JP4699201B2 - ウォーム歯車 - Google Patents

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本発明は、ウォーム歯車に関する。
従来、特許文献1に開示されるウォームシャフトはニーマンウォームと呼ばれ、歯型が円弧形状である。このウォームシャフトに噛合うウォームホイールの歯幅を大きくとることができるためウォームホイールの強度を向上させることができる。
実開平4−56250号公報
しかしながらこのニーマンタイプのウォームは形状が複雑であり、歯車の噛合い性能を満足する製品を製造するためには非常に高い加工精度が必要になる、という問題があった。
本発明は上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、加工精度を上げずとも噛合い性能を満足させたニーマンタイプのウォーム歯車を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明では、歯型が凹円弧状を有するウォームシャフトと、歯型が前記凹円弧状に対応する凸円弧状を有し、この歯型を形成する切削加工の範囲の曲率半径が前記ウォームシャフトとの噛合い領域の曲率半径よりも大きいウォームホイールとを備え、前記歯型が凸円弧状のウォームホイールの歯型を形成する切削加工の範囲の曲率半径と前記ウォームシャフトとの噛合い領域の曲率半径との半径比を第1の半径比とし、この第1の半径比の変化に対する前記ウォームホイールに対する前記ウォームシャフトの軸方向位置ずれ誤差の最大許容量の変化の関係を第1の特性線とし、歯型が直線状のウォームホイールの歯型を形成する切削加工の範囲の曲率半径と、歯型が直線状のウォームシャフトとの噛合い領域の曲率半径との半径比を第2の半径比とし、この第2の半径比の変化に対する前記ウォームホイールに対する前記ウォームシャフトの軸方向位置ずれ誤差の最大許容量の変化の関係を第2の特性線とし、前記第1の特性線と前記第2の特性線は交点を有し、前記第1の半径比を、前記交点よりも前記軸方向位置ずれ誤差の最大許容量が大きい領域に設けた。
よって、加工精度を上げずとも噛合い性能を満足させたニーマンタイプのウォーム歯車を提供できる。
以下、本発明のウォーム歯車およびその製造方法を実現する最良の形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。
[本願ウォーム歯車を適用した電動パワーステアリング装置の全体構成]
実施例1につき図1ないし図20に基づき説明する。図1は本願ウォーム歯車を適用した電動パワーステアリング装置の全体構成を示す斜視図である。電動パワーステアリング装置は、トルクセンサ9、モータハウジング6、ウォームハウジング7、モータ20を有する。入力軸1の軸方向をx軸とし、ピニオン軸2と反対方向を正とする。
トルクセンサハウジング5内には入力軸1が設けられ、ウォームハウジング7内にはピニオン軸2が設けられている。モータハウジング6内には、ブラシレスタイプのモータ20が収装され、入力軸1及びピニオン軸2に対し径方向から組み付けられている。なお、モータ20はブラシレスタイプでなくともよい。
[軸方向断面図]
図2は、電動パワーステアリング装置の軸方向断面図である。入力軸1とピニオン軸2はトーションバー3により一体とされ、ピニオン軸2にはウォームホイール100が組み付き、x軸正方向からウォームハウジング7に格納されている。また、ウォームハウジング7にはモータハウジング6が組み付けられている。
ウォームシャフト200はウォームホイール100と噛合し、ウォームシャフト200はモータ20の出力軸と一体構成されている。入力軸1は、トルクセンサハウジング5に支持されるとともに、ピニオン軸2の端部によって相対回転可能に支持される。
トルクセンサハウジング5の内周にはトルクセンサ9が格納され、運転者の操舵によりトーションバー3が捩れ、入力軸1とピニオン軸2が相対回転すると、トルクセンサ信号を出力する構成となっている。
