JP4893147B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータにより発生した補助トルクをステアリング機構に伝達して操舵補助を行う電動パワーステアリング装置に関する。

従来より、バッテリ電源によりモータを駆動して補助トルクを発生させ、この補助トルクをウォームギヤを介してステアリング機構に伝達することにより操舵補助をする電動パワーステアリング装置が知られている。

このような電動パワーステアリング装置においては、ハウジング内に設けられたモータの回転軸にウォームが一体に設けられている。このウォームは、ステアリングシャフトに同軸状に固定されたウォームホイールに噛合し、モータによる補助トルクをそのウォームホイールを介してステアリング機構に伝達する。ウォームのモータ側の端部は、ハウジングに固定された第１の軸受によって回転自在に支持されている。一方、ウォームの反モータ側の端部は、ハウジング内で変位可能に収容された第２の軸受によって回転自在に支持されている。第２の軸受は、ばね等によりウォームとウォームホイールとの噛合部に予圧を加える方向に付勢されている。
このように第２の軸受を変位可能とするとともに、ばね等により適度な付勢力を付与するようにしたのは以下の理由による。すなわち、第２の軸受を移動可能としない一般的なウォームギヤによる減速機では、歯部の機械加工等による精度や、樹脂製のウォームホイールの温度変化や吸水等による膨張・収縮によって噛合部のバックラッシュ量が変化する。このバックラッシュ量が増えすぎると、路面からの衝撃的な入力によって歯打ち音が発生する。逆に、バックラッシュ量が減りすぎると、歯面が両面当たりとなり、さらに押し付け力が大きくなって操舵時の抵抗が増える。
そこで、第２の軸受を変位可能とする一方、上記予圧を加える方向に適度に付勢することにより、低トルク時にはウォームをウォームホイールに小さな力で押し付け、バックラッシュ量を小さく保つことにより歯打ち音を抑えられるようにしている。また、第２の軸受が変位可能であるため、ウォームのウォームホイールへの押し付け力の変化を小さく抑えることもでき、操舵時の抵抗が増えるといったこともない。

ところで、このようなウォームギヤは、ウォームの歯すじがその回転中心線に対して捩れているため、ウォームとウォームホイールとの間に伝達トルクが作用するときに、ウォームをウォームホイールの歯すじに沿ってラジアル方向へ動かす力が発生する。その際、ウォームは、ばねによってウォームホイール側に付勢されてはいるが、その付勢方向と交差する方向への動きは規制されていない。このため、ウォームが第１の軸受の位置を中心に振れ回りをして噛合部の噛合不良やトルクむらが発生するといった問題があった。

そうした中、このような問題に対処するために、第２の軸受の周面に接触してその動きを案内する案内部材を設け、その軸受の動作方向を規制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図７は、このような従来技術に係るウォームギヤの主要部の構成を表す断面図である。

この技術では、ハウジング１０１内においてウォーム１０２とウォームホイール（図示せず）との噛合部に予圧を加えるべく、第２の軸受に相当する転がり軸受１０３をラジアル方向へ付勢する付勢手段１０４が設けられている。一方、ハウジング１０１には、転がり軸受１０３の周面に接触してその動きを案内する案内部１０５、１０５を有する案内部材１０６が設けられ、転がり軸受１０３の動き方向が一方向に規制されるようになっている。これにより、ウォーム１０２とウォームホイールとを比較的良好に噛合させ、噛合反力の変動によるウォームのラジアル方向への移動をスムーズに行わせることができる。
特開２００２−６７９９２号公報

しかしながら、引用文献１の構成では、ウォーム１０２のラジアル方向への移動をスムーズに行わせるために、転がり軸受１０３の周面と各案内部１０５との間には、少なくとも部品精度のばらつき等を許容するためのクリアランスが確保されている。このため、特にウォーム１０２とウォームホイールとの間の伝達トルクが大きいときには、このこのクリアランスにより問題が生じることがある。

