JP6506115B2 - 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に関するものである。

電動パワーステアリング装置とは、運転者の操舵力をモータでアシストし、車両進行方向を変えるための装置である。その一種で、モータの軸線とラック軸とを平行に配置し、モータの動力をベルトとボールねじで伝達するベルト駆動式の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、２）。

特許文献１、２に記載の電動パワーステアリング装置は、電動モータの出力軸の回転をプーリ・ベルト機構からなる減速機構を介して減速した後、ラック軸と同軸上に配置されたボールねじ機構を介してラック軸の軸方向運動に変換するものである。

特開２００４−３１４７７０号公報 特開２０１３−１９４９０１号公報

特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置では、ラック軸の軸直角方向から見て、駆動側プーリと従動側プーリに巻きかけられているベルトが、ボールねじを構成するナットや、ナットを回転自在に支持するベアリングの重心からオフセットした位置で配置されている。

このため、図９に示すように、ベルト６の張力は、ベアリングを回転中心とするモーメントとなり、ナット３をラック軸８に対して傾ける。このようなナット３とラック軸８との傾きは、ボール１２に偏った負荷を与え、ボールねじの効率低下や、ボールがねじ面を転動する際に発生するボール転動音を増大させる。

また、特許文献２に記載の電動パワーステアリング装置では、ナット軸まわりの回転モーメントを発生させないために、従動側プーリと、ナットを回転自在に支持するベアリングとが、ラック軸の軸直角方向に沿って同一位置に配置されている。このため、装置の大型化や複雑化を招いている。

本発明の課題は、プーリ・ベルト機構とボールねじ機構を有する電動パワーステアリング装置において、装置の大型化や複雑化を招くことなく、ベルトの張力によって生じるラック軸に対するナットの傾きを抑制することにある。

上記の課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。その一例としては、ナットの回転運動をラック軸の軸方向運動に変換するボールねじ機構と、モータの駆動力を前記ナットに伝達するベルトと、を備えた電動パワーステアリング装置において、前記ナットに直接又は間接に作用する前記ベルトの張力に対抗する反力を発生させる反力発生機構を設け、前記ナットの軸方向の一端側において前記ナットを回転可能に支持するベアリングを備え、前記反力発生機構は、前記ベアリングを回転中心とする前記ベルトの張力によるモーメントとは逆方向のモーメントを発生させ、前記反力発生機構は、前記ベアリングが配置される側の前記一端側とは前記ベルトを挟んで反対側である前記ナットの他端側に前記逆方向のモーメントを発生させるものであり、前記反力発生機構は、前記ナットの前記他端側を前記ベルトの張力とは反対側に付勢する付勢手段であることを特徴とする。

本発明によれば、モータの動力をベルトとボールねじで伝達するベルト駆動式の電動パワーステアリング装置において、ナットとラック軸の相対角度が減少し、ボールねじ機構のボールの負荷を均一化することができる。したがって、小型で簡易な構造でありながら、ボールねじの効率が高く、ボールがねじ面を転動する際に発生するボール転動音が小さい電動パワーステアリング装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の断面図 本発明の第２の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の断面図 本発明の第３の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の断面図 本発明の第４の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の断面図 本発明の第５の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の断面図 本発明の第６の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の断面図 図６（ａ）のＡ−Ａ断面から見た断面図 本発明の第７の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の断面図 本発明の第８の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の断面図 図８（ａ）のＢ−Ｂ断面から見た断面図 従来の電動パワーステアリング装置の断面図

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

まず、図９を用いて、本発明が解決しようとする課題について詳説する。図９は、従来の電動パワーステアリング装置の構造を示す要部断面図である。

電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力をプーリ・ベルト機構からなる減速機構を介してラック軸８に伝達することで、運転者の操舵力に対するアシスト力を付与するものである。不図示のモータには、出力軸に円筒状の駆動側プーリが設けられる。駆動側プーリは、モータの出力軸と一体に回転するように固定されている。

電動パワーステアリング装置は、ラック軸８と、ナット３と、ボール１２により構成されるボールねじ機構を備える。ラック軸８は、モータの出力軸と平行に配置される。ラック軸８の外周には、らせん状に雄ねじ溝が形成される。ナット３の内周には、らせん状に雌ねじ溝が形成される。ラック軸８の雄ねじ溝とナット３の雌ねじ溝の間には、ボール１２が複数個設けられる。ボールねじ機構は、ナット３の回転運動をラック軸８の直動運動に変換する。

