JP4388320B2 - 電動パワーステアリング用ボールねじ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車におけるラックアシスト式の電動パワーステアリングに用いられるボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動パワーステアリングは、ハンドルの操舵力を電動モータで補うものであり、ハンドル操舵力のフィーリング特性が滑らかであることが要求される。この電動パワーステアリングには種々の形式のものがある。その一つとして、車輪の操舵機構に連結された進退自在な操舵軸に対して、ハンドルからラックピニオン機構を介して軸方向移動力を与えると共に、ハンドル操舵時の電気信号を受けて作動する電動モータの出力を、ボールねじを介して上記操舵軸に軸方向移動力として与えることにより、ハンドル操舵力のアシストをするようにしたラックアシスト式のものがある。このラックアシスト式の電動パワーステアリングの場合、特にボールねじの回転特性が重要で、ボールねじの回転トルクが重くなったり、トルクスパイクがあると、ドライバーのハンドル操舵性に影響を与える。また、タイヤから車軸を介してボールねじに推力が加わる場合にも、小さな力でボールねじを作動させる必要があり、ボールねじは高効率であることを要求される。
特に、ラックアシスト式の電動パワーステアリングでは、ハンル操舵時にラックを介してボールねじを駆動する場合も、タイヤから車軸を介してボールねじを駆動する場合も、共にボールねじは逆作動で使用されるので、電動パワーステアリング用ボールねじとしては、逆作動に適したものを用いることが重要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
通常、ボールねじは、回転を推力に変える正作動でも、推力を回転に変える逆作動でも使用される。そのため、図８（Ｂ）や図９（Ｂ）に示すように、ボールねじのねじ溝（ナット２５ｂのねじ溝２７とねじ軸２５ａのねじ溝２６）において、ナット２５ｂのねじ溝２７のボール２８との接触角θ1 ，θ2 （θ1 ＝θ2 ）と、ねじ軸２５ａのねじ溝２６のボール２８との接触角α1 ，α2 （α1 ＝α2 ）とは、θ1 ，θ2 ＝α1 ，α2 となるように設計して製作される。また、ボールねじが回転する場合に、ボール２８は、正作動時にはナット２５ｂ側へ、逆作動時にはねじ軸２５ａ側へ移動するような力を受けることが明らかになっている。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のようにねじ軸２５ａが右方向の推力を受ける逆作動時でのボール２８とねじ溝２６，２７の関係を示す。また図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のようにねじ軸２５ａが左方向の推力を受ける逆作動時でのボール２８とねじ溝２６，２７の関係を示している。このとき、図８（Ｂ）や図９（Ｂ）に示すように、ボール２８はねじ軸２５ａ側へ移動するような力Ｐを受ける。さらに、上記軸方向へ移動する力Ｐにより、ボール２８がねじ溝２６，２７と接触する面は１００％滑り摩擦となるので、効率の低下、およびトルク変動の原因となるという問題点を有する。
【０００４】
この発明の目的は、逆作動時のトルク特性を改善できる電動パワーステアリング用ボールねじを提供することである。
この発明の他の目的は、逆作動時のトルク特性を改善できる電動パワーステアリング装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の電動パワーステアリング用ボールねじは、操舵軸がボールねじのねじ軸およびラックを有し、電動モータの出力を、これらボールねじを介して操舵軸に軸方向移動力として与えることにより、ハンドル操舵力のアシストをするラックアシスト式の電動パワーステアリングに使用される上記ボールねじであって、上記ねじ軸のボールねじ溝の接触角とナットのボールねじ溝の接触角とを互いに異ならせ、その接触角の違いによってボールに発生する力が、逆作動時にボールを軸側へ移動させるように働く力と均衡を保つものとしたことを特徴とする。
この構成によると、ボールねじ溝のナットと軸の接触角を異ならせたため、その接触角の違いによってボールに発生する力が、逆作動時にボールを軸側へ移動させるように働く力と均衡を保つように作用する。そのため、トルク特性が改善される。
【０００６】
