WO2005068878A1 - ラックピ二オン式操舵装置 - Google Patents

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WO2005068878A1
WO2005068878A1 PCT/JP2005/000251 JP2005000251W WO2005068878A1 WO 2005068878 A1 WO2005068878 A1 WO 2005068878A1 JP 2005000251 W JP2005000251 W JP 2005000251W WO 2005068878 A1 WO2005068878 A1 WO 2005068878A1
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WO
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tooth
rack
pinion
teeth
steering
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PCT/JP2005/000251
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English (en)
French (fr)
Inventor
Takayasu Yamazaki
Shirou Nakano
Original Assignee
Jtekt Corporation
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Publication date
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Priority to EP05703490A priority patent/EP1731799B1/en
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
    • F16H55/08—Profiling
    • F16H55/0806—Involute profile
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D3/00—Steering gears
    • B62D3/02—Steering gears mechanical
    • B62D3/12—Steering gears mechanical of rack-and-pinion type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T74/18—Mechanical movements
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    • Y10T74/1876—Reciprocating or oscillating to or from alternating rotary including inertia device
    • Y10T74/18768—Reciprocating or oscillating to or from alternating rotary including inertia device with rack and pinion
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    • Y10T74/19—Gearing
    • Y10T74/19642—Directly cooperating gears
    • Y10T74/1967—Rack and pinion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T74/19—Gearing
    • Y10T74/19949—Teeth
    • Y10T74/19963—Spur
    • Y10T74/19972—Spur form

Definitions

  • the present invention relates to a rack-pione type steering device widely used as a type of a steering device for an automobile.
  • a rack-pione type steering device widely used as a steering device for a vehicle is provided with a peen shaft provided on a peripheral surface thereof and connected to a steering member such as a steering wheel. And a rack shaft provided on the outer surface of the middle part over a suitable length and extending in the left-right direction of the vehicle body, wherein the pinion shaft according to the operation of the steering member by a driver is provided.
  • a configuration in which rotation is converted into movement in the axial direction of the rack shaft, and steering wheels (generally left and right front wheels) connected to the left and right ends of the rack shaft via separate tie rods are steered. It has become.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Publication No. 62-38579
  • the tooth specifications of the pinion teeth provided on the pinion shaft specifically satisfy the design conditions given by the mounted vehicle side. It is selected to ensure the strength to withstand the required load conditions on the amount of movement of the rack shaft per rotation of the pinion shaft, that is, on the circumference of the length constrained by the stroke ratio.
  • the pressure angle of the tooth specifications is often regulated according to JIS (Japanese Industrial Standard).
  • JIS Japanese Industrial Standard
  • the standard pressure angle (20 ° or 14.5 °) is used, and when this standard pressure angle is used, other teeth selected under the general stroke ratio (35-60 mmZrev) in the vehicle are used.
  • the module will be around 2.5 and the number of teeth will be five.
  • a spring load is used for the purpose of reducing rattle noise generated at a joint portion between the pee-on teeth and the rack teeth and preventing a steering feeling from being degraded.
  • a special configuration is adopted in which the rack shaft is pressed and urged toward the pinion shaft by the preload means, and the pinion teeth and the rack teeth are joined without backlash.
  • the number of teeth of the pinion teeth selected as described above is small (5), and when such pinion teeth are combined with the rack teeth, the rack teeth exceeding the regular engagement position are not provided.
  • a phenomenon called trochoidal interference occurs in which the tooth tips of the teeth interfere with the roots of the pinion teeth, so that the friction between the pinion teeth and the rack teeth further increases, and the above-mentioned problem is promoted.
  • trochoidal interference occurs remarkably, the thickness of the root of the pinion tooth decreases over time due to friction with the tooth tip of the rack tooth, causing a decrease in the strength of the pinion tooth. It can even lead to breakage before the desired endurance time has elapsed.
  • a steering assist motor is provided in the middle of the column shaft connecting the steering member and the pinion shaft, and the torque of the motor is transmitted to the pinion shaft via the column shaft to assist the steering.
  • the rotational torque of the motor is added to the pinion teeth provided on the pinion shaft in addition to the steering torque applied to the steering member by the driver.
  • the risk of breakage of the pinion teeth increases, and the responsiveness when the rotation of the motor is transmitted to the rack shaft via the pinion shaft deteriorates, so that a good steering feeling cannot be obtained. There's a problem.
  • Patent Document 1 describes that a pinion tooth formed as a helical tooth and a rack tooth are generated between the pinion tooth and the rack tooth along with the rotational displacement about the axis of the rack shaft.
  • the relationship between the torsional angle and pressure angle of the rack teeth and the cross-sectional shape of the rack shaft is merely described, and the procedure for selecting the torque and the trochoid interference is only shown. It cannot be a countermeasure to alleviate the above-mentioned problem caused by the above.
  • a pin-on tooth and a rack tooth corresponding to the pinion tooth have a tooth height closer to the tip end than the pitch circle than one module. Force that ensures predetermined clearance as a small “low tooth” In this case, it is difficult to make the front contact ratio between the rack teeth and the pinion teeth equal to or more than 1 and the contact is reduced. As a result, a new problem occurs that the smooth movement of the rack axis for steering is hindered.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and by employing a large pressure angle, engagement with a rack tooth and friction can be reduced.
  • An object of the present invention is to provide a rack-and-pione type steering device that constitutes a pinion tooth with an original appropriate setting and can stably realize a smooth and good steering feeling over a long period of time.
  • the rack and pinion type steering apparatus is configured to combine the pinion teeth provided on the peripheral surface of the pinion shaft with the rack teeth provided on the outer surface of the rack shaft without backlash.
  • the rotation of the pinion shaft connected to a steering member is transmitted to the rack shaft via a joint portion of the pinion teeth and the rack teeth, and the rack shaft is moved in a shaft length direction at a predetermined stroke ratio.
  • the pinion tooth has a pressure angle ex set within a range of 24 ° ⁇ ⁇ 30 °, and It is characterized by having a module m, number of teeth z, tooth length h and torsion angle ⁇ which are selected to satisfy predetermined design conditions using the pressure angle ⁇ and the stroke ratio and fall within the following ranges. I do.
  • Tooth length h 2m ⁇ h ⁇ 2.5m Torsion angle j8: j8 ⁇ 35 °
  • the pressure angle a of the pinion teeth provided on the pinion shaft is selected within a range of 24 ° ⁇ ⁇ 30 °, which is sufficiently larger than the standard pressure angle, and the rack teeth are selected. It reduces the mating friction under the preload caused by pressing, and enables smooth transmission.
  • the upper limit of the pressure angle ⁇ of 30 ° is due to processing restrictions.
  • the tooth length h was selected to reduce the dislocation amount and the slip fluctuation at the engaging portion
  • the torsion angle ⁇ was selected to reduce the load on the pinion shaft support bearing.
  • the gear specifications are determined and the transmission to the rack shaft, which has rack teeth that engage without backlash, is smoothed and the force is reliably applied to achieve a good steering feeling.
  • the pinion tooth in the first invention has a pressure angle error in a direction in which the meshing stress with the rack tooth increases in the tooth profile direction.
  • the rack-pione type steering device according to the third invention of the present invention is characterized in that the rack tooth is provided with a modified tooth surface shape in which a tooth profile correction in which the center is convex is provided.
  • Pioneer tooth force in the light A characteristic feature is that the tooth surface has a modified tooth surface shape that is crowned in the tooth trace direction.
  • the correction of the pressure angle in the tooth profile direction and the crowning in the tooth trace direction adopt a modified tooth surface shape that is implemented alone or in combination, and causes torque fluctuation during steering. Improve the steering feeling by improving the tooth contact and equalize the wear on the tooth surface to compensate for the insufficient strength of the pinion teeth.
  • a rack and pinion type steering apparatus includes a steering assist motor between the steering member and the pinion shaft, and reduces a torque of the motor by the pinion.
  • the electric power steering device is configured to transmit power to a shaft and assist steering performed according to rotation of the pinion shaft.
