JP4049048B2 - 電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラックとこれに噛合するピニオンを使用し、ボールねじによりアシスト力を与えるようにした電動式パワーステアリング装置に関する。

この種の電動式パワーステアリング装置としては、ハウジングに軸線方向移動可能に支持されてリンク機構を介して操向車輪を操舵するラックシャフトと、このラックシャフトに形成されたラックと噛合しラックシャフトを軸線方向に往復動させるピニオンを有するピニオンシャフトと、ハウジングに回転自在に支持されたナットとラックシャフトの外周面に形成されて多数のボールを介してナットにねじ係合された雄ねじ部よりなるボールねじと、ピニオンシャフトの伝達トルクに応じてナットを回転させてラックシャフトに伝達トルクに応じたアシスト力を与えるモータを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の技術では、ハウジング内にラックシャフトと同軸的に回転自在に支持された中空のモータシャフトの内面にボールねじのナットを取り付け、モータはモータシャフトとハウジングの間に設けられてナットを回転させるようにしている。この種の電動式パワーステアリング装置では、通常はラックとピニオンは何れもはすば角を有して９０度とは異なる角度で互いに交差し、またピニオンはラックと重なる歯幅方向全範囲の全長においてラックと当接している。
特開２００１−８８７１７号公報（段落〔０００２〕、〔０００３〕、図３、図４）。

ボールねじでは、ラックシャフトに形成された雄ねじ部とナットに形成された各ねじ溝の間をボールが転動し、ナットの出口側端部に達したボールはナットに設けられた循環通路を通ってナットの入り口側端部に戻されて、両ねじ溝の間に再び入れられる。また、ラックシャフト側である雄ねじ部の中心軸線とハウジング側であるナットの中心軸線が相対的に傾斜されていると、循環通路が連結されるナットの各端部におけるラックシャフト側のねじ溝とナット側のねじ溝の間の半径方向距離は、それぞれの中心軸線が離れる側となる円周方向の一方の半分では設計値よりも大となり、他方の半分では設計値よりも小となる。この両ねじ溝の間の半径方向距離が設計値よりも小さくなった範囲では、循環通路から戻されたボールは円滑に両ねじ溝の間に入ることができず、一時的にボールねじがスムーズに回転できなくなる。このような雄ねじ部とナットの各中心軸線の相対的傾斜はラックシャフトの曲がりにより生じるが、この曲がりは主としてラックとピニオンの間の摩擦に起因しており、以下そのラックシャフトの曲がりにつき図４を参考しながら述べる。

この種の電動式パワーステアリング装置は、操舵ハンドルにより回転されるピニオン３がラック２と噛合しラックシャフト１を軸線方向に移動させて前輪を操舵するものであるが、ラック２とピニオン３は通常は上述のように９０度とは異なる角度で互いに交差している。従って作動に際してこのラック２とピニオン３の間の噛合部には歯すじ方向に沿った滑りが生じるので、ラックシャフト１と直交する断面である図４（符号３ａはピニオン３の歯すじ方向を示す）に示すように、この噛合部となるラック２の歯面にはその歯すじ方向に沿って操舵の向きに応じた上向きの摩擦力Ｆ１または下向きの摩擦力Ｆ２が生じる。これにより、ラックシャフト１には、図４に示すように、ピニオン３との噛合位置付近の中心軸線上に摩擦力Ｆ１，Ｆ２と平行で同じ大きさの上向きまたは下向きの推力Ｐ１，Ｐ２が生じ、また中心軸線周りには半時計回転方向または時計回転方向の回転力Ｒ１，Ｒ２が生じる。

通常の電動式パワーステアリング装置は、上述のように、ラック２とピニオン３は互いに重なる歯幅方向範囲の全長において当接しており、従ってラックシャフト１はピニオン３に対しその中心軸線回りの回転が拘束されているので、ラック２とピニオン３の噛合部に生じる滑りはスティック・アンド・スリップを伴い、このため摩擦力Ｆ１，Ｆ２の大きさは大きく変動する。ピニオンシャフト４が回転すればラックシャフト１にはピニオン３との噛合位置付近の中心軸線上に、大きく変動する摩擦力Ｆ１，Ｆ２と同じ大きさの変動する推力Ｐ１，Ｐ２が生じ、この変動する推力Ｐ１，Ｐ２によりラックシャフト１はその中心軸線と直交する方向に移動されて弾性的に曲げられる。このラックシャフト１の曲がりにより、ボールねじのハウジング側であるナットの中心軸線と、ラックシャフト１側である雄ねじ部のボールを介してナットとねじ係合される部分の中心軸線とは相対的に傾斜され、その相対的傾斜角度は大きく変動する。