この発明において、ナットのボールねじ溝の接触角に対し、ねじ軸のボールねじ溝の接触角を小さくすることが好ましい。このように、ねじ軸側の接触角を小さくすると、ボールねじを電動パワーステアリングに組上げる際に、ナットが傾いてミスアライメントが加わった場合でも、トルク変動を小さく抑えることができる。
【０００７】
この場合、上記ナットのボールねじ溝の接触角に対し、ねじ軸のボールねじ溝の接触角を３°〜１３°小さくするのが好ましい。この角度範囲であれば、トルク特性の改善の効果が期待できる。この範囲よりも大きくなっても、また小さくなっても、トルク特性の改善の効果が低い。
【０００８】
この発明の電動パワーステアリング装置は、ハウジングと、車輪を操舵する操舵機構に連結され上記ハウジング内を貫通した操舵軸と、ハンドルから与えられる回転力を、上記操舵軸に設けられたラック部を介してこの操舵軸を軸方向に移動させる力に変換する変換機構と、上記操舵軸の一部がボールねじ軸となるボールねじとを備えたラックアシスト式の電動パワーステアリングであって、上記ボールねじに、上記発明のボールねじを用いたことを特徴とする。
この構成によると、この発明のボールねじにおける逆作動時のトルク特性の改善効果により、電動パワーステアリング装置のトルク特性が改善される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１は、この発明のボールねじが用いられる電動パワーステアリング装置の概略構成を示す。この電動パワーステアリング装置Ａは、車輪１を操舵する操舵機構２に連結された操舵軸３と、モータ４の回転により操舵軸３を進退させるボールねじ５とを備える。操舵機構２は、車輪１を操舵自在に支持するナックルアーム等の支持部材からなり、この支持部材に連結された操舵軸３が、車体に設けられた支持手段（図示せず）に進退自在に支持されている。モータ４とボールねじ５とは、この実施形態では同軸に並べて設けられている。
【００１０】
ボールねじ５は、図２に示すように操舵軸３の外周に設けられたねじ溝６と、操舵軸３に遊嵌するナット５ｂの内周に設けられ操舵軸３の前記ねじ溝６に対向するねじ溝７との間に複数のボール８を介在させたものであり、操舵軸３の一部または全体がねじ軸５ａとなる。ボールねじ５は、ねじ溝６，７間に介在させたボール８を循環させる循環路（図示せず）を有している。この循環路は、ねじ溝６，７間で形成される螺旋状の転動路９を、その両端を連結して周回経路とするものであり、ナット５ａに設けられた駒やリターンチューブ等の循環用部材（図示せず）により構成される。
【００１１】
モータ４は、ロータ１０とステータ１１とからなり、ステータ１１はハウジング１２に設置されている。ロータ１０は円筒状に形成されていて、スリーブ１３の外周に、このスリーブ１３と一体に回転するように取付けられる。このスリーブ１３内に操舵軸３が遊嵌状態に貫通している。ロータ１０にはナット５ｂが直結されている。なおモータ４は、直径する代わり、例えば遊星歯車式減速機などからなる減速機部を有し、ロータ１０の回転をその減速機部で減速してモータ出力軸となるナット５ｂに伝達するものであっても良い。
【００１２】
上記ハウジング１２には、図３のようにその一端の近傍から斜め上方に延びるようにハンドル軸（図示せず）の挿通部１２ａが設けられ、上記ハンドル軸の上端にハンドルが連結される。ハンドル軸は回転自在に支持されていて、ハンドル軸の回転は、その下端から変換機構であるラックピニオン機構を介して操舵軸３に、軸方向の移動力として伝達される。ラックピニオン機構は、操舵軸３の長手方向の一部で形成されるラック部３ａと、ハンドル軸の下端に設けられたピニオンとからなり、上記ピニオンは、ハウジング１２内でラック部３ａに噛み合う。また、ハンドル軸に対して、その操舵トルクを検出する操舵トルク検出器（図示せず）が設けられている。
【００１３】
上記スリーブ１３の一端部、この例ではハンドル軸側の端部は、軸受１４によりハウジング１２内に回転自在に支持されている。また、スリーブ１３の他端部は、ボールねじ５のナット５ｂに嵌合しており、ナット５ｂはその外径部が軸受１５でハウジング１２内に回転自在に支持されている。
【００１４】
ボールねじ５のねじ溝６，７の断面形状は、図４（Ｂ）および図５（Ｂ）に拡大して示すように、例えばゴシックアーチ形状（２つの円弧を溝底で組み合わせた形状）とされている。なお、図４（Ｂ）は、操舵軸３に図４（Ａ）に矢印で示す右方向の推力が加ってボールねじ５のナット５ｂに回転力として伝達される逆動作時の場合を示し、図５（Ｂ）は、操舵軸３に図５（Ａ）に矢印で示す左方向の推力が加わってボールねじ５のナット５ｂに回転力として伝達される逆動作時の場合を示す。これらねじ溝６，７は、次に説明するように、接触角が設定されている。
