JP5016656B2

JP5016656B2 - ウォームギヤ

Info

Publication number: JP5016656B2
Application number: JP2009257885A
Authority: JP
Inventors: 陽介田中; 康夫清水
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-11-11
Also published as: JP2011102612A

Description

本発明は、ウォームに特徴があるウォームギヤに関するものである。

従来、ウォーム（ねじ状の歯車）とウォームホイール（円板状の歯車）とを組み合わせたウォームギヤは、コンパクトな構造で大きな減速比が得られるため、そのような機能が要求される種々の装置に用いられている。例えば、ウォームホイールをステアリング軸に同軸に設け、ウォームを電動モータ（電動機）により駆動して補助操舵力を発生させるようにした自動車の電動パワーステアリング装置がある（例えば特許文献１参照）。

上記したような電動パワーステアリング装置において、ハンドル操作時の操舵トルクを検出する例えば磁歪式のトルクセンサをステアリングギヤボックス内に設けると共に、上記電動モータ及びウォームギヤからなる減速装置をステアリングギヤボックスに設け、トルクセンサを用いた操舵トルク検出値に基づきかつ車速信号等に応じてモータ駆動力を発生させるようにしたものがある。また、コラムとステアリングギヤボックスとの間を自在継ぎ手で連結した電動パワーステアリング装置では、コラム内に上記と同様のトルクセンサと減速装置とを設けて、上記と同様の制御でモータ駆動力を発生させるようにしたものがある。

特開２００５−３５５１３号公報

上記したような電動パワーステアリング装置では、減速装置（電動モータ及びウォームギヤ）が配設された部分の空間に占める大きさが問題となる。例えば、ステアリングギヤボックスに設けた場合には、運転者の足元空間を減少させることになり、コラムに設けた場合には運転者の膝空間を減少させることになるため、減速装置をできるだけ小径化して全体を小型化することが望まれている。

一方、ウォームの形状は、図４に示されるように形成されているものが公知である。図のウォーム３１は、その軸線方向中間部分に形成されたねじ状の歯切り部Ｚ２と、歯切り部Ｚ２の軸線方向両側部分に設けられかつ軸受３２・３３により支持される各軸支部３１ａ・３１ｂとを有し、軸線方向一端部（図の左側）に同軸に結合される電動モータにより駆動される。

図４に示されるようなウォーム３１を加工するには種々の加工方法があるが、例えば規定の歯形に対応した形状の歯切り工具を、円柱状素材の半径方向内向きに切り込み量相当分だけ進めかつ素材の回転に同期させて軸線方向（図の二点鎖線の矢印方向）に移動させて、その切削行程を繰り返して歯切りを行うものがある。その場合には、歯切り工具を、歯切り部Ｚ２における切り込み開始位置から軸線方向に移動させつつ、切り込み深さを増していき、所定の切り込み量に達したらその位置を保持して所定長軸線方向に移動させ、切り込み終了位置手前から切り込みを深さを減少させていき、半径方向外側に逃がすようにする。このような歯切り加工では、図４に示されるように、歯切り部Ｚ２における有効歯切り部（ウォームホイール２２との噛み合い部分）Ｚ２ａの両側に不完全歯切り部Ｚ２ｂが形成される。

また、有効歯切り部Ｚ２ａの範囲が狭い場合には、有効歯切り部Ｚ２ａに噛み合った状態のウォームホイール２２の歯に不完全歯切り部Ｚ２ｂが近いため、不完全歯切り部Ｚ２ｂとウォームホイール２２との間に噛み合い干渉が生じる虞がある。そのような噛み合い干渉は、有効歯切り部Ｚ２ａの範囲（ウォーム３１の軸線方向における長さ）を長くすることで回避可能である。

しかしながら、ウォームギヤの大きさ（ウォームホイール２２の径及びウォーム３１の全長）に制限を設けて、不完全歯切り部Ｚ２ｂの一部が軸支部３１ａに形成されてしまうような場合には、軸受３２による十分な支持ができなくなるという問題が生じる。そのため、有効歯切り部Ｚ２ａの長さを上記噛み合い干渉が生じないように長くした設計を行う必要が生じ、ウォームギヤを小型化することができないという問題があった。また、有効歯切り部Ｚ２ａの歯底円から歯先に至るまで歯切り工具を逃がす場合に軸線方向移動にある程度の長さが生じ、その長さが不完全歯切り部Ｚ２ｂの軸線方向長さに相当し、有効歯切り部Ｚ２ａに不完全歯切り部Ｚ２ｂの長さを加えた長さがウォーム３１の全長に影響する。

