JP3868182B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵補助用のモータの回転に連動するウォーム及びこのウォームと噛合し、操舵軸に取付けられたウォームホイールを備え、モータの回転により操舵補助する電動パワーステアリング装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、従来の電動パワーステアリング装置の構成例を示す断面図である。この電動パワーステアリング装置は、操舵輪１に連なる第１操舵軸２と、この第１操舵軸２及び第１操舵軸２にトーションバー３を介して連結された第２操舵軸４の回転方向への相対変位量により、操舵トルクを検出するトルクセンサ５と、このトルクセンサ５の検出結果に基づいて駆動される操舵補助用のモータ６の出力軸に繋がり、この出力軸の回転を減速して第２操舵軸４に伝達するウォーム７１及びウォームホイール７２を有する減速機構７とを備えている。ウォームホイール７２は、合成樹脂製の歯部を有している。
【０００３】
図１２は、減速機構７及びモータ６の構成例を示す部分断面図である。
減速機構７は、モータ６の出力軸６０に連結される連結部７５を有し、その条数が２条であるウォーム７１と、第２操舵軸４の嵌合部４ｂに固定されるウォームホイール７２とを備え、これらウォーム７１及びウォームホイール７２の噛合により、モータ６の出力軸６０の回転を減速して第２操舵軸４に伝達し、この第２操舵軸４から等速ジョイントを経て舵取機構へ伝達するようにしてある。
【０００４】
ウォーム７１は、第２操舵軸４の軸芯と交叉するように配置され、その両端の軸部７４が第１玉軸受１６及び第２玉軸受１７を介して、ハウジング８内に回転可能に支持されており、また、連結部７５が継筒１８の内面にスプライン嵌合されてモータ６の出力軸６０に連結され、出力軸６０の回転に連動するようになっている。
【０００５】
図１３は、減速機構７のウオーム７１の外観例を示す正面図である。
このウオーム７１は、上述したように、その条数が２条であり、モータ６の出力軸６０（図１２）（回転軸）に連結する連結部７５と、ハウジング８に第１玉軸受１６及び第２玉軸受１７（図１２）を介して、回転可能に支持される各軸部７４と、歯切されウォームホイール７２と噛合う噛合部７６と、噛合部７６及び各軸部７４間に設けられた各くびれ部７３とを備えている。くびれ部７３は、噛合部７６が歯切される際の工具（ダイス）の逃げとして設けられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電動パワーステアリング装置では、小さな容積で大きな減速比を得ることが出来る為、上述したように、減速機構７にウオーム７１及びウォームホイール７２を採用している。ウオーム７１は、モータ６の出力トルク、歯の強度、ウォームホイール７２の歯数により必要とされる容積及び製造の容易さ等の理由により、その条数を２とされ、これに伴い、モジュールは、必要とされるギヤ比及び出力トルク等に応じて、例えば、２．０、２．５等のように定められている。これは、ウォームホイール７２の歯部が合成樹脂製となっても、見直されることはなかった。
【０００７】
近時、より大型の車両にも電動パワーステアリング装置を搭載することが望まれているが、それに伴い、電動パワーステアリング装置のさらなる高出力化が必要とされている。
このようなさらなる高出力化に対して、従来のウオームの条数を２とする仕様を前提とする場合、耐久性及び歯強度を向上させる為に、従来の例えば、２．０、２．５等の歯のモジュールを、より大きくする必要があるが、従来の歯精度を維持して歯のモジュールを２．５より大きくするには、工作設備、ツール及び検査設備において、さらなる精度の向上及び大型化が必要となり、設備コスト及び製造コストが増加するという問題がある。
【０００８】
また、従来の電動パワーステアリング装置では、耐久性を確保する為に、歯部が合成樹脂製であるウォームホイールになじみを実施しているが、歯のモジュールを２．５より大きくして、なじみを実施し、柔軟性を得て従来同様の耐久性を得る為には、過大な負荷トルクが必要となり、その為の設備を新設しなければならない。また、歯のモジュールを２．５より大きくし、設備を新設して、なじみを実施しても、歯精度を従来のように維持出来ず、バラツキが大きくなるという問題がある。
