JP4501053B2

JP4501053B2 - 電動式舵取り装置

Info

Publication number: JP4501053B2
Application number: JP2002348530A
Authority: JP
Inventors: 晶彦椎名; 英雄松原; 憲毅大川
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: JP2004183697A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の舵取り装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電動式舵取り装置には、操舵補助用の電動モータからの動力を減速機を介してステアリングシャフトに伝達するものがあり、上述の減速機には、ウォーム軸と、これと噛み合うウォームホイールとを利用するものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−４３７３９公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ウォームギヤに限らず、通例、歯車の噛み合いにはバックラッシが必要であり、このバックラッシに起因する歯打ち音が生じ、これが異音となっていた。
逆に、歯打ち音による異音を抑制しようとして、バックラッシを小さくすると、歯車同士を回転させるための抵抗が大きくなり、その結果、互いに噛み合う一対の歯車間の動力伝達効率が低下する。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、歯車の噛み合い時の異音の発生を抑制し、且つ一対の歯車間の動力伝達効率の低下を抑制できる電動式舵取り装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、互いに噛み合うウォーム軸とウォームホイールとを介して、操舵のために電動モータの動力を伝達する電動式舵取り装置において、上記ウォームホイールの噛み合い部分は、繊維強化された合成樹脂を含み、上記ウォーム軸の少なくとも噛み合い部分の鋼の表面に、硫化物を含む表面層を設け、上記表面層の下層には、窒化物を含む層が含まれ、上記窒化物を含む層および上記表面層は、浸硫窒化処理により形成されてなることを特徴とするものである。
この発明によれば、ウォーム軸とウォームホイールとの間のバックラッシを、歯打ち音の低減に効果のある程に小さくする場合であっても、噛み合い部分の表面層の硫化物の固体潤滑作用により、噛み合い部分同士の間に生じる摩擦抵抗を抑制できるので、ウォーム軸とウォームホイールとの間の動力伝達効率の低下を抑制できる。従って、動力伝達効率を低下させることなく、異音の発生を抑制できる。
【０００７】
また、下層の窒化物により噛み合い部分を硬化できるので、噛み合い部分の摩耗の発生を抑制できて、ウォーム軸の耐久性を高めることができる。
また、ウォームホイールの少なくとも噛み合い部分が合成樹脂を含むので、異音の発生をより一層抑制できる。ウォームホイールの噛み合い部分に繊維強化樹脂を用いるので、ウォームホイールの耐久性を強化材により高めることができる。その一方で、ウォームホイールの強化材が、ウォーム軸の噛み合い部分を攻撃するとしても、ウォーム軸の耐久性が高まるので、問題ない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態の電動式舵取り装置を図面を参照しつつ説明する。図１は、上述の電動式舵取り装置の概略構成を示す模式図である。図１を参照する。
本電動式舵取り装置１は、車輪２を操向するためにステアリングホイール３の動きを伝達するステアリングシャフト４と、ステアリングシャフト４を内部に通して回転自在に支持するステアリングコラム５とを有する。ステアリングシャフト４の一方の端部６にステアリングホイール３が連結され、他方の端部７に中間軸９等を介して車輪２を操向するための舵取り機構１０が連結される。ステアリングホイール３が回されると、その回転がステアリングシャフト４、中間軸９等を介して舵取り機構１０に伝達される。これにより車輪２を操向することができる。
【０００９】
また、電動式舵取り装置１は、ステアリングコラム５に設けられる操舵補助ユニット１２により、操舵操作に伴い生じる操舵抵抗に見合った操舵補助力を得られるようになっている。
図２は、操舵補助ユニットの断面図である。図１と図２を参照する。
操舵補助ユニット１２は、ステアリングシャフト４に関連して配置されて操舵トルクを検知するためのトルクセンサ１３と、このトルクセンサ１３からの出力信号、車速信号等に基づいて操舵補助力を発生させる電動モータ１４と、この電動モータ１４の回転軸１５の回転を減速するための減速機１６と、減速機１６およびトルクセンサ１３を収容しつつ支持し且つ電動モータ１４を支持するハウジング１７とを有する。
【００１０】
