JP5626656B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置およびその製造方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、電動パワーステアリング装置における継手構造の改良に関する。

従来、自動車用操舵系において、電動式のパワーステアリング装置（ＥＰＳ：Electric Power Steering）が提案され、実用化されている。現在においては、ステアリングホイールに付加された操舵トルクに応じて、電動モータで補助操舵トルクを発生し、この補助操舵トルクをステアリング軸に伝達する電動パワーステアリング装置の開発が進められている。このような電動パワーステアリング装置では、電動モータが減速機構を介してステアリング軸に接続され、電動モータの回転は、減速機構により減速された後、ステアリング軸に伝達される。

このような電動パワーステアリング装置であって、モータのアクチュエーター出力シャフト（以下、モータシャフトという）と、ウォームシャフトが一直線上に配置されたタイプの装置においては、従来、その軸力の伝達および結合にはインボリュートスプラインが用いられてきた。インボリュートスプラインを用いた機構はギア側とモータ側の組立が容易であるため、大変有用である。

図１０の電動パワーステアリング装置はモータ１’のシャフト（モータシャフト）６’とウォームシャフト５’とが別体式の装置の一例である。モータシャフト６’はインボリュートスプライン７’等でウォームシャフト５’と勘合されており、モータ１’の回転およびトルクの伝達を行っている。なお、符号４’はウォームホイールである。

また、モータのモータシャフトとウォームシャフトが一直線上に配置されたタイプの電動パワーステアリング装置としては、モータシャフトとウォームシャフトを一体化したものもある（例えば特許文献１参照）。

図１１の電動パワーステアリング装置はモータシャフト６’とウォームシャフト５’とが一体式の装置の一例である。この形式はインボリュートスプラインが存在しないので、スプラインに起因する異音の発生やガタツキが抑制できる。

特開２００２−０７９９５１号公報

しかしながら、インボリュートスプラインでは軸方向の動きを規制することができない。また、スプラインの製造公差によって回転方向のガタツキが発生することがある。このようなガタツキは制御や出力のムラを生み、異音発生の原因ともなる。

また、上述のようにモータシャフトとウォームシャフトを一体化した電動パワーステアリング装置においてはこのようなガタツキを解消することが可能ではあるが、ウォームギアの組み込みとモータの取り付けを同時に行う為に組立の困難さが伴う。すなわち、特許文献１のように、モータシャフトとウォームシャフトが一体化している場合、一体化してウォームシャフトの取扱いが難しくなるため、ウォームホイールへのウォームシャフトの組み付けが困難になる。このため、ウォームホイール、ウォームシャフトからなるウォームギアに傷が付く可能性が高くなってしまう。また、ウォームギア内への汚れが混入する（コンタミが生じる）可能性が高くなる。

さらに、モータシャフトとウォームシャフトを一体化した電動パワーステアリング装置においては、モータ単体においてウォームシャフトの表面が剥き出しになるが、ウォームシャフトのギア表面は異音などといった電動パワーステアリング装置の性能に影響を与えることから、傷や埃に関し、さらには輸送時の取り扱いに関して慎重さを要する。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、モータシャフトとウォームシャフトを一体化させてガタツキを抑制しつつ、組立工程の簡略化を可能とした電動パワーステアリング装置およびその製造方法を提供することをその目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者は種々の検討を行い、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。本発明の電動パワーステアリング装置はかかる知見に基づくものであり、ステアリングに対して減速機構を介して操舵アシスト力を付与する電動モータを有する電動パワーステアリング装置において、モータシャフトとウォームシャフト間にジョイントを設け、モータシャフトとウォームシャフトとを一体締結した構造であり、ジョイントに形状記憶合金を用いたというものである。

このように、本発明においてはモータシャフトとウォームシャフトの結合に形状記憶合金（Shape Memory Alloy、以下ＳＭＡともいう）でできたジョイント（継ぎ手）を用い、当該ＳＭＡ製ジョイントをインボリュートスプラインの代替として配置している。外部からの加熱によってこのＳＭＡ製ジョイントを形状回復させ、その際発生する締結力を利用することによって、モータシャフトとウォームシャフトを一体化させることができる。

かかる電動パワーステアリング装置において、ジョイントが形状記憶合金製のパイプ状継手であってもよい。この場合、パイプ状継手は、スプラインが嵌入される継手であってもよい。パイプ状継手は、形状記憶合金の母相時、当該パイプ状継手の内径がモータシャフトの外径およびウォームシャフトの外径より細く形成されたものであることが好ましい。