  • an electric power steering apparatus in which a force applied to a steering member by a driver and a generated force of a motor are applied to a joint portion between a pinion tooth and a rack tooth.
  • the backlash between the rack teeth provided on the rack shaft and the rack teeth provided on the rack shaft is appropriately determined by properly selecting the tooth specifications of the peen teeth provided on the pion shaft.
  • No steering can be achieved without trochoidal interference under as little engagement friction as possible, and a smooth and good steering feel can be stably realized over a long period of time.
  • the present invention has excellent effects.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the overall configuration of a rack-pione type steering device according to the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of an intersection between a rack shaft and a pinion shaft.
  • FIG. 3 is a transverse sectional view of a joint portion between a rack tooth and a pinion tooth.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for selecting tooth specifications of a pion tooth.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of trochoid interference clearance.
  • FIG. 6 is an explanatory view showing a desirable modification of the tooth surface shape.
  • FIG. 7 is a view showing the result of examining the effect of correcting the tooth surface shape.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a rack-pione type steering device according to the present invention.
  • reference numeral 1 denotes a rack shaft.
  • the rack shaft 1 is supported inside the rack housing 10 having a cylindrical shape so as to be movable in the axial direction, and extends in the left-right direction of a vehicle body (not shown). Both ends of the rack shaft 1 protruding from both sides of the rack housing 10 are connected to the left and right front wheels 11, 11 serving as steering wheels, respectively, through the nut arms 12, 12 via separate tie rods 13, 13.
  • a pi-nosing 20 is continuously provided so as to cross the axis thereof, and inside the pi-nosing 20, a shaft is provided.
  • the pivot shaft 2 is supported so that it can rotate freely.
  • a part of the pinion shaft 2 is protruded from the pinion housing 20 by a suitable length, and this protruding end is connected to a steering wheel 22 as a steering member via a column shaft 21! You.
  • the lower half of the pinion shaft 2 extending inside the pinion housing 20 is enlarged in diameter over an appropriate length, and the pinion teeth 4 are formed on the outer peripheral surface of the large diameter portion.
  • the rack shaft 1 supported inside the rack housing 10 is formed with rack teeth 3 over an appropriate length including a portion facing the pinion shaft 2, and the rack teeth 3 are It is mated with a pinion tooth 4 provided on the peripheral surface of the on-shaft 2.
  • the movement of the rack shaft 1 is transmitted to left and right knuckle arms 12 and 12 via tie rods 13 and 13 connected to both ends of the rack shaft 1, and the knuckle arms 12 and 12
  • the left and right front wheels 11, 11 are steered by being steered in the operating direction of the steering wheel 22 to an angle corresponding to the operation amount.
  • the rack-pioneer type steering apparatus shown in the figure is configured as an electric power steering apparatus including a motor 5 that assists the steering performed as described above.
  • the steering assist motor 5 is mounted on the outer periphery near the lower end of the cylindrical column housing 23 supporting the column shaft 21.
  • the worm gear is mounted so as to be substantially perpendicular to the internal column shaft 21 and is interlockingly connected to a worm gear reduction device (not shown) formed inside the column housing 23. The speed is reduced by the device and transmitted to the column shaft 21.
  • a torque detecting device 24 for detecting a rotational torque (steering torque) applied to the column shaft 21 is configured at a position higher than a mounting portion of the motor 5, and the torque detecting device 24 detects the torque.
  • the steering torque detected by the device 24 is used for drive control of the steering assist motor 5.
  • the steering torque applied to the column shaft 21 is detected by the torque detecting device 24, and the drive control is performed based on the detected torque.
  • the rotating force of the motor 5 is applied to the column shaft 21 and transmitted to the column shaft 21 to the pinion shaft 2 to apply a moving force in the axial direction to the rack shaft 1 to perform steering as described above. Is assisted.
  • the feature of the rack-pione type steering device according to the present invention is that the pinion shaft 2 that rotates with the operating force of the steering wheel 22 and the rotational force of the motor 5 being loaded as described above.
  • the pion teeth 4 are formed.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the intersection between the rack shaft 1 and the pinion shaft 2.
  • the pinion teeth 4 provided on the pinion shaft 2 are formed as torsion teeth having a predetermined twist angle ⁇ with respect to the axis of the pinion shaft 2.
  • the rack teeth 3 provided on the rack shaft 1 are formed as oblique teeth that are inclined at an angle corresponding to the twist angle ⁇ with respect to a direction orthogonal to the axial length direction of the rack shaft 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a joint portion between the rack teeth 3 and the pinion teeth 4.
  • the rack tooth 3 has a pressure angle, that is, the angle formed by the tooth surface with respect to the tooth profile direction as ex, and the pressure angle of the pinion tooth 4 corresponding to the rack tooth 3 is also ⁇ . It is.
  • the rack shaft 1 is pressed and urged toward the pinion shaft 2 by a known preload means using a spring load, and the rack teeth 3 and the pinion teeth 4 are arranged as shown in FIG. It is integrated without knocking.
  • the rack teeth 3 and the pinion teeth 4 are arranged as shown in FIG. It is integrated without knocking.
  • the pressure angle oc of the pinion teeth 4 is set to a value in accordance with JIS in order to reduce the meshing friction as much as possible without being restricted by machining. Select within the range of 24 ° ⁇ ⁇ 30 °, which is sufficiently larger than the standard pressure angle specified in.
  • a stroke ratio S indicating a movement amount of the rack shaft 1 per rotation of the pinion shaft 2 is given as a request from the vehicle equipped with the steering device.
  • This stroke ratio S exists in a range of 35 mm ⁇ S ⁇ 60 mm in a general vehicle.
  • the module m, the number of teeth z, the tooth height h, and the torsion angle ⁇ as other tooth specifications of the pion tooth 4 are determined using the pressure angle ⁇ and the stroke ratio S within the ranges described above. It is selected according to the following procedure.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for selecting the tooth specifications of the pinion tooth 4. In this selection, first, the pressure angle ⁇ and the stroke ratio S are set (Step 1).
  • the pressure angle oc is limited by an angle that can be adopted by a tool for gear cutting.
  • the stroke ratio S is a fixed value given as a design requirement from the vehicle equipped with the steering system.
  • the module m and the number of teeth ⁇ of the pinion tooth 4 are calculated using these set values (step 2).
  • This calculation includes the outer diameter of the pinion shaft 2 on which the pinion teeth 4 are formed, the peripheral dimensions such as the distance between the pinion shaft 2 and the rack shaft 1, and the pressure angle ⁇ and the stroke ratio S.
  • the module m and the number of teeth ⁇ are given as a combination of a plurality of teeth z limited to an integer and the corresponding module m.
  • a plurality of torsion angles ⁇ of the pion teeth 4 are set within a range not more than a predetermined upper limit angle.
  • Step 3 a plurality of tooth heights h are set within a predetermined range including the module m (Step 4).
  • the upper limit angle of the torsion angle ⁇ is a force determined by the thrust load capacity of the bearing that supports the pinion shaft 2 having the pinion teeth 4 in the pinion nozing 20, generally around 40 °. It is said. On the other hand, if the torsion angle ⁇ is small, the mesh length of the pinion tooth 4 and the rack tooth 3 in the tooth trace direction becomes short, and it becomes difficult to satisfy the strength condition described later.
  • step 5 For each of the original, it is determined whether or not the force satisfies the predetermined geometric condition (step 5), and further, whether or not the force satisfies the predetermined strength condition (step 6), and both the conditions are satisfied. Collect only the tooth data (Step 7). Next, it is determined whether or not the pressure angle and the stroke ratio S have been set over the entire range (steps 8 and 9) .If the setting has not been completed, the flow returns to step 1 and the pressure angle ⁇ And stroke ratio S, and repeat the same procedure.
  • One of the geometric conditions serving as a determination criterion in step 5 is whether or not the pinion teeth 4 and the rack teeth 3 can be combined without interference, and the other One is whether or not a sufficient tooth thickness is secured at the tip of the pion tooth 4.
