JP3859216B2 - 電動ステアリング装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機の動力を減速機構を介して操舵軸に作用させる電動ステアリング装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電動機の動力を減速機構(倍力装置)を介して操舵軸に作用させる電動ステアリング装置として、たとえば運転者によるハンドル操作をアシストする電動パワーステアリング装置がある。図5(a)に示すように、このような電動パワーステアリング装置100は、ハンドル101からの運転者の手動による操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ102と、運転者の操舵を補助するモータ103と、このモータ103の回転トルクを増加(倍力)させる減速機構104と、車速を検知する車速センサ105と、モータ103の駆動を制御する制御装置106と、ハンドル101からの操舵トルクをタイヤ107の揺動に変換するために軸方向への推力に変換するラック・ピニオン機構108とで主に構成されている。
【0003】
そして、この電動パワーステアリング装置100では、運転者が操作したときの操舵トルクを操舵トルクセンサ102で検出し、この検出した信号を基本に、他の信号、たとえば車速センサ105からの信号を参照することで制御装置106がモータ103の駆動を制御している。このとき、モータ103から発生するトルクは、減速機構104により倍力されてラック・ピニオン機構108のピニオン軸に作用するため、運転者の操舵にかかる負担が軽減される。具体的には、たとえば操舵トルクをTH、アシスト量AHの係数を一定のkAとすると、AH=kA×THとなるから、負荷であるピニオントルクをTPとすると、
TP = TH+AH
TP = TH+kA×TH
TH = TP/(1+kA)
となる。そのため、操舵トルクTHは、ピニオントルクTPの1/(1+kA)倍(kA>0)となって軽減される。
【0004】
そして、このようにモータ103からのトルクを倍力させる減速機構104としては、図5(b)に示すように、モータ103の先端に同軸に設けられるウォームギヤ115と、このウォームギヤ115の軸に直交する軸回りに回転する樹脂製のウォームホイール122とが噛み合うことでトルクを伝達させる構造が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−264827号公報(段落番号〔0022〕、図2)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の減速機構104では、ウォームギヤ115および樹脂製のウォームホイール122の耐久性や操舵フィーリングの更なる向上を図るために、ウォームギヤ115およびウォームホイール122の歯面形状の改善が望まれていた。従来においては、図6(a)および(b)に示すように、たとえば歯先から歯元にかけて略直線状に形成され、かつその圧力角(歯面のピッチ点において、歯車の半径方向と歯面への接線とのなす角)が6°となる歯を有する歯具(ホブ)200でウォームホイール122を形成していたため、切り下げという現象が起こり、ウォームホイール122の歯元が少しえぐられた形状(図中の凹部122a,122b)となっていた。
【0007】
このような歯面形状となったウォームホイール122では、図7に示すように、ウォームギヤ115との噛み合い部(接触部)Aが切り下げにより小さくなるため、更なる耐久性向上および操舵フィーリングの向上のためにはこの接触部Aの面積を大きくすることが望まれていた。さらに、噛み合い部Cでは、ウォームギヤ115が凹部122aに入り込むように摺動するため、更なる耐久性向上のためには凹部122aを無くすとともに互いにスムーズに摺動できる形状に形成するのが望まれていた。
【0008】
また、切り下げを防止するために、図8(a)および(b)に示すように、歯具200を所定距離aだけ転位させて加工することでウォームホイール123の歯元を太らせる方法があるが、この方法では、図9に示すように、噛み合い部Bがウォームホイール123の歯元まで移動するため、更なる耐久性向上のためにはこの噛み合い部Bを図7に示す噛み合い部Aの位置(ウォームギヤ115のピッチ円PC上)に位置させるのが望ましかった。ちなみに、このように噛み合い部Aをピッチ円PC上に位置させることにより、図7に示すように、樹脂製のウォームホイール122の歯を弾性変形させ、ウォームホイール122の三つの歯をウォームギヤ115の三つの歯に噛み合わせることができ、その耐久性が向上する。
【0009】
そこで、本発明の課題は、減速機構におけるウォームギヤおよびウォームホイールの耐久性および操舵フィーリングの更なる向上に寄与する電動ステアリング装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明のうちの請求項1に記載の発明は、操舵軸に減速機構を介してトルクを付与する電動機を備えた電動ステアリング装置において、 前記減速機構は少なくともウォームギヤとウォームホイールとからなり、前記ウォームギヤおよび前記ウォームホイールの一方の歯面の形状は、歯末面の少なくとも一部が略円弧状であるとともに、歯元面の少なくとも一部がインボリュート形状に形成され、他方の歯面の形状は、歯元面の少なくとも一部が略円弧状であるとともに、歯末面の少なくとも一部がインボリュート形状に形成され、前記ウォームギヤと前記ウォームホイールとは、円弧面同士およびインボリュート面同士が噛み合うことを特徴とする。
【0013】