ボール８と操舵軸３のねじ溝６との接触角α1 ，α2 （α1 ＝α2 ）は、ボール８とナット５ｂのねじ溝７との接触角θ1 ，θ2 （θ1 ＝θ2 ）よりも小さくしてある。どの程度小さくするかは、求められる性能に応じて適宜設計される。接触角の大きさは、ねじ溝６，７の断面を構成する円弧の曲率を異ならせることにより、または２つの円弧の互いの開き角度を変えることなどで、適宜変えることができる。ここでは、軸側のねじ溝６の接触角α1 ，α2 を、ナット側のねじ溝７の接触角θ1 ，θ2 に比べて３°〜１３°小さくしている。
【００１５】
上記構成の動作および作用を説明する。車両が直線状態にあり、ハンドルの回転を停止しているときは、ハンドル軸の操舵トルク検出器（図示せず）からトルク信号が出力されず、モータ制御手段（図示せず）によりモータ４は回転停止状態とされる。したがって、この電動パワーステアリングはハンドル操舵力のアシストをしない状態にある。
ハンドルを操舵すると、ハンドル軸の操舵トルク検出器からトルク信号が出力され、モータ制御回路の制御により、モータ４はロータ１０を回転させる。ロータ１０が回転すると、ロータ１０と共にボールねじ５のナット５ｂが回転し、一部がねじ軸５ａとされる操舵軸３が軸方向に移動させられ、電動パワーステアリング装置がハンドル操舵力のアシストをする。
【００１６】
この電動パワーステアリングに用いられるボールねじ５では、ナット５ｂのねじ溝７の接触角θ1 ，θ2 （θ1 ＝θ2 ）に比べて、ねじ軸５ａのねじ溝６の接触角α1 ，α2 （α1 ＝α2 ）を小さくしているので、逆作動時のトルク特性が向上する。すなわち、ハンドル操舵時に操舵軸３が軸方向に駆動されてボールねじ５のナット５ｂが回転する逆作動時や、車輪１から車軸を介して操舵軸３に軸方向の推力が加わる逆作動時には、図４（Ｂ）および図５（Ｂ）に示すように、ボール８は軸側へ移動するような力Ｐ１を受ける。これとは別に上記接触角θ1 ，θ2 ，α1 ，α2 の大小関係の設定により、ボール８には上記の力Ｐ１と逆方向に働く力Ｐ２が加わる。このため、両方の力Ｐ１，Ｐ２が均衡し、逆作動時のトルク特性が向上する。
【００１７】
この電動パワーステアリング用ボールねじ５の性能を確認するため、次の〔表１〕に挙げるボールねじの各試作サンプル▲１▼〜▲５▼を、電動パワーステアリング装置とに組上げて、トルク変動について調査した。
【００１８】
【表１】
【００１９】
具体的には、上記試作サンプルを電動パワーステアリングに組上げる際に、ナット５ｂが傾いて取付けられることがあるため、ナット５ｂにミスアライメントを加え、ミスアライメント量とトルク変動との関係を調査した。その調査結果を図６のグラフに示す。
ここで、
（１） ▲１▼，▲２▼の試作サンプルは、ねじ軸５ｂのねじ溝６の接触角α1 ，α2 （α1 ＝α2 ）を、ナット５ａのねじ溝７の接触角θ1 ，θ2 （θ1 ＝θ2 ）に比べて小さくしたもので、ここでは狙いを５°または１０°小さくしている。
（２） ▲３▼の試作サンプルは、ねじ軸５ｂのねじ溝６の接触角α1 ，α2 （α1 ＝α2 ）を、ナット５ａのねじ溝７の接触角θ1 ，θ2 （θ1 ＝θ2 ）と等しくしたものである。
（３） ▲４▼，▲５▼の試作サンプルは、ねじ軸５ｂのねじ溝６の接触角α1 ，α2 （α1 ＝α2 ）を、ナット５ａのねじ溝７の接触角θ1 ，θ2 （θ1 ＝θ2 ）に比べて大きくしたものである。
【００２０】
図６に示す調査結果から分かるように、▲３▼〜▲５▼の試作サンプル（θ1 ，θ2 ＝α1 ，α2 、またはθ1 ，θ2 ＜α1 ，α2 ）では、ミスアライメントを付加すると、トルク変動が急激に大きくなる傾向にある。これに対して、▲１▼，▲２▼の試作サンプル（θ1 ，θ2 ＞α1 ，α2 ）では、ミスアライメントが大きくなっても、トルク変動の大きさは▲３▼〜▲５▼の試作サンプルに比して小さくなっている。このことから、上記実施形態の電動パワーステアリング用ボールねじ５では、逆作動時のトルク特性が向上することが分かる。
なお、▲１▼，▲２▼の試作サンプルでは、ねじ軸５ａのねじ溝６の接触角α1 ，α2 を、ナット５ｂのねじ溝７の接触角θ1 ，θ2 に比して、狙いを５°あるいは１０°小さくしたが、製造されたサンプルは３°〜１３°の範囲にばらついており、この範囲内であればトルク特性の改善に効果を期待できる。上記の角度範囲の下限の３°よりも小さくした場合は、接触角の違いによってボールに発生する力が小さく、逆作動時にボールを軸側へ移動させるように働く力と均衡を保つことが不十分となり、トルク特性の改善が十分に得られない。また、上記の角度範囲の上限の１３°よりも大きくした場合は、接触角の違いによってボールに発生する力が大きく成り過ぎて、逆作動時にボールを軸側へ移動させるように働く力と均衡を保つことが不十分となり、トルク特性の改善が十分に得られない。
