JP4361350B2 - 車両用歯車機構 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文の特徴に基づく、歯車と噛合い歯車とを有する車両用歯車機構に関する。

パワーステアリングは、車両に常用されており、ドライバーが、ステアリングホイールに対して行う手動ステアリング動作を補助する。ここで、ステアリングは、特に、車両の低速時及び静止時、ステアリング力を最小限に抑え、また、ステアリングを緩和するために、油圧によって補助される。これは、当初、大きな車両のみに設けられていた。今日、パワーステアリングは、もはや小さい車両にも珍しいものではない。パワーステアリングは、ステアリングを補助して容易にするが、これによって、特に、駐車や運転操作時、市街地での通行時、ドライバーの快適さが大幅に改善される。一方、油圧によらず電気的にステアリングを補助するパワーステアリングに関する研究が進んでいる。この目的のためには、特別な機構が必要である。

図１は、電気機械式ステアリング補助機能を有するパワーステアリングの全体図である。図１は、ウォーム歯車及びウォームを有する歯車機構にステアリングコラムを介して連結されたステアリングホイールを示す。更に、ウォーム駆動電動機は、この歯車機構に連結する。この歯車機構は、車両のステアリングラックに更に引き棒を介して連結する。タイロッドは、ステアリングラックと共軸である。

一般的に、歯車機構は、一方の軸の回転動作を他の軸に伝達する役割を果たすが、このことは、トルクの変換と共に起こることが多い。歯車機構は、互いの歯の噛合いを介して（これによって軸間が確実に連結されるが）、その回転動作やそれぞれのトルクを強制的にノンスリップで確実に伝達する。

インボリュート歯形設計の歯車は、もっぱら機械工学分野で専用に用いられる。インボリュート歯形設計において、歯が嵌合する時互いに接触し、また、これによって力が伝達される歯面の輪郭は、円のインボリュートである。言い換えれば、これらの輪郭は、円の全ての点で接線を引くことによって、また、接線の円との接点から円のある固定点までの弧の長さを接線上において差し引くことによって得られる曲線を描く。外歯歯車の場合、インボリュート歯形設計における輪郭は、凸状である。

インボリュート歯形設計の歯車は、生成切断法によって簡単に且つ正確に製作し得るが、この方法では、直線的な基準輪郭、また、従って簡単で且つ経済的な基準輪郭が、ツールとして使用される。この歯の幾何学的形状の更なる利点は、様々な歯形や軸間隔が、単に輪郭をシフトすることによって同じツールで作製し得ることである。動作中、インボリュート歯形設計の歯車の特徴は、歯の法線力の方向及び大きさが、歯の噛み合い時、一定であり、全体機構の負荷、特に機構の軸受けの負荷が均一になることである。

歯車機構には、様々な用途があり、精密技術や、ステアリング補助システム等の車両構築の双方に用いられる。
図２は、各々インボリュート歯形設計による平歯車状ウォーム歯車１と、ウォーム歯車１と噛合うウォーム２とを有するウォーム駆動装置を示す。動作中、即ち、ウォーム２及びウォーム歯車１の歯が互いに噛合う時、この歯の幾何学的形状は、ウォーム歯車１の歯が、点３においてウォーム２の歯と接触することを意味する。この種の接触部３は、この点の歯に高負荷を及ぼし、このことによって、材料の組み合わせ次第では、摩耗が激しく
なったり、極端な場合、歯に過負荷が生じたりすることがある。点接触による歯車の耐負荷能力は、このように制限される。

図３は、同様に、ウォーム歯車１と、ウォーム歯車１に噛合うウォーム２とを有するウォーム歯車機構を示す。図２に例示したウォーム歯車機構とは対照的に、図３のウォーム歯車１の形状は、円柱状ではなく略球状である。このウォーム歯車１の設計は、接触部３が、もはや点接触ではなく、歯の幅上の線接触であって、歯によって伝達される負荷が、より広範囲上で分散されることを意味する。これによって、個々の歯の単位面積当たりの負荷が減少し、歯車の耐負荷能力が強化される。その結果、歯の摩耗及び過負荷の恐れの双方が減少する。

