JP2004330937A - 電動ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、減速装置におけるウォームギヤおよびウォームホイールの耐久性および操舵フィーリングの更なる向上に寄与する電動ステアリング装置を提供することを課題とする。
【解決手段】電動ステアリング装置の減速装置は、少なくともウォームギヤ４１とウォームホイール４２とからなり、ウォームギヤ４１の歯面の形状は、その歯末面４１ｂが略円弧状に形成され、歯元面４１ｃがインボリュート形状に形成されている。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機の動力を減速機構を介して操舵軸に作用させる電動ステアリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動機の動力を減速機構（倍力装置）を介して操舵軸に作用させる電動ステアリング装置として、たとえば運転者によるハンドル操作をアシストする電動パワーステアリング装置がある。図５（ａ）に示すように、このような電動パワーステアリング装置１００は、ハンドル１０１からの運転者の手動による操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１０２と、運転者の操舵を補助するモータ１０３と、このモータ１０３の回転トルクを増加（倍力）させる減速機構１０４と、車速を検知する車速センサ１０５と、モータ１０３の駆動を制御する制御装置１０６と、ハンドル１０１からの操舵トルクをタイヤ１０７の揺動に変換するために軸方向への推力に変換するラック・ピニオン機構１０８とで主に構成されている。
【０００３】
そして、この電動パワーステアリング装置１００では、運転者が操作したときの操舵トルクを操舵トルクセンサ１０２で検出し、この検出した信号を基本に、他の信号、たとえば車速センサ１０５からの信号を参照することで制御装置１０６がモータ１０３の駆動を制御している。このとき、モータ１０３から発生するトルクは、減速機構１０４により倍力されてラック・ピニオン機構１０８のピニオン軸に作用するため、運転者の操舵にかかる負担が軽減される。具体的には、たとえば操舵トルクをＴＨ、アシスト量ＡＨの係数を一定のｋＡとすると、ＡＨ＝ｋＡ×ＴＨとなるから、負荷であるピニオントルクをＴＰとすると、
ＴＰ ＝ ＴＨ＋ＡＨ
ＴＰ ＝ ＴＨ＋ｋＡ×ＴＨ
ＴＨ ＝ ＴＰ／（１＋ｋＡ）
となる。そのため、操舵トルクＴＨは、ピニオントルクＴＰの１／（１＋ｋＡ）倍（ｋＡ＞０）となって軽減される。
【０００４】
そして、このようにモータ１０３からのトルクを倍力させる減速機構１０４としては、図５（ｂ）に示すように、モータ１０３の先端に同軸に設けられるウォームギヤ１１５と、このウォームギヤ１１５の軸に直交する軸回りに回転する樹脂製のウォームホイール１２２とが噛み合うことでトルクを伝達させる構造が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２６４８２７号公報（段落番号〔００２２〕、図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の減速機構１０４では、ウォームギヤ１１５および樹脂製のウォームホイール１２２の耐久性や操舵フィーリングの更なる向上を図るために、ウォームギヤ１１５およびウォームホイール１２２の歯面形状の改善が望まれていた。従来においては、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、たとえば歯先から歯元にかけて略直線状に形成され、かつその圧力角（歯面のピッチ点において、歯車の半径方向と歯面への接線とのなす角）が６°となる歯を有する歯具（ホブ）２００でウォームホイール１２２を形成していたため、切り下げという現象が起こり、ウォームホイール１２２の歯元が少しえぐられた形状（図中の凹部１２２ａ，１２２ｂ）となっていた。
【０００７】
このような歯面形状となったウォームホイール１２２では、図７に示すように、ウォームギヤ１１５との噛み合い部（接触部）Ａが切り下げにより小さくなるため、更なる耐久性向上および操舵フィーリングの向上のためにはこの接触部Ａの面積を大きくすることが望まれていた。さらに、噛み合い部Ｃでは、ウォームギヤ１１５が凹部１２２ａに入り込むように摺動するため、更なる耐久性向上のためには凹部１２２ａを無くすとともに互いにスムーズに摺動できる形状に形成するのが望まれていた。
【０００８】
