JPWO2005056367A1 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

一対の平歯車またははすば歯車で構成された場合であっても所定の減速比を実現し、簡易な構造で十分な歯車強度を確保することができる電動パワーステアリング装置を提供する。電動モータ７の回転トルクを、電動モータ７の出力軸に設けた駆動歯車６及び操舵軸に設けた従動歯車５で操舵軸へ伝達し、減速比が３以上である電動パワーステアリング装置において、操舵軸と電動モータ７の出力軸とが略平行に配置され、両軸の軸間距離は３５ｍｍ以上９０ｍｍ以下であり、駆動歯車６は、歯数が６以上１５以下、モジュールが０．８以上１．５以下、歯丈がモジュールの２．４倍以下、圧力角が１４．５度以上３０度以下、捩れ角が０度以上４０度以下である。

Description

本発明は、電動モータの回転トルクを、該電動モータの出力軸に設けた駆動歯車及び操舵軸に設けた従動歯車で該操舵軸へ伝達する電動パワーステアリング装置に関する。

昨今の自動車用ステアリング装置においては、操舵補助機構として電動モータを活用した電動パワーステアリング装置が良く用いられている。電動パワーステアリング装置は、電動モータの回転トルクを、ウォームギヤを介して操舵軸へ伝達している。

しかし、ウォームギヤは、回転トルクの伝達効率が６０〜８０％と比較的低いことから、減速比を不変とした場合、所定の回転トルクを伝達するためには出力トルクがより大きい電動モータが必要となる。したがって、結果的に電動モータの外径が大きくなり、ステアリング装置全体のコンパクト化が困難であるという問題点があった。そこで、電動モータの出力軸を操舵軸と略平行になるよう取り付け、回転トルクの伝達効率が比較的高い平歯車またははすば歯車を使用する減速機が考案されている。

平歯車またははすば歯車を減速機に使用した場合、回転トルクの伝達効率は約９５％と比較的高くなることから、それだけ電動モータの出力トルクを減じることができ、電動モータの外形の肥大化を抑制することで、ステアリング装置全体をコンパクトにすることが可能となる。

しかし、例えば平歯車を使用する減速機を用いる場合、電動モータの出力軸に設けられる歯車と、該歯車に噛合する操舵軸に取り付けられた歯車の１段構成で必要な減速比を得ようとすると、操舵軸側歯車のピッチ円が大きくなり、ステアリング装置全体としてコンパクト化を図ることが困難であるという状況は改善されない。

一方、平歯車を用いた減速機として、１段構成の減速機ではなく、例えば中間ギヤを介在させた多段構成の減速機を用いる場合、ステアリング装置全体としてコンパクト化を図ることはできるが、バックラッシの増加による心地よい操舵フィーリングの減退や、減速機の構造の複雑化に伴うコストアップが生じる等、新たな問題点が生じる。

斯かる問題点を解決するために、例えば特許文献１では、高い減速比に設定された一対の平歯車、またははすば歯車で構成された減速機をハウジング内に収納し、電動モータを操舵軸が収納されるハウジングに近接して設けることで、電動モータ及び減速機を配置したステアリング装置全体をコンパクトにすることができる電動パワーステアリング装置が開示されている。

特許文献１に開示されている電動パワーステアリング装置では、通常のインボリュート歯形では歯車の強度の確保が困難であることから、所定の特殊理論に基づいた歯形を用いることで、歯面強度を確保している。
特開平１１−１２４０４５号公報