すなわち、ウォーム１０２とウォームホイールとの間の伝達トルクが大きくなると、ウォーム１０２にはウォームホイールからその噛合点の移動と反対の方向に大きな力が作用する。このとき、ウォーム１０２の反モータ側の端部は、案内部１０５によって案内されているとはいえ、上記クリアランスの範囲内でその動き方向と直角な方向、つまり案内部１０５、１０５が対向する方向に動いてしまう。このため、ウォーム１０２とウォームホイールとのなす角度が正規の角度からずれ、そのミスアライメントによって双方の噛合面が偏摩耗し、その噛合状態を安定に維持できなくなる可能性がある。そうなると、モータが発生した補助トルクをステアリング機構にスムーズに伝達できなくなる。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、モータが発生した補助トルクをステアリング機構に安定かつスムーズに伝達できる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。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電動パワーステアリング装置は、モータにより発生した補助トルクをステアリング機構に伝達して操舵補助をするものである。この電動パワーステアリング装置は、一端側がモータの回転軸につながるとともにハウジングに固定された第１の軸受に支持される一方、他端側がハウジング内で変位可能に支持された第２の軸受に支持され、モータによって回転される第１の歯車と、ステアリング機構につながるとともに第１の歯車に噛合し、第１の歯車を介して得た補助トルクをステアリング機構に伝達する第２の歯車と、第１の歯車と第２の歯車との噛合部に予圧を与えるために第２の軸受をラジアル方向へ付勢する付勢手段と、第１の歯車が第２の歯車から受ける噛合反力によって第２の軸受が第２の歯車から離れる方向に変位したときに、その変位が大きくなるにつれてその第２の軸受がそのラジアル方向であってその変位の方向と直角な規制方向へ動くことを徐々に大きく規制する規制手段と、を備える。規制手段は、第２の軸受又はこれを収容するケースとハウジングとの規制方向の対向面に、互いに平行となる面であって、第１の歯車が第２の歯車から離れる方向に変位するにつれてそのクリアランスが小さくなるように構成された平坦面をそれぞれ有し、クリアランスが、第１の歯車が第２の歯車との噛合状態を維持した所定量変位したときに実質的にゼロとなるように設定されている。

ここで、第１の歯車および第２の歯車は、モータの回転を減速してステアリング機構に伝達する減速機構を構成するものであり、たとえば第１の歯車がウォームからなり、第２の歯車がウォームホイールからなるものでもよい。

この態様によれば、第１の歯車は、付勢手段による予圧によって第２の歯車との噛合状態が確保される。そして、両者間の伝達トルクがそれほど大きくないときには、第１の歯車と第２の歯車とが十分に噛み合うため、両者のなす角度も本来の角度に保たれる。このため、噛合状態が安定に維持される。

一方、第２の軸受が変位可能であるため、伝達トルクが大きい場合には、第１の歯車がその噛合反力によって第１の軸受を支点として揺動しようとする。しかし、第２の軸受の変位が大きくなるにつれてそのラジアル方向への動きが規制手段によって規制されるため、第１の歯車と第２の歯車とのなす角度の変動が抑制される。この結果、第１の歯車と第２の歯車との噛合部に偏摩耗が発生することもなく、その噛合状態を常に安定に維持することができる。その結果、ステアリング機構への補助トルクのスムーズな伝達を維持することができる。

上記規制手段は、第１の歯車の回転軸と第２の歯車の回転軸との角度が、第２の軸受が変位する前の状態に実質的に保持されるように、第２の軸受の動きを規制するものであるのが好ましい。これにより、第１の歯車と第２の歯車との噛合状態が偏ることもなく、正規の状態に保持される。

第２の軸受は、それ自体の形状とハウジングの形状とによりその動きが拘束されるものでもよい。あるいは、第２の軸受がケースに収容されており、そのケースの形状とハウジングの形状とによりその動きが拘束されるものでもよい。

