JP2005172157A

JP2005172157A - Ball screw mechanism, and electric power steering device

Info

Publication number: JP2005172157A
Application number: JP2003414724A
Authority: JP
Inventors: Daisaku Kawada; 大作川田; Akio Sakai; 明男酒井
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-06-30

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ball screw mechanism, and an electric power steering device, capable of saving energy, while achieving a low cost. <P>SOLUTION: In this ball screw mechanism, as applied to the electric power steering device, rattling is set to be smaller around a neutral position of a steering angle, so that the neutral position can be easily maintained, while rattling is set to be larger in a large steering angle range, so that steering is performed with less resistance. Energy can be saved, and need of precise rattling control is eliminated. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ボールねじ機構に関し、特に電動式パワーステアリング装置に用いられると好適なボールねじ機構に関する。 The present invention relates to a ball screw mechanism, and more particularly to a ball screw mechanism suitable for use in an electric power steering apparatus.

ねじ溝を有するねじ軸と、ねじ軸を包囲するナットと、ねじ軸とナットとの間に配置された複数のボールとからなり、例えばねじ軸の回転運動をナットの軸線方向運動に変換できるボールねじ機構が知られている。このようなボールねじ機構を、車輌用の電動式パワーステアリング装置に用いる場合がある。特許文献１に記載のタイプは、後輪操舵用の電動式パワーステアリング装置にボールねじ機構を用いたものであり、一方、特許文献２に記載のタイプは、前輪操舵用の電動式パワーステアリング装置にボールねじ機構を用いたものである。
特開平６−１４４２８３号公報特開平９−１０４３５２号公報 A ball consisting of a screw shaft having a screw groove, a nut surrounding the screw shaft, and a plurality of balls arranged between the screw shaft and the nut, for example, a ball capable of converting the rotational motion of the screw shaft into the axial motion of the nut A screw mechanism is known. Such a ball screw mechanism may be used in an electric power steering device for a vehicle. The type described in Patent Document 1 uses a ball screw mechanism in an electric power steering apparatus for rear wheel steering, while the type described in Patent Document 2 uses an electric power steering apparatus for front wheel steering. And a ball screw mechanism.
JP-A-6-144283 JP-A-9-104352

ところで、後輪操舵用の電動式パワーステアリング装置では、ステアリングホイールと後輪とが機械的に連結されていないため、後輪の正確な操舵角を制御する機能はモータの回転位置制御のみに頼らざるを得ない。しかしながら、モータを、例えば操舵中立の位置で静止させたとしても、ボールねじ機構の持つガタが比較的大きいと、後輪を中立の位置に維持することが困難となる。これに対し、ボールねじ機構のガタをなくすようにすれば、後輪を中立の位置に維持しやすくなるが、ストローク全域で抵抗が大となり、モータの消費電流が増大するため、省エネの思想に反する。更に、最適な範囲でガタを管理しようとすると、製造時の手間が増え、コストを増大させることとなる。 By the way, in the electric power steering device for rear wheel steering, since the steering wheel and the rear wheel are not mechanically connected, the function of controlling the accurate steering angle of the rear wheel depends only on the rotational position control of the motor. I must. However, even if the motor is stationary at, for example, the neutral position of the steering wheel, if the backlash of the ball screw mechanism is relatively large, it is difficult to maintain the rear wheel at the neutral position. On the other hand, if the backlash of the ball screw mechanism is eliminated, it becomes easier to maintain the rear wheel at the neutral position, but the resistance increases in the entire stroke and the motor current consumption increases. Contrary. Furthermore, if it is attempted to manage the backlash within the optimum range, the labor during manufacturing increases and the cost increases.

又、前輪操舵用の電動式パワーステアリング装置においても、直進安定性の向上と、省エネとを両立させたいという要請がある。 In addition, there is a demand for improving both straight running stability and energy saving in an electric power steering device for front wheel steering.

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、低コストでありながら、省エネを図れ、且つ所定の位置に維持しやすいボールねじ機構及び電動式パワーステアリング装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and provides a ball screw mechanism and an electric power steering device that can save energy and can be easily maintained at a predetermined position while being low in cost. With the goal.