【００２１】
図７は、上記ボールねじ５を用いた電動パワーステアリング装置の他の実施形態を示す。この電動パワーステアリング装置Ｂは、図３に示す実施形態の電動パワーステアリング装置Ａにおいて、操舵軸３と平行にモータ４を設置したモータオフセット型のものである。モータ４の回転は、モータ４の出力軸４ａに設けられたプーリ１６と、ボールねじ５のナット５ｂ外径部に設けられらプーリ１７とにタイミングベルト１８を掛装してなる減速機構１９を介してボールねじ５に伝達される。その他の構成は図３の電動パワーステアリング装置Ａの場合と略同じである。
【００２２】
【発明の効果】
この発明の電動パワーステアリング用ボールねじは、操舵軸がボールねじのねじ軸およびラックを有し、電動モータの出力を、これらボールねじを介して操舵軸に軸方向移動力として与えることにより、ハンドル操舵力のアシストをするラックアシスト式の電動パワーステアリングに使用される上記ボールねじであって、上記ねじ軸のボールねじ溝の接触角とナットのボールねじ溝の接触角とを互いに異ならせ、その接触角の違いによってボールに発生する力が、逆作動時にボールを軸側へ移動させるように働く力と均衡を保つものとしたために、ナットのボールねじ溝の接触角に対し、ねじ軸のボールねじ溝の接触角を小さくすることにより、逆作動時のトルク特性を向上させることができる。
この発明の電動パワーステアリング装置は、ハウジングと、車輪を操舵する操舵機構に連結され上記ハウジング内を貫通した操舵軸と、ハンドルから与えられる回転力を、上記操舵軸に設けられたラック部を介してこの操舵軸を軸方向に移動させる力に変換する変換機構と、上記操舵軸の一部がボールねじ軸となるボールねじとを備えたラックアシスト式の電動パワーステアリングにおいて、ボールねじとして、この発明のボールねじを用いたために、電動パワーステアリング装置のトルク特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかるボールねじが用いられる電動パワーステアリング装置の構成説明図である。
【図２】同電動パワーステアリング装置におけるボールねじ設置部分の拡大断面図である。
【図３】同電動パワーステアリング装置の断面図である。
【図４】（Ａ）は同電動パワーステアリング装置の操舵軸が右移動する逆作動時の説明図、（Ｂ）は同逆作動時のボールねじでのボールに掛かる力の説明図である。
【図５】（Ａ）は同電動パワーステアリング装置の操舵軸が左移動する逆作動時の説明図、（Ｂ）は同逆作動時のボールねじでのボールに掛かる力の説明図である。
【図６】上記ボールねじを含む各試作サンプルを電動パワーステアリング装置に組上げて、ナットのクリアランス量とトルク変動との関係を調査した結果のグラフである。
【図７】この発明の一実施形態にかかるボールねじが用いられる電動パワーステアリング装置の他の構成例の断面図である。
【図８】（Ａ）は電動パワーステアリングの操舵軸が右移動する逆作動状態の説明図、（Ｂ）は同逆作動時の従来のボールねじでのボールに掛かる力の説明図である。
【図９】（Ａ）は電動パワーステアリング装置の操舵軸が左移動する逆作動状態の説明図、（Ｂ）は同逆作動時の従来のボールねじでのボールに掛かる力の説明図である。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ…電動パワーステアリング装置
１…車輪
３…操舵軸
３ａ…ラック部
５…ボールねじ
５ａ…ねじ軸
５ｂ…ナット
６，７…ねじ溝
１２…ハウジング
α1 ，α，θ1 ，θ2 …接触角
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車におけるラックアシスト式の電動パワーステアリングに用いられるボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動パワーステアリングは、ハンドルの操舵力を電動モータで補うものであり、ハンドル操舵力のフィーリング特性が滑らかであることが要求される。この電動パワーステアリングには種々の形式のものがある。その一つとして、車輪の操舵機構に連結された進退自在な操舵軸に対して、ハンドルからラックピニオン機構を介して軸方向移動力を与えると共に、ハンドル操舵時の電気信号を受けて作動する電動モータの出力を、ボールねじを介して上記操舵軸に軸方向移動力として与えることにより、ハンドル操舵力のアシストをするようにしたラックアシスト式のものがある。このラックアシスト式の電動パワーステアリングの場合、特にボールねじの回転特性が重要で、ボールねじの回転トルクが重くなったり、トルクスパイクがあると、ドライバーのハンドル操舵性に影響を与える。また、タイヤから車軸を介してボールねじに推力が加わる場合にも、小さな力でボールねじを作動させる必要があり、ボールねじは高効率であることを要求される。
