JP4556109B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵補助用の電動モータの出力回転を、ウォーム軸およびこのウォーム軸に噛み合うウォームホイールを介して操舵機構に伝達する電動パワーステアリング装置に関する。

通例、この種の装置において、ウォーム軸とウォームホイールとの噛み合いには、フリクション（摩擦抵抗）を低減するために適度なバックラッシが必要である。しかしながら、例えば悪路を走行してタイヤからの反力（逆入力）を受けた場合、このバックラッシに起因する歯打ち音（ラトル音）が発生することがある。
そこで、フリクションおよび歯打ち音の発生を最小限にするため、加工精度の範囲内で上記バックラッシ量を厳密に調整しておく必要があった。すなわち、ウォーム軸およびウォームホイールを組付けるときに、各部品を寸法精度のばらつき度合に応じて選別し、互いの組合せ精度が適正になるもの同士を組み合わせていた（いわゆるマッチング作業）が、この作業に非常に手間がかかり、製造コストが高くなっていた。

さらに、上記ウォームホイールは合成樹脂により形成されるのが通例であるが、この場合、ウォームホイールの歯の磨耗、温度変化および吸湿等に伴う膨張や収縮によって上記バックラッシ量が変動してしまう。
そこで、ウォーム軸の一端をウォームホイール側へ偏倚可能に支持すると共に、ウォーム軸の一端をウォームホイール側へ弾性的に付勢する付勢手段を設けることで、フリクションを抑制しつつバックラッシを無くすことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、ウォーム軸を収容するハウジングに孔を設け、この孔内に押圧部材とばねを収容している。そして、ばねは、押圧部材を介してウォーム軸の一端をウォームホイール側に付勢している。
特開２０００−４３７３９号公報。

しかしながら、付勢手段を設けることで、部品点数が増加すると共に、装置の大型化を招いてしまう。本発明は、かかる背景のもとでなされたもので、フリクションを抑制しつつバックラッシを可及的に小さくすることができ、しかも、部品点数の増大および装置の大型化を招くことのない電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、電動モータの出力を操舵機構に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置において、電動モータの出力軸に連結されるウォーム軸と、ウォーム軸に噛み合い操舵機構に連なるウォームホイールとを備え、上記ウォームホイールは、複数の歯と、互いに隣り合う歯間にそれぞれ区画形成される複数の歯溝とを含み、上記複数の歯溝の幅中心は、ウォームホイールの周方向に等ピッチで配置され、上記複数の歯溝は、ウォームホイールの周方向に交互に配置される第１および第２の歯溝を含み、第１の歯溝の幅は、上記ウォームホイールの歯の歯すじ方向の全域において第２の歯溝の幅よりも広く、上記電動モータが駆動していないとき、第２の歯溝に入っているウォーム軸の歯はウォームホイールの歯に噛み合い、且つ、第１の歯溝に入っているウォーム軸の歯はウォームホイールの歯に噛み合わず、上記電動モータが駆動することにより、第２の歯溝に入っているウォーム軸の歯がウォームホイールの歯を弾性的に撓ませ、これにより、第１の歯溝に入っているウォーム軸の歯がウォームホイールの歯に噛み合い得ることを特徴とするものである。

ウォーム軸とウォームホイールとの噛み合い領域には、通例、ウォーム軸の３枚の歯が配置される。本発明では、広幅の第１の歯溝と狭幅の第２の歯溝とをウォームホイールの周方向に交互に設けることにより、直進走行時において、ウォームホイールに噛み合うウォーム軸の歯の枚数を例えば１枚に減らすことができる。したがって、バックラッシを小さく設定しても、フリクションの増加を抑制することができる。可及的にバックラッシを小さく設定することが可能となり、歯打ち音による騒音の発生を抑制することができる。

一方、操舵時には、電動モータの動力によって上記噛み合い領域に予圧が与えられるので、ウォーム軸の３枚の歯がウォームホイールの歯と噛み合うこととなり、耐久性に問題はない。しかも、これらの効果をウォームホイールの歯溝の幅を変更するのみの簡単な構成で達成することができ、部品点数の増大および装置の大型化を招くことがない。
上記ウォームホイールの複数の歯は、それぞれ合成樹脂により形成されていることが好ましい。この場合、ウォームホイールの各歯の歯面の摩擦抵抗を十分に低くすることができ、フリクションをより低減することができる。また、ウォーム軸の歯と弾性的に良好に噛み合うことができ、歯打ち音の発生をより確実に抑制することができる。