本発明は、上記問題点を解決することができる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明の発明者は、上記問題点を解決する為、ウオームの条数も含めて、仕様の見直しを行い、ウオームの条数を３とした場合も、実験及びＦＥＭ（Finite Element Method ；有限要素法）解析等により種々検討した。
従来は、上述したように、高出力化に対して、耐久性及び歯強度を向上させる為に、歯のモジュールを大きくする必要があると考えられていた。従って、ウオームの条数を３とした場合、ウォームホイールの歯数は１．５倍になるので、少なくとも、それに応じて全体の容積も増大させる必要があると考えられていた。
【００１０】
ところが、ウオームの条数を３とし、全体の容積が従来と同程度になるように、条数が２である場合よりも小さい歯のモジュールを選択した場合、ウォームホイールの歯が、合成樹脂製であることから撓み易くなって、ウォーム及びウォームホイールの噛合い率が向上し、歯の接触面積が増加した。その為、歯接触部の面圧が下がるので、歯のモジュールを小さくしたにも拘らず、耐久性が向上し、歯強度にも問題がないことが判明した。
【００１１】
具体的には、図５に示すように、従来の、条数が２、モジュールが２．５である場合に対して、条数を３、モジュールを１．６５とした場合、従来の噛合い率（接触弧の長さを円ピッチで割った値、インボリュート歯車の場合には、かみあい長さを法線ピッチで割った値）２〜３に対して、噛合い率が３〜４となり、従来の最大歯面圧力が３４８．７ＭＰａに対して、最大歯面圧力が２６７．０ＭＰａとなり低下した。その為、モジュールを約３０％小さくすることが出来ると共に、その他の仕様は同程度に維持することが出来た。また、図６（ｂ）の解析結果に示すように、高出力化に十分対応することが可能である。
尚、ウオームの条数をさらに増加させた場合、ウォームホイールの歯数がさらに増加すると共に、ウォームホイールの歯をこれより小さくすると強度にも影響することから、全体容積の増加は避けられず、また、工作設備、ツール及び検査設備において、精度の向上が必要となり、設備コスト及び製造コストが増加すると考えられる。
【００１２】
本発明に係る電動パワーステアリング装置は、操舵補助用のモータの回転軸に連動するウォーム、及び該ウォームと噛合し、操舵軸に取付けられた合成樹脂製のウォームホイールを備え、前記モータの回転により操舵補助する電動パワーステアリング装置において、前記ウォームは、その条数が３であり、前記ウォーム及びウォームホイールのモジュールは、該ウォームの条数が２である場合より小さくしてあり、前記ウォームは、前記回転軸に連結する連結部と、前記ウォーム及びウォームホイールを収納するハウジングに回転可能に支持される軸部との他は歯切してあることを特徴とする。
【００１３】
この電動パワーステアリング装置では、操舵補助用のモータの回転軸に連動するウォーム、及びこのウォームと噛合し、操舵軸に取付けられたウォームホイールを備え、モータの回転により操舵補助する。ウォームは、その条数が３であるので、ウォーム及びウォームホイールの噛合い率が向上し、歯接触部の面圧が下がり、耐久性が向上する。その為、高出力化に対応して、歯のモジュールを大きくする必要がない。図１４は、ウォームホイールの歯厚と面圧との関係を示すグラフであり、歯厚が小さくなるに従って合成樹脂製の歯部が撓み易くなって面圧が下がることを示している。図１５は、３条ウォームと２条ウォームとにおける、ウォームホイール外径に対する、適用可能な最大アシストトルクを示すグラフであり、ウォームホイール外径が同一であれば、３条ウォームの方が２条ウォームより、上記最大アシストトルクは１０Ｎｍ以上大きいことを示している。
【００１５】
また、この電動パワーステアリング装置では、ウォーム及びウォームホイールのモジュールを、ウォームの条数が２である場合より小さくしてあるので、ウォームの条数を３にしたにも関わらず、ウォーム及びウォームホイール全体を従来と同程度の大きさのハウジングに収納することが出来、歯精度を従来と同程度に維持することが容易であり、また、合成樹脂製であるウォームホイールの歯が撓み易くなり、歯接触部の面圧が下がると共に、耐久性が向上する。
【００１７】
