JP5495058B2 - 車両用操舵装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両用操舵装置及びその製造方法に関する。

振動、騒音を防止するために、転舵軸に設けられたねじ軸の雄ねじのリードと、ボールナットの雌ねじのリードとを互いに異ならせた電動パワーステアリング装置が提案されている（例えば特許文献１を参照）。
また、ハウジングの内周に保持された筒体内に、転舵軸を遊嵌した電動パワーステアリング装置が提案されている（例えば特許文献２を参照）。この電動パワーステアリング装置では、路面反力等により転舵軸に撓みが生じたときに、転舵軸の外周部が筒体の内周に接触し、転舵軸の撓み量を制限する。

また、ボール非循環型のボールねじにおいて、軸方向荷重に対する剛性を大きくするために、ボールが所定の接触角でアンギュラコンタクトするようにしたボールねじが提案されている（例えば特許文献３を参照）。
また、電動モータによって平行軸歯車機構を介してボールナットを回転駆動し、その回転をねじ軸の軸方向移動に変換する電動パワーステアリング装置が提案されている（例えば特許文献４を参照）。

特許第３８５６６０６号公報（図２、図３、第３３〜第３４段落） 特開２００４−３５２０５０号公報（図３、図４、第１７段落） 特許第３８５６４８２号公報（図３、第１６段落） 特開平７−２３７５４９号公報（要約書、図９）

ところで、ボールねじ機構を用いて転舵を行う車両用操舵装置では、路面反力によって、ねじ軸の端部（タイロッドとの結合部）がラジアル荷重を受けるため、ねじ軸が曲げ変形する。このため、ねじ軸とボールナットとのボール嵌合部にもラジアル荷重が負荷される。
その結果、各ボールにかかる負荷が不均一となり、部分的に高負荷となるおそれがある。これに対処するため、ボールねじ機構の強度を強くする必要がある。したがって、ボールねじ機構が大型化し、また製造コストが高くなる。

一方、特許文献２では、筒状のハウジングが軸受を介してボールナットを支持している。このため、ボールナットおよびハウジングの位置関係（径方向に関する位置関係）は、両者の間に介在する軸受のラジアル隙間の影響で、ばらつく。このようにボールナットに対して位置のばらつきのあるハウジングの内周に、ブッシュを保持しているので、ボールナットとブッシュとの位置関係、ひいては、ブッシュとねじ軸の位置関係もばらつく。その結果、ブッシュが転舵軸の撓みを制限する前に、ボール嵌合部に多大なラジアル荷重が負荷されてしまうおそれがあり、その場合、耐久性が低下する。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、小型、安価で耐久性に優れた車両用操舵装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明は、軸方向（Ｘ１）に移動可能な転舵軸（６）の一部に設けられたねじ軸（３２）と、ボール（３４）を介して上記ねじ軸と螺合するボールナット（３３）と、上記ボールナットを回転駆動する電動モータ（２１，２２）と、を備え、上記電動モータは、ロータ（２６）を含み、上記ロータは上記ボールナットとは上記軸方向に同伴移動可能なロータコア（２７）を有し、上記ロータコアの内周面（２７ｂ）に、上記ねじ軸を遊嵌した円筒状のブッシュ（３８，３９）と、上記ボールナットとが、同伴回転可能に保持され、上記ブッシュおよび上記ねじ軸の間の第１のラジアル隙間（Ｓ１）が、上記ボールおよび上記ねじ軸のねじ溝（３６）の間の第２のラジアル隙間（Ｓ２）よりも小さくされている車両用操舵装置（１）を提供する（請求項１）。

本発明では、ボールナットおよびブッシュがともにロータの内周に保持されているので、ボールナットとブッシュの位置関係を精度良く設定することができる。したがって、ブッシュおよびねじ軸の間の第１のラジアル隙間を、ボールおよびねじ溝の間の第２のラジアル隙間よりも小さくすることが実質的に可能となる。その結果、路面入力等でねじ軸に負荷されるラジアル荷重をブッシュによって確実に受けることができる。これにより、ボール嵌合部へのラジアル負荷を格段に低減することができ、その結果、ボールの軌道面のフレッチング摩耗等を防止でき、耐久性を向上することができる。また、ブッシュを追加するのみでよいので、小型、安価である。

