JP4189638B2 - 車両のステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラックに一体化されるスクリューシャフトにねじ合わされる回転筒をモータにより回転駆動することで、そのラックを移動させる力を発生し、そのラックの動きを車輪に伝達することで舵角を変化させるステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９に示す従来の電動パワーステアリング装置１００は、操舵により回転するピニオン（図示省略）に噛み合うラック１０１に一体化されるスクリューシャフト１０２と、そのスクリューシャフト１０２にボール１０３を介してねじ合わされるボールナット１０４と、そのボールナット１０４に同行回転するように一体化される従動ベベルギヤ１０５と、その従動ベベルギヤ１０５に噛み合う駆動ベベルギヤ１０６を駆動する操舵補助力発生用モータ１０７と、そのボールナット１０４と従動ベベルギヤ１０５とを回転可能に支持するラックハウジング１０８とを備える。そのラック１０１の動きが車輪に伝達されることで舵角が変化する。
【０００３】
上記のような電動パワーステアリング装置１００においては、路面側から車輪に作用する負荷によってラック１０１の振動と撓みが生じる。そのような振動を吸収するため、ラック１０１をピニオンとの噛み合い位置において支持するラック支持部材（図示省略）とボール１０３との間の位置（図９においてボール１０３の右方の位置）において、四フッ化エチレン樹脂等の振動減衰性の大きな材質からなる軸受けによりラック１０１を支持することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２９６６８１８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、振動減衰性の大きな材質からなる軸受けにより振動を減衰することはできても、ラック１０１の撓みを十分に低減することはできなかった。ラック１０１の撓みの増大はスクリューシャフト１０２の撓みの増大であることから、スクリューシャフト１０２とボール１０３との間およびボールナット１０４とボール１０３との間の摩擦が大きくなる。そのため、モータ１０７の出力のラック１０１への伝達効率が低下してエネルギーの有効利用を図ることができず、操舵フィーリングが低下するという問題があった。さらに、振動減衰性の大きな材質からなる軸受けは摩耗により摩耗粉を発生し、それがスクリューシャフト１０２とボールナット１０４の間に入り込んで悪影響を与えるため装置寿命が短縮されるという問題がある。
本発明は、上記課題を解決することのできる車両のステアリング装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、操舵により回転するピニオンと、そのピニオンに噛み合うラックと、そのラックに一体化されるスクリューシャフトと、そのスクリューシャフトに転動体を介してねじ合わされる回転筒と、その回転筒を駆動するモータと、その回転筒を回転可能に支持するラックハウジングと、そのラックをピニオンとの噛み合い位置において支持するラック支持部材とを備え、そのラックの動きが車輪に伝達されることで舵角が変化する車両のステアリング装置において、そのスクリューシャフトに第２転動体を介してねじ合わされる第２回転筒が、前記ラックハウジングにより回転可能に支持され、その第２回転筒の内周において、その第２回転筒の内周ネジ溝に連なる循環溝が形成され、その第２転動体は、そのスクリューシャフトの外周ネジ溝と第２回転筒の内周ネジ溝との間の螺旋状空間を転動すると共に、その循環溝によりスクリューシャフトの外周ネジ溝のランド部を横切って再び前記螺旋状空間に戻されることで循環可能とされ、前記ラックに路面側から作用する負荷を第２回転筒と前記ラック支持部材とにより受けることで、そのスクリューシャフトの撓みが抑制され、前記スクリューシャフトの外周を支持可能な支持体が設けられ、その支持体は前記回転筒により支持され、前記スクリューシャフトの軸方向において前記第２回転筒と前記ラック支持部材との間に前記支持体が配置される。さらに、前記スクリューシャフトのネジ溝の開口縁が、前記支持体の磨耗を抑制するために面取り部とされる。また、前記スクリューシャフトのネジ溝のスクリューシャフト軸方向における寸法が、そのネジ溝の間の部分のスクリューシャフト軸方向における寸法よりも小さくされる。