また、この電動パワーステアリング装置では、ウォームが、回転軸に連結する連結部と、ウォーム及びウォームホイールを収納するハウジングに回転可能に支持される軸部との他は歯切してあるので、従来のくびれ部７３があるウォームに比較して、ウォームの軸方向のウォームホイールとの噛合う長さを確保することが出来、軸方向寸法を短縮させることが出来る。
また、ウォームホイールの歯が、合成樹脂製であることから撓み易くなるため、歯精度が低くとも歯が噛合うようになる。よって、歯精度を従来と同程度に維持することが容易である。また、モジュールを小さくして、ウォーム及びウォームホイール全体を従来と同程度の大きさにできるため、工作設備、ツール及び検査設備を流用することができ、設備コストの増加を抑えつつ、さらなる高出力化を達成できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の構成を示す断面図である。
この電動パワーステアリング装置は、操舵輪１に繋がる第１操舵軸２と、この第１操舵軸２及び第１操舵軸２にトーションバー３を介して連結された第２操舵軸４の相対回転変位量により、操舵トルクを検出するトルクセンサ５と、第２操舵軸４の回転を舵取機構に伝達する等速ジョイント（図示せず）とを備えている。
【００１９】
この電動パワーステアリング装置は、また、トルクセンサ５の検出結果に基づき駆動される操舵補助用のモータ６の回転に連動し、この回転を減速して第２操舵軸４に伝達するウォーム７１ａ及びウォームホイール７２ａを有する減速機構７ａと、第１操舵軸２を取り囲んで支持する第１軸ハウジング９及び第２軸ハウジング１０と、トルクセンサ５及び減速機構７ａが収納されるハウジング８ａと、第１軸ハウジング９を車体に取付ける取付ブラケット１２とを備えている。ハウジング８ａにはモータ６が取付けられており、また、第１軸ハウジング９の他端部は、第２軸ハウジング１０の一端部に軸長方向の相対移動が可能なように嵌合してある。ウォームホイール７２ａは、歯部が合成樹脂製である。
【００２０】
第１操舵軸２は、一端部に操舵輪１が取付けられ、中間部が軸受１３を介して円筒状の第１軸ハウジング９に支持された筒状の第１軸体２ａと、この第１軸体２ａの他端部に相対回転が不能であり、軸長方向への移動が可能に嵌合された棒状の第２軸体２ｂと、この第２軸体２ｂにダウエルピン２ｃにより連結された筒状の第３軸体２ｄとを備えており、第１軸体２ａ及び第２軸体２ｂ間に、車両が衝突した際に、運転者から操舵輪１に作用する衝撃エネルギーを吸収する合成樹脂製の衝撃エネルギー吸収体２ｅが設けてあり、また、第３軸体２ｄと第２操舵軸４との間に、上述したトルクセンサ５を配置している。
【００２１】
また、第２操舵軸４は、筒状に形成されており、一端部が、第２軸体２ｂの他端部にダウエルピン２ｃにより連結されているトーションバー３の他端部に嵌合され、ダウエルピン４ａにより連結されている。第２操舵軸４の軸長方向中間部は、一対の軸受１４，１５を介してハウジング８ａに回転が可能に支持されており、また、これら軸受１４，１５間の嵌合部４ｂに、ウォームホイール７２ａが嵌合固定されている。
【００２２】
図２は、減速機構７ａ及びモータ６の構成例を示す部分断面図である。
この減速機構７ａは、モータ６の出力軸６０に連結される連結部７５を有し、その条数が３条であるウォーム７１ａと、第２操舵軸４の嵌合部４ｂに固定されるウォームホイール７２ａとを備え、これらウォーム７１ａ及びウォームホイール７２ａの噛合により、モータ６の出力軸６０の回転を減速して第２操舵軸４に伝達し、この第２操舵軸４から等速ジョイントを経て舵取機構へ伝達するようにしている。
【００２３】
ウォーム７１ａは、第２操舵軸４の軸芯と交叉するように配置され、その両端の軸部７４が第１玉軸受１６及び第２玉軸受１７を介してハウジング８ａ内に回転が可能に支持されており、また、一端部が継筒１８の内面にスプライン嵌合されてモータ６の出力軸６０に連結されている。
【００２４】
図３は、減速機構７ａのウオーム７１ａの外観例を示す正面図である。
このウオーム７１ａは、上述したように、その条数が３条であり、モータ６の出力軸６０（図２）（回転軸）に連結する連結部７５と、ハウジング８ａに第１玉軸受１６及び第２玉軸受１７（図２）を介して、回転可能に支持される各軸部７４と、各軸部７４間に設けられて歯切され、ウォームホイール７２ａと噛合う噛合部７６ａとを備えている。
【００２５】