特に、ラックアシスト式の電動パワーステアリングでは、ハンル操舵時にラックを介してボールねじを駆動する場合も、タイヤから車軸を介してボールねじを駆動する場合も、共にボールねじは逆作動で使用されるので、電動パワーステアリング用ボールねじとしては、逆作動に適したものを用いることが重要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
通常、ボールねじは、回転を推力に変える正作動でも、推力を回転に変える逆作動でも使用される。そのため、図８（Ｂ）や図９（Ｂ）に示すように、ボールねじのねじ溝（ナット２５ｂのねじ溝２７とねじ軸２５ａのねじ溝２６）において、ナット２５ｂのねじ溝２７のボール２８との接触角θ1 ，θ2 （θ1 ＝θ2 ）と、ねじ軸２５ａのねじ溝２６のボール２８との接触角α1 ，α2 （α1 ＝α2 ）とは、θ1 ，θ2 ＝α1 ，α2 となるように設計して製作される。また、ボールねじが回転する場合に、ボール２８は、正作動時にはナット２５ｂ側へ、逆作動時にはねじ軸２５ａ側へ移動するような力を受けることが明らかになっている。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のようにねじ軸２５ａが右方向の推力を受ける逆作動時でのボール２８とねじ溝２６，２７の関係を示す。また図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のようにねじ軸２５ａが左方向の推力を受ける逆作動時でのボール２８とねじ溝２６，２７の関係を示している。このとき、図８（Ｂ）や図９（Ｂ）に示すように、ボール２８はねじ軸２５ａ側へ移動するような力Ｐを受ける。さらに、上記軸方向へ移動する力Ｐにより、ボール２８がねじ溝２６，２７と接触する面は１００％滑り摩擦となるので、効率の低下、およびトルク変動の原因となるという問題点を有する。
【０００４】
この発明の目的は、逆作動時のトルク特性を改善できる電動パワーステアリング用ボールねじを提供することである。
この発明の他の目的は、逆作動時のトルク特性を改善できる電動パワーステアリング装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の電動パワーステアリング用ボールねじは、操舵軸がボールねじのねじ軸およびラックを有し、電動モータの出力を、これらボールねじを介して操舵軸に軸方向移動力として与えることにより、ハンドル操舵力のアシストをするラックアシスト式の電動パワーステアリングに使用される上記ボールねじであって、上記ねじ軸のボールねじ溝の接触角とナットのボールねじ溝の接触角とを互いに異ならせ、その接触角の違いによってボールに発生する力が、逆作動時にボールを軸側へ移動させるように働く力と均衡を保つものとしたことを特徴とする。
この構成によると、ボールねじ溝のナットと軸の接触角を異ならせたため、その接触角の違いによってボールに発生する力が、逆作動時にボールを軸側へ移動させるように働く力と均衡を保つように作用する。そのため、トルク特性が改善される。
【０００６】
この発明において、ナットのボールねじ溝の接触角に対し、ねじ軸のボールねじ溝の接触角を小さくすることが好ましい。このように、ねじ軸側の接触角を小さくすると、ボールねじを電動パワーステアリングに組上げる際に、ナットが傾いてミスアライメントが加わった場合でも、トルク変動を小さく抑えることができる。
【０００７】
この場合、上記ナットのボールねじ溝の接触角に対し、ねじ軸のボールねじ溝の接触角を３°〜１３°小さくするのが好ましい。この角度範囲であれば、トルク特性の改善の効果が期待できる。この範囲よりも大きくなっても、また小さくなっても、トルク特性の改善の効果が低い。
【０００８】
この発明の電動パワーステアリング装置は、ハウジングと、車輪を操舵する操舵機構に連結され上記ハウジング内を貫通した操舵軸と、ハンドルから与えられる回転力を、上記操舵軸に設けられたラック部を介してこの操舵軸を軸方向に移動させる力に変換する変換機構と、上記操舵軸の一部がボールねじ軸となるボールねじとを備えたラックアシスト式の電動パワーステアリングであって、上記ボールねじに、上記発明のボールねじを用いたことを特徴とする。
