JP2006199054A - 電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
小型化を図りつつ、動力伝達系における異音防止等を図った電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】
エンドデフレクタ型の循環方式を採用したボールねじ機構１１は、通常のチューブ式やこま式、エンドキャップ式といった循環方式のボールねじ機構に比べ、ボール循環経路内の隙間が小さく、ボール５５を接線すくい上げ可能となっているため、循環路内でのボール５５同士の不規則な接触を抑える事が可能となる。さらにチューブ式と比較してチューブの出っ張りがなくナット４５の外径が小さくなるため、動力伝達系の慣性を小さくすることができる。また、一循環路あたりの有効巻数が大きく取れるため、必要な負荷容量を設定してもナット長を短く保つことができ、省スぺース化にも貢献できる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電動モータの動力を操舵機構に伝達することで操舵力を発生する電動式パワーステアリング装置に関する。

車両において、従来から、動力源としてべーン方式の油圧ポンプを用い、この油圧ポンプをエンジンにより駆動することで操舵アシスト力を発生するパワーステアリング装置が知られている。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に影響を与えることが避けられなかった。

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式パワーステアリング装置が近年注目されている。電動式パワーステアリング装置は、車載バッテリにより駆動される電動モータを動力源としているために、直接的な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。

一方、乗用車用のステアリング機構としては、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。このようなラックピニオン式ステアリング機構用の電動式パワーステアリング装置としては、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開発されている。ボールねじ式ラックアシスト型の電動式パワーステアリング装置では、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。

ラックアシスト型電動式パワーステアリング装置では、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で形成される転走路には多数個の循環ボール（鋼球）が転動自在に配置されており、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で動力伝達を行うため、特許文献１に示すように歯車列を用いたものがある。
特開２００３−２２１９号公報

ここで、ラックアシスト型電動式パワーステアリング装置にボールねじ機構を採用したときに、電動モータにより駆動されるボールねじの作動音が、運転者や同乗者に不快感をあたえる恐れがあることが判明した。また、ボールねじ機構はナット回転で使用されるため、必要な負荷容量を確保しつつも可能な限り小型化されることが望ましい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、小型化を図りつつ、動力伝達系における異音防止等を図っ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。

本発明の電動式パワーステアリング装置は、
電動モータと、
操舵機構に連結されたラック軸と
前記電動モータからの動力を前記ラック軸に伝達するボールねじ機構と、を有し、
前記ボールねじ機構は、前記ラック軸に連結された又は一体化されたねじ軸と、前記ねじ軸の周囲に配置されたナットと、前記ねじ軸と前記ナットとの間に形成された転走路に沿って転動するボールとからなり、
前記ナットは、前記転走路に沿って転動してきたボールを接線方向にすくい上げるボールすくい上げ部と、前記すくい上げ部に接続され軸線方向に延在するボール戻し通路と、前記ボール戻し通路に接続され前記転走路にボールを戻すボール戻し部とを有することを特徴とする。

本発明の電動式パワーステアリング装置によれば、前記ナットが、前記転走路に沿って転動してきたボールを接線方向にすくい上げるボールすくい上げ部と、前記すくい上げ部に接続され軸線方向に延在するボール戻し通路と、前記ボール戻し通路に接続され前記転走路にボールを戻すボール戻し部とを有するものであり、このようなボールねじ機構としては、いわゆるエンドデフレクタ型と呼ばれるボール循環方式等がある。ボールねじ機構を例えばエンドデフレクタ型とすることで、不快とされる作動音の発生を抑制することができる。かつ、同方式を使用すれば必要な負荷容量を確保しつつ製品の小型化を図ることが可能となる。

