JP4043138B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願発明は、車両の操舵力を軽減するための操舵補助力を発生する電動パワーステアリング装置に関し、さらに詳細には、電動モータが発生するトルクをラック軸に伝達するトルク伝達系に破断部を設けたフェールセーフ機能を有する電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両のステアリングホイールによる操舵力を軽減するための電動パワーステアリング装置にフェールセーフ機能を持たせたものが、例えば特開平８−９９６４４号公報に記載されている。
【０００３】
この公報に記載された電動パワーステアリング装置では、ステアリングコラム内に、ステアリングギヤボックスに回転力を伝達する出力軸に取り付けられたウォームホイール、および操舵補助力を付与する直流モータに連結される駆動軸に取り付けられたウォームが配置されている。ウォームホイールと出力軸とは、１個または複数個のトルクリミッタピンを介して連結されており、このトルクリミッタピンは、正常な作動により生じるトルクより大きな破断トルクが作用したとき破断されるようになっている。
【０００４】
そして、直流モータとともにウォームホイールが機械的にロックした異常時に、ステアリングホイールが操舵されて操舵力によるトルクが出力軸に作用すると、ウォームホイールはロックしているため、トルクリミッタピンに破断トルクが作用して、トルクリミッタピンが破断される。そのため、出力軸とウォームホイールとの連結が切り離されて、出力軸が自由に回転できる状態となり、マニュアルステアリングとしてステアリングホイールによる操舵が確保できる。
【０００５】
さらに、前記公報には、トルクリミッタピンで出力軸とウォームホイールとを連結する代わりに、駆動軸とウォームとをトルクリミッタピンで連結すること、また駆動軸にくびれ状の破断部を形成することも記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来の電動パワーステアリング装置では、トルクリミッタピンを使用する場合、部品点数が多くなり、特に所望の破断トルクを設定するために、複数のトルクリミッタピンを使用する場合は、一層部品点数が多くなった。また、トルクリミッタピンを取り付ける工程、さらには破断されたトルクリミッタピンの脱落防止のための工程など、工数が多くなり、組み付け性が良好でなかった。また、駆動軸に破断部を形成する場合は、駆動軸の脱落を防止するための部材が必要となり、やはり部品点数が多くなった。
【０００７】
本出願発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電動パワーステアリング装置において、部品点数の削減を図るとともに、フェールセーフ機能を実現するための機構の組み付け性の向上を図ること、フェールセーフ機能を実現するための機構が、トルクリミッタ機能をも有する電動パワーステアリング装置を提供すること、さらにフェールセーフ機能を実現するための機構を構成する部材自体の組み付け性の向上を課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段および効果】
本出願の請求項１記載の発明は、入力された操舵力に応じて車両の転舵輪を転舵すべく軸方向に移動自在なラック軸と、該ラック軸の径方向外方に同軸に配置された円筒状の回転部材を有するとともに該回転部材の回転を前記ラック軸の前記軸方向の移動に変換する変換機構と、前記ラック軸の径方向外方に同軸に配置された円筒状の出力軸を有するとともに前記操舵力を補助する補助力を発生する電動モータとを備え、前記回転部材は前記出力軸と嵌合されて該出力軸により回転駆動される電動パワーステアリング装置において、前記回転部材および前記出力軸のいずれか一方の嵌合部の外周には、所定値以上の大きさのトルクにより破断される突起が一体成形され、他方の嵌合部の内周には該突起と係合する溝が設けられ、前記一方の嵌合部の前記外周は、前記他方の嵌合部の前記内周に嵌合し、前記一方の嵌合部の前記外周には、前記突起が形成されていない前記軸方向での端面寄りに、外周部分が形成されており、前記他方の嵌合部の前記内周には、前記外周部分と全周で接する内周部分が形成されている電動パワーステアリング装置である。
【００１３】