より具体的には、第２の軸受又はこれを収容するケースの外周面と、ハウジングの第２の軸受を収容する部分の内面との対向面が、それぞれテーパ状の相補形状に形成されていてもよい。その際、その対向面のクリアランスが、第１の歯車が第２の歯車との噛合状態を維持した所定量変位したときに実質的にゼロとなるように設定されることで、第１の歯車が第２の歯車から脱落することもなく、安定した噛合状態を確保することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、モータが発生した補助トルクをステアリング機構に安定かつスムーズに伝達することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を表す断面図である。
本実施の形態の電動パワーステアリング装置は、車両の前輪を操舵するステアリング機構１、操舵力を補うための補助トルクを発生させるモータ２（同図では、紙面の裏側に配置されている）、モータ２による補助トルクをステアリング機構１に伝達する減速機構３等を備えている。

ステアリング機構１は、一端側で図示しないステアリングホイールにつながり、他端側で図示しないステアリングギヤボックスにつながるステアリングシャフト５を含む。そのステアリングホイールにつながる入力軸６と、ステアリングギヤボックスにつながる出力軸７との間には、ステアリングホイールに加わる操舵トルクにより捩れるトーションバー８が介装されている。また、ステアリング機構１には、入力軸６と出力軸７との相対回転変位によるトーションバー８の捩れ角に基づいてステアリングホイールに加わる操舵トルクを検出するトルクセンサ９が設けられている。

モータ２は、バッテリ電源により駆動され、図示しない電子制御ユニット（「ＥＣＵ」という）によりその回転出力が制御される。ＥＣＵは、トルクセンサ９により検出された操舵トルクに基づいて必要な補助トルクを算出し、その補助トルクを発生させるようにモータ２の回転出力を制御する。

減速機構３は、ウォーム１１（「第１の歯車」に該当する）およびウォームホイール１２（「第２の歯車」に該当する）を含むウォームギヤからなる。ウォーム１１は、その一端がモータ２の回転軸に同軸状に連結されている。ウォームホイール１２は、出力軸７の外周部に同軸状に固定された円板状の本体を有し、その外周部に沿って設けられた合成樹脂からなる歯部がウォーム１１に噛合している。モータ２により発生した補助トルクは、ウォーム１１およびウォームホイール１２を介してステアリングシャフト５に伝達される。

図２は、モータおよび減速機構の動力伝達部の構成を表す断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ矢視断面図である。

図２に示すように、モータ２および減速機構３は、アルミニウム等の金属からなるハウジング１３およびモータハウジング１４により形成される内部空間に配置されている。ハウジング１３とモータハウジング１４は、連結部材１５によって連結されている。

モータ２は、その回転軸の一端が連結部材１５に固定された転がり軸受１７に回転自在に支持され、他端がモータハウジング１４内に固定された転がり軸受１８に回転自在に支持されている。

ウォーム１１は、そのモータ側の端部がハウジング１３に固定された転がり軸受２１（「第１の軸受」に該当する）によって回転自在に支持され、その先端部が継手部材１９を介してモータ２の回転軸に同軸状に連結されている。一方、ウォーム１１の反モータ側の端部は、ハウジング１３内で変位可能に収容された転がり軸受２２（「第２の軸受」に該当する）によって回転自在に支持されている。このウォーム１１は、中間部においてウォームホイール１２に噛合している。これらウォーム１１とウォームホイール１２との噛合状態を安定に保持するために、転がり軸受２２が付勢手段としての付勢部材２５によってラジアル方向に付勢されており、その噛合部に予圧が加えられている。

図３に示すように、転がり軸受２２は、多角形状のケース３１に圧入されて固定されている。ケース３１は、合成樹脂又は金属からなり、付勢部材２５との対向面とその反対側の面（つまり、同図におけるケース３１の上面と下面）が互いに平行になっているが、これらと交わる方向に延びる側面間の幅が付勢部材２５に方向に向かって小さくなるテーパ状の外周面を有する。つまり、ケース３１の側面が一組のテーパ面３３となっている。一方、ハウジング１３において転がり軸受２２が位置する内面は、このケース３１と互いに補い合う相補形状に形成されている。つまり、ハウジング１３は、ケース３１の一組のテーパ面３３のそれぞれに対向する一組のテーパ面３４を有し、その一組のテーパ面３４が転がり軸受２２を付勢部材２５の方向へ案内する案内面を構成する。