しかし、特許文献１に開示されている特殊理論に基づいた歯形は、構造上実際に製造することは困難であり、量産工程において高品質の減速機を安定して供給することができるか否かが問題となる。すなわち、特殊理論に基づいた歯形を用いていることから、減速機の性能は歯車のアライメント誤差の影響を強く受けやすい。したがって、量産工程で高い加工精度及び組立精度が要求される。また、既存の製造設備では加工できない、加工精度の検査方法が確立されていない等、実際に量産工程に移行するには多くの課題が残されている。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、一対の平歯車またははすば歯車で構成された場合であっても所定の減速比を実現し、簡易な構造で十分な歯車強度を確保することができる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために第１発明に係る電動パワーステアリング装置は、電動モータの回転トルクを、該電動モータの出力軸に設けた駆動歯車及び操舵軸に設けた従動歯車で該操舵軸へ伝達し、減速比が３以上である電動パワーステアリング装置において、前記操舵軸と前記電動モータの出力軸とが略平行に配置され、両軸の軸間距離は３５ｍｍ以上９０ｍｍ以下であり、前記駆動歯車は、歯数が６以上１５以下、モジュールが０．８以上１．５以下、歯丈がモジュールの２．４倍以下、圧力角が１４．５度以上３０度以下、捩れ角が０度以上４０度以下であることを特徴とする。

第１発明に係る電動パワーステアリング装置では、操舵軸と電動モータの出力軸とが略平行である一対の歯車を用いることから、回転トルクの伝達効率が高く、ステアリング装置全体としてコンパクトに配置できる。また、上述した諸元寸法により、所定の特殊理論に基づいた歯形を用いることなく、通常の製造工程で製造可能な歯車を用いた場合であってもトロコイド干渉クリアランス、歯先の歯厚、及び歯面応力の適正値を確保することが可能となる。

また、第２発明に係る電動パワーステアリング装置は、第１発明において、前記駆動歯車及び前記従動歯車の一方、または両方の歯車で、歯車の歯先から歯元にかけて圧力角が増加するよう歯形を形成したインボリュート歯車を用いることを特徴とする。

第２発明に係る電動パワーステアリング装置では、歯車の歯先から歯元にかけて圧力角が増加するよう歯形を形成したインボリュート歯車を用いることにより、最大トルク負荷時の歯元応力を軽減することができ、歯車の耐久性を確保することが可能となる。

また、第３発明に係る電動パワーステアリング装置は、第１または第２発明において、前記駆動歯車及び前記従動歯車の一方、または両方の歯車において、歯筋方向にクラウニング処理を施したインボリュート歯車を用いることを特徴とする。

第３発明に係る電動パワーステアリング装置では、歯筋方向にクラウニング処理を施したインボリュート歯車を用いることから、歯面応力が緩和される。これにより、定格負荷条件下での連続運転を行う場合であっても、歯車の耐久性を確保することが可能となる。

本発明によれば、操舵軸と電動モータの出力軸とが略平行である一対の歯車を用いることから、回転トルクの伝達効率が高く、全体としてコンパクトに配置された電動パワーステアリング装置とすることができる。また、上述した諸元寸法により、所定の特殊理論に基づいた歯形を用いることなく、トロコイド干渉クリアランス、歯先の歯厚、及び歯面応力の適正値を確保することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す断面図である。 小歯車の歯数と小歯車のモジュールとの関係を示す図である。 小歯車の圧力角とトロコイド干渉クリアランス、及び歯先の歯幅との関係を示す図である。 小歯車の歯丈に対する歯面応力及び歯先の歯厚の関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置に使用する減速機の歯面形状の説明図である。

符号の説明

１ 減速機
５ 大歯車（従動歯車）
６ 小歯車（駆動歯車）
７ 電動モータ
ｈ 歯丈
ｍ モジュール
Ｌ 軸間距離
Ｚ 歯数
α 圧力角

図１は本発明の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す断面図である。図１に示すように、操舵部材４に作用する操舵トルクを入力軸１２、トーションバー１３、及び出力軸１４で構成される操舵軸を介して操向車輪側に伝達するようになっていると共に、電動モータ７の回転トルクを、小歯車（駆動歯車）６及び大歯車（従動歯車）５からなる減速機１及び操舵軸の出力軸１４を介して操向車輪側に伝達するようになっている。

