JP3927793B2

JP3927793B2 - ウォームおよびウォームシャフト

Info

Publication number: JP3927793B2
Application number: JP2001359179A
Authority: JP
Inventors: 稔佐藤; 恒亢
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2021-11-26
Also published as: JP2003161361A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウォームホイールと噛合して食違う２軸間で動力を伝達すべく機能するウォームおよびウォームシャフトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ウォームおよびウォームシャフトは、ウォームホイールと噛合して食違う２軸間で動力を伝達すべく機能するもので、ウォームを構成するねじ部、および、ウォームシャフトのウォーム部を構成するねじ部は、主として切削加工にて成形され、切削加工された部位には研削加工や転造仕上げ加工等の仕上げ加工が施される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ウォームおよびウォームシャフトのウォーム部の成形は切削加工を主体とすることから、ウォームを構成するねじ部、およびウォームシャフトのウォーム部を構成するねじ部における歯底部の断面形状は、底面が平面の台形状を呈していて、隣り合う歯部間では、鍛錬されている形成母材の繊維組織が切断された状態にある。このため、従来のウォームおよびウォームシャフトのウォーム部は、鍛錬されている形成母材の繊維組織が隣り合う歯部間で切断されている分だけ、静的にも動的にも強度低下をきたしていることになる。また、従来の成形方法では、切削加工と仕上げ加工（研削、転造等）とが必須不可欠であることから、長時間を要するとともに、設備費が高額になるという問題がある。
【０００４】
従って、本発明の目的は、ウォームのねじ部、および、ウォームシャフトのウォーム部のねじ部における歯底部の断面形状を転造加工が可能な形状に設定することにより、ねじ部を、切削加工を要することなく転造加工のみにて成形し得るようにして、切削加工による従来の各問題を解消することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ウォームホイールと噛合して食違う２軸間で動力を伝達すべく機能するウォームおよびウォームシャフトに関するものである。
【０００６】
しかして、本発明に係るウォームは転造加工のみにて成形されているもので、ねじ部の歯底部が、当該ウォームの歯元点から同ウォームと前記ウォームホイールとが噛合った状態での同ウォームホイールの歯先角点をウォーム歯先方向へ越える位置までの範囲にわたって、互いに半径を異にする２種類の円弧により形成される断面円弧状に設定されていることを特徴とするものである。また、本発明に係るウォームシャフトは、シャフトの外周の所定の部位に有するウォーム部が転造加工のみにて成形されているもので、前記ウォーム部のねじ部の歯底部が、同ウォーム部の歯元点から同ウォーム部と前記ウォームホイールとが噛合った状態での同ウォームホイールの歯先角点をウォーム歯先方向へ越える位置までの範囲にわたって、互いに半径を異にする２種類の円弧により形成される断面円弧状に設定されていることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の作用・効果】