ウォーム３１の全長が長くなった場合には、両軸支部３２・３３の支持スパン（図４のＬｓ２）も長くなるため、ウォームホイール２２側から荷重を受けた場合のウォーム３１の軸線に略直交する向きの曲がり量（たわみ量）が大きくなる。それにより、ギヤの歯打ち音が大きくなるばかりでなく、振動が生じた場合のステアリング軸への振動伝達により操舵フィーリングを悪化させてしまう。そのような問題を回避するためには、剛性アップによりウォームギヤがより大型化するという問題があった。

このような課題を解決して、ウォームギヤの小型化を可能にするために、本発明に於いては、歯先円直径が一定の円筒ウォーム（２１）と、前記ウォーム（２１）と噛み合うウォームホイール（２２）とを備えたウォームギヤであって、前記ウォーム（２１）のねじ状の歯切り部（Ｚ１）が、前記ウォームホイール（２２）と噛み合う有効歯切り部（Ｚ１ａ）と、前記ウォームホイール（２２）との干渉を避けるべく前記有効歯切り部（Ｚ１ａ）に隣接して設けられた不完全歯切り部（Ｚ１ｂ）とを有し、前記有効歯切り部（Ｚ１ａ）が、歯底円直径が一定の中間領域（Ｅ１）と、前記中間領域（Ｅ１）の両端から前記不完全歯切り部（Ｚ１ｂ）に至る領域（Ｅ２）とを有し、前記有効歯切り部（Ｚ１ａ）の前記中間領域（Ｅ１）の両端から前記不完全歯切り部（Ｚ１ｂ）に至る領域（Ｅ２）の歯底円直径が、前記ウォームホイール（２２）の歯先円と干渉しない範囲で、前記有効歯切り部（Ｚ１ａ）の中間領域（Ｅ１）の歯底円直径（ｄ１）よりも拡径され、前記歯底円直径が拡径された部分（Ｅ２・Ｚ１ｂ）の歯底円直径が、前記歯切り部（Ｚ１）の軸線方向端に至るに連れて漸増しているものとした。

ウォームのねじ状の歯切り部における規定歯切り部に隣接する部分に対しては、工具をウォームの軸線に沿う向きとウォームの半径方向との各移動の組み合わせることで、規定歯切り部の歯底円直径より拡径された歯底円の拡径歯底円歯切り部を形成することができる。これにより、規定の歯底円直径で形成された規定歯切り部に隣接する部分に、規定歯切り部の歯底円直径より拡径された歯底円で形成された拡径歯底円歯切り部が設けられ、その拡径歯底円歯切り部にもウォームホイールが何等問題なく噛み合い得るため、ウォームホイールとの噛み合い部分を拡径歯底円歯切り部まで含めることができ、従来の不完全歯切り部を設ける必要が無く、歯切り部の全長を短くすることができる。

特に、前記歯底円直径が拡径された部分（Ｅ２・Ｚ１ｂ）の歯底円直径が、前記歯切り部（Ｚ１）の軸線方向端に至るに連れて漸増していると良い。これによれば、ウォームの剛性に大きく関係することになる歯底円を外径とする中実部分が、ウォームの軸線方向端部に設けられている軸支部に至るに連れて拡径されるため、軸線方向に対する拡径の増大率をウォームホイールの歯先円と干渉しない程度にすることにより、歯切り部の長さをできるだけ短くしてウォームの曲げ剛性を高めることができる。なお、例えば歯切り工具を軸線方向移動に応じて半径方向外側への逃がし量を増大させるという簡単な制御で加工することができ、加工が容易である。