  • the former condition that is, whether or not the combination is possible is determined, for example, based on whether or not the trochoid interference clearance calculated by the following equation is at least 0.3 mm.
  • X in the equation is a dislocation coefficient, and is given as a value obtained by dividing the dislocation amount set in the pinion tooth 4 by the module m.
  • t is the trochoid interference clearance, and when the rack tooth 3 and the pinion tooth 4 are in the combined state as shown in FIG. 3, the tooth tip of the rack tooth 3 exceeding the predetermined engagement position is the pinion tooth. It is used as an index value that indicates whether or not a phenomenon of interfering with the tooth roots of No. 4 (so-called trochoidal interference) occurs.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the trochoid interference clearance t.
  • P in the figure is the pinion tooth 4
  • the base circle is shown, and P indicates the tip circle of the pion tooth 4.
  • R in the figure is the rack tooth
  • the engagement pressure angle a bs at the joint between the rack tooth 3 and the pinion tooth 4 is equal to the pressure angle a of the rack tooth 3 and the pinion tooth 4.
  • Fig. 5 (a) shows a case where the diameter difference between the base circle P and the tip circle P of the pinion tooth 4 is large.
  • FIG. 5B shows a case where the diameter difference is small.
  • the trochoidal interference clearance t is expressed as follows: the mating line b inclined to one side of the mating center line by the pressure angle a is bs
  • a is located on the inner side (root side) of the tip circle R of the rack tooth 3, whereas the
  • the point a is located outside the tip circle R of the rack tooth 3 and the position between the rack tooth 3 and the pinion tooth 4 is
  • Trochoid interference occurs in the state shown in FIG.
  • the trochoid interference clearance t in the equation (1) becomes negative in the state shown in FIG. 5A based on the geometrical positional relationship between the rack teeth 3 and the pinion teeth 4 shown in FIG. It is a positive value in the state shown in Fig. 5 (b).
  • step 5 the pressure angle a, the torsion angle ⁇ , the module m and the number of teeth ⁇ set as described above are substituted into the equation (1).
  • the trochoid interference clearance t is obtained in order, and if the value is 0.3 mm or more as described above, it is determined that combining is possible.
  • the reason that the lower limit of the trochoid interference clearance t is set to 0.3 mm is to eliminate the influence of machining errors of the pinion teeth 4 and the rack teeth 3 and to reduce the force of the pinion teeth 4 or the rack teeth 3 during the operation described above. This is to eliminate the influence of the distortion that occurs in.
  • the latter condition that is, the quality of the tooth addendum thickness
  • the pinion tooth 4 calculated by the following equation is used. Tooth thickness (in the direction perpendicular to the tooth) of s 1S used as a design threshold for power transmission gears
  • s is the thickness of the front circular arc of the pinion tooth 4
  • r is the tip circle of the pinion tooth 4.
  • the diameter, ⁇ , is the torsion angle of the pinion tooth 4 on the tip circle.
  • A is equivalent to the tooth tip position k ks
  • A is the pressure angle on the reference pitch circle, which is obtained by the following equation.
  • r is the base circle radius of the pinion tooth 4.
  • one of the strength conditions serving as the criterion for determination in step 6 is the bending strength of the root of the pion tooth 4, and the other is the fatigue strength of the tooth surface.
  • the bending strength of the tooth root is evaluated using the following formula (Lewis' formula), which is used as the calculation formula for bending stress ⁇ in spur gears.
  • F is a tooth surface normal load, and a vehicle equipped with a rack and pinion type steering device is provided.
  • ⁇ is the complementary angle of the load line and the tooth profile center line
  • h is the distance from the intersection of the load line and the tooth profile center line to the dangerous section
  • s is the hazard
  • a is the pressure angle of the tool
  • p is the radius of the tip of the tool
  • h is the tooth height of the appendix.
  • the fatigue strength of the tooth surface is evaluated by applying the Hertzian elastic contact theory and using the tooth surface contact stress ⁇ obtained by the following equation.
  • Equation 7 [0065] In the equation, E is the longitudinal elastic modulus of the gear material, z is the number of teeth of the small gear, and z is the number of teeth of the large gear.
  • ⁇ is the torsion angle of the base cylinder
  • ⁇ is the face width effectiveness
  • ⁇ is the front contact ratio
  • b is the axis g b s
  • the square tooth width, oc, is the front meshing pressure angle.
  • P is the tangential load perpendicular to the tooth, bs n
  • d is the meshing pitch circle diameter of the small gear, which can be obtained by the following equations.
  • step 6 in the pinion tooth 4 in which the pressure angle a, the number of teeth z, and the torsion angle ⁇ are set as described above, the bending stress ⁇ calculated by the equation (5) and the bending stress ⁇ are calculated by the equation (12).
  • Tooth length h 2m ⁇ h ⁇ 2.5m
  • the tooth specifications in the present invention are such that the module m is small and the number z of teeth is large, and a large number of small-sized pinion teeth 4 are provided.
  • the pia-on shaft 2 is connected to the rack shaft 1 in a state where no load is applied.
  • a test was conducted to measure the rotational torque required for rotation.As a result, the required rotational torque was 0.4 Nm, whereas the conventional rack and pinion type steering device with the standard tooth specifications described above As a result of a similar test, the required rotational torque was 1.2 Nm.
  • the rotational torque indicates the friction between the rack teeth 3 and the pin-on teeth 4, and according to the rack-pin-type steering device of the present invention, the condition setting during the test is performed. It is clear that even if the error of the steering wheel is taken into account, it is possible to greatly reduce the meshing friction, so that the reaction force from the road surface is directly transmitted to the driver operating the steering wheel 22. Thus, for example, it is possible to improve the steering feeling during high-speed running on a low road where the road surface reaction force is small.
  • the force at which the tooth root strength of the pinion tooth 4 is expected to decrease due to the adoption of the above-described tooth specifications becomes large.
  • the adoption of the pressure angle a increases the tooth width at the root of the tooth, and the increase in the number of teeth z reduces the increase in the front contact ratio. No significant decrease in the tooth root strength occurred, and sufficient durability was confirmed by an endurance test on an electric power steering device in which the operating force of the steering wheel 22 and the rotating force of the motor 5 were loaded as described above. Being done.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing a desirable modification of the tooth surface shape.
  • This drawing is a diagram showing the tooth surface of the pinion tooth 4 divided vertically and horizontally into meshes. In the tooth surface direction, the negative pressure where the pressure angle at the tooth tip is larger than the pressure angle at the root of the tooth is shown. An angular error is set, a pressure angle error in the direction that increases the engagement stress with the rack teeth 3 is given, the tooth shape is corrected so that the center is convex, and a crowning is applied in the tooth trace direction. It has a modified tooth flank shape.
  • the distribution of the contact stress on the tooth surface of the pinion tooth 4 is It is possible to equalize in the tooth trace direction and the tooth profile direction, prevent uneven wear of the tooth surface, compensate for insufficient root strength, and improve durability.
  • the appropriate amount of the crowning is a maximum value of about 10 m at the center, and the appropriate amount of the tooth thickness error is the The maximum value is around 20 m.
  • FIG. 7 is a graph showing the results of measuring the amount of wear on the tooth surface of the pinion tooth 4 after the execution of a predetermined durability test for examining the effect of the tooth surface shape modification.
  • the open bar graph in the figure shows the results when the tooth surface shape was modified as described above, and the hatched bar graph shows the results when the tooth surface shape was not modified.
  • the cross-hatched bar graph in the figure shows the results when only the crown jungle in the direction of the tooth traces was implemented.
  • the three sets of bar graphs on the left side of the figure show the distribution of the amount of wear in the tooth trace direction near the base circle, and from the left side, in the vicinity of the tooth contact boundary portion on the tip side of the pinion shaft 2,
  • the measured values in the vicinity of the center of the p-on shaft 2 in the tooth trace direction and in the vicinity of the boundary of the tooth contact on the base end side of the p-on shaft 2 are shown. From these results, when only Crowjung was used, the total amount of wear was almost the same as when the tooth surface shape was not corrected, but it was clear that the distribution of wear was equalized in the tooth trace direction. It is apparent that when the above-described tooth surface shape correction is performed, the amount of wear is significantly reduced in the entire direction of the tooth trace while maintaining equalization by the crown Jung.
