JP2013155787A - ウォームギヤ機構及びウォームギヤ機構を用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】斜交軸のウォームギヤ機構の耐久性を高めつつ、ウォームの生産性を高める。
【解決手段】ウォーム４７の軸４６に対して、ウォームホイール４８の軸が直角ではない角度で交差する方向に位置した、ウォームギヤ機構４４である。ウォームの歯４７ａは金属材料によって構成されている。ウォームホイールの歯４８ａは樹脂材料によって構成されている。ウォームの歯の複数箇所にウォームホイールの複数の歯が同時に噛み合うことが可能である。ウォームの歯の複数箇所からウォームホイールの複数の歯にトルクが作用した場合に、前記複数箇所のなかのウォーム軸方向両端の箇所において、ウォームホイールの歯が接触する範囲を、接触領域Ａ１とする。ウォームの歯の歯面４７ａｆは、接触領域の全範囲にわたって補助歯面領域Ａ２を有する。補助歯面領域は、ウォームの歯の歯先の近傍に位置して、他の部位の圧力角α_１よりも大きい圧力角α_２に設定されている。
【選択図】図７

Description

本発明は、耐久性を高めたウォームギヤ機構及びこのウォームギヤ機構を用いた電動パワーステアリング装置に関し、特にウォームの歯形を改良した技術に関する。

ウォームギヤ機構の中には、電動パワーステアリング装置に用いられているものがある。電動パワーステアリング装置に用いたウォームギヤ機構は、電動モータに連結されたウォームと、負荷に連結されたウォームホイールとによって構成されている。電動モータが発生したトルクは、ウォームからウォームホイールを介して負荷に伝達される。

近年は、電動パワーステアリング装置の小型化及び軽量化の要請が高まるとともに、電動モータの高出力化が求められている。電動パワーステアリング装置の小型化を図るには、ウォームの軸に対してウォームホイールの軸を、直角ではない角度で交差する方向に配置、つまり軸角が９０°でない斜交軸のウォームギヤ機構にすることが考えられる。このような斜交軸のウォームギヤ機構は、特許文献１〜４から知られている。

特許文献１〜４で知られている電動パワーステアリング装置は、斜交軸のウォームギヤ機構を採用している。このウォームギヤ機構は、金属製の歯を有するウォームと、樹脂製の歯を有するウォームホイールと、から成る。特許文献２で知られているウォームギヤ機構は、ウォームの歯の複数箇所にウォームホイールの複数の歯が同時に噛み合うことが可能である。

しかしながら、特許文献１、特許文献２及び特許文献４で知られているような、斜交軸のウォームギヤ機構においては、ウォームの歯の複数箇所からウォームホイールの複数の歯にトルクが作用した場合に、複数箇所のなかのウォーム軸方向両端の箇所に、応力が集中する傾向があるといわれている。応力が集中することによって、ウォームの歯とウォームホイールの歯との間には、局部的に面圧が高まる部位が生じる。ウォームギヤ機構の耐久性を高めるには改良の余地がある。

一方、特許文献３で知られているウォームの歯形では、歯元の歯厚が歯底から基準ピッチ線にかけて漸減する漸減度合いに対し、歯末の歯厚が基準ピッチ線から歯先にかけて漸減する漸減度合いを大きく設定している。しかし、ウォームの歯の全体にわたって、このような複雑な形状に形成するので、生産性を高める上で不利である。

特開２００７−２３９８４９公報 特開２００９−１５６４４３公報 特開２０１０−２７０９０８公報 特開２０１１−０３３１９７公報

本発明は、斜交軸のウォームギヤ機構の耐久性を高めつつ、ウォームの生産性を高めることができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明によれば、ウォームの軸に対して、ウォームホイールの軸が直角ではない角度で交差する方向に位置し、前記ウォームの歯は金属材料によって構成され、前記ウォームホイールの歯は樹脂材料によって構成され、前記ウォームの歯の複数箇所に前記ウォームホイールの複数の歯が同時に噛み合うことが可能なウォームギヤ機構において、前記ウォームの歯の複数箇所から前記ウォームホイールの複数の歯にトルクが作用した場合に、前記複数箇所のなかのウォーム軸方向両端の箇所において、前記ウォームホイールの歯が接触する範囲を、接触領域とし、前記ウォームの歯の歯面は、前記接触領域の全範囲にわたって補助歯面領域を有し、この補助歯面領域は、前記ウォームの歯の歯先の近傍に位置して、他の部位の圧力角よりも大きい圧力角に設定されている、ことを特徴とするウォームギヤ機構が提供される。