本発明のボールねじ機構は、
外周面に外ねじ溝を形成したねじ軸と、
内周面に内ねじ溝を形成し、前記ねじ軸を包囲するナットと、
前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に形成される転送路に配置された複数のボールと、を有し、
前記ナットが前記ねじ軸の第１の領域にあるときにおける前記転送路内の前記ボールのガタは、前記ナットが前記ねじ軸の前記第１の領域とは異なる第２の領域にあるときにおける前記転送路内の前記ボールのガタより小さく設定されていることを特徴とする。 The ball screw mechanism of the present invention is
A screw shaft having an outer thread groove formed on the outer peripheral surface;
An inner thread groove formed on the inner peripheral surface, and a nut surrounding the screw shaft;
A plurality of balls disposed in a transfer path formed between the outer thread groove and the inner thread groove;
The play of the ball in the transfer path when the nut is in the first region of the screw shaft is the backlash of the ball in the transfer region when the nut is in a second region different from the first region of the screw shaft. It is characterized by being set smaller than the play of the ball in the transfer path.

本発明によれば、前記ナットが前記ねじ軸の第１の領域にあるときにおける前記転送路内の前記ボールのガタは、前記ナットが前記ねじ軸の前記第１の領域とは異なる第２の領域にあるときにおける前記転送路内の前記ボールのガタより小さく設定されているので、例えば前記ボールねじ機構を電動式パワーステアリング装置に用いた場合、操舵角の中立位置付近で前記ナットが前記ねじ軸の第１の領域になるようにすれば、少ない又はゼロのガタにより中立位置の維持が容易となり、一方、操舵角が大きい領域で前記ナットが前記第２の領域になるようにすれば、比較的大きなガタにより抵抗の少ない操舵が可能となり、省エネを図れ、更に本発明では厳密なガタの管理は不要である。尚、このようなガタの例として、第１の領域においては、径方向ガタで０〜０．０５０ｍｍ、第２の領域においては、径方向ガタで０．０５０〜０．１３０ｍｍというように設定すると好ましい。但し、第１の領域のガタの平均値と、第２の領域のガタの平均値とが異なる場合も含む。 According to the present invention, the backlash of the ball in the transfer path when the nut is in the first region of the screw shaft is different from that of the first region of the screw shaft. When the ball screw mechanism is used for an electric power steering device, for example, the nut is screwed near the neutral position of the steering angle. If the first region of the shaft is set, the neutral position can be easily maintained with little or zero backlash, while the nut becomes the second region in a region where the steering angle is large. Steering with less resistance is possible due to the relatively large backlash, energy saving can be achieved, and furthermore, the present invention does not require strict backlash management. As an example of such play, if the first region is set to 0 to 0.050 mm in radial play, and the second region is set to 0.050 to 0.130 mm in radial play. preferable. However, the case where the average value of the play in the first region is different from the average value of the play in the second region is included.

前記第１の領域における前記ねじ軸の外径は、前記第２の領域における前記ねじ軸の外径よりも大きく設定されていると好ましい。 The outer diameter of the screw shaft in the first region is preferably set larger than the outer diameter of the screw shaft in the second region.

前記第１の領域における前記外ねじ溝の溝深さは、前記第２の領域における前記外ねじ溝の溝深さより浅く設定されていると好ましい。 The groove depth of the external thread groove in the first region is preferably set to be shallower than the groove depth of the external thread groove in the second region.

前記ボールねじ機構は、電動式パワーステアリング装置において、操舵力を伝達するために用いられており、前記ナットが前記ねじ軸に対し前記第１の位置にあるときは、操舵角が中立であるときを含むと好ましい。 The ball screw mechanism is used in an electric power steering apparatus to transmit a steering force, and when the nut is in the first position with respect to the screw shaft, the steering angle is neutral. Is preferably included.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる電動式パワーステアリング装置の断面図である。図１において、ハウジング１２内に収容されたラック軸１０は、その両端を、不図示のタイロッドを介して前輪の操舵装置（図示せず）に連結している。ハウジング１２の右方部１２ａには、不図示のステアリングホイールに連結される入力軸１６が上方から挿入されており、右方部１２ａ内でラック軸１０のラック歯と噛合している。すなわち、入力軸１６の回転運動は、ラック軸１０の軸線方向運動に変換されるようになっている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of the electric power steering apparatus according to the present embodiment. In FIG. 1, a rack shaft 10 accommodated in a housing 12 has both ends connected to a front wheel steering device (not shown) via a tie rod (not shown). An input shaft 16 connected to a steering wheel (not shown) is inserted into the right portion 12a of the housing 12 from above, and meshes with the rack teeth of the rack shaft 10 in the right portion 12a. That is, the rotational motion of the input shaft 16 is converted into the axial motion of the rack shaft 10.