略球状ウォーム歯車がアンダーカット領域を有することから、略球状ウォーム歯車を作製するためには、機械加工が必要である。しかしながら、機械加工は、例えば射出成形等、歯車を作製するための他の方法と比較して、コスト増を伴う。更に、略球状ウォーム歯車によるウォーム歯車機構の組み立ては、ウォーム歯車が、半径方向だけで、軸方向には取り付けることができないため、より高価である。ウォーム歯車を半径方向に挿入するには、軸方向の挿入よりも大きなスペースが必要であり、更に、ウォーム歯車が、正しい角度位置でウォーム側に動かされない場合、ウォーム歯車に損傷を与える恐れがある。これに該当するのは、特に、ウォーム歯車が、ウォームの材料よりも強度が低い材料で作られている場合である。更に、ウォーム及びウォーム歯車は、歯が正しく噛合うように、互いに対して正確に配置されなければならない。他の欠点は、ウォーム及びウォーム歯車の軸間の角度が９０度でない場合、ウォーム歯車の球状の程度を小さくしなければならないことである。その結果、線接触領域３は、小さくなり、耐負荷能力にマイナスの効果が生じる。

また、特許文献１で開示されたウォーム歯車機構では、低雑音動作となるように、ウォーム及びウォーム歯車は、力伝達接触部が最適化されている。この目的のために、歯底部の形状は、各々凹状に作られ、また、歯の先端の形状は、凸状に作られ、インボリュート曲線領域が、各々、これらの凹部と凸部との間に設けられている（引用した文書の第３列、第７行を参照）。しかしながら、上述したように、インボリュート曲線領域を用いると、インボリュート曲線領域での噛合い歯間では、また点接触のみが可能である。このため、これら公知のウォーム歯車機構は、それらの噛合い領域で高負荷に対する耐負荷能力が適当ではない。
ＤＥ４１０７６５９Ａ１

この背景に鑑みて、本発明の目的は、車両のパワーステアリングに対して、より容易に且つ経済的に作製し得る耐負荷能力が強化された歯車機構を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴によって達成される。
この請求項によれば、本発明は、歯を介して互いに噛合う歯車と噛合い歯車とを備えた歯車機構を有するパワーステアリングであって、それらの歯は、互いに対して適合され、接触部が歯の高さ上で直線状である輪郭を有する前記パワーステアリングによって特徴付けられる。言い換えると、面形状は、歯の高さ上で、この歯と噛合う歯面形状に適合されるが、このことは、歯の高さ上における面形状の曲率が、凹面に対して他方の歯の対応する凸面を割り当てるように（その逆も同じ）選択されることによって行なわれる。従来技術の一般的な点接触に対して、本発明で提案した線接触は、決定的な利点を有するが、この利点とは、一方の歯車によって他方の歯車に伝達される負荷が、より広範囲上で分散され、歯の単位面積当たりの負荷が低減されることである。

このように、歯車の摩耗や過負荷の恐れの双方が減少する。従って、全体的に、歯車の耐負荷能力は、増大する。本発明に基づく機構の高耐負荷能力及び負荷能力は、歯の噛み合わせにインボリュート曲線領域が全くないという本発明に基づく実践を通して達成される。

発展は、従属請求項の主題である。
歯の高さ上の線接触は、例えば、１つの歯の凹領域に、この歯と噛合う歯の凸領域を割り当てることによって達成することができるが、凹領域と凸領域とは、同じ曲率を有する。本発明によれば、歯底部の形状は、凹状であり、また、歯先端の形状は、凸状であり、凸領域は、例えば、インボリュート曲線領域等、他の領域が介入せずに凹領域に遷移する。

１つの実施形態例によれば、ウォーム歯車は、ウォームの材料よりも強度が小さい材料で作られている。このウォームは、例えば鋼鉄製であり、ウォーム歯車はプラスチック製である。プラスチック製のウォーム歯車を用いると、製造上の利点が得られる。プラスチック歯車は、後で機械加工の必要が無い経済的な射出成形プロセスによって作製できる。