請求項２に記載のごとく、好ましくは、前記補助歯面領域の範囲は、前記接触領域よりも広い範囲にわたって設定されている。

請求項３に記載のごとく、好ましくは、請求項１又は請求項２記載のウォームギヤ機構と、車両のステアリングホイールから操舵車輪に至るステアリング系と、トルクを発生するとともにこのトルクを前記ウォームギヤ機構を介して前記ステアリング系に伝える電動モータと、を備えたことを特徴とするウォームギヤ機構を搭載した電動パワーステアリング装置が提供される。

請求項１に係る発明では、斜交軸のウォームギヤ機構において、ウォームの歯の複数箇所からウォームホイールの複数の歯にトルクが作用した場合に、複数箇所のなかのウォーム軸方向両端の箇所において、ウォームホイールの歯が接触する範囲を、接触領域としている。ウォームの歯の歯面は、少なくとも接触領域の全範囲にわたって補助歯面領域を有する。補助歯面領域は、ウォームの歯の歯先の近傍に位置して、他の部位の圧力角よりも大きい圧力角に設定されている。

つまり、ウォームの歯のなかで、この歯とウォームホイールの歯との間で局部的に面圧が高まる接触領域だけを、他の部位の圧力角よりも大きい圧力角に設定している。この結果、ウォームの歯とウォームホイールの歯との間には、局部的な応力集中による面圧が高まる部位が生じない。このため、ウォームギヤ機構の耐久性を高めることができる。しかも、ウォームの歯を局部的に補正するだけであるから、従来のようにウォームの歯の全体にわたって複雑な形状に形成する場合に比べて、生産性を高めることができる。

請求項２に係る発明では、補助歯面領域の範囲を接触領域よりも広い範囲にわたって設定しているので、ウォームギヤ機構の多少の寸法公差を吸収することができる。このため、ウォームギヤ機構の寸法管理が容易である。

請求項３に係る発明では、請求項１又は請求項２記載の斜交軸のウォームギヤ機構を採用した電動パワーステアリング装置である。このようなウォームギヤ機構を用いることにより、耐久性に優れた小型の電動パワーステアリング装置を提供できる。

本発明に係るウォームギヤ機構を用いた電動パワーステアリング装置の模式図である。 図１に示された電動パワーステアリング装置の全体構成図である。 図２の３−３線に沿った断面図である。 図３に示されたウォームとウォームホイールとの噛み合いの関係を斜め上から見た斜視図である。 図４に示されたウォームとウォームホイールの側面図である。 図５に示されたウォームの基本的な歯形を示す断面図である。 図５の７−７線に沿った断面図である。 図５の８−８線に沿った断面図である。 図５に示されたウォームの補助歯面領域の歯形を示す断面図である。

本発明を実施するための形態を添付図に基づいて以下に説明する。

実施例に係るウォームギヤ機構を用いた、電動パワーステアリング装置について説明する。図１は電動パワーステアリング装置１０を模式的に表している。この電動パワーステアリング装置１０は、車両のステアリングホイール２１から車両の操舵車輪（例えば前輪）２９，２９に至るステアリング系２０と、このステアリング系２０に補助トルクを加える補助トルク機構４０と、から成る。

ステアリング系２０は、ステアリングホイール２１と、このステアリングホイール２１にステアリングシャフト２２及び自在軸継手２３，２３を介して連結されたピニオン軸２４と、このピニオン軸２４にラックアンドピニオン機構２５を介して連結されたラック軸２６と、このラック軸２６の両端に左右のタイロッド２７，２７及びナックル２８，２８を介して連結された左右の操舵車輪２９，２９（例えば左右の前輪２９，２９）と、から成る。ラックアンドピニオン機構２５は、ピニオン軸２４に形成されたピニオン３１と、ラック軸２６に形成されたラック３２と、から成る。

