JP2005030458A

JP2005030458A - シザーズギヤおよび電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2005030458A
Application number: JP2003194422A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tatewaki; 修立脇
Original assignee: NSK Ltd; NSK Steering Systems Co Ltd
Current assignee: NSK Ltd; NSK Steering Systems Co Ltd
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】比較的簡便な構成を採りながら、ギヤ打音の効果的な抑制等を実現したシザーズギヤやこのシザーズギヤを用いた電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】アイドラギヤ３８は、第１ヘリカルギヤ７１と、第２ヘリカルギヤ７３と、両ヘリカルギヤ７１，７３の間に介装された弾性体である合成ゴム製のカップリング７５とから構成されている。カップリング７５のねじり剛性をｋδとし、軸方向剛性をｋａとし、第１，第２ヘリカルギヤ７１，７３のピッチ円半径をｒ、ねじれ角をβとしたとき、ｋδ／ｋａ＞（ｒ／ｔａｎβ）^２であるように設定されている。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シザーズギヤおよび電動パワーステアリング装置に係り、詳しくは、比較的簡便な構成を採りながら、ギヤ打音の効果的な抑制等を実現する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の操舵系では、外部動力源を用いて操舵アシストを行わせる、いわゆるパワーステアリング装置が広く採用されている。従来、パワーステアリング装置用の動力源としては、ベーン方式の油圧ポンプが用いられており、この油圧ポンプをエンジンにより駆動するものが多かった。ところが、この種のパワーステアリング装置は、油圧ポンプを常時駆動することによるエンジンの駆動損失が大きい（最大負荷時において、数馬力〜十馬力程度）ため、小排気量の軽自動車等への採用が難しく、比較的大排気量の自動車でも走行燃費が無視できないほど低下することが避けられなかった。
【０００３】
そこで、これらの問題を解決するものとして、電動モータを動力源とする電動パワーステアリング装置（ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｔｅｅｒｉｎｇ、以下ＥＰＳと記す）が近年注目されている。ＥＰＳには、電動モータの電源に車載バッテリを用いるために直接的なエンジンの駆動損失（油圧ポンプに係るエンジンの駆動損失）が無く、電動モータが操舵アシスト時にのみに起動されるために走行燃費の低下も抑えられる他、電子制御が極めて容易に行える等の特長がある。
【０００４】
一方、乗用車用のステアリングギヤとしては、高剛性かつ軽量であること等から、現在ではラックピニオン式が主流となっている。そして、ラック＆ピニオン式ステアリングギヤ用のＥＰＳとしては、ステアリングシャフトやピニオン自体を駆動するべくコラム側部に電動モータを配置したコラムアシスト型等の他、電動式のボールねじ機構によりラックシャフトを駆動するボールねじ式ラックアシスト型も用いられている。ボールねじ式ラックアシスト型のＥＰＳ（以下、単にラックアシスト型ＥＰＳと記す）では、アシスト力がピニオンとラックとの噛合面に作用しないため、摩耗や変形の要因となる両部材間の接触面圧が比較的小さくなる。
【０００５】
ラックアシスト型ＥＰＳでは、ラックシャフトに形成されたボールねじ軸の雄ねじ溝とボールナットに形成された雌ねじ溝とが多数個の循環ボール（鋼球）を介して係合しており、電動モータによりボールナットを回転駆動することでラックシャフトが軸方向に移動する。電動モータとボールナットとの間の動力伝達方法としては、タイミングベルト式等もあるが、ギヤ式のもの（例えば、特許文献１，２参照）が一般的である。ギヤ式の動力伝達方法が採られたラックアシスト型ＥＰＳでは、電動モータ側のギヤとボールナット側のギヤとが大径となることを避けるべく、通常は両ギヤの間にアイドラギヤが介装される。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３０６２８５２号（第３頁、図１）
