JP4952176B2 - 伝達比可変装置 - Google Patents

Description

本発明は、波動歯車機構を差動機構として用いた伝達比可変装置に関するものである。

従来、波動歯車機構を差動機構として用いることにより、ステアリング操作に基づく入力軸の回転にモータ駆動に基づく回転を上乗せして出力軸に伝達する伝達比可変装置がある。そして、その中には、モータ軸を中空状に形成するとともに、同モータ軸内に入力軸又は出力軸を挿通して波動歯車機構に連結することにより、そのハウジングを車両の非回転部位に対して固定可能としたものがある（例えば、特許文献１参照）。即ち、ハウジング及び同ハウジング内に固定されたモータを非回転とすることにより、スパイラルケーブル装置（例えば、特許文献２参照）等の特殊な構成を廃することが可能となり、これに伴う低コスト化に加え、信頼性の向上を図ることができる。このため、近年、車両においては、こうした所謂ハウジング固定型の伝達比可変装置の採用が進められている。
特開２００５−１６２１２４号公報 特開２００５−２５３１４０号公報

ところで、波動歯車機構は、サーキュラスプラインの内側に、非円形に撓まされたフレクスプラインを配置し、これをサーキュラスプラインと部分的に噛合させるとともに、当該噛合部分を波動発生器により回転させることで、両サーキュラスプライン間（又はフレクスプラインとの間）の歯数差に基づく回転差を減速比として取り出すものである。それゆえ、こうした波動歯車機構を差動機構として用いる伝達比可変装置においては、当該波動歯車機構を構成する各スプラインギヤ間の噛み合わせを好適な状態に維持することが、その円滑なる作動を確保するための最も重要な課題の一つとなっている。

しかしながら、上記のようなハウジング固定型の伝達比可変装置には、車両側の振動が、ハウジング及びモータからそのモータ軸を介して波動発生器へと伝達されるという問題があり、これにより上記各スプラインギヤの偏磨耗や損傷が生ずるおそれがある。特に、上記特許文献１のような、そのハウジングがラック軸を収容するラックハウジング（ギヤボックス）に固定される所謂ラックハウジング一体型のものにおいては、こうした車両側から伝達される振動に起因する問題もまた、その振動の大きさに比例して顕著なものとなる。加えて、このようなラックハウジング一体型の伝達比可変装置では、多くの場合、一の軸上（ピニオンシャフト上）に当該伝達比可変装置とトルクセンサとが並設される構成となることから、全体としての部品点数も多くなる。このため、波動歯車機構を介して連結された入力軸及び出力軸、並びにモータ軸の間には、その組付け段階から、各部品の公差に起因した軸ずれが生じやすく、これによっても、その各スプラインギヤの好適な噛み合わせが阻害されるおそれがある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ハウジングを介して伝達される振動や軸ずれの影響を排除して、その波動歯車機構を構成する各スプラインギヤの良好な噛み合わせを実現することのできる伝達比可変装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、ステアリング操作に基づく入力軸の回転にモータ駆動に基づく回転を上乗せして出力軸に伝達する差動機構と、前記差動機構及び駆動源であるモータを収容するとともに非回転部位に固定されるハウジングと、前記出力軸に設けられたトーションバーの捻れ角を測定することにより操舵トルクを検出するトルクセンサとを備え、前記差動機構には、サーキュラスプラインと、前記サーキュラスプラインの内側において該サーキュラスプラインと部分的に噛み合うように同軸配置される筒状のフレクスプラインと、前記モータ駆動により前記フレクスプラインの噛合部を回転させる波動発生器とからなる波動歯車機構が用いられ、前記モータは、中空状のモータ軸を有するとともに前記ハウジングに固定されることにより前記波動歯車機構と同軸に並置され、前記モータ軸は、スプライン嵌合により前記波動発生器と連結される伝達比可変装置であって、前記波動歯車機構は、前記ハウジングの軸方向端部近傍に設けられ、前記入力軸は、該軸方向端部に設けられた軸受けにより回転自在に支承されて前記サーキュラスプラインと連結されるものであり、前記モータは、前記波動歯車機構と前記トルクセンサとの間に配置され、前記出力軸は、中空状に形成された前記モータ軸内に挿通されることにより前記サーキュラスプラインと連結されるものであり、前記モータ軸と前記波動発生器との間のスプライン嵌合部分には、所定の隙間が形成されること、を要旨とする。

