリング有りの滑り軸受（第２の例）
４１ やや凸状に湾曲されて溝を設けられた外周面
４２ 傾斜を付けられた端部
４３，４４ 溝に設けられた丸形線材リング

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ためのねじ軸（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、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（３０；４０）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（３０；４０）は、前記ねじ軸（２ａ）を包囲する滑り軸受ブシュ（３０；４０）として形成されており、該滑り軸受ブシュ（３０；４０）は少なくとも、タイロッド力（ａ）の横方向力成分（ｃ）が生じる方向（ｙ）に対して垂直に向けられた横方向軸線（ｚ）を中心として、カルダン式に旋回可能に、前記ハウジング（ＧＨ）内で支持されている、請求項１記載のボールねじ（１０）。
3. 前記滑り軸受ブシュ（３０；４０）は、凸状に湾曲された、特に球冠（３１）の形態で湾曲された環状の外周面（３１；４１）を有している、請求項２記載のボールねじ（１０）。
4. 前記滑り軸受ブシュ（３０）の前記外周面（３１）の少なくとも第１の部分領域は、前記ハウジング（ＧＨ）の、凹状に湾曲された内壁に接触している、請求項３記載のボールねじ（１０）。
5. 前記滑り軸受ブシュ（３０）の前記外周面（３１）の少なくとも第２の部分領域は、前記ハウジング（ＧＨ）に挿入可能なリング（３３）の凹状に湾曲された内壁に接触している、請求項２または３記載のボールねじ（１０）。
6. 前記ハウジング（ＧＨ）に挿入可能な前記リング（３３）は、位置決め部材（３５）により、所定の位置で位置固定されている、請求項５記載のボールねじ（１０）。
7. 前記滑り軸受ブシュ（４０）は、その両端部において、各１つの丸形線材リング（４３；４４）により、軸方向（ｘ）にずれないように位置固定されている、請求項２または３記載のボールねじ（１０）。
8. 前記滑り軸受ブシュ（４０）は、その外周面に２つの溝を有しており、これらの溝に前記丸形線材リング（４３；４４）が取り付けられている、請求項７記載のボールねじ（１０）。
9. 前記滑り軸受ブシュ（４０）は、その両端部の内壁に傾斜面（４２）を有している、請求項７または８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。
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）用の滑り軸受部材（３０；４０）。

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