本発明によれば、路面側から車輪を介してラックに作用する負荷を、第２回転筒とラック支持部材とにより受けることができるので、その第２回転筒とラック支持部材との間におけるラックの撓みを抑制できる。これにより、路面側から車輪に作用する負荷に基づくスクリューシャフトと転動体との間および回転筒と転動体との間の摩擦の増大を低減し、モータの出力のラックへの伝達効率を向上してエネルギーの有効利用を図ると共に操舵フィーリングを向上できる。しかも、ラックの移動により第２回転筒は回転するので、スクリューシャフトと第２回転筒との間における摩耗粉の発生を防止して装置寿命を延ばすことができる。さらに、第２回転筒と第２転動体とスクリューシャフトはいわゆる内部循環型ボールスクリューを構成するので、第２回転筒の軸方向寸法を小さくして装置の小型軽量化を図ることができる。また、その支持体により転動体の配置領域におけるスクリューシャフトの撓みをより低減できる。しかも、その支持体はスクリューシャフトに対して相対回転するので、偏って磨耗するのが防止されると共にスクリューシャフトの軌道溝の開口縁との接触による偏磨耗も抑制され、長寿命化を図れる。この場合、その支持体として転がり軸受が用いられるのが好ましい。転がり軸受を用いることでスクリューシャフトと回転筒とが円滑に相対回転し、伝達効率を向上することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず、図面を参照して本発明の比較例を説明する。
図１、図２に示すラックピニオン式電動パワーステアリング装置１は、入力シャフト２に連結されるステアリングホイールＨの操舵により回転するピニオン３と、ピニオン３に噛み合うラック４とを備え、ラック４の両端に車輪（図示省略）が連結される。ピニオン３の回転によるラック４の動きが車輪に伝達されることで舵角が変化する。
【００１０】
ピニオン３とラック４を覆うラックハウジング３０が設けられる。ラックハウジング３０は、第１ハウジング３１と第２ハウジング３２とをネジ等により連結することで構成され、車体に取り付けられる。ラックハウジング３０内に、ステアリングホイールＨの操舵によってピニオン３に伝達される操舵トルクを検出するトルクセンサ７が設けられる。トルクセンサ７は公知のものを採用できる。ピニオン３との噛み合い位置においてラック４はラック支持部材９により支持されている。ラック支持部材９はラックハウジング３０により支持され、本比較例では公知の構成を有し、ラックハウジング３０にラック４の径方向に移動可能に挿入され、バネ８によりラック４に押し付けられ、ラック４における歯と反対側をラック軸方向視で円弧に沿う面により支持する。
【００１１】
図３に示すように、ラック４にスクリューシャフト１１が一体化されている。本比較例では、ラック４における中央よりも一端側（図３において左側）に近接する領域がスクリューシャフト１１とされている。スクリューシャフト１１に複数のボール（転動体）１２を介してボールナット（回転筒）１３がねじ合わされている。ボールナット１３はラックハウジング３０により一端側のボールベアリング３３と他端側のボールベアリング３４とを介して回転可能に支持されている。本比較例においてはボールナット１３の外周にボール１２の循環用チューブ１３′が取り付けられ、スクリューシャフト１１とボール１２とボールナット１３は公知のチューブ式ボールスクリューとされているが、スクリューシャフトに回転筒が転動体を介してねじ合わされるものであれば構成は限定されない。
【００１２】
ボールナット１３に同行回転するように従動ギヤ２１が一体化されている。本比較例の従動ギヤ２１はベベルギヤとされ、ボールナット１３の外周に嵌め合わされ、ボールナット１３の外周の段差とボールナット１３にねじ合わされるナット１４とにより挟み込まれることでボールナット１３に一体化されている。