上記構成よれば、モータ軸と波動発生器との間には、そのスプライン嵌合部分に設定された隙間に相当する量の相対的な径方向変位が許容される。そして、その相対的な径方向変位によりハウジングからモータ軸に伝達された振動を吸収することができる。これにより、その振動が波動発生器へと伝達され同波動発生器が各スプラインギヤ（サーキュラスプライン及びフレクスプライン）を押圧することを防止することができ、その結果、各スプラインギヤにおける噛合状態の悪化、ひいてはその偏磨耗や損傷の発生を効果的に抑制することができる。また、組付け段階において各部品の公差に起因する軸ずれが生じた場合についても、その軸ずれの発生により各スプラインギヤ間に作用する径方向の応力を、上記波動発生器とモータ軸と間の相対的な径方向変位により吸収することができ、これにより、各スプラインギヤ間の良好な噛み合わせを実現することができる。

また、上記のように波動歯車機構がハウジング軸方向端部近傍に設けられる構成では、その軸方向長さの短縮化を考慮すれば、入力軸は、必然的に一の軸受により支承されることになる。このため、当該入力軸は、振動の影響を受けやすく、これに伴う軸ぶれの発生により、各スプラインギヤ間の好適な噛み合わせが阻害されるおそれがある。

また、モータが波動歯車機構とトルクセンサとの間に配置されるとともに、出力軸が中空状に形成されたモータ軸内に挿通されることによりサーキュラスプラインと連結される構成では、部品点数の増加に伴いその公差の累積による軸ぶれが生じやすい。加えて、入出力軸間の軸方向変位の許容量も少ないことから、ハウジングから伝達される振動の影響を受けやすい。従って、こうした構成を有するものに上記請求項１の構成を適用することで、より顕著な噛み合わせ改善効果を得ることができる。

請求項２に記載の発明は、前記入力軸を支承する前記軸受けには、複列のボール軸受けが用いられること、を要旨とする。
即ち、上記構成によれば、軸方向長さの大幅な延伸を招くことなく、入力軸の振動及びそれに伴う軸ぶれの発生を抑制することができる。その結果、簡素な構成にて、より効果的に各スプラインギヤ間の良好な噛み合わせを実現することができる。
請求項３に記載の発明は、前記ハウジングが固定される非回転部位は、ラック軸が収容されたラックハウジングであること、を要旨とする。
即ち、ラックハウジングは、車両が走行することにより発生する振動が直接的に伝達される部位である。従って、このような振動の大きな場所に、そのハウジングが固定される所謂ラックハウジング一体型の伝達比可変装置に上記請求項１，２の構成を適用することで、より顕著な噛み合わせ改善効果を得ることができる。

本発明によれば、ハウジングを介して伝達される振動や軸ずれの影響を排除して、波動歯車機構を構成する各スプラインギヤの良好な噛み合わせを実現することが可能な伝達比可変装置を提供することができる。

以下、本発明を所謂ラックハウジング一体型の伝達比可変装置を備えた車両用操舵装置に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態の伝達比可変装置の断面図、図２は、その拡大断面図、そして、図３は、この伝達比可変装置を備えた車両用操舵装置の概略構成図である。

図３に示すように、本実施形態の車両用操舵装置１において、ステアリング２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４によりラック軸５と連結されており、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック軸５の往復直線運動に変換される。具体的には、本実施形態のステアリングシャフト３は、自在継手７ａ，７ｂを介して、コラムシャフト８、インターミディエイトシャフト９、及びピニオンシャフト１０を連結してなり、上記ラックアンドピニオン機構４は、そのピニオンシャフト１０の一端に形成されたピニオン歯１０ａとラック軸５側のラック歯５ａとを噛合させることにより構成される。そして、このステアリングシャフト３の回転に伴うラック軸５の往復直線運動が、同ラック軸５の両端に連結されたタイロッド１１を介して図示しないナックルに伝達されることにより、転舵輪１２の舵角、即ち車両の進行方向が変更されるように構成されている。