【特許文献２】
実公平２−４６４５５号公報（第２頁、図２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したラックアシスト型ＥＰＳでは、動力伝達用ギヤ列のギヤとして、ヘリカルギヤやスパーギヤが用いられる。周知のように、これらのギヤを円滑に作動させるには、噛み合うギヤ間には適正なバックラッシュを設ける必要がある。ところが、ＥＰＳの場合には操舵反転に伴ってギヤの回転方向が変動するため、直進走行時等に運転者により正逆方向に微少舵角があたえられた場合、ラトル音（ギヤの打音）が発生する問題があった。これは、ギヤが比較的短い間隔で正逆転を繰り返し、バックラッシュ分遊動したギヤの歯面が相手側ギヤの歯面に衝突することに起因する。
【０００８】
従来より、スパーギヤの打音を抑制する技術として、シザーズギヤが公知となっている。シザーズギヤは、スパーギヤを軸方向で二分割すると共に、引張コイルばねあるいは圧縮コイルばねにより二分割されたスパーギヤを相対回転する方向に付勢するもので、相手側ギヤの歯を両スパーギヤの歯により挟圧・保持し、遊動による衝突を防ぐ構造となっている。しかしながら、この種のシザーズギヤでは、引張コイルばねや圧縮コイルばねが２本〜４本程度必要となる他、両スパーギヤに引張コイルばねや圧縮コイルばねの設置スペース（あるいは、収納スペース）や係止ピン等も必要となり、構成部品点数や組立工数が多くなり、構造やギヤ形状も複雑になることが避けられなかった。
【０００９】
そこで、本出願人は、図１１に示したように、一対のヘリカルギヤ７１，７３をスプライン８１，８５により軸方向に摺動自在に連結させると共に、これらヘリカルギヤ７１，７３を圧縮コイルばね７５により軸方向に離反させるように構成したシザーズギア３８を過去に提案した。このシザーズギア３８は、比較的構成が簡素でありながら、遊動に起因する打音の抑制に大きな効果を発揮した。ところが、この形式のシザーズギア３８で円滑な作動を実現するためには、スプライン８１，８５に高い寸法・形状精度と滑らかな表面とが要求され、製造工数の増大や製造コストの上昇が許容範囲を超える等の問題があった。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑みなされたもので、簡易かつ製造容易でありながら、ギヤ打音の効果的な抑制等を実現したシザーズギヤやこのシザーズギヤを用いた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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するべく、請求項１の発明では、ギヤ列の一部を構成し、ギヤ打音を抑制するべく、噛み合ったギヤの歯を挟圧・保持するシザーズギヤであって、第１のヘリカルギヤと、この第１のヘリカルギヤに少なくとも軸方向に摺動自在に係合する第２のヘリカルギヤと、前記第１のヘリカルギヤと前記第２のヘリカルギヤとを軸方向に離反させる弾性体とを備え、前記弾性体のねじり剛性をｋδ、軸方向剛性をｋａとし、前記第１および第２のヘリカルギヤのピッチ円半径をｒ、ねじれ角をβとしたとき、ｋδ／ｋａ＞（ｒ／ｔａｎβ）^２であるものを提案する。
【００１２】
請求項１の発明によれば、第１のヘリカルギヤと第２のヘリカルギヤが軸方向に離反することにより、シザーズギヤに噛み合うヘリカルギヤの歯が挟圧・保持され、遊動に起因するギヤ打音の発生が防止される。
【００１３】
また、請求項２の発明では、請求項１のシザーズギヤにおいて、前記弾性体が合成ゴムであるものを提案する。
【００１４】
この発明によれば、例えば、第１のヘリカルギヤと第２のヘリカルギヤとの間の軸芯に打ち抜き加工や加硫成形された合成ゴム板を介装することにより、両ヘリカルギヤが軸方向に離反する。
【００１５】
