JP5429406B2 - ウォームホイール及び電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、ウォーム減速機を構成するウォームホイール、並びに、このウォームホイールを組み込んだ電動式パワーステアリング装置に関する。

自動車の操舵輪（フォークリフト等の特殊車両を除き、通常は前輪）に舵角を付与する際に、ステアリングホイールの操作に要する力の軽減を図る為の装置として、補助動力源として電動モータを使用する電動式パワーステアリング装置が広く使用されている。様々な構造の電動式パワーステアリング装置が知られているが、何れの構造の場合でも、ステアリングホイールの操作によって回転させられる回転軸に、電動モータの補助動力が、減速機を介して付与される。この様な減速機として、通常、ウォーム減速機が使用される。ウォーム減速機を使用した電動式パワーステアリング装置の場合、電動モータにより回転駆動されるウォームと、回転軸と共に回転するウォームホイールとを噛合させて、電動モータの補助動力の回転軸への伝達を可能としている。

図９〜１０は、従来の電動式パワーステアリング装置の１例を示している。ステアリングホイール１により回転させられるステアリングシャフト２の前端部は、ハウジング３の内側に回転自在に支持されており、このステアリングシャフト２により回転駆動される部分に、ウォームホイール４が固定されている。一方、電動モータ５の出力軸６にはウォーム７が連結されている。このウォーム７とウォームホイール４とを噛合させる事により、電動モータ５からウォームホイール４に対して、所定方向に所定の大きさの補助トルクを付与する事が可能となっている。

この様な電動式パワーステアリング装置の運転時には、前記ステアリングホイール１から前記ステアリングシャフト２に加えられるトルクの方向及び大きさに応じて、前記電動モータ５への通電方向及び通電量が制御される。そして、前記ウォーム７及び前記ウォームホイール４を通じて、前記ステアリングシャフト２に、適切な補助トルクが付与される。従って、このステアリングシャフト２から入力されるトルクよりも、前記中間シャフト８を通じて前記ステアリングギヤユニット９に伝達されるトルクの方が大きくなる。この結果、左右１対のタイロッド１０を、前記ステアリングホイール１に加えられた操作力よりも大きな力で押し引きできて、小さな操作力でも、左右１対の操舵輪に所望の舵角を付与できる。

電動式パワーステアリング装置の減速機を構成するウォームホイール４として従来から、例えば特許文献１〜５に記載されている様に、金属製のハブと合成樹脂製のギヤ部を組み合わせた複合構造のウォームホイールが、広く知られている。即ち、ステアリングシャフトに外嵌固定される部分を、金属製で円輪状のハブにより構成し、ウォームと噛合する部分を合成樹脂製のギヤ部により構成する。ギヤ部を合成樹脂製とする事により、ウォームホイールの外周面に歯を形成する作業が容易となる為、低コスト化が図られる。又、ウォームホイールとウォームとの噛合部で発生する歯打ち音の低減も図られる。図１１は、特許文献３に記載された構造のウォームホイール４ａを示し、図１２は、このウォームホイール４ａを組み込んだ電動式パワーステアリング装置の要部を示している。

前記ウォームホイール４ａは、ハブ１１と、ギヤ部１２とにより構成される。このうちのハブ１１は、銅系合金、鉄系合金等の金属により円輪状に形成されている。その中心部に、前記ハブ１１を出力軸１３に外嵌固定する為の円形の取付孔１４が設けられ、その軸方向片面（図１１及び図１２の左面）のうちで外周縁部よりも内径寄り部分に、軸方向に凹んだ環状凹部１５が設けられ、その外周縁部の外周面には、円周方向に凹凸が形成されたスプライン部（円周方向に関する凹凸部）１６が設けられている。

一方、前記ギヤ部１２は、炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維を混入した、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂等の合成樹脂製で、外周面にウォームホイール歯１７が設けられている。前記ギヤ部１２は、前記ハブ１１を金型にセットした状態で、このハブ１１の外径寄り部分と金型の内面との間に画成される円環状のキャビティ内に合成樹脂を送り込む事により、形成される。この際、合成樹脂を、前記ハブ１１の軸方向他面（図１１および図１２の右面）側に設置されたリングゲートからキャビティ内に送り込み、この合成樹脂を、前記ハブ１１の外周縁部を全周に亙り覆う状態で、モールド成形する。前記ギヤ部１２を構成する合成樹脂のうち、前記ハブ１１の軸方向片面側に存在するギヤ部１２の内周縁部に相当する部分は、前記環状凹部１５のうちの外径寄り部分に入り込んで抑え部１８を構成する。又、合成樹脂は、スプライン部１６の谷部にも入り込んで、ハブ１１とギヤ部１２とをトルク伝達可能に結合する。更に、リングゲートに繋がる部分の合成樹脂を除去する際に、その外径寄り部分を残して、第二抑え部１９としている。この構成により、前記ハブ１１と前記ギヤ部１２とが強固に結合される。このギヤ部１２の外周面のウォームホイール歯１７部分には、前記ハブ１１及びこのギヤ部１２を金型から取り出した後、仕上げの為の削り加工が施される。