請求項1に記載の発明によれば、ウォームホイールおよびウォームギヤの歯面の形状を、ともにその一部が略円弧状、他部がインボリュート形状となるように形成することで、ウォームホイールとウォームギヤとの噛み合い部においてたとえば円弧面同士が摺接してウォームギヤがウォームホイールに滑らかに入り込むので、その耐久性を更に向上させることができるとともに、噛み合いの状態が良好になるため、その操舵フィーリングを更に向上させることができる。また、前記した切り下げを防止することができるため、ウォームギヤとウォームホイールとの軸間を短くすることができる。これによって、電動ステアリング装置の小型化を図ることが可能となる。
【0014】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明の構成において、前記ウォームホイールは、樹脂製であることを特徴とする。
【0015】
請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明による効果に加え、ウォームホイールが樹脂製であるので、ピッチ円上でウォームホイールの歯と噛み合ったウォームギヤの歯によって、ウォームホイールの歯を弾性変形させることができる。これにより、ウォームホイールおよびウォームギヤの歯をより多く噛み合わせることができ、その耐久性が更に向上することとなる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る電動ステアリング装置の詳細について説明する。参照する図面において、図1は本実施形態に係る電動パワーステアリング装置の操舵機構を示す断面図、図2は図1の減速機構を構成するウォームギヤおよびウォームホイールを示す断面図である。また、図3は、図2のウォームホイールを加工するための歯具を示す断面図(a)と、この歯具の加工時の軌跡および加工されたウォームホイールを示す断面図(b)である。
【0017】
図1に示すように、電動パワーステアリング装置(電動ステアリング装置)Mの操舵機構1は、ケース2、操舵軸3、減速機構4およびこの減速機構4を介して操舵軸3にトルクを付与するモータ(電動機)5を主に備えている。ケース2内には、その所定箇所に四つのベアリング6,7,8,9が設けられ、これらのベアリング6〜9によって操舵軸3が回転自在に支持されている。また、図示しないハンドル側にある二つのベアリング6,7の間には、前記ハンドルからの操舵トルクを検出するトルクセンサ10が設けられている。
【0018】
減速機構4は、モータ5からの動力を倍力させて操舵軸3に伝達させるべくこれらの間に配設されており、主に金属製のウォームギヤ41と樹脂製のウォームホイール42とで構成されている。ウォームギヤ41は、ウォームホイール42の回転軸とは略直交する軸回りに回転するギヤであり、モータ5の回転軸に相対回転不能な状態で取り付けられている。そして、このウォームギヤ41の外周面には、ウォームホイール42と噛み合う複数の歯41a(図2参照)が形成されている。また、ウォームホイール42は、操舵軸3に相対回転不能な状態で取り付けられ、その外周面にウォームギヤ41と噛み合う複数の歯42a(図2参照)が形成されている。
【0019】
図2に示すように、ウォームギヤ41の歯41aの歯面形状は、ウォームギヤ41のピッチ円P1近傍の位置から歯先まで(図中の枠Eで囲んだ部分)の歯末面(一部)41bが略円弧状に形成されるとともに、ピッチ円P1近傍の位置から歯底まで(図中の枠Dで囲んだ部分)の歯元面(他部)41cがインボリュート形状に形成されている。また、このウォームギヤ41に噛み合うウォームホイール42の歯42aの歯面形状は、ウォームホイール42のピッチ円P2近傍の位置から歯先まで(図中の枠Fで囲んだ部分)の歯末面(他部)42bがインボリュート形状に形成されるとともに、ピッチ円P2近傍の位置から歯底まで(図中の枠Gで囲んだ部分)の歯元面(一部)42cが略円弧状に形成されている。
【0020】
なお、このウォームホイール42は、図3に示すような歯具11によって加工される。具体的に、この歯具11の各歯11aの歯面形状は、歯具11のピッチ円P3近傍から歯底まで(図中の枠Hで囲んだ部分)の歯元面11bがインボリュート形状に形成され、ピッチ円P3近傍から歯先まで(図中の枠Iで囲んだ部分)の歯末面11cが略円弧状に形成されている。また、この歯具11の圧力角は6°に設定されている。そして、このように歯元面11bをインボリュート形状、歯末面11cを略円弧状にした歯具11で形成されたウォームホイール42は、その歯末面42bがインボリュート形状、歯元面42cが略円弧状となるとともに(図2参照)、その歯元に生じる切り下げが防止される。
【0021】
このように形成されたウォームギヤ41およびウォームホイール42を噛み合わせると、図2に示すように、その噛み合い部Jがピッチ円P2上(ウォームホイール42の歯42aの高さ方向中央部)に位置することとなる。また、枠F内においては歯末面42bと歯元面41c、すなわちインボリュート形状の面同士が接し、枠E内においては歯元面42cと歯末面41b、すなわち略円弧状の面同士が接することとなる。さらに、噛み合い部Kにおいてウォームギヤ41の略円弧状となる歯末面41bが同じく略円弧状となる歯元面42cに滑らかに入り込むこととなる。
【0022】
以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
(1)噛み合い部Kにおいてウォームギヤ41の歯41aがウォームホイール42の歯元面42cに滑らかに入り込むので、耐久性を向上させることができるとともに、噛み合いの状態が良好となり操舵フィーリングも向上させることができる。
【0023】