上記ウォーム軸は、複数条の歯を有することが好ましい。この場合、ウォーム軸のリードをより多くしてウォームホイールの回転速度を十分に確保でき、優れた応答性を確保することができる。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施の形態の電動パワーステアリング装置１の概略構成を示す模式図である。図１を参照して、電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール等の操舵部材２に連結されているステアリングシャフト３と、ステアリングシャフト３に自在継手４を介して連結されている中間軸５と、この中間軸５に自在継手６を介して連結されるピニオン軸７と、ピニオン軸７の先端部に設けられたピニオン８に噛み合うラック９を形成して車両の左右方向に延びるラック軸１０とを有している。

ラック軸１０の両端部にはそれぞれタイロッド１１が連結されており、各タイロッド１１は、対応するナックルアーム（図示せず）を介して対応する車輪１２に連結されている。操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３が回転されると、この回転は中間軸５等を介してピニオン８に伝達され、ピニオン８およびラック９によって、車両の左右方向に沿うラック軸１０の直線運動に変換される。これにより車輪１２の転舵が達成される。

ステアリングシャフト３は、操舵部材２に連なる入力軸としての第１の操舵軸１３と、自在継手４に連なる出力軸としての第２の操舵軸１４とを有している。これら第１および第２の操舵軸１３，１４は、トーションバー１５を介して同軸上に互いに連結されている。
トーションバー１５を介する第１の操舵軸１３と第２の操舵軸１４との相対回転変位量を検出するトルクセンサ１６が設けられている。このトルクセンサ１６の検出信号は、制御部１７に与えられる。制御部１７は、トルクセンサ１６からの検出信号に基づいて操舵部材２に加えられた操舵トルクを算出する。そして、算出した操舵トルクや車速センサ２２からの車速検出信号等に基づいて、ドライバ１８を介して操舵補助用の電動モータ１９を駆動制御する。これにより、電動モータ１９が駆動し、その出力回転（動力）が、ウォームギヤ機構２０を介して第２の操舵軸１４へ伝達される。第２の操舵軸１４に伝えられた動力は、さらに中間軸５等を介して、上記ラック軸１０、タイロッド１１およびナックルアーム等を含む操舵機構２１に伝えられ、運転者の操舵が補助される。

図２は、電動パワーステアリング装置１の要部の一部断面図である。図２を参照して、本電動パワーステアリング装置１には、ハウジング２３が設けられている。このハウジング２３は、電動モータ１９を取り付けると共に、ウォームギヤ機構２０を収容している。
電動モータ１９は、モータハウジング２４と、モータハウジング２４から突出する出力軸２５とを有している。モータハウジング２４は、ハウジング２３の環状フランジ部２６に固定されている。

ウォームギヤ機構２０は、ウォーム軸２７と、ウォームホイール２８とを備えている。
ウォーム軸２７は、スプライン継手等の継手２９を介して電動モータ１９の出力軸２５に一体回転可能に連結されている。ウォーム軸２７は、歯部３０と、歯部３０の一対の端部のそれぞれに設けられる第１および第２の被支持部３１，３２と、第１の被支持部３１に連なる一端部３３とを備えている。

歯部３０は、複数条（例えば、３条）の歯からなる歯３４を備えている。第１および第２の被支持部３１，３２はそれぞれ、対応する軸受３５，３６を介して、ハウジング２３の対応する支持孔３７，３８に回転自在に支持されている。一端部３３は、継手２９に連結されている。
ウォームホイール２８は、第２の操舵軸１４等を介して操舵機構に連結されているものであり、合成樹脂製の環状歯体３９と、環状歯体３９の径方向内方に配置される金属製の環状保持体４０とを含んでいる。