この様なウォームホイール４ａは、図１２に示す様に、電動式パワーステアリング装置の出力軸１３に外嵌固定される。出力軸１３と、ステアリングホイール１（図９参照）により回転駆動される前記ステアリングシャフト２とは、トーションバー２０により結合される。又、ハウジング３の内面にトルクセンサ２１が設置され、前記ステアリングシャフト２と前記出力軸１３との間で伝達されるトルクを測定する事が可能となっている。そして、このトルクの測定値に基づいて、電動モータ５に通電され、前記ウォームホイール４ａを介して出力軸１３に、補助トルクが付与される。尚、この様な電動式パワーステアリング装置全体としての構成及び作用は、従来から広く知られている為、その詳しい説明は省略する。

近年、電動式パワーステアリング装置を、比較的大型の自動車にも使用する場合が増えており、前記ウォームホイール４ａを通じて前記出力軸１３に付与される補助トルクも大きくなる傾向にある。このウォームホイール４ａを通じて前記出力軸１３に補助トルクを付与する際には、このウォームホイール４ａとウォーム７（図１０参照）との噛合部からこのウォームホイール４ａに対して、図１１に矢印で示す様に、倒れ方向のモーメントＭが加わる。図１１〜１２に示したウォームホイール４ａの場合、このモーメントＭに対する、ハブ１１とギヤ部１２との結合部の強度が必ずしも十分とはいえず、この様な構造をそのまま、大きな補助トルクを付与する電動式パワーステアリング装置に適用すると、十分な耐久性を確保できない可能性がある。

特開平１１−３０１５０１号公報 特開２００１−２０６２３０号公報 特開２００４−３４９４１号公報 特開２００４−３４５５７３号公報 特開２００６−２２８８３号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑み、金属製のハブと合成樹脂製のギヤ部とを組み合わせて構成されるウォームホイールに関して、ハブとギヤ部との結合部の強度を十分に大きくでき、大きな補助トルクを付与する電動式パワーステアリング装置に適用した場合でも、十分な耐久性が確保される構造を実現する事を目的としている。

本発明のウォームホイールは、金属製のハブと合成樹脂製のギヤ部とにより構成される。このうちのハブは、回転軸を内嵌固定する為の取付孔を中心部に備える。又、ハブの軸方向片面のうちで外周縁よりも内径寄り部分に、軸方向に凹んだ第一環状凹部が周方向に設けられており、この第一環状凹部その外径寄り部分に第二環状凹部が設けられている。更に、前記ハブの外周縁部に、円周方向に関する凹凸部が周方向に亙って設けられている。

又、前記ギヤ部は、前記ハブの軸方向他面側に設置されたリングゲートから吐出された合成樹脂を、前記ハブの外径側端部を全周に亙り覆う状態でモールド成形する事により、形成されている。そして、前記ハブの軸方向片面側に存在する前記ギヤ部の内周縁部を、第一環状凹部のうちの外径寄り部分に入り込ませている。

本発明のウォームホイールでは、更に、前記ハブの中心軸を含む仮想平面に関する前記第二環状凹部の断面形状を、内径側の開口部から外径側の底部に向かうに従って軸方向に関する幅寸法が小さくなるＶ字形として、前記第二環状凹部を、前記第一環状凹部の外径側周面から更に径方向外方に凹入する状態で形成しており、前記ハブの軸方向片面側に存在する、前記ギヤ部の内周縁部を、前記第一環状凹部のうちの外径寄り部分に入り込ませ、且つ、前記ギヤ部を構成する合成樹脂の一部を、前記第二環状凹部にも入り込ませている。