より具体的には、エンドデフレクタ型の循環方式を採用したボールねじ機構は、ナット内の循環路が直線であるため、ボール径に近い大きさに精度良く形成できるので、通常のチューブ式などの曲がり部を有する循環方式のボールねじ機構に比べ、循環経路内の隙間が小さく、ボールを接線すくい上げ可能且つ容易となっており、循環路内でのボール同士の不規則な接触を抑える事が可能となる。さらにチューブ式と比較してチューブの出っ張りがなくナット外径が小さくなるため、動力伝達系の慣性を小さくすることができる。また、一循環路あたりの有効巻数が大きく取れるため、必要な負荷容量を設定してもナット長を短く保つことができ、省スぺース化にも貢献できる。

以下、本発明の実施の形態に係る電動式パワーステアリング装置を図面を参照しつつ説明する。図１は、第１の実施の形態に係る電動式パワーステアリング装置を含むステアリング系の斜視図である。

図１において、不図示の車体に対して固定されるコラム１に対して、一端にステアリングホイール５を取り付けたステアリングシャフト３が、回転自在に支持されている。ステアリングシャフト３の他端は、ユニバーサルジョイント７を介して、中間シャフト９に連結されている。中間シャフト９は、電動式パワーステアリング装置１１に連結されている。電動式パワーステアリング装置１１は、不図示の操舵機構に連結された一対のタイロッド１５を駆動可能となっている。

図２は、図１の電動式パワーステアリング装置１１の軸線方向断面図である。図３は、図２の構成におけるIII部を拡大して示す図である。図２において、電動式パワーステアリング装置１１は、不図示の車体に固定された円筒状のハウジング２１を有する。ハウジング２１の左方部に対して、その斜め上方より、中間シャフト９（図１）に連結される入力軸１３が挿通されている。又、ハウジング２１内においては、ラック軸２３が水平方向に延在している。入力軸１３の下方端には不図示のピニオンが形成され、ラック軸２３のラック歯２３ａに噛合しており、入力軸１３の回転によりラック軸２３は図で左右に移動するようになっている。ラック軸２３の両端は、継手２７を介してタイロッド１５に連結されている。尚、本実施の形態では、ラック軸２３の一部に雄ねじ溝２３ｂを形成することで、ラック軸２３はねじ軸を兼ねている（一体となっている）が、ラック軸２３を別のねじ軸に連結してもよい。

図３において、ラック軸２３と軸線が平行になるようにして、電動モータ３５がハウジング２１に取り付けられている。電動モータ３５の出力軸３５ａは、駆動ギヤ３７をキー連結（不図示）で固定しており、更にハウジング２１に対し駆動ギヤ３７の両側で軸受４１，４１により回転自在に支持されている。駆動ギヤ３７に噛合した従動ギヤ３９は、中空となっていてラック軸２３に挿通されており、更に軸線方向両端に円筒部３９ａ、３９ｂを形成しており、この円筒部３９ａ、３９ｂがハウジング２１に対して軸受４３，４３により回転自在に支持されている。従動ギヤ３９の一方（図３で右側）の円筒部３９ｂは、その内周に設けられた雌スプライン部６３と、ナット４５の端部外周に形成された雄スプライン部６５との係合により、ナット４５に対して軸線方向に相対変位可能且つ回転方向に一体的となるように取り付けられている。

ラック軸２３の外周面の一部には、雄ねじ溝２３ｂが形成されている。雄ねじ溝２３ｂの周囲には円筒状のナット４５が配置されており、雄ねじ溝２３ｂに対向して、雌ねじ溝４５ａを形成している。雄ねじ溝２３ｂと雌ねじ溝４５ａとで形成する螺旋状の空間（転送路）内には、複数のボール５５が転動自在に配置されている。ナット４５は、ハウジング２１に対して軸受４７により回転自在に支持されている。軸受４７の内輪は、ナット４５の端部フランジとナット４５の外周面に取り付けられた止め輪４９とにより固定され、軸受４７の外輪は、ハウジング２１の内周面に取り付けられた止め輪５０により固定されており、従ってナット４５は軸線方向に移動せず、回転のみ可能となっている。

