JP4703479B2 - ウォーム減速機及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウォームとウォームホイールとを備えたウォーム減速機及びこのウォーム減速機を用いた電動パワーステアリング装置に関する。

ウォームとウォームホイールとを備えたウォーム減速機では、噛み合い効率の点から、ウォームの進み角とウォームホイールの進み角とを一致させるように噛み合いさせることに努力が払われているが、ウォームやウォームホイール、及び両者の軸を受けるウォーム減速機の軸受部の加工精度、ばらつきのために、理想的な噛み合いを得ることが困難な事があり、改善が望まれていた。

この問題への対策として、ウォームやウォームホイールの組み付け精度を向上させるようにしていたが、余分な組立工数を擁していた。

一方、ウォーム減速機におけるウォームの進み角とウォームホイールの進み角との関係を調整して、噛み合いの向上を図ることを目的とするウォーム減速機としては、特許文献１に記載されたものがある。

しかしながら、この特許文献１は、複リードのウォームに関するものであり、また、ウォームとウォームホイールの歯面の両面を用いるような場合に、どちらの場合にも噛み合い効率を低下させないことを目的とするものであり、上記のような噛み合い効率確保のための加工精度及び組み付け精度の問題を解決しようとするものではなかった。
特開２００２−２１９４４号公報（図２）

本発明は、上記問題を改善しようとするもので、加工に高精度が不要で組立が容易でありながら、ウォームとウォームホイールとの良好な噛み合いを得ることができるウォーム減速機、この減速機を用いた電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。

本発明のウォーム減速機は、ウォームとウォームホイールとを備えたウォーム減速機であって、前記ウォームに対する前記ウォームホイールの軸交差角を、直交から所定値だけずらせることで、
前記ウォームの実効進み角が前記ウォームホイールの実効進み角に比べて噛み合い許容範囲内で大きい状態で、前記ウォームと前記ウォームホイールとが噛み合うようにしたことを特徴とする。

本発明の電動パワーステアリング装置は、このウォーム減速機が操舵出力軸の駆動に用いられていることを特徴とする。

本発明のウォーム減速機によれば、ウォームとウォームホイールとを備えたウォーム減速機であって、前記ウォームの実効進み角が前記ウォームホイールの実効進み角に比べて噛み合い許容範囲内で大きい状態で、前記ウォームと前記ウォームホイールとが噛み合うようにしたので、加工に高精度が不要で組立が容易でありながら、ウォームとウォームホイールとの良好な噛み合いを得ることができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、このウォーム減速機が操舵出力軸の駆動に用いられているので、かかる減速機の効果を、電動パワーステアリング装置として発揮する。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１（ａ）、（ｂ）は、本発明のウォーム減速機におけるウォームとウォームホイールとの進み角の関係を例示する図である。

図１（ａ）のウォーム減速機５は、ウォーム１とウォームホイール２とを備え、これらの噛み合いにより、減速機、特に、ウォーム１が原動側として左右両方向に回転すると共に、ウォーム１が被動側としてウォームホイール２より駆動されて左右両方向に回転する場合もあるような、例えば、電動パワーステアリング装置用の減速機として用いられるものである。

ウォーム１の歯山頂部を符号１ａ、ウォームホイール２の歯山頂部を符号２ａで示し、ウォーム１については、図において、裏面側の歯山頂部１ａを点線で示している。

ここで、図中に種々の符号を示しているが以下の意味である。つまり、
ΓＷ：ウォームの実効進み角（ウォームホイールの設計回転中心軸ＳＨを基準とした進み角）、
ΓＨ：ウォームホイールの実効進み角（ウォームホイールの設計回転中心軸ＳＨを基準とした進み角）、
γｗ′：ウォームの進み角（設計進み角）、
γｈ′：ウォームホイールの進み角（設計進み角）、
γｗ：ウォームの目標進み角（仕様進み角）、
γｈ：ウォームホイールの目標進み角（仕様進み角）、
Θ：軸交差角（設計軸交差角）、θ：目標軸交差角（仕様軸交差角）、
ｓｗ：ウォームの回転中心軸、ＳＷ：ウォームの設計回転中心軸、
ＳＷＬ：ウォームの設計回転中心軸への直交軸、
ｓｈ：ウォームホイールの回転中心軸、ＳＨ：ウォームホイールの設計回転中心軸、
ＴＷ：ウォームの歯筋線、ＴＨ：ウォームホイールの歯筋線、
α：目標軸交差角θからの設計軸交差角Θのずれ角、
β：ウォームの目標進み角γｗからの設計進み角γｗ′のずれ角、という意味である。