このような請求項１記載の発明によれば、破断トルクにより破断される突起は、電動モータのラック軸と同軸に配置された円筒状の出力軸または入力された操舵力に応じて車両の転舵輪を転舵すべく軸方向に移動自在なラック軸に電動モータの発生する操舵補助力を伝達する変換機構の構成要素であってラック軸と同軸に配置された円筒状の回転部材に一体成形されているので、部品点数を削減できる。また、出力軸と回転部材とを嵌合させるのみで、フェールセーフ機能を実現するための機構の組み付けが完了すること、さらにラック軸、出力軸および回転部材が同軸に形成されていて、ラック軸、出力軸を有する電動モータおよび回転部材の組み付けも嵌合方向からの組み付けでできることから、フェールセーフ機能を実現するための機構を構成する部材自体を含めた組み付け性が向上する。さらに、電動モータの出力軸に突起または回転部材の突起と係合する溝が形成されているので、電動モータの挙動により破断トルクが発生した場合、変換機構には大きなトルクが伝達されないようにするトルクリミット機能がなされ、変換機構を構成する部材に過大な力が作用することはなく、それら部材の保護ができる。
【００１４】
【発明の実施形態】
以下、本出願発明の一実施形態を図１ないし図３を参照して説明する。
図１は、本出願発明の実施形態である電動パワーステアリング装置の概略全体図、図２は、出力軸およびボールナットとの結合部の断面図、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【００１５】
図１に図示されるように、電動パワーステアリング装置１は、車両の左右方向に水平に延びるハウジング２を備えており、ハウジング２内には、作動部材であるラック軸３が、水平に延びてかつ軸方向に移動自在に配置されている。ハウジング２は、ステアリングギヤボックス２ａ、モータハウジング２ｂおよびボールねじ機構ハウジング２ｃを有している。また、ラック軸３の両端部は、図示されないボールジョイントを介してタイロッドに連結され、さらにタイロッドは、転舵機構を介して車両の転舵輪に連結されている。
【００１６】
ハウジング２の一端部に設けられたステアリングギヤボックス２ａには、ステアリングホイールが一体的に取り付けられたステアリング軸にジョイントを介して連結されている入力軸４が、軸受を介して回動自在に支持されている。ステアリングギヤボックス２ａ内では、出力軸が軸受を介して該ギヤボックス２ａに回動自在に支持されており、さらに入力軸４が、トーションバーを介して、所定回動範囲で相対的に回動可能に出力軸と連結されている。
【００１７】
出力軸の下端部にはピニオンが形成されていて、ラック軸３に形成されたラック部と噛み合っている。そのため、ステアリングホイールからの操舵力の入力により、ステアリング軸、入力軸４、捩れを伴ったトーションバーそして出力軸が回動し、その出力軸の回動に応じて、ピニオンとラック部の噛み合いにより、ラック軸３が軸方向に移動できるようになっている。
【００１８】
一方、モータハウジング２ｂ内には、ラック軸３と同軸に配置されるとともに操舵力を補助する補助力を発生する電動モータ５が収容されている。電動モータ５は、円筒状に形成されたステータの内側において回転自在に支持された円筒状のロータ６を有していて、該ロータ６は、ラック軸３の径方向外方に間隔を置いてラック軸３と同軸となるようにされている。そして、ロータ６の内周には、電動モータ５の円筒状の出力軸７がロータ６と一体的に回転するように挿入されて固定されている。この出力軸７は、その内周とラック軸３との間に径方向の間隙が形成されるようにラック軸３の径方向外方に位置しており、しかもラック軸３と同軸となっている。さらに、出力軸７の一部は、ロータ６の一端部から後述するボールねじ機構２０に向けて軸方向に突出して延びている。
【００１９】
モータハウジング２ｂのステアリングギヤボックス２ａ側とは反対側に隣接して形成されたボールねじ機構ハウジング２ｃ内には、ラック軸３の径方向外方に配置された回転部材であるボールナット２１が、ラック軸３と同軸に設けられている。ボールナット２１は、アンギュラ玉軸受２２を介して該ハウジング２ｃに回転自在にかつ軸方向に移動不能に支持されている。また、ラック軸３は、その中央位置近傍からボールねじ機構２０が設けられた側の端部に至る範囲の外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ溝部２３を有していて、該ねじ溝とボールナット２１の内周に形成された螺旋状のねじ溝との間に形成された空間には、多数のボール２４が転動自在に介在している。なお、ボールナット２１には、ボールナット２１の回転につれて軸方向に進行したボール２４を後方に戻す通路が設けられている。
【００２０】