ナット３の外周には、円筒状の従動側プーリ７が設けられる。従動側プーリ７は、ナット３と同軸となるようにナット３に固定される。駆動側プーリと従動側プーリ７には、ベルト６が巻回される。ベルト６は、モータの動力をナット３に伝達し、ナット３を回転させる。また、ナット３の外周には、当該ナット３を回転可能に支持するベアリングが設けられる。図９では、ナット３の外周面がベアリングインナーレースとして形成されている。また、ベアリングは、ベアリングボール４と、ベアリングアウターレース２とを有する。ベアリングアウターレース２は、ハウジング１の内周に固定される。

図９に示されるように、ナット３は、軸方向の一端がベルト６によって径方向に張力を受けている一方で、軸方向の他端がベアリングによってハウジングに対して回転可能に支持される。このようなベルト６の張力は、ベアリングを回転中心とするモーメントとなるため、ナット３をラック軸８に対して傾けるように作用する。図９においては、ベルト張力によるモーメントは、ナット３に対して反時計周りの方向に働くモーメントとなる。図中の符号１１で示すのは、ナット３の軸方向であるナット軸方向９とラック軸８の軸方向であるラック軸方向１０との相対角度差である。なお、図中では説明のため、角度１１を実際よりも強調して図示している。

ナット軸方向９とラック軸方向１０との間に図９のように角度差１１が存在する場合、ボールねじボール１２の中でも特に、符号１３で示すボールねじボールに荷重が加わる。荷重を受けるボールねじボール１３は、循環中のボールねじボール１２の中でも、ナット３がベルト６によって張力を受ける側の軸方向一端において、駆動側プーリとは反対側に位置するボールねじボールである。また、ナット３の他端において、駆動側プーリが配置される側に位置するボールねじボールも荷重を受けるボールねじボール１３となる。

このような荷重を受けるボールねじボール１３がラック軸８やナット３の転動面を転がることで騒音が発生する。また、このようなボールねじボール１２の偏った負荷は、ボールねじの効率低下や耐久性の低下なども引き起こす可能性がある。

このような課題に鑑み、以下で説明する本発明の各実施形態は、ベルト６によるナット３への張力に対抗して、ナット軸方向９とラック軸方向１０との間の角度差を極力低減させるような構造とすることを基本的な思想として考案されたものである。本発明の実施の形態は、図１〜図８を用いて順に説明をする。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す要部断面図である。本実施形態の電動パワーステアリング装置は、ナット３の最大傾斜角を減少させる反力発生機構として、ベアリングのアウターレース２の外周側にシム１４を設けたものである。

本実施形態に係るベアリングアウターレース２は、シム１４によって、ラック軸方向１０の直角方向１５に対して傾斜している。従動側プーリ７に対して駆動側プーリが配置される側の方向を上方向と定義した場合に、シム１４は、ナット３の上方向であって、ベアリングアウターレース２に対してベルト６が配置される側とは反対側に配置される。ベアリングアウターレース２の径方向であるベアリング外周径方向５は、ナット径方向１５に対して時計回りに傾斜している。

本実施形態において反力発生機構として機能するシム１４は、ベアリングを回転中心とするベルト６の張力によるモーメントとは逆方向のモーメントを発生させる機構であり、ベアリングのアウターレース２をインナーレースに対して傾斜させる力を発生させる機構である。

このように、ベアリング外周径方向５とナット径方向１５との間に相対角度差１６が形成されていることにより、ナット３に対して、ベアリングボール４の変形に起因する時計回りのモーメントを生じる。この時計回りのモーメントにより、ベルト６の張力による反時計回りのモーメントが相殺され、ナット３の最大傾斜角が減少される。したがって、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、操舵時において転動するボールねじボール１２に加わる負荷が均一化され、ボールねじ転動音を低減することができる。

なお、本実施形態におけるシム１４の構成としてはこれに限られない。例えば、軸方向厚さが周方向に異なる環状のシム１４を用意し、軸方向厚さが厚い部分をナット３に対して上方向に、軸方向厚さが薄い部分をナット３に対して下方向に配置する構成としても良い。また、アウターレース２の径方向外側の外周にシム１４を設けても良い。要するに、ベアリングのアウターレース２をインナーレースに対して傾斜する力を発生させることができれば良い。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す要部断面図である。本実施形態の電動パワーステアリング装置は、ナット３の最大傾斜角を減少させる反力発生機構として、ハウジング１の内周側に傾斜面１７を設けたものである。