また、請求項３の発明では、電動モータの駆動力を、シザーズギヤを含むギヤ列を介して、ステアリング駆動要素に伝達させることにより操舵アシストを行わせる電動パワーステアリング装置であって、前記シザーズギヤが、第１のヘリカルギヤと、この第１のヘリカルギヤに少なくとも軸方向に摺動自在に係合する第２のヘリカルギヤと、前記第１のヘリカルギヤと前記第２のヘリカルギヤとを軸方向に離反させる弾性体とを備え、前記弾性体のねじり剛性をｋδ、軸方向剛性をｋａとし、前記第１および第２のヘリカルギヤのピッチ円半径をｒ、ねじれ角をβとしたとき、ｋδ／ｋａ＞（ｒ／ｔａｎβ）^２であるものを提案する。
【００１６】
請求項３の発明によれば、第１のヘリカルギヤと第２のヘリカルギヤが軸方向に離反することにより、シザーズギヤに噛み合うヘリカルギヤの歯が挟圧・保持され、遊動に起因するギヤ打音の発生が防止される。
【００１７】
また、請求項４の発明では、請求項３の電動パワーステアリング装置において、前記弾性体が合成ゴムであるものを提案する。
【００１８】
この発明によれば、例えば、第１のヘリカルギヤと第２のヘリカルギヤとの間の軸芯に打ち抜き加工や加硫成形された合成ゴム板を介装することにより、両ヘリカルギヤが軸方向に離反する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、第１実施形態に係る電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成を示した斜視図である。同図中に符号１で示した部材はステアリングコラムであり、アッパステアリングシャフト３を回動自在に支持している。アッパステアリングシャフト３には、その上端にステアリングホイール５が装着される一方、下端にユニバーサルジョイント７を介してロアステアリングシャフト９が連結されている。ロアステアリングシャフト９には、その下端に更にラック＆ピニオン機構やパワーアシスト機構等からなるステアリングギヤ１１が連結されている。図１中、符号１５はステアリングギヤ１１の左右端に連結されたタイロッドを示している。
【００２１】
図２は第１実施形態に係るステアリングギヤ１１の要部断面平面図であり、図３は図２中のＡ−Ａ拡大断面図である。これらの図中で符号２１で示した部材はステアリングギヤケースを構成するラック＆ピニオンハウジングであり、ラック＆ピニオン機構を構成するラックシャフト２３やピニオン（図示せず）を保持している。ラックシャフト２３は、ピニオンに噛み合うラック２５を図中左側に有すると共に、その左右端にはタイロッド１５を揺動自在に支持する球面継手２７が固着されている。
【００２２】
パワーアシスト機構は、ラック＆ピニオンハウジング２１の左端に形成された第２のハウジングたるギヤハウジング３１と、ギヤハウジング３１にボルト締めされてラック＆ピニオンハウジング２１と伴にステアリングギヤケースを構成する第１のハウジングたるボールねじハウジング３３とを外郭としている。ギヤハウジング３１には、その後方に電動モータ３５がボルト締めされている。尚、図２においては、説明の便宜上、電動モータ３５を下方に描いている。
【００２３】
ギヤハウジング３１とボールねじハウジング３３との間には、電動モータ３５のモータシャフト（図示せず）に固着されたドライブギヤ３７と、シザーズギヤたるアイドラギヤ３８を介してドライブギヤ３７に噛み合うドリブンギヤ３９が収納されている。本実施形態の場合、各ギヤ３７，３８，３９はヘリカルギヤである。
【００２４】
ボールねじハウジング３３には、ドリブンギヤ３９が端部に形成されたボールナット４１が回動自在に保持されている。ボールナット４１は、ボールナット本体４３と、ボールナット本体４３に外嵌された複列アンギュラ玉軸受４５とからなっている。
【００２５】
ラックシャフト２３には雄ねじ溝６１が形成される一方、ボールナット本体４３には雌ねじ溝６３が形成され、雄ねじ溝６１と雌ねじ溝６３との間には循環ボールたる多数個の鋼球６５が介装されている。また、ボールナット本体４３には、鋼球６５を循環させるための循環こま（図示せず）が装着されている。
【００２６】
図４はシザーズギヤたるアイドラギヤ３８の平面図であり、図５は図４中のＢ−Ｂ断面図であり、図６はアイドラギヤ３８の分解斜視図である。これらの図に示したように、アイドラギヤ３８は、第１ヘリカルギヤ７１と、第２ヘリカルギヤ７３と、両ヘリカルギヤ７１，７３の間に介装された弾性体である合成ゴム製のカップリング７５とから構成されている。図４中、符号７７，７９は転がり軸受（深溝玉軸受）であり、アイドラギヤ３８を回転自在に支持している。
【００２７】