また、付勢部材２５は、押圧部材２６、アジャスト部材２７およびこれらの間に介装されたスプリング２８を含む。押圧部材２６は、ケース３１の図の上面に当接するように配置される。アジャスト部材２７は、その外周部にねじ部が形成され、ハウジング１３における転がり軸受２２との対向面を貫通して設けられたねじ孔２９に螺合される。すなわち、このアジャスト部材２７のねじ孔２９に対する螺入量を調整することにより、転がり軸受２２への付勢力、ひいてはウォーム１１とウォームホイール１２との噛合部に付与する予圧を調整することが可能になっている。

同図には、モータ２は回転しているが、ウォーム１１とウォームホイール１２との間の伝達トルクが十分に小さいときの状態が示されている。このとき、ケース３１のテーパ面３３とハウジング１３のテーパ面３４との間には所定のクリアランスが形成されている。このため、転がり軸受２２のラジアル方向への動きがある程度許容される。一方、この状態から伝達トルクが大きくなってウォーム１１がウォームホイール１２から噛合反力を受け、転がり軸受２２が付勢部材２５の付勢力に抗して変位すると、その変位が大きくなるにつれて転がり軸受２２のラジアル方向への動きが規制される。すなわち、ケース３１とハウジング１３との間のクリアランスが徐々に小さくなって、転がり軸受２２の動きが拘束される。このクリアランスは、ウォーム１１がウォームホイール１２との噛合状態を維持した状態で所定量変位したときに実質的にゼロとなる。なお、本実施の形態においては、ケース３１およびハウジング１３のこのテーパ状の対向面の構造が規制手段として機能する。

次に、本実施の形態の規制手段による作用効果について説明する。
図４は、本実施の形態におけるウォームギヤの伝達トルク発生時の様子を表す模式図である。（ａ）は、ウォーム１１およびウォームホイール１２の噛合状態を表している。（ｂ）は、伝達トルクが小さいときの転がり軸受２２およびウォーム１１の動作を表している。さらに、（ｃ）は、伝達トルクが大きいときの転がり軸受２２およびウォーム１１の動作を表している。なお、同図（ｂ）においては、便宜上、ケース３１とハウジング１３とのクリアランスを誇張して表現している。図５は、伝達トルク発生時の噛合部の様子を表す部分拡大図である。（ａ）は伝達トルクが十分に小さいときの状態を表し、（ｂ）は伝達トルクが大きくなったときの状態を表している。

図４（ａ）に示すように、ウォーム１１のモータ側の端部を支持する転がり軸受２１はハウジング１３に固定されているが、反モータ側の端部を支持する転がり軸受２２はハウジング１３内で変位可能に支持されている。このとき、ウォーム１１とウォームホイール１２との噛合部に予圧を与えるべく付勢部材２５がケース３１を付勢しているが、ウォーム１１は、転がり軸受２１のほぼ中心Ｏを中心として微少範囲で揺動可能となっている。

図４（ｂ）に示すように、ウォーム１１とウォームホイール１２との伝達トルクが十分に小さいときには、ウォーム１１がウォームホイール１２から大きな噛合反力を受けない。このため、ウォーム１１がラジアル方向にほとんど変位せず、転がり軸受２２とハウジング１３とのクリアランス（より詳しくはケース３１とハウジング１３とのクリアランス）Ｃが保持される。このとき、図５（ａ）に示すように、ウォーム１１とウォームホイール１２の噛合部の各歯がいわゆる両面当たりとなっている。この両面当たりのときには、ウォーム１１とウォームホイール１２とはその歯部が互いに楔のように入り込み、そのなす角度を一定に保とうとする作用が自然に大きくなる。つまり、ウォーム１１とウォームホイール１２との間で自動的なアライメント調整がなされるため、このように転がり軸受２２の動きが規制されないのが好ましい。