又、本発明の電動式パワーステアリング装置は、ハウジングと、回転軸と、ウォームホイールと、電動モータとを備える。このうち、前記ハウジングは、固定の部分に支持されて回転する事がない。又、前記回転軸は、前記ハウジングに対し回転可能に設けられており、ステアリングホイールの操作により回転させられ、回転に伴って操舵輪に舵角を付与する。前記ウォームホイールは、前記ハウジングの内部で前記回転軸の一部に、この回転軸と同心に支持されて、この回転軸と共に回転する。前記ウォームは、ウォーム軸とこのウォーム軸の軸方向中間部に設けられたウォーム歯とにより構成されており、このウォーム歯を前記ウォームホイールと噛合させた状態で、前記ハウジングに対し回転可能に支持されている。更に、前記電動モータは、前記ウォームを回転駆動する為、前記ハウジングに対し支持固定されている。特に、本発明の電動式パワーステアリング装置に於いては、前記ウォームホイールが、上述した本発明のウォームホイールにより構成されている。

本発明のウォームホイールによれば、ハブとギヤ部との結合部の強度を十分に大きくできる。即ち、これらハブとギヤ部とが、凹入方向が互い異なる第一環状凹部と第二環状凹部との２箇所で係合している為、前記結合部の強度及び剛性が高くなり、前記ハブとギヤ部との間に大きなモーメントが加わった場合でも、前記結合部にがたつき等の損傷が発生する事を抑止できる。この為、大きな補助トルクを付与する電動式パワーステアリング装置に適用された場合でも、ウォーム減速機の耐久性を十分に確保できる。

本発明に関する参考例の第１例のウォームホイールを示す断面図。 参考例の第１例のウォームホイールのギヤ部を射出成型する状態を示す断面図。 参考例の第１例のウォームホイールを組み込んだ電動式パワーステアリング装置を示す要部断面図。 本発明の実施の形態の第１例のウォームホイールを示す断面図。 この第１例のウォームホイールのハブとギヤ部との結合部を示す拡大図。 本発明に関する参考例の第２例のウォームホイールを示す断面図。 この第２例のウォームホイールのハブとギヤ部との結合部を示す拡大図。 本発明の実施の形態の第３例のウォームホイールを示す断面図（Ａ）と、本発明に関する参考例の第３例のウォームホイールを示す断面図（Ｂ）。 従来の電動式パワーステアリング装置を組み込んだ自動車用操舵装置の部分切断略側面図。 図９の拡大Ｘ−Ｘ断面図。 従来構造の１例のウォームホイールを示す断面図。 図１１に示したウォームホイールを組み込んだ電動式パワーステアリング装置を示す要部断面図。

［本発明に関する参考例の第１例］
図１〜図３は、本発明に関する参考例の第１例を示している。尚、本参考例の特徴は、複合型のウォームホイール４ｂを構成する、金属製のハブ１１ａと合成樹脂製のギヤ部１２ａとの結合部の強度及び剛性を高くする為、この結合部の構造を工夫した点にある。その他の部分の構成及び作用は、図１１及び図１２に示した構造のウォームホイールと同様であるから、同等部分には同一符号を付して、重複する説明を省略若しくは簡略にし、以下、本参考例の特徴部分を中心に説明する。

本参考例の構造では、ハブ１１ａの軸方向片面（図１〜図３の左面）に設けた第一環状凹部１５に加えて、ハブ１１ａの軸方向他面（図１〜図３の右面）に第二環状凹部２２を形成している。この第二環状凹部２２の径方向に関する幅寸法は、前記第一環状凹部１５よりも小さくしている。具体的には、この第一環状凹部２２と前記第二環状凹部１５の外径側端部の位置はほぼ一致させ、この第二環状凹部２２の内径側端部を、前記第一環状凹部１５のほぼ径方向中間部に位置させている。尚、この第一環状凹部１５は、通常、前記ハブ１１ａの軸方向片面に周方向に亙って形成される。又、前記第二環状凹部２２も、このハブ１１ａの軸方向他面に周方向にわたって形成される。但し、これらの凹部１５、２２の何れに就いても、周方向の一部で途切れている形状も含まれる。

本参考例では、前記ギヤ部１２ａを構成する合成樹脂のうち、前記ハブ１１ａの軸方向片面側に存在する一部を、前記第一環状凹部１５内に入り込ませ、全周に亙り連続する第一抑え部１８とする事に加えて、前記ギヤ部１２ａを構成する合成樹脂のうち、前記ハブ１１ａの軸方向他面側に存在する一部を、前記第二環状凹部２２に入り込ませて、全周に亙り連続する、第二抑え部２３としている。尚、第一抑え部１８及び第二抑え部２２が、前記ギヤ１２ａの内周縁部を構成する。