また、本発明は、ステアリングに対して減速機構を介して操舵アシスト力を付与する電動モータを有する電動パワーステアリング装置の製造方法において、モータシャフトとウォームシャフト間に設けられるジョイントに形状記憶合金を用い、ジョイントとして当該形状記憶合金製のパイプ状継手を形成する際、形状記憶合金の母相時の当該ジョイントの内径がモータシャフトの外径およびウォームシャフトの外径よりも細くなるように形成し、ジョイントの内径をウォームシャフトとモータシャフトの外径よりも拡大させる加工をし、芯出しして組み付けたウォームシャフトとモータシャフトの継ぎ目にジョイントをセットし、形状記憶合金に外部から熱を加えてジョイントを収縮させ、モータシャフトとウォームシャフトとを一体締結した構造とするものである。

本発明によれば、モータシャフトとウォームシャフトを一体化させてガタツキを抑制しつつ、組立工程の簡略化が可能となる。

電動パワーステアリング装置の構成の概略を示す説明図である。 シャフト締結にＳＭＡ製ジョイントを用いた電動パワーステアリング装置の部分断面図である。 鋼材等の一般的な金属における応力−歪み曲線図である。 形状記憶合金（ＳＭＡ）における応力−歪み曲線図である。 ジョイントの形状概念例を示す横断面図である。 ジョイントの形状概念例を示す縦断面図である。 ジョイントの形状概念例を示す斜視図である。 ジョイントの組み付け前の加工例を示す、（Ａ）熱処理後、（Ｂ）内径の拡大加工後の図である。 ジョイントのシャフトへの組み付け例を示す、（Ａ）組み付け時、（Ｂ）加熱時、（Ｃ）冷却後の縦断面図である。 モータシャフトとウォームシャフトが別体式の電動パワーステアリング装置の一例を示す部分断面図である。 モータシャフトとウォームシャフトが一体式の電動パワーステアリング装置の一例を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる電動パワーステアリング装置１００の構成の概略を示す説明図である。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

電動パワーステアリング装置１００は、例えばコラムタイプのものであり、車両のステアリングホイールＨが固定されるステアリングシャフト３０と、ラック・ピニオン運動変換機構１１と、ステアリングホイールＨに付加された操舵トルクに応じて補助操舵トルクを発生させる電動モータ１と、電動モータ１とステアリングシャフト３０との間に介在され、電動モータ１の回転を減速させるウォーム減速機構１３等を有している。

ステアリングシャフト３０は、ステアリング入力軸１０ａとステアリング出力軸１０ｂを有し、ハウジング２０に覆われている。ステアリング入力軸１０ａの上端にステアリングホイールＨが固定されている。ステアリング入力軸１０ａとステアリング出力軸１０ｂは、トルクセンサ２１のトーションバーを介して接続されている。ステアリングホイールＨの操作により生じる操舵トルクは、ステアリング入力軸１０ａを通じてトルクセンサ２１により検出され、その検出された操舵トルクに基づいて電動モータ１の出力が制御される。

ウォーム減速機構１３は、ステアリング出力軸１０ｂに取り付けられたウォームホイール４と、ウォームホイール４の外周歯車に噛み合うウォーム３１を有している（図２参照）。ウォーム３１は、ハウジング３２に対して固定されている２つのベアリング（軸受）３３、３４により支持されている。ウォーム３１の一端は、電動モータ１の後述するスプラインシャフト（モータ出力シャフト）５２に対して同軸上にスプライン構造で結合されている。これにより、例えばステアリング出力軸１０ｂ及びウォームホイール４の駆動によりウォーム３１が受けたスプラインシャフト５２の軸方向Ｘの反力を、ウォーム減速機構１３において吸収できる。

図１に示すようにステアリング出力軸１０ｂとラック・ピニオン運動変換機構１１とは、２つの自在継手４０、４１と連結部材４２により連結されている。また、ラック・ピニオン運動変換機構１１は、ラック・ピニオンギアによりステアリング出力軸１０ｂと操作車輪のタイロッドを接続している。

電動モータ１とウォーム減速機構１３は一直線上に配置され、電動モータ１で発生した回転をウォーム減速機構１３で調整している。電動モータ１により出力された回転力は、ウォーム減速機構１３を介して、補助操舵トルクとしてステアリング出力軸１０ｂに伝達され、当該補助操舵トルクは、ステアリング出力軸１０ｂからラック・ピニオン運動変換機構１１を介して操作車輪のタイロッドに伝達される。

次に、電動パワーステアリング装置１００におけるジョイント９の構成について説明する。

図５〜図７に、ジョイント９の概念図を示す。本実施形態では、モータシャフト６ａとウォームシャフト６ｂ間にジョイント９を設け、モータシャフト６ａとウォームシャフト６ｂとを一体締結した構造としている。ジョイント９には、形状記憶合金（ＳＭＡ）を用いている。また、本実施形態では、例えばパイプ状のＳＭＡ製継手からなるジョイント（以下、単にパイプ状継手ともいう）９を用い、モータシャフト６ａとウォームシャフト６ｂを締結する（図２参照）。