ステアリングホイール３が操作されると、操舵トルクがトルクセンサ１３により検知され、これに応じて電動モータ１４が操舵補助力を発生させる。操舵補助力は、減速機１６を介してステアリングシャフト４に伝達され、ステアリングホイール３の動きとともに舵取り機構１０に伝わり、車輪２が操舵される。
図２に示すように、減速機１６は、電動モータ１４の回転軸１５と継手２０を介して一体回転可能に連結された駆動歯車としてのウォーム軸２１と、このウォーム軸２１により駆動される減速用従動歯車としてのウォームホイール２２とを有する。減速機１６は、互いに噛み合う一対の歯車としてのウォーム軸２１およびウォームホイール２２を介して、操舵のために電動モータ１４の動力を伝達する。
【００１１】
ウォーム軸２１は、その軸方向の中間部にありウォームを形成されるウォーム部２５と、ウォーム部２５に隣接する一対の軸部２６，２７とを有する。ウォーム部２５と軸部２６，２７とが一体に形成される。軸部２６，２７が軸受２８，２９を介してハウジング１７に回転可能に支持され、ウォーム部２５がウォームホイール２２と噛み合う。
ウォームホイール２２は、ステアリングシャフト４に一体に回転可能に結合される環状の芯金３０と、この芯金３０の周囲を取り囲んで外周面部に歯を形成する成形体３１とを有する。ウォームホイール２２は、ステアリングシャフト４および軸受（図示せず）を介して回転自在にハウジング１７により支持される。
【００１２】
芯金３０は、鋼等の金属により形成され、例えば、成形体３１の樹脂成形時に金型内にインサートされる。樹脂成形により、芯金３０と成形体３１とは、一体回転可能に結合される。
成形体３１は、例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ、ポリアセタールともいう。）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等の合成樹脂を含む。成形体３１は、繊維強化樹脂からなってもよく、この場合、ベースレジンとしての上述の合成樹脂と、ガラス繊維、炭素繊維等の強化材とを含む。
【００１３】
図３は、ウォーム軸２１およびウォームホイール２２の噛み合い部分３３，３４の拡大断面図である。図３を参照する。
本発明の実施形態では、ウォーム軸２１は、母材としての鋼の表面に、硫化鉄等の硫化物を含む表面層３５を有している。この表面層３５は、ウォーム軸２１の所定部分の表面に設けられる。この所定部分の表面は、噛み合い部分３３の表面を含み、例えば、ウォーム軸２１の全表面とされている。
【００１４】
表面層３５は、例えば、母材としての鋼によりウォーム軸２１とほぼ同形状に形成される製造用中間体としての成形品（図示せず）に、ガス浸硫窒化処理を施すことにより形成される。具体的には、処理により浸硫窒化処理層が形成され、この浸硫窒化処理層が、母材の表面に形成される拡散層としての第１下層３６と、この第１下層３６の上に形成され窒化鉄等の窒化物を含む第２下層３７と、さらにこの第２下層３７の上に形成される上述の表面層３５とを含む。
【００１５】
表面層３５の硫化物が、噛み合い部分３３，３４同士の静摩擦係数および動摩擦係数をともに小さくする働きをする。表面層３５には、窒化鉄等の窒化物を含んでもよい。また、第２下層３７により、耐摩耗性を高めることができる。また、拡散層としての第１下層３６は、浸硫窒化処理により、母材に窒素が拡散された層であり、表面耐力を高めることができる。
本発明の実施形態によれば、ウォーム軸２１とウォームホイール２２との間のバックラッシを、歯打ち音の低減に効果のあるほどに小さくする場合であっても、噛み合い部分３３の表面層３５の硫化物の固体潤滑作用により、噛み合い部分３３，３４同士の間に生じる摩擦抵抗を抑制できるので、ウォーム軸２１とウォームホイール２２との間の動力伝達効率の低下を抑制できる。従って、動力伝達効率を低下させることなく、異音の発生を抑制できる。
【００１６】
本実施形態では、表面層３５の下層としての第２下層３７の窒化物により噛み合い部分３３を硬化できるので、噛み合い部分３３の摩耗の発生を抑制できて、ウォーム軸２１の耐久性を高めることができる。また、この効果は、表面層３５が窒化鉄等の窒化物を含む場合にも得ることができる。
表面層３５は、噛み合い部分３３の全体となる表面に形成されるのが、摩擦抵抗を抑制する効果を確実に得られて好ましい。なお、表面層３５を噛み合い部分３３の一部だけの表面に形成しても、ある程度の効果を得ることができる。
【００１７】
表面層３５の厚みＤは、３μｍ〜５μｍの範囲内の値が好ましい。表面層３５の厚みＤが３μｍよりも小さいと、摩擦低減効果を得られないことがあり、表面層３５の厚みＤが５μｍよりも大きいと処理費用が高くなるが、５μｍよりも大きくしても構わない。
第２下層３７の厚みＥは、５μｍ〜２５μｍの範囲内の値が好ましい。第２下第２下層３７の厚みＥが５μｍよりも小さいと、耐久性向上効果を得られないことがあり、第２下層３７の厚みＥが２５μｍよりも大きいと処理費用が高くなるが、２５μｍよりも深くしても構わない。
【００１８】