本発明に係るウォームおよびウォームシャフトにおいては、ウォームのねじ部における歯底部、および、ウォーム部のねじ部における歯底部が断面円弧状に設定されている。ねじ部の歯底部が断面円弧状に設定されている場合には、ねじ部の転造加工が可能になり、かつ、転造加工時、成形母材のダイスによる塑性変形の際の母材の変形流れが円滑になされ、成形母材の繊維組織が隣り合う歯部間で切断されることがない。換言すれば、ねじ部の歯底部を断面円弧状に設定することにより、ねじ部を転造加工のみにて良好に成形することができる。この場合、歯底部の断面形状は、ウォームまたはウォーム部の歯元点からウォームまたはウォーム部と前記ウォームホイールとが噛合った状態での同ウォームホイールの歯先角点をウォーム歯先方向へ越える位置までの範囲にわたって、互いに半径を異にする２種類の円弧により形成される断面円弧状に設定されている。かかる設定により、ねじ部の捻り強度が十分に確保でき、かつ、ウォームホイールとの噛合時における歯部の互いの干渉を回避する歯形形状とすることができる。
【０００８】
従って、ウォームのねじ部、および、ウォーム部のねじ部の成形に転造加工のみを採用することにより、隣り合う歯部間での形成母材の繊維組織が切断されていないねじ部を形成することができ、従来のねじ部に比較して静的にも動的にも強度が高いウォームおよびウォームシャフトを構成することができる。
【０００９】
また、ウォームのねじ部、および、ウォーム部のねじ部の成形では、従来の成形では必須不可欠である切削加工と仕上げ加工を廃止して転造加工のみを採用することから、成形加工の時間を著しく短縮して生産効率を高めることができるとともに、成形加工の設備費を大幅に低減することができる。このため、ウォームおよびウォームシャフトを廉価に提供することができる利点がある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、ウォームおよびウォームシャフトに関するものであり、図１には、本発明に係るウォームシャフトの一実施形態を示している。当該ウォームシャフトＡは自動車用の電動式パワーステアリングを構成する一構成部材であるウォームシャフトであって、ウォームシャフトＡのシャフト本体Ａ1の中間部の外周にウォーム部Ａ2を備えている。当該ウォームシャフトＡは、電動モータＢの出力軸Ｂ1に連結していて、減速機Ｃを構成するウォームホイールＣ1に噛合している。これにより、当該ウォームシャフトＡは、電動モータＢの動力を、減速機Ｃの出力軸に減速した状態で伝達する。
【００１１】
当該ウォームシャフトＡのウォーム部Ａ2は、本発明の主要部を構成するもので、図２（ａ）には、ウォーム部Ａ2を構成しているねじ部１０Ａの断面形状を示している。なお、図２（ｂ）には、従来のウォームシャフトのウォーム部を構成するねじ部１０Ｂの断面形状を示している。
【００１２】
本発明に係るウォームシャフトＡにおいては、ウォーム部Ａ2は転造加工のみにて成形されていて、ねじ部１０Ａの隣り合う歯部１１ａ，１２ａが形成する歯底部１３ａが断面円弧状に設定されている。歯底部１３ａが断面円弧状に設定されているウォーム部Ａ2は従来にない特異の形状であり、従来のウォーム部のねじ部１０Ｂにおける隣り合う歯部１１ｂ，１２ｂが形成する歯底部１３ｂの断面形状とは明かに相違している。当該ねじ部１０Ｂの歯底部１３ｂの断面形状は、底面が平面の台形状を呈している。
【００１３】
本発明に係るウォームシャフトＡのウォーム部Ａ2におけるねじ部１０Ａの断面形状、特に、歯底部１３ａの断面円弧状の形状は、ウォーム部Ａ2を成形する際の転造性を考慮して設定されているものであり、ウォーム部Ａ2は転造加工のみにて成形されている。ウォーム部Ａ2の転造加工では、例えば丸形ダイスが使用されるが、成形母材がダイスによって塑性変形される際の、成形母材の断面円弧状の歯底部１３ａに沿った方向への塑性流れが円滑であって、良好な塑性変形が可能である。
