JP6181092B2 - ラックピニオン機構 - Google Patents

Description

本発明は、ラックピニオン機構に関する。

車両用の操舵装置は、ステアリングホイールの回転力を車幅方向の往復運動に変換するラックピニオン機構を備えている。ラックピニオン機構は、ステアリングホイールからの操作力（回転力）が入力されピニオン歯が形成されたピニオン軸と、ピニオン歯に噛合するラック歯が形成されたラック軸と、を備えている。

また、ラックピニオン機構は、ピニオン軸及びラック軸の間におけるバックラッシュを防止するために、ラック軸に摺接すると共にラック軸をピニオン軸に向けて押し付けるラックガイド（押し付け部）と、その弾性復元力によりラックガイドをラック軸に向けて付勢する圧縮コイルばねと、を備えている（特許文献１参照）。すなわち、圧縮コイルばねの弾性復元力によって、ラックガイドはラック軸をピニオン軸に向けて、常時に押し付けている。つまり、ラック軸及びピニオン軸が良好に噛合し、その軸間距離が適切である場合も、ラックガイドはラック軸をピニオン軸に押し付けている。

特開２００２−２４０７２３号公報

ところで、外部からラック軸にピニオン軸から離反させる大きな離反力が作用する虞のある場合、この大きな離反力に抗してラック軸をピニオン軸に押し付けるために、例えば圧縮コイルばねの線材を太くし、圧縮コイルばねの弾性復元力を大きくする構成が考えられる。

しかしながら、このように弾性復元力を大きくすると、通常状態（初期状態）におけるラックガイドからラック軸への押し付け力も大きくなり、その結果、ラック軸が車幅方向に移動し難くなるうえ、フリクションが大きくなってしまう。そうすると、ステアリングホイールの操舵フィーリングが低下する虞がある。

そこで、本発明は、通常時における操舵フィーリングを低下させず、ラック軸にピニオン軸から離反させる大きな離反力が作用した場合のみ、ラック軸をピニオン軸に押し付ける押し付け力が大きくなるラックピニオン機構を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、ピニオン歯が形成されたピニオン軸と、前記ピニオン歯に噛合するラック歯が形成されたラック軸と、前記ラック歯の反対側に配置され前記ラック軸を前記ピニオン軸に向けて押し付ける押し付け部と、弾性復元力によって前記押し付け部を前記ピニオン軸に近づく側に向けて付勢する第１弾性体と、弾性復元力によって前記押し付け部を前記ピニオン軸から遠ざかる側に向けて付勢する第２弾性体と、を備え、初期状態において、前記第１弾性体が前記押し付け部を付勢する第１付勢力は、前記第２弾性体が前記押し付け部を付勢する第２付勢力よりも大きいことを特徴とするラックピニオン機構である。

このような構成によれば、初期状態において、第１付勢力は第２付勢力よりも大きいので、押し付け部に第１付勢力と第２付勢力との差分の付勢力が作用することになる。そして、押し付け部は、この差分の付勢力で、ラック軸をピニオン軸に向けて押し付ける。このように、差分の付勢力でラック軸をピニオン軸に向けて押し付けるので、ラック軸の移動し易さ、ピニオン軸の回転し易さ、つまり、通常時における操舵フィーリングは低下しない。

そして、ラック軸にピニオン軸から離反させる大きな離反力が作用し、ラック軸及び押し付け部がピニオン軸から遠ざかる側（後記する実施形態では前側）に移動した場合、第１弾性体は縮退するからその第１付勢力は大きくなり、第２弾性体は自然長に近づくからその第２付勢力は小さくなる。これにより、押し付け部に作用するラック軸に向かう側の差分付勢力（第１付勢力−第２付勢力）が大きくなる。したがって、押し付け部がラック軸をピニオン軸に押し付ける押し付け力が大きくなる。よって、ラック軸にピニオン軸から離反させる大きな離反力が作用しても、ラック軸を大きな押し付け力でピニオン軸に押し付け戻すので、バックラッシュし難くなる。

また、前記ラック軸を挟んで前記押し付け部と向かい合うように配置されると共に前記押し付け部と一体であり、前記第２弾性体の第２付勢力を受ける受け部を備える構成としてもよい。

