JP4140450B2

JP4140450B2 - 減速機とこれを備えた電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP4140450B2
Application number: JP2003157015A
Authority: JP
Inventors: 浩二北畑; 和俊山本; 尚樹内田; 文明笠原
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2023-06-02
Also published as: JP2004360729A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウォームなどの小歯車と、ウォームホイールなどの大歯車とを有する減速機と、かかる減速機を備えた電動パワーステアリング装置とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用の電動パワーステアリング装置には減速機が用いられる。例えばコラム型ＥＰＳでは、電動モータの回転を、減速機において、ウォーム等の小歯車からウォームホイール等の大歯車に伝えることで減速するとともに出力を増幅したのち、コラムに付与することで、ステアリング操作をトルクアシストしている。減速機構としての小歯車と大歯車との噛み合いには適度なバックラッシが必要である。しかし、例えば歯車の正逆回転時や、石畳み等の悪路を走行してタイヤからの反力が入力された際などに、バックラッシに起因して歯打ち音が発生する場合があり、これらの音が車室内に騒音として伝わると運転者に不快感を与えることになる。
【０００３】
このため従来は、適正なバックラッシとなるように小歯車と大歯車との組み合わせを選別して減速機を組み立てる、いわゆる層別組み立てをしているが、かかる方法では生産性が著しく低いという問題がある。また層別組み立てをしたとしても、ウォームホイールの軸の偏芯による操舵トルクのむらが発生するという別の問題がある。
そこで、例えばウォーム軸をウォームホイールヘ向けて偏倚可能とするとともに、ウォーム軸をその偏倚方向へ付勢するばね体などの付勢手段を設けることでバックラッシをなくするようにした、電動パワーステアリング装置における減速機などが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−４３７３９号公報（第０００７欄〜第０００９欄、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１などの減速機は構造が極めて複雑になり、製造コストがかさむという問題がある。
そこで本発明の目的は、騒音を、小歯車と大歯車とを組み合わせた際のバックラッシの大きさに関係なく、また構造を複雑化することなく、これまでよりも小さくすることができる減速機と、それを用いた電動パワーステアリング装置とを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の減速機は、小歯車および大歯車を備えた減速機であって、上記小歯車および大歯車のうちの少なくとも一方を永久磁石化し、かつ両歯車の噛み合い部分を含む領域に、潤滑剤と、ゴムまたは軟質樹脂からなる粉末中に磁性体の微粒子を分散させた構造を有する緩衝材粉末とを含む潤滑剤組成物を充てんしたことを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明の電動パワーステアリング装置は、操舵補助用のモータの出力を、上記の減速機を介して減速して、舵取機構に伝えることを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、小歯車および大歯車のうちの少なくとも一方を永久磁石化するとともに、潤滑剤組成物中に、磁性体を内包した緩衝材粉末を分散することによって、当該緩衝材粉末を、永久磁石の磁力によって常に、上記両歯車の噛み合い部分の近傍に集中的に存在させ、そしてより効率よく、両歯車の噛み合い部分に介在させて、減速機の騒音を低減することができる。
【０００９】