【００１４】
従って、ウォーム部Ａ2においては、隣り合う歯部１１ａ，１２ａ間での形成母材の繊維組織が切断されていないねじ部１０Ａを成形することができる。換言すれば、当該ウォーム部Ａ2のねじ部１０Ａは、従来のウォーム部のねじ部１０Ｂに比較して静的にも動的にも強度が高くなり、ウォームシャフトＡは強度が高いものとなる。
【００１５】
これに対して、従来のウォームシャフトのウォーム部においては、ねじ部１０Ｂの両歯部１１ｂ，１２ｂが形成する歯底部１３ｂは、底面が平面の台形状を呈しているもので、当該ねじ部１０Ｂの歯底部１３ｂの形状の設定では、転造性を考慮すれば、当該ねじ部１０Ｂの成形加工には転造加工を採用することはできず、切削加工が不可欠となり、これに併せて、切削加工された部位を研磨加工、転造仕上げ等の仕上げ加工を要することになる。
【００１６】
当該ウォーム部におけるねじ部１０Ｂのかかる構造および成形加工方法では、隣り合う歯部１１ｂ，１２ｂ間では形成母材の繊維組織が切削加工にて切断されていて、繊維組織が切断されている分だけ、静的にも動的にも強度低下をきたしている。また、当該成形加工方法では、切削加工と仕上げ加工とが必須不可欠であることから、成形加工に長時間を要するとともに、成形加工の設備費が高額になるという問題がある。
【００１７】
これに対して、本発明に係るウォームシャフトＡのウォーム部Ａ2の成形方法では転造加工のみを採用していて、従来のウォームシャフトのウォーム部の成形では必須不可欠である切削加工と仕上げ加工を廃止していることから、成形加工の時間を著しく短縮して生産効率を高めることができるとともに、成形加工の設備費を大幅に低減することができる。このため、ウォームシャフトＡにおけるウォーム部Ａ2の成形費用を低減することができて、ウォームシャフトＡを廉価に提供することができる利点がある。
【００１８】
【実施例】
本実施例では、炭素鋼を成形母材として、モジュール、ピッチ、ピッチ円直径圧力角、歯末たけ、歯元たけ、リード、進み角、中心距離、歯先円直径等の特性がほぼ同一で、歯底部に形状のみが図２（ａ）に示す態様のウォーム２０Ａ（実施例）と、図２（ｂ）に示す態様の従来のウォーム２０Ｂ（比較例）の２種類を成形した。
【００１９】
実施例に係るウォーム２０Ａの成形には転造加工法を採用し、比較例に係るウォーム２０Ｂの成形には切削加工と転造仕上げを併用した加工法を採用している。また、ウォーム２０Ａにおけるねじ部の歯底部は、図２（ａ）に示すように、断面円弧状である特異な断面形状に設定し、かつ、第２ウォーム２０Ｂにおけるねじ部の歯底部は、図２（ｂ）に示すように、底面が平面の断面台形状である周知の断面形に設定している。
【００２０】
ウォーム２０Ａのねじ部における歯底部の断面形状の設定は、ねじ部の捻り強度が十分に確保でき、かつ、ウォームホイールとの噛合時における歯部の互いの干渉を回避する歯形形状とする旨の設計思想に基づくものであり、歯底部の断面形状は互いに半径を異にする２種類の円弧により形成されている。図３には、実施例に係るウォーム２０Ａのねじ部における歯底部の断面形状の設定方法の概略を示している。図３においては、横軸（ｘ軸）はウォームの歯溝幅中心からの距離で、縦軸（ｙ軸）はウォームの半径である。つまり、図３はウォームの歯溝対称の半分を示している。
【００２１】
ウォーム２０Ａのねじ部における歯底部の断面の形状線２１（図３の図示実線）は、１点鎖線で示す第１円弧線２１ａと第２円弧線２１ｂを合成して選定されている。第１円弧線２１ａは、ウォーム２０Ａのウォーム軸線（ｘ軸）に対するウォーム半径方法（ｙ軸）の距離が（ｘ軸座標０ｍｍ，ｙ軸座標７．４ｍｍ）にある点Ｏ1を中心とする半径２．６５ｍｍの円弧線であり、また、第２円弧線２１ｂは、ウォーム軸線（ｘ軸）に対するウォーム半径方法（ｙ軸）の距離が（ｘ軸座標０．５９８ｍｍ，ｙ軸座標５．７２ｍｍ）にある点Ｏ2を中心とする半径０．９１６ｍｍの円弧線である。なお、図３中の２点鎖線２２は、ウォームホイールのねじ部の歯形形状を示す。