ピニオン軸2はウォームハウジング7に支持され、外周にはウォームホイール100が設けられてモータ20に接続されたウォームシャフト200と噛合わされる。
図3は電動パワーステアリング装置の径方向断面図である。制御回路基板4はマイクロコンピュータを有し、各種車両信号、トルクセンサ9、モータ20の制御回路を一体とした回路基板である。また、制御回路基板4におけるx軸負方向側であって、ウォームシャフト200と軸方向に重なる位置には、磁気によりモータ20の回転角を検出する回転角度センサ8が設けられている。この回転角度センサ8は、磁性体であるウォームシャフト200の歯形状の位置を検出することでモータ20の回転角を検出する。
[ウォームシャフトの詳細]
図4はウォームシャフト200の径方向正面図、図5はウォームシャフト200の歯部210におけるC−C断面図(歯部210に対する直角方向断面図)、図6は従来例のウォームシャフトの歯部210'に対する直角方向断面図である。
歯部210はいわゆるニーマンウォームであり、歯部210の直角方向断面における歯面形状は半径Rの凹円弧形状である。一方、従来例の歯部210'は直線形状である。したがって同一ピッチであれば、従来例よりも本願の歯部210のほうが歯元幅Sfは大きく、歯先幅Saは小さいこととなる。
また、ウォームシャフト200は塑性加工により表面仕上げされる。噛合い時にウォームホイール100側を傷つけないよう、表面を滑らかにするものである。
[ウォームホイールの詳細]
(正面図及び断面図)
図7はウォームホイール100の正面図、図8はウォームホイール100のA−O−B断面図、図9は歯部101のD−D断面図である。ウォームホイール100は金属歯車である芯金110にナイロン系樹脂の被覆部120を施された歯車であり、被覆部120は芯金110の歯部全周にわたって被覆されている。芯金110は切削により形成してもよいし、焼結により形成してもよい。
このウォームホイール100の歯部101、はニーマン形状であるウォームシャフト歯部210の凹円弧形状に対応する凸円弧形状の歯型を有する。これにより、ウォームホイール100とウォームシャフト200とでニーマンウォームを形成する。また、被覆部120はガラス繊維等の強化繊維を含まない樹脂材料で形成される。
噛合い時において弾性変形するとともに熱膨張してバックラッシュを減少させるとともに、強化繊維によりウォームシャフト200表面を傷つけないよう設けられている。また、凸円弧形状とすることで歯部101の歯厚が大きくなるため、ウォームホイール100の強度が増す(図10参照)。そのため、被覆部120に強化繊維を混入させなくとも十分な強度を確保可能である。
また、芯金110は、歯部101の歯底よりも歯先方向に延設された歯芯部111を有する。歯部101の内部まで熱伝達性能に優れた金属材料で形成された芯金110を延設することにより、歯部周辺に発生する熱を効率よく放熱するものである。
[ウォームの噛合い]
図11、図12は噛合い時における軸方向拡大断面図である。図11はウォームシャフト200の軸方向、図12はウォームホイール100の軸方向における断面図である。
ニーマンウォームであるため、噛合い時におけるウォームホイール100の歯部101とウォームシャフト200の歯部210との接触面積は、従来例よりも広く、したがって同一トルク伝達時における面圧は従来例よりも低くなっている。そのためウォームホイール100の被覆部120に強化繊維を混入させる必要がない。
ウォームホイール100の歯型を形成する切削加工の範囲の曲率半径をRとする。また、ウォームシャフト200の歯部210の外径曲率半径をrとする。ウォームホイール100とウォームシャフト200との噛合い領域Dの曲率半径は、ウォームシャフト200の外径曲率半径rとなる。