ステアリング系２０によれば、運転者がステアリングホイール２１を操舵することにより、その操舵トルクによりラックアンドピニオン機構２５及び左右のタイロッド２７，２７を介して、左右の操舵車輪２９，２９を操舵することができる。

補助トルク機構４０は、ステアリングホイール２１に加えたステアリング系２０の操舵トルクを操舵トルクセンサ４１で検出し、この操舵トルクセンサ４１のトルク検出信号に基づき制御部４２で制御信号を発生し、この制御信号に基づき操舵トルクに応じた補助トルクを電動モータ４３で発生し、ウォームギヤ機構４４を介してピニオン軸２４に伝達し、さらに、補助トルクをピニオン軸２４からピニオン３１を介してラック３２に伝達するようにした構成である。

操舵トルクセンサ４１は、ピニオン軸２４に加えられたトルクを検出し、トルク検出信号として出力するものであり、例えば磁歪式トルクセンサによって構成される。

このような電動パワーステアリング装置１０によれば、運転者の操舵トルクに電動モータ４３の補助トルクを加えた複合トルクにより、ラック軸２６で操舵車輪２９，２９を操舵することができる。

図２及び図３に示されるように、ピニオン軸２４、ラックアンドピニオン機構２５、ラック軸２６、操舵トルクセンサ４１及びウォームギヤ機構４４は、ハウジング５１に収納されている。このハウジング５１は、車幅方向（図２の左右方向）に延びている。ハウジング５１の上部開口は、上部カバー部５４によって塞がれている。操舵トルクセンサ４１は、上部カバー部５４に取付けたものである。ラック軸２６は、ラックガイド６０によって軸方向へ摺動可能に支持されている。

図３に示されるように、ピニオン軸２４は、車体上下方向に延びた略垂直な軸であり、上端部、中央部及び下端部の各位置が、それぞれ第１の軸受５５、第２の軸受５６、第３の軸受５７を介してハウジング５１に回転可能に支持されている。第２の軸受５６は、ロックナット５８によってハウジング５１に位置決めされている。

図２及び図３に示されるように、ラック軸２６は、車幅方向に延びた水平軸であって、軸長手方向にスライド可能である。このラック軸２６の長手方向両端には、ボールジョイント５２，５２を介してタイロッド２７，２７が連結されている。さらに、ラック軸２６の両端は、ダストシール用ブーツ５３，５３によって覆われている。

図３に示されるように、ウォームギヤ機構４４は、電動モータ４３が発生した補助トルクをピニオン軸２４に伝達する補助トルク伝達機構、すなわち倍力機構である。このウォームギヤ機構４４は、ウォーム軸４６に一体に形成された駆動側のウォーム４７と、このウォーム４７に噛み合う従動側のウォームホイール４８と、から成る。ウォーム軸４６の一端部は、図示せぬカップリングによってモータ軸４３ａ（図１参照）に連結されている。ステアリングホイール２１（図１参照）が左右へ操舵されることに伴って、電動モータ４３がウォーム４７を正転及び逆転駆動することにより、ウォーム４７によってウォームホイール４８を正転及び逆転させることができる。

ウォーム軸４６の両端部は、ハウジング５１に回転可能に支持されている。ウォームホイール４８（以下、単に「ホイール４８」と言う。）は、ピニオン軸２４に設けられている。ピニオン軸２４に対して、ホイール４８は軸方向への相対的な移動が規制され、且つ、相対回転が規制されている。

図４は、図３に示されたウォーム４７とホイール４８との噛み合いの関係を、斜め上から見て表している。図５は、図４に示されたウォーム４７とホイール４８との噛み合いの関係を、側方から見て表している。

ウォーム４７は、ねじ山４７ａ（つまり、歯４７ａ）が例えば２条で設定されるとともに、ねじ山４７ａのピッチが一定に設定されている。ウォーム４７のねじ山４７ａの進み角は、ねじ面の摩擦角よりも若干大きく設定されている。このため、ホイール４８側からウォーム４７を回すことができる（逆伝達性）。