第１ヘリカルギヤ７１には、図４，図６中左端面に転がり軸受７７に支持される第１シャフト８１が突設される一方、図４，図６中右端面に第２ヘリカルギヤ７３が回動自在に外嵌すると共に転がり軸受７９に支持される第２シャフト８３が突設されている。
【００２８】
カップリング７５には、その中央部８５に第２シャフト８３が貫通する貫通孔８７が穿設されると共に、中央部８５から６本の係合片８９が放射状に延設されている。第１ヘリカルギヤ７１と第２ヘリカルギヤ７３との対向面には、カップリング７５の各係合片８９間の空隙に嵌入する各３個の係合突起９１，９３が１２０゜の角度間隔でそれぞれ形成されている。
【００２９】
本実施形態の場合、カップリング７５のねじり剛性をｋδとし、軸方向剛性をｋａとし、第１，第２ヘリカルギヤ７１，７３のピッチ円半径をｒ、ねじれ角をβとしたとき、ｋδ／ｋａ＞（ｒ／ｔａｎβ）^２であるように設定されている。
【００３０】
本実施形態の場合、第１ヘリカルギヤ７１と第２ヘリカルギヤ７３とは、両ヘリカルギヤ７１，７３が図４の状態から所定量相対回動した時点で歯すじが一致するように形成されている。また、組立時においては、カップリング７５を撓ませ（圧縮変形させ）て第１ヘリカルギヤ７１と第２ヘリカルギヤ７３とを接近させた状態で、アイドラギヤ３８をドライブギヤ３７およびドリブンギヤ３９と噛み合わせる。
【００３１】
以下、第１実施形態の作用を述べる。
【００３２】
運転者がステアリングホイール５を左右いずれかの方向に操舵すると、図示しないトルクセンサが操舵トルクを検出することにより、ＥＰＳ用ＥＣＵ（図示せず）からの駆動電流を受けて電動モータ３５が起動される。これにより、電動モータ３５のモータシャフトに固着されたドライブギヤ３７が回転し、図３に矢印で示したように、その回転力がアイドラギヤ３８を介してドリブンギヤ３９に伝達される。
【００３３】
通常、ドライブギヤ３７の歯とアイドラギヤ３８の歯との間にはバックラッシュが存在するが、本実施形態ではアイドラギヤ３８がシザーズギヤとなっているため、このバックラッシュに起因するラトル音（ギヤ打音）の発生が抑制される。すなわち、ドライブギヤ３７と第１ヘリカルギヤ７１との間にバックラッシュが存在していた場合、図５に示したように撓んだカップリング７５の復元力により図７に示したように第１ヘリカルギヤ７１と第２ヘリカルギヤ７３とが軸方向に相離反し、図８に示したように両ヘリカルギヤ７１，７３の歯がドライブギヤ３７の歯を挟圧・保持するのである。
【００３４】
次に、カップリング７５のねじりおよび軸方向剛性と、バックラッシュとの関係について述べる。
【００３５】
図９，図１０に示したように、ギヤの噛み合い部の接線方向変位をＸｕとし、軸方向変位をＸａとした場合、ギヤが噛み合う相手の歯に倣って移動する一般条件は、Ｘｕ／Ｘａ＝ｔａｎβとなる。
【００３６】
バックラッシュが解消されるには、この一般条件に加えて、更に軸方向変位が接線方向変位より大きくなることが必要であるから、
Ｘｕ／Ｘａ＜ｔａｎβ（＝Ｘｕ／Ｘａ）が必須条件となる。
【００３７】
ここで、二つのギヤの間に介装された弾性体の接線方向のばね剛性をｋｕとし、軸方向のばね剛性をｋａとすれば、接線方向の力Ｆｕは、
Ｆｕ＝−ｋｕ・Ｘｕとなり、軸方向の力Ｆａは、Ｆａ＝−ｋａ・Ｘａとなる。
【００３８】
本発明における力の釣り合いにより、Ｆａ＝Ｆｕ・ｔａｎβとなり、上式を代入することで、−ｋａ・Ｘａ＝−ｋｕ・Ｘｕ・ｔａｎβ、すなわち、
Ｘｕ／Ｘａ＝（ｋａ／ｋｕ）／ｔａｎβとなる。
【００３９】
ここで、上述したバックラッシュが解消される必須条件から、
（ｋａ／ｋｕ）／ｔａｎβ＜ｔａｎβ、すなわち、ｋａ／ｋｕ＜ｔａｎ^２βとなる。
【００４０】
更に、ギヤのピッチ円半径をｒ、ねじりトルクをＴ、ねじり剛性をｋδ、ねじり量をδとすれば、Ｘｕ＝ｒ・δとなり、
Ｔ＝Ｆｒ＝−ｋｕ・ｒδ・ｒ＝−ｋｕ・ｒ２・δとなる。
【００４１】
ここで、ねじれ剛性ｋδをｋｕ・ｒ^２とおけば、
Ｔ＝−ｋδ・δとなる。
【００４２】
以上の式から、バックラッシュが解消される条件としては、
ｋδ／ｋａ＞（ｒ／ｔａｎβ）^２となることが判る。
【００４３】
これにより、本実施形態では、操舵反転時等にドライブギヤ３７がアイドラギヤ３８に対して遊動することがなくなり、ＥＰＳ作動時の静粛性が大幅に向上した。尚、以上の説明はドライブギヤ３７とアイドラギヤ３８とに関するものであるが、バックラッシュの量が同等であれば、アイドラギヤ３８とドリブンギヤ３９とについても同様の効果が得られる。