【００２２】
歯底部の形状線２１上の各点にあっては、点Ｄ1は、ウォーム２０Ａの歯元点（ｘ軸座標０ｍｍ，ｙ軸座標４．７５ｍｍ）であって、ウォームの歯底円半径を示す。点Ｄ2は、第１円弧線２１ａと第２円弧線２１ｂの接点（ｘ軸座標０．９１４ｍｍ，ｙ軸座標４．９１３ｍｍ）であり、点Ｄ3は、ウォーム２０ＡとウォームホイールＣ 1 とが噛合った状態でのウォームホイールの歯先角点（ｘ軸座標１．３１８ｍｍ，ｙ軸座標５．４５５ｍｍ）であり、点Ｄ4は、第２円弧線２１ｂとウォーム２０Ａの歯面の接点（ｘ軸座標１．５１４ｍｍ，ｙ軸座標５．７７２ｍｍ）である。
【００２３】
歯底部の形状線２１において、点Ｄ1と点Ｄ4間を単一の円弧で形成する場合には、滑らかな歯底形状を得るためには、円弧は点Ｄ4でウォーム歯面に、点Ｄ1で歯底円柱に接しなければならない。これを満足するためには、ウォームの歯底径をもっと小さくすること、または、ウォーム歯面上の点Ｄ4を歯先方向へ上げることが必要である。しかしながら、小さい歯底円はウォーム強度を悪化すること、点Ｄ4をウォーム歯先方向に上げることはウォームホィールと正確に噛合う点がなくなるか、円弧がウォームの歯先に干渉すること等になる。特に、ウォームホイールは合成樹脂からなる成形加工品であって、点Ｄ3がばらつきやすいことから、この点での干渉を防止するためにも２円弧から構成することが重要である。なお、点Ｄ1はねじ部の捻り強度からその寸法が設定され、また、点Ｄ4は歯形形状からその寸法が設定されている。
【００２４】
図４（ａ）は、ウォーム２０Ａ（実施例）の断面の写真を拡大して複写したものであって、ウォーム２０Ａのねじ部における歯底部の断面形状は、その形状線２１にて決定されている円弧状を呈している。図４（ｂ）は、ウォーム２０Ｂ（比較例）の断面の写真を拡大して複写したものであって、ウォーム２０Ｂのねじ部における歯底部の断面形状は、底面が平面である台形状を呈している。また、図５（ａ）は、ウォーム２０Ａの歯部の断面の写真を拡大して複写したものであり、同図（ｂ）は同図（ａ）のｂ部の断面を２００倍に拡大した顕微鏡写真を複写したもの、同図（ｃ）は同図（ａ）のｃ部の断面を２００倍に拡大した顕微鏡写真を複写したもの、同図（ｄ）は同図（ａ）のｄ部の断面を２００倍に拡大した顕微鏡写真を複写したものである。
【００２５】
また、図６（ａ）は、ウォーム２０Ｂ（比較例）の断面の写真を拡大して複写したものであり、同図（ｂ）は同図（ａ）のｂ部の断面を２００倍に拡大した顕微鏡写真を複写したもの、同図（ｃ）は同図（ａ）のｃ部の断面を２００倍に拡大した顕微鏡写真を複写したもの、同図（ｄ）は同図（ａ）のｄ部の断面を２００倍に拡大した顕微鏡写真を複写したものである。
【００２６】
これらの図面には、成形母材の鍛錬されて形成されている繊維組織が明確に示されている。ウォーム２０Ａにおいては、ねじ部を構成している成形母材の繊維組織は、塑性変形に起因して平行に配列した状態で屈曲して連続していることが確認される。これに対して、ウォーム２０Ｂにおいては、ねじ部を構成している成形母材の繊維組織は、非成形部位を構成する母材の繊維組織と平行した状態にあって、隣り合う歯部間では切削加工に起因して切断されていることが確認される。また、ウォーム２０Ａおよびウォーム２０Ｂにおけるねじ部を構成する歯部の各部位における硬度を測定した結果を、表１および表２に示すとともに、図７および図８にグラフとして示している。
【００２７】