減速機構７ａのウオーム７１ａ及びウォームホイール７２ａは、ウオーム７１ａの条数が３である為、ウォームホイール７２ａの歯数が、図４に示すように、ウオームの条数が２条である従来例の参考１のウォームホイールの歯数に比較して１．５倍必要であり、本来なら、そのハウジングの大きさもそれに応じて大きくなる筈である。
しかし、ウオーム７１ａ及びウォームホイール７２ａは、参考１のウオーム及びウォームホイールのモジュール２．５に対して、モジュールを１．６５と小さくしてあるので、ギヤ比及びギヤ芯間距離（ウオーム７１ａの軸芯とウォームホイール７２ａの軸芯との間の距離）が、参考１のそれらと同程度となり、ハウジングの大きさも同程度にすることが出来る。
【００２６】
図５は、ウオーム７１ａ及びウォームホイール７２ａの、ウオーム７１ａの条数が３であり、モジュールが１．６５である場合の、実験的に求めた仕様と、従来例のウオームの条数が２条であり、モジュールが２．５である参考１の仕様及びモジュールが２．０である参考２の仕様とを比較した一覧表である。噛合い率及び最大歯面圧力は、後述するＦＥＭ（Finite Element Method ；有限要素法）解析により求めた。
ウオーム７１ａの条数が３である場合、噛合い率が良いので、最大歯面圧力が低くなり、モジュールを小さくすることが出来ると共に、その他の仕様は同程度に維持出来ることが判る。参考２では、ウオームの条数を従来通り２条として、モジュールを小さくした場合、噛合い率が改善されないので、モータ出力トルクを小さくしなければならないことが判る。
【００２７】
図６は、ウオーム７１ａ及びウォームホイール７２ａの、ウオーム７１ａの条数が３であり、モジュールが１．６５である場合及び上述した参考１，２の場合の、それぞれの噛合い率及び最大歯面圧力を、ＦＥＭ解析により求めたときの負荷条件（ａ）及びその解析結果（ｂ）を示す各一覧表である。
ウオーム７１ａの条数が３であり、モジュールが１．６５である場合、ウオーム７１ａ及びウォームホイール７２ａの接触面は、図７の中間点（ａ）から、僅かに左回転させたとき（ｂ）、僅かに右回転させたとき（ｃ）のそれぞれに示すように、噛合い率は３〜４となり、接触面積が大きくなるので、負荷を大きく掛けることが出来る。これは、ウォームホイール７２ａのモジュールを小さくし、ウォームホイール７２ａの歯が撓み易くなっている為である。
【００２８】
参考１の、ウオームの条数が２であり、モジュールが２．５である場合、ウオーム及びウォームホイールの接触面は、図８の中間点（ａ）から、僅かに左回転させたとき（ｂ）、僅かに右回転させたとき（ｃ）のそれぞれに示すように、噛合い率は２〜３となり、接触面積が小さいので、大きな負荷を掛けることは出来ない。これは、ウォームホイールのモジュールが大きいので、歯の剛性が大きく撓み難い為である。
【００２９】
参考２の、ウオームの条数が２であり、モジュールが２．０である場合、ウオーム及びウォームホイールの接触面は、図９の中間点（ａ）から、僅かに左回転させたとき（ｂ）、僅かに右回転させたとき（ｃ）のそれぞれに示すように、噛合い率は２〜３となり、接触面積は中間的な値となるので、中程度の負荷を掛けることが出来る。これは、ウォームホイールのモジュールが小さいので、それに応じて歯が撓み易くなっている為である。
【００３０】
（開示）
図１０は、開示される電動パワーステアリング装置の減速機構及びモータの構成例を示す正面部分断面図（ａ）及び側面部分断面図（ｂ）である。
この減速機構１０７は、モータ６の出力軸（図示せず）に連結されたウォーム１７１と、第２操舵軸４の嵌合部４ｂに固定されるウォームホイール１７２とを備え、これらウォーム１７１及びウォームホイール１７２の噛合により、モータ６の回転を減速して第２操舵軸４に伝達し、この第２操舵軸４から等速ジョイント（図示せず）を経て舵取機構へ伝達するようにしている。ウォームホイール１７２は、歯部が合成樹脂製である。
【００３１】
ウォーム１７１は、第２操舵軸４の軸芯と交叉するように配置され、その両端の軸部が軸受１１６及び軸受１１７を介してハウジング８ｂ内に回転が可能に支持されている。
第２操舵軸４は、筒状に形成されており、その軸長方向中間部は、一対の軸受１１８，１１９を介してハウジング８ｂに回転が可能に支持されており、また、これら軸受１１８，１１９間の嵌合部４ｂに、ウォームホイール１７２が嵌合固定されている。
【００３２】
上述した軸受１１６〜１１９の内、ハウジング８ｂの開口部に設けられた軸受１１６，１１８，１１９は、ＲＤ又はＲＳシール付の軸受であり、ハウジング８ｂ内を外部の空気から遮断している。