ホイールの歯厚は、歯当りの領域負荷が本発明に基づき低減されているため、最適化し得る。特に、材料の組み合わせの材料特性を生かした結果、充分に最適化されている。他の実施形態例によれば、ウォーム歯車の歯厚は、このようにウォームの歯厚よりも大きい。歯厚が小さくなることによって、材料が節約されるため、コスト上の利点が生じる。

他の実施形態例によれば、ウォーム歯車の形状は、円柱状である。略球状ウォーム歯車とは対照的に、円柱状のウォーム歯車には、アンダーカット部が無い。ウォーム歯車がこの形態であると、ウォーム歯車は、射出成形によって作製するのが好ましく、このことは、コストに対してプラスの効果がある。更に、円柱状のウォーム歯車を有するウォーム歯車構造は、ウォーム歯車を軸方向にも取り付けることができるため、組み立てがより簡単である。軸方向への挿入には、スペースの追加が不要である。軸方向の挿入の場合、半径方向の挿入と比較して、ウォーム歯車への損傷の恐れが、大幅に減少する。更に、ウォームを基準にしたウォーム歯車軸の正確な位置決めの必要がないため、組み立てのコストが更に低減される。更に、接触領域の大きさが一定のままであるため、円柱状ウォーム歯車の場合、９０度と異なる軸の角度は、歯車の耐負荷能力を何ら変えること無く設定し得る。

ウォームの形状がほぼ球状に作られる場合、歯の幅上の接触部が、拡大される。接触部が大きくなると、単位面積当たりの負荷が更に減少し、歯車の耐負荷能力が更に大きなる。

本発明は、車両のパワーステアリングの用途を主たる目的とし、また、それに適しているが、本発明は、これに限定されない。むしろ、本発明に基づく歯車機構は、開窓駆動機構、座席調整機構、質量補償機構、及び他の調整駆動機構にも用い得る。

以下、本発明について、図面と共に実施形態例に基づき詳細に説明する。
図４は、ウォーム歯車１とウォーム２とを有する本発明に基づくウォーム歯車機構を、ウォーム歯車１の回転軸Ａに平行な断面図で示す。ウォーム歯車１は、円柱状であり、また、その外縁に歯４を有する。ウォーム２は、図の面に垂直に向いている軸Ｂを中心に回転する。同様に、ウォーム２は、円柱状であり、その周囲に歯５を有する。ウォーム歯車１の歯４は、ウォーム２の歯５と噛合う。ウォーム２の歯５とのウォーム歯車１の歯４の
接触部は、領域３である。接触部３は、ほぼ歯４，５の高さｈに沿って延在しており、直線状である。

図５は、本発明に基づく図４のウォーム歯車機構における歯の幾何学的形状を示す。図５ａは、下を向いているウォーム２の歯５と、上を向いているウォーム歯車１の歯４を示す。歯４，５は、更にこの図において互いに噛合っている。各歯４，５の高さは、それぞれｈ_４またはｈ_５である。高さｈ_４は、歯４の基部６からその先端７までの高さである。高さｈ_５は、歯５の基部８からその先端９までの高さである。歯４，５の幅は、それぞれ高さｈ_４またはｈ_５上で変化し、また、歯４，５の面１１，１２の形状に依存する。また、参照符号３は、各々、歯４，５が、互いに噛合う時、接触する領域を示す。