図４は本実施の形態にかかるボールねじ機構の端部拡大断面図である。図５は、図４の構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た図である。図６は循環こまを示す図で、（ｂ）は正面図、（ａ）は（ｂ）の左側面図、（ｃ）は（ｂ）の平面図である。尚、以下に示すごときタイプのボールねじ機構を、エンドデフレクタ型のボールねじ機構という。

図４および図５に示すように、このボールねじ機構１１は、外周面に断面半円状の雄ねじ溝２３ｂを有して軸方向に延びるねじ軸２３の周囲に、内周面に断面半円状の雌ねじ溝４５ａを有するナット４５が配置されている。ナット４５の雌ねじ溝４５ａとねじ軸２３の雄ねじ溝２３ｂとは互いに対向して両者の間に螺旋状通路（転走路）を形成しており、螺旋状通路には転動体としての多数のボール５５が転動可能に装填されている。

かかるボールねじ機構１１において、ねじ軸２３（又はナット４５）の回転により、ナット４５（又はねじ軸２３）がボール５５の転動を介して直線移動するようになっている。ナット４５の壁部には軸線方向に貫通するボール戻し通路４５ｂが穿設されており、また、ナット４５の端面には、図６に示す循環こま１８が嵌合される切欠４５ｃがボール戻し通路４５ｂおよび両ねじ溝２３ｂ，４５ａ間に連通して形成されている。

ボールすくい上げ部且つボール戻し部である循環こま１８は、例えば合成樹脂の成形品からなり、図６に示すように、両ねじ溝２３ｂ、４５ａ間のボール５５をすくい上げるタング部１８ａと、ボール戻し通路４５ｂと両ねじ溝２３ｂ，４５ａ間との間を連通する湾曲状のボール循環溝１８ｂとを備えている。タング部１８ａ、ボール循環溝１８ｂ、両ねじ溝２３ｂ，４５ａ間およびボール戻し通路４５ｂによって、ボール５５の無限循環通路を形成している。

循環こま１８をナット４５の切欠４５ｃに嵌合することにより、循環こま１８がナット４５の端部に径方向および周方向に拘束された状態で嵌合固定される。循環こま１８を切欠４５ｃに嵌合して固定する方法としては、単純な嵌合もあるが、例えば圧入、接着或いは圧入と接着の両方を採用することができる。

本実施の形態では、かかる固定状態で循環こま１８のタング部１８ａを、ねじ軸２３の雄ねじ溝２３ｂに沿って嵌め込んで雄ねじ溝２３ｂに接触させるように構成することにより、循環こま１８の軸方向の抜け止めとしている。

このようにこの実施の形態では、循環こま１８を切欠４５ｃに嵌合した際に、循環こま１８のタング部１８ａをねじ軸２３の雄ねじ溝２３ｂに沿って嵌め込んで雄ねじ溝２３ｂに接触させることにより、循環こま１８の軸方向の抜けを防止した状態で循環こま１８をナット４５の端部に嵌合固定することができるので、従来必要であったナットへのタップ加工およびスクリュードライバー等による循環こまのナットへのねじ止め作業が不要になって、その分加工コストおよび組立コストが削減されて製作コストの低減を図ることができ、しかも、循環こま１８の径方向および軸方向の抜け止めと周方向の回り止めがなされるため、装置の信頼性を高めることができる。

また、タング部１８ａと雄ねじ溝２３ｂとが接触することで殆ど段差がないため、タング部１８ａによるボール５５のすくい上げをスムースに行うことができ、更には、タング部１８ａと雄ねじ溝２３ｂとが接触することから、シール性がアップして潤滑剤の保持や外部からの異物侵入の防止効果を向上させることができる。

本実施の形態の動作について説明する。図１において、運転者がステアリングホイール５を回転させると、ステアリングシャフト３及び中間シャフト９を介して、その回転力が入力軸１３（図２）へと伝達される。図２において、入力軸１３が回転すると、その不図示のピニオンと噛合したラック歯２３ａが、ラック軸２３の軸線方向に押され、ラック軸２３が軸線方向に移動し、タイロッド１５，１５を介して不図示の操舵機構を駆動することで、車輪の操舵が行われるようになっている。