本実施形態に係るベアリングアウターレース２は、ハウジング１の内周側に形成された傾斜面１７によって、ラック軸方向１０の直角方向１５に対して傾斜している。ここでいう傾斜面１７は、ベアリングのインナーレースたるナット３に対して傾斜して設けられるベアリングのアウターレース２の外周面に対応するハウジング１側の内周面である。

本実施形態において反力発生機構として機能する傾斜面１７は、ベアリングを回転中心とするベルト６の張力によるモーメントとは逆方向のモーメントを発生させる機構であり、ベアリングのアウターレース２をインナーレースに対して傾斜させる力を発生させる機構である。

このように、ベアリング外周径方向５とナット径方向１５との間に相対角度差１６が形成されていることにより、ナット３に対して、ベアリングボール４の変形に起因する時計回りのモーメントを生じる。この時計回りのモーメントにより、ベルト６の張力による反時計回りのモーメントが相殺され、ナット３の最大傾斜角が減少される。したがって、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、操舵時において転動するボールねじボール１２に加わる負荷が均一化され、ボールねじ転動音を低減することができる。

また、本実施形態においては、ベアリング外周径方向５とナット径方向１５との間に相対角度差１６を設けるために別途シムなどを設ける必要がない。そのため、部品点数を増やすことなく、所望の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す要部断面図である。本実施形態の電動パワーステアリング装置は、ナッ３トの最大傾斜角を減少させる反力発生機構として、ベアリングのアウターレース２の外周側に弾性体１８を設けたものである。

本実施形態に係るベアリングアウターレース２は、弾性体１８によって、図３における時計回りにモーメントが加わるように付勢されている。本実施形態では、従動側プーリ７に対して駆動側プーリが配置される側の方向を上方向と定義した場合において、弾性体１８は、ナット３よりも上方向ではアウターレース２に対してベルト６が配置される側とは反対側に配置される。また、弾性体１８は、ナット３よりも下方向では、アウターレース２に対してベルト６が配置される側に配置される。

本実施形態において反力発生機構として機能する弾性体１８は、ベアリングを回転中心とするベルト６の張力によるモーメントとは逆方向のモーメントを発生させる機構であり、ベアリングのアウターレース２をインナーレースに対して傾斜させる力を発生させる機構である。

このような弾性体１８によって発生するナット３を中心とする時計回りのモーメントは、ベルト６の張力によって発生する反時計回りのモーメントと相殺される。したがって、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、操舵時において転動するボールねじボール１２に加わる負荷が均一化され、ボールねじ転動音を低減することができる。

また、本実施形態においては、ベアリングが弾性支持されるため、ハウジング１に伝達する振動を抑制し、音振動低減効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
図４は、第４の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す要部断面図である。本実施形態の電動パワーステアリング装置は、ナット３の最大傾斜角を減少させる反力発生機構として、ナット３の他端側を回転可能に保持する第２のベアリングを設けたものである。

本実施形態に係る第２のベアリングは、ナット３の他端側に一体に設けられたインナーレースと、ベルト側ベアリングアウターレース１９と、ベルト側ベアリングボール２０と、により構成される。ベルト側ベアリングアウターレース１９は、ベアリングアウターレース２と同様に、ハウジング１の内周側に保持される。ナット３は、一端側に形成されたインナーレースがベアリングボール４と当接し、他端側に形成されたインナーレースがベルト側ベアリングボール２０と当接する。

本実施形態において反力発生機構として機能する第２のベアリングは、ナット３の他端側に配置される当該第２のベアリングによる反力によって、ナット３の一端側に配置されるベアリングを回転中心とするベルト６の張力によるモーメントとは逆方向のモーメントを発生させる機構となっている。

このように、ナット３の他端側にも第２のベアリングが備えられているため、ベルト６の張力によるモーメントがベアリングの反力によるモーメントで相殺され、ナット３の最大傾斜角が減少される。したがって、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、操舵時において転動するボールねじボール１２に加わる負荷が均一化され、ボールねじ転動音を低減することができる。また、本実施形態では、ベルト側に反力発生機構が備えられているため、小さな力でもベルト６の張力に対抗することができる。