ここで、本願のウォームホイール100およびウォームシャフト200では、R>rの関係にある。したがって、曲率半径の大きいウォームホイール100には高度な加工精度を要求する必要がない。これにより、ウォームホイール100を低い加工精度で形成したとしても噛合い性能を満足させるものである。
また、ウォームシャフト200の歯部210は凹円弧形状であるため、歯部210の歯先211の厚みは小さい。したがって、噛合い時にウォームホイール100に対しウォームシャフト200がねじれたとしてもウォームシャフト歯先211とウォームホイール凹部102とのこじれが少なくなり、摺動抵抗が減少して伝達ロスが低減される。
[従来例と本願におけるウォームシャフト加工工程の対比]
図13は従来例と本願におけるウォームシャフト200'、200の加工工程の対比を示す図である。
(切削工程)
従来例、本願ともに切削加工により歯溝212、212'を形成する。
(仕上げ工程)
本願では、切削工程の後、熱処理を行うことなく仕上げ工程を行う。本願ではローラバニッシング等を用いて表面仕上げを行う。一方、従来例では切削の後熱処理(浸炭焼入れ)を行って表面を硬化させた後、研削によって仕上げを行う。
本願ではウォームホイール100とウォームシャフト200との接触面における面圧が低いため、ウォームシャフト200にかかる負荷が小さい。したがって熱処理を省略したとしても十分な強度が確保されるため、熱処理を省略する。従来例のように熱処理を施した場合必然的に研削仕上げを行う必要があるが、本願では熱処理を行わないため研削加工をも省略可能である。
[噛合い誤差における対比]
図14はウォームギヤの斜視図である。ウォームホイールの径方向に対するウォームシャフトの軸の噛合角をθとし、ウォームホイールの径方向とウォームシャフトの軸方向が一致する位置をθ=0°とする。また、ウォームホイールに対するウォームシャフトの軸方向位置をyとし、ウォームホイールの歯とウォームシャフトの歯がずれなく噛合っている位置をy=0とする。
(噛合い角誤差における対比)
図15、図16はそれぞれニーマン歯型、従来歯型における噛合角θと伝達トルク損失の関係を示す図である。ウォームホイールの半径の大、小の場合をそれぞれ示す。また、図17はウォームホイール切削加工の範囲の曲率半径Rとウォームシャフトの外径半径rの比R/rと許容最大噛合角θmaxとの関係である。
本願ではウォームシャフト200の歯部210は凹円弧形状であるため、歯部210の歯先211の厚みは小さく、ウォームシャフト歯先211とウォームホイール凹部102とのこじれが少ない。したがって本願では伝達トルク損失が小さい領域が従来例に比べ大きく、噛合い誤差が多少大きい場合であっても伝達トルク損失は小さい。
また図17に示すように、従来例に比べ本願では噛合角θの許容範囲が大きい。これは、半径比R/rと許容最大噛合角θmaxとの関係では、ニーマン歯型と従来歯型の特性線が交差せず、ニーマン歯型の特性線は常に従来歯型の特性線よりも許容最大噛合角θmaxが大きい領域に存在するためである。
(噛合い位置誤差における対比)
図18、図19はそれぞれニーマン歯型、従来歯型における噛合い位置yと伝達トルク損失の関係を示す図である。ウォームホイールの半径の大、小の場合をそれぞれ示す。また、図20はウォームホイール切削加工の範囲の曲率半径Rとウォームシャフトの外径半径rの比R/rと許容最大位置誤差ymaxとの関係である。
図18、図19に示すように、位置ずれ量yにおいては、ニーマン歯型は従来歯型に比べ必ずしも有利ではない。すなわち、切削加工範囲の曲率半径Rが大きければニーマン歯型のほうが伝達トルク損失小の領域は大きいが、Rが小さければ従来歯型のほうが有利である。これは、図20に示すように、半径比R/rと許容最大位置誤差ymaxとの関係では、ニーマン歯型と従来歯型の特性線が交点αにおいて交差するためである。