また、本実施形態では、ラック軸５を収容するラックハウジング１３には、モータ１４を駆動源としてラック軸５を軸方向移動させることにより操舵系にアシスト力を付与するＥＰＳアクチュエータ１５が設けられており、上記ピニオンシャフト１０には、そのパワーアシスト制御に用いる操舵トルクを検出するためのトルクセンサ１６が設けられている。そして、本実施形態の車両用操舵装置１では、このピニオンシャフト１０には、上記トルクセンサ１６とともに、ステアリング２と転舵輪１２との間の伝達比（ギヤ比）を可変可能な伝達比可変装置１８が設けられている。

図１及び図２に示すように、本実施形態では、ラックハウジング１３の上面には、略円筒状に形成されたピニオンハウジング２０が固定されており、ピニオンシャフト１０は、このピニオンハウジング２０内に挿通されることにより、その一端に形成されたピニオン歯１０ａがラック軸５のラック歯５ａと噛合された状態で回転自在に支承されている。尚、本実施形態のピニオンハウジング２０は、ラックハウジング１３の上部に固定された第１ハウジング２３と、該第１ハウジング２３の上端に連結された第２ハウジング２４とにより構成されている。そして、上記のトルクセンサ１６及び伝達比可変装置１８は、このピニオンハウジング２０内に収容されている。

詳述すると、本実施形態のピニオンシャフト１０は、自在継手７ｂを介してインターミディエイトシャフト９に連結される（図３参照）ことによりステアリング操作に伴う回転が入力される入力軸２５と、一端に上記ピニオン歯１０ａが形成された出力軸２６とにより構成されている。そして、本実施形態の伝達比可変装置１８は、これら入力軸２５及び出力軸２６の間に介在された差動機構２７と、該差動機構２７を駆動するモータ２８とにより構成されている。

本実施形態では、出力軸２６は、第１ハウジング２３に設けられた軸受２９ａ，２９ｂに軸支されることにより、その一端が第２ハウジング２４内に突出した状態で回転自在に支承されている。また、本実施形態では、駆動源であるモータ２８には、中空状のモータ軸３０を有するブラシレスモータが採用されており、同モータ２８は、そのステータ３１が第２ハウジング２４の内周に固定されることにより、非回転部位である同第２ハウジング２４（ピニオンハウジング２０）に対して相対回転不能に設けられている。そして、第２ハウジング２４内に突出された出力軸２６の一端は、このモータ軸３０内に挿通されることにより、同第２ハウジング２４の上端部２４ａ（図２中上側の端部）、即ちステアリング側の端部近傍まで延設されている。

一方、入力軸２５は、第２ハウジング２４の上端部２４ａに設けられた軸受３３により回転自在に支承されている。そして、本実施形態では、モータ２８とともに伝達比可変装置１８を構成する差動機構２７は、同モータ２８の軸方向、ステアリング側（図２中上側）に並置されることにより、上記軸受３３が設けられた第２ハウジング２４の上端部２４ａ近傍に設けられている。

さらに詳述すると、本実施形態では、差動機構２７には、同軸に並置された一対のサーキュラスプライン４１，４２と、これら各サーキュラスプラインと部分的に噛み合うように同軸配置された筒状のフレクスプライン４３と、モータ駆動によりフレクスプライン４３の噛合部を回転させる波動発生器４４とからなる波動歯車機構４５が用いられている。