すなわち発明者の検討によると、両歯車がいずれも永久磁石化されておらず、なおかつ緩衝材粉末が磁性体を内包していない場合、当該緩衝材粉末は、減速機の駆動時に、小歯車の高速回転に伴って生じる遠心力によって飛ばされたり、あるいは大歯車によって運ばれたりして、両歯車の噛み合い部分から離れたハウジングの隅などの、潤滑剤の流れのない部分に滞留しやすい。
そして、潤滑剤組成物に加えた緩衝材粉末のかなりの部分が上記のように両歯車の噛み合い部分から離れた部分に滞留すると、当該緩衝材粉末による、上記噛み合い部分に介在して減速機の騒音を低減する効果が不十分になるおそれがある。
【００１０】
また潤滑剤組成物中に緩衝材粉末を多めに含有させて、噛み合い部分に介在する量を増加させることも考えられるが、その場合には潤滑剤組成物の粘度が上昇して操舵トルクが大きくなるという別の新たな問題を生じる。
これに対し本発明によれば、永久磁石化したいずれか一方の歯車の表面に、その磁力によって緩衝材粉末を吸着させて、小歯車の高速回転に伴う遠心力によって飛ばされるのを抑制することができる。また、大歯車と小歯車の回転に伴ってハウジング内に発生する潤滑剤の流れと、永久磁石の磁力とによって、小歯車の高速回転に伴って飛ばされたり、大歯車によって運ばれたりして滞留した緩衝材粉末を再び、両歯車の噛み合い部分に集めることもできる。
【００１１】
このため、潤滑剤組成物の粘度を上昇させるおそれのない少量の緩衝材粉末を、前記のように大歯車と小歯車との噛み合い部分の近傍に集中的に存在させて、効率よく、騒音低減のために機能させることができる。
しかもグリース等の潤滑剤に単に、磁性体を内包した緩衝材粉末を添加するとともに、小歯車および大歯車のうち少なくとも一方を永久磁石化するだけで、減速機の構造を複雑化することなく、コスト安価に騒音を低減することもできる。
【００１２】
なお緩衝材粉末は、前記のようにゴムまたは軟質樹脂からなる粉末中に、磁性体の微粒子を分散させた構造とされるため、製造が容易で安価である上、当該粉末に、上記ゴムや軟質樹脂の軟らかさを保持させて、緩衝作用を十分に発揮させることができる。
また、本発明の電動パワーステアリング装置は、操舵補助用のモータの出力を、上記の減速機を介して減速して舵取機構に伝えるものゆえ、車室内での騒音をコスト安価に低減できる点で好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態にかかる電動パワーステアリング装置の概略断面図である。また図２は、図１のII−II線に沿う断面図である。
図１を参照して、この例の電動パワーステアリング装置では、ステアリングホイール１を取り付けている入力軸としての第１の操舵軸２と、ラックアンドピニオン機構等の舵取機構（図示せず）に連結される出力軸としての第２の操舵軸３とがトーションバー４を介して同軸的に連結されている。
【００１４】
第１および第２の操舵軸２、３を支持するハウジング５は、例えばアルミニウム合金からなり、車体（図示せず）に取り付けられている。ハウジング５は、互いに嵌め合わされるセンサハウジング６とギヤハウジング７により構成されている。具体的には、ギヤハウジング７は筒状をなし、その上端の環状縁部７ａがセンサハウジング６の下端外周の環状段部６ａに嵌め合わされている。ギヤハウジング７は減速機構としてのウォームギヤ機構８を収容し、センサハウジング６はトルクセンサ９および制御基板１０等を収容している。ギヤハウジング７にウォームギヤ機構８を収容することで減速機５０が構成されている。
【００１５】
ウォームギヤ機構８は、第２の操舵軸３の軸方向中間部に一体回転可能でかつ軸方向移動を規制されたウォームホイール１２と、このウォームホイール１２と噛み合い、かつ電動モータＭの回転軸３２に、スプライン継手３３を介して連結されるウォーム軸１１（図２参照）とを備える。
このうちウォームホイール１２は、第２の操舵軸３に一体回転可能に結合される環状の芯金１２ａと、芯金１２ａの周囲を取り囲んで外周面部に歯を形成する合成樹脂部材１２ｂとを備えている。芯金１２ａは、例えば合成樹脂部材１２ｂの樹脂成形時に金型内にインサートされるものである。
【００１６】
上記のうちウォーム軸１１を永久磁石化するためには、当該ウォーム軸１１を、例えば炭素鋼、タングステン鋼、ＫＳ鋼、アルニコなどの硬磁性材料で形成し、なおかつ磁化させればよい。