このウォーム減速機５においては、図１（ａ）に示すように、ウォーム１、ウォームホイール２の進み角は、それぞれの目標進み角（仕様進み角）γｗ、γｈで製造されている。

つまり、これらのウォーム１、ウォームホイール２は、通常の一般のウォーム、ウォームホイールと同じものでり、目標進み角＝仕様進み角とは、通常の一般のウォーム、ウォームホイールに求められる進み角をいう。

一方、ウォーム１の設計回転中心軸ＳＷは、ウォームホイール２の回転中心軸ｓｈに対して、目標軸交差角（仕様軸交差角）θに比べて、この交差角θを大きくする方向に、角度αだけずれており、結果、この減速機５における軸交差角（設計軸交差角）Θは、「Θ＝θ＋α」を満たすものとなっている。

このずれの角度αは、ウォーム１とウォームホイール２とが噛み合い状態を維持できる許容範囲内で設定されるものである。

ここで、設計回転中心軸ＳＨとは、本発明の目的を達成するために、意図的に、設計上設定された向き（ウォームホイールの回転中心軸との交差角度）の回転中心軸をいう。なお、以下でも、「設計」という場合は、そのような意味合いである。一方、単に、「回転中心軸」という場合は、通常の意味合いのものをさす。

本発明においては、このような軸交差角Θで交差して噛み合うウォーム１とウォームホイール２に関して、その実効進み角ΓＷ、ΓＨを、図中に示すように、ウォームホイール２の設計回転中心軸ＳＨ（この場合は、回転中心軸ｓｈと一致している。）に対するウォーム１の歯筋線ＴＷ、ウォームホイール２の歯筋線ＴＨの時計回り方向の傾斜角とする。

ここで、ウォーム１の歯筋線ＴＷとは、ウォーム１の歯山頂部１ａの進み方向に平行な線、つまり、ウォーム１の進み方向を模式的に示すものであり、この図１（ａ）では、双方の実効進み角ΓＷ、ΓＨの関係がより良く解るように、ウォームホイール２と噛み合う側、つまり、図では、点線で示した部分の歯山頂部１ａの進み方向を示すものである。

また、ウォームホイール２の歯筋線ＴＨとは、ウォームホイール２の歯山頂部２ａの進み方向に平行な線、つまり、ウォームホイール２の進み方向を模式的に示すものである。

また、図１（ａ）に示したように、ウォーム１の設計回転中心軸ＳＷへの直交軸ＳＷＬと歯筋線ＴＷとの間の時計回り傾斜角が、ウォーム１の目標進み角γｗとなり、この目標進み角γｗに、設計回転中心軸ＳＷのずれ角αを加えたものが、ウォーム１の実効進み角ΓＷとなること、つまり、「ΓＷ＝γｗ＋α」の関係が成り立つことが解る。

つまり、このウォーム減速機５においては、ウォーム１の実効進み角ΓＷがウォームホイール２の実効進み角ΓＨに比べて噛み合い許容範囲内の所定値（ずれ角α）だけ大きい状態で、ウォーム１とウォームホイール２とが噛み合うように構成されている。

また、そのような噛み合い状態を達成するのに、このウォーム減速機５においては、ウォーム１、ウォームホイール２の進み角は、通常通りの目標進み角γｗ、γｈとして特に変更せず、両者の交差角Θを、目標軸交差角θから所定値αだけずらせるようにしている。