それゆえ、これらボールナット２１、ラック軸３のねじ溝部２３およびボール２４が構成要素となってボールねじ機構２０が形成され、ボールねじ機構ハウジング２ｃ内に収容されている。そして、このボールねじ機構２０は、ボールナット２１の回転によりラック軸３の軸方向の移動を生じさせることから、ボールナット２１の回転をラック軸３の軸方向の移動に変換する変換機構を構成している。
【００２１】
図２および図３に図示されるように、出力軸７のロータ６から突出した部分の先端部は、ボールナット２１の内周の電動モータ５側に嵌合される嵌合部となっている。該嵌合部の外周には、周方向に相互に等間隔にかつ軸方向に延びて形成された４個の突起７ａが、例えばプレス加工により一体成形されている。そして、この嵌合により出力軸７とボールナット２１とが結合され、電動モータ５の出力軸７によりボールナット２１が駆動され、ボールナット２１の回転がラック軸３のねじ溝部２３に伝達されラック軸３が移動される。この点で、ボールナット２１は、電動モータ５の出力軸７により駆動される従動部材であり、またボールねじ機構２０は、電動モータ５の出力軸７により駆動される従動部材であるボールナット２１の動きをラック軸３に伝達する伝達機構であるともいえる。
【００２２】
出力軸７の嵌合部において、突起７ａが形成されている軸方向範囲は、出力軸７の先端面（すなわち、軸方向での端面である。）から所定距離を置いた地点から、出力軸７の嵌合部が嵌合された状態で、ボールナット２１の端面位置より出力軸７の先端面に向けて所定距離を置いた地点までである。これら所定距離は、必要に応じて適宜設定されるが、後述する破断された突起７ａの溝２１ａからの脱落をより確実に防止するためには、ボールナット２１端面位置側の距離は、大きい方が好ましい。
【００２３】
一方、ボールナット２１の内周において、出力軸７の嵌合部が嵌合される部分であるボールナット２１の嵌合部には、ボールナット２１の端面（すなわち、軸方向での端面である。）から軸方向に延びる４個の溝２１ａが形成されている。溝２１ａは、出力軸７の突起７ａに対応する位置に、すなわち周方向に相互に等間隔に形成されている。
【００２４】
溝２１ａの軸方向長さは、出力軸７が嵌合された状態で、出力軸７の嵌合部の軸方向長さより短くされていて、ボールナット２１の嵌合部の内周に、出力軸７の突起７ａが形成されていない先端面寄りの外周部分７ｂと全周で接する内周部分21 ｂが形成されるような長さに設定される。これにより、嵌合部での軸心合わせが容易となる。溝２１ａの深さは、突起７ａの高さと同じか、突起７ａの高さより僅かに大きくされていて、破断された突起７ａが溝２１ａに収容されて保持されるようになっている。
【００２５】
なお、突起７ａおよび溝２１ａの個数は、この実施形態ではそれぞれ４個であるが、この個数に限られるものではなく、設定すべき破断トルクの大きさに応じて１個または複数とすることができる。また、突起７ａの軸方向の長さを変更することにより、破断トルクの大きさを変更できる。
【００２６】
こうして、電動パワーステアリング装置１の正常な作動状態での電動モータ５による操舵補助力の伝達では、ボールナット２１と出力軸７との間に生じるトルクは破断トルクより小さいので、突起７ａはボールナット２１の嵌合部の溝２１ａとの係合により、出力軸７のトルクをボールナット２１に伝達する。そして、出力軸７とボールナット２１との間に破断トルクが作用すると、突起７ａは破断され、出力軸７およびボールナット２１は、それぞれ独立して回転することができるようになる。
【００２７】
ここで、出力軸７とボールナット２１との間には、次のような場合に破断トルクが作用する。
【００２８】
すなわち、電動モータ５のロータ６が何らかの原因により機械的にロックしたとき、ステアリングホイールの操作に基づく操舵トルク（操舵力）は、入力軸４を経て出力軸からラック軸３に伝達され、さらにラック軸３を介してボールねじ機構２０のボールナット２１に伝達される。しかしながら、出力軸７はロックしているため、ボールナット２１と出力軸７との間に、突起７ａを剪断力により破断する破断トルクが生じる。
【００２９】
また、例えば、ラック軸３がストロークエンド付近にある状態で、転舵輪の縁石への乗り上げや、ラック軸３が高速でラック軸ストッパに突き当たったとき、ラック軸３の移動は直ちに停止するにも拘わらず、電動モータ５のロータ６はその慣性により回転し続ける。そのため、ロータ６のその慣性回転により出力軸７も回転されて、出力軸７とボールナット２１との間に、突起７ａを剪断力により破断する破断トルクが生じる。
【００３０】
そして、組み付けにあたっては、突起７ａが形成された電動モータ５の出力軸７を、ボールねじ機構２０のボールナット２１の内周に嵌合させるだけでよいため、その組み付けは容易である。さらにラック軸３、出力軸７およびボールナット２１が同軸に形成されていて、ラック軸３、出力軸７を有する電動モータ５およびボールナット２１を有するボールねじ機構２０の組み付けも、出力軸７とボールナット２１との嵌合方向からの組み付けによりなされることから、フェールセーフ機能を実現するための機構を構成する部材自体の組み付け性が向上する。