一方、ウォームホイール１２を永久磁石化するためには、合成樹脂部材１２ｂを、いわゆるプラスチック磁石材料にて成形するとともに磁化させればよい。また図示していないが、ウォームホイール１２自体は金属にて一体に形成し、その歯面に、プラスチック磁石材料にて成形し、磁化させた永久磁石の層を形成してもよい。あるいはウォームホイール１２自体を上記の硬磁性材料で形成して磁化させるとともに、その歯面に、合成樹脂部材と同じ通常の合成樹脂からなる層を形成してもよい。
【００１７】
ウォーム軸１１とウォームホイール１２は、いずれか一方を永久磁石化してあればよく、他方は永久磁石化してもよいし、一次磁石として機能しうる軟鉄、ケイ素鋼、パーマロイなどの軟磁性材料によって形成してもよい。また樹脂材料その他、磁石として機能しない材料で形成してもよい。
とくにウォーム軸１１とウォームホイール１２のうちの一方を永久磁石化し、かつ他方を、永久磁石と接触することで磁化される一次磁石として機能する軟磁性材料によって形成した場合、後者の磁極は、両者の相対回転に伴う、前者の磁極との位置の変化に応じて刻々、最適な状態に変化する。このためウォーム軸１１とウォームホイール１２との間で生じる磁場によって、両者の噛み合い部分の近傍に、磁性体を内包した緩衝材粉末を、より良好に、集中的に存在させることができる。
【００１８】
かかる永久磁石と一次磁石の組み合わせの具体例としては、例えば前記例示のいずれかの構成によって永久磁石化したウォームホイール１２と、軟磁性材料にて形成したウォーム軸１１との組み合わせや、あるいは永久磁石化したウォーム軸１１と、それ自体を軟磁性材料で形成するとともに、その歯面に、合成樹脂部材と同じ通常の合成樹脂からなる層を形成したウォームホイール１２との組み合わせなどを挙げることができる。
【００１９】
第２の操舵軸３は、ウォームホイール１２を軸方向の上下に挟んで配置される第１および第２の転がり軸受１３、１４により回転自在に支持されている。
第１の転がり軸受１３の外輪１５は、センサハウジング６の下端の筒状突起６ｂ内に設けられた軸受保持孔１６に嵌め入れられて保持されている。また外輪１５の上端面は環状の段部１７に当接しており、センサハウジング６に対する軸方向上方への移動が規制されている。
【００２０】
一方、第１の転がり軸受１３の内輪１８は、第２の操舵軸３に締まりばめにより嵌め合わされている。また内輪１８の下端面は、ウォームホイール１２の芯金１２ａの上端面に当接している。
第２の転がり軸受１４の外輪１９は、ギヤハウジング７の軸受保持孔２０に嵌め入れられて保持されている。また外輪１９の下端面は、環状の段部２１に当接し、ギヤハウジング７に対する軸方向下方への移動が規制されている。
【００２１】
一方、第２の転がり軸受１４の内輪２２は、第２の操舵軸３に一体回転可能で、かつ軸方向の相対移動を規制されて取り付けられている。また内輪２２は、第２の操舵軸３の段部２３と、第２の操舵軸３のねじ部に締め込まれるナット２４との間に挟持されている。
トーションバー４は、第１および第２の操舵軸２、３を貫通している。トーションバー４の上端４ａは、連結ピン２５により第１の操舵軸２と一体回転可能に連結され、下端４ｂは、連結ピン２６により第２の操舵軸３と一体回転可能に連結されている。第２の操舵軸３の下端は、図示しない中間軸を介して、前記のようにラックアンドピニオン機構等の舵取機構に連結されている。
【００２２】
連結ピン２５は、第１の操舵軸２と同軸に配置される第３の操舵軸２７を、第１の操舵軸２と一体回転可能に連結している。第３の操舵軸２７はステアリングコラムを構成するチューブ２８内を貫通している。
第１の操舵軸２の上部は、例えば針状ころ軸受からなる第３の転がり軸受２９を介してセンサハウジング６に回転自在に支持されている。第１の操舵軸２の下部の縮径部３０と第２の操舵軸３の上部の孔３１とは、第１および第２の操舵軸２、３の相対回転を所定の範囲に規制するように、回転方向に所定の遊びを設けて嵌め合わされている。
【００２３】
次いで図２を参照して、ウォーム軸１１は、ギヤハウジング７により保持される第４および第５の転がり軸受３４、３５によりそれぞれ回転自在に支持されている。