ウォーム減速機５において、ウォーム１の実効進み角ΓＷとウォームホイール２の実効進み角ΓＨとの関係を上記のようにしたことの効果については、図２を用いて後述する。

なお、このウォーム減速機５の例では、ウォームホイール２の回転中心軸ｓｈを固定して、これに対して、ウォーム１の回転中心軸ｓｗをずらせる例を示したが、要するに双方間の軸交差角（設計軸交差角）Θが、噛み合い許容範囲内の所定値（ずれ角α）だけ、目標軸交差角θより大きくなるようにすればよいので、ウォームホイール２の回転中心軸ｓｈの方を動かすようにしても良いし、双方を動かすようにしてもよい。

要するに、発明の思想としては、このウォーム減速機は、ウォームに対するウォームホイールの軸交差角を、目標軸交差角から所定値だけずらせることで、前記ウォームの実効進み角が前記ウォームホイールの実効進み角に比べて噛み合い許容範囲内で大きい状態で、前記ウォームと前記ウォームホイールとが噛み合うようにしたものである。

図１（ｂ）のウォーム減速機５Ａは、図１（ａ）のウォーム減速機５に比べて、ウォーム１Ａとウォームホイール２Ａとを備えている点では共通するが、ウォームの実効進み角ΓＷをウォームホイールの実効進み角ΓＨに比べて噛み合い許容範囲内の所定値（ずれ角β）だけ大きくするのに、ウォームやウォームホイールの回転中心軸ｓｗ、ｓｈをずらせるのではなく、ウォーム１Ａやウォームホイール２Ａの設計時において、所定値（ずれ角α）だけ設計進み角γｗ′、γｈ′を増減した点が異なっている。

具体的には、この図１（ｂ）のウォーム減速機５Ａにおいては、ウォーム１Ａの設計進み角γｗ′については、目標進み角γｗにずれ角βを加えたもの（γｗ′＝γｗ＋β）とし、ウォームホイール２Ａの設計進み角γｈ′については、目標進み角γｈをそのまま採用したもの（γｈ′＝γｈ）としている。

ここで、ずれ角βは、ウォーム１Ａとウォームホイール２Ａの噛み合い許容範囲内の所定値である。

そして、ウォーム１Ａ、ウォームホイール２Ａとは、その進み角が設計進み角γｗ′、γｈ′になるように製作され、その後に、それぞれの設計回転中心軸ＳＷ、ＳＨが通常の回転中心軸ｓｗ、ｓｈの位置のままとなるように組み付けられている。

この結果、上述の定義によれば、ウォーム１Ａの実効進み角ΓＷ＝設計進み角γｗ′（＝γｗ＋β）、ウォームホイール２Ａの実効進み角ΓＨ＝設計進み角γｈ′（＝目標進み角γｈ）という関係になる。

通常、ウォーム１Ａの目標進み角γｗ＝ウォームホイール２Ａの目標進み角γｈだから、ウォーム１Ａの実効進み角ΓＷは、ウォームホイール２Ａの実効進み角ΓＨに比べて、所定値である、ずれ角βだけずれており、具体的には、ずれ角βだけ大きい。

つまり、このウォーム減速機５Ａは、ウォーム１Ａとウォームホイール２Ａとの内、ウォーム１Ａの進み角（設計進み角）γｗ′を、目標進み角γｗから所定値（ずれ角β）だけずらせることで、ウォーム１Ａの実効進み角ΓＷ（＝γｗ′）がウォームホイール２Ａの実効進み角ΓＨ（＝γｈ′＝γｈ）に比べて噛み合い許容範囲内で大きい状態で、ウォーム１Ａとウォームホイール２Ａとが噛み合うようにしたものである。