環状歯体３９は、外周に複数の歯４１を有している。これらの歯４１は、環状歯体３９の全周に亘って形成されており、噛み合い領域Ａにおいてウォーム軸２７の歯３４と噛み合っている。各歯４１は、例えばはすばに形成されている。
環状保持体４０は、環状歯体３９の成形時にインサートされるものであり、環状歯体３９と一体に形成されている。環状保持体４０には、挿通孔４２が形成されており、この挿通孔４２に挿通された第２の操舵軸１４と、キー４３を介して一体回転可能に連結されている。具体的には、第２の操舵軸１４の外周面と環状保持体４０の挿通孔４２の内周面のそれぞれに、凹溝４４，４５が設けられている。凹溝４４，４５は、第２の操舵軸１４の軸方向（図２において、紙面に垂直な方向）に延びると共に、ウォームホイール２８の径方向Ｒ（以下、単に「径方向Ｒ」という）に相対向している。

キー４３は、上記凹溝４４，４５間に介在しており、第２の操舵軸１４の凹溝４４に嵌め込まれて保持されている。環状保持体４０の凹溝４５とキー４３との間には、ウォームホイール２８の周方向Ｃ（以下、単に「周方向Ｃ」という。）および径方向Ｒに隙間が設けられている。
また、第２の操舵軸１４の外周面と環状保持体４０の内周面との間には、隙間が設けられており、この隙間には弾性部材４６が介装されている。弾性部材４６は、例えば、ゴム等により形成された有端環状の部材であり、キー４３を周方向Ｃの両側から挟んでいる。弾性部材４６の外周面および内周面が、対応する環状保持体４０の内周面および第２の操舵軸１４の外周面のそれぞれに加硫接着されている。このように、ウォームホイール２８は、弾性部材４６を介して第２の操舵軸１４に支持されている。これにより、ウォームホイール２８は、第２の操舵軸１４およびウォーム軸２７に対して、周方向Ｃおよび径方向Ｒに弾性的に僅かに相対移動可能となっている。したがって、ウォームホイール２８は、ウォーム軸２７から離れる方向に移動することができる。その結果、例えば、組み付け誤差に起因して第２の操舵軸１４とウォーム軸２７との軸間距離が近くなりすぎても、ウォームホイール２８が移動することで、ウォーム軸２７とウォームホイール２８との間のバックラッシが過度に詰まることを防止でき、フリクションの増大を抑制することができる。

また、ウォームギヤ機構２０の組み付け時において、第２の操舵軸１４の凹溝４４と環状保持体４０の凹溝４５とは、噛み合い方向Ｖに相対向して配置されており、噛み合い領域Ａとウォームホイール２８（第２の操舵軸１４）の中心との間にキー４３が介在している。なお、噛み合い方向Ｖとは、ウォーム軸２７の軸線Ｌ１とウォームホイール２８の軸線Ｌ２（紙面に垂直な方向に延びている）との間の距離Ｘが変化する方向のことをいう。

図３は、図２のウォームホイール２８の一部拡大図である。図３を参照して、ウォームホイール２８の周方向Ｃに隣り合う歯４１間のそれぞれに複数の歯溝４７が区画形成されている。すなわち、複数の歯溝４７は、対応する一対の歯３４の周方向Ｃに相対向する一対の歯面と、これら一対の歯面間にある歯底面とによってそれぞれ区画形成されている。
複数の歯溝４７は、周方向Ｃに沿って等ピッチに配置されている。すなわち、複数の歯溝４７のそれぞれの幅中心Ｂが、周方向Ｃに等ピッチで配置されている。なお、幅中心Ｂとは、周方向Ｃに関する複数の歯溝４７のそれぞれの中心の位置をいう。隣り合う幅中心Ｂ間の距離は、所定の値Ｅに設定されている。

図４は、図２のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図であり、周方向Ｃに沿って見た状態を示している。図４を参照して、噛み合い領域Ａにおいて、ウォーム軸２７の歯３４の各条は、ウォームホイール２８の対応する歯溝４７を通っている。すなわち、噛み合い領域Ａにおいて、ウォームホイール２８の歯４１は、ウォーム軸２７の３枚の歯３４と噛み合うことができるようになっている。