また、上記ねじ軸の外周面は、螺旋状に繋がる円筒面状のランド部（４０）を含む場合がある（請求項２）。この場合、円筒面状のランド部によってブッシュに対する接触面積を確保することができ、ラジアル荷重を確実に受けることができる。また、ねじ軸がブッシュに対してスムーズに摺動することができる。
また、上記ブッシュは、当該ブッシュの内周面が上記ねじ軸の上記ランド部の少なくとも２周に対向可能な軸方向長さ（Ｌ１）を有している場合がある（請求項３）。この場合、ランド部とブッシュとの間に十分な接触面積を確保することがてきる。

また、上記ブッシュの少なくとも内周面が、低摩擦部材により形成されている場合がある（請求項４）。この場合、ブッシュがねじ軸に対して格段にスムーズに摺動回転することができる。
また、本発明は、上記の車両用操舵装置の製造方法であって、上記ブッシュを上記ロータコアに嵌合した後、上記ロータコアの外周面（２７ａ）を基準として上記ブッシュの上記内周面を仕上げ加工する車両用操舵装置の製造方法を提供する（請求項５）。この製造方法によれば、ロータコアに嵌合した状態のブッシュの内周面を、ロータコアの外周面を基準として加工するので、ロータコアに保持されるボールナットとブッシュの内周面との位置関係を精度良く設定することができる。ひいては、ブッシュおよびねじ軸の間の第１のラジアル隙間を、ボールおよびねじ溝の間の第２のラジアル隙間よりも小さい隙間に精度良く設定することができる。

なお、上記において、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

本発明の一実施の形態にかかる車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。 転舵軸と転舵軸を駆動する機構の概略断面図である。 転舵軸を駆動する機構の要部の拡大図である。 ボール嵌合部の拡大図である。 転舵軸を駆動する機構の要部の拡大図であり、転舵軸にラジアル荷重が負荷された状態を示している。 ブッシュの内周面を加工する工程を示す概略工程図である。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の一実施の形態の車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。図１を参照して、本車両用操舵装置１は、ステアリングホイール等の操舵部材２と転舵輪３との機械的な結合が解除された、いわゆるステアバイワイヤシステムを構成している。
操舵部材２の回転操作に応じて駆動される、例えばブラシレスの電動モータを含む転舵用アクチュエータ４の動作を、ハウジング５に支持された転舵軸６の車幅方向の直線運動に変換し、この転舵軸６の直線運動を舵取り用の左右の転舵輪３の転舵運動に変換することにより転舵が達成される。

転舵用アクチュエータ４の駆動力（出力軸の回転力）は、転舵軸６に関連して設けられた運動変換機構（たとえば、ボールねじ機構）により、転舵軸６の軸方向Ｘ１（車幅方向）の直線運動に変換される。この転舵軸６の直線運動は、転舵軸６の両端から突出して設けられたタイロッド７に伝達され、ナックルアーム８の回動を引き起こす。これにより、ナックルアーム８に支持された転舵輪３の転舵が達成される。

転舵軸６、タイロッド７およびナックルアーム８などにより、転舵輪３を転舵するための転舵機構５０が構成されている。転舵軸６を支持するハウジング５は、図示しないブラケット等を介して車体に固定されている。
操舵部材２は、車体に対して回転可能に支持された回転シャフト９に連結されている。この回転シャフト９には、操舵部材２に操作反力を与えるための反力用アクチュエータ１０が付設されている。反力用アクチュエータ１０は、回転シャフト９と一体の出力シャフトを有するブラシレスモータ等の電動モータを含む。

回転シャフト９の操作部材２とは反対側の端部には、例えば渦巻きばね等からなる弾性部材１１が車体との間に結合されている。この弾性部材１１は、反力用アクチュエータ１０が操舵部材２にトルクを付加していないときに、その弾性力によって、操舵部材２を直進操舵位置に復帰させる。
操舵部材２の操作入力値を検出するために、回転シャフト９に関連して、操舵部材２の操舵角θ_h を検出するための操舵角センサ１２が設けられている。また、回転シャフト９には、操舵部材２に加えられた操舵トルクＴを検出するためのトルクセンサ１３が設けられている。一方、転舵軸６に関連して、転舵輪３の転舵角δ_W （タイヤ角）を検出するための転舵角センサ１４が設けられている。