本参考例のウォームホイール４ｂの構造によれば、前記ギヤ部１２ａは、前記ハブ１１ａの外周縁部（外径側端部）を、その外周面側と、その軸方向両側の内周面側とから挟み込む状態で、抱持する状態となる。この結果、前記ハブ１１ａと前記ギヤ部１２ａとの結合部の強度及び剛性を十分に大きくできる。即ち、これらハブ１１ａとギヤ部１２ａとが、前記第一環状凹部１５と前記第一抑え部１８との係合部、及び、前記第二環状凹部２２と前記第二抑え部２３との係合部の、２箇所の係合部で、それぞれ全周に亙って係合している。この為、前記ハブ１１ａと前記ギヤ部１２ａとの結合部の強度及び剛性が高くなり、これらハブ１１ａとギヤ部１２ａとの間に、図１に矢印で示す様な大きなモーメントＭが、何れの方向に加わった場合にも、ハブ１１ａとギヤ部１２ａの結合部にがたつき等の不具合が発生する事が抑止される。この為、大きな補助トルクを付与する電動式パワーステアリング装置を、図３に示す様に、ウォームホイール４ｂを含むウォーム減速機を利用して、構成した場合でも、このウォーム減速機の耐久性延いては電動式パワーステアリング装置の耐久性を、十分に確保できる。

又、本参考例の構造の場合、第二環状凹部２２の内径側周面（端部）及び外径側周面（端部）を、前記ハブ１１ａの軸方向他面側の開口部に向かう程、第二環状凹部２２の径方向に関する幅寸法が大きくなる方向に傾斜した傾斜面としている。更に、前記ハブ１１ａの軸方向他面のうちで、第二環状凹部２２よりも外径寄り部分と内径寄り部分とを同一平面上に存在させている。この為、前記ギヤ部１２ａの射出成形時に、金型装置２４のキャビティ２５内での溶融樹脂の流れを円滑にして、良質の前記ギヤ部１２ａが得られる。この点に就いて、図２を参照しつつ説明する。キャビティ２５内には、金型装置２４に設けたスプルー２６及びディスクゲート２７を通じて溶融樹脂が送り込まれる。この際、この溶融樹脂は、前記ハブ１１ａの軸方向他面に沿って内径側から外径側に流れ、その一部が前記第二環状凹部２２内に入り込む。この場合でも、この第二環状凹部２２の内径側周面及び外径側周面が傾斜面となっている事に加えて、この第二環状凹部２２よりも外径寄り部分と内径寄り部分とが同一平面上に存在する為、溶融樹脂は、流れを大きく乱す事無く、前記キャビティ２５のうちで前記ギヤ部１２ａの本体部分を構成する部分に入り込む。又、このキャビティ２５内に送り込まれた溶融樹脂は、前記第一抑え部１８に対応する部分に達して停止する。当該部分で、他の方向から流れてきた溶融樹脂と突き当たる事はない。この結果、射出成形により得られる前記ギヤ部１２ａに、強度的に弱い、ウェルド等が生じる事はない。尚、キャビティ２５内で冷却及び固化された合成樹脂は、金型装置２４を開いて、複数の金型同士を分離してから、第二環状凹部２２の径方向中間部分で全周にわたって切断する事により、図１及び図３に示すウォームホイール４ｂが得られる。

［実施の形態の第１例］
図４〜５は、本発明の実施の形態の第１例を示している。本例のウォームホイール４ｃの場合には、第二環状凹部２２ａを、第一環状凹部１５の内面のうちの外径側周面から、更に径方向外方に凹入する状態で形成している。又、前記第二環状凹部２２ａを、奥部に向かうに従って幅寸法が小さくなる、断面Ｖ字形の環状凹溝としている。

本例の構造の場合も、ギヤ部１２ｂを構成する合成樹脂の一部が、前記第二環状凹部２２ａ（環状凹溝）内に入り込んで係合部を構成する。即ち、この第二環状凹部２２ａと、この第二環状凹部２２ａ内で合成樹脂が冷却及び固化される事により形成された第二抑え部２３ａとの係合に基づき、前記ギヤ部１２ｂに対し、図５で反時計方向に作用するモーメントに対する強度及び剛性を高くしている。逆方向のモーメントに対しては、第一抑え部１８とハブ１１ｂの外周縁部（外径側端部）との係合に基づき、十分な強度及び剛性が確保される。この結果、ハブ１１ｂとギヤ部１２ｂとの結合部の強度及び剛性を、何れの方向のモーメントに対しても高くできる。又、このギヤ部１２ｂの射出成形時に、溶融樹脂は、最後に第二環状凹部２２ａ内に入り込むので、この結合部の強度を確保する上で不利なウェルド等が発生する事もない。