（第５の実施形態）
図５は、第５の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す要部断面図である。本実施形態の電動パワーステアリング装置は、ナット３の最大傾斜角を減少させる反力発生機構として、ナット３の他端側をベルト６の張力とは反対方向に付勢する付勢手段を設けたものである。

本実施形態に係る前記付勢手段としては、ベルト６を挟んでベアリングアウターレース２とは反対側に弾性体２１が設けられる。弾性体２１は、一端がハウジング１の内周側に固定され、他端が摺動部２２に押圧されている。摺動部２２は、弾性体２１とナット３の外周の間に配置される。弾性体２１は、摺動部２２を介して、ナット３を回転可能に押圧する。弾性体２１および摺動部２２は、ナット３に対して、駆動側プーリが配置される側と同じ側に配置される。

本実施形態において反力発生機構として機能する付勢手段は、当該付勢手段によってナット３の他端側をベルト６の張力とは反対方向に付勢することで、ナット３の一端側に配置されるベアリングを回転中心とするベルト６の張力によるモーメントとは逆方向のモーメントを発生させる機構となっている。

このように、ナット３の他端側に付勢手段が備えられているため、ベルト６の張力によるモーメントが付勢手段の付勢力によるモーメントで相殺され、ナット３の最大傾斜角が減少される。したがって、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、操舵時において転動するボールねじボール１２に加わる負荷が均一化され、ボールねじ転動音を低減することができる。また、本実施形態では、ベルト側に反力発生機構が備えられているため、小さな力でもベルト６の張力に対抗することができる。

なお、本実施形態においては、図５において付勢手段である弾性体２１をナット３の上方に配置して、弾性体２１がナット３を下方に押す構造となっているが、付勢手段の設け方としてはこれに限られない。付勢手段をナット３の下方に配置し、当該付勢手段がナット３を下方に引っ張る構造としても良い。

（第６の実施形態）
図６（ａ）は、第６の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す要部断面図である。本実施形態の電動パワーステアリング装置は、ラック軸８を傾斜させる機構として、ラック軸８を傾斜させる方向に付勢力を発生するラックリテーナ２４を設けたものである。

本実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、運転者による操舵力をラック軸８に伝達するピニオン２３と、ラック軸８を保持するラックリテーナ２４と、を備える。本実施形態に係る電動パワーステアリング装置の特徴は、ラックリテーナ２４がラック軸８を傾斜させる機構を兼ねている点である。ここで、図６（ａ）において、ラック軸８の軸方向をｘ軸方向とし、ｘ軸方向に直交する方向をｙ軸方向、ｚ軸方向と定義する。

図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。ラックリテーナ２４は、ラック軸８と当接するリテーナ摺動部２５と、リテーナ摺動部２５をラック軸８に向かって押圧する圧縮ばね２６と、を有する。図中でピニオン２３の軸方向は、ｚ軸方向に配置される。本実施形態に係るラックリテーナ２４がラック軸８を付勢する方向は、ピニオン２３の軸方向であるピニオン軸方向２７に対して射交している。これによりラックリテーナ２４は、ラック軸８をｙ軸負方向に付勢するとともに、ラック軸８をｚ軸負方向に付勢する。

図６（ａ）を見て分かるように、本実施形態のラックリテーナ２４は、ナット３を支持するベアリングを中心とする反時計回りのモーメントをラック軸８に発生させている。これにより、ラック軸８は、ベアリングアウターレース２の軸方向に対して反時計回り方向に傾斜する。

したがって、ベアリングを回転中心とするベルト６の張力によるモーメントにより、ナット３は傾斜角度を有するが、ラック軸８はナット３の傾斜角度に沿って傾斜する。これにより、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、操舵時において転動するボールねじボール１２に加わる負荷が均一化され、ボールねじ転動音を低減することができる。

（第７の実施形態）
図７は、第７の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す要部断面図である。本実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、ラック軸８を傾斜させる機構として、ラック軸８を傾斜した状態に規制する位置に配置されるラックリテーナ２４を設けたものである。

本実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、運転者による操舵力をラック軸８に伝達するピニオン２３と、ラック軸８を保持するラックリテーナ２４と、を備える。ラックリテーナ２４は、ラック軸８にベアリングアウターレース２の軸方向３１に対する傾斜角３２を与えるように、配置される。