ウォームホイール１７２の歯部は、ナイロン系の合成樹脂製である為、空気中の湿気を吸収して寸法変化（膨張）し、ギヤ噛合い部の芯間圧力が大きくなり、モータ６の回転トルクが増加するという問題があり、舵輪（ハンドル）の戻り易さ及び操舵フィーリングに悪影響を与えるおそれがあった。
【００３３】
しかし、上述したように、ハウジング８ｂの開口部の軸受１１６，１１８，１１９をシール付の軸受として、ハウジング８ｂ内を外部の空気から遮断することにより、ハウジング８ｂ内の空気を乾燥状態に維持することが出来るので、ウォームホイール１７２は吸湿せず、寸法変化を抑制し、モータ６の回転トルクの増加を防止することが出来、舵輪（ハンドル）の戻り易さ及び操舵フィーリングの悪化を防ぐことが出来る。その他の構成及び作用は、上述した本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態１の構成及び作用と同様であるので、説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る電動パワーステアリング装置の減速機構及びモータの構成例を示す部分断面図である。
【図３】本発明に係る電動パワーステアリング装置の減速機構のウオームの外観例を示す正面図である。
【図４】本発明に係る電動パワーステアリング装置のウオーム及びウォームホイールと、従来のウオーム及びウォームホイールとを比較する為の図表である。
【図５】本発明に係る電動パワーステアリング装置のウオーム及びウォームホイールと従来のウオーム及びウォームホイールとの各仕様を比較した一覧表である。
【図６】本発明に係る電動パワーステアリング装置のウオーム及びウォームホイールと従来のウオーム及びウォームホイールとの、それぞれの噛合い率及び最大歯面圧力を、ＦＥＭ解析により求めたときの負荷条件（ａ）及びその解析結果（ｂ）を示す各一覧表である。
【図７】本発明に係る電動パワーステアリング装置のウオーム及びウォームホイールの、中間点（ａ）のとき、僅かに左回転させたとき（ｂ）、僅かに右回転させたとき（ｃ）のＦＥＭ解析による各接触面を示す解析図である。
【図８】従来の電動パワーステアリング装置のウオーム及びウォームホイールの、中間点（ａ）のとき、僅かに左回転させたとき（ｂ）、僅かに右回転させたとき（ｃ）のＦＥＭ解析による各接触面を示す解析図である。
【図９】従来の電動パワーステアリング装置のウオーム及びウォームホイールの、中間点（ａ）のとき、僅かに左回転させたとき（ｂ）、僅かに右回転させたとき（ｃ）のＦＥＭ解析による各接触面を示す解析図である。
【図１０】電動パワーステアリング装置の減速機構及びモータの構成例を示す正面部分断面図（ａ）及び側面部分断面図（ｂ）である。
【図１１】従来の電動パワーステアリング装置の構成例を示す断面図である。
【図１２】従来の電動パワーステアリング装置の減速機構及びモータの構成例を示す部分断面図である。
【図１３】従来の電動パワーステアリング装置の減速機構のウオームの外観例を示す正面図である。
【図１４】ウォームホイールの歯厚と面圧との関係を示すグラフである。
【図１５】３条ウォームと２条ウォームとにおける、ウォームホイール外径に対する、適用可能な最大アシストトルクを示すグラフである。
【符号の説明】
１ 操舵輪
４ 第２操舵軸（操舵軸）
５ トルクセンサ
６ モータ
７ａ 減速機構
８ａ ハウジング
７１ａ ウォーム
７２ａ ウォームホイール
７４ 軸部
７５ 連結部
７６ａ 噛合部

Claims (1)

1. 操舵補助用のモータの回転軸に連動するウォーム、及び該ウォームと噛合し、操舵軸に取付けられた合成樹脂製のウォームホイールを備え、前記モータの回転により操舵補助する電動パワーステアリング装置において、
   前記ウォームは、その条数が３であり、前記ウォーム及びウォームホイールのモジュールは、該ウォームの条数が２である場合より小さくしてあり、前記ウォームは、前記回転軸に連結する連結部と、前記ウォーム及びウォームホイールを収納するハウジングに回転可能に支持される軸部との他は歯切してあることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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