JP5502891B2 - ウォームホイール - Google Patents

Description

本発明は、ウォームホイールにかかり、特に自動車（以下「車両」という）に搭載される電動式パワーステアリング装置のウォームホイールに関する。

車両の電動式パワーステアリング装置（以下、「ＥＰＳ」（Electric Power Steering）という）は、乗員の操舵トルクを補助する装置であり、ステアリングホイールの操舵トルクによって入力軸が回転し、出力軸に回転トルクが伝達されたときに、トルク検出装置によってこの回転トルクを検出し、必要に応じて出力軸の操舵トルクを補助する。出力軸にはウォームホイールが取り付けられており、ウォームホイールは電動機が連結されたウォームと噛合してウォームギアを形成している。ＥＰＳは、検出された操舵トルクに応じて電動機を駆動させ、ウォーム、ウォームホイールを介して、出力軸に回転トルクを伝達することによって操舵トルクを補っている。

このウォームホイールは、出力軸に取り付けられる金属製の芯金部と、芯金部の外周に設けられウォームと噛合する樹脂製のギア形成部とからなる構成が知られている。金属製の芯金部はウォームホイールを出力軸に確実に結合させ、樹脂製のギア形成部は歯車の噛み合う際の歯打ち音、摺動音を低減させている（特許文献１参照）。

特開平１１−３０１５０１号公報

前記したウォームホイールは、円筒状の芯金部をインサートとし、円筒状の芯金部の外周に載置するように樹脂を射出成形していた。流動化した樹脂が硬化するときには成形収縮が生じる。この成形収縮は円筒状の芯金部の外周を締め付ける方向に生じ、芯金部によって収縮がブロックされるため、成形後の樹脂製のギア形成部に残留応力を生じさせていた。この残留応力によって樹脂製のギア形成部の許容応力を低下させるという課題があった。

かかる課題を解決するために、２条、３条のような多条のウォームギアとしてウォームホイールのギア形成部への負荷を軽減しようとすると、ウォームホイールを大型化する必要があり、スペース効率の悪化につながっていた。

本発明は前記背景を鑑みてなされたもので、樹脂製のギア形成部の残留応力を低減でき、小型化も可能なウォームホイールを提供することを目的とする。

本発明は、軸支部を備えた金属製の芯金部（３０）と、該芯金部（３０）の外周に形成された樹脂製のギア形成部（２０）とを有するウォームホイール（３）の発明である。このウォームホイール（３）において、芯金部（３０）は、前記軸支部を画定するボス部（３１）と、該ボス部（３１）の外周面から半径方向外側へ延設された中間部（３２）と、該中間部（３２）の半径方向外側で結合され、ボス部（３１）と同心に設けられ前記ギア形成部がモールド成形される筒状の円筒部（３３）とを備え、前記円筒部の外周には、径方向外方に突出する凸部（３５）が周方向に一定の間隔で複数形成され、前記円筒部の隣り合う前記凸部の間には、径方向に貫通する孔（３４、３６）が形成され、前記ギア形成部（２０）の外周に形成される歯（２１）は、前記孔と周方向同位置に配置されている。径方向に貫通する孔は、例えば孔壁が閉じたもの（無端状となった）や、孔壁が円筒部の端縁に連続した切り欠きやスリットであってよい。

前記構成は、樹脂を保持する円筒部に径方向に貫通する孔が形成されることで、当該位置において樹脂の成型収縮がブロックされないため、残留応力が低減されてウォームホイールの強度低下を抑制することができる。また、高い負荷を受ける歯の位置と、孔の位置とを合わせることで、歯の強度低下を抑制することができる。

前記構成において、前記ギア形成部は、前記円筒部が樹脂にインサートされることにより形成することができる。この構成は、円筒部が樹脂にくるまれることにより形成されることで、樹脂が芯金部の円筒部をインサートするために、芯金部とギア形成部との密着強度を向上させることができる。

前記構成において、ギア形成部（２０）は、樹脂が複数層（２２，２３）に形成される構成とすることができる。前記構成は、一旦樹脂成形がされたウォームホイールに樹脂をオーバーモールドすることで、樹脂成形において生じた残留応力の不均衡を緩和するとともに、歯形精度を向上させることができる。

本発明は、ボス部（３１）には車両の電動式パワーステアリング装置の出力軸（２）が挿入されて、芯金部（３０）が該出力軸（２）に固定される構成とすることができる。前記構成によれば、ウォームホイールとウォームからなるウォームギアを小型化することができ、電動式パワーステアリング装置のスペース効率を向上させることができる。

本発明によれば、樹脂製のギア形成部の残留応力を低減するとともに、芯金部とギア形成部との密着強度を向上させることができることから、小型化が可能なウォームホイールを提供することができる。