図３及び図４に示されるように、ホイール４８の歯４８ａは、歯幅中央の部分が歯先面から径内方へ向かって円弧状に窪んでいる、いわゆる「中凹歯形」に形成されている。

図３〜図５に示されるように、ウォーム軸４６（ウォーム４７の軸４６）はピニオン軸２４（ホイール４８の軸２４）に対して、つまり、ピニオン軸２４の中心線ＣＬに対して角度「９０°±γ°」だけ傾いている。詳しく説明すると、ウォームギヤ機構４４は、ホイール４８の軸２４に対して、ウォーム４７の軸４６を直角ではない角度で交差する方向に配置し、ホイール４８にウォーム４７を噛み合わせた、いわゆる、斜交軸ウォームギヤ機構である。

このように、ウォーム４７の軸４６の中心線ＷＬと、ホイール４８の軸２４の中心線ＣＬとの間の、角度（軸角、交差角）は９０°ではなく、「９０°±γ°」である。このため、ウォーム４７の軸４６の中心線ＷＬは、ホイール４８の軸平面（ホイール４８の歯幅方向中心線Ｌｗ）に対して「９０°−γ」の傾きを有する。ここで、角度γのことを「斜交角γ」と言うことにする。この斜交角γの値は、ホイール４８の歯４８ａの捩れ角λが０°の場合において、ウォーム４７の歯４７ａ（つまり、ねじ山４７ａ）とホイール４８の歯４８ａとの噛み合い状態が良好となるように、「０°＜γ°＜９０°」の範囲で設定される。

以上の説明から明らかなように、ウォームギヤ機構４４を、ピニオン軸２４に設けられたホイール４８と、このホイール４８を駆動するように噛み合うウォーム４７とによって構成した。ウォーム４７の軸４６は、ホイール４８の軸２４に対して直角ではない角度で交差する方向に配置、つまり、軸角が９０°でない斜交軸とされている。そして、ホイール４８の歯４８ａの捩れ角を０°に設定した。

ウォーム４７は、少なくとも歯４７ａが金属材料、好ましくは全体が金属材料によって構成されている。この金属材料としては、例えば機械構造用炭素鋼鋼材（ＪＩＳ−Ｇ−４０５１）等の鉄鋼が採用される。

ホイール４８は、少なくとも歯４８ａが、ナイロン樹脂等の樹脂材料によって構成されている。例えば、ホイール４８は、ピニオン軸２４に嵌合によって取り付けられる金属製のボス部７１と、このボス部７１に一体に成形される樹脂製のホイール本体７２と、から成る。このホイール本体７２の外周面には、全周にわたって複数の歯４８ａが形成される。または、ホイール４８は、全体が樹脂による成型品によって構成される。

ウォーム４７の金属製の歯４７ａの歯面に、樹脂製のホイール４８の樹脂製の歯４８ａの歯面を噛合わせるようにしたので、噛合いを比較的円滑にすることができるとともに、騒音をより低減させることができる。

さらには、ウォーム４７の歯４７ａは金属製であるから剛性が大きく弾性変形し難い。これに対して、ホイール４８の歯４８ａは樹脂製であるから比較的剛性が小さく、ウォーム４７よりも弾性変形し易い。ウォーム４７によってホイール４８を回す場合に、補助トルクの大きさに従って、ホイール４８の歯４８ａが弾性変形し得る。この結果、ウォーム４７の歯４７ａの複数箇所に、ホイール４８の複数の歯４８ａが同時に噛み合うことが可能である。

ウォーム４７によってホイール４８を回転する場合に、ホイール４８の歯４８ａのなかの１つに対するウォーム４７の歯４７ａの噛み合いの一連の変化は、次の通りである。
（１）先ず、ウォーム４７の歯４７ａの歯面のなかの歯元部分が、ホイール４８の歯４８ａの歯先に接触して押す（第１接触ステップ）。
（２）引き続いて、ウォーム４７の歯４７ａの歯面のなかの歯元部分が、ホイール４８の歯４８ａの歯面のなかの歯末部分に接触することにより、さらに押し続ける（第２接触ステップ）。
（３）引き続いて、ウォーム４７の歯４７ａの歯面のなかのピッチ円の部分が、ホイール４８の歯４８ａの歯面のなかのピッチ円の部分に接触することにより、さらに押し続ける（第３接触ステップ）。
（４）引き続いて、ウォーム４７の歯４７ａの歯面のなかの歯末部分が、ホイール４８の歯面のなかの歯元部分に接触することにより、さらに押し続ける（第４接触ステップ）。