ハウジング１２の中央部１２ｂには、電動モータ（モータユニット）２０が配置され、それに隣接してボールねじ機構３０が配設されている。電動モータ２０は、ラック軸１０に遊嵌されたスリーブ２２と、このスリーブ２２に嵌合された円筒状の回転部材（ロータ）２４と、中央部１２ｂに固定され電磁コイル２６を含むステータ２８とから成る。スリーブ２２の一端（右端）は軸受２５により中央部１２ｂに対して回転可能に支承されている。 An electric motor (motor unit) 20 is disposed in the central portion 12b of the housing 12, and a ball screw mechanism 30 is disposed adjacent thereto. The electric motor 20 includes a sleeve 22 that is loosely fitted to the rack shaft 10, a cylindrical rotating member (rotor) 24 that is fitted to the sleeve 22, and a stator 28 that is fixed to the central portion 12 b and includes an electromagnetic coil 26. Consists of. One end (right end) of the sleeve 22 is supported by a bearing 25 so as to be rotatable with respect to the central portion 12b.

ボールねじ機構３０は、一端（右端）がスリーブ２２の他端（左端）とセレーション結合されており、中間部内周面にらせん状の内ねじ溝３４が形成され、他端（左端）が軸受３５により左方部１２ｃに対して回転可能に支承された円筒状のナット３２と、ラック軸１０の中間部に形成されたらせん状の外ねじ溝３６を有するねじ軸３８と、両ねじ溝間に介装された多数のボール４２と、ねじ溝３４、３６間で軸方向前方に進んだボール４２を後方に戻すための二本のボール戻し管（チューブ）５０とを有する。 One end (right end) of the ball screw mechanism 30 is serrated with the other end (left end) of the sleeve 22, a spiral inner thread groove 34 is formed on the inner peripheral surface of the intermediate portion, and the other end (left end) is the bearing 35. The cylindrical nut 32 rotatably supported with respect to the left portion 12c by means of, a screw shaft 38 having a spiral outer screw groove 36 formed in the middle portion of the rack shaft 10, and a space between both screw grooves. A large number of interposed balls 42 and two ball return pipes (tubes) 50 for returning the balls 42 that have advanced forward in the axial direction between the thread grooves 34 and 36 to the rear are provided.

ボール戻し管５０は全体的にはＵ字形状を有してナット３２の外周面に装着され、各端部の開口がナット３２に形成された貫通孔に挿入された後、隣接するねじ溝３４、３６に臨まされている。ボール戻し管（チューブ）５０を断面コ字形のチューブ押え５４で押えている。 The ball return pipe 50 has a U-shape as a whole and is attached to the outer peripheral surface of the nut 32, and after the opening of each end portion is inserted into a through hole formed in the nut 32, the adjacent screw groove 34 is inserted. , 36. A ball return pipe (tube) 50 is pressed by a tube presser 54 having a U-shaped cross section.

図２は、ねじ軸３８の外ねじ溝３６が形成された部分を示す概略図であるが、その形状は誇張されて描かれている。図２において、ねじ軸３８の外ねじ溝３６が設けられた部位の外径は、中央の一様な第１の領域Ａと、その両側において両端側に向かうにつれて漸次外径が減少する（テーパ状の）第２の領域Ｂが設けられている。一方、外ねじ溝３６の溝深さ（ねじ軸３８の外径面から外ねじ溝３６の最奥部までの距離）は、第１の領域Ａと第２の領域Ｂとで一定である。なお、ねじ軸３８の外径を段階的に減少させてもよい。 FIG. 2 is a schematic view showing a portion where the external thread groove 36 of the screw shaft 38 is formed, but the shape is exaggerated. In FIG. 2, the outer diameter of the portion of the screw shaft 38 provided with the outer screw groove 36 is gradually reduced toward the both ends on both sides of the first uniform region A in the center (tapered). A second region B is provided. On the other hand, the groove depth of the outer screw groove 36 (the distance from the outer diameter surface of the screw shaft 38 to the innermost part of the outer screw groove 36) is constant in the first region A and the second region B. Note that the outer diameter of the screw shaft 38 may be decreased stepwise.