ウォーム減速機５Ａにおいて、ウォーム１の実効進み角ΓＷとウォームホイール２の実効進み角ΓＨとの関係を上記のようにしたことの効果については、図２を用いて後述する。

なお、このウォーム減速機５Ａの例では、ウォーム１Ａの進み角（設計進み角）γｗ′を大きくするようにしたが、要するに、ウォーム１Ａの実効進み角ΓＷ（＝γｗ′）がウォームホイール２Ａの実効進み角ΓＨ（＝γｈ′＝γｈ）に比べて噛み合い許容範囲の所定値（＝ずれ角β）で大きくなる状態で、両者が噛み合うようにすればよいので、上記の例に限られない。

つまり、ウォームホイール２Ａの進み角（設計進み角）γｈ′を小さくするようにしてもよく、ウォーム１Ａの進み角（設計進み角）γｗ′を大きくすると同時に、ウォームホイール２Ａの進み角（設計進み角）γｈ′を小さくするようにしてもよい。

このウォーム減速機は、つまる所、ウォームとウォームホイールとの内少なくともいずれか一方の進み角を、目標進み角から所定値だけ増減させることで、前記ウォームの実効進み角が前記ウォームホイールの実効進み角に比べて噛み合い許容範囲内で大きい状態で、前記ウォームと前記ウォームホイールとが噛み合うようにしたものである。

図２は、ウォーム減速機におけるウォームとウォームホイールとの進み角の関係を説明するもので、（ａ１）は目標とする進み角の関係を有する噛み合い状態のウォームとウォームホイールとをウォームホイールの刃先上方から見た図、（ａ２）は（ａ１）をウォームの軸側方から見た図である。

図２（ｂ１）、（ｂ２）は本発明におけるウォームとウォームホイールとの進み角の関係を同様に示す図、（ｃ１）、（ｃ２）は、噛み合い効率が悪い状態のウォームとウォームホイールとの進み角の関係を同様に示す図である。これより、既に説明した部分と同じ部分については、同じ符号を付して重複説明を省略する。

図２（ａ１）、（ａ２）のウォーム減速機２５は、通常のウォーム２１とウォームホイール２２とが通常に噛み合うように構成されたものであって、この場合は、図２（ａ１）に示すように、両者の歯筋線ＴＷ、ＴＨを一致させるように、つまり有効進み角ΓＷ、ΓＨが一致するようにしている。

この場合、一般には、上述したように、ウォームやウォームホイール及びウォーム減速機の軸受部の加工精度、ばらつきのために、理想的な噛み合い、つまり、有効進み角を一致させることが困難であり、組立での精度向上に頼らざるを得ず、組立工数が増大することとなっていた。

図２（ｃ１）、（ｃ２）のウォーム減速機２５Ａは、噛み合いが悪い場合のウォーム２１Ａとウォームホイール２２Ａとの組み合わせを示している。

この場合、ウォーム２１Ａの歯筋線ＴＷに対して、ウォームホイール２２Ａの歯筋線ＴＨが、ずれ角δだけより傾いたもの、つまり、ウォームホイール２２Ａの実効進み角ΓＨ＝ウォーム２１Ａの実効進み角ΓＷ＋ずれ角δ、書き換えれば、ウォーム２１Ａの実効進み角ΓＷ＝ウォームホイール２２Ａの実効進み角ΓＨ−ずれ角δという関係になっている。

このように、ウォーム２１Ａの実効進み角ΓＷが、ウォームホイール２２Ａの実効進み角ΓＨより小さくなるようにずれると、回転フリクションが増加し、ウォーム２１Ａとウォームホイール２２Ａとの噛み合い効率が悪くなり、極端な場合には、ロック状態になることが知られている。

これがあるため、これまで一般には、図２（ａ１）、（ａ２）のウォーム減速機２５で示したように、両者の効進み角ΓＷ、ΓＨが一致するようにすることに努力が払われていた。

図２（ｂ１）、（ｂ２）のウォーム減速機５、５Ａは、図１で説明したウォーム減速機５、５Ａの場合を示したものであるが、ここでは、図１（ａ）の場合のずれ角αと、図１（ｂ）の場合のずれ角βが等しいものとして記載している。