上述のように、ウォーム４７の歯４７ａに対して、ホイール４８の複数の歯４８ａが同時に噛み合う場合に、これらの歯４８ａの弾性変形量（撓み量）は、実質的に同じである。しかし、これらの歯４８ａの歯面が、ウォーム４７の歯４７ａに対して接触する各接触点は、互いに異なる。つまり、複数の歯４８ａが同じ撓み量だけ撓むように、ウォーム４７の歯４７ａから歯面が受ける荷重は、各接触点によって異なる。従って、各接触点が受ける面圧は異なる。特に、上記第１接触ステップ及び第４接触ステップの場合には、他の接触ステップの場合に比べて、接触点が受ける面圧は大きい。

しかも、ウォーム４７の回転に従って、ウォーム４７の歯４７ａに対する、ホイール４８の歯４８ａの歯面の接触点は、この歯面の「歯すじ」の方向（歯幅方向）に変化する。

以下、ウォーム４７の歯４７ａ及びホイール４８の歯４８ａについて、詳しく説明する。ホイール４８の歯４８ａは「はす歯」であり、この歯４８ａの歯形は例えば「インボリュート」である。図６に示されるように、ウォーム４７の歯４７ａの歯形は、基本的には、例えば「インボリュート」または「ほぼ台形」である。ウォーム４７の歯４７ａの圧力角は、基本的にはα_１である。ウォーム４７の歯４７ａの圧力角α_１に対して、ホイール４８の歯４８ａの圧力角は同じである。

上述のように、ウォーム４７の歯４７ａの複数箇所に、ホイール４８の複数の歯４８ａが同時に噛み合うことが可能である。図５、図７及び図８に示されるように、ウォーム４７の歯４７ａの前記複数箇所からホイール４８の複数の歯４８ａにトルクが作用した場合に、前記複数箇所のなかのウォーム軸方向両端の箇所Ｐｅ，Ｐｅ（図５参照）において、ホイール４８の歯４８ａが接触する範囲Ａ１を、「接触領域Ａ１」とする。ウォーム４７の歯４７ａの歯面４７ａｆは、接触領域Ａ１の全範囲にわたって補助歯面領域Ａ２を有する。

この補助歯面領域Ａ２は、ウォーム４７の歯４７ａの歯先４７ａｅの近傍に位置して、図９に示される圧力角α_２に設定されている。補助歯面領域Ａ２の圧力角α_２は、他の部位の圧力角α_１、つまり基本的な圧力角α_１よりも大きい値に設定されている（圧力角α_１＜α_２）。

このように、ウォーム４７の歯４７ａのなかで、この歯４７ａとホイール４８の歯４８ａとの間で局部的に面圧が高まる接触領域Ａ１だけが、他の部位の圧力角α_１よりも大きい圧力角α_２に設定されている。この結果、ウォーム４７の歯４７ａとホイール４８の歯４８ａとの間には、局部的な応力集中による面圧が高まる部位が生じない。このため、ウォームギヤ機構４４の耐久性を高めることができる。しかも、ウォーム４７の歯４７ａを局部的に補正するだけであるから、従来のようにウォームの歯の全体にわたって複雑な形状に形成する場合に比べて、生産性を高めることができる。

さらに、補助歯面領域Ａ２の範囲は、好ましくは、接触領域Ａ１よりも広い範囲にわたって設定されている。従って、ウォームギヤ機構４４の多少の寸法公差を吸収することができる。このため、ウォームギヤ機構４４の寸法管理が容易である。

補助歯面領域Ａ２の大きさは、次の範囲に設定されることが好ましい。図９に示されるように、歯末の高さＴｈは、歯先円の直径ｄｏの１／２と、ピッチ円の直径ｄｐの１／２と、の差によって求められる。つまり、「Ｔｈ＝（（ｄｏ／２）−（ｄｐ／２））」の関係である。補助歯面領域Ａ２の歯丈方向の高さＡｈ、つまり、歯先円を基準とする歯元方向への大きさＡｈは、歯末の高さＴｈの１／２よりも大きく設定されることが好ましい（Ａｈ＞（Ｔｈ／２））。この高さＡｈであれば、接触領域Ａ１の高さを上回る。