表面硬さＦは、ビッカース硬さでＨＶ５５０〜ＨＶ１３００の範囲内の値が好ましい。表面硬さＦがＨＶ５５０よりも小さい（軟らかい）と、耐久性向上効果を得られないことがあり、表面硬さＦがＨＶ１３００よりも大きい（硬い）と処理費用が高くなるが、ＨＶ１３００よりも大きくしても構わない。
母材としては、Ｓ４３Ｃ、Ｓ４５Ｃ等の機械構造用炭素鋼を例示でき、この他Ｓ２５Ｃ等の低炭素鋼、クロムモリブデン鋼、クロム鋼も示すことができる。
【００１９】
母材の選定およびガス浸硫窒化処理の処理条件を適宜調節することにより、上述の表面層３５の厚みＤ、第２下層３７の厚みＥ、および表面硬さＦを調節することができる。例えば、母材としてＳ４５Ｃを用い、処理温度を５５０℃、処理時間を３時間としたときに、表面硬さを概ねＨＶ６００〜ＨＶ８００の範囲内の値にすることができる。
浸硫窒化処理の他、プラズマ浸硫窒化処理、塩浴浸硫窒化処理等の浸硫窒化処理とするのが好ましい。これにより、表面層３５や第２下層３７等を一括して安価に形成できる。
【００２０】
また、浸硫窒化処理であれば、摩擦抵抗の抑制効果に加えて、上述の耐久性の向上効果をも、当該処理を追加するだけで簡便に達成できる。
すなわち、耐久性の向上には、鋼の焼入れ焼き戻し、浸炭焼入れ等の焼入れ処理を施して処理品の表面を硬化させることも考えられる。しかし、焼入れ処理では、処理温度が高く、焼入れ歪みが生じて処理品の寸法変化量が大きく、所要の精度を達成するための研摩仕上げ等の後工程を必要となる。これに対して、浸硫窒化処理では、通例、処理温度が焼入れ処理よりも低い５００℃〜６００℃とされ、処理に伴う処理品の寸法変化量が小さく、例えば、１〜５μｍの僅かな量で済み、その結果、処理前の容易な加工だけで所要の精度を達成できて上述の後工程は不要であり、耐久性の向上のために必要な工程増加を少なくできる。
【００２１】
図３に示すように、ウォームホイール２２の少なくとも噛み合い部分３４が合成樹脂を含むことにより、異音の発生をより一層抑制できる。
ウォームホイール２２の噛み合い部分３４に繊維強化樹脂を用いる場合には、ウォームホイール２２の耐久性を強化材により高めることができる。その一方で、ウォームホイール２２の強化材が、ウォーム軸２１の噛み合い部分３３を攻撃するとしても、上述のようにウォーム軸２１が浸硫窒化処理層により補強されることにより、ウォーム軸２１の耐久性が高まるので、問題ない。
【００２２】
本実施形態の電動式舵取り装置であれば、図１を参照して、ウォームギヤ機構のバックラッシによる歯打ち振動等に起因する騒音を低減でき、従って、自動車の車室内での騒音をコスト安価に低減することができる。しかも、ウォーム軸２１およびウォームホイール２２間のバックラッシを小さく抑制したときの、電動モータ１４にかかる抵抗トルクを小さくできる。従って、電動モータ１４の消費電力を低減できる。また、動力の伝達効率が高いので、低出力で小形の電動モータ１４を用いることもできる。
【００２３】
なお、本発明の実施形態としては、以下の各実施形態をも考えることができる。以下の説明では、上述の実施形態と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略して同じ符号を付しておく。
【００２４】
また、上述の実施形態では、表面層３５は、ウォーム軸２１の全表面に設けられていたが、これには限定されず、図２を参照して、ウォーム軸２１の一部の表面だけに、例えば、ウォーム部２５の表面だけに設けてもよいし、噛み合い部分３３の表面および噛み合い部分３３に隣接する部分の表面だけに設けてもよいし、噛み合い部分３３の表面だけに設けてもよい。
【００２５】
このように、ウォームギヤ機構のウォーム軸２１に設けられた上述の表面層３５であれば、ウォーム軸２１とウォームホイール２２との噛み合い部分３３，３４同士の間に生じる摩擦抵抗を抑制できるので、ウォームギヤ機構の動力伝達効率の低下を抑制できる。
【００２６】
要は、表面層３５は、鋼を母材とする一方の歯車の少なくとも噛み合い部分の表面に設けるようにすればよく、これにより、上述の異音の抑制効果および摩擦抵抗の抑制効果を得ることができる。
その他、本発明の特許請求の範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の電動式舵取り装置の概略構成を示す模式図。
【図２】図１のII−II断面を示す電動式舵取り装置の一部断面図である。
【図３】図２のウォーム軸とウォームホイールの噛み合い部分の拡大断面図。
【符号の説明】
１電動式舵取り装置
１４電動モータ
２１ウォーム軸（一方の歯車）
２２ウォームホイール（歯車）
３３ウォーム軸の噛み合い部分
３５表面層
３７第２下層（窒化物を含む層、下層）

Claims

互いに噛み合うウォーム軸とウォームホイールとを介して、操舵のために電動モータの動力を伝達する電動式舵取り装置において、
上記ウォームホイールの噛み合い部分は、繊維強化された合成樹脂を含み、
上記ウォーム軸の少なくとも噛み合い部分の鋼の表面に、硫化物を含む表面層を設け、上記表面層の下層には、窒化物を含む層が含まれ、
上記窒化物を含む層および上記表面層は、浸硫窒化処理により形成されてなることを特徴とする電動式舵取り装置。