このように、ウォーム１の実効進み角ΓＷが、ウォームホイール２の実効進み角ΓＨに比べて、噛み合い許容範囲内での所定値（ずれ角＝α＝β）だけ大きい場合には、ウォーム１とウォームホイール２との間の回転フリクションはほとんど変わらず、その増加の割合は、ウォーム１の実効進み角ΓＷがウォームホイール２の実効進み角ΓＨに比べて小さい場合の増加の割合に比べて小さいことが知られている。

つまり、一定の限度はあるが、ウォーム１の実効進み角ΓＷがウォームホイール２の実効進み角ΓＨに比べて大きい場合には、ウォーム１とウォームホイール２との間の噛み合い効率はほとんど低下しないということが知られている。

そこで、本願発明者は、苦労してウォーム１とウォームホイール２の進み角（目標進み角、あるいは、仕様進み角）を一致させることは狙わず、逆に意図的に一致させずに、上記知見を活用してずらせることを着想したものである。

つまり、本願発明者は、ウォーム１の実効進み角ΓＷがウォームホイール２の実効進み角ΓＨに比べて大きい範囲で、かつ、噛み合い効率が実用的な範囲で余り低下しない部分の好適なずれ角を所定値として選定し、そのずれ角になるようにウォーム減速機を設計することを思いついたものである。

このようにすると、例え加工精度などにより、実際に製造されたウォームや、ウォームホイール及びこれらを受ける軸受が、設計進み角とならない場合でも、ウォームの実効進み角が、ウォームホイールの実効進み角より大きくなるようにでき、これにより、ウォームとウォームホイールの噛み合い効率が悪くなることを回避することができる。

つまり、本発明の減速機５、５Ａによれば、加工に高精度が不要で組立が容易でありながら、ウォームとウォームホイールとの良好な噛み合いを得ることができるのである。

また、このような効果を得るために必要なのは、従来に比べ、実効進み角が適切なものとなるように、設計軸交差角、設計進み角を選定するだけであるので、そのための余分な加工は一切発生しない。

なお、この許容範囲内の所定値（ずれ角α、β）は、実際には、ウォーム１とウォームホイール２との間の軸交差角に影響を与えるそれぞれの軸受の加工精度範囲内のずれと近接するような微小なものであり、その加工精度範囲内のずれと、本発明による意図的なずれとが、実際上同じとなる場合がある。

しかしながら、本発明の狙うずれ角α、βは、設計上の意図したずれ角α、βとして、その値を中心として加工精度上のバラツキがあったとしても、そのバラツキ範囲内で、ウォームの実効進み角が、ウォームホイールの実効進み角より大きくなるように選定されるものであり、加工精度上のばらつきの中心点として規定されているものである。

また、図２（ｂ１）、（ｂ２）でも解るように、図１（ａ）のように設計軸交差角Θを選定する場合でも、図１（ｂ）のように設計進み角γｗ′、γｈ′を選定する場合でも、ずれ角が同じであれば、結果的に、実効進み角ΓＷ、ΓＨの関係は同じものとなる。

また、軸交差角を意図的にずらせる方法と、進み角を意図的にずらせる（増減する）方法との両方を同時に用いてもよい。

図３は、本発明のウォーム減速機を備えた電動パワーステアリング装置の一例を示すもので、（ａ）はその全体構成を概念的に示す図、（ｂ）は、その要部縦断面図である。

この電動パワーステアリング装置２０は、ウォーム減速機５、操舵入力軸１１、操舵出力軸１２、トーションバー１３、ステアリングラック１４、ステアリングハウジング１５及びトルクセンサー１６を備えている。

舵取り操作のためのハンドルＨは、操舵入力軸１１に連結され、操舵入力軸１１と操舵出力軸１２とはトーションバー１３を介して連結され、操舵の際このトーションバー１３に生じるトルクをトルクセンサー１６で検知して、ウォーム減速機５によって、ウォームホイール３と共回転する操舵出力軸１２を回転駆動する。

操舵出力軸１２には、ステアリングラック１４に噛み合うステアリングピニオン１２ａが設けられているので、これにより、ステアリングラック１４がスライドし、このスライドに伴い、自動車などの車輪Ｔの操舵が行われる。