【００１３】
従動ギヤ２１に噛み合う駆動ギヤ２２が駆動シャフト２３に一体的に設けられている。駆動ギヤ２２は、駆動シャフト２３を支持するボールベアリング２４、２５を介してギヤハウジング２６により回転可能により支持されている。ギヤハウジング２６はラックハウジング３０の第２ハウジング３２と一体的に成形されている。駆動シャフト２３に、ギヤハウジング２６に取り付けられた操舵補助力発生用モータ２７の出力シャフトがカップリング２７ａを介して連結される。これにより、モータ２７によってボールナット１３が減速ギヤ機構を構成する駆動ギヤ２２と従動ギヤ２１を介して回転駆動される。
【００１４】
トルクセンサ７とモータ２７に接続される車載制御装置（図示省略）が、そのトルクセンサ７により検出される操舵トルクに応じてモータ２７を駆動する。これにより、モータ２７の出力は駆動ギヤ２２、従動ギヤ２１を介してボールナット１３に伝達され、ボールナット１３の回転力がボール１２、スクリューシャフト１１を介してラック４に操舵補助力として伝達される。なお、モータ２７の制御方法は特に限定されるものではなく、例えば車速等や舵角等の操舵トルク以外の変量に応じて操舵補助力を変化させるようにしてもよい。
【００１５】
スクリューシャフト１１に複数の第２ボール（第２転動体）５２を介して第２ボールナット（第２回転筒）５３がねじ合わされている。第２ボールナット５３はラックハウジング３０により回転可能に支持されている。これにより、ラック４に路面側から車輪を介して作用する負荷を第２ボールナット５３とラック支持部材９とにより受けることで、スクリューシャフト１１の撓みが抑制される。本比較例では、第２ボールナット５３とラック支持部材９との間に上記ボール１２の全体が配置される。
【００１６】
スクリューシャフト１１と第２ボール５２と第２ボールナット５３とにより所謂内部循環型ボールスクリューが構成され、本比較例ではこま式ボールスクリューとされている。図４（１）、図４（２）に示すように、第２ボールナット５３に内外周を貫通する開口５３′が形成され、その開口５３′にこまと呼ばれるボール循環用部材５５が嵌め込まれている。第２ボールナット５３の内周において、第２ボールナット５３の内周ネジ溝５３ａに連なる循環溝５６がボール循環用部材５５に形成されている。第２ボール５２は、スクリューシャフト１１の外周ネジ溝１１ａと第２ボールナット５３の内周ネジ溝５３ａとの間の略一周の螺旋状空間を転動すると共に、その循環溝５６によりスクリューシャフト１１の外周ネジ溝１１ａのランド部１１ｂを横切って再びその螺旋状空間に戻されることで循環可能とされている。
なお、循環溝５６はこまに形成されるものに限定されず、こまをなくし、第２ボールナット５３の内周に直接形成するようにしてもよく、第２ボールナット５３の内周において内周ネジ溝５３ａに連なるように形成されていればよい。
【００１７】
上記構成によれば、路面側から車輪を介してラック４に作用する負荷を、第２ボールナット５３とラック支持部材９とにより受けるので、第２ボールナット５３とラック支持部材９との間におけるラック４の撓みを抑制できる。これにより、路面側から車輪に作用する負荷に基づくボール１２とスクリューシャフト１１との間およびボール１２とボールナット１３との間の摩擦の増大を低減し、モータ２７の出力のラック４への伝達効率を向上してエネルギーの有効利用を図ると共に操舵フィーリングを向上できる。しかも、ラック４の移動により第２ボールナット５３は回転するので、スクリューシャフト１１と第２ボールナット５３との間における摩耗粉の発生を防止して装置寿命を延ばすことができる。さらに、第２ボールナット５３と第２ボール５２とスクリューシャフト１１はいわゆる内部循環型ボールスクリューを構成するので、第２ボールナット５３の軸方向寸法を小さくして装置の小型軽量化を図ることができる。