また、前記ウォームは、電動機（３）により駆動され、かつ前記電動機（３）側とは相反する側の軸線方向端部に軸受（３２・３３）により支持される軸支部（２１ａ・２１ｂ）を有し、前記歯切り部（Ｚ１）の前記軸支部（２１ａ・２１ｂ）との境における歯底円直径（Ｄ２）が、前記軸支部（２１ａ・２１ｂ）の直径よりも大きいと良い。これによれば、ウォームの曲げ変形における支点となる軸支部との境で歯底円直径が最大となりかつ軸支部の直径よりも大きいことから、ウォームホイールからの荷重によるウォームの軸線に略直交する向きのたわみ量を抑制し得る。

このように本発明によれば、ウォームの歯切り部の長さを短くすることができ、それに伴って両軸支部間の長さも短くすることができるため、ウォームホイールからの荷重によるウォームの軸線に略直交する向きのたわみ量が減少し、ギヤの歯打ち音を小さくすることができると共に、それによる振動低減効果により、例えば電動パワーステアリング装置に適用した場合には良好な操舵フィーリングが得られる装置を提供し得る。また、ウォームの両軸支部間の長さが短いことにより、噛み合い部分に生じる発熱をウォーム両端部から外部へ逃がす熱伝導距離が短くなり、ウォームの歯面温度の上昇を低減できるという効果を奏し得る。

本発明が適用される電動パワーステアリング装置の全体構成図である。図１に示したギヤボックスをII−II線で切断して示す断面図である。（ａ）は本発明に基づくウォームを示す側面図であり、（ｂ）は要部拡大側断面図である。従来のウォームを示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明が適用された電動パワーステアリング装置の全体構成図である。この電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール１の手動操舵力を軽減するための補助操舵力を電動モータ３により発生させるものである。

図の電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール１にステアリング軸２を介して一体的に回転可能に連結されたピニオン４と、このピニオン４に噛合して車幅方向に往復動可能に設けられたラック軸５とを有するラックアンドピニオン機構６を備えている。ラック軸５の両端にはタイロッド７を介して操向車輪としての左右の前輪８のナックルアーム９が連結され、ステアリングホイール１の手動回転操作に応じて左右の前輪８が転舵されるようになっており、電動モータ３の駆動力は、ギアボックス１０内にピニオン４と共に収容されたウォームギヤ１１を介してステアリング軸２に入力される。

電動モータ３は、ステアリング制御装置（ＥＰＳＥＣＵ）１３により制御される。このステアリング制御装置１３には、ステアリングホイール１の操舵角を検出する操舵角センサ１４、ピニオン４に作用する手動操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１５、及び車速を検出する車速センサ１６などの出力信号が入力されており、これらの信号に基づいて所要の補助操舵力が発生するように電動モータ３が制御される。

図２は、図１に示したギアボックス１０をII−II線に沿って破断して示す断面図である。このギアボックス１０においては、ハウジング２０内に、電動モータ３の駆動力を減速してステアリング軸２に伝達するウォームギヤ１１と、ステアリング軸２の回転運動をラック軸５の直動運動に変換するラックアンドピニオン機構６と、ステアリング軸２に作用する操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１５とが収納されている。

ウォームギヤ１１は、電動モータ３の出力軸と同軸的に連結されたウォーム２１と、ステアリング軸２に外装された態様で同軸的に固定されたウォームホイール２２とを有しており、電動モータ３の駆動力を駆動歯車としてのウォーム２１に入力して被動歯車としてのウォームホイール２２を回転させるようになっている。

なお、ウォーム２１は、歯底円を外周とする芯部２３の周囲に１条の歯２４を備え、金属材料（例えば炭素鋼など）にて形成されている。このように１条の歯２４を用いることによりウォームホイール２２の歯数がそのまま減速比となるので、大きな減速比が得られ、トルクの小さい電動モータ３でも大きな倍力トルクが得られる。

他方、ウォームホイール２２は、ステアリング軸２に結合される芯金部２５と、この芯金部２５の周囲を取り囲むように形成されて、外周に歯２６が列設された環状の歯形成部２７とを備えている。芯金部２５は、金属材料にて形成されており、歯形成部２７は合成樹脂材料（例えばポリアミド樹脂など）にて形成されており、歯形成部２７はインサート成型などにて芯金部２５と一体的に結合されている。

次に、本発明に基づくウォーム２１について図３を参照して以下に説明する。なお、図３（ａ）は、従来例の図４に対応する図であり、上記と同様の部分については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。