この電動パワーステアリング装置２０は、上記のようにして、操舵力を補助しているが、その際、ウォーム減速機５は操舵出力軸１２の駆動に用いられている。

したがって、電動パワーステアリング装置２０は、ウォーム減速機５の効果を、電動パワーステアリング装置として発揮することができる。

なお、ウォーム減速機５の代わりに、ウォーム減速機５Ａを用いてもよく、その場合には、電動パワーステアリング装置は、ウォーム減速機５Ａの効果を、電動パワーステアリング装置として発揮することができる。

また、上述した実施の態様の例示は、特許請求の範囲に記載された本発明の例示に過ぎず、本発明は、これらの例示に限定されるものではない。また、これらの組み合わせも例示したものに限定されないものである。

また、上記では、ウォーム減速機として、ウォームが左右双方に回転し、駆動側、被駆動側の双方に用いられるような場合について説明したが、本発明のウォーム減速機は、これに限定されない。

また、ウォーム減速機におけるウォームとウォームホイールの軸交差角は、上記では、９０度（直交）の場合について説明したが、これに限らない。

本発明のウォーム減速機及び電動パワーステアリング装置は、加工に高精度が不要で組立が容易でありながら、ウォームとウォームホイールとの良好な噛み合いを得ることが要請される産業分野に用いることができる。

（ａ）、（ｂ）は、本発明のウォーム減速機におけるウォームとウォームホイールとの進み角の関係を例示する図 ウォーム減速機におけるウォームとウォームホイールとの進み角の関係を説明するもので、（ａ１）は目標とする進み角の関係を有する噛み合い状態のウォームとウォームホイールとをウォームホイールの刃先上方から見た図、（ａ２）は（ａ１）をウォームの軸側方から見た図、（ｂ１）、（ｂ２）は本発明におけるウォームとウォームホイールとの進み角の関係を同様に示す図、（ｃ１）、（ｃ２）は、噛み合い効率が悪い状態のウォームとウォームホイールとの進み角の関係を同様に示す図 本発明のウォーム減速機を備えた電動パワーステアリング装置の一例を示すもので、（ａ）は、その全体構成を概念的に示す図、（ｂ）は、その要部縦断面図

符号の説明

１、１Ａ ウォーム
２、２Ａ ウォームホイール
５、５Ａ ウォーム減速機
１１ 操舵入力軸
１２ 操舵出力軸
１３ トーションバー
１４ ステアリングラック
１５ ステアリングハウジング
１６ トルクセンサー
２０ 電動パワーステアリング装置
ΓＷ ウォームの実効進み角
ΓＨ ウォームホイールの実効進み角
γｗ′ ウォームの進み角
γｈ′ ウォームホイールの進み角
γｗ ウォームの目標進み角
γｈ ウォームホイールの目標進み角
Θ 軸交差角
θ 目標軸交差角

Claims (4)

1. ウォームとウォームホイールとを備えたウォーム減速機であって、
   前記ウォームに対する前記ウォームホイールの軸交差角を、直交から所定値だけずらせることで、
   前記ウォームの実効進み角が前記ウォームホイールの実効進み角に比べて噛み合い許容範囲内で大きい状態で、前記ウォームと前記ウォームホイールとが噛み合うようにしたことを特徴とするウォーム減速機。
2. ウォームとウォームホイールとの進み角の目標進み角を等しくしたことを特徴とする請求項１記載のウォーム減速機。
3. ウォームとウォームホイールとの内少なくともいずれか一方の進み角を、目標進み角から所定値だけ増減させることで、前記ウォームの実効進み角が前記ウォームホイールの実効進み角に比べて噛み合い許容範囲内で大きい状態で、前記ウォームと前記ウォームホイールとが噛み合うようにしたことを特徴とする請求項１記載のウォーム減速機。
4. 請求項１から３のいずれか記載のウォーム減速機が操舵出力軸の駆動に用いら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。

Images