これらのセンサの他にも、車速Ｖを検出する車速センサ１５と、車体６０の上下加速度Ｇ_Z を検出する悪路状態検出センサとしての上下加速度センサ１６と、車両の横加速度Ｇ_y を検出する横加速度センサ１７と、車両のヨーレートγを検出するヨーレートセンサ１８とが設けられている。
上記のセンサ類１２〜１８の各検出信号は、マイクロコンピュータを含む構成の電子制御ユニット（ＥＣＵ）からなる車両制御手段としての制御装置１９に入力されるようになっている。

制御装置１９は、操舵角センサ１２によって検出された操舵角θ_h および車速センサ１５によって検出された車速Ｖに基づいて、目標転舵角を設定し、この目標転舵角と転舵角センサ１４によって検出された転舵角δ_W との偏差に基づいて、駆動回路２０Ａを介し、転舵用アクチュエータ４を駆動制御（転舵制御）する。
一方、制御装置１９は、センサ類１２〜１８が出力する検出信号に基づいて、操舵部材２の操舵方向と逆方向の適当な反力が発生されるように、駆動回路２０Ｂを介して、反力用アクチュエータ１０を駆動制御（反力制御）する。

図２を参照して、転舵軸６の途中部は、筒状のハウジング５内に挿入されている。ハウジング５の内周面５ａとハウジング５内に挿入された転舵軸６との間に、転舵用アクチュエータとしての第１および第２の電動モータ２１，２２と、これら電動モータ２１，２２の出力回転を転舵軸６の軸方向移動に変換する運動変換機構としてのボールねじ機構２３とが配置されている。

転舵用アクチュエータ４を構成する第１の電動モータ２１および第２の電動モータ２２は、ハウジング５内に、軸方向Ｘ１に並んで配置されている。第１の電動モータ２１は、ハウジング５の内周面５ａに固定された第１のステータ２４を備えており、第２の電動モータ２２は、ハウジング５の内周面５ａに固定された第２のステータ２５を備えている。第１の電動モータ２１および第２の電動モータ２２は、転舵軸６の周囲を取り囲む共通の筒状のロータ２６を有している。

ロータ２６は、転舵軸６の周囲を取り囲む筒状のロータコア２７と、ロータコア２７の外周面２７ａに同伴回転可能に嵌合された第１および第２の永久磁石２８，２９とを有している。第１の永久磁石２８および第２の永久磁石２９は、軸方向Ｘ１に並んで配置されている。第１の永久磁石２８は第１のステータ２４に対向し、第２の永久磁石２９は第２のステータ２５に対向している。

ハウジング５は、第１および第２の軸受３０，３１を介して、ロータ２６の軸方向の両端部を回転可能に支持している。具体的には、ロータコア２７は軸方向に関して第１および第２の端部２７１，２７２を有している。ハウジング５は、第１の軸受３０を介して、ロータコア２７の第１の端部２７１を回転可能に支持している。また、ハウジング５は、第２の軸受３１を介して、ロータコア２７の第２の端部２７２を回転可能に支持している。第１の軸受３０および第２の軸受３１の各外輪は、ハウジング５に対する軸方向移動が規制され、また、第１の軸受３０および第２の軸受３１の各内輪は、ロータコア２７に対する軸方向移動が規制されている。これにより、ハウジング５に対するロータコア２７の軸方向移動が規制されている。

ボールねじ機構２３は、転舵軸６の一部に形成されたねじ軸３２と、ねじ軸３２の周囲を取り囲み、上記ロータコア２７と同伴回転するボールナット３３と、列をなす多数のボール３４とを備えている。上記ボール３４は、ボールナット３３の内周に形成された螺旋状のねじ溝３５（雌ねじ溝）と、ねじ軸３２の外周に形成されたらせん状のねじ溝３６（雄ねじ溝）との間に介在している。