さらに、第２ボールナット５３とラック支持部材９との間にボール１２の全体が配置されるので、その間でのスクリューシャフト１１の撓みをより効果的に抑制し、ボール１２とスクリューシャフト１１との間およびボール１２とボールナット１３との間の摩擦の増大を防止できる。また、第２ボールナット５３はスクリューシャフト１１のボール１２の全体よりもラック支持部材９から離れた位置に配置されるので、ラック支持部材９からスクリューシャフト１１までの距離を大きくしてもボール１２の配置領域におけるスクリューシャフト１１の撓みを抑制できる。これにより、スクリューシャフト１１に噛み合うボールナット１３を駆動するモータ２７のレイアウトの自由度を向上できる。
【００１８】
図５は本発明の第１実施形態を示す。上記比較例との相違は、スクリューシャフト１１の外周を支持可能なブッシュ４０（支持体）がボールナット１３により支持されている。ブッシュ４０は、ボールナット１３の内周に嵌め合わされ、例えば鋼板の表面をポリ四フッ化エチレンや銅化合物等によりコーティングすることで形成され、割りを有するものとされる。ブッシュ４０の内周によりスクリューシャフト１１の外周が支持される。ブッシュ４０とラック支持部材９との間に上記ボール１２の全体が配置される。そのブッシュ４０の内径とスクリューシャフト１１の外径との差は例えば０．０５ｍｍ程度とされる。これにより、ブッシュ４０によりボール１２の配置領域におけるスクリューシャフト１１の撓みをより低減できる。しかも、ブッシュ４０はスクリューシャフト１１に対して相対回転するので、偏って磨耗するのが防止されると共にスクリューシャフト１１のネジ溝１１ａの開口縁との接触による偏磨耗も抑制され、長寿命化を図れる。また、図６に示すように、スクリューシャフト１１における螺旋状のネジ溝１１ａの開口縁との接触によるブッシュ４０の磨耗を抑制するため、ネジ溝１１ａの開口縁は面取り部１１ａ′とされている。これにより、その開口縁との接触によるブッシュ４０の磨耗をより抑制できる。本実施形態では、その面取り部１１ａ′は平坦面とされている。スクリューシャフト１１の軸方向に対して面取り部１１ａ′がなす角度αは３０°以下であるのが好ましい。他は上記比較例と同様で同様部分は同一符号で示される。
【００１９】
図７は本発明の第２実施形態を示す。上記第１実施形態との相違は、まず支持体としてブッシュ４０に代えて転がり軸受であるニードルベアリング２４０が用いられている。また、ボール１２とボールナット１３に代えて、スクリューシャフト１１の軸方向に並列する複数（本実施形態では４つ）のボールベアリング２１２と、それらボールベアリング２１２を覆う筒体２１３が用いられている。その筒体２１３は第１、第２部材２１３ａ、２１３ｂをネジ２１３ｃを介して連結することで構成され、ラックハウジング３０により一端側のボールベアリング２３３と他端側のボールベアリング２３４とを介して回転可能に支持されている。従動ギヤ２１は筒体２１３の第１部材２１３ａの外周に嵌め合わされ、第１部材２１３ａの外周の段差と第２部材２１３ｂとにより挟み込まれることで筒体２１３に一体化されている。その一端側のボールベアリング２３３の内輪は筒体２１３の外周と一体化されている。各ボールベアリング２１２を構成するボール２１２ａが本発明の転動体とされ、そのボール２１２ａを介して筒体２１３はスクリューシャフト１１にねじ合わされている。すなわち、各ボールベアリング２１２を構成する外輪２１２ｂは筒体２１３に同行回転するように一体化されている。各ボールベアリング２１２の内輪２１２ｃの内周にスクリューシャフト１１のネジ溝１１ａに当接可能な環状突部２１２ｃ′が形成されている。各ボールベアリング２１２の回転軸はスクリューシャフト１１の軸心に対してネジ溝１１ａのリード角と等しい角度だけ傾斜するものとされ、その傾斜方向は中央側の２つのボールベアリング２１２と両端側の２つのボールベアリング２１２とで互いに逆とされている。また、各ボールベアリング２１２の回転中心はスクリューシャフト１１の軸心に対して偏心する。各ボールベアリング２１２は環状突部２１２ｃ′を介してネジ溝１１ａの内面に一位置において接するものとされ、中央側の２つのボールベアリング２１２の当接位置と両端側の２つのボールベアリング２１２の当接位置とは回転周方向において互いから１８０°離れている。