図５ｂは、図５ａの領域の拡大詳細図であり、この領域において、ウォーム歯５の歯頭部付近の領域が、ウォーム歯車歯４の歯底部付近の領域と接触する。接触領域３は、歯４，５の高さｈ_Ａ上に延在する。ウォーム歯車歯４の歯面１１は、接触部３の領域において凹状である。歯面１１と噛合うウォーム歯５の歯面１２の領域の形状は、凸状になっている。２つの領域は、類似した又は区分的に少なくとも同じ曲率を有し、直線状の領域において接触する。ウォーム歯５及びウォーム歯車歯４の歯面１１，１２の輪郭は、それらの高さｈ_４、ｈ_５上で全体的に互いに適合され、図５ａに示すように、今述べた線状接触部
３が、高さｈ_４、ｈ_５全体に生じる。例示した実施形態例において、ウォーム歯車１及びウォーム２の歯４，５の各面１１，１２は、それら領域の歯底部付近で凹状輪郭を有し、また、それら領域の歯先端付近で凸状輪郭を有する。それらの曲率に対して、輪郭は、互いに適合されており、各々、少なくとも区分的に、類似または等しい曲率の領域が、歯の噛合い時、接触する。

線接触部３は、一方の歯車から他方の歯車に伝達される負荷がある領域上で分散され、単位面積当たりの負荷が減少するという利点を有する。このように、歯車１，２の摩耗及び過負荷の恐れの双方共、大幅に低減し得る。従って歯車１，２の耐負荷能力は、強化される。

例示した実施形態例において、ウォーム２の歯５は、ウォーム歯車１の歯４よりも薄くしてある。このことは、２つの歯車が製造技術に関する理由だけでなく、コストの理由のために異なる材料で作られていることによる。ウォーム２は、例えば、鋼鉄等、強度がより大きい材料で作られているが、ウォーム歯車は、例えば、プラスチック等、強度がより小さい材料で作られている。本発明に基づく輪郭１１，１２の成形により単位面積当たりの負荷がより小さい場合、この点において、２つの重要な利点がある。第１は、強度がより小さい材料で作られているウォーム歯車１の摩耗が実質的に減少することである。第２は、材料の組み合わせを考慮して、歯４，５の厚みを最適化して、歯４，５を必要以上に厚くする必要が無くなり、その結果、材料、従って、コストを節約できることである。

図６は、円柱状のウォーム歯車１と円柱状のウォーム２とを有する本発明に基づく上記ウォーム歯車機構を、ウォーム歯車１の回転軸に垂直な断面図で示す。ウォーム２の回転軸Ｂは、図の面に平行に走っている。また、ウォーム２及びウォーム歯車１の歯４，５は、互いに噛合う。参照符号１３は、ウォーム歯車１とウォーム２との互いに噛合う歯４，５の噛合い領域を示す。ウォーム歯車１及びウォーム２の形状のために、噛合い領域１３は、ウォーム歯車１及びウォーム２の中心軸Ｃの高さにおいて、歯４，５の高さ方向に最も大きな範囲を有する。この範囲は、中心軸Ｃからの距離が大きくなるにつれて、減少する。

略球状ウォーム１４を用いる場合、即ち、噛合い領域１３がその長さ全体において歯４
，５の高さ方向に同じ範囲を有するようにウォームが作られた場合、噛合い領域１３は、接触部３が歯４，５の幅上で更に延びるように、更に大きくすることが可能である（図７と比較）。接触部３の拡大には、歯車の耐負荷能力に関して前述した利点があるため、略球状ウォーム１４を用いることによって、本発明の利点が高められる。図６の実施形態例において、円柱状のウォーム歯車１が用いられており、このことは、円柱状のウォーム歯車を有する歯車機構の製造や組み立てと共に説明した利点を有する。

ステアリングホイール、ステアリングコラム、歯車機構、及びステアリングラックを有する電気機械式パワーステアリングの全体図。 円柱状ウォーム歯車と、このウォーム歯車に噛合うインボリュート歯形を有するウォームとを備える上記ウォーム歯車機構を通るウォーム歯車軸に平行な断面図。 略球状ウォーム歯車と、このウォーム歯車に噛合うインボリュート歯形を有するウォームとを備える上記ウォーム歯車機構を通るウォーム歯車軸に平行な断面図。 ウォーム歯車と、このウォーム歯車に噛合うウォームとを備えた本発明に基づくウォーム歯車機構を通るウォーム歯車軸に平行な断面図。 本発明に基づく図３のウォーム歯車機構における歯の幾何学的形状を示す図。 本発明に基づく図３のウォーム歯車機構における歯の幾何学的形状を示す図。 本発明に基づく図３のウォーム歯車機構を通るウォーム歯車軸に垂直な断面図。 本発明に基づく略球状ウォームを有するウォーム歯車機構を通るウォーム歯車軸に垂直な断面図。