入力軸１２は、操舵部材４に連結されており、操舵部材４に作用する操舵トルクを操向車輪側に伝達するトルク伝達手段の一構成要素である。入力軸１２は、一端側がベアリング（図示せず）を介して支持され、他端側がトーションバー１３へ連結されている。

トーションバー１３は、入力軸１２と出力軸１４とを連結すると共に、操舵トルクによってねじれ変形を生じ、これによって、入力軸１２と出力軸１４との間に相対的な回転角の変位を生じさせるようになっている。

出力軸１４は、一端側がベアリング１１、１１、・・・を介し支持され、他端側がトーションバー１３へ連結されている。出力軸１４は、トーションバー１３からの操舵トルクを操向車輪側に伝達すると共に、減速機１から伝達された電動モータ７の回転トルクを操向車輪側に伝達する。これにより、入力軸１２と出力軸１４とは操舵トルクに応じて弾性的に相対回転可能かつ同軸心に連結される。

トルク検出機構１５は、トーションバー１３が操舵トルクによって捻られ、これによって生じる出力軸１４と入力軸１２との相対的な回転角の変位を検出することによって、操舵トルクを検出するようになっている。

減速機１は、操舵軸の出力軸１４に設けられた大歯車５と、電動モータ７の出力軸に設けられた小歯車６とを備えた平歯車またははすば歯車によって構成される。平歯車またははすば歯車を用いることにより、電動モータ７を操舵軸と略平行となるよう配置することができる。しかし、操舵軸と電動モータ７の出力軸との軸間距離Ｌに応じて、電動モータ７の外形寸法にレイアウト上の物理的な制約が生じる。例えば、レイアウト上の制約より、電動モータ７の最大許容外形寸法が、直径７３ｍｍ、高さ９５ｍｍとなった場合、操舵軸周りの操舵補助トルクとして３５Ｎｍ以上の回転トルクを確保するため、定格トルクを４Ｎｍ、軸間距離Ｌを５５ｍｍとして、減速比は１０前後に設定される。

図２は、操舵軸と電動モータ７の出力軸との軸間距離Ｌを５５ｍｍ、減速比を１０、捩れ角βを２５度とした場合の、小歯車６の歯数Ｚと小歯車６のモジュールｍとの関係を示す図である。小歯車６のピッチ円の直径ｄ（＝Ｚ×ｍ）は８〜１０ｍｍ程度であるが、歯数が極端に多い、または極端に少ない状況を回避すべく、歯数Ｚは６以上１５以下、モジュールｍは０．８以上１．５以下が実用に耐える範囲である。

次に、歯車の製造誤差と、定格負荷運転を実施する場合の歯車の歯の弾性変形量を考慮し、トロコイド干渉クリアランス、歯先の歯厚を適正値とすべく圧力角αを選定する。図３は、歯数Ｚが１０、モジュールｍが０．９５であり、歯丈ｈがモジュールｍの２．２５倍である場合の、小歯車６の圧力角αとトロコイド干渉クリアランス、及び歯先の歯幅との関係を示す図である。図３で丸印はトロコイド干渉クリアランスを、四角印は歯先の歯厚をモジュール値で除算した値を、夫々示す。

トロコイド干渉が発生するのを回避するためには、トロコイド干渉クリアランスは０．２ｍｍ以上必要である。図３に示すように、圧力角αがＪＩＳ（日本工業規格）で標準値として定められている１４．５度以上で３５度以下である場合には、トロコイド干渉クリアランスは圧力角αが２３度以上の領域で０．２ｍｍ以上になるので、トロコイド干渉は発生しない。一方、歯先強度を確保するためには、歯先の歯厚はモジュールｍの０．３倍以上必要である。図３に示すように、歯先の歯厚がモジュールｍの０．３倍以上であるためには、圧力角αは２７度以下とする必要がある。なお、捩れ角βは０度以上４０度以下が実用域である。