第４および第５の転がり軸受３４、３５の内輪３６、３７は、ウォーム軸１１の対応するくびれ部に嵌合されている。また外輪３８、３９は、ギヤハウジング７の軸受保持孔４０、４１にそれぞれ保持されている。
【００２４】
ギヤハウジング７は、ウォーム軸１１の周面の一部に対して径方向に対向する部分７ｂを含んでいる。
また、ウォーム軸１１の一端部１１ａを支持する第４の転がり軸受３４の外輪３８は、ギヤハウジング７の段部４２に当接して位置決めされている。一方、内輪３６は、ウォーム軸１１の位置決め段部４３に当接することによって他端部１１ｂ側への移動が規制されている。
【００２５】
またウォーム軸１１の他端部１１ｂ（継手側端部）の近傍を支持する第５の転がり軸受３５の内輪３７は、ウォーム軸１１の位置決め段部４４に当接することによって一端部１１ａ側への移動が規制されている。また外輪３９は、予圧調整用のねじ部材４５により、第４の転がり軸受３４側へ付勢されている。ねじ部材４５は、ギヤハウジング７に形成されるねじ孔４６にねじ込まれることにより、一対の転がり軸受３４、３５に予圧を付与すると共に、ウォーム軸１１を軸方向に位置決めしている。４７は、予圧調整後のねじ部材４５を止定するため、当該ねじ部材４５に係合されるロックナットである。
【００２６】
ギヤハウジング７内において、ウォーム軸１１とウォームホイール１２の噛み合い部分Ａを少なくとも含む領域には、先に述べたように緩衝材粉末を分散した潤滑剤組成物が充填される。すなわち潤滑剤組成物は、噛み合い部分Ａのみに充填しても良いし、噛み合い部分Ａとウォーム軸１１の周縁全体に充填しても良いし、ギヤハウジング７内全体に充填しても良い。
（潤滑剤組成物）
潤滑剤組成物としては、潤滑油やグリース等の潤滑剤に、磁性体を内包した緩衝材粉末を分散したものを用いる。
【００２７】
また緩衝材粉末としては、前記のようにゴムまたは軟質樹脂からなる粉末中に、磁性体の微粒子を分散させた構造を有するものを用いる。
かかる緩衝材粉末を形成する軟質樹脂としては、例えばヤング率が１〜１０^５ＭＰａ程度のものが好ましい。軟質樹脂のヤング率が１ＭＰａ未満では緩衝材粉末が軟らかくなりすぎ、逆に１０^５ＭＰａを超える場合には硬くなりすぎるため、このいずれの場合にも緩衝作用が低下するおそれがある。
【００２８】
かかる軟質樹脂としては、例えばポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリイミド系樹脂、フッ素樹脂、熱可塑性または硬化性のウレタン樹脂等を挙げることができる。また、例えばオレフィン系、ウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、フッ素系などの耐油性の熱可塑性エラストマーを用いることもできる。
一方、ゴムとしては、例えばエチレン−プロピレン共重合ゴム（ＥＰＭ）、エチレン−プロピレン−ジエン共重合ゴム（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム、ウレタンゴム（Ｕ）等をあげることができる。
【００２９】
また緩衝材粉末は自己潤滑性を有しているのが好ましく、そのような自己潤滑性を有する緩衝材粉末としては、上記のうちポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、フッ素系熱可塑性エラストマーにて形成したものや、滑剤としてフッ素樹脂を添加した合成樹脂製、合成ゴム製の粉末を挙げることができる。緩衝材粉末に分散させる磁性体の微粒子としては、永久磁石化したウォーム軸１１および／またはウォームホイール１２に、その磁力によって吸着させることのできる種々の磁性体の微粒子を用いることができ、その具体例としては、前述した硬磁性材料や軟磁性材料の微粒子を挙げることができる。
【００３０】
磁性体の微粒子の粒径は、緩衝材粉末の粒径より小さければ構わないが、緩衝材粉末による緩衝作用を阻害しないためには、緩衝材粉末の粒径の５０％以下、とくに３０％以下程度であるのが好ましい。
また磁性体の微粒子の含有割合は、緩衝材粉末の総量に対して５〜５０重量％であるのが好ましい。含有割合がこの範囲未満では、永久磁石化したウォーム軸１１および／またはウォームホイール１２に、その磁力によって良好に吸着されないおそれがあり、逆に上記の範囲を超える場合には、相対的に軟質樹脂やゴムの割合が少なくなって、緩衝材粉末が硬くなるため、良好な緩衝作用を発揮できないおそれがある。