ＳＭＡとは、常温ではマルテンサイト相だが、加熱により安定な母相に相変態し、相変態に伴い形状が回復することを特徴とする概知の金属である。このとき、母相での形状（つまり熱を掛けて元に戻ったときの形状）は、合金製造段階の焼入れ時の形状である。

ここで、図３に一般的な鋼材の応力−歪み曲線、図４にＳＭＡの応力−歪み曲線を示す。一般的な鋼材は、弾性変形領域ではバネ性（弾性）によって形状回復するが、塑性変形後は形状が回復しない。これに対して、ＳＭＡは塑性変形しても母相変態終了点（Ａｆ）以上の温度に加熱することにより母相時の形状まで回復することができる。

図８にジョイント（パイプ状継手）９の加工例を示す。符号９ａは熱処理後（母相形状）のＳＭＡ継ぎ手形状であり、このとき「パイプ状継手の内径＜シャフト（モータシャフト６ａ、ウォームシャフト６ｂ）の径」とすることで、加熱による相変体後、シャフトを締め付けられるようにしておく。この後、符号９ｂで示すようにジョイント９の内径を拡大して「パイプ状継手の内径＞シャフト（モータシャフト６ａ、ウォームシャフト６ｂ）の径」とし、ウォームシャフト６ｂ〜モータシャフト６ａの組立を行えるよう、部品の加工を行う（拡大加工）。

図９に、電動パワーステアリング装置１におけるシャフト（モータシャフト６ａ、ウォームシャフト６ｂ）とジョイント９との組立例を示す。図８に示したように内径を拡大したジョイント９（９ｂ）を、芯出しして組み付けたモータシャフト６ａとウォームシャフト６ｂの継ぎ目に組み込んでセットする。

この後、加熱用孔１０（図２参照）を用いて熱源により当該ジョイント９をＡｆ点以上に加熱し、熱処理後の継ぎ手形状９ｃに相変形させる。なお、当然ながら、ウォームシャフト６ｂとモータシャフト６ａの芯出しは、電動パワーステアリング装置１００本体と電動モータ１が組み合わされた後に行われるため、ジョイント９の加熱は電動パワーステアリング装置１００本体と電動モータが１組み合わされた後に行う必要がある。ただし、従来構造の電動パワーステアリング装置であれば、ハウジングが邪魔をしてジョイント９を加熱する手立てがない。そこで本実施形態では、例えばモータフランジに設けられた加熱用孔１０など、ハウジングの一部に設けた孔を利用して加熱経路を形成している。

上記加熱後、室温まで冷却しても、「パイプ状継手の内径＜シャフト（モータシャフト６ａ、ウォームシャフト６ｂ）の径」である母相形状は維持されるので、冷却後のジョイント９（９ｄ）はバネ性を有するが如く、モータシャフト６ａとウォームシャフト６ｂを締め付けて一体的に締結し、固定する。

上記説明のように、本実施形態における電動パワーステアリング装置１００においては、従来であればインボリュートスプライン部などで構成されていた部分が一体化されることより、異音の発生やガタツキが抑制できる。また、組立時は電動パワーステアリング装置１００本体とモータ部を別体とし、組付け後にＳＭＡの締結力を用いて一体化することから、製造ラインや組立の困難さや管理の複雑さが無い。しかも、ＳＭＡは母相形状が安定状態のため、加熱による形状回復後は常に締結力を発揮しつづける。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述したジョイント（パイプ状継手）の内周側、およびモータシャフト６ａとウォームシャフト６ｂの外周側に、空転対策としてリブ等の凹凸を施してもよい。あるいは、ジョイント９を、スプラインが嵌入される継手としてもよい。

１ 電動モータ（モータ）
４ ウォームホイール
６ａ モータシャフト
６ｂ ウォームシャフト
９ パイプ状継手（ジョイント）
１３ ウォーム減速機構（減速機構）
１００ 電動パワーステアリング装置

Claims (3)

1. ステアリングに対して減速機構を介して操舵アシスト力を付与する電動モータを有する電動パワーステアリング装置において、
   前記ステアリングの出力軸に取り付けられたウォームホイールと、
   ウォームホイールの外周歯車に噛み合うウォームと、
   該ウォームが取り付けられたウォームシャフトと、
   前記電動モータの出力軸であるモータシャフトと、
   該モータシャフトと前記ウォームシャフトを締結する、形状記憶合金製のパイプ状継手からなるジョイントと、
   該ジョイントを覆うハウジングであって、当該ハウジングによって覆われた状態の前記ジョイントを当該ハウジングの外部から加熱することを可能とする加熱経路を形成する孔を備えるハウジングと、
   を有している、電動パワーステアリング装置。
2. 前記パイプ状継手は、スプラインが嵌入される継手である、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記パイプ状継手は、前記形状記憶合金の母相時、当該パイプ状継手の内径が前記モータシャフトの外径および前記ウォームシャフトの外径より細く形成されたものである、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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