したがって本願実施例では、半径比R/rを交点αにおける半径比R/r(α)よりも大きく設ける。具体的には、本願の半径比R/r=5/3である。すなわち、R/r=5/3とすることで本願ウォームギヤ100,200の特性線を、常に従来例の特性線よりも許容最大位置誤差ymaxが大きい領域に存在させ、ニーマン歯型の有利な領域のみを使用することで位置ずれ誤差に対しても有利な特性を得るものである。
[本願実施例の効果]
本願実施例では、歯型が凹円弧状を有するウォームシャフトと、歯型が前記凹円弧状に対応する凸円弧状を有し、この歯型を形成する切削加工の範囲の曲率半径が前記ウォームシャフトとの噛合い領域の曲率半径よりも大きいウォームホイールとを備え、前記歯型が凸円弧状のウォームホイールの歯型を形成する切削加工の範囲の曲率半径と前記ウォームシャフトとの噛合い領域の曲率半径との半径比を第1の半径比とし、この第1の半径比の変化に対する前記ウォームホイールに対する前記ウォームシャフトの軸方向位置ずれ誤差の最大許容量の変化の関係を第1の特性線とし、歯型が直線状のウォームホイールの歯型を形成する切削加工の範囲の曲率半径と、歯型が直線状のウォームシャフトとの噛合い領域の曲率半径との半径比を第2の半径比とし、この第2の半径比の変化に対する前記ウォームホイールに対する前記ウォームシャフトの軸方向位置ずれ誤差の最大許容量の変化の関係を第2の特性線とし、前記第1の特性線と前記第2の特性線は交点を有し、前記第1の半径比を、前記交点よりも前記軸方向位置ずれ誤差の最大許容量が大きい領域に設けた。
これにより、ウォームホイール100を低い加工精度で形成したとしても噛合い性能を満足させることができる。
(他の実施例)
以上、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明してきたが、本発明の具体的な構成は実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
さらに、上記各実施例から把握しうる請求項以外の技術的思想について、以下にその効果とともに記載する。
(イ) 請求項1に記載のウォーム歯車において、
前記ウォームシャフトは金属材料によって形成され、
前記ウォームホイールは樹脂材料によって形成されること
を特徴とするウォーム歯車。
温度の上昇により樹脂材料で形成されたウォームホイールが膨張し、ウォームシャフトとのバックラッシュを防止することができる。
(ロ) 請求項1に記載のウォーム歯車において、
前記ウォームホイールは金属材料によって形成された芯金と、
この芯金の外周側に設けられ、樹脂材料によって形成されて前記ウォームシャフトと噛合う歯型を有する歯部と
から構成され、
前記芯金は、前記歯部の歯底よりも歯先方向に延設された芯金を有すること
を特徴とするウォーム歯車。
歯の内部まで熱伝達性能に優れた金属材料で形成された芯金を延設することにより、歯部周辺に発生する熱を効率よく放熱することができる。
(ハ)請求項1に記載のウォーム歯車において、
前記ウォームホイールは、強化繊維を含まない樹脂材料によって形成されること
を特徴とするウォーム歯車。
強化繊維によってウォームシャフト表面を傷つけることがなく、またウォームホイールの歯型を凸円弧形状とすることにより、強化繊維を含まない樹脂材料であっても十分な強度を確保することができる。
(ニ)請求項1に記載のウォーム歯車において、
前記ウォームシャフトは、塑性加工により表面仕上げされること
を特徴とするウォーム歯車。
ウォームシャフト表面を滑らかにすることにより、ウォームホイール側を傷つけることがない。
(ホ)請求項1に記載のウォーム歯車において、
前記切削加工の範囲の曲率半径と前記ウォームホイールとウォームシャフトとの噛合い領域の曲率半径は、約5対3であること
を特徴とするウォーム歯車。
両者の比率を上記のように設定することにより、低い加工精度でも噛合い性能を満足させた歯車を提供できる。
(ヘ)転舵輪に連係された操舵機構に操舵アシスト力を付与する電動モータと、
前記電動モータを駆動制御する電動機制御手段と、