ボールナット３３は、ロータコア２７の内周面２７ｂに同伴回転可能に嵌合されている。また、ボールナット３３とロータコア２７の軸方向相対移動が規制されている。具体的には、ロータコア２７の内周面２７ｂに形成された凹部３７（凹部３７の底）に、ボールナット３３が同伴回転可能に嵌合されている。
図２の拡大図である図３に示すように、ボールナット３３の軸方向の第１および第２の端部３３１，３３２が、それぞれ、凹部３７の第１および第２の内壁面３７１，３７２に当接している。これにより、ロータコア２７に対するボールナット３３の軸方向移動が規制されている。一方、前述したように、ハウジング５に対するロータコア２７の軸方向移動が第１および第２の軸受３０，３１を介して規制されている。したがって、ハウジング５に対するボールナット３３の軸方向移動が規制されることになる。

また、ボールナット３３を挟んだ両側位置において、ロータコア２７の内周面２７ｂには、円筒状の第１および第２のブッシュ３８，３９が、同伴回転可能に嵌合されている。 ねじ軸３２の外周には、螺旋状のねじ溝３６が形成され、また、螺旋状に繋がる円筒面状のランド部４０が形成されている。各ブッシュ３８，３９の内周面３８ａ，３９ａとねじ軸３２との間には、より詳細には、各ブッシュ３８，３９の内周面３８ａ，３９ａとねじ軸３２の外周の円筒状のランド部４０との間には、第１のラジアル隙間Ｓ１が設けられている。

図４に示すように、ボール３４とねじ軸３２のねじ溝３６との間には、ねじ軸３２に対してボールナット３３をスムーズに回転させるために、第２のラジアル隙間Ｓ２が設けられている。なお、図４では、各ねじ溝３５，３６の断面形状を２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状としているが、これに限定されるものではない。
本実施の形態の特徴とするところは、各ブッシュ３８，３９およびねじ軸３２の円筒状のランド部４０間の第１のラジアル隙間Ｓ１が、ボール３４およびねじ溝３６間の第２のラジアル隙間Ｓ２（ボール３４の遊び量に相当）よりも小さくされていることにある。

すなわち、ボールナット３３および各ブッシュ３８，３９がともにロータ２６の内周（ロータコア２７の内周面２７ｂに相当）に保持されているので、ボールナット３３と各ブッシュ３８，３９の位置関係を精度良く設定することができる。したがって、各ブッシュ３８，３９およびねじ軸３２の間の第１のラジアル隙間Ｓ１を、ボール３４およびねじ溝３６の間の第２のラジアル隙間Ｓ２よりも小さくする（Ｓ１＜Ｓ２）ことが実質的に可能となる。

その結果、路面入力等でねじ軸３２に負荷されるラジアル荷重を、図５に示すように、第１および第２のブッシュ３８，３９の内周面３８ａ，３９ａ（図５では、ブッシュ３９のみを示してある）によって確実に受けることができる。これにより、ボール嵌合部に働くラジアル荷重を格段に低減することができ、その結果、ねじ溝３５，３６内の軌道面のフレッチング摩耗等を防止でき、耐久性を向上することができる。また、第１および第２のブッシュ３８，３９を追加するのみでよいので、小型、安価な車両用操舵装置１を実現することができる。

また、図３を参照して、各ブッシュ３８，３９は、各ブッシュ３８，３９の内周面３８ａ，３９ａがねじ軸３２のランド部４０の少なくとも２周に対向可能な軸方向長さＬ１を有している。これにより、ランド部４０と各ブッシュ３８，３９との間に十分な接触面積を確保することができるる。その結果、各ブッシュ３８，３９によって、ねじ軸３２からのラジアル荷重を確実に受けることができる。

また、各ブッシュ３８，３９の少なくとも内周面３８ａ，３９ａが、低摩擦部材により形成されていることが好ましい。すなわち、各ブッシュ３８，３９として、銅を含む低摩擦部材であるメタルブッシュを用いてもよい。また、低摩擦部材として、例えばＰＴＦＥからなる合成樹脂板や合成樹脂被覆層を用いてもよい。低摩擦部材を用いることにより、各ブッシュ３８，３９をねじ軸３２に対して格段にスムーズに摺動回転させることができる。