このように、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置においては、ベアリングを回転中心とするベルト６の張力によるモーメントにより、ナット３は傾斜角度を有するが、リテーナ２４の位置がオフセットされているため、ラック軸８はナット３の傾斜角度に沿って傾斜する。これにより、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、操舵時において転動するボールねじボール１２に加わる負荷が均一化され、ボールねじ転動音を低減することができる。

なお、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置では、ラック軸８を傾斜した状態に規制する部材として、ラックリテーナ２４を用いたが、ラックリテーナ２４を用いずに別の部材によってラック軸８を傾斜した状態に規制することとしてもよい。その場合は、ラック軸８の位置を規制するための部品点数が増加するが、ボールねじボール１２に加わる負荷が均一化されるため、ボールねじ転動音を低減することができる。

（第８の実施形態）
図８（ａ）は、第８の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す要部断面図である。本実施形態の電動パワーステアリング装置は、前記従動側プーリの軸方向が前記ナットの軸方向に対して傾斜可能となるように、ナット３および従動側プーリ７が設けられている。

図８（ｂ）は、図８（ａ）のＢ−Ｂ断面における断面図である。ナット３および従動側プーリ７は、スプライン係合部３０を介して係合されている。これにより、ナット３と従動側７プーリの径方向の相対角度の発生を許容し、且つ、従動側プーリ７からナット３への回転力の伝達を許容することができる。したがって、ベアリングを回転中心とするベルト６の張力によるモーメントにより、従動側プーリ７は傾斜角度を有するが、ナット３とラック軸８の間の傾斜角度の発生を抑えることができる。本実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、操舵時において転動するボールねじボール１２に加わる負荷が均一化され、ボールねじ転動音を低減することができる。

上述した第１〜第８の実施形態は、適宜組み合わせて実施することが可能である。例えば、反力発生機構としてベアリングのアウターレース２の外周側にシム１４を設けると共に、ラックリテーナ２４によってラック軸８を傾斜させることで、ナット軸方向９とラック軸方向１０との間の角度差を低減させる構成としてもよい。

１：ハウジング
２：ベアリングアウターレース
３：ナット
４：ベアリングボール
５：ベアリング外周径方向
６：ベルト
７：従動側プーリ
８：ラック軸
９：ナット軸方向
１０：ラック軸方向
１１：ナットとラック軸方向の相対角度差
１２：ボールねじボール
１３：荷重を受けるボールねじボール
１４：シム
１５：ナット径方向
１６：ベアリング外周とナット径方向の相対角度差
１７：ハウジング内周側の傾斜面
１８：弾性体
１９：ベルト側ベアリングアウターレース
２０：ベルト側ベアリングボール
２１：ベルト側弾性体
２２：摺動部材
２３：ピニオン
２４：ラックリテーナ
２５：ラックリテーナの摺動部
２６：ラックリテーナの圧縮バネ
２７：ピニオン軸方向
２８：リテーナ軸方向
２９：ピニオンとリテーナ軸方向の相対角度差
３０：ナットとラック軸のスプライン係合部
３１：ベアリングアウターレース軸方向
３２：ベアリングアウターレースとラック軸方向の相対角度差
３５：ベルトの張力方向

Claims (3)

1. ナットの回転運動をラック軸の軸方向運動に変換するボールねじ機構と、
   モータの駆動力を前記ナットに伝達するベルトと、を備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記ナットに直接又は間接に作用する前記ベルトの張力に対抗する反力を発生させる反力発生機構を設け、
   前記ナットの軸方向の一端側において前記ナットを回転可能に支持するベアリングを備え、
   前記反力発生機構は、前記ベアリングを回転中心とする前記ベルトの張力によるモーメントとは逆方向のモーメントを発生させ、
   前記反力発生機構は、前記ベアリングが配置される側の前記一端側とは前記ベルトを挟んで反対側である前記ナットの他端側に前記逆方向のモーメントを発生させるものであり、
   前記反力発生機構は、前記ナットの前記他端側を前記ベルトの張力とは反対側に付勢する付勢手段であることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記反力発生機構は、前記ナットを引っ張る機構であることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
3. 請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記反力発生機構は、前記ナットを押す機構であることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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