ウォーム２１は、歯先円直径が一定（＝ｄ）の円筒ウォームに形成されており、ウォーム２１の軸線方向両端部には各軸受３２・３３により支持される各軸支部２１ａ・２１ｂが設けられ、図３（ｂ）に示されるように、両軸支部２１ａ・２１ｂ間に所定長の歯切り部Ｚ１を有している。歯切り部Ｚ１は、ウォームホイール２２が噛み合い得る歯形に形成されている有効歯切り部Ｚ１ａと、有効歯切り部Ｚ１ａへの噛み合い状態におけるウォームホイール２２との干渉を避けるために有効歯切り部Ｚ１ａに隣接して設けられた不完全歯切り部Ｚ１ｂとを有している。

また、有効歯切り部Ｚ１ａの歯底円直径は、中間領域Ｅ１で一定（＝ｄ１）であるが、中間領域Ｅ１の軸線方向両端から各不完全歯切り部Ｚ１ｂに至る領域（有効歯切り部Ｚ１ａの不完全歯切り部Ｚ１ｂに隣接する側の領域）Ｅ２では中間領域Ｅ１の歯底円直径ｄ１より拡径されている。図示例では、中間領域Ｅ１の端から歯切り部Ｚ１の軸線方向端に至るに連れて歯底円直径が漸増する形状に形成されている。これは、歯切り工具（図示せず）を、歯切り部Ｚ１の軸線方向への移動に応じてウォーム２１の半径方向外側に徐々に移動させる（逃がす）ことで簡単に形成することができる。

なお、領域Ｅ２では、ウォームホイール２２が有効に噛み合い得るが、ウォームホイール２２の歯先円は中間領域Ｅ１から遠ざかるに連れてウォーム２１の半径方向外側に逃げる軌跡になる。それに応じて、領域Ｅ２における歯底円直径の変化がウォームホイール２２の歯先円と干渉しない範囲で拡径していくことにより、ウォームホイール２２との有効な噛み合いを確保しつつ、ウォームホイール２２との干渉を回避することができる。

このように、有効歯切り部Ｚ１ａの範囲内である領域Ｅ２から歯底円直径が拡径するように形成されている。歯切り加工において歯切り工具をウォーム２１の軸線方向端部で逃がすのに要する軸線方向移動距離が同一の場合には、従来例では不完全歯切り部Ｚ１ｂでその移動距離を確保していた。それに対して、上記領域Ｅ２から歯切り工具を逃がし始める（拡径変化）加工により、歯切り工具を逃がすのに要する軸線方向移動距離は、領域Ｅ２と不完全歯切り部Ｚ１ｂとで確保することができる。これにより、不完全歯切り部Ｚ１ｂの軸線方向長さを短くすることができ、ウォーム２１の全長も短くすることができる。

また、歯底円直径は、歯切り部Ｚ１の軸線方向端で最大歯底円直径ｄ２となる。図３における右側の不完全歯切り部Ｚ１ｂの最大歯底円直径ｄ２は、右側の軸支部２１ａとの境の部分であり、電動モータ３側となる図における左側には軸支部２１ｂと有効歯切り部Ｚ１ａとの間に拡径胴部２８が設けられており、左側の不完全歯切り部Ｚ１ｂの最大歯底円直径ｄ２は拡径胴部２８と歯切り部Ｚ１との境の部分である。また、図３（ｂ）に示されるように、歯底円直径は、歯切り部Ｚ１においてウォーム２１の軸線方向について規定の歯底円直径ｄ１から漸増して最大歯底円直径ｄ２になるようにされており、芯部２３の対応する部分は模式的にテーパ面で示されている。なお、図示例の最大歯底円直径ｄ２は、軸支部２１ａ・２１ｂよりも拡径されている。

このように歯切り部Ｚ１において、ウォーム２１の軸線方向両端部にいくに従って中実軸に相当する芯部２３の太さ（歯底円直径）が太くなることから、従来例の全長に亘って同一径となる歯切り部Ｚ２に対して、本発明によるウォーム２１の曲げ剛性は高くなる。なお、ウォーム２１の軸線方向（Ｘ）についての歯底円直径（Ｙ）の増加率（ΔＹ／ΔＸ）を、有効歯切り部Ｚ１ａでのウォームホイール２２の噛み合い状態でウォーム２１の歯底とウォームホイール２２の歯先とが干渉せず、かつできるだけ大きくすることにより、ウォーム２１の軸線方向に対する長さに対してできるだけ短い範囲で歯底円を大きく拡径することができる。