複数の歯溝４７は、第１および第２の歯溝４８，４９を含んでいる。第１および第２の歯溝４８，４９は、周方向Ｃに交互に配置されている。第１の歯溝４８の幅Ｗ１は、第２の歯溝４９の幅Ｗ２よりも広く（Ｗ１＞Ｗ２）されている。なお、第１の歯溝４８の幅Ｗ１とは、第１の歯溝４８の周方向Ｃの幅をいい、第２の歯溝４９の幅Ｗ２とは、第２の歯溝４９の周方向Ｃの幅をいう。

第１の歯溝４８の幅Ｗ１は、ウォーム軸２７の歯３４の周方向Ｃの歯厚Ｗ３よりも広く（Ｗ１＞Ｗ３）設定されている。これにより、第１の歯溝４８を通るウォーム軸２７の歯３４と、この歯３４の周方向Ｃの両側にある歯４１との間にバックラッシＦが設けられている。
第２の歯溝４９の幅Ｗ２は、ウォーム軸２７の歯厚Ｗ３と概ね等しく（Ｗ２≒Ｗ３）されている。これにより、第２の歯溝４９を通るウォーム軸２７の歯３４とこの歯３４の周方向Ｃの両側にある歯４１とは隙間無く噛み合うようになっている。

第１および第２の歯溝４８，４９は、歯４１を形成するためのホブカッターのカッター幅を変更すること等により製造することができる。例えば、図５（Ａ）に示すように、まず、第２の歯溝４９からなる歯溝を有する製造中間体５０を形成し、次に、第２の歯溝４９Ａの両側にある歯１００の相対向する歯面をそれぞれ同量だけ切削することで、図５（Ｂ）に示すように、第１の歯溝４８を形成することができる（切削前の歯面を２点鎖線で図示）。

以上が電動パワーステアリング装置１の概略構成である。次に、この装置の主な動作について説明する。
図４を参照して、車両の直進走行時（操舵部材２が操舵中立位置にあるとき）、噛み合い領域Ａにおいて、ウォーム軸２７は、１枚の歯３４が第２の歯溝４９に入って、ウォームホイール２８の対応する一対の歯４１とバックラッシ無しに噛み合っている。また、残りの２枚の歯３４はそれぞれ、対応する第１の歯溝４８に入っているが、バックラッシＦがあるので、ウォームホイール２８の歯４１に噛み合っていない。

そして、車両の操向時、ウォーム軸２７は、電動モータ１９の出力によって、操舵部材２の回転方向に対応する方向に回転駆動され、ウォーム軸２７からウォームホイール２８に動力が伝達される。これにより、図６に示すように、ウォーム軸２７の上記１枚の歯３４は、ウォームホイール２８の対応する歯４１を、周方向Ｃの一方（例えば、図６の右側）に押圧して弾性的に撓ませ、その結果、噛み合い領域Ａの３枚の歯３４が、ウォームホイール２８の対応する歯４１にそれぞれ噛み合う。

また、操舵初期時（微小操舵時）において、操舵部材２からの操舵トルクが所定のしきい値以下であり、電動モータによるトルクアシストが行われないことがあるが、このとき、ウォーム軸２７は、１枚の歯３４のみが、ウォームホイール２８の対応する歯４１に噛み合っているので、フリクションが低く、軽快な操舵感を実現することができる。
しかも、図２に示すように、第２の操舵軸１４とウォームホイール２８とは、弾性部材４６が介装されて弾性的に相対回転可能となっているので、操舵初期時（微小操舵時）において、操舵部材２の操作に伴い第２の操舵軸１４が回転しても、ウォームホイール２８、ウォーム軸２７および電動モータ１９の出力軸２５が連れ回りされることを防止できる。その結果、操舵感が重くなることを防止して、より軽快な操舵感を実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、広幅の第１の歯溝４８と狭幅の第２の歯溝４９とを周方向Ｃに交互に設けることにより、直進走行時において、ウォームホイール２８に噛み合うウォーム軸２７の歯３４の枚数を１枚に減らすことができる。したがって、ウォーム軸２７とウォームホイール２８との間のバックラッシを小さく設定しても、フリクションの増加を抑制することができる。可及的にバックラッシを小さく設定することが可能となり、歯打ち音による騒音の発生を抑制することができる。