本発明が適用される電動パワーステアリング装置の全体構成図である。 図１に示したギアボックスをII−II線で切断して示す断面図である。 本発明の一実施形態が適用されたＥＰＳ要部の外観を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態にかかるウォームホイールの全体斜視図であり、部分断面図を併記している。 本発明の第１実施形態にかかる芯金部の全体斜視図である。 本発明の第１実施形態にかかる変形例を示すウォームホイールの要部断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる芯金部の全体斜視図である。

［第１実施形態］
ＥＰＳに適用された本発明の第１実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される電動パワーステアリング装置の全体構成図である。この電動パワーステアリング装置には、ステアリングホイール（操作子）１０１の手動操舵力を軽減するための補助操舵力を発生する電動機５が設けられている。

図３も併せて参照すると、この電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール１０１にステアリング軸２を介して一体的に回転可能に連結されたピニオン１０と、このピニオン１０に噛合するラック１１が形成され、車幅方向に往復動可能に設けられたラック軸１２とを有するラックアンドピニオン機構１０６を備えている。ラック軸１２の両端にはカバー１３に保護されたジョイント１１８が配設されており、ラック軸１２の両端がタイロッド１４を介して操向車輪としての左右の前輪１０８のナックルアーム１０９に連結されている。そして、ステアリングホイール１０１の回転操作に応じて左右の前輪１０８が転舵されるようになっており、電動機５の駆動力は、ギアボックス１１０内にピニオン１０と共に収容されたウォームギア機構１５を介してステアリング軸２に入力される。

電動機５は、ステアリング制御装置（EPS-ECU）１１３により制御される。このステアリング制御装置１１３には、ステアリングホイール１０１の操舵角を検出する操舵角センサ１１４、ピニオン１０に作用する手動操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１１５、及び車速を検出する車速センサ１１６などの出力信号が入力されており、これらの信号に基づいて所要の補助操舵力が発生するように電動機５が制御される。

図２は、図１に示したギアボックス１１０をII−II線で切断して示す断面図である。このギアボックス１１０においては、ハウジング１１９内に、電動機５の駆動力を減速してステアリング軸２に伝達するウォームギア機構１５と、ステアリング軸２の回転運動をラック軸１２の直動運動に変換するラックアンドピニオン機構１０６と、ステアリング軸２に作用する操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１１５とが収納されている。

ウォームギア機構１５は、電動機５の出力軸と同軸的に連結されたウォーム４と、ステアリング軸２に外装された態様で同軸的に固定されたウォームホイール３とを有しており、電動機５の駆動力を駆動歯車としてのウォーム４に入力して被動歯車としてのウォームホイール３を回転させるようになっている。

図３を参照すると、ウォーム４は、芯部１３３の周囲に１条の歯１３４を備え、金属材料（例えば炭素鋼など）にて形成されている。このように１条の歯１３４を用いることによりウォームホイール３の歯数がそのまま減速比となるので、大きな減速比が得られ、トルクの小さい電動機５でも大きな倍力トルクが得られる。

図１に示すように、ステアリングホイール１０１を大きく操作した際に、ラック軸１２の端部のジョイント１１８がハウジング１１９に衝止されることでラック軸１２の移動が停止し、このとき、電動機５の回転が急激に停止するため、ウォームギア機構１５に大きな衝撃トルクが発生する。この衝撃トルクは、概ね急激に停止する直前の電動機５の回転運動エネルギが、電動機５の出力軸と同軸に設けられたウォーム４の中心軸上の捩り剛性により定まる捩り弾性エネルギと釣り合うことで発生し、後記するようにウォームホイール３のギア形成部２０が合成樹脂材で形成されていることから、ステアリング系の剛性はウォームホイール３の歯２１の剛性が支配的となっている。

次に、図４と図５を参照して、ウォームホイール３について説明する。なお、以後、図３に示した方向Ｘ，Ｙ，Ｚを基準として説明する。図４を参照すると、ウォームホイール３は、金属製の芯金部３０と、芯金部３０の外周に形成された樹脂製のギア形成部２０を備えている。芯金部３０は、例えば鋼材を適用することができる。一方ギア形成部２０は、例えばポリアミド系樹脂を適用することができ、射出成形によって成形することができる。

図５を参照すると、芯金部３０は、筒状のボス部３１と、ボス部３１の外周面から半径方向外側へ延設された中間部３２と、中間部３２の半径方向外側で結合され、ボス部３１と同じ機軸（Ｚ軸）を有する筒状の円筒部３３とを備えている。そして、円筒部３３の外周には複数の半径方向の貫通穴３４と機軸（Ｚ軸）方向に延設された凸状のセレ−ション３５が一定の間隔で交互に形成されている。