前述のように、ボールねじでは、雄ねじ部とナットの各中心軸線が相対的に傾斜されていると、その作動範囲のどこかで循環通路から戻されたボールは円滑に両ねじ溝の間に入ることができず、ボールねじがスムーズに回転できなくなる。従って電動式パワーステアリング装置は、ボールねじの雄ねじ部とナットの各中心軸線が相対的に傾斜され、その相対的傾斜角度が大きく変動すると、特にその相対的傾斜角度が大きくなった付近において循環通路から戻されたボールが雄ねじ部とナットの各ねじ溝の間に円滑に入ることができず、ボールねじがスムーズに回転できなくなるので、ラックシャフト１の回転方向及び軸線方向の動きが円滑でなくなり、ピニオンシャフト４を介してラックシャフト１に連結される操舵ハンドルの動きも円滑でなくなり、操舵操作にトルク変動を生じて良い操舵感が得られないという問題を生じる。

本発明は、ラックとピニオンの間の摩擦力の変動に起因する雄ねじ部とナットの各中心軸線の間の相対的傾斜角度の変動を減少させることによりこの相対傾斜角度の最大値を減少させて、上述したような問題を解決することを目的とする。

このために、本発明による電動式パワーステアリング装置は、ハウジングに軸線方向移動及び回転可能に支持されてリンク機構を介して操向車輪を操舵し軸線方向の一部にラックが形成されたラックシャフトと、このラックシャフトと９０度とは異なる角度で交差するようにハウジングに回転自在に支持されラックと噛合するピニオンが同軸的に形成されたピニオンシャフトと、ラックシャフトの外周面に形成された雄ねじ部と同ラックシャフトと同軸的にハウジングに回転自在に支持され多数のボールを介して雄ねじ部とねじ係合されるナットよりなるボールねじと、ピニオンシャフトの伝達トルクに応じてナットを回転させてラックシャフトに伝達トルクに応じたアシスト力を与える電動機を備えてなる電動式パワーステアリング装置において、ピニオンには切削あるいは転造にて歯形成後に焼き入れを行い、その後に行われる歯部の修正加工の際に、歯幅方向においてラックと重なる歯幅方向範囲の中央部付近において歯厚が最大で、歯幅方向範囲の両端に向かって進むにつれて歯厚が次第に減少するようなクラウニングを施したことを特徴とするものである。

本発明においても、ラックシャフトを軸線方向に移動するためにピニオンシャフトを回転すれば、ラックとピニオンの噛合部には歯すじ方向に沿って変動する摩擦力が生じ、これによりラックシャフトには、ピニオンとの噛合位置付近の中心軸線上に、摩擦力と平行な変動する推力が生じる。しかしながら本発明では、歯幅方向においてラックと重なる歯幅方向範囲の中央部付近において歯厚が最大で、歯幅方向範囲の両端に向かって進むにつれて歯厚が次第に減少するようなクラウニングをピニオンに施したので、ラックとピニオンが噛合されていてもラックシャフトはその中心軸線回りに多少角度回転可能である。従って、ラックとピニオンの噛合部に歯すじ方向に沿って変動する摩擦力が生じれば、ラックシャフトはその中心軸線回りに回転されるので、ラックとピニオンの噛合部に生じる歯すじ方向に沿った摩擦力の最大値は減少される。従ってピニオンとの噛合位置付近となるラックシャフトの中心軸線に生じる摩擦力と平行な推力の最大値も減少されるので、ラックシャフトの弾性的な曲げの最大値も減少し、ボールねじのナットと雄ねじ部の各中心軸線との間に生じる相対的傾斜角度の最大値も減少する。これによりラックシャフト側のねじ溝とナット側のねじ溝の間の半径方向距離は設計値に近い値に保たれるので、循環通路から戻されるボールは円滑に両ねじ溝の間に入り、ラックシャフトの動きは円滑になり、従ってピニオンシャフトを介して取り付けられる操舵ハンドルの動きもトルク変動のない円滑なものとなり、良い操舵感が得られる。またピニオンには切削あるいは転造にて歯形成後に焼き入れを行い、その後に行われる歯部の修正加工の際に、歯幅方向においてラックと重なる歯幅方向範囲の中央部付近において歯厚が最大で、歯幅方向範囲の両端に向かって進むにつれて歯厚が次第に減少するようなクラウニングを施しており、クラウニングのための別加工工程が不要となるので、電動式パワーステアリング装置の製造コストを低減させることができる。