前記電動モータの出力軸に設けられ、歯型が凹円弧形状を有するウォームシャフトと、
前記操舵機構に設けられ、前記ウォームシャフトと噛合うことにより前記電動モータの操舵アシスト力を前記操舵機構に伝達し、歯型が前記凹円弧形状に対応する凸円弧形状を有し、この歯型を形成する切削加工の範囲の曲率半径が前記ウォームシャフトとの噛合い領域の曲率半径よりも大きいウォームホイールと
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。
ウォームホイールの歯型を凸円弧形状とすることにより、強度を確保することができる。また、低い加工精度でもウォームシャフトとウォームホイールの噛合い性能を満足することができる。
本願ウォーム歯車を適用した電動パワーステアリング装置の斜視図である。 電動パワーステアリング装置の軸方向断面図である。 電動パワーステアリング装置の径方向断面図である。 ウォームシャフトの径方向正面図である。 ウォームシャフトの歯部におけるC−C断面図である。 従来例のウォームシャフトの歯部における直角方向断面図である。 ウォームホイールの正面図である。 ウォームホイールのA−O−B断面図である。 歯部のD−D断面図である。 従来例と本願ウォームホイールの降伏強度の対比図である。 噛合い時におけるウォームシャフトの軸方向拡大断面図である。 噛合い時におけるウォームホイールの軸方向拡大断面図である。 従来例と本願におけるウォームシャフトの加工工程の対比図である。 ウォームギヤの斜視図である。 ニーマン歯型における噛合角と伝達トルク損失の関係である。 従来歯型における噛合角と伝達トルク損失の関係である。 ウォームホイール切削加工の範囲の曲率半径Rとウォームシャフトの外径半径rの比R/rと許容最大噛合角θmaxとの関係である。 ニーマン歯型における噛合い位置yと伝達トルク損失の関係である。 従来歯型における噛合い位置yと伝達トルク損失の関係である。 ウォームホイール切削加工の範囲の曲率半径Rとウォームシャフトの外径半径rの比R/rと許容最大位置誤差ymaxとの関係である。
符号の説明
1 入力軸
2 ピニオン軸
3 トーションバー
4 制御回路基板
5 トルクセンサハウジング
6 モータハウジング
7 ウォームハウジング
8 回転角度センサ
9 トルクセンサ
20 モータ
100 ウォームホイール
101 歯部
102 凹部
110 芯金
111 歯芯部
120 被覆部
200 ウォームシャフト
210 歯部
210 歯溝
212 歯先

Claims (1)

  1. 歯型が凹円弧状を有するウォームシャフトと、
    歯型が前記凹円弧状に対応する凸円弧状を有し、この歯型を形成する切削加工の範囲の曲率半径が前記ウォームシャフトとの噛合い領域の曲率半径よりも大きいウォームホイールと
    を備え、
    前記歯型が凸円弧状のウォームホイールの歯型を形成する切削加工の範囲の曲率半径と前記歯型が凹円弧状のウォームシャフトとの噛合い領域の曲率半径との半径比を第1の半径比とし、この第1の半径比の変化に対する前記歯型が凸円弧状のウォームホイールに対する前記歯型が凹円弧状のウォームシャフトの軸方向位置ずれ誤差の最大許容量の変化の関係を第1の特性線とし、
    歯型が直線状のウォームホイールの歯型を形成する切削加工の範囲の曲率半径と、歯型が直線状のウォームシャフトとの噛合い領域の曲率半径との半径比を第2の半径比とし、この第2の半径比の変化に対する前記歯型が直線状のウォームホイールに対する前記歯型が直線状のウォームシャフトの軸方向位置ずれ誤差の最大許容量の変化の関係を第2の特性線とし、
    前記第1の特性線と前記第2の特性線は交点を有し、
    前記第1の半径比を、前記交点よりも前記軸方向位置ずれ誤差の最大許容量が大きい領域に設けたこと
    を特徴とするウォーム歯車。
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