  • the two sets of bar graphs on the right side of the figure show the distribution of the wear amount in the tooth profile direction, the one set on the left shows the measured values near the tooth tip, and the one set on the right shows the approximate value in the tooth profile direction.
  • the measured values at the center are shown.
  • This is achieved by giving a negative pressure angle error larger than the angle. !, Increase in stress can be realized.
  • a steering assist motor is provided between the steering member and the pinion shaft, and the torque of the motor is transmitted to the pinion shaft to respond to the rotation of the pinion shaft.
  • the steering device can be configured as another type of electric power steering device, or as a manual steering device that performs steering only by a steering torque applied by a driver to a steering wheel 22 as a steering member.
  • the steering force can be assisted by applying the force generated by a hydraulic cylinder provided in the middle of the rack housing 10 to the rack shaft 1. It is also possible to be configured as a hydraulic Pawasute Aringu device that.

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Abstract

　大なる圧力角の下で他の歯諸元の適正な設定がなされたピニオン歯を構成し、長期に亘って滑らかで良好な操舵感を安定して実現し得るラックピニオン式操舵装置を提供する。　２４°≦α≦３０°なる範囲内にて設定された圧力角αと、与えられたストロークレシオとの下で、ピニオン歯４のモジュールｍ、歯数ｚ、歯丈ｈ及び捩れ角βを下記の範囲内にて設定する。 　モジュールｍ　：　１．８≦ｍ≦２．０ 　歯数ｚ　　　　：　７≦ｚ≦１３ 　歯丈ｈ　　　　：　２ｍ≦ｈ≦２．５ｍ 　捩れ角β　　　：　β≦３５°

Description

明 細 書
ラックピニオン式操舵装置
技術分野
[0001] 本発明は、自動車用の操舵装置の一形式として広く採用されているラックピ-オン 式操舵装置に関する。
背景技術
[0002] 車両用の操舵装置として広く用いられているラックピ-オン式操舵装置は、周面に ピ-オン歯が設けられ、ステアリングホイール等の操舵部材に連結してあるたピ-ォ ン軸と、中途部外面に適長に亘つてラック歯が設けられ、車体の左右方向に延設し てあるラック軸とを備え、運転者による前記操舵部材の操作に応じた前記ピ-オン軸 の回転を前記ラック軸の軸長方向の移動に変換し、該ラック軸の左右両端に各別の タイロッドを介して連結された操舵用の車輪 (一般的には左右の前輪)を操舵せしめ る構成となっている。
[0003] このようなラックピ-オン式操舵装置においては、ピ-オン軸に設けられたピ-オン 歯とラック軸に設けられたラック歯との嚙合状態を適正に保ち、運転者に快適な操舵 感を与えることを目的として、従来から、前記ピ-オン歯及びラック歯の歯諸元 (圧力 角、モジュール、歯数等）に対して種々の提案がなされている（例えば、特許文献 1参 照)。
特許文献 1：特公昭 62— 38579号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 以上の如きラックピ-オン式操舵装置において、ピ-オン軸に設けられるピ-オン 歯の歯諸元は、搭載される車両側から与えられる設計条件を満たすベぐ具体的に は、ピ-オン軸一回転当たりのラック軸の移動量、即ち、ストロークレシオにより拘束さ れる長さの円周上において、要求される負荷条件に耐え得る強度を確保すべく選定 される。
[0005] ここで前記歯諸元のうちの圧力角は、多くの場合、 JIS (日本工業規格）にお ヽて規 定されている標準値（20° 又は 14. 5° )とされ、この標準圧力角を用いた場合、車 両において一般的なストロークレシオ（35— 60mmZrev)の下で選定される他の歯 諸元は、モジュールが 2. 5前後、また歯数が 5枚となる。
[0006] ところが、ラックピ-オン式操舵装置においては、ピ-オン歯とラック歯との嚙合部に 生じるラトル音を低減し、操舵感の悪ィ匕を防ぐことを目的として、ばね荷重を利用した 予圧手段によりラック軸をピ-オン軸に向けて押圧付勢し、前記ピ-オン歯及びラッ ク歯をバックラッシなしに嚙合させるという特殊な嚙合形態が採用される。
[0007] このようなピニオン歯の歯諸元を、前述した標準圧力角の下で選定した場合、前記 予圧手段による予圧の作用でのピニオン歯の嚙み込みが顕著となり、前記ラック歯と の嚙み合 、摩擦が大きくなつて、ピ-オン軸に連結された操舵部材を操作する運転 者に路面力もの反力が伝わり難くなり、操舵感の悪ィ匕を招来し、例えば、路面反力が 小さい低 路での高速走行時に微小な操舵の修正が難しくなるという不具合があり、 この不具合の改善のために前記予圧手段による予圧荷重の厳密な管理が要求され るという問題がある。
[0008] また、前述の如く選定されるピ-オン歯の歯数は少なく（5枚）、このようなピ-オン 歯をラック歯と嚙合させた場合、正規の嚙合位置を超えたラック歯の歯先がピニオン 歯の歯元をえぐるように干渉する現象、所謂、トロコイド干渉が発生し、ピニオン歯とラ ック歯との嚙み合い摩擦が更に大きくなつて、前述した不具合が助長される上、トロコ イド干渉が顕著に発生した場合、ピニオン歯の歯元の肉厚がラック歯の歯先との摩 擦により経時的に減少して、該ピニオン歯の強度低下を引き起し、所望の耐久時間 の経過前に破損に至る虞れさえある。
[0009] 更には、操舵部材とピユオン軸とを連結するコラム軸の中途に操舵補助用のモータ を備え、該モータの回転力をコラム軸を介してピ-オン軸に伝えて操舵を補助するコ ラムアシスト式の電動パワーステアリング装置においては、ピ-オン軸に設けられたピ ユオン歯には、運転者により操舵部材に加えられる操舵トルクに加えて、前記モータ の回転トルクが付加されるため、ピ-オン歯の破損の虞れが増す上、前記モータの 回転がピ-オン軸を介してラック軸に伝えられる際の応答性が悪ィ匕し、良好な操舵感 が得られなくなるという問題がある。 [0010] 前記特許文献 1には、斜歯として形成されたピ-オン歯及びラック歯の嚙合部にお いてラック軸の軸回りの回動変位に伴ってピ-オン歯との間に発生する食い付き現 象を防止することを目的とし、ラック歯の捩れ角及び圧力角をラック軸の断面形状と の関係力 選定する手順が示されているに過ぎず、嚙み合い摩擦及びトロコイド干渉 に起因する前述した問題を緩和する対策とはなり得ない。