各サーキュラスプライン４１，４２には、互いに異なる歯数が設定されており、フレクスプライン４３は、略楕円状に撓められた状態で各サーキュラスプライン４１，４２の内側に配置され、これにより、その外歯が該各サーキュラスプライン４１，４２の内歯とそれぞれ部分的に噛合されるように構成されている。また、波動発生器４４は、フレクスプライン４３の内側に配置された状態で、その中心部分に形成された連結部４４ａがモータ軸３０の一端とスプライン嵌合されることにより、モータ２８に駆動されて上記撓められたフレクスプライン４３の略楕円形状、即ち両サーキュラスプライン４１，４２との噛合部を回転させるように構成されている。そして、本実施形態では、モータ２８側に配置されたサーキュラスプライン４１には、入力軸２５が連結され、第２ハウジング２４の上端部２４ａ側に配置されたサーキュラスプライン４２には、モータ軸３０に挿通されることにより両サーキュラスプライン４１，４２よりも軸方向ステアリング側に突出された出力軸２６の一端が連結されている。

尚、本実施形態では、出力軸２６は、同出力軸２６の外周に嵌合される筒状部４６ａとその外周から径方向外側に延設されてサーキュラスプライン４２の内周に嵌合されるフランジ部４６ｂとを備えてなる連結部材４６を介してサーキュラスプライン４２に連結されている。また、入力軸２５の一端には、その内径が各サーキュラスプライン４１，４２の外径よりも大径に形成された筒状部２５ａが形成されており、入力軸２５は、この筒状部２５ａ内に波動歯車機構４５及び連結部材４６を収容する態様で、その内周がサーキュラスプライン４１の外周に嵌合されることにより、同サーキュラスプライン４１と連結されている。

そして、本実施形態では、このように入力軸２５及び出力軸２６、並びにモータ軸３０に対してそれぞれ連結された波動歯車機構４５をモータ駆動することにより、ステアリング２と転舵輪１２との間の伝達比（ギヤ比）を変更することが可能な構成となっている。

即ち、ステアリング操作に伴う入力軸２５の回転は、該入力軸２５に連結されたサーキュラスプライン４１からフレクスプライン４３を介してサーキュラスプライン４２に伝達され、これにより出力軸２６へと伝達される。また、波動発生器４４がモータ２８に駆動され、上記撓められたフレクスプライン４３の楕円形状、即ち両サーキュラスプライン４１，４２との噛合部が回転することにより、両サーキュラスプライン４１，４２間の歯数差に基づく回転差が、モータ駆動に基づく回転として上記ステアリング操作に基づく回転に上乗せされて出力軸２６へと伝達される。そして、これにより、入力軸２５と出力軸２６との間の回転伝達比、即ちステアリング２と転舵輪１２との間の伝達比（ギヤ比）を変更することが可能となっている。

また、本実施形態では、出力軸２６は、その一端が波動歯車機構４５に連結される第１軸４８と、一端にピニオン歯１０ａが形成された第２軸４９とを、トーションバー５０を介して連結することにより形成されている。そして、本実施形態のトルクセンサ１６は、そのトーションバー５０の捻れ角を測定することにより、操舵系に入力される操舵トルクを検出するように構成されている。

詳述すると、本実施形態では、第１軸４８には、その第２軸側（図１中下側）の軸端４８ａから軸方向に延びる中空部５１が形成されており、トーションバー５０は、この中空部５１内に収容されている。一方、第２軸４９にもまた、その第１軸側（図１中上側）の軸端４９ａから軸方向に延びる中空部５２が形成されており、第１軸４８は、その軸端４８ａ近傍が当該中空部５２内に遊嵌されている。尚、本実施形態では、これら第１軸４８及び第２軸４９は、上記軸受２９ａ，２９ｂによってそれぞれ独立に支承されており、これにより互いに相対回転可能に構成されている。そして、トーションバー５０は、その一端が中空部５１の底部５１ａに固定されるとともに、その他端は同中空部５１から軸方向に突出され第２軸側の中空部５２の底部５２ａに固定されている。