図３を参照して、このとき図示しないトルクセンサが、入力軸１３に付与された操舵トルクを検出し、その量に応じて、不図示のＥＣＵが電動モータ３５に対して電力を供給するので、出力軸３５ａと共に駆動ギヤ３７が回転し、それに噛合した従動ギヤ３９が、所定の減速比で回転させられる。従動ギヤ３９とナット４５とは、雌スプライン部６３と雄スプライン部６５との係合により回転方向に一体的となっているため、従動ギヤ３９の回転によりナット４５も回転し、かかる回転運動はボール５５を介してラック軸２３の軸線運動に変換される。この軸線方向力を用いて、補助操舵力を出力できるようになっている。ここで、ナット４５の回転に応じてナット４５の雌ねじ溝４５ａとねじ軸２３の雄ねじ溝２３ｂとの螺旋状通路を転動してきたボール５５は、騒音を抑えながら、ナット４５の一端に配置された循環こま１８によりすくい上げられ、ボール戻し通路４５ｂを通って、他端側の循環こま１８から螺旋状通路に戻されるようになっている。

本実施の形態の電動式パワーステアリング装置において、エンドデフレクタ型の循環方式を採用したボールねじ機構１１は、通常のチューブ式やこま式、エンドキャップ式といった循環方式のボールねじ機構に比べ、ボール循環経路内の隙間が小さく、ボール５５を接線すくい上げ可能となっているため、循環路内でのボール５５同士の不規則な接触を抑える事が可能となる。さらにチューブ式と比較してチューブの出っ張りがなくナット４５の外径が小さくなるため、動力伝達系の慣性を小さくすることができる。また、一循環路あたりの有効巻数が大きく取れるため、必要な負荷容量を設定してもナット長を短く保つことができ、省スぺース化にも貢献できる。

以上、実施の形態を参照して本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、その趣旨を損ねない範囲で適宜変更、改良可能であることはもちろんである。例えば、上述した実施の形態においては、ラック軸とモータの回転軸とが並行に配置された形式を示しているが、ラック軸とモータの回転軸とが同軸上に配置された形式、或いはラック軸とモータの回転軸とが斜めに交差する形式でもよい。本発明は、ステアリングホイールとラック軸とが機械的に連結されていない、いわゆるステアバイワイヤ（ＳＢＷ）式操舵機構や、４輪操舵（４ＷＳ）車に用いる後輪操舵機構などにも適用可能である。

本実施の形態に係る電動式パワーステアリング装置を含むステアリング系の斜視図である。 図１の電動式パワーステアリング装置１１の軸線方向断面図である。 図２の構成におけるIII部を拡大して示す図である。 本実施の形態にかかるボールねじ機構の端部拡大断面図である。 図４の構成をIV-IV線で切断して矢印方向に見た図である。 転動体循環部材としての循環こまを示す図で、（ｂ）は正面図、（ａ）は（ｂ）の左側面図、（ｃ）は（ｂ）の平面図である。

符号の説明

１ コラム
３ ステアリングシャフト
５ ステアリングホイール
１１ 電動式パワーステアリング装置
１８ 循環コマ
２３ ラック軸（ねじ軸）
４５ ナット

Claims (1)

1. 電動モータと、
   操舵機構に連結されたラック軸と
   前記電動モータからの動力を前記ラック軸に伝達するボールねじ機構と、を有し、
   前記ボールねじ機構は、前記ラック軸に連結された又は一体化されたねじ軸と、前記ねじ軸の周囲に配置されたナットと、前記ねじ軸と前記ナットとの間に形成された転走路に沿って転動するボールとからなり、
   前記ナットは、前記転走路に沿って転動してきたボールを接線方向にすくい上げるボールすくい上げ部と、前記すくい上げ部に接続され軸線方向に延在するボール戻し通路と、前記ボール戻し通路に接続され前記転走路にボールを戻すボール戻し部と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。
   
   

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