また、小歯車６及び大歯車５の材質として鋼材を用いる場合、補助回転トルクにより生じる小歯車６の歯に直角な方向の接線荷重Ｐ_ｎに対する歯面応力σ_Ｈは、（数１）を用いて近似的に求めることができる。

なお、（数１）において、Ｅは歯車の材料（本実施の形態では鋼材）の縦弾性係数を、ε_ｓは歯車の正面噛合い率を、ｂは小歯車６の歯幅を、ｄ_ｂは小歯車６の噛合いピッチ円直径を、α_ｂは小歯車６の噛合い圧力角を、β_ｇは小歯車６の基礎円筒捩れ角を、Ｚ_１は小歯車６の歯数を、Ｚ_２は大歯車５の歯数を、Ｎ_ｂは歯幅の有効度を、それぞれ示している。

図４は、（数１）で、Ｅを２０６０００Ｎ／ｍｍ^２、Ｐ_ｎを９４６Ｎ、ｂを１４ｍｍ、Ｚ_１を１０、Ｚ_２を９７、ｍを０．９５、圧力角αを２５度、捩れ角βを２５度、ｄ_ｂを１０．３０８ｍｍ、α_ｂを２５．２８３度、β_ｇを２２．５２１度、Ｎ_ｂを０．９９５とした場合の、小歯車６の歯丈ｈに対する歯面応力σ_ｓ及び歯先の歯厚の関係を示す図である。図４で丸印は歯面応力を、四角印は歯先の歯厚をモジュール値で除算した値を、夫々示す。

歯面応力σ_Ｈの目標値を、自動車の動力伝達系歯車の設計上の閾値１７６０Ｎ／ｍｍ^２以下とし、歯先の歯厚の目標値を、モジュールｍの０．３倍以上とした場合、図４からも明らかなように、歯丈ｈをモジュールｍの２．４倍以下とした場合に、両方の条件を同時に満たすことができる。

図５は、本発明の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置に使用する減速機１の歯面形状の説明図である。歯元強度の低下を補うため、大歯車５もしくは小歯車６のいずれか、または一対の歯車の双方の歯面形状を図５に示す形態で形成する。図５では、小歯車６の歯面を縦横にメッシュ分割して示す。歯形方向は、歯先の圧力角が歯元の圧力角よりも大きくなるよう負の圧力角誤差を設け、相互の噛合い応力が増加する方向に、すなわち中央部分が凸となるよう歯面形状を形成する。また歯筋方向にはクラウニング処理を施し、歯筋方向にも中央部分が凸となるよう歯面形状を形成する。

斯かる歯面形状とすることで、減速機１に使用する小歯車６の歯面における接触応力の分布を、歯形方向及び歯筋方向に均等化することができ、歯面の偏磨耗を防止して歯元強度の不足を補い、耐久性の向上に寄与することが可能となる。

Claims (3)

1. 電動モータの回転トルクを、該電動モータの出力軸に設けた駆動歯車及び操舵軸に設けた従動歯車で該操舵軸へ伝達し、減速比が３以上である電動パワーステアリング装置において、
   前記操舵軸と前記電動モータの出力軸とが略平行に配置され、両軸の軸間距離は３５ｍｍ以上９０ｍｍ以下であり、
   前記駆動歯車は、歯数が６以上１５以下、モジュールが０．８以上１．５以下、歯丈がモジュールの２．４倍以下、圧力角が１４．５度以上３０度以下、捩れ角が０度以上４０度以下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. 前記駆動歯車及び前記従動歯車の一方、または両方の歯車で、歯車の歯先から歯元にかけて圧力角が増加するよう歯形を形成したインボリュート歯車を用いることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記駆動歯車及び前記従動歯車の一方、または両方の歯車において、歯筋方向にクラウニング処理を施したインボリュート歯車を用いることを特徴とする請求項１または２記載の電動パワーステアリング装置。

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