[0011] また、トロコイド干渉の発生を防止するため、従来においては、ピ-オン歯及び該ピ 二オン歯に嚙合するラック歯を、ピッチ円よりも歯先側の歯丈が 1モジュールよりも小 さい「低歯」として、所定のクリアランスを確保するようにしている力 この場合、ラック 歯とピ-オン歯との正面嚙み合い率を 1以上とすることが難しくなり、嚙み合いが不連 続となって、操舵のためのラック軸の滑らかな移動が阻害されるという新たな不具合 が発生する。
[0012] 本発明は斯力る事情に鑑みてなされたものであり、大なる圧力角の採用によりラック 歯との嚙み合 、摩擦を低減し、この圧力角の下での他の歯諸元の適正な設定がなさ れたピユオン歯を構成し、長期に亘つて滑らかで良好な操舵感を安定して実現し得 るラックピ-オン式操舵装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0013] 本発明の第 1発明に係るラックピ-オン式操舵装置は、ピ-オン軸の周面に設けた ピ-オン歯とラック軸の外面に設けたラック歯とをバックラッシなしに嚙合させてあり、 操舵部材に連結された前記ピ-オン軸の回転を前記ピ-オン歯及びラック歯の嚙合 部を介して前記ラック軸に伝え、該ラック軸を所定のストロークレシオにて軸長方向に 移動させて操舵を行わせる構成としたラックピニオン式操舵装置にお!ヽて、前記ピ- オン歯は、 24° ≤ α≤30° なる範囲内にて設定された圧力角 exと、該圧力角 α及 び前記ストロークレシオを用いて所定の設計条件を満たすべく選定され、夫々が下 記の範囲内に収まるモジュール m、歯数 z、歯丈 h及び捩れ角 βを備えることを特徴 とする。
モジユーノレ m ： 1. 8≤m≤2. 0
歯数 z ： 7≤z≤13
歯丈 h ： 2m≤h≤2. 5m 捩れ角 j8 ： j8≤35°
[0014] 本発明においては、ピ-オン軸に設けられるピ-オン歯の圧力角 aを、標準圧力 角よりも十分に大きい 24° ≤ α≤30° の範囲にて選定し、ラック歯の押し付けによ る予圧下での嚙み合い摩擦を軽減し、滑らかな伝動を可能とする。圧力角 αの上限 値である 30° は、加工上の制約による。このように選定された圧力角 αとストロークレ シォとを用い、モジュール m及び歯数 ζを、トロコイド干渉クリアランス及び歯先の歯厚 を確保すると!/ヽぅ幾何学的な制約条件を満たし、また歯元の曲げ強さ及び歯面の疲 れ強さを確保するという強度的な制約条件を満たすように選定する。またこのとき、転 位量を小さくし、嚙み合い部での滑り変動を低く抑えるべく歯丈 hを選定し、またピ- オン軸の支持軸受の負荷を軽減すべく捩れ角 βを選定して歯諸元を決定し、バック ラッシなしに嚙み合うラック歯を備えるラック軸への伝動を滑らかに、し力も確実に行 わせて良好な操舵感を実現する。
[0015] また本発明の第 2発明に係るラックピ-オン式操舵装置は、第 1発明におけるピ- オン歯が、歯形方向に、前記ラック歯との嚙み合い応力が増す向きの圧力角誤差を 設けると共に、中央が凸となる歯形修正を施してある修正歯面形状を備えることを特 徴とし、更に本発明の第 3発明に係るラックピ-オン式操舵装置は、第 1又は第 2発 明におけるピ-オン歯力 歯筋方向にクラウユングを施してある修正歯面形状を備え ることを特徴とする。
[0016] これらの発明においては、歯形方向の圧力角の補正と歯筋方向のクラウユングとを 、単独に、又は併せて実施した修正歯面形状を採用し、操舵時のトルク変動の原因 となる歯当たりを改善して操舵感の向上を図り、また歯面の摩耗を均等化して、ピ- オン歯の強度不足を補う。
[0017] また本発明の第 4発明に係るラックピ-オン式操舵装置は、前記操舵部材と前記ピ ユオン軸との間に操舵補助用のモータを備え、該モータの回転力を前記ピ-オン軸 に伝えて該ピ-オン軸の回転に応じてなされる操舵を補助する電動パワーステアリン グ装置として構成してあることを特徴とする。
[0018] この発明においては、ピ-オン歯とラック歯との嚙合部に、運転者による操舵部材 への作用力及びモータの発生力が併せて加わる電動パワーステアリング装置におい て上述した歯諸元を有するピ-オン歯を採用し、歯の折損の虞れを解消し、また嚙 み合 、摩擦の影響による応答性の悪ィ匕を防止して、良好な操舵感を実現する。 発明の効果
[0019] 本発明に係るラックピ-オン式操舵装置にぉ 、ては、ピ-オン軸に設けたピ-オン 歯の歯諸元の適正な選定により、ラック軸に設けたラック歯とのバックラッシなしの嚙 合を、可及的に小なる嚙み合い摩擦下にてトロコイド干渉を伴うことなく実現すること ができ、滑らかで良好な操舵感を長期に亘つて安定して実現することが可能となる等 、本発明は優れた効果を奏する。
図面の簡単な説明
[0020] [図 1]本発明に係るラックピ-オン式操舵装置の全体構成を示す模式図である。
[図 2]ラック軸とピ-オン軸との交叉部近傍の拡大図である。
[図 3]ラック歯とピ-オン歯との嚙合部の横断面図である。
[図 4]ピ-オン歯の歯諸元の選定手順を示すフローチャートである。
[図 5]トロコイド干渉クリアランスの説明図である。
[図 6]望ましい歯面形状の修正形態を示す説明図である。
[図 7]歯面形状修正の効果を調べた結果を示す図である。
符号の説明
1 ラック軸
2 ピニ才ン軸
3 フック W
4 ピニ才ン歯
5 モータ
22 ステアリングホイール (操舵部材)
圧力角
β 捩れ角
m モジユーノレ
/
z 困数 発明を実施するための最良の形態
[0022] 以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図 1は、本発明に 係るラックピ-オン式操舵装置の全体構成を示す模式図である。図中 1はラック軸で あり、該ラック軸 1は、円筒形をなすラックハウジング 10の内部に軸長方向への移動自 在に支持され、図示しない車体の左右方向に延設されている。ラックハウジング 10の 両側に突出するラック軸 1の両端は、操舵用の車輪としての左右の前輪 11, 11のナツ クルアーム 12, 12に各別のタイロッド 13, 13を介して連結されている。
[0023] ラックハウジング 10の一側端部近傍には、これと軸心を交叉させてピ-オンノヽゥジン グ 20が連設されており、該ピ-オンノヽウジング 20の内部には、軸回りでの回転自在に ピ-オン軸 2が支持されている。ピ-オン軸 2の一部は、ピ-オンハウジング 20の上方 に適長突出させてあり、この突出端は、コラム軸 21を介して操舵部材としてのステアリ ングホイール 22に連結されて!、る。
[0024] ピニオンハウジング 20の内部に延設されたピニオン軸 2の下半部は、適長に亘つて 大径化され、この大径部の外周面にピ-オン歯 4が形成されている。またラックハウジ ング 10の内部に支持されたラック軸 1には、ピ-オン軸 2との対向部を含めた適長に 亘つてラック歯 3が形成されており、このラック歯 3は、ピ-オン軸 2の周面に設けられ たピ-オン歯 4に嚙合させてある。
[0025] 以上の構成により、操舵のためにステアリングホイール 22が回転操作された場合、 該ステアリングホイール 22にコラム軸 21を介して連結されたピ-オン軸 2が回転し、こ の回転が、ピニオン歯 4とラック歯 3との嚙合部にお 、てラック軸 1の軸長方向の移動 に変換されてラック軸 1が左右両方向に移動する。
[0026] このようなラック軸 1の移動は、該ラック軸 1の両端に連結されたタイロッド 13, 13を介 して左右のナックルアーム 12, 12に伝達され、これらのナックルアーム 12, 12の押し引 きにより左右の前輪 11, 11が、ステアリングホイール 22の操作方向に、操作量に対応 する角度となるまで転舵されて操舵がなされる。