一方、操舵時には、電動モータ１９の動力によって、噛み合い領域Ａに予圧が与えられるので、ウォーム軸２７の３枚の歯３４がウォームホイール２８の歯４１と噛み合うこととなり、耐久性に問題はない。しかも、これらの効果をウォームホイール２８の歯溝４７の幅を変更するのみの簡単な構成で達成することができ、部品点数の増大および装置の大型化を招くことがない。

また、ウォームホイール２８の各歯４１を合成樹脂により形成することで、ウォームホイール２８の各歯４１の歯面の摩擦抵抗を十分に低くすることができ、ウォーム軸２７とのフリクションをより低減することができる。また、ウォーム軸２７の歯３４と弾性的に良好に噛み合うことができ、歯打ち音の発生をより確実に抑制することができる。
さらに、ウォーム軸２７の歯３４を複数条の歯にしているので、ウォーム軸２７のリードをより多くしてウォームホイール２８の回転速度を十分に確保でき、優れた応答性を確保することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されない。例えば、ウォームホイール２８の複数の歯４１はそれぞれ、合成樹脂以外の（例えば、金属）材料により形成されていても良い。また、ウォーム軸２７の歯３４は、１条でも２条でも４条以上でも良い。
また、弾性部材４６を、第２の操舵軸１４とウォームホイール２８との間の隙間に、加硫接着せずに嵌め合わせる構成でも良い。この場合、装置を例えば、以下のようにして製造することができる。すなわち、まず、第２の操舵軸１４と製造中間体５０を用意する。そして、これら第２の操舵軸１４と製造中間体５０との間に、弾性部材４６と同様の形状のスペーサを取り付けて、第２の操舵軸１４と製造中間体５０とを仮組みする。そして、仮組みした状態で製造中間体５０に歯切り加工を施してウォームホイール２８を形成し、その後にスペーサを取り除いて弾性部材４６を取り付ける。この場合、装置の製造時に弾性部材４６に不要な負荷が作用することを防止することができる。

さらに、キー４３および弾性部材４６を廃止して、第２の操舵軸１４とウォームホイール２８とを圧入嵌合させても良い。

本発明の一実施の形態の電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 電動パワーステアリング装置の要部の一部断面図である。 図２のウォームホイールの一部拡大図である。 図２のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 ウォームホイールの製造について説明するための図であり、（Ａ）はウォームホイールの製造中間体の一部断面側面図であり、（Ｂ）はウォームホイールの一部断面側面図である。 電動パワーステアリング装置の動作について説明するための要部の一部断面図である。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
１９ 電動モータ
２１ 操舵機構
２５ 出力軸
２７ ウォーム軸
２８ ウォームホイール
３４ （ウォーム軸の）歯
４１ （ウォームホイールの）歯
４７ 歯溝
４８ 第１の歯溝
４９ 第２の歯溝
Ｂ 幅中心
Ｃ 周方向
Ｗ１ （第１の歯溝の）幅
Ｗ２ （第２の歯溝の）幅

Claims (3)

1. 電動モータの出力を操舵機構に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置において、
   電動モータの出力軸に連結されるウォーム軸と、
   ウォーム軸に噛み合い操舵機構に連なるウォームホイールとを備え、
   上記ウォームホイールは、複数の歯と、互いに隣り合う歯間にそれぞれ区画形成される複数の歯溝とを含み、
   上記複数の歯溝の幅中心は、ウォームホイールの周方向に等ピッチで配置され、
   上記複数の歯溝は、ウォームホイールの周方向に交互に配置される第１および第２の歯溝を含み、第１の歯溝の幅は、上記ウォームホイールの歯の歯すじ方向の全域において第２の歯溝の幅よりも広く、
   上記電動モータが駆動していないとき、第２の歯溝に入っているウォーム軸の歯はウォームホイールの歯に噛み合い、且つ、第１の歯溝に入っているウォーム軸の歯はウォームホイールの歯に噛み合わず、
   上記電動モータが駆動することにより、第２の歯溝に入っているウォーム軸の歯がウォームホイールの歯を弾性的に撓ませ、これにより、第１の歯溝に入っているウォーム軸の歯がウォームホイールの歯に噛み合い得ることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 請求項１において、上記ウォームホイールの複数の歯は、それぞれ合成樹脂により形成されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
3. 請求項１または２において、上記ウォーム軸は、複数条の歯を有する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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