これにより、筒体２１３がモータ２７により回転駆動されることで、ボールベアリング２１２を介してスクリューシャフト１１に軸方向力が作用する。このようなボールベアリングを利用したラックの送り機構は、例えば特開２０００−３５２４５０号公報に開示されたような公知のものを用いることができる。この第２実施形態によれば、ニードルベアリング２４０はスクリューシャフト１１に対して相対回転するので偏って磨耗するのが防止され、また、スクリューシャフト１１のネジ溝１１ａの開口縁との接触による磨耗も抑制され、長寿命化を図れる。さらに、支持体として転がり軸受であるニードルベアリング２４０を用いることでスクリューシャフト１１と筒体２１３とが円滑に相対回転し、伝達効率を向上することができる。他は第１実施形態と同様で同様部分は同一符号で示される。
【００２０】
図８は第１、第２実施形態におけるスクリューシャフト１１の変形例を示す。上記第１、第２実施形態との相違は、スクリューシャフト１１の外周におけるネジ溝１１ａの開口縁の面取り部１１ａ′が凸曲面とされ、また、そのネジ溝１１ａのスクリューシャフト軸方向における寸法Ｌ１が、そのネジ溝１１ａの間の部分のスクリューシャフト軸方向における寸法Ｌ２よりも小さくされている点にある。なお、ネジ溝１１ａの開口縁に面取り部１１ａ′が形成される場合には、図において破線で示すように面取り部１１ａ′が形成されなかったものとして寸法Ｌ１、Ｌ２を測定する。これにより、ブッシュ４０あるいはニードルベアリング２４０の内周面にスクリューシャフト１１の外周面から作用する面圧を低減し、ブッシュ４０あるいはニードルベアリング２４０の磨耗を抑制し、スクリューシャフト１１のがたつきによる伝達効率低下を防止できる。
【００２１】
本発明は上記実施形態や変形例に限定されない。例えば、上記実施形態では第２ボールナット５３はボールベアリング５４を介してラックハウジング３０により支持されるが、回転可能に支持できれば支持構造は特に限定されない。第２実施形態においてニードルベアリング２４０に代えてブッシュを用いてもよい。また、駆動ギヤ２２と従動ギヤ２１の種類は特にベベルギヤに限定されない。あるいは、モータとして回転筒に一体化されたロータを有するものを用いることで、ギヤ機構を介することなく回転筒を駆動するようにしてもよい。さらに、本発明を適用するステアリング装置はパワーステアリング装置に限定されず、例えば車両を路面の誘導標識に沿って無人運転するためにモータ出力のみでラックを駆動する自動操舵装置や、車輪に機械的に連結されていないステアリングホイールの操舵に応じて駆動されるモータの出力のみでラックを駆動するステアバイワイヤシステムを採用した操舵装置にも適用できる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の車両のステアリング装置によれば、ラックに一体化されるスクリューシャフトにねじ合わされる回転筒をモータにより回転駆動することでラックに軸方向力を付与し、そのラックの動きが車輪に伝達されることで舵角が変化する車両のステアリング装置において、モータ出力のラックへの伝達効率低下を防止でき、操舵フィーリングを向上し、装置寿命を延長でき、モータレイアウトの自由度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の比較例の電動パワーステアリング装置の正面図
【図２】本発明の比較例の電動パワーステアリング装置の縦断面図
【図３】本発明の比較例の電動パワーステアリング装置の要部の断面図
【図４】本発明の比較例の電動パワーステアリング装置における第２ボールナットの構成を示す（１）は縦断面図、（２）は平断面図
【図５】本発明の第１実施形態の電動パワーステアリング装置の要部の断面図
【図６】本発明の第１実施形態の電動パワーステアリング装置における部分拡大図
【図７】本発明の第２実施形態の電動パワーステアリング装置の要部の断面図
【図８】本発明の第１、第２実施形態におけるスクリューシャフトの変形例を示す図
【図９】従来の電動パワーステアリング装置の部分断面図
【符号の説明】
３ ピニオン
４ ラック