【００３１】
このように構成された実施形態の作動を説明する。
運転者が操舵すべくステアリングホイールを回動させると、ステアリングホイールと一体のステアリング軸が回動し、その回動がジョイントを介して入力軸４に伝達される。入力軸４は、トーションバーに捩れを生じさせつつ出力軸を回動させて、その回動が、ピニオンとラック軸３のラック部との噛み合いにより、ラック軸３に軸方向の移動を生じさせる。そして、その移動がタイロッド、さらには転舵機構を介して転舵輪に伝達され、操舵力に応じた転舵輪の転舵が行われる。
【００３２】
一方、トーションバーの捩れの大きさから操舵力が検出されて、その検出された操舵力に応じた制御信号に基づいて電動モータ５が駆動される。そして、駆動された電動モータ５により回転駆動される出力軸７から突起７ａを介して伝達されるトルクにより、ボールナット２１がラック軸３のねじ溝部２３の周りで回転駆動される。ボールナット２１の回転により、ボールと噛み合うねじ溝部２３を有するラック軸３がその軸方向に移動してタイロッドが移動し、さらに転舵機構を介して転舵輪が転舵されて、ステアリングホイールからの操作力の補助を行う。
【００３３】
そして、電動モータ５のロータ６に機械的なロックが生じたときは、ステアリングホイールからの操舵トルクにより、ボールナット２１と出力軸７との間に破断トルクが生じ、突起７ａが破断される。すると、ボールナット２１は出力軸７に拘束されることなく自由に回転できるようになるため、ステアリングホイールの操舵トルクのみによりラック軸３が移動されて、転舵輪が転舵され、フェールセーフ機能がなされる。このことから、破断トルクにより破断される突起７ａが形成された出力軸７と、該突起７ａが係合する溝２１ａが形成されたボールナット２１とは、フェールセーフ機能を実現するための機構を構成する。
【００３４】
また、ラック軸３がストロークエンド付近にある状態での転舵輪の縁石への乗り上げ時には、電動モータ５のロータ６の慣性回転に基づいて、出力軸７とボールナット２１との間に、突起７ａを剪断力により破断する破断トルクが生じ、突起７ａが破断される。すると、出力軸７からボールナット２１へのトルク伝達機能は殆ど失われるので、ボールナット２１が大きなトルクで回転されることはなく、トルクリミット機能がなされる。その結果、ボールねじ機構２０の構成要素であるラック軸３のねじ溝、ボールナット２１のねじ溝およびボールに過大な力が作用することはない。
【００３５】
さらに、破断された突起７ａは溝２１ａに収容されて保持される。万が一、破断した突起７ａが溝２１ａから脱落したとしても、ねじ溝部２３が形成されたラック軸３は出力軸７の内側に配置され、しかも出力軸７の嵌合部の先端面寄りの外周部分７ｂは、ボールナット２１の嵌合部の内周部分21 ｂと全周で接しており、さらにボールナット２１を支持するアンギュラ玉軸受２２が、ボールねじ機構ハウジング２ｃ内で、径方向に延びる隔壁となっているので、脱落した突起７ａがボールねじ機構２０のねじ溝などに噛み込まれることはない。
【００３６】
この実施形態は、前記のように構成されているので、以下の効果を奏する。
破断トルクにより破断される突起７ａは、電動モータ５の出力軸７に一体成形されているので、部品点数を削減できる。また、出力軸７とボールナット２１とを嵌合させて、出力軸７の突起７ａとボールナット２１の溝２１ａとを係合させるのみで、フェールセーフ機能を実現するための機構を構成する部材同士の組み付けが完了するので、組み付け性が向上する。
【００３７】
さらに、ラック軸３、出力軸７およびボールナット２１が同軸に形成されていて、ラック軸３、出力軸７を有する電動モータ５およびボールナット２１を有するボールねじ機構２０の組み付けも、出力軸７とボールナット２１との嵌合方向からの組み付けによりなされることから、フェールセーフ機能を実現するための機構を構成する部材自体の組み付け性が向上する。
【００３８】
さらに、ボールナット２１に出力軸７の突起７ａと係合する溝２１ａが形成されているので、電動モータ５の挙動により破断トルクが発生した場合、ボールねじ機構２０には大きなトルクが伝達されないようにするトルクリミット機能がなされ、ボールねじ機構２０を構成する部材に過大な力が作用することはなく、それら部材の保護ができる。
【００３９】