また、切り下げを防止するために、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、歯具２００を所定距離ａだけ転位させて加工することでウォームホイール１２３の歯元を太らせる方法があるが、この方法では、図９に示すように、噛み合い部Ｂがウォームホイール１２３の歯元まで移動するため、更なる耐久性向上のためにはこの噛み合い部Ｂを図７に示す噛み合い部Ａの位置（ウォームギヤ１１５のピッチ円ＰＣ上）に位置させるのが望ましかった。ちなみに、このように噛み合い部Ａをピッチ円ＰＣ上に位置させることにより、図７に示すように、樹脂製のウォームホイール１２２の歯を弾性変形させ、ウォームホイール１２２の三つの歯をウォームギヤ１１５の三つの歯に噛み合わせることができ、その耐久性が向上する。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、減速機構におけるウォームギヤおよびウォームホイールの耐久性および操舵フィーリングの更なる向上に寄与する電動ステアリング装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明のうちの請求項１に記載の発明は、操舵軸に減速機構を介してトルクを付与する電動機を備えた電動ステアリング装置において、前記減速機構は少なくともウォームギヤとウォームホイールとからなり、前記ウォームギヤまたはウォームホイールのどちらか一方の歯面の形状は、その一部が略円弧状であるとともに、他部がインボリュート形状であることを特徴とする。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、ウォームギヤまたはウォームホイールのどちらか一方の歯面の形状を、その一部が略円弧状、他部がインボリュート形状とすることで、切り下げの防止と、噛み合い部をピッチ円上に位置させることをともに実現することができる。これにより、ウォームギヤとウォームホイールとの噛み合い部の接触面積を大きくして接触面圧を下げることができるので、磨耗が抑制されてその耐久性が更に向上するとともに、ハンドルの切り返し時におけるガタや打音等を抑制する他、噛み合いが良好になるので操舵フィーリングを更に向上させることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、操舵軸に減速機構を介してトルクを付与する電動機を備えた電動ステアリング装置において、前記減速機構は少なくともウォームギヤとウォームホイールとからなり、前記ウォームギヤおよび前記ウォームホイールの歯面の形状は、その一部が略円弧状であるとともに、他部がインボリュート形状であることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、ウォームホイールおよびウォームギヤの歯面の形状を、ともにその一部が略円弧状、他部がインボリュート形状となるように形成することで、ウォームホイールとウォームギヤとの噛み合い部においてたとえば円弧面同士が摺接してウォームギヤがウォームホイールに滑らかに入り込むので、その耐久性を更に向上させることができるとともに、噛み合いの状態が良好になるため、その操舵フィーリングを更に向上させることができる。また、前記した切り下げを防止することができるため、ウォームギヤとウォームホイールとの軸間を短くすることができる。これによって、電動ステアリング装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明の構成において、前記ウォームホイールは、樹脂製であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の発明による効果に加え、ウォームホイールが樹脂製であるので、ピッチ円上でウォームホイールの歯と噛み合ったウォームギヤの歯によって、ウォームホイールの歯を弾性変形させることができる。これにより、ウォームホイールおよびウォームギヤの歯をより多く噛み合わせることができ、その耐久性が更に向上することとなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る電動ステアリング装置の詳細について説明する。参照する図面において、図１は本実施形態に係る電動パワーステアリング装置の操舵機構を示す断面図、図２は図１の減速機構を構成するウォームギヤおよびウォームホイールを示す断面図である。また、図３は、図２のウォームホイールを加工するための歯具を示す断面図（ａ）と、この歯具の加工時の軌跡および加工されたウォームホイールを示す断面図（ｂ）である。
【００１７】
図１に示すように、電動パワーステアリング装置（電動ステアリング装置）Ｍの操舵機構１は、ケース２、操舵軸３、減速機構４およびこの減速機構４を介して操舵軸３にトルクを付与するモータ（電動機）５を主に備えている。ケース２内には、その所定箇所に四つのベアリング６，７，８，９が設けられ、これらのベアリング６〜９によって操舵軸３が回転自在に支持されている。また、図示しないハンドル側にある二つのベアリング６，７の間には、前記ハンドルからの操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられている。