このようにウォーム２１を形成することにより、有効歯切り部Ｚ１ａの歯先部分はウォームホイール２２が噛み合い得る規定の歯形に形成されているが、有効歯切り部Ｚ１ａの歯底円直径が拡径された領域Ｅ２におけるウォームホイール２２との噛み合い干渉が生じない。有効歯切り部Ｚ１ａの範囲内（領域Ｅ２）から歯底円直径を拡径することにより、不完全歯切り部Ｚ１ｂを従来例より短くすることができ（Ｚ１ｂ＜Ｚ２ｂ）、有効歯切り部Ｚ１ａの必要な長さを確保しつつ、歯切り部Ｚ１を従来例より短くすることができる（Ｚ１＜Ｚ２）。したがって、ウォーム２１の全長を短くすることができるため、両軸支部２１ａ・２１ｂの支持スパン（図３のＬｓ１）も短くなる（Ｌｓ１＜Ｌｓ２）。

これにより、ウォームホイール２２からの同一荷重によるウォーム２１の軸線に略直交する向きのたわみ量が従来例のものよりも減少し、それにより、ギヤの歯打ち音を小さくすることができると共に振動も低減することができる。このような歯打ち音の減少及び振動低減効果により、本発明に基づくウォームギヤ１１を例えば図示例のように電動パワーステアリング装置に適用した場合には良好な操舵フィーリングが得られる。また、ウォームの両軸支部間の長さが短いことにより、噛み合い部分に生じる発熱をウォーム両端部から外部へ逃がす熱伝導距離が短くなり、ウォームの歯面温度の上昇を低減でき、耐久性等を向上し得る。

なお、上記図示例では歯底円直径が漸増する例について示したが、階段状に拡径するものであっても良く、例えば、有効歯切り部Ｚ１ａの不完全歯切り部Ｚ１ｂ側の領域Ｅ２に中間領域Ｅ１の歯底円直径ｄ１よりも拡径された歯底円直径が同一径で連続する部分を設けるようにしても良い。

本発明にかかるウォームギヤは、ウォームホイールからの荷重によるウォームの軸線に略直交する向きのたわみ量が減少するため、電動パワーステアリング装置に限定されず、ウォームギヤを用いた減速機構を有する装置として有用である。

３電動モータ（電動機）
２１ウォーム
２１ａ・２１ｂ軸支部
２２ウォームホイール
３２・３３軸受
Ｚ１歯切り部
Ｚ１ａ有効歯切り部
Ｚ１ｂ不完全歯切り部

Claims

歯先円直径が一定の円筒ウォームと、前記ウォームと噛み合うウォームホイールとを備えたウォームギヤであって、
前記ウォームのねじ状の歯切り部が、前記ウォームホイールと噛み合う有効歯切り部と、前記ウォームホイールとの干渉を避けるべく前記有効歯切り部に隣接して設けられた不完全歯切り部とを有し、
前記有効歯切り部が、歯底円直径が一定の中間領域と、前記中間領域の両端から前記不完全歯切り部に至る領域とを有し、
前記有効歯切り部の前記中間領域の両端から前記不完全歯切り部に至る領域の歯底円直径が、前記ウォームホイールの歯先円と干渉しない範囲で、前記有効歯切り部の中間領域の歯底円直径よりも拡径され、
前記歯底円直径が拡径された部分の歯底円直径が、前記歯切り部の軸線方向端に至るに連れて漸増していることを特徴とするウォームギヤ。
前記ウォームは、電動機により駆動され、かつ前記電動機側とは相反する側の軸線方向端部に軸受により支持される軸支部を有し、
前記歯切り部の前記軸支部との境における歯底円直径が、前記軸支部の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のウォームギヤ。
前記ウォームの前記歯底円直径が拡径された部分の歯切り加工において、前記有効歯切り部の前記中間領域の両端から歯切り工具を逃がし始めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のウォームギヤの製造方法。