この構成によると、この発明のボールねじにおける逆作動時のトルク特性の改善効果により、電動パワーステアリング装置のトルク特性が改善される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１は、この発明のボールねじが用いられる電動パワーステアリング装置の概略構成を示す。この電動パワーステアリング装置Ａは、車輪１を操舵する操舵機構２に連結された操舵軸３と、モータ４の回転により操舵軸３を進退させるボールねじ５とを備える。操舵機構２は、車輪１を操舵自在に支持するナックルアーム等の支持部材からなり、この支持部材に連結された操舵軸３が、車体に設けられた支持手段（図示せず）に進退自在に支持されている。モータ４とボールねじ５とは、この実施形態では同軸に並べて設けられている。
【００１０】
ボールねじ５は、図２に示すように操舵軸３の外周に設けられたねじ溝６と、操舵軸３に遊嵌するナット５ｂの内周に設けられ操舵軸３の前記ねじ溝６に対向するねじ溝７との間に複数のボール８を介在させたものであり、操舵軸３の一部または全体がねじ軸５ａとなる。ボールねじ５は、ねじ溝６，７間に介在させたボール８を循環させる循環路（図示せず）を有している。この循環路は、ねじ溝６，７間で形成される螺旋状の転動路９を、その両端を連結して周回経路とするものであり、ナット５ａに設けられた駒やリターンチューブ等の循環用部材（図示せず）により構成される。
【００１１】
モータ４は、ロータ１０とステータ１１とからなり、ステータ１１はハウジング１２に設置されている。ロータ１０は円筒状に形成されていて、スリーブ１３の外周に、このスリーブ１３と一体に回転するように取付けられる。このスリーブ１３内に操舵軸３が遊嵌状態に貫通している。ロータ１０にはナット５ｂが直結されている。なおモータ４は、直径する代わり、例えば遊星歯車式減速機などからなる減速機部を有し、ロータ１０の回転をその減速機部で減速してモータ出力軸となるナット５ｂに伝達するものであっても良い。
【００１２】
上記ハウジング１２には、図３のようにその一端の近傍から斜め上方に延びるようにハンドル軸（図示せず）の挿通部１２ａが設けられ、上記ハンドル軸の上端にハンドルが連結される。ハンドル軸は回転自在に支持されていて、ハンドル軸の回転は、その下端から変換機構であるラックピニオン機構を介して操舵軸３に、軸方向の移動力として伝達される。ラックピニオン機構は、操舵軸３の長手方向の一部で形成されるラック部３ａと、ハンドル軸の下端に設けられたピニオンとからなり、上記ピニオンは、ハウジング１２内でラック部３ａに噛み合う。また、ハンドル軸に対して、その操舵トルクを検出する操舵トルク検出器（図示せず）が設けられている。
【００１３】
上記スリーブ１３の一端部、この例ではハンドル軸側の端部は、軸受１４によりハウジング１２内に回転自在に支持されている。また、スリーブ１３の他端部は、ボールねじ５のナット５ｂに嵌合しており、ナット５ｂはその外径部が軸受１５でハウジング１２内に回転自在に支持されている。
【００１４】
ボールねじ５のねじ溝６，７の断面形状は、図４（Ｂ）および図５（Ｂ）に拡大して示すように、例えばゴシックアーチ形状（２つの円弧を溝底で組み合わせた形状）とされている。なお、図４（Ｂ）は、操舵軸３に図４（Ａ）に矢印で示す右方向の推力が加ってボールねじ５のナット５ｂに回転力として伝達される逆動作時の場合を示し、図５（Ｂ）は、操舵軸３に図５（Ａ）に矢印で示す左方向の推力が加わってボールねじ５のナット５ｂに回転力として伝達される逆動作時の場合を示す。これらねじ溝６，７は、次に説明するように、接触角が設定されている。
ボール８と操舵軸３のねじ溝６との接触角α1 ，α2 （α1 ＝α2 ）は、ボール８とナット５ｂのねじ溝７との接触角θ1 ，θ2 （θ1 ＝θ2 ）よりも小さくしてある。どの程度小さくするかは、求められる性能に応じて適宜設計される。接触角の大きさは、ねじ溝６，７の断面を構成する円弧の曲率を異ならせることにより、または２つの円弧の互いの開き角度を変えることなどで、適宜変えることができる。ここでは、軸側のねじ溝６の接触角α1 ，α2 を、ナット側のねじ溝７の接触角θ1 ，θ2 に比べて３°〜１３°小さくしている。
【００１５】
上記構成の動作および作用を説明する。車両が直線状態にあり、ハンドルの回転を停止しているときは、ハンドル軸の操舵トルク検出器（図示せず）からトルク信号が出力されず、モータ制御手段（図示せず）によりモータ４は回転停止状態とされる。したがって、この電動パワーステアリングはハンドル操舵力のアシストをしない状態にある。