このような構成によれば、ラック軸を挟んで押し付け部と向かい合うように配置された受け部で第２弾性体の第２付勢力を受けることができる。

また、外力によって前記ラック軸が前記ピニオン軸から離間した場合、前記第２弾性体は自然長に復元する構成としてもよい。

このような構成によれば、第２弾性体は自然長に復元すると、第２弾性体の第２付勢力は０になる。これにより、第１弾性体の第１付勢力が、第２弾性体の第２付勢力で小さくならず、そのまま押し付け部に作用することになる。

また、前記第１弾性体の第１ばねレートは、前記第２弾性体の第２ばねレートよりも大きい構成としてもよい。

本発明によれば、通常時における操舵フィーリングを低下させず、ラック軸にピニオン軸から離反させる大きな離反力が作用した場合のみ、ラック軸をピニオン軸に押し付ける押し付け力が大きくなるラックピニオン機構を提供することができる。

本実施形態に係る操舵装置の構成図である。 本実施形態に係るラックピニオン機構の斜視図である。 本実施形態に係るラックピニオン機構の断面図であり、初期状態を示している。 本実施形態に係るラックピニオン機構の断面図であり、ラックガイドが前方に移動した状態を示している。 変形例に係るラックピニオン機構の断面図であり、初期状態を示している。

本発明の一実施形態について図１〜図４を参照して説明する。

≪操舵装置の構成≫
操舵装置１００は、ラックピニオン式の電動パワーステアリング装置であって、電動モータの発生するアシスト力がピニオン軸１０に入力されるピニオンアシスト型である。ただし、コラムアシスト型、ラックアシスト型でもよい。また、油圧モータでアシスト力を発生させる油圧パワーステアリング装置、電動モータを備えないマニュアルステアリング装置でもよい。

操舵装置１００は、運転者が操作するステアリングホイール１０１と、ステアリングホイール１０１と一体で回転するステアリング軸１０２と、ステアリング軸１０２の下端に連結されたトーションバー１０３と、ピニオン軸１０と、左右方向（車幅方向）に延びるラック軸２０と、を備えている。

≪ラックピニオン機構の構成≫
操舵装置１００は、ステアリングホイール１０１からの回転運動を左右方向の往復運動に変換するラックピニオン機構１を備えている。ラックピニオン機構１は、ピニオン軸１０と、ラック軸２０と、ラックガイド３０と、第１圧縮コイルばね５１（第１弾性体）及び第２圧縮コイルばね５２（第２弾性体）と、ハウジング６０と、を備えている。

＜ピニオン軸＞
ピニオン軸１０は、概ね上下方向に延びる丸棒状の部材であり、その上端はトーションバー１０３に連結されている。ピニオン軸１０の下端には、ピニオン歯１１が形成されている。ピニオン軸１０は、軸線Ｏ１を中心として、軸受（図示しない）を介してハウジング６０に回転自在に支持されている。

また、ピニオン軸１０にはウォームホイール（図示しない）が同軸で固定されている。そして、トーションバー１０３で発生した捩れトルクに対応して、電動モータ（図示しない）からウォームホイール（図示しない）にアシスト力が入力されるようになっている。

＜ラック軸＞
ラック軸２０は、左右方向に延びる棒状の部材であり、円筒状のブッシュ（図示しない）を介してハウジング６０に摺動自在で収容されている。ラック軸２０の各端部は、タイロッド１０４を介して、前輪１０５（転舵輪）に連結されている。

ラック軸２０が左右方向に延びる軸線Ｏ２に沿って移動すると前輪１０５の舵角が変化し、前輪１０５が転舵されるようになっている。ラック軸２０にはピニオン歯１１に噛合するラック歯２１が形成されている。本実施形態では、ラック歯２１の歯先は後向きであり、ラック軸２０がピニオン軸１０の前側に噛合する構成を例示する。ただし、ラック歯２１の歯先は前向きであり、ラック軸２０がピニオン軸１０の後側に噛合する構成でもよい。

ここで、例えば、前輪１０５が縁石に衝突したり、ステアリングホイール１０１が急操作されたりすると、ラック軸２０にピニオン軸１０から離反する離反力が作用するようになっている。