[0027] 本図に示すラックピ-オン式操舵装置は、以上の如く行われる操舵を補助するモー タ 5を備える電動パワーステアリング装置として構成されている。操舵補助用のモータ 5は、コラム軸 21を支持する円筒形をなすコラムハウジング 23の下端部近傍の外周に 、内部のコラム軸 21と略直交するように取付けられ、コラムハウジング 23の内側に構成 された図示しないウォームギヤ減速装置に連動連結されており、操舵補助用のモー タ 5の回転は、前記ウォームギヤ減速装置により減速されてコラム軸 21に伝達される ようになしてある。
[0028] またコラムハウジング 23の内部には、モータ 5の取付け部よりも上位置に、コラム軸 21に加わる回転トルク (操舵トルク）を検出するトルク検出装置 24が構成されており、 該トルク検出装置 24により検出される操舵トルクは、操舵補助用のモータ 5の駆動制 御に用いられている。
[0029] 以上の構成により、操舵のためにステアリングホイール 22が回転操作された場合、 これに伴ってコラム軸 21に加わる操舵トルクがトルク検出装置 24により検出され、この 検出トルクに基づいて駆動制御されるモータ 5の回転力がコラム軸 21に加わり、該コ ラム軸 21力 ピ-オン軸 2に伝達されて、ラック軸 1に軸長方向の移動力が加えられ て前述の如くなされる操舵が補助される。
[0030] 本発明に係るラックピ-オン式操舵装置の特徴は、以上の如ぐステアリングホイ一 ル 22の操作力及びモータ 5の回転力が負荷された状態で回転するピ-オン軸 2にお けるピ-オン歯 4の形成態様にある。
[0031] 図 2は、ラック軸 1とピ-オン軸 2との交叉部近傍の拡大図である。本図に略示する ようにピ-オン軸 2に設けられたピ-オン歯 4は、該ピ-オン軸 2の軸心線に対して所 定の捩れ角 βを有する捩れ歯として形成されている。またラック軸 1に設けられたラッ ク歯 3は、該ラック軸 1の軸長方向と直交する方向に対して前記捩れ角 βに対応する 角度を有して傾斜する斜歯として形成されており、ピニオン軸 2との交叉部にお 、て ピ-オン歯 4と嚙合されて!/、る。
[0032] 図 3は、ラック歯 3とピ-オン歯 4との嚙合部の横断面図である。本図に示す如くラッ ク歯 3は、圧力角、即ち、歯形方向に対して歯面がなす角度が exとしてあり、このラッ ク歯 3に嚙合するピ-オン歯 4の圧力角も同じく αである。
[0033] ここでラック軸 1は、ばね荷重を利用した公知の予圧手段によりピ-オン軸 2に向け て押圧付勢されており、ラック歯 3とピニオン歯 4とは、図 3に示す如ぐノ ックラッシな しに嚙合されている。これにより、例えば、ステアリングホイール 22の反転操作による 操舵方向の転換時、ラック軸 1からの逆入力の作用時等に、ラック歯 3とピ-オン歯 4 との嚙合部に歯同士の衝突によって発生するラトル音を軽減することができる。
[0034] 一方、バックラッシなしに嚙み合わされたラック歯 3とピ-オン歯 4との間の嚙み合い 摩擦は大きぐこの嚙み合い摩擦の影響がコラム軸 21を介してピニオン軸 2に連結さ れたステアリングホイール 22に伝わり、該ステアリングホイール 22を操作する運転者に 体感されて操舵感の悪ィ匕を招来するという問題がある。
[0035] このような嚙み合 ヽ摩擦を軽減して良好な操舵感を得るためには、ピニオン歯 4 (及 びラック歯 3)の圧力角 αを大とし、ノ ックラッシなしに嚙合するラック歯 3とピ-オン歯 4との間のクサビ効果が弱めることが有効である。また一方、圧力角 aには、加工上 の制約による上限が存在し、 30° を超える圧力角ひの採用は難しい。本願発明に係 るラックピニオン式の操舵装置においては、加工上の制約を受けずに嚙み合い摩擦 を可及的に軽減することを目的とし、ピ-オン歯 4の圧力角 ocを、 JISに規定された標 準圧力角よりも十分に大きい 24° ≤ α≤30° なる範囲内にて選定する。
[0036] またラックピ-オン式の操舵装置においては、これが装備される車両の側からの要 求として、ピ-オン軸 2—回転当たりのラック軸 1の移動量を示すストロークレシオ Sが 与えられる。このストロークレシオ Sは、一般的な車両において、 35mm≤S≤60mm なる範囲内に存在する。
[0037] ピ-オン歯 4の他の歯諸元としてのモジュール m、歯数 z、歯丈 h及び捩れ角 βは、 前述した圧力角 α及びストロークレシオ Sの範囲内において、これらを用いて以下の 手順により選定される。
[0038] 図 4は、ピ-オン歯 4の歯諸元の選定手順を示すフローチャートである。この選定に 際しては、まず、圧力角 α及びストロークレシオ Sを設定する (ステップ 1)。
[0039] 圧力角 ocは、歯切り用の工具によって採用可能な角度が制限されることから、例え ば、前述した下限値（ = 24° )を初期値として設定し、この初期値力も上限値（ = 30 ° )に至るまで、工具による制限下にて定まるピッチ毎に設定値を変えて以下の手順 を実行する。またストロークレシオ Sは、実際の設計においては、操舵装置が装備さ れる車両側からの設計要求として与えられる固定値である力 ここでは、モジュール m及び歯数 ζの適正範囲を定めるために、下限値（ = 35mm)から上限値 ( = 60mm )に至るまで段階的に設定値を変えて以下の手順を実行する。
[0040] 以上の如く圧力角 α及びストロークレシオ Sの設定を終えた後、これらの設定値を 用いてピ-オン歯 4のモジュール m及び歯数 ζを算出する（ステップ 2)。この算出は、 ピ-オン歯 4が形成されるピ-オン軸 2の外径、ピ-オン軸 2とラック軸 1との軸間距離 等の周辺寸法と、前記圧力角 α及びストロークレシオ Sとを用いた公知の手順により なされ、モジュール m及び歯数 ζは、整数に限定される複数の歯数 zと、対応するモジ ユール mとの組み合わせとして与えられる。
[0041] 次いで、ピ-オン歯 4の捩れ角 βを所定の上限角度以下の範囲内にて複数設定し
(ステップ 3)、また歯丈 hを、モジュール mを含む所定の範囲内にて複数設定する (ス テツプ 4)。
[0042] 捩れ角 βの上限角度は、ピ-オン歯 4を備えるピ-オン軸 2をピ-オンノヽウジング 20内に支持する軸受のスラスト負荷能力により決定される力 一般的に 40° 前後とさ れる。一方捩れ角 βが小さい場合、ピ-オン歯 4とラック歯 3との歯筋方向の嚙み合 い長さが短くなり、後述する強度条件を満たし難くなることから、実際の設計において は、上限角度に近い 30° — 35° なる範囲の捩れ角 βが採用される力 ここでは、モ ジュール m及び歯数 ζの適正範囲を定めるために、上限角度（=40° )から下限角 度（ = 0° )までの全範囲に亘つて捩れ角 βを設定し、以下の手順を実行する。
[0043] 歯丈 hは、 2m≤h≤2. 5m (mはモジュール）なる範囲内にて設定する。この範囲は 、歯先側に 1モジュール前後の歯丈を確保して並歯 (h=2.25m)に近い歯形形状を 採用し、ピ-オン歯 4及びラック歯 3の嚙合部に 1以上の正面嚙み合 、率を確保して 不連続な嚙み合!、の発生を緩和すべく決定されて 、る。
[0044] 次!、で、ステップ 2にて算出されたモジュール m及び歯数 zに、ステップ 3、 4にて設 定された各複数の捩れ角 β及び歯丈 hを順次組み合わせて定まる歯諸元の夫々に ついて、所定の幾何学的条件を満たす力否かを判定し (ステップ 5)、更に、所定の 強度条件を満たす力否かを判定して (ステップ 6)、両条件を共に満たす歯諸元のみ を集積する (ステップ 7)。次いで、圧力角ひ及びストロークレシオ Sの設定が全範囲 に亘つてなされた力否かを判定し (ステップ 8、 9)、設定が完了していない場合、ステ ップ 1に戻り、圧力角 α及びストロークレシオ Sの再設定を行って同様の手順を繰り返 [0045] ステップ 5において判定の基準となる幾何学的条件の一つは、ピ-オン歯 4とラック 歯 3とが干渉することなく嚙み合わせ可能であるか否かであり、他の一つは、ピ-オン 歯 4の歯先に十分な歯厚が確保されているか否かである。前者の条件、即ち、嚙み 合わせの可否は、例えば、次式により算出されるトロコイド干渉クリアランスが 0. 3mm 以上確保されるかによって判定する。