より好ましくは、補助歯面領域Ａ２の歯丈方向の高さＡｈは、歯末の高さＴｈの１／２の１．２倍までの範囲に設定される。つまり、「（１．２×Ｔｈ／２）≧Ａｈ＞（Ｔｈ／２」の関係である。この高さＡｈであれば、ウォームギヤ機構４４の寸法公差を吸収できるとともに、不要な範囲を設定することがない。

また、図５に示されるように、ウォーム４７の歯４７ａの巻き方向（螺旋方向）における、補助歯面領域Ａ２の大きさ（広さ）は、同方向における接触領域Ａ１の大きさよりも、大きく設定される。このようにして、接触領域Ａ１は、補助歯面領域Ａ２の中に入る。

さらには、このような斜交軸のウォームギヤ機構４４を用いることにより、耐久性に優れた小型の電動パワーステアリング装置１０（図１参照）を提供できる。

なお、本発明では、電動パワーステアリング装置１０は、ステアリングホイール２１の操舵入力に基づいて電動モータ４３が発生したトルクを、ウォームギヤ機構４４を介して操舵車輪２９，２９に伝達することで車両の転舵を行う構成であればよい。例えば、本発明のウォームギヤ機構４４及びそれの製造方法は、いわゆる、ステア・バイ・ワイヤ式（steer-by-wire、略称「ＳＢＷ」）の電動パワーステアリング装置にも適用できる。ステア・バイ・ワイヤ式電動パワーステアリング装置とは、ステアリングホイール２１からピニオン軸２４を機械的に分離し、操舵入力に基づいて電動モータ４３が発生した転舵用トルクを、ウォームギヤ機構４４を介してピニオン軸２４へ伝えることにより、操舵車輪２９，２９を操舵させる方式の構成である。

本発明のウォームギヤ機構４４は、ステアリングホイール２１で発生した操舵トルクを操舵トルクセンサ４１によって検出し、この操舵トルクセンサ４１の検出信号に応じて電動モータ４３が補助トルクを発生し、この補助トルクをウォームギヤ機構４４を介してステアリング系２０に伝える車両用電動パワーステアリング装置１０に好適である。

１０…電動パワーステアリング装置、２０…ステアリング系、２１…ステアリングホイール、２４…ウォームホイールの軸、２９…操舵車輪、４０…補助トルク機構、４３…電動モータ、４３ａ…モータ軸、４４…ウォームギヤ機構、４６…ウォームの軸、４７…ウォーム、４７ａ…ウォームの歯、４７ａｅ…歯先、４７ａｆ…歯面、４８…ウォームホイール、４８ａ…ウォームホイールの歯、Ａ１…接触領域、Ａ２…補助歯面領域、Ｐｅ…複数箇所のなかのウォーム軸方向両端の箇所、α_１…他の部位の圧力角、α_２…圧力角。

Claims (3)

1. ウォームの軸に対して、ウォームホイールの軸が直角ではない角度で交差する方向に位置し、前記ウォームの歯は金属材料によって構成され、前記ウォームホイールの歯は樹脂材料によって構成され、前記ウォームの歯の複数箇所に前記ウォームホイールの複数の歯が同時に噛み合うことが可能なウォームギヤ機構において、
   前記ウォームの歯の複数箇所から前記ウォームホイールの複数の歯にトルクが作用した場合に、前記複数箇所のなかのウォーム軸方向両端の箇所において、前記ウォームホイールの歯が接触する範囲を、接触領域とし、
   前記ウォームの歯の歯面は、前記接触領域の全範囲にわたって補助歯面領域を有し、
   この補助歯面領域は、前記ウォームの歯の歯先の近傍に位置して、他の部位の圧力角よりも大きい圧力角に設定されていることを特徴とするウォームギヤ機構。
2. 前記補助歯面領域の範囲は、前記接触領域よりも広い範囲にわたって設定されていることを特徴とする請求項１記載のウォームギヤ機構。
3. 請求項１又は請求項２記載のウォームギヤ機構と、車両のステアリングホイールから操舵車輪に至るステアリング系と、トルクを発生するとともにこのトルクを前記ウォームギヤ機構を介して前記ステアリング系に伝える電動モータと、を備えたことを特徴とするウォームギヤ機構を搭載した電動パワーステアリング装置。

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