【００３１】
緩衝材粉末の平均粒径は、０．１〜４００μｍの範囲内であるのが好ましい。平均粒径が０．１μｍ未満では十分な緩衝作用が得られないおそれがあり、逆に４００μｍを超える場合には潤滑剤から分離しやすくなって、均一な潤滑剤組成物が得られないおそれがある。
なお緩衝作用をより一層、向上することを考慮すると、緩衝材粉末の平均粒径は、上記の範囲内でも１０μｍ以上、とくに５０μｍ以上、さらには１００μｍ以上であるのが好ましい。
【００３２】
また、平均粒径が１０μｍ以上である緩衝材粉末と、１０μｍ未満である緩衝材粉末とを併用すると、平均粒径の大きい緩衝材粉末の隙間を平均粒径の小さい緩衝材粉末が埋めるため、緩衝作用をさらに向上することができる。
緩衝材粉末の形状は球状、粒状、薄片状、棒状等の種々の形状が選択できるが、潤滑剤組成物の流動性などを考慮すると、とくに球状または粒状が好ましい。緩衝材粉末は、潤滑剤１００重量部に対して４０〜２００重量部の割合で配合するのが好ましい。
【００３３】
緩衝材粉末の割合が４０重量部未満では、当該緩衝材粉末による緩衝作用が不十分になるおそれがあり、逆に２００重量部を超える場合には潤滑剤組成物の流動性が低下して、潤滑剤として機能しえなくなるおそれがある。
上記緩衝材粉末を分散させる潤滑剤としては、液状の潤滑油と半固体状のグリースのいずれを用いても良い。
このうち潤滑油としては、その動粘度が５〜２００ｍｍ²／ｓ（４０℃）であるものを用いるのが好ましい。
【００３４】
潤滑油としては、合成炭化水素油（例えばポリαオレフィン油）が好ましいが、シリコーン油、フッ素油、エステル油、エーテル油等の合成油や鉱油などを用いることもできる。潤滑油は、それぞれ単独で使用できる他、２種以上を混合しても良い。
また潤滑油には、必要に応じて固体潤滑剤（二硫化モリブデン、グラファイト、ＰＴＦＥ等）、リン系や硫黄系の極圧添加剤、トリブチルフェノール、メチルフェノール等の酸化防止剤、防錆剤、金属不活性剤、粘度指数向上剤、油性剤などを添加してもよい。
【００３５】
一方、グリースとしては、緩衝材粉末を添加した潤滑剤組成物としてのちょう度が、ＮＬＧＩ（National Lubricating Grease Institute）番号で表してＮｏ．０〜Ｎｏ．０００であるものを用いるのが好ましい。
グリースは、従来同様に潤滑基油に、増ちょう剤を添加して形成される。
潤滑基油としては、合成炭化水素油（例えばポリαオレフィン油）が好ましいが、シリコーン油、フッ素油、エステル油、エーテル油等の合成油や鉱油などを用いることもできる。潤滑基油の動粘度は５〜２００ｍｍ²／ｓ（４０℃）であるのが好ましく、２０〜１００ｍｍ²／ｓ（４０℃）であるのがさらに好ましい。
【００３６】
また増ちょう剤としては、従来公知の種々の増ちょう剤（石けん系、非石けん系）が使用できる。
さらにグリースには、やはり必要に応じて固体潤滑剤（二硫化モリブデン、グラファイト、ＰＴＦＥ等）、リン系や硫黄系の極圧添加剤、トリブチルフェノール、メチルフェノール等の酸化防止剤、防錆剤、金属不活性剤、粘度指数向上剤、油性剤などを添加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、一実施形態にかかる電動パワーステアリング装置の概略断面図である。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。
【符号の説明】
Ａ噛み合い部分
Ｍ電動モータ
１１ウォーム軸（小歯車）
１２ウォームホイール（大歯車）
５０減速機

Claims

小歯車および大歯車を備えた減速機であって、上記小歯車および大歯車のうちの少なくとも一方を永久磁石化し、かつ両歯車の噛み合い部分を含む領域に、潤滑剤と、ゴムまたは軟質樹脂からなる粉末中に磁性体の微粒子を分散させた構造を有する緩衝材粉末とを含む潤滑剤組成物を充てんしたことを特徴とする減速機。
操舵補助用のモータの出力を、請求項１記載の減速機を介して減速して、舵取機構に伝えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。