(2)ウォームホイール42の切り下げを防止することで、噛み合い部Jにおける接触面積を大きくして接触面圧を下げることができるので、ウォームギヤ41およびウォームホイール42の磨耗を抑制することができるとともに、高温時におけるクリープ変形をも防止することができる。また、これにより、ハンドルの切り返し時にガタや打音等の発生を防止することができる他、噛み合いの状態が良好になるため操舵フィーリングを更に向上させることができる。
【0024】
(3)ウォームギヤ41をウォームホイール42のピッチ円P2上で噛み合わせることで、樹脂製のウォームホイール42の歯42aを弾性変形させることができる。これにより、図2で示したウォームギヤ41の三つの歯41a,・・・にウォームホイール42の三つの歯42a,・・・を確実に噛み合わせることができることとなり、高い耐久性を確保することができる。
【0025】
(4)ウォームホイール42の歯元部(枠Eで囲んだ部分)では円弧面と円弧面、歯先部(枠Fで囲んだ部分)ではインボリュート面とインボリュート面とが滑らかに接触するので、ウォームホイール42の歯元の曲げ疲労に対する強度を向上させることができるとともに、歯先で大きな荷重に耐えることができる。
(5)また、本実施形態の構造によれば、図4に示すように、切り下げ限界の転位係数をほとんどゼロとすることができる。すなわち、ウォームホイール42の加工時に、歯具11をオフセットする必要がほとんどないので、ウォームギヤ41とウォームホイール42の噛み合い位置をウォームホイール42の歯元側に移動させずに、そのピッチ円P2上に位置させることができる。
【0026】
以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、ウォームギヤ41およびウォームホイール42の両方の歯面形状を円弧状、インボリュート形状で構成したが、たとえばウォームギヤ41またはウォームホイール42のどちらか一方の歯面形状を、円弧状、インボリュート形状で構成してもよい。
本実施形態では、電動ステアリング装置として電動パワーステアリング装置Mを採用したが、本発明はこれに限定されず、たとえば操舵機構と車輪を転舵する転舵機構とが機械的に分離されたステア・バイ・ワイヤ式の電動ステアリング装置を採用してもよい。この構造においては、ハンドルに反力を付与する反力モータと操舵軸との間に設けられる減速機構に本発明を適用することができる。
【0028】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、ウォームホイールおよびウォームギヤの歯面の形状を、ともにその一部が略円弧状、他部がインボリュート形状にするので、その耐久性と操舵フィーリングを更に向上させることができる。また、前記した切り下げを防止することができるため、ウォームギヤとウォームホイールとの軸間を短くすることができる。これによって、電動ステアリング装置の小型化を図ることが可能となる。
【0029】
請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明による効果に加え、ウォームギヤの歯によって、樹脂製のウォームホイールの歯を弾性変形させることができるので、ウォームホイールおよびウォームギヤの歯をより多く噛み合わせることができ、その耐久性が更に向上することとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係る電動パワーステアリング装置の操舵機構を示す断面図である。
【図2】図1の減速機構を構成するウォームギヤおよびウォームホイールを示す断面図である。
【図3】図2のウォームホイールを加工するための歯具を示す断面図(a)と、この歯具の加工時の軌跡および加工されたウォームホイールを示す断面図(b)である。
【図4】本実施形態のウォームホイールおよび従来のウォームホイールの加工時に必要な転位係数を示すグラフである。
【図5】従来の電動パワーステアリング装置を示す斜視図(a)と、減速機構の詳細を示す斜視図(b)である。
【図6】従来のウォームホイールを加工する歯具を示す断面図(a)と、この歯具の加工時の軌跡および加工されたウォームホイールを示す断面図(b)である。
【図7】切り下げが発生したウォームホイールとウォームギヤとの噛み合いの状態を示す断面図である。
【図8】従来の歯具を示す断面図(a)と、転位させた歯具の加工時の軌跡および加工されたウォームホイールを示す断面図(b)である。
【図9】図8のウォームホイールとウォームギヤとの噛み合いの状態を示す断面図である。
【符号の説明】
M 電動パワーステアリング装置
3 操舵軸
4 減速機構
41 ウォームギヤ
41b 歯末面(一部)
41c 歯元面(他部)
42 ウォームホイール
42b 歯末面(他部)
42c 歯元面(一部)
5 モータ(電動機)
Claims (2)
- 操舵軸に減速機構を介してトルクを付与する電動機を備えた電動ステアリング装置において、
前記減速機構は少なくともウォームギヤとウォームホイールとからなり、
前記ウォームギヤおよび前記ウォームホイールの一方の歯面の形状は、歯末面の少なくとも一部が略円弧状であるとともに、歯元面の少なくとも一部がインボリュート形状に形成され、
他方の歯面の形状は、歯元面の少なくとも一部が略円弧状であるとともに、歯末面の少なくとも一部がインボリュート形状に形成され、
前記ウォームギヤと前記ウォームホイールとは、円弧面同士およびインボリュート面同士が噛み合うことを特徴とする電動ステアリング装置。 - 前記ウォームホイールは、樹脂製であることを特徴とする請求項1に記載の電動ステアリング装置。
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