【００１８】
減速機構４は、モータ５からの動力を倍力させて操舵軸３に伝達させるべくこれらの間に配設されており、主に金属製のウォームギヤ４１と樹脂製のウォームホイール４２とで構成されている。ウォームギヤ４１は、ウォームホイール４２の回転軸とは略直交する軸回りに回転するギヤであり、モータ５の回転軸に相対回転不能な状態で取り付けられている。そして、このウォームギヤ４１の外周面には、ウォームホイール４２と噛み合う複数の歯４１ａ（図２参照）が形成されている。また、ウォームホイール４２は、操舵軸３に相対回転不能な状態で取り付けられ、その外周面にウォームギヤ４１と噛み合う複数の歯４２ａ（図２参照）が形成されている。
【００１９】
図２に示すように、ウォームギヤ４１の歯４１ａの歯面形状は、ウォームギヤ４１のピッチ円Ｐ１近傍の位置から歯先まで（図中の枠Ｅで囲んだ部分）の歯末面（一部）４１ｂが略円弧状に形成されるとともに、ピッチ円Ｐ１近傍の位置から歯底まで（図中の枠Ｄで囲んだ部分）の歯元面（他部）４１ｃがインボリュート形状に形成されている。また、このウォームギヤ４１に噛み合うウォームホイール４２の歯４２ａの歯面形状は、ウォームホイール４２のピッチ円Ｐ２近傍の位置から歯先まで（図中の枠Ｆで囲んだ部分）の歯末面（他部）４２ｂがインボリュート形状に形成されるとともに、ピッチ円Ｐ２近傍の位置から歯底まで（図中の枠Ｇで囲んだ部分）の歯元面（一部）４２ｃが略円弧状に形成されている。
【００２０】
なお、このウォームホイール４２は、図３に示すような歯具１１によって加工される。具体的に、この歯具１１の各歯１１ａの歯面形状は、歯具１１のピッチ円Ｐ３近傍から歯底まで（図中の枠Ｈで囲んだ部分）の歯元面１１ｂがインボリュート形状に形成され、ピッチ円Ｐ３近傍から歯先まで（図中の枠Ｉで囲んだ部分）の歯末面１１ｃが略円弧状に形成されている。また、この歯具１１の圧力角は６°に設定されている。そして、このように歯元面１１ｂをインボリュート形状、歯末面１１ｃを略円弧状にした歯具１１で形成されたウォームホイール４２は、その歯末面４２ｂがインボリュート形状、歯元面４２ｃが略円弧状となるとともに（図２参照）、その歯元に生じる切り下げが防止される。
【００２１】
このように形成されたウォームギヤ４１およびウォームホイール４２を噛み合わせると、図２に示すように、その噛み合い部Ｊがピッチ円Ｐ２上（ウォームホイール４２の歯４２ａの高さ方向中央部）に位置することとなる。また、枠Ｆ内においては歯末面４２ｂと歯元面４１ｃ、すなわちインボリュート形状の面同士が接し、枠Ｅ内においては歯元面４２ｃと歯末面４１ｂ、すなわち略円弧状の面同士が接することとなる。さらに、噛み合い部Ｋにおいてウォームギヤ４１の略円弧状となる歯末面４１ｂが同じく略円弧状となる歯元面４２ｃに滑らかに入り込むこととなる。
【００２２】
以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
（１）噛み合い部Ｋにおいてウォームギヤ４１の歯４１ａがウォームホイール４２の歯元面４２ｃに滑らかに入り込むので、耐久性を向上させることができるとともに、噛み合いの状態が良好となり操舵フィーリングも向上させることができる。
【００２３】
（２）ウォームホイール４２の切り下げを防止することで、噛み合い部Ｊにおける接触面積を大きくして接触面圧を下げることができるので、ウォームギヤ４１およびウォームホイール４２の磨耗を抑制することができるとともに、高温時におけるクリープ変形をも防止することができる。また、これにより、ハンドルの切り返し時にガタや打音等の発生を防止することができる他、噛み合いの状態が良好になるため操舵フィーリングを更に向上させることができる。
【００２４】
（３）ウォームギヤ４１をウォームホイール４２のピッチ円Ｐ２上で噛み合わせることで、樹脂製のウォームホイール４２の歯４２ａを弾性変形させることができる。これにより、図２で示したウォームギヤ４１の三つの歯４１ａ，・・・にウォームホイール４２の三つの歯４２ａ，・・・を確実に噛み合わせることができることとなり、高い耐久性を確保することができる。
【００２５】
（４）ウォームホイール４２の歯元部（枠Ｅで囲んだ部分）では円弧面と円弧面、歯先部（枠Ｆで囲んだ部分）ではインボリュート面とインボリュート面とが滑らかに接触するので、ウォームホイール４２の歯元の曲げ疲労に対する強度を向上させることができるとともに、歯先で大きな荷重に耐えることができる。
（５）また、本実施形態の構造によれば、図４に示すように、切り下げ限界の転位係数をほとんどゼロとすることができる。すなわち、ウォームホイール４２の加工時に、歯具１１をオフセットする必要がほとんどないので、ウォームギヤ４１とウォームホイール４２の噛み合い位置をウォームホイール４２の歯元側に移動させずに、そのピッチ円Ｐ２上に位置させることができる。