一方、図４（ｃ）に示すように、ウォーム１１とウォームホイール１２との伝達トルクが十分に大きくなると、ウォーム１１がウォームホイール１２から大きな噛合反力を受ける。このため、ウォーム１１が付勢部材２５の付勢力に抗して図中矢印にて示すようにラジアル方向に変位しようとする。このとき、図５（ｂ）に示すように、ウォーム１１とウォームホイール１２の噛合部の各歯がいわゆる片面当たりとなる。この片面当たりのときには、ウォーム１１とウォームホイール１２とはそのなす角度を一定に保とうとする作用が小さいため、ウォーム１１の動きをウォームホイール１２との噛合状態を維持した状態である程度規制するのが好ましい。その点、本実施の形態ではウォーム１１がウォームホイール１２から離れる方向に変位するにつれて、転がり軸受２２とハウジング１３とのクリアランスＣが小さくなって転がり軸受２２の動きが規制される。このため、ウォーム１１とウォームホイール１２との伝達トルクの大小にかかわらずその噛合状態を理想的な状態に保つことができる。

図６は、本実施の形態と対比される比較例におけるウォームギヤの伝達トルク発生時の様子を表す模式図である。この比較例は、「規制手段」が設けられていない点で本実施の形態と異なるが、同図において本実施の形態と同様の構成部分については同一の符号を付している。同図（ａ）は、ウォーム１１およびウォームホイール１２の噛合状態を表している。（ｂ）は、伝達トルクが小さいときの転がり軸受２２およびウォーム１１の動作を表している。さらに、（ｃ）は、伝達トルクが大きいときの転がり軸受２２およびウォーム１１の動作を表している。なお、同図（ｂ）においても、便宜上、ケース１３１とハウジング１１３とのクリアランスを誇張して表現している。

同図（ａ）および（ｂ）に示すように、転がり軸受２２のケース１３１は、転がり軸受２２と同様に円形をなしており、ハウジング１１３のケース１３１との対向面には、互いに平行な一対の案内部１１６が形成されている。したがって、各案内部１１６は、転がり軸受２２が付勢部材２５の付勢力に抗して変位するときに、その転がり軸受２２の動きをガイドするが、その動作方向（図の上方）に規制することはしない。この点で従来技術に共通する。

すなわち、この場合においても、ウォーム１１とウォームホイール１２との伝達トルクが十分に小さいときには、ウォーム１１がウォームホイール１２から大きな噛合反力を受けない。このため、ウォーム１１がラジアル方向にほとんど変位せず、転がり軸受２２とハウジング１１３とのクリアランス（より詳しくはケース１３１とハウジング１１３とのクリアランス）Ｃが保持される。このとき、比較例においても本実施の形態と同様に、ウォーム１１とウォームホイール１２との間で自動的なアライメント調整がなされる。

一方、同図（ｃ）に示すように、ウォーム１１とウォームホイール１２との伝達トルクが十分に大きくなると、ウォーム１１がウォームホイール１２から大きな噛合反力を受ける。このため、ウォーム１１が付勢部材２５の付勢力に抗して図中矢印にて示すようにラジアル方向に変位しようとする。このとき、ウォーム１１とウォームホイール１２の噛合部の各歯がいわゆる片面当たりとなるが、転がり軸受２２が付勢部材２５の方向に変位しても案内部１１６と対向する方向に規制されないため、ウォーム１１がラジアル方向に自由に変位してウォームホイール１２との噛合状態が偏る可能性がある。その結果、ウォーム１１とウォームホイール１２との噛合部に発生するミスアライメントにより場合によっては双方の噛合面が異常に摩耗し、スムーズな噛合状態を維持できなくなるという従来と同様の問題が発生し得る。