【００４４】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態は本発明をＥＰＳの駆動力伝達用ギヤ列のアイドラギヤに適用したものであるが、内燃機関の動弁系や産業機械の動力伝達系等に用いられるシザーズギヤに適用してもよい。その他、ステアリングギヤの全体構成やパワーアシスト機構の構造等についても、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば、設計上あるいは仕様上の要求等により適宜変更可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１に係るシザーズギヤや請求項３に係る電動パワーステアリング装置によれば、第１のヘリカルギヤと、この第１のヘリカルギヤに少なくとも軸方向に摺動自在に係合する第２のヘリカルギヤと、前記第１のヘリカルギヤと前記第２のヘリカルギヤとを軸方向に離反させる弾性体とを備え、前記弾性体のねじり剛性をｋδ、軸方向剛性をｋａとし、前記第１および第２のヘリカルギヤのピッチ円半径をｒ、ねじれ角をβとしたとき、ｋδ／ｋａ＞（ｒ／ｔａｎβ）^２であるものとしたため、第１のヘリカルギヤと第２のヘリカルギヤが軸方向に離反することにより、比較的部品点数の少ない簡便な構成を採りながら、シザーズギヤに噛み合うヘリカルギヤの歯が挟圧・保持され、バックラッシュに起因するギヤ打音の発生が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るステアリング装置の概略構成を示した斜視図である。
【図２】第１実施形態に係るステアリングギヤの平面図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ拡大断面図である。
【図４】第１実施形態に係るアイドラギヤの要部断面平面図である。
【図５】図４中のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】アイドラギヤの分解斜視図である。
【図７】本発明の作用を示す説明図である。
【図８】本発明の作用を示す説明図である。
【図９】ギヤの剛性とバックラッシュとの関係を説明するための説明図である。
【図１０】ギヤの剛性とバックラッシュとの関係を説明するための説明図である。
【図１１】従来の装置に係るシザーズギヤの要部断面平面図である。
【符号の説明】
１１‥‥ステアリングギヤ
３５‥‥電動モータ
３７‥‥ドライブギヤ
３８‥‥アイドラギヤ（シザーズギヤ）
３９‥‥ドリブンギヤ
７１‥‥第１ヘリカルギヤ
７３‥‥第２ヘリカルギヤ
７５‥‥カップリング（弾性体）
７７，７９‥‥転がり軸受
８１‥‥第１シャフト
８３‥‥第２シャフト
８７‥‥係合片
９１，９３‥‥係合突起

Claims

ギヤ列の一部を構成し、ギヤ打音を抑制するべく、噛み合ったギヤの歯を挟圧・保持するシザーズギヤであって、
第１のヘリカルギヤと、
この第１のヘリカルギヤに少なくとも軸方向に摺動自在に係合する第２のヘリカルギヤと、
前記第１のヘリカルギヤと前記第２のヘリカルギヤとを軸方向に離反させる弾性体とを備え、
前記弾性体のねじり剛性をｋδ、軸方向剛性をｋａとし、前記第１および第２のヘリカルギヤのピッチ円半径をｒ、ねじれ角をβとしたとき、
ｋδ／ｋａ＞（ｒ／ｔａｎβ）^２
であることを特徴とするシザーズギヤ。
前記弾性体が合成ゴムであることを特徴とする、請求項１記載のシザーズギヤ。
電動モータの駆動力を、シザーズギヤを含むギヤ列を介して、ステアリング駆動要素に伝達させることにより操舵アシストを行わせる電動パワーステアリング装置であって、
前記シザーズギヤが、
第１のヘリカルギヤと、
この第１のヘリカルギヤに少なくとも軸方向に摺動自在に係合する第２のヘリカルギヤと、
前記第１のヘリカルギヤと前記第２のヘリカルギヤとを軸方向に離反させる弾性体とを備え、
前記弾性体のねじり剛性をｋδ、軸方向剛性をｋａとし、前記第１および第２のヘリカルギヤのピッチ円半径をｒ、ねじれ角をβとしたとき、
ｋδ／ｋａ＞（ｒ／ｔａｎβ）^２
であることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記弾性体が合成ゴムであることを特徴とする、請求項３記載の電動パワーステアリング装置。