出力軸７およびボールナット２１は、ラック軸３と同様に水平方向に配置されて、突起７ａおよび突起７ａが係合する溝２１ａは水平方向に沿って形成されることになるため、破断された突起７ａは、溝２１ａに収容されて、脱落することがない。そのため、破断した突起７ａの脱落防止のための工程または部材を付加する必要はないので、この点でも、組み付け性の向上または部品点数の削減ができる。また、万が一、破断した突起７ａが脱落したとしても、ねじ溝部２３が形成されたラック軸３は出力軸７の内側に配置され、しかも出力軸７の嵌合部の先端面寄りの外周部分７ｂは、ボールナット２１の嵌合部の内周部分21 ｂと全周で接しており、さらにボールナット２１が軸受２２を介してボールねじ機構ハウジング２ｃに収容されているため、脱落した突起７ａがボールねじ機構２０のねじ溝などに噛み込まれることはない。
【００４０】
突起７ａの長さを変更することにより破断トルクの大きさを調整することが可能であることから、破断トルクの調整が簡単にできる。
【００４１】
なお、前記実施形態では、出力軸７は一つの部材で形成されていたが、出力軸７は、出力軸７の少なくとも嵌合部となる部分が、残りの部分とは別の部材で形成され、固着手段により両者が一体にされたものであってもよい。
【００４２】
前記実施形態では、突起７ａは電動モータ５の出力軸７の外周に形成され、突起７ａに係合する溝２１ａがボールナット２１の内周に形成されていたが、突起をボールナット２１の内周に形成し、該突起に係合する溝を出力軸７の外周に形成してもよい。また、前記実施形態では、出力軸７の外周がボールナット２１の内周に嵌合されたが、出力軸７の内周にボールナット２１の外周が嵌合されるようして、各嵌合部に突起または溝を形成するようにしてもよい。いずれの場合にも、前記実施形態と同じ効果が奏される。
【００４３】
前記実施形態では、突起７ａは軸方向に延びて形成されたものであったが、径方向に突出するものであればどのようなものでよく、例えば径方向に延びる円柱状の突起であってもよい。
【００４４】
前記実施形態では、電動モータ５の出力軸７がボールねじ機構２０のボールナット２１に嵌合されたが、ボールナットに嵌合されるのは、電動モータの出力軸に取り付けられた歯車と噛み合う歯車であってもよい。この場合は、出力軸に取り付けられた歯車と噛み合う歯車が、ボールナットを駆動する駆動部材となる。また、電動モータの出力軸または電動モータにより駆動される駆動部材が嵌合する部材は、ボールねじ機構２０のボールナット２１ではなく、出力軸または駆動部材により駆動される従動部材であって、入力された操舵力に応じて車両の転舵輪を転舵すべく移動自在なラック軸等の作動部材に電動モータの発生する操舵補助力を伝達する任意の構造を有する伝達機構に設けられた従動部材であってよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本出願発明の一実施形態である電動パワーステアリング装置の概略全体図である。
【図２】図１の出力軸およびボールナットの結合部の断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【符号の説明】
１…電動パワーステアリング装置、２…ハウジング、３…ラック軸、４…入力軸、５…電動モータ、６…ロータ、７…出力軸、７ａ…突起、
２０…ボールねじ機構、２１…ボールナット、２１ａ…溝、２２…軸受、２３…ねじ溝部、２４…ボール。

Claims (1)

1. 入力された操舵力に応じて車両の転舵輪を転舵すべく軸方向に移動自在なラック軸と、該ラック軸の径方向外方に同軸に配置された円筒状の回転部材を有するとともに該回転部材の回転を前記ラック軸の前記軸方向の移動に変換する変換機構と、前記ラック軸の径方向外方に同軸に配置された円筒状の出力軸を有するとともに前記操舵力を補助する補助力を発生する電動モータとを備え、前記回転部材は前記出力軸と嵌合されて該出力軸により回転駆動される電動パワーステアリング装置において、
   前記回転部材および前記出力軸のいずれか一方の嵌合部の外周には、所定値以上の大きさのトルクにより破断される突起が一体成形され、他方の嵌合部の内周には該突起と係合する溝が設けられ、
   前記一方の嵌合部の前記外周は、前記他方の嵌合部の前記内周に嵌合し、
   前記一方の嵌合部の前記外周には、前記突起が形成されていない前記軸方向での端面寄りに、外周部分が形成されており、
   前記他方の嵌合部の前記内周には、前記外周部分と全周で接する内周部分が形成されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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