[0046] [数 1]
… ( 1 )
Figure imgf000012_0001
[0047] 式中の Xは、転位係数であり、ピ-オン歯 4に設定される転位量をモジュール mで 除した値として与えられる。また tは、トロコイド干渉クリアランスであり、図 3に示す如き ラック歯 3とピ-オン歯 4の嚙合状態にぉ 、て、所定の嚙合位置を超えたラック歯 3の 歯先がピ-オン歯 4の歯元をえぐるように干渉する現象、所謂、トロコイド干渉が生じ る力否かを示す指標値として用いられる。
[0048] 図 5は、トロコイド干渉クリアランス tの説明図である。図中の Pは、、ピニオン歯 4の
1
基礎円を示し、 P は、ピ-オン歯 4の歯先円を示している。また図中の Rは、ラック歯
2 1
3の基礎円を示し、 Rは、ラック歯 3の歯先円を示している。更に図中の a は、嚙み
2 bs 合い圧力角であり、ラック歯 3とピ-オン歯 4との嚙合部における嚙み合い圧力角 a bs は、ラック歯 3及びピ-オン歯 4の圧力角 aと等しい。
[0049] 図 5 (a)には、ピ-オン歯 4の基礎円 Pと歯先円 Pとの直径差が大きい場合が示さ
1 2
れ、図 5 (b)には、前記直径差が小さい場合が示されている。トロコイド干渉クリアラン ス tは、嚙み合い中心線の一側に嚙み合い圧力角 a だけ傾斜した嚙み合い線 bが bs
ピ-オン歯 4の基礎円 Pと交わる点 aと、ラック歯 3の歯先円 Rとの間の距離として与 免られる。
[0050] ここで、嚙み合い圧力角 ex が同一であるという条件下において、図 5 (a)中の交点
bs
aは、ラック歯 3の歯先円 Rよりも内側（歯元側）に位置するのに対し、図 5 (b)中の交
2
点 aは、ラック歯 3の歯先円 Rよりも外側に位置しており、ラック歯 3とピ-オン歯 4との
2
トロコイド干渉は、図 5 (a)に示す状態において発生する。
[0051] (1)式におけるトロコイド干渉クリアランス tは、図 5に示すラック歯 3とピ-オン歯 4と の幾何学的な位置関係に基づいて、図 5 (a)に示す状態において負となり、図 5 (b) に示す状態において正となる値であり、ステップ 5においては、前述の如く設定され た圧力角 a、捩れ角 β、モジュール m及び歯数 ζを（1)式に代入してトロコイド干渉ク リアランス tを順次求め、この値が、前述の如く 0. 3mm以上であるものを嚙み合わせ 可として判定する。トロコイド干渉クリアランス tの下限値を 0. 3mmとしてあるのは、ピ ユオン歯 4及びラック歯 3の加工誤差の影響を排除し、し力も、前述した動作中にピ- オン歯 4又はラック歯 3に発生する歪の影響を排除するためである。
[0052] また後者の条件、即ち、歯先歯厚の良否は、歯切り後の熱処理時における焼入れ 過剰の防止のために設定される条件であり、例えば、次式により算出されるピニオン 歯 4の歯先歯厚 (歯直角方向） s 1S 動力伝達歯車の設計しきい値として用いられて
kn
V、る 0. 3m (mはモジュール）以上確保されて!、るか否かによって判定することができ る。
[0053] [数 2]
Figure imgf000013_0001
= ¾ c。s ^t … ( 3 )
[0054] 式中の s は、ピニオン歯 4の正面円弧歯厚であり、 rは、ピニオン歯 4の歯先円半
k k
径、 β は、ピ-オン歯 4の歯先円上での捩れ角である。また a は、歯先位置に相当 k ks
する歯車回転角度であり、 a は、基準ピッチ円上の圧力角であって、これらは、次式 により求められる。
[0055] [数 3] ( 4 )
Figure imgf000014_0001
[0056] なお rは、ピ-オン歯 4の基礎円半径である。ステップ 5においては、前述の如く設
g
定された圧力角 a、歯数 z及び捩れ角 |8を（2) (3) (4)式に代入してピ-オン歯 4の 歯先歯厚 (歯直角方向） s を順次求め、この値力 前述の如く 0. 3m以上であるもの
kn
を歯先歯厚が良であると判定する。なお、歯先歯厚が小さくなり易いピ-オン歯 4に おいては、熱処理に浸炭焼き入れを採用し、その上、歯先にフルトッピングを施して 鋭角部をなくし、熱処理時における焼入れ過剰 (ォーノヒート）を軽減するのが望まし い。
[0057] 一方ステップ 6において判定の基準となる強度条件の一つは、ピ-オン歯 4の歯元 の曲げ強さであり、他の一つは、歯面の疲れ強さである。歯元の曲げ強さは、平歯車 において曲げ応力 σ の計算式として用いられている下式 (ルイスの式）を用いて評
Β
価する。
[0058] [数 4] rNnF cos … ( Γ )
sF 2b
[0059] 式中の F は、歯面法線荷重であり、ラックピニオン式の操舵装置が装備される車両
N
側からの設計条件として与えられる。また式中の ωは、荷重線と歯形中心線とのなす 角の余角、 h は、荷重線と歯形中心線との交点から危険断面までの距離、 s は、危
F F
険断面の歯厚であって、これらは、はす歯のピ-オン歯 4の場合、次式により求めら れる。
[0060] [数 5]
Figure imgf000015_0001
mz cos n . 1 π ha -p0-mx
h F sm θ +— + sin- --- ( 7 )
COSft) cos
Figure imgf000015_0002
[0061] なお式中の a は、工具の圧力角、 p は、工具の歯先丸み半径、 hは歯末の歯丈
0 0 a
であり、 Θは、下式により求められる。
[0062] [数 6] ハ JZ { 71
(9)
Figure imgf000015_0003
1 hn p mx
— + ヽ tan (10) mnjl + 2(ha - 0)tan ao + 2 ?0 seca0
7o
mz
[0063] 一方歯面の疲れ強さは、ヘルツの弾性接触論を適用して、下式により求められる歯 面接触応力 σ を用いて評価する。
Η
[0064] [数 7]
Figure imgf000015_0004
[0065] 式中の Eは、歯車材料の縦弾性係数、 z は、小歯車の歯数、 zは、大歯車の歯数
1 2
、 β は、基礎円筒捩れ角、 Νは、歯幅有効度、 ε は、正面嚙み合い率、 bは、軸直 g b s
角歯幅、 oc は、正面嚙み合い圧力角である。また、 P は、歯直角方向の接線荷重、 bs n
dは、小歯車の嚙み合いピッチ円直径であって、夫々下式による求められる。
b
[0066] [数 8]
Fb = Pn cos β 8 cosaP · · · ( 1 3 )
d ^^ … ( 1 4 )
cos β0
[0067] ステップ 6においては、前述の如く圧力角 a、歯数 z及び捩れ角 βが設定されたピ 二オン歯 4において、（5)式により算出される曲げ応力 σ と（12)式により算出される
Β
歯面接触応力 σ とが、材料の許容応力を超えないものを強度条件を満たすと判定
Η
する。
[0068] 以上の手順により 24° ≤ α≤30° なる範囲内に存在する圧力角 αと、 35— 60 mmなる範囲内に存在する一般的なストロークレシオ Sとを有する条件下において、良 好な嚙み合いが可能であり、し力も十分な曲げ強さ及び疲れ強さを有するピニオン 歯 4の歯諸元が決定されることとなり、この歯諸元は、
モジユーノレ m ： 1. 8≤m≤2. 0
歯数 z ： 7≤z≤13
歯丈 h ： 2m≤h≤2. 5m