表１および図７に示す測定硬度は、同図に示す歯部における点ａから点ｂまでの間を横方向に０．１ｍｍの等間隔にした９箇所の部位での測定値である。但し、点ａは、歯面の最表面から０．４ｍｍに位置する部位である。また、表２および図８に示す測定硬度は、同図に示す歯部の縦方向の１〜８の部位の８箇所の部位での測定値である。但し、１〜７の各部位は歯面の最表面から０．４ｍｍに位置する部位であり、８の部位は１と７の部位の中間の部位である。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例に係るウォームシャフトを電動モータと減速機間に配置した状態を示す一部縦断側面図である。
【図２】同ウォームシャフトのウォーム部におけるねじ部の形状を示す部分断面図（ａ）、および、従来のウォームシャフトのウォーム部におけるねじ部の形状を示す部分断面図（ｂ）である。
【図３】本発明の一例に係るウォームの歯底部の形状を設定する設計方法を示す説明図である。
【図４】本発明の実施例に係るウォームの断面の顕微鏡写真を複写した図（ａ）、および、従来例（比較例）に係るウォームの断面の顕微鏡写真を複写した図（ｂ）である。
【図５】本発明の実施例に係るウォームの歯部の断面の顕微鏡写真を複写した図（ａ）、同図（ａ）のｂ部の断面を２００倍に拡大した顕微鏡写真を複写した図（ｂ）、同図（ａ）のｃ部の断面を２００倍に拡大した顕微鏡写真を複写した図（ｃ）、同図（ａ）のｄ部の断面を２００倍に拡大した顕微鏡写真を複写した図（ｄ）である。
【図６】比較例に係るウォームの歯部の断面の顕微鏡写真を複写した図（ａ）、同図（ａ）のｂ部の断面を２００倍に拡大した顕微鏡写真を複写した図（ｂ）、同図（ａ）のｃ部の断面を２００倍に拡大した顕微鏡写真を複写した図（ｃ）、同図（ａ）のｄ部の断面を２００倍に拡大した顕微鏡写真を複写した図（ｄ）である。
【図７】本発明の実施例に係るウォームおよび比較例に係るウォームの歯部における横方向の各部位の硬度を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例に係るウォームおよび比較例に係るウォームの歯部における縦方向の各部位の硬度を示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ…ウォームシャフト、Ａ1…シャフト本体、Ａ2…ウォーム部、Ｂ…電動モータ、Ｂ1…出力軸、Ｃ…減速機、Ｃ1…ウォームホイール、１０Ａ，１０Ｂ…ねじ部、１１ａ，１２ａ…歯部、１３ａ…歯底部、１１ｂ，１２ｂ…歯部、１３ｂ…歯底部、２０Ａ，２０Ｂ…ウォーム、２１…形状線、２１ａ…第１円弧線、２１ｂ…第２円弧線、２２…ウォームホイールの歯形形状。

Claims

ウォームホイールと噛合して食違う２軸間で動力を伝達すべく機能するウォームであり、当該ウォームは転造加工のみにて成形されているもので、ねじ部の歯底部が、当該ウォームの歯元点から同ウォームと前記ウォームホイールとが噛合った状態での同ウォームホイールの歯先角点をウォーム歯先方向へ越える位置までの範囲にわたって、互いに半径を異にする２種類の円弧により形成される断面円弧状に設定されていることを特徴とするウォーム。
シャフトの外周の所定の部位に有するウォーム部をウォームホイールに噛合して食違う２軸間で動力を伝達すべく機能するウォームシャフトであり、前記ウォーム部は転造加工のみにて成形されているもので、前記ウォーム部のねじ部の歯底部が、同ウォーム部の歯元点から同ウォーム部と前記ウォームホイールとが噛合った状態での同ウォームホイールの歯先角点をウォーム歯先方向へ越える位置までの範囲にわたって、互いに半径を異にする２種類の円弧により形成される断面円弧状に設定されていることを特徴とするウォームシャフト。