また、各ブッシュ３８，３９の内周面３８ａ，３９ａの仕上げ加工は、図６に示すように、当該ブッシュ３８，３９をロータコア２７の内周面２７ｂに嵌合した状態で、ロータコア２７の外周面２７ａを基準として、各ブッシュ３８，３９の内周面３８ａ，３９ａを仕上げ加工することが好ましい。 この場合、ロータコア２７に嵌合した状態の各ブッシュ３８，３９の内周面３８ａ，３９ａを、ロータコア２７の外周面２７ａを基準として加工するので、ともにロータコア２７に保持されるボールナット３３と各ブッシュ３８，３９の内周面３８ａ，３９ａとの位置関係を精度良く設定することができる。ひいては、各ブッシュ３８，３９およびねじ軸３２の間の第１のラジアル隙間Ｓ１（図３参照）を、ボール３４およびねじ溝３６の間の第２のラジアル隙間Ｓ２（図４参照）よりも小さい隙間に、精度良く設定することができる。

さらに、図６に示すように、ロータコア２７の内周面２７ｂの凹部３７にボールナットの製造用中間体３３０を嵌合した状態で、ロータコア２７の外周面２７ａを基準として、製造用中間体３３０の内周３３１に、ねじ溝３６を加工することが好ましい。この場合、ボールナット３３のねじ溝３５（図３参照）と各ブッシュ３８，３９の内周面３８ａ，３９ａが、同じ基準面（ロータコア２７の外周面２７ａ）を基準として加工されるので、各ブッシュ３８，３９およびねじ軸３２の間の第１のラジアル隙間Ｓ１をより精度良く設定することができる。

その他、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更を施すことができる。

１…車両用操舵装置、２…操舵部材、３…転舵輪、４…転舵用アクチュエータ、５…ハウジング、５ａ…（ハウジングの）内周面、６…転舵軸、７…タイロッド、８…ナックルアーム、２１…第１の電動モータ、２２…第２の電動モータ、２３…ボールねじ機構、２４…第１のステータ、２５…第２のステータ、２６…ロータ、２７…ロータコア、２７ａ…（ロータコアの）外周面、２７ｂ…（ロータコアの）内周面、２７１…第１の端部、２７２…第２の端部、２８…第１の永久磁石、２９…第２の永久磁石、３０…第１の軸受、３１…第２の軸受、３２…ねじ軸、３３…ボールナット、３４…ボール、３５…（ボールナットの）ねじ溝、３６…（ねじ軸の）ねじ溝、３７…凹部、３８…第１のブッシュ、３８ａ…内周面、３９…第２のブッシュ、３９ａ…内周面、４０…ランド部、３３０…（ボールナットの）製造用中間体、Ｌ１…（ブッシュの）軸方向長さ、Ｘ１…軸方向、Ｓ１…第１のラジアル隙間、Ｓ２…第２のラジアル隙間

Claims (5)

1. 軸方向に移動可能な転舵軸の一部に設けられたねじ軸と、
   ボールを介して上記ねじ軸と螺合するボールナットと、
   上記ボールナットを回転駆動する電動モータと、を備え、
   上記電動モータは、ロータを含み、
   上記ロータは、上記ボールナットとは上記軸方向に同伴移動可能なロータコアを有し、 上記ロータコアの内周面に、上記ねじ軸を遊嵌した円筒状のブッシュと、上記ボールナットとが、同伴回転可能に保持され、
   上記ブッシュおよび上記ねじ軸の間の第１のラジアル隙間が、上記ボールおよび上記ねじ軸のねじ溝の間の第２のラジアル隙間よりも小さくされている車両用操舵装置。
2. 請求項１において、上記ねじ軸の外周面は、螺旋状に繋がる円筒面状のランド部を含む車両用操舵装置。
3. 請求項２において、上記ブッシュは、当該ブッシュの内周面が上記ねじ軸の上記ランド部の少なくとも２周に対向可能な軸方向長さを有している車両用操舵装置。
4. 請求項１から３の何れか１項において、上記ブッシュの少なくとも内周面が、低摩擦部材により形成されている車両用操舵装置。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の車両用操舵装置の製造方法であって、上記ブッシュを上記ロータコアに嵌合した後、上記ロータコアの外周面を基準として上記ブッシュの上記内周面を仕上げ加工する車両用操舵装置の製造方法。

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