＜ラックガイド＞
ラックガイド３０は、前後方向に延びる外形が円柱状の部材であって、ピニオン軸１０及びラック軸２０の間におけるバックラッシュを防止するためラック軸２０をピニオン軸１０に向けて押し付けつつ、ラック軸２０を左右方向においてガイドする部材である。ラックガイド３０は、左右方向（車幅方向、ラック軸２０の軸方向）において、ピニオン軸１０と異なる位置に配置されている（図１参照）。

ラックガイド３０は、ラック軸２０の前側に配置されたラックガイド本体３１と、ラック軸２０の後側に配置された受け部３２と、２つの連結部３３と、を備えている。すなわち、外形が円柱状のラックガイド３０において、その前後方向略中間には、車幅方向に延びてラック軸２０が挿通される挿通孔３４が形成されている。ここで、本実施形態において、ラック歯２１の反対側は前側である。

なお、ここでは、ラックガイド本体３１と、受け部３２と、連結部３３とが一体成型された構成を例示する。ただし、ラックガイド本体３１及び受け部３２が別部材で構成され、２つの連結部材で連結され一体である構成でもよい。

＜ラックガイド本体＞
ラックガイド本体３１は、ラック軸２０の前側に配置され、第１圧縮コイルばね５１の後向きの第１付勢力Ｆ５１を受ける部分である。また、ラックガイド本体３１は、ラック軸２０をピニオン軸１０に向けて押し付けつつ、ラック軸２０をガイドする押し付け部である。つまり、ラックガイド本体３１は、前後方向において、ラック歯２１の反対側に配置されている。

ラックガイド本体３１の後側は側断面視（左右方向断面視）で半円状に切り欠かれており、半円弧状の摺接面３１ａが形成されている。摺接面３１ａは、ラック軸２０の前面に摺接し、ラック軸２０をガイドするガイド面である。そして、このようにラック軸２０が半円弧状の摺接面３１ａに摺接しているので、ラック軸２０が上下に移動せず、左右方向において良好にガイドされるようになっている。なお、摺接面３１ａにはラック軸２０との摩擦を低減させる樹脂層３１ｂが形成されている。

ラックガイド本体３１の外周面には、２つのＯリング４１、４１が取り付けられている。２つのＯリング４１、４１は、前後方向において２段で配置されており、ラックガイド本体３１及びハウジング６０の間をシールしている。

＜受け部＞
受け部３２は、第２圧縮コイルばね５２の前向きの付勢力を受ける部分であり、ラック軸２０の後側、つまり、ラック歯２１側に配置されている。すなわち、受け部３２は、前後方向においてラック軸２０を挟んでラックガイド本体３１と向かい合うように配置されている。受け部３２は、後記するように、ラックガイド本体３１と一体で構成されており、第２圧縮コイルばね５２の前向きの第２付勢力Ｆ５２は、受け部３２、連結部３３を介して、ラックガイド本体３１に伝達するようになっている。

受け部３２の外周面には、２つのＯリング４２、４２が取り付けられている。２つのＯリング４２、４２は、前後方向において２段で配置されており、受け部３２及びハウジング６０の間をシールしている。

＜連結部＞
２つの連結部３３、３３は、前後方向において、ラックガイド本体３１と受け部３２とを連結する部分である。これにより、ラックガイド本体３１と受け部３２は前後方向において一体で移動するようになっている。

＜第１圧縮コイルばね＞
第１圧縮コイルばね５１は、ハウジング６０内で前後方向に延びるように配置され、その弾性復元力によって、ラックガイド本体３１を後側（ピニオン軸１０に近づく側）に付勢する第１弾性体である。第１圧縮コイルばね５１は、ラックガイド本体３１とハウジング６０に螺合する第１キャップ６３との間に縮設されている。第１キャップ６３とハウジング６０との間は、Ｏリング６３ａでシールされている。

＜第２圧縮コイルばね＞
第２圧縮コイルばね５２は、ハウジング６０内で前後方向に延びるように配置され、その弾性復元力によって、受け部３２（ラックガイド本体３１）を前側（ピニオン軸１０から遠ざかる側）に付勢する第２弾性体である。第２圧縮コイルばね５２は、受け部３２とハウジング６０に螺合する第２キャップ６４との間に縮設されている。第２キャップ６４とハウジング６０との間は、Ｏリング６４ａでシールされている。