本実施の形態の動作について説明する。電動モータ２０からラック軸１０に補助操舵力を加えるときは、不図示の駆動制御装置から供給された電力によりロータ２４及びスリーブ２２が一体的に回転し、スリーブ２２と一体化されたナット３２が回転する。ナット３２が回転すると、公知の動作によりボール４２を介してねじ軸３８即ちラック軸１０が軸線方向に移動する。 The operation of this embodiment will be described. When an auxiliary steering force is applied from the electric motor 20 to the rack shaft 10, the rotor 24 and the sleeve 22 are integrally rotated by electric power supplied from a drive control device (not shown), and the nut 32 integrated with the sleeve 22 is rotated. Rotate. When the nut 32 rotates, the screw shaft 38, that is, the rack shaft 10 moves in the axial direction via the ball 42 by a known operation.

図３、４は、ナット３２とねじ軸３８との関係を示す図であるが、ねじ軸３８の形状は誇張されて描かれている。図３に示すように、操舵角が中立付近にある場合、ナット３２は、ラック軸３０の第１の領域Ａ（図２）に位置するが、第１の領域Ａでは外ねじ溝３６の外径が大きいため、ねじ溝３４，３６により形成される転送路の断面が小さくなり、ボール４２のガタが抑えられる。従って、操舵角の中立付近では、ボールねじ機構のガタがなく、モータ反転時の衝撃や異音を抑えることができると共に、直進安定性も高まる。 3 and 4 are diagrams showing the relationship between the nut 32 and the screw shaft 38, the shape of the screw shaft 38 is exaggerated. As shown in FIG. 3, when the steering angle is near neutral, the nut 32 is located in the first region A (FIG. 2) of the rack shaft 30, but in the first region A, the nut 32 is outside the external screw groove 36. Since the diameter is large, the cross section of the transfer path formed by the thread grooves 34 and 36 is reduced, and the play of the ball 42 is suppressed. Therefore, in the vicinity of the neutral angle of the steering angle, there is no backlash of the ball screw mechanism, and it is possible to suppress the impact and noise when the motor is reversed, and the straight running stability is also improved.

一方、図４に示すように、車輪が操舵されたときは、ナット３２は、ラック軸３０の第２の領域Ｂ（図２）へと変位するが、第２の領域Ｂでは、外ねじ溝３６の外径がより小さくなっているため、ねじ溝３４，３６により形成される転送路の断面が大きくなり、ボール４２のガタが増大する。従って、車輪が操舵された場合には、ボールねじ機構の内部抵抗が減少し、モータの消費電力を抑えることができ、小得値を図れる。 On the other hand, as shown in FIG. 4, when the wheel is steered, the nut 32 is displaced to the second region B (FIG. 2) of the rack shaft 30. Since the outer diameter of 36 is smaller, the cross section of the transfer path formed by the thread grooves 34 and 36 becomes larger and the play of the ball 42 increases. Therefore, when the wheel is steered, the internal resistance of the ball screw mechanism is reduced, the power consumption of the motor can be suppressed, and a small value can be achieved.

以上の変形例としては、ねじ軸３８の外ねじ溝３６が設けられた部位の外径を、第１の領域Ａと第２の領域Ｂとで一定とし（或いは同様に漸次変化させ）、第１の領域Ａにおける外ねじ溝３６の深さを、第２の領域Ｂより浅くしても同様な効果を得ることができる。又、用途によっては、ねじ軸中央のガタを大きくし、両側に行くに従いガタを小さくしたボールねじ機構も考えられる。 As an example of the above modification, the outer diameter of the portion of the screw shaft 38 provided with the outer thread groove 36 is constant in the first region A and the second region B (or gradually changed in the same manner), The same effect can be obtained even if the depth of the external thread groove 36 in the first region A is shallower than that in the second region B. Further, depending on the application, a ball screw mechanism in which the backlash at the center of the screw shaft is increased and the backlash is reduced toward both sides can be considered.