捩れ角 j8 ： j8≤35°
となる。
[0069] 例えば、圧力角 α = 27° である場合、ストロークレシオ Sが 40mm/revである一般 的な設計条件下において、捩れ角 β = 33° とした場合、ピ-オン歯 4の最適な歯諸 元は、モジュール mが 1. 8mmとなり、歯数 zが図 3に示す如く 7枚となる。
[0070] ここで、前述した設計条件下において従来一般的に採用されているピ-オン歯 4の 標準的な歯諸元は、圧力角 α = 14. 5° 、モジュール m= 2. 5、歯数 z = 5である。 本発明における歯諸元は、モジュール mが小さぐ歯数 zが多くなつており、小サイズ のピ-オン歯 4を多数枚備える構成となって 、る。
[0071] このようなピ-オン歯 4の歯諸元を備える本発明に係るラックピ-オン式操舵装置に ぉ 、て、ラック軸 1に負荷をカ卩えな 、状態でピ-オン軸 2を回転させるために必要な 回転トルクを測定する試験を行った結果、必要な回転トルクは 0. 4Nmであったのに 対し、前述した標準的な歯諸元を備える従来のラックピニオン式操舵装置において 同様の試験を行った結果、必要な回転トルクは 1. 2Nmであった。
[0072] この回転トルクは、ラック歯 3とピ-オン歯 4との間の嚙み合い摩擦を示すものであり 、本発明に係るラックピ-オン式操舵装置によれば、試験時における条件設定の誤 差を考慮に入れたとしても、嚙み合い摩擦の大幅な低減が可能となることが明らかで あり、ステアリングホイール 22を操作する運転者に路面からの反力が直接的に伝わる ようになり、例えば、路面反力が小さい低 路の高速走行時における操舵感の向上 を実現することができる。
[0073] また本発明に係るラックピ-オン式操舵装置にぉ 、ては、前述した歯諸元の採用に より、ピニオン歯 4の歯元強度の低下が予想される力 この低下は、大なる圧力角 a の採用により歯元の歯幅が増大し、また歯数 zの増加により正面嚙み合い率が大きく なることにより緩和されるから、標準的な歯諸元を採用した場合に比して大幅な歯元 強度の低下は生じず、前述の如くステアリングホイール 22の操作力及びモータ 5の回 転力が負荷される電動パワーステアリング装置における耐久試験によっても十分な 耐久性を有することが確かめられて 、る。
[0074] なお歯元強度の低下を補うためには、次に述べる歯面形状の修正を併用するのが 望ましい。図 6は、望ましい歯面形状の修正形態を示す説明図である。本図は、ピニ オン歯 4の歯面を縦横にメッシュ分割して示す図であり、この歯面は、歯形方向には 、歯先の圧力角が歯元の圧力角よりも大きい負の圧力角誤差を設定し、ラック歯 3と の嚙み合い応力が増す方向の圧力角誤差を与えた上で、中央が凸となる歯形修正 が施され、また歯筋方向には、クラウユングが施された修正歯面形状となっている。
[0075] このような歯面形状の修正により、ピ-オン歯 4の歯面における接触応力の分布を、 歯筋方向及び歯形方向に均等化することができ、歯面の偏摩耗を防止して歯元強 度の不足を補い、耐久性の向上を図ることができる。なお、前述した歯諸元を有する ピ-オン歯 4において、前記クラウユングの適正量は、中央部での最大値が 10 m 前後であり、前記歯厚誤差の適正量は、歯先部での最大値が 20 m前後である。
[0076] 図 7は、歯面形状修正の効果を調べるベぐ所定の耐久試験の実施後におけるピ 二オン歯 4の歯面の摩耗量を測定した結果を示す図である。図中に白抜きして示す 棒グラフは、前述した歯面形状の修正を行った場合の結果を、また図中にハッチング を施して示す棒グラフは、歯面形状の修正を行わなかった場合の結果を夫々示して おり、更に、図中にクロスハッチを施して示す棒グラフは、歯筋方向のクラウユングの みを実施した場合の結果を示して 、る。
[0077] 図の左側の 3組の棒グラフは、基礎円近傍での歯筋方向の摩耗量の分布を示して おり、左側から順に、ピ-オン軸 2の先端側の歯当たり境界部近傍、ピ-オン軸 2の 歯筋方向の中央部近傍、及びピ-オン軸 2の基端側の歯当たり境界部近傍での測 定値を夫々示してある。これらにより、クラウユングのみを行った場合、摩耗量の総量 は歯面形状修正を行わな力つた場合と同程度であるが、摩耗量の分布が歯筋方向 に均等化されていることが明らかであり、前述した歯面形状修正を行った場合、クラウ ユングによる均等化を維持したまま、歯筋方向の全般において摩耗量が大幅に低減 することが明らカゝである。
[0078] 図の右側の 2組の棒グラフは、歯形方向の摩耗量の分布を示しており、左側の 1組 は、歯先近傍での測定値を、右側の 1組は、歯形方向の略中央部での測定値を示し てある。これらにより、前述した歯面形状修正を行った場合、歯形方向においても、ク ラウ-ングによる均等効果を維持したまま摩耗量を大幅に低減することが可能となる
[0079] なお以上の実施の形態においては、歯形方向に、ラック歯 3とピ-オン歯 4との嚙み 合い応力が増す方向の圧力角誤差を、歯先の圧力角が歯元の圧力角よりも大きい 負の圧力角誤差を与えて実現しているが、歯元の圧力角が歯先の圧力角よりも大き V、正の圧力角誤差を与えることによつても前記嚙み合!、応力の増加を実現すること ができる。 また以上の実施の形態においては、操舵部材とピユオン軸との間に操舵補助用の モータを備え、このモータの回転力をピ-オン軸に伝えて、該ピ-オン軸の回転に応 じてなされる操舵を補助する電動パワーステアリング装置、所謂、コラムアシスト式の 電動パワーステアリング装置として構成されたラックピ-オン式操舵装置への適用例 について説明したが、本発明に係るラックピ-オン式舵取装置は、他の形式の電動 パワーステアリング装置として構成されることもでき、また操舵部材としてのステアリン グホイール 22に運転者により加えられる操舵トルクのみによって操舵を行わせるマ- ュアル式の操舵装置として構成されることもでき、更には、ラックハウジング 10の中途 に設けた油圧シリンダの発生力をラック軸 1に加えて操舵を補助する油圧パワーステ ァリング装置として構成されることも可能である。

Claims

請求の範囲
[1] ピ-オン軸の周面に設けたピ-オン歯とラック軸の外面に設けたラック歯とをバック ラッシなしに嚙合させてあり、操舵部材に連結された前記ピ-オン軸の回転を前記ピ ユオン歯及びラック歯の嚙合部を介して前記ラック軸に伝え、該ラック軸を所定のスト ロークレシオにて軸長方向に移動させて操舵を行わせる構成としたラックピ-オン式 操舵装置において、
前記ピ-オン歯及びラック歯は、 24° ≤ α≤30° なる範囲内にて設定された圧力 角 αと、該圧力角 α及び前記ストロークレシオを用いて所定の設計条件を満たすベ く選定され、夫々が下記の範囲内に収まるモジュール m、歯数 z、歯丈 h及び捩れ角 βを備えることを特徴とするラックピ-オン式操舵装置。
モジユーノレ m ： 1. 8≤m≤2. 0
歯数 z ： 7≤z≤13
歯丈 h ： 2m≤h≤2. 5m
捩れ角 β ： β≤40°
[2] 前記ピニオン歯は、歯形方向に、前記ラック歯との嚙み合い応力が増す向きの圧 力角誤差を設けると共に、中央が凸となる歯形修正を施してある修正歯面形状を備 える請求項 1記載のラックピ-オン式操舵装置。
[3] 前記ピ-オン歯は、歯筋方向にクラウユングを施してある修正歯面形状を備える請 求項 1又は請求項 2記載のラックピ-オン式操舵装置。
[4] 前記操舵部材と前記ピ-オン軸との間に操舵補助用のモータを備え、該モータの 回転力を前記ピニオン軸に伝えて該ピニオン軸の回転に応じてなされる操舵を補助 する電動パワーステアリング装置として構成してある請求項 1乃至請求項 3のいずれ かに記載のラックピ-オン式操舵装置。
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