筒状体に形成されたボス部３１の中央の軸孔３７には車両の電動式パワーステアリング装置の出力軸２が挿入されて、芯金部３０は出力軸２に固定される（図３も併せて参照）。なお、本実施形態では軸支部として軸孔３７を設けているが、軸支部を中実として予め軸を備える形態とすることもできる。中間部３２は、ボス部３１と円筒部３３とを連結するものであり、ウォームホイール３に要求される強度に応じて、適宜中間部３２の数、機軸（Ｚ軸）方向の厚み、周方向の幅等を設定することができ、例えば円盤状とすることもできる。円筒部３３は、中間部３２と比べ機軸（Ｚ軸）方向の幅が広くなっている。図４の左側の断面図に示すように、樹脂はこの円筒部３３全体と中間部３２の外周側をくるむようにインサート成形される。これによって、樹脂が半径方向に移動することを防止し、芯金部３０とギア形成部２０との密着強度を向上させることができる。

貫通穴３４は、図４の右側の断面図に示すように、ギア形成部２０に形成される歯２１と周方向同位置（周方向において対応する位置）に穿設されている。流動化した樹脂が硬化するときには成形収縮が生じ、ギア形成部２０は、ウォームホイール３の径方向へ収縮しようとする。貫通穴３４はこの成形収縮を逃がすことができるため、貫通穴３４が穿設された周方向位置に対応するギア形成部２０の残留応力は低減される。特に、貫通穴３４は高い強度が要求される歯２１と周方向同位置に形成することで、歯２１の強度低下を抑制することができる。また、かかる構成によって強度低下が抑制されることで、前記した樹脂にインサートされる円筒部３３のＺ方向の幅は従来技術と比べ狭くすることができ、残留応力の軽減とともにウォームホイールの軽量化、小型化にも寄与している。また、残留応力の軽減は樹脂成形後の歯形の精度の向上にも貢献している。

セレ−ション３５は、円筒部３３の外周から凸状に形成された機軸（Ｚ軸）方向に延設される凸片であり、樹脂製のギア形成部２０が円筒部３３（芯金部３０）に対して周方向に相対回転させないようにするとともに、接触面積を増加させて芯金部３０とギア形成部２０との密着強度を向上させることができる。

次に、図６を参照して、本実施形態の変形例について説明する。図６を参照すると、本変形例は、一旦樹脂成形がされたギア形成部２０の第１樹脂層２２にさらに樹脂をオーバーモールドして第２樹脂層２３を形成している。かかる構成によって、樹脂成形において生じた残留応力の不均衡を緩和するとともに、歯形精度を向上させることができる。なお、第２樹脂層２３の厚みは新たな残留応力を生じないように適宜設定される。

［第２実施形態］
次に、図７を参照して本発明にかかるウォームホイールの第２実施形態について説明する。前記した第１実施形態（図１〜３等参照）と同一構成の部分は、同じ参照番号を付して重複する説明は省略し、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図７を参照すると、本実施形態では、前記した第１実施形態において貫通穴３４を穿設した位置と同位置に、半径方向に貫通するとともに、円頭部３３の下端縁に連続する切り欠き３６が形成されている。この切り欠き３６は、貫通穴３４と同様にウォームホイール３の径方向への樹脂の成形収縮を逃がすことができるため、切り欠き３６が形成された周方向位置に対応するギア形成部２０の残留応力は低減される。また、切り欠き３６は、貫通穴３４と同様に、高い強度が要求される歯２１と周方向同位置に形成することで歯２１の強度低下を抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において改変して用いることができる。

１ ＥＰＳ（電動式パワーステアリング装置）
２ 出力軸
３ ウォームホイール
４ ウォーム
５ 電動機
１０ ピニオン
１１ ラック
１２ ラック軸
１３ カバー
１４ タイロッド
１５ ウォームギア
２０ ギア形成部
２１ 歯
２２ 第１樹脂層
２３ 第２樹脂層
３０，４０ 芯金部
３１ ボス部
３２ 中間部
３３ 円筒部
３４ 貫通穴
３６ 切り欠き

Claims (4)

1. 軸支部を備えた金属製の芯金部と、該芯金部の外周に形成された樹脂製のギア形成部とを有するウォームホイールであって、
   前記芯金部は、前記軸支部を画定するボス部と、該ボス部の外周面から半径方向外側へ延設された中間部と、該中間部の半径方向外側で結合され、前記ボス部と同心に設けられ前記ギア形成部がモールド成形される筒状の円筒部とを備え、
   前記円筒部の外周には、径方向外方に突出する凸部が周方向に一定の間隔で複数形成され、
   前記円筒部の隣り合う前記凸部の間には、径方向に貫通する孔が形成され、
   前記ギア形成部の外周に形成される歯は、前記孔と周方向同位置に配置されていることを特徴とするウォームホイール。
2. 前記ギア形成部は、前記円筒部が樹脂にインサートされることにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のウォームホイール。
3. 前記ギア形成部は、樹脂が複数層に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のウォームホイール。
4. 前記ボス部には車両の電動式パワーステアリング装置の出力軸が挿入されて、前記芯金部が該出力軸に固定されることを特徴とする請求項１に記載のウォームホイール。

Images