また、第１ハウジング２３内には、出力軸２６と同軸となるように並置された一対のレゾルバ５３ａ，５３ｂが収容されている。具体的には、第１のレゾルバ５３ａは、第１軸４８の外周を包囲する位置に配置され、第２のレゾルバ５３ｂは、第２軸４９の外周を包囲する位置に配置されている。そして、本実施形態のトルクセンサ１６は、これら各レゾルバ５３ａ，５３ｂの出力信号により検出される第１軸４８及び第２軸４９間の回転角差に基づいて、トーションバー５０の捻れ角を測定し、これにより操舵トルクを検出するように構成されている。

（各スプラインギヤの噛み合わせ改善対策）
次に、本実施形態の伝達比可変装置における波動歯車機構を構成する各スプラインギヤの噛み合わせを改善するための対策について、その構成を作用・効果とともに説明する。

上述のように、ハウジング固定型の伝達比可変装置には、車両側の振動が、ハウジング及び同ハウジングに固定されたモータからそのモータ軸を介して波動発生器へと伝達されるという問題がある。また、特に、本実施形態の伝達比可変装置１８のようにピニオンシャフト上に当該伝達比可変装置とトルクセンサとが並設される構成のものにおいては、その部品点数の増加に伴い、各部品の公差に起因する軸ずれが発生しやすい。そして、これらハウジングを介して伝達される振動や入出力軸間の軸ずれにより、波動歯車機構を構成する各スプラインギヤの好適な噛み合わせが阻害され、ひいては該各スプラインギヤの偏磨耗や損傷を招くおそれがある。

この点を踏まえ、本実施形態の伝達比可変装置１８には、以下に示すような各スプラインギヤの噛み合わせを改善するための対策が施されている。
（１）本実施形態の伝達比可変装置１８では、図４に示すように、モータ軸３０と波動発生器４４（の連結部４４ａ）との間のスプライン嵌合部分には、所定の隙間Ｄが形成されている。即ち、モータ軸３０側及び波動発生器４４側の各スプライン５５，５６は、それぞれ、その嵌合状態において、その各歯先５５ａ，５６ａとそれに対向する各歯底５６ｂ，５５ｂとの間に隙間ができるように構成される。

このような構成とすることで、モータ軸３０と波動発生器４４との間には、そのスプライン嵌合部分に設定された隙間Ｄに相当する量の相対的な径方向変位が許容される。そして、その相対的な径方向変位によりピニオンハウジング２０からモータ軸３０に伝達された振動を吸収することができる。これにより、その振動が波動発生器４４へと伝達され同波動発生器４４が各スプラインギヤ（サーキュラスプライン４１，４２及びフレクスプライン４３）を押圧することを防止することができ、その結果、各スプラインギヤにおける噛合状態の悪化、ひいてはその偏磨耗や損傷の発生を効果的に抑制することができる。また、組付け段階において各部品の公差に起因する軸ずれが生じた場合についても、その軸ずれの発生により各スプラインギヤに作用する径方向の応力を、上記波動発生器４４とモータ軸３０と間の相対的な径方向変位により吸収することができ、これにより、各スプラインギヤ間の良好な噛み合わせを実現することができる。

（２）また、図２に示すように、本実施形態では、入力軸２５を支承する軸受３３には、複列のボール軸受が用いられている。即ち、本実施形態の伝達比可変装置１８のように、波動歯車機構４５がピニオンハウジング２０の軸方向端部（第２ハウジング２４の上端部２４ａ）近傍に設けられる構成では、その軸方向長さの短縮化を考慮すれば、入力軸２５は、必然的に一の軸受３３により支承されることになる。このため、当該入力軸２５は、振動の影響を受けやすく、これに伴う軸ぶれの発生により、各スプラインギヤ間の好適な噛み合わせが阻害されるおそれがある。この点、上記構成によれば、軸方向長さの大幅な延伸を招くことなく、入力軸２５の振動及びそれに伴う軸ぶれの発生を抑制することができる。その結果、簡素な構成にて、より効果的に各スプラインギヤ間の良好な噛み合わせを実現することができる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、本発明を所謂ラックハウジング一体型の伝達比可変装置を備えた車両用操舵装置に具体化した。しかし、これに限らず、ハウジング固定型のものであれば、例えば、所謂コラム型の伝達比可変装置等、その他、ラックハウジング以外の非回転部位に固定されるものに具体化してもよい。