＜第１圧縮コイルばね、第２圧縮コイルばねの付勢力＞
初期状態（通常状態）において、第１圧縮コイルばね５１がラックガイド本体３１を後向きに付勢する第１付勢力Ｆ５１は、第２圧縮コイルばね５２が受け部５２を前向きに付勢する第２付勢力Ｆ５２よりも大きい（Ｆ５１＞Ｆ５２）。

ここで、初期状態とは、ピニオン軸１０（ステアリングホイール１０１）が中立状態であって、ラック軸２０に外力が入力されていない状態（セット状態）を意味する。第１付勢力Ｆ５１は、第１圧縮コイルばね５１の第１ばねレートＫ５１（ばね定数）と、第１圧縮コイルばね５１の自然長からの縮退長さＬ５１との積で与えられる（Ｆ５１＝Ｋ５１×Ｌ５１）。第２付勢力Ｆ５２は、第２圧縮コイルばね５２の第２ばねレートＫ５２（ばね定数）と、第２圧縮コイルばね５２の自然長からの縮退長さＬ５２との積で与えられる（Ｆ５２＝Ｋ５２×Ｌ５２）。

このように第１付勢力Ｆ５１は第２付勢力Ｆ５２よりも大きいので、ラックガイド３０は、その差分付勢力Ｆ３０（Ｆ３０＝Ｆ５１−Ｆ５２）でラック軸２０をピニオン軸１０に押し付ける。これにより、ラック軸２０のラック歯２１と、ピニオン軸１０のピニオン歯１１とが良好に噛合し、バックラッシュが防止されている。

＜第２圧縮コイルばねの自然長＞
第２圧縮コイルばね５２は、図４に示すように、例えば前向きの外力によってラック軸２０が前方に移動してピニオン軸１０から離間し、ラック歯２１及びピニオン歯１１の間に隙間Ｓ１が噛合状態を維持しつつ大きくなり、自然長（自由長）に戻って復元するように構成されている。自然長は圧縮荷重又は引張荷重の作用していない場合におけるばね長さである。そして、さらに、ラックガイド３０が前方に移動すると、第２圧縮コイルばね５２と受け部３２との間に隙間Ｓ２が形成されるようになっている。

そして、このように第２圧縮コイルばね５２が自然長に戻るので、前向きの第２付勢力Ｆ５２が０になり、後向きの第１付勢力Ｆ５１がそのままラックガイド３０に作用するようになっている。すなわち、第１付勢力Ｆ５１は第２付勢力Ｆ５２で小さくならず、大きな第１付勢力Ｆ５１がラックガイド３０に作用し、ラックガイド３０が大きな第１付勢力Ｆ５１でラック軸２０をピニオン軸１０に向けて後向きで押し付け、ラック軸２０が後側に速やかに戻されるようになっている。

＜第１圧縮コイルばね、第２圧縮コイルばねのばねレート＞
第１圧縮コイルばね５１の第１ばねレートＫ５１は、第２圧縮コイルばね５２の第２ばねレートＫ５２よりも大きい（Ｋ５１＞Ｋ５２）。第１圧縮コイルばね５１の第１ばねレートＫ５１の第１ばねレートＫ５１は、第１圧縮コイルばね５１を形成する線材の太さ、材質を変更することで適宜に調整される。第２圧縮コイルばね５２の第２ばねレートＫ５２についても同様である。これにより、ラックガイド３０が前方に移動した場合、より大きな後向きの第１付勢力Ｆ５１が発生し、ラックガイド３０がラック軸２０をピニオン軸１０に大きな第１付勢力Ｆ５１で押し付けるようになっている。

＜ハウジング＞
ハウジング６０は、ピニオン軸１０の下端部、ラック軸２０、ラックガイド３０を収容する筐体である。ハウジング６０は、マウント（図示しない）等を介して、車体に固定されている。ハウジング６０には、左右方向に貫通する第１貫通孔６１が形成されている（図１参照）。第１貫通孔６１はラック軸２０が挿通される孔である。

また、ハウジング６０には、前後方向に貫通する第２貫通孔６２が形成されている（図２参照）。第２貫通孔６２はラックガイド３０が挿通される孔であって、ラックガイド３０を前後方向においてガイドする孔である。