【００２６】
以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、ウォームギヤ４１およびウォームホイール４２の両方の歯面形状を円弧状、インボリュート形状で構成したが、たとえばウォームギヤ４１またはウォームホイール４２のどちらか一方の歯面形状を、円弧状、インボリュート形状で構成してもよい。
本実施形態では、電動ステアリング装置として電動パワーステアリング装置Ｍを採用したが、本発明はこれに限定されず、たとえば操舵機構と車輪を転舵する転舵機構とが機械的に分離されたステア・バイ・ワイヤ式の電動ステアリング装置を採用してもよい。この構造においては、ハンドルに反力を付与する反力モータと操舵軸との間に設けられる減速機構に本発明を適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、ウォームギヤまたはウォームホイールのどちらか一方の歯面の形状を、その一部が略円弧状、他部がインボリュート形状とすることで、噛み合い部の接触面圧を下げることができるので耐久性を更に向上させることができるとともに、噛み合いが良好になるので操舵フィーリングを更に向上させることができる。
【００２８】
請求項２に記載の発明によれば、ウォームホイールおよびウォームギヤの歯面の形状を、ともにその一部が略円弧状、他部がインボリュート形状にするので、その耐久性と操舵フィーリングを更に向上させることができる。また、前記した切り下げを防止することができるため、ウォームギヤとウォームホイールとの軸間を短くすることができる。これによって、電動ステアリング装置の小型化を図ることが可能となる。
【００２９】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の発明による効果に加え、ウォームギヤの歯によって、樹脂製のウォームホイールの歯を弾性変形させることができるので、ウォームホイールおよびウォームギヤの歯をより多く噛み合わせることができ、その耐久性が更に向上することとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る電動パワーステアリング装置の操舵機構を示す断面図である。
【図２】図１の減速機構を構成するウォームギヤおよびウォームホイールを示す断面図である。
【図３】図２のウォームホイールを加工するための歯具を示す断面図（ａ）と、この歯具の加工時の軌跡および加工されたウォームホイールを示す断面図（ｂ）である。
【図４】本実施形態のウォームホイールおよび従来のウォームホイールの加工時に必要な転位係数を示すグラフである。
【図５】従来の電動パワーステアリング装置を示す斜視図（ａ）と、減速機構の詳細を示す斜視図（ｂ）である。
【図６】従来のウォームホイールを加工する歯具を示す断面図（ａ）と、この歯具の加工時の軌跡および加工されたウォームホイールを示す断面図（ｂ）である。
【図７】切り下げが発生したウォームホイールとウォームギヤとの噛み合いの状態を示す断面図である。
【図８】従来の歯具を示す断面図（ａ）と、転位させた歯具の加工時の軌跡および加工されたウォームホイールを示す断面図（ｂ）である。
【図９】図８のウォームホイールとウォームギヤとの噛み合いの状態を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｍ 電動パワーステアリング装置
３ 操舵軸
４ 減速機構
４１ ウォームギヤ
４１ｂ 歯末面（一部）
４１ｃ 歯元面（他部）
４２ ウォームホイール
４２ｂ 歯末面（他部）
４２ｃ 歯元面（一部）
５ モータ（電動機）

Claims (3)

1. 操舵軸に減速機構を介してトルクを付与する電動機を備えた電動ステアリング装置において、
   前記減速機構は少なくともウォームギヤとウォームホイールとからなり、
   前記ウォームギヤまたはウォームホイールのどちらか一方の歯面の形状は、その一部が略円弧状であるとともに、他部がインボリュート形状であることを特徴とする電動ステアリング装置。
2. 操舵軸に減速機構を介してトルクを付与する電動機を備えた電動ステアリング装置において、
   前記減速機構は少なくともウォームギヤとウォームホイールとからなり、
   前記ウォームギヤおよび前記ウォームホイールの歯面の形状は、その一部が略円弧状であるとともに、他部がインボリュート形状であることを特徴とする電動ステアリング装置。
3. 前記ウォームホイールは、樹脂製であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動ステアリング装置。

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