以下に、図１〜図３により、本発明による電動式パワーステアリング装置を実施するための最良の形態の説明をする。この実施形態の電動式パワーステアリング装置は、図１に示すように、細長い筒状のハウジング１０に軸線方向移動及び回転可能に支持されて軸線方向の一部に長手方向に沿ってラック１２が形成されたラックシャフト１１と、軸線方向がラックシャフト１１と交差するようにハウジング１０に回転自在に支持されラック１２と噛合するピニオン１３が形成されたピニオンシャフト１４と、ラックシャフト１１と同軸的にその外側に回転自在に支持されボールねじ１６を介してラックシャフト１１とねじ係合されたモータシャフト１５と、このモータシャフト１５を回転駆動する電動機２０よりなるもので、ラックシャフト１１の両端はリンク機構を介して前輪（操向車輪）に連結されている。

ハウジング１０は複数の部材を一体的に連結してなる細長い筒状で大径部と小径部を有しており、大径部内には両端部を支持するボールベアリング２５ａ，２５ｂを介して筒状のモータシャフト１５が同軸的に回転自在に設けられている。制御装置（図示省略）により制御されてこのモータシャフト１５を回転駆動する電動機２０は、ハウジング１０の大径部の内面に固定されてコイルにより励磁される鉄心よりなるステータ２１と、モータシャフト１５の外周面に固着されたマグネットよりなるロータ２２を備えたブラシレスＤＣモータである。

ラックシャフト１１は全体として丸棒状で、ハウジング１０及びモータシャフト１５内に同軸的にかつ軸線方向移動及び回転可能に挿通され、ボールねじ１６を介してモータシャフト１５にねじ係合されている。ボールねじ１６は、ラックシャフト１１の軸線方向一部の外周面に形成されたらせん状のねじ溝よりなる雄ねじ部１７と、モータシャフト１５の内面に固定されて同じピッチのらせん状のねじ溝が内面に形成されたナット１８と、この両ねじ溝の間に実質的に隙間なく転動可能に介在されて雄ねじ部１７とナット１８をねじ係合する多数のボール１９よりなるものである。図示は省略したが、ナット１８には、両ねじ溝の間を転動してナット１８の一側の出口側端部に達したボール１９をナット１８の他側の入り口側に戻す循環通路が設けられている。

ハウジング１０の小径部には、ボールベアリング２６及びジャーナル部１４ａを介して、ピニオンシャフト１４がラックシャフト１１と９０度とは異なる角度で交差するように回転自在に支持され、このピニオンシャフト１４に同軸的に形成されたはすば角を有するピニオン１３は、ラックシャフト１１の雄ねじ部１７とは異なる軸線方向一部に形成されたはすば角を有するラック１２と噛合されている。ラックシャフト１１は、ピニオン１３と噛合するラック１２の背面側が支持部材（図示省略）を介して、またねじ部１７側がブッシュ２７を介して、それぞれ軸線方向移動及び回転可能にハウジング１０に支持されている。ハウジング１０のブッシュ２７側およびこれと反対側から突出するラックシャフト１１の両端には、前輪を操向するリンク機構の一部を構成するタイロッド２９がボールジョイント２８を介して連結されている。