本実施の形態によれば、ボールねじ機構の持つ長い作動ストローク全体を小さな組立隙間にする必要がなくなり、一部のみ精密管理するだけで済む為コスト低減が望める。又、後輪操舵用の電動式パワーステアリング装置に、上述した実施の形態にかかるボールねじ機構を組み込むことで、操舵角中立付近においてガタを抑えることで、車輌の直進安定性に寄与することができる。 According to the present embodiment, it is not necessary to make the entire long operation stroke of the ball screw mechanism a small assembly gap, and it is only necessary to precisely manage only a part, so that cost reduction can be expected. Further, by incorporating the ball screw mechanism according to the above-described embodiment into the electric power steering device for steering the rear wheels, it is possible to contribute to the straight running stability of the vehicle by suppressing the backlash in the vicinity of the steering angle neutral. it can.

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、その発明の範囲内で変更・改良が可能であることはもちろんである。 The present invention has been described above with reference to the embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can of course be changed or improved within the scope of the invention.

本実施の形態にかかる電動式パワーステアリング装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of an electric power steering apparatus according to an embodiment. ねじ軸３８の外ねじ溝３６が形成された部分を示す概略図である。It is the schematic which shows the part in which the external thread groove 36 of the screw shaft 38 was formed. ナット３２とねじ軸３８との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the nut 32 and the screw shaft 38. FIG. ナット３２とねじ軸３８との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the nut 32 and the screw shaft 38. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０ラック軸
１２ハウジング
２０電動モータ
３０ボールねじ機構
３８ねじ軸
３２ナット
４２ボール
10 Rack shaft 12 Housing 20 Electric motor 30 Ball screw mechanism 38 Screw shaft 32 Nut 42 Ball

Claims

外周面に外ねじ溝を形成したねじ軸と、
内周面に内ねじ溝を形成し、前記ねじ軸を包囲するナットと、
前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に形成される転送路に配置された複数のボールと、を有し、
前記ナットが前記ねじ軸の第１の領域にあるときにおける前記転送路内の前記ボールのガタは、前記ナットが前記ねじ軸の前記第１の領域とは異なる第２の領域にあるときにおける前記転送路内の前記ボールのガタより小さく設定されていることを特徴とするボールねじ機構。 A screw shaft having an outer thread groove formed on the outer peripheral surface;
An inner thread groove formed on the inner peripheral surface, and a nut surrounding the screw shaft;
A plurality of balls disposed in a transfer path formed between the outer thread groove and the inner thread groove;
The play of the ball in the transfer path when the nut is in the first region of the screw shaft is the backlash of the ball in the transfer region when the nut is in a second region different from the first region of the screw shaft. A ball screw mechanism, wherein the ball screw mechanism is set smaller than the play of the ball in the transfer path.

前記第１の領域における前記ねじ軸の外径は、前記第２の領域における前記ねじ軸の外径よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ機構。 2. The ball screw mechanism according to claim 1, wherein an outer diameter of the screw shaft in the first region is set larger than an outer diameter of the screw shaft in the second region.

前記第１の領域における前記外ねじ溝の溝深さは、前記第２の領域における前記外ねじ溝の溝深さより浅く設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のボールねじ機構。 The ball screw according to claim 1 or 2, wherein a groove depth of the external screw groove in the first region is set to be shallower than a groove depth of the external screw groove in the second region. mechanism.

前記ボールねじ機構は、電動式パワーステアリング装置において、操舵力を伝達するために用いられており、前記ナットが前記ねじ軸に対し前記第１の位置にあるときは、操舵角が中立であるときを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のボールねじ機構。 The ball screw mechanism is used in an electric power steering apparatus to transmit a steering force, and when the nut is in the first position with respect to the screw shaft, the steering angle is neutral. The ball screw mechanism according to claim 1, comprising:

請求項１乃至４のいずれかに記載のボールねじ機構を有することを特徴とする電動式パワーステアリング装置。
An electric power steering apparatus comprising the ball screw mechanism according to any one of claims 1 to 4.