以上に説明したように、本実施の形態の電動パワーステアリング装置においては、転がり軸受２２の変位が大きくなるにつれてそのラジアル方向への動きが規制され、ウォーム１１とウォームホイール１２とのなす角度が一定に保持されるため、これらの噛合状態を常に安定に維持することができる。その結果、ウォーム１１とウォームホイール１２との噛合部に異常摩耗が発生することもなく、ステアリング機構への補助トルクのスムーズな伝達を維持することができる。

本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

たとえば、上記実施の形態では、転がり軸受２２を収容するケース３１とハウジング１３との相補形状をテーパ状にした例を示したが、転がり軸受２２それ自体の形状をテーパ状に構成してもよい。その場合には、ケース３１を省略することもできる。また、その相補形状は、テーパ状である必要はなく、ウォーム１１がウォームホイール１２から離れる方向に変位するにつれてクリアランスＣが小さくなるものであれば種々の形状を採用することができる。

また、上記実施の形態では、ウォーム１１を支持する軸受として転がり軸受を用いた例を示したが、すべり軸受その他の軸受を採用してもよい。

さらに、上記実施の形態では、減速機構３をウォームギヤで構成した例を示したが、ハイポイドギヤやフェースギヤ等その他のギヤを採用することもできる。

本発明の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を表す断面図である。 モータおよび減速機構の動力伝達部の構成を表す断面図である。 図２のＡ−Ａ矢視断面図である。 実施の形態におけるウォームギヤの伝達トルク発生時の様子を表す模式図である。 伝達トルク発生時の噛合部の様子を表す部分拡大図である。 実施の形態と対比される比較例におけるウォームギヤの伝達トルク発生時の様子を表す模式図である。 従来技術に係るウォームギヤの主要部の構成を表す断面図である。

符号の説明

１ ステアリング機構、 ２ モータ、 ３ 減速機構、 ５ ステアリングシャフト、 ８ トーションバー、 ９ トルクセンサ、 １１ ウォーム、 １２ ウォームホイール、 １３ ハウジング、 １４ モータハウジング、 ２１ 転がり軸受、 ２２ 転がり軸受、 ２５ 付勢部材、 ３１ ケース、 ３３ テーパ面、 ３４ テーパ面。

Claims (3)

1. モータにより発生した補助トルクをステアリング機構に伝達して操舵補助をする電動パワーステアリング装置において、
   一端側が前記モータの回転軸につながるとともにハウジングに固定された第１の軸受に支持される一方、他端側が前記ハウジング内で変位可能に支持された第２の軸受に支持され、前記モータによって回転される第１の歯車と、
   前記ステアリング機構につながるとともに前記第１の歯車に噛合し、前記第１の歯車を介して得た前記補助トルクを前記ステアリング機構に伝達する第２の歯車と、
   前記第１の歯車と前記第２の歯車との噛合部に予圧を与えるために前記第２の軸受をラジアル方向へ付勢する付勢手段と、
   前記第１の歯車が前記第２の歯車から受ける噛合反力によって前記第２の軸受が前記第２の歯車から離れる方向に変位したときに、その変位が大きくなるにつれてその第２の軸受がそのラジアル方向であってその変位の方向と直角な規制方向へ動くことを徐々に大きく規制する規制手段と、
   を備え、
   前記規制手段は、前記第２の軸受又はこれを収容するケースと前記ハウジングとの前記規制方向の対向面に、互いに平行となる面であって、前記第１の歯車が前記第２の歯車から離れる方向に変位するにつれてそのクリアランスが小さくなるように構成された平坦面をそれぞれ有し、
   前記クリアランスが、前記第１の歯車が前記第２の歯車との噛合状態を維持した所定量変位したときに実質的にゼロとなるように設定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。
2. 前記規制手段は、前記第１の歯車の回転軸と前記第２の歯車の回転軸とのなす角度が、前記第２の軸受が変位する前の状態に実質的に保持されるように、前記第２の軸受の動きを規制することを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記第１の歯車がウォームであり、
   前記第２の歯車がウォームホイールであること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置。

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