ハンドルを操舵すると、ハンドル軸の操舵トルク検出器からトルク信号が出力され、モータ制御回路の制御により、モータ４はロータ１０を回転させる。ロータ１０が回転すると、ロータ１０と共にボールねじ５のナット５ｂが回転し、一部がねじ軸５ａとされる操舵軸３が軸方向に移動させられ、電動パワーステアリング装置がハンドル操舵力のアシストをする。
【００１６】
この電動パワーステアリングに用いられるボールねじ５では、ナット５ｂのねじ溝７の接触角θ1 ，θ2 （θ1 ＝θ2 ）に比べて、ねじ軸５ａのねじ溝６の接触角α1 ，α2 （α1 ＝α2 ）を小さくしているので、逆作動時のトルク特性が向上する。すなわち、ハンドル操舵時に操舵軸３が軸方向に駆動されてボールねじ５のナット５ｂが回転する逆作動時や、車輪１から車軸を介して操舵軸３に軸方向の推力が加わる逆作動時には、図４（Ｂ）および図５（Ｂ）に示すように、ボール８は軸側へ移動するような力Ｐ１を受ける。これとは別に上記接触角θ1 ，θ2 ，α1 ，α2 の大小関係の設定により、ボール８には上記の力Ｐ１と逆方向に働く力Ｐ２が加わる。このため、両方の力Ｐ１，Ｐ２が均衡し、逆作動時のトルク特性が向上する。
【００１７】
この電動パワーステアリング用ボールねじ５の性能を確認するため、次の〔表１〕に挙げるボールねじの各試作サンプル▲１▼〜▲５▼を、電動パワーステアリング装置とに組上げて、トルク変動について調査した。
【００１８】
【表１】
具体的には、上記試作サンプルを電動パワーステアリングに組上げる際に、ナット５ｂが傾いて取付けられることがあるため、ナット５ｂにミスアライメントを加え、ミスアライメント量とトルク変動との関係を調査した。その調査結果を図６のグラフに示す。
ここで、
（１） ▲１▼，▲２▼の試作サンプルは、ねじ軸５ｂのねじ溝６の接触角α1 ，α2 （α1 ＝α2 ）を、ナット５ａのねじ溝７の接触角θ1 ，θ2 （θ1 ＝θ2 ）に比べて小さくしたもので、ここでは狙いを５°または１０°小さくしている。
（２） ▲３▼の試作サンプルは、ねじ軸５ｂのねじ溝６の接触角α1 ，α2 （α1 ＝α2 ）を、ナット５ａのねじ溝７の接触角θ1 ，θ2 （θ1 ＝θ2 ）と等しくしたものである。
（３） ▲４▼，▲５▼の試作サンプルは、ねじ軸５ｂのねじ溝６の接触角α1 ，α2 （α1 ＝α2 ）を、ナット５ａのねじ溝７の接触角θ1 ，θ2 （θ1 ＝θ2 ）に比べて大きくしたものである。
【００２０】
図６に示す調査結果から分かるように、▲３▼〜▲５▼の試作サンプル（θ1 ，θ2 ＝α1 ，α2 、またはθ1 ，θ2 ＜α1 ，α2 ）では、ミスアライメントを付加すると、トルク変動が急激に大きくなる傾向にある。これに対して、▲１▼，▲２▼の試作サンプル（θ1 ，θ2 ＞α1 ，α2 ）では、ミスアライメントが大きくなっても、トルク変動の大きさは▲３▼〜▲５▼の試作サンプルに比して小さくなっている。このことから、上記実施形態の電動パワーステアリング用ボールねじ５では、逆作動時のトルク特性が向上することが分かる。
なお、▲１▼，▲２▼の試作サンプルでは、ねじ軸５ａのねじ溝６の接触角α1 ，α2 を、ナット５ｂのねじ溝７の接触角θ1 ，θ2 に比して、狙いを５°あるいは１０°小さくしたが、製造されたサンプルは３°〜１３°の範囲にばらついており、この範囲内であればトルク特性の改善に効果を期待できる。上記の角度範囲の下限の３°よりも小さくした場合は、接触角の違いによってボールに発生する力が小さく、逆作動時にボールを軸側へ移動させるように働く力と均衡を保つことが不十分となり、トルク特性の改善が十分に得られない。また、上記の角度範囲の上限の１３°よりも大きくした場合は、接触角の違いによってボールに発生する力が大きく成り過ぎて、逆作動時にボールを軸側へ移動させるように働く力と均衡を保つことが不十分となり、トルク特性の改善が十分に得られない。
【００２１】
図７は、上記ボールねじ５を用いた電動パワーステアリング装置の他の実施形態を示す。この電動パワーステアリング装置Ｂは、図３に示す実施形態の電動パワーステアリング装置Ａにおいて、操舵軸３と平行にモータ４を設置したモータオフセット型のものである。モータ４の回転は、モータ４の出力軸４ａに設けられたプーリ１６と、ボールねじ５のナット５ｂ外径部に設けられらプーリ１７とにタイミングベルト１８を掛装してなる減速機構１９を介してボールねじ５に伝達される。その他の構成は図３の電動パワーステアリング装置Ａの場合と略同じである。
【００２２】