符号の説明

４、５・・・歯、１１、１２・・・歯面

Claims (10)

1. ウォーム歯車（１）とウォーム（２）とを備えた車両用ウォーム歯車機構であって、前記ウォーム歯車（１）と前記ウォーム（２）は、各々歯（４，５）を有し、前記ウォーム歯車（１）と前記ウォーム（２）は、前記歯を介して互いに噛合い、動きと動力が、それらの歯面（１１，１２）を介して、ウォーム（２）からウォーム歯車（１）に伝達され、前記ウォーム歯車（１）における歯（４）の歯面（１１）の各々は、歯（４）の高さ（ｈ _４ ）方向に直接的に連続する凹領域及び凸領域を有し、前記ウォーム（２）における歯（５）の歯面（１２）の各々は、歯（５）の高さ（ｈ _５ ）方向に直接的に連続する凹領域及び凸領域を有する前記歯車機構において、
   前記ウォーム歯車（１）の複数の歯面（１１）とウォーム（２）の複数の歯面（１２）とがそれぞれ同時に互いに噛合うことによって、互いに噛合う複数対の歯面（１１，１２）同士の間で、歯の高さ（ｈ _４ 、ｈ _５ ）方向に沿って延びる複数の線接触部（３）が同歯の高さ（ｈ _４ 、ｈ _５ ）方向の異なる位置で同時に生じるようになっており、前記複数の線接触部（３）はそれぞれ、ウォーム歯車（１）の歯面（１１）の凹領域とウォーム（２）の歯面（１２）の凸領域、又はウォーム歯車（１）の歯面（１１）の凸領域とウォーム（２）の歯面（１２）の凹領域とが互いに接触することによって形成されることを特徴とする歯車機構。
2. 請求項１に記載の歯車機構であって、
   ウォーム（２）の歯面（１２）の凸領域と、同凸領域に接触するウォーム歯車（１）の歯面（１１）の凹領域とは、少なくとも区分的に等しい曲率を有することを特徴とする歯車機構。
3. 請求項１に記載の歯車機構であって、
   ウォーム（２）の歯面（１２）の凹領域と、同凹領域に接触するウォーム歯車（１）の歯面（１１）の凸領域とは、少なくとも区分的に等しい曲率を有することを特徴とする歯車機構。
4. 請求項１乃至３の１つに記載の歯車機構であって、
   凹領域は、歯底部（６，８）に隣接する領域に設けられ、また、凸領域は、歯先端（７，９）に隣接する領域に設けられることを特徴とする歯車機構。
5. 請求項１乃至３の１つに記載の歯車機構であって、
   ウォーム歯車（１）は、ウォーム（２）の材料よりも強度が低い材料で作られていることを特徴とする歯車機構。
6. 請求項１乃至５の１つに記載の歯車機構であって、
   ウォーム歯車（１）及びウォーム（２）の歯厚は、歯車材料の組み合わせの材料特性に適合されることを特徴とする歯車機構。
7. 請求項６に記載の歯車機構であって、
   ウォーム歯車（１）の歯（４）の歯厚は、ウォーム（２）の歯（５）の厚さよりも大きいことを特徴とする歯車機構。
8. 請求項１乃至７の１つに記載の歯車機構であって、
   ウォーム歯車（１）の形状は、円柱状であることを特徴とする歯車機構。
9. 請求項１乃至８の１つに記載の歯車機構であって、
   ウォーム（２）の形状は、略球状であることを特徴とする歯車機構。
10. 請求項１乃至８の１つに記載の歯車機構であって、
    前記歯車（１）及び噛合い歯車（２）の各々の歯の幾何学的歯形状は、インボリュート曲線領域無しで形成されていることを特徴とする歯車機構。

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