≪ラックピニオン機構の作用効果≫
このようなラックピニオン機構１によれば次の作用効果を得る。
初期状態において、第１付勢力Ｆ５１は第２付勢力Ｆ５２よりも大きいので、ラックガイド３０に、ラック軸２０向きであって、第１付勢力Ｆ５１と第２付勢力Ｆ５２との差分である差分付勢力Ｆ３０（Ｆ３０＝Ｆ５１−Ｆ５２）が作用する。そして、ラックガイド３０が、この差分付勢力Ｆ３０で、ラック軸２０をピニオン軸１０に向けて押し付ける。これにより、ラック軸２０の移動性、ピニオン軸１０の回転性は低下せず、通常時における操舵フィーリングは低下しない。

一方、例えば外部からラック軸２０にピニオン軸１０から離反させる離反力が作用し、ラック軸２０及びラックガイド３０がピニオン軸１０から遠ざかる前側に移動した場合、第１圧縮コイルばね５１は縮退するからその第１付勢力Ｆ５１は大きくなり、第２圧縮コイルばね５２は自然長に近づくからその第２付勢力Ｆ５２は小さくなる。

これにより、ラックガイド３０に作用するラック軸２０に向かう後向きの差分付勢力Ｆ３０（Ｆ３０＝Ｆ５１−Ｆ５２）が大きくなる。したがって、ラック軸２０をピニオン軸１０に押し付ける押し付け力が大きくなる。よって、ラック軸２０ピニオン軸１０に押し付けられで、バックラッシュし難くなる。

≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更してもよい。

前記した実施形態では、１本のピニオン軸１０を備え、このピニオン軸１０にアシスト力が入力される操舵装置１００に本発明を適用した構成を例示したが、その他に例えば、ピニオン軸１０と別であってアシスト力が入力されるピニオン軸を備え、この別のピニオン軸とラック軸２０との噛合部分に本発明を適用してもよい。すなわち、デュアルピニオン型の操舵装置１００に本発明を適用してもよい。

前記した実施形態では、第１弾性体、第２弾性体が、圧縮コイルばねである構成を例示したが、その他に例えば、皿ばねである構成でもよい。また、第１弾性体、第２弾性体が、ゴム製のゴム体である構成でもよく、この構成の場合、ゴム体の材質、軸方向長さ、直径等を変更することで、付勢力を適宜に変更できる。

図５に示すように構成してもよい。すなわち、第２圧縮コイルばね５２は、第１圧縮コイルばね５１と同一であるラック軸２０の前側に配置されている。そして、第２圧縮コイルばね５２は、ラックガイド本体３１の部分的に大径である肩部３５と、第２貫通孔６２の内周面において径方向内向きに突出する突出壁部６５との間に縮設されている。

１ ラックピニオン機構
１０ ピニオン軸
１１ ピニオン歯
２０ ラック軸
２１ ラック歯
３０ ラックガイド
３１ ラックガイド本体（押し付け部）
３２ 受け部
５１ 第１圧縮コイルばね（第１弾性体）
５２ 第２圧縮コイルばね（第２弾性体）
６０ ハウジング
１００ 操舵装置
Ｆ５１ 第１圧縮コイルばねの第１付勢力
Ｆ５２ 第２圧縮コイルばねの第２付勢力

Claims (4)

1. ピニオン歯が形成されたピニオン軸と、
   前記ピニオン歯に噛合するラック歯が形成されたラック軸と、
   前記ラック歯の反対側に配置され前記ラック軸を前記ピニオン軸に向けて押し付ける押し付け部と、
   弾性復元力によって前記押し付け部を前記ピニオン軸に近づく側に向けて付勢する第１弾性体と、
   弾性復元力によって前記押し付け部を前記ピニオン軸から遠ざかる側に向けて付勢する第２弾性体と、
   を備え、
   初期状態において、前記第１弾性体が前記押し付け部を付勢する第１付勢力は、前記第２弾性体が前記押し付け部を付勢する第２付勢力よりも大きい
   ことを特徴とするラックピニオン機構。
2. 前記ラック軸を挟んで前記押し付け部と向かい合うように配置されると共に前記押し付け部と一体であり、前記第２弾性体の第２付勢力を受ける受け部を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のラックピニオン機構。
3. 外力によって前記ラック軸が前記ピニオン軸から離間した場合、前記第２弾性体は自然長に復元する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のラックピニオン機構。
4. 前記第１弾性体の第１ばねレートは、前記第２弾性体の第２ばねレートよりも大きい
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のラックピニオン機構。

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