９ ラック支持部材
１１ スクリューシャフト
１１ａ ネジ溝
１１ｂ ランド部
１２、２１２ａ ボール（転動体）
１３ ボールナット（回転筒）
２７ モータ
３０ ラックハウジング
４０ ブッシュ（支持体）
５２ 第２ボール（第２転動体）
５３ 第２ボールナット（第２回転筒）
５６ 循環溝
２１３ 筒体（回転筒）
２４０ ニードルベアリング（支持体）

Claims (3)

1. 操舵により回転するピニオンと、
   そのピニオンに噛み合うラックと、
   そのラックに一体化されるスクリューシャフトと、
   そのスクリューシャフトに転動体を介してねじ合わされる回転筒と、
   その回転筒を駆動するモータと、
   その回転筒を回転可能に支持するラックハウジングと、
   そのラックをピニオンとの噛み合い位置において支持するラック支持部材とを備え、
   そのラックの動きが車輪に伝達されることで舵角が変化する車両のステアリング装置において、
   そのスクリューシャフトに第２転動体を介してねじ合わされる第２回転筒が、前記ラックハウジングにより回転可能に支持され、
   その第２回転筒の内周において、その第２回転筒の内周ネジ溝に連なる循環溝が形成され、
   その第２転動体は、そのスクリューシャフトの外周ネジ溝と第２回転筒の内周ネジ溝との間の螺旋状空間を転動すると共に、その循環溝によりスクリューシャフトの外周ネジ溝のランド部を横切って再び前記螺旋状空間に戻されることで循環可能とされ、
   前記ラックに路面側から作用する負荷を第２回転筒と前記ラック支持部材とにより受けることで、そのスクリューシャフトの撓みが抑制され、
   前記スクリューシャフトの外周を支持可能な支持体が設けられ、
   その支持体は前記回転筒により支持され、
   前記スクリューシャフトの軸方向において前記第２回転筒と前記ラック支持部材との間に前記支持体が配置され、
   前記スクリューシャフトのネジ溝の開口縁が、前記支持体の磨耗を抑制するために面取り部とされていることを特徴とする車両のステアリング装置。
2. 操舵により回転するピニオンと、
   そのピニオンに噛み合うラックと、
   そのラックに一体化されるスクリューシャフトと、
   そのスクリューシャフトに転動体を介してねじ合わされる回転筒と、
   その回転筒を駆動するモータと、
   その回転筒を回転可能に支持するラックハウジングと、
   そのラックをピニオンとの噛み合い位置において支持するラック支持部材とを備え、
   そのラックの動きが車輪に伝達されることで舵角が変化する車両のステアリング装置において、
   そのスクリューシャフトに第２転動体を介してねじ合わされる第２回転筒が、前記ラックハウジングにより回転可能に支持され、
   その第２回転筒の内周において、その第２回転筒の内周ネジ溝に連なる循環溝が形成され、
   その第２転動体は、そのスクリューシャフトの外周ネジ溝と第２回転筒の内周ネジ溝との間の螺旋状空間を転動すると共に、その循環溝によりスクリューシャフトの外周ネジ溝のランド部を横切って再び前記螺旋状空間に戻されることで循環可能とされ、
   前記ラックに路面側から作用する負荷を第２回転筒と前記ラック支持部材とにより受けることで、そのスクリューシャフトの撓みが抑制され、
   前記スクリューシャフトの外周を支持可能な支持体が設けられ、
   その支持体は前記回転筒により支持され、
   前記スクリューシャフトの軸方向において前記第２回転筒と前記ラック支持部材との間に前記支持体が配置され、
   前記スクリューシャフトのネジ溝のスクリューシャフト軸方向における寸法が、そのネジ溝の間の部分のスクリューシャフト軸方向における寸法よりも小さくされていることを特徴とする車両のステアリング装置。
3. 前記スクリューシャフトのネジ溝のスクリューシャフト軸方向における寸法が、そのネジ溝の間の部分のスクリューシャフト軸方向における寸法よりも小さくされている請求項１に記載の車両のステアリング装置。

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