［本発明に関する参考例の第２例］
図６〜７は、本発明に関する参考例の第２例を示している。本参考例のウォームホイール４ｄの場合には、第二環状凹部（環状凹溝）２２ｂを、第一環状凹部１５の内面のうちの軸方向底面から軸方向に凹入する状態で形成している。その他の部分の構成及び作用は、上述した実施の形態の第１例と同様である。

［実施の形態の第２例及び本発明に関する参考例の第３例］
図８は、本発明の実施の形態の第２例及び本発明に関する参考例の第３例を示している。図８（Ａ）に示す実施の形態の第２例のウォームホイール４ｅは、図１に示した参考例の第１例と、図４〜５に示した実施の形態の第１例とを組み合わせた構造を有する。又、図８（Ｂ）に示す参考例の第３例のウォームホイール４ｆは、図１に示した参考例の第１例と、図６〜７に示した参考例の第２例とを組み合わせた構造を有する。何れの構造の場合も、ハブ１１ｄ、１１ｅとギヤ部１２ｄ、１２ｅとの結合部の強度及び剛性を、より一層向上させられる。その他の部分の構成及び作用は、実施の形態の第１例及び参考例の第１〜２例と同様である。

本発明のウォームホイールは、電動式パワーステアリング装置に限らず、各種の機械装置に組み込まれて使用される、ウォーム減速機にも適用可能である。

１ ステアリングホイール
２ ステアリングシャフト
３ ハウジング
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ ウォームホイール
５ 電動モータ
６ 出力軸
７ ウォーム
８ 中間シャフト
９ ステアリングギヤユニット
１０ タイロッド
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ ハブ
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ ギヤ部
１３ 出力軸
１４ 取付孔
１５ 環状凹部（第一環状凹部）
１６ スプライン部
１７ ウォームホイール歯
１８ 抑え部（第一抑え部）
１９ 第二抑え部
２０ トーションバー
２１ トルクセンサ
２２、２２ａ、２２ｂ 第二環状凹部
２３、２３ａ、２３ｂ 第二抑え部
２４ 金型装置
２５ キャビティ
２６ スプルー
２７ ディスクゲート

Claims (2)

1. 金属製のハブと合成樹脂製のギヤ部とにより構成され、
   前記ハブは、その中心部に設けられ、回転軸を内嵌固定する為の取付孔と、その軸方向片面のうちで外周縁よりも内径寄り部分に設けられ、軸方向に凹んだ第一環状凹部と、その外径寄り部分に設けられた第二環状凹部と、その外周縁部に設けられた円周方向に関する凹凸部とを備え、
   前記ギヤ部は、前記ハブの外径側端部を全周に亙り覆う合成樹脂により形成されており、
   前記ハブの中心軸を含む仮想平面に関する第二環状凹部の断面形状が、内径側の開口部から外径側の底部に向かうに従って軸方向に関する幅寸法が小さくなるＶ字形であって、前記第二環状凹部が、前記第一環状凹部の外径側周面から更に径方向外方に凹入する状態で形成されており、前記ハブの軸方向片面側に存在する、前記ギヤ部の内周縁部が、前記第一環状凹部のうちの外径寄り部分に入り込んでおり、且つ、前記ギヤ部を構成する合成樹脂の一部が、前記第二環状凹部にも入り込んでいる事を特徴とするウォームホイール。
2. 固定の部分に支持されて回転する事のない、ハウジングと、
   前記ハウジングに対し回転可能に設けられて、ステアリングホイールの操作により回転させられ、回転に伴って操舵輪に舵角を付与する、回転軸と、
   前記ハウジングの内部で前記回転軸の一部に、この回転軸と同心に支持されて、この回転軸と共に回転する、ウォームホイールと、
   ウォーム軸とこのウォーム軸の軸方向中間部に設けられたウォーム歯とにより構成され、このウォーム歯を前記ウォームホイールと噛合させた状態で、前記ハウジングに対し回転可能に支持されている、ウォームと、
   前記ウォームを回転駆動する為、前記ハウジングに対し支持固定されている、電動モータと、
   を備えた電動式パワーステアリング装置に於いて、
   前記ウォームホイールが請求項１に記載したウォームホイールである事を特徴とする、電動式パワーステアリング装置。

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