本発明の電動式パワーステアリング装置では、ピニオンシャフト１４に形成したピニオン１３は、その歯先円に沿った展開図である図２に示すように、歯部の歯先面１３ａと、その両側に続く歯面１３ｂと、各歯部の間の歯底面１３ｃよりなるものであり、各歯面１３ｂにはクラウニングが設けられている。このクラウニングは、ピニオン１３の軸線方向と平行な歯幅方向においてラック１２と互いに重なるピニオン１３の歯幅方向範囲ｄとなる歯面１３ｂの長手方向に沿って、その中央部（ラックシャフト１１及びピニオン１３の各中心軸線と直角に交差する線を含みかつピニオン１３の中心軸線と直交する平面Ｃの位置）における歯厚が最大で、歯幅方向範囲ｄの両端に向かって進むにつれて歯厚が次第に減少するような膨らみを設けることにより形成したものである。歯幅方向範囲ｄの外側ではピニオン１３の先端側となる部分はこのクラウニングを延長させ、これと反対側となる部分はピニオン１３の歯面１３ｂ及び歯底面１３ｃを切り上げる。モジュールが１．６０２mmで、歯幅方向範囲ｄが１６mmの場合における、歯幅方向範囲ｄにおけるクラウニングの量ｅ（噛み合いピッチ線上における値）は、例えば１５μm である。

このようなピニオン１３を有するピニオンシャフト１４は次のようにして製造する。先ず転造で形成したピニオン１３あるいは旋削が完了したピニオンシャフト１４の素材にホブ切り加工により形成したピニオン１３を用意し、このピニオン１３に周知の方法で焼き入れを行う。この焼き入れにより歯部に歪みが生じるので、これを超硬ホブによるホブ切り加工により修正するが、この修正加工の際に軸線方向送りと連動させて切込み送りを変えることにより前述したようなクラウニングをピニオン１３に形成する。なおこの歯形修正は超硬ホブ加工に限定されるものではなく、歯車研削盤あるいはシェービング盤による歯形修正であってもよい。

このようなクラウニングを施したピニオン１３とラック１２を、図３に示すように、ピニオン１３の回転軸線１３ｅとラック１２の歯先面１２ａとが平行になるようにして噛合させた状態では、ピニオン１３の歯幅方向範囲ｄの中央部付近で歯厚が最も大きい部分が、ラック１２の歯幅方向の中央部付近と当接しており、それより歯幅方向外側ではラック１２とピニオン１３の間には多少の隙間が生じている。この状態では、ラックシャフト１１はその中心軸線回りに多少角度回動することが可能であり、この回動角の増大につれてラック１２とピニオン１３の当接部分はそれぞれの幅方向中央部から歯幅方向外側部に移動する。すなわち、このようなクラウニングを施したピニオン１３と噛合するラック１２は、噛合状態においてその中心軸線回りに多少角度回転可能であり、その回動角はクラウニングの量ｅの増大に応じて増大する。

次に上述した実施形態の作動の説明をする。ピニオンシャフト１４に連結した操舵ハンドルを回転すればラックシャフト１１が軸線方向に移動されて、その両端に設けられたリンク装置を介して左右の前輪は操舵される。制御装置（図示省略）はトルクセンサ（図示省略）により検出したピニオンシャフト１４に加わるハンドルトルクに応じて演算した電流をブラシレスＤＣモータ２０に出力し、ボールねじ１６を介してラックシャフト１１に操舵アシスト力を与える。ラックシャフト１１とピニオンシャフト１４は９０度とは異なる角度で交差しているので、この操舵に伴いラック１２とピニオン１３の噛合部には歯すじ方向に沿った滑りを生じ、操舵の向きに応じて歯すじ方向に沿った上向きの摩擦力Ｆ１または下向きの摩擦力Ｆ２が生じる（図３及び図４参照）。

ラック２とピニオン３が互いに重なる歯幅方向範囲の全長において当接されている従来技術では、ラックシャフト１の中心軸線回りの回転はピニオン３に対し拘束されているので、ラック２とピニオン３は噛合部において摺動され、スティック・アンド・スリップを伴い、このため生じる摩擦力Ｆ１，Ｆ２の大きさは大きく変動する。