【発明の効果】
この発明の電動パワーステアリング用ボールねじは、操舵軸がボールねじのねじ軸およびラックを有し、電動モータの出力を、これらボールねじを介して操舵軸に軸方向移動力として与えることにより、ハンドル操舵力のアシストをするラックアシスト式の電動パワーステアリングに使用される上記ボールねじであって、上記ねじ軸のボールねじ溝の接触角とナットのボールねじ溝の接触角とを互いに異ならせ、その接触角の違いによってボールに発生する力が、逆作動時にボールを軸側へ移動させるように働く力と均衡を保つものとしたために、ナットのボールねじ溝の接触角に対し、ねじ軸のボールねじ溝の接触角を小さくすることにより、逆作動時のトルク特性を向上させることができる。
この発明の電動パワーステアリング装置は、ハウジングと、車輪を操舵する操舵機構に連結され上記ハウジング内を貫通した操舵軸と、ハンドルから与えられる回転力を、上記操舵軸に設けられたラック部を介してこの操舵軸を軸方向に移動させる力に変換する変換機構と、上記操舵軸の一部がボールねじ軸となるボールねじとを備えたラックアシスト式の電動パワーステアリングにおいて、ボールねじとして、この発明のボールねじを用いたために、電動パワーステアリング装置のトルク特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかるボールねじが用いられる電動パワーステアリング装置の構成説明図である。
【図２】同電動パワーステアリング装置におけるボールねじ設置部分の拡大断面図である。
【図３】同電動パワーステアリング装置の断面図である。
【図４】（Ａ）は同電動パワーステアリング装置の操舵軸が右移動する逆作動時の説明図、（Ｂ）は同逆作動時のボールねじでのボールに掛かる力の説明図である。
【図５】（Ａ）は同電動パワーステアリング装置の操舵軸が左移動する逆作動時の説明図、（Ｂ）は同逆作動時のボールねじでのボールに掛かる力の説明図である。
【図６】上記ボールねじを含む各試作サンプルを電動パワーステアリング装置に組上げて、ナットのクリアランス量とトルク変動との関係を調査した結果のグラフである。
【図７】この発明の一実施形態にかかるボールねじが用いられる電動パワーステアリング装置の他の構成例の断面図である。
【図８】（Ａ）は電動パワーステアリングの操舵軸が右移動する逆作動状態の説明図、（Ｂ）は同逆作動時の従来のボールねじでのボールに掛かる力の説明図である。
【図９】（Ａ）は電動パワーステアリング装置の操舵軸が左移動する逆作動状態の説明図、（Ｂ）は同逆作動時の従来のボールねじでのボールに掛かる力の説明図である。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ…電動パワーステアリング装置
１…車輪
３…操舵軸
３ａ…ラック部
５…ボールねじ
５ａ…ねじ軸
５ｂ…ナット
６，７…ねじ溝
１２…ハウジング
α1 ，α，θ1 ，θ2 …接触角
Claims (4)
- 操舵軸がボールねじのねじ軸およびラックを有し、電動モータの出力を、これらボールねじを介して操舵軸に軸方向移動力として与えることにより、ハンドル操舵力のアシストをするラックアシスト式の電動パワーステアリングに使用されるボールねじであって、上記ねじ軸のボールねじ溝の接触角とナットのボールねじ溝の接触角とを互いに異ならせ、その接触角の違いによってボールに発生する力が、逆作動時にボールを軸側へ移動させるように働く力と均衡を保つものとしたことを特徴とする電動パワーステアリング用ボールねじ。
- 請求項１において、ナットのボールねじ溝の接触角に対し、ねじ軸のボールねじ溝の接触角を小さくした電動パワーステアリング用ボールねじ。
- 請求項２において、ナットのボールねじ溝の接触角に対し、ねじ軸のボールねじ溝の接触角を３°〜１３°小さくした電動パワーステアリング用ボールねじ。
- ハウジングと、車輪を操舵する操舵機構に連結され上記ハウジング内を貫通した操舵軸と、ハンドルから与えられる回転力を、上記操舵軸に設けられたラック部を介してこの操舵軸を軸方向に移動させる力に変換する変換機構と、上記操舵軸の一部がボールねじ軸となるボールねじとを備えたラックアシスト式の電動パワーステアリングにおいて、上記ボールねじに、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のボールねじを用いたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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