・また、本実施形態の伝達比可変装置１８では、駆動源であるモータ２８は、波動歯車機構４５とトルクセンサ１６との間に配置され、そのモータ軸３０には、出力軸２６が挿通される構成とした。しかし、これに限らず、モータが波動歯車機構よりもステアリング側に配置され、モータ軸には、入力軸が挿通される構成のものに適用してもよい。また、トルクセンサが本実施形態の配置とは異なる位置に設けられたものに適用してもよい。

・本実施形態では、差動機構２７には、同軸に並置された筒状をなす一対のサーキュラスプライン４１，４２を有する所謂リング型の波動歯車機構４５を用いたが、一のサーキュラスプラインと有底筒状に形成されたフレクスプラインとの歯数差に基づく回転差を減速比として取り出す所謂カップ型の波動歯車機構を用いるものに適用してもよい。

本実施形態の伝達比可変装置の断面図。 本実施形態の伝達比可変装置の拡大断面図。 本実施形態の伝達比可変装置を備えた車両用操舵装置の概略構成図。 波動発生器とモータ軸とのスプライン嵌合部分の拡大断面図。

符号の説明

１…伝達比可変装置、２…ステアリング、５…ラック軸、１０…ピニオンシャフト、１２…転舵輪、１３…ラックハウジング、１６…トルクセンサ、１８…伝達比可変装置、２０…ピニオンハウジング、２３…第１ハウジング、２４…第２ハウジング、２４ａ…上端部、２５…入力軸、２６…出力軸、２７…差動機構、２８…モータ、３０…モータ軸、３３…軸受、４１，４２…サーキュラスプライン、４３…フレクスプライン、４４…波動発生器、４４ａ…連結部、４５…波動歯車機構、４８…第１軸、４９…第２軸、５０…トーションバー、５５，５６…スプライン、５５ａ，５６ａ…歯先、５５ｂ，５６ｂ…歯底、Ｄ…隙間。

Claims (3)

1. ステアリング操作に基づく入力軸の回転にモータ駆動に基づく回転を上乗せして出力軸に伝達する差動機構と、前記差動機構及び駆動源であるモータを収容するとともに非回転部位に固定されるハウジングと、前記出力軸に設けられたトーションバーの捻れ角を測定することにより操舵トルクを検出するトルクセンサとを備え、前記差動機構には、サーキュラスプラインと、前記サーキュラスプラインの内側において該サーキュラスプラインと部分的に噛み合うように同軸配置される筒状のフレクスプラインと、前記モータ駆動により前記フレクスプラインの噛合部を回転させる波動発生器とからなる波動歯車機構が用いられ、前記モータは、中空状のモータ軸を有するとともに前記ハウジングに固定されることにより前記波動歯車機構と同軸に並置され、前記モータ軸は、スプライン嵌合により前記波動発生器と連結される伝達比可変装置であって、
   前記波動歯車機構は、前記ハウジングの軸方向端部近傍に設けられ、前記入力軸は、該軸方向端部に設けられた軸受けにより回転自在に支承されて前記サーキュラスプラインと連結されるものであり、
   前記モータは、前記波動歯車機構と前記トルクセンサとの間に配置され、前記出力軸は、中空状に形成された前記モータ軸内に挿通されることにより前記サーキュラスプラインと連結されるものであり、
   前記モータ軸と前記波動発生器との間のスプライン嵌合部分には、所定の隙間が形成されること、を特徴とする伝達比可変装置。
2. 請求項１に記載の伝達比可変装置において、
   前記入力軸を支承する前記軸受けには、複列のボール軸受けが用いられること、
   を特徴とする伝達比可変装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の伝達比可変装置において、
   前記ハウジングが固定される非回転部位は、ラック軸が収容されたラックハウジングであること、を特徴とする伝達比可変装置。

Images