しかしながら上述した実施形態では、ピニオン１３に、歯幅方向においてラック１２と重なる歯幅方向範囲ｄの中央部付近において歯厚が最大で、歯幅方向範囲ｄの両端に向かって進むにつれて歯厚が次第に減少するようなクラウニングを施したので、前述のようにラック１２とピニオン１３が噛合されていてもラックシャフト１１はその中心軸線回りに多少角度回転可能である。従って操舵に伴い、ラック１２とピニオン１３の噛合部に歯すじ方向に沿った滑りを生じようとすれば、ラックシャフト１１はその滑りを減少させる向きに中心軸線回りに回転するので、ラック１２とピニオン１３の間のスティック・アンド・スリップは減少し、生じる摩擦力Ｆ１，Ｆ２の変動も減少する。このように摩擦力Ｆ１，Ｆ２の変動が減少するので、ピニオン１３との噛合位置付近となるラックシャフト１１の中心軸線に作用する推力Ｐ１，Ｐ２の変動も減少する。これによりボールねじ１６の雄ねじ部１７とナット１８の各中心軸線の相対的傾斜角度の変動も減少し、従ってこの相対的傾斜角度の最大値も減少し、ラックシャフト側のねじ溝とナット側のねじ溝の間の半径方向距離は設計値に近い値に保たれるので、循環通路から戻されるボールは円滑に両ねじ溝の間に入り、ラックシャフトの動きは円滑になる。従ってピニオンシャフトを介して取り付けられる操舵ハンドルの動きもトルク変動のない円滑なものとなり、良い操舵感が得られ、またラック１２とピニオン１３の間の噛み合い騒音も低減される。

また従来のクラウニングが施されていないこの種のピニオンは、ホブ切り加工あるいは転造にて歯を形成した後に焼き入れを行い、その後に超硬ホブによるホブ切り加工や歯車研削さらにはシェービング加工により歪みを修正しているが、上述した実施形態のピニオン１３は、この歪み修正と同時にクラウニングを形成している。このようにすれば従来のクラウニングが施されていないピニオンと同じ加工工程でクラウニングが施されたピニオン１３を製造することができるので、クラウニングのための別加工工程が不要となり、電動式パワーステアリング装置の製造コストを低減させることができる。

なお上述した実施形態では、ラック１２とピニオン１３の両方にはすば角を設けた例につき説明したが、ラックシャフト１１とピニオンシャフト１４が９０度とは異なる角度で交差していればラック１２とピニオン１３の噛合部には、程度の差はあっても歯すじ方向に沿った滑りを生じるので、はすば角はラック１２とピニオン１３の何れか一方に設けるようにしてもよい。

本発明による電動式パワーステアリング装置の最良の実施形態を示す全体断面図である。 図１に示す実施形態のピニオンの歯先円に沿った部分拡大展開図である。 図１に示す実施形態の作用を説明するためのラックとピニオンの噛合部におけるラックシャフトと直交する断面図である。 特許文献１における作用を説明するための図３に相当する断面図である。

符号の説明

１０…ハウジング、１１…ラックシャフト、１２…ラック、１３…ピニオン、１４…ピニオンシャフト、１６…ボールねじ、１７…雄ねじ部、１８…ナット、１９…ボール、ｄ…歯幅方向範囲。

Claims (1)

1. ハウジングに軸線方向移動及び回転可能に支持されてリンク機構を介して操向車輪を操舵し軸線方向の一部にラックが形成されたラックシャフトと、このラックシャフトと９０度とは異なる角度で交差するように前記ハウジングに回転自在に支持され前記ラックと噛合するピニオンが同軸的に形成されたピニオンシャフトと、前記ラックシャフトの外周面に形成された雄ねじ部と同ラックシャフトと同軸的に前記ハウジングに回転自在に支持され多数のボールを介して前記雄ねじ部とねじ係合されるナットよりなるボールねじと、前記ピニオンシャフトの伝達トルクに応じて前記ナットを回転させて前記ラックシャフトに前記伝達トルクに応じたアシスト力を与える電動機を備えてなる電動式パワーステアリング装置において、前記ピニオンには切削あるいは転造にて歯形成後に焼き入れを行い、その後に行われる歯部の修正加工の際に、歯幅方向において前記ラックと重なる歯幅方向範囲の中央部付近において歯厚が最大で、前記歯幅方向範囲の両端に向かって進むにつれて歯厚が次第に減少するようなクラウニングを施したことを特徴とする電動式パワーステアリング装置。

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