JP5613642B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関し、特に電動モータが発生した補助トルクを負荷に伝えるためのウォームギヤ機構の改良技術に関する。

電動パワーステアリング装置に搭載されている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、負荷に連結されたトルク伝達用のウォームホイールとによって構成されている。ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて電動モータが発生した補助トルクは、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。このようなウォームギヤ機構では、円滑な噛み合いとなるように、ウォームとウォームホイールとの間にバックラッシ（歯面同士の隙間）を有している。

しかし、バックラッシを有していると、例えば車両が悪路を走行しているときに歯同士が当たる音、いわゆる歯打ち音が発生する。このような歯打ち音は、騒音の要因となり得る。さらに、電動パワーステアリング装置では、バックラッシを有する分だけ、制御の応答に微小な遅れ時間（タイムラグ）が発生する要因となり得る。電動パワーステアリング装置の操舵フィーリング（操舵感覚）を高めるには、より安定した制御性能にすることが求められ、そのためにはバックラッシを抑制することが好ましい。近年、バックラッシを抑制する技術が開発されてきた（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１で知られている電動パワーステアリング装置のウォームギヤ機構は、ウォーム軸に設けられるウォームと、このウォームに噛み合うウォームホイールと、から成る。ウォーム軸の一端部は、電動モータのモータ軸に対して端面同士が対面しつつ軸継手によって結合されるとともに、玉軸受によってハウジングに回転可能に支持されている。ウォーム軸の他端部は、ウォーム軸支持部材によってハウジングに回転可能に支持されている。

ウォーム軸支持部材は、樹脂製の中空円盤状の部材であって、ハウジングに形成された真円状の孔に嵌め込まれている。このウォーム軸支持部材には、ウォーム軸を支持するための支持孔と、この支持孔の径方向外側に位置するスリットと、が形成されている。

支持孔の中心は、ウォーム軸支持部材の全体の中心に対してオフセットしている。ハウジングの孔に対しウォーム軸支持部材を回すことによって、支持孔の中心の位置を調整することが可能である。支持孔の中心の位置を調整すれば、ウォームとウォームホイールとの間のバックラッシを調整することが可能である。

スリットは、ウォーム軸支持部材の全体の中心に対して同心の円弧状に形成されている。ウォーム軸支持部材にスリットを有することにより、温度変化の影響によるウォームとウォームホイールとの中心間の距離の変化を、吸収することができる。

しかし、補助トルクをウォームからウォームホイールに伝達するときには、ウォームホイールからウォームに反力が発生する。この反力はウォームからウォーム軸を介してウォーム軸支持部材に伝わる。このウォーム軸支持部材はスリットを有しているので、ウォームホイールに対するウォームの噛み合い部分から離れる方向へ弾性変位する。このような弾性変位が長期にわたって繰り返されると、樹脂製のウォーム軸支持部材は経年変化によって、塑性変形し得る。これでは、当初のバックラッシを抑制する機能が低下する要因となり得る。

電動パワーステアリング装置の制御部は、ステアリングホイールに加えられた操舵トルクに従った補助トルクを、電動モータに発生させるように制御している。この制御部が制御信号を発してから、電動モータが制御信号どおりの補助トルクを発するまでには、微小なタイムラグを生ずる。このため、制御信号にはオーバーシュートなどの乱れが発生し、安定するまでに微小な時間がかかる。その間、電動モータが発生する補助トルクは、微小にふらつく。

さらに、操舵フィーリングを高めるには、制御系に入るノイズや制御パラメータの変化があっても、トルク制御が乱されない、いわゆるロバスト性が高いことが好ましい。トルク制御が乱れると、その間、電動モータが発生する補助トルクは、微小にふらつく。このようなトルク変動は、電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングを高める上で、できるだけ抑制されることが好ましい。

しかし、特許文献１のウォームギヤ機構では、ウォーム軸支持部材はスリットを有しているので、トルク変動に従って弾性変位を起こし得る。これでは、操舵フィーリングを高める上で不利である。

特開２００２−１７３０３６公報

本発明は、ウォームギヤ機構を有している電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングを、より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に係る発明では、ステアリングホイールに加えられた操舵トルクに基づいて制御部が電動モータを制御し、この電動モータが発生した補助トルクをウォームギヤ機構を介して操舵車輪に伝達することにより、前記操舵トルクに前記補助トルクを付加した複合トルクによって、前記操舵車輪の転舵を行うようにした電動パワーステアリング装置において、
前記ウォームギヤ機構は、ハウジングに収納されているウォーム軸に設けられるウォームと、このウォームに噛み合うウォームホイールと、から成り、
前記ウォーム軸の一端部は、前記電動モータのモータ軸に対して端面同士が対面しつつ結合されるとともに、第１軸受によって前記ハウジングに回転可能に支持され、
前記ウォーム軸の他端部は、第２軸受によって前記ハウジングに回転可能に支持され、
前記第１軸受及び前記第２軸受は、両方共に、複数の球体を含む転がり軸受によって構成されるとともに、外輪の外周面全体が前記ハウジングによって支持され、
前記第２軸受の外輪の中心は、前記モータ軸の軸心に対して、前記ウォーム軸が前記ウォームホイールの外周面に接近する方向にオフセットし、
前記第２軸受の内輪に、前記ウォーム軸の他端部が嵌め込まれることにより、前記第２軸受の内輪の中心は、前記第１軸受の中心及び前記ウォームの中心と共に前記モータ軸の軸線上に位置していることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、第２軸受が、モータ軸の軸心に対してオフセットしている。しかも、第１及び第２軸受は、外輪の外周面全体が、ハウジングによって支持されている。この第１及び第２軸受は、転がり軸受によって構成されているので、内輪と、外輪と、これらの内外輪の間に配列された複数個の移動体（球体等）とを含んでいる。オフセットしている方の軸受の内輪に対し、ウォーム軸が傾いて嵌合しているので、ウォーム軸からこの軸受に作用する荷重方向は、ウォーム軸の軸直角方向ではなく、若干傾いている。従って、オフセットしている軸受においては、内輪と複数個の球体との間の転がり摩擦抵抗や、外輪と複数個の球体との間の転がり摩擦抵抗を、オフセットしていない場合に比べて増す。この転がり摩擦抵抗を増すことにより、ウォーム軸に対して回転方向の抵抗（回転抵抗）を付加することができる。この回転抵抗によって、電動モータが発生する補助トルクのふらつき（変動）を抑制することができる。つまり、安定したトルク制御を行うことができる。従って、電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングを、より高めることができる。

さらに、請求項１に係る発明では、各軸受の外輪の外周面全体がハウジングによって支持されているので、第２軸受が、モータ軸の軸心に対してオフセットしているにもかかわらず、各軸受に過大な面圧が作用することを防止できる。従って、第１及び第２軸受の剛性を十分に確保することができるので、長期にわたってウォーム軸に回転抵抗を付加することができる。

加えて、請求項１に係る発明では、モータ軸の軸心に対してオフセットしている方の軸受は、モータ軸から離れて位置した第２軸受である。つまり、モータ軸に接近している方の第１軸受は、モータ軸の軸心に対してオフセットしていない。この第１軸受は、ウォーム軸の一端部を支持している。第１軸受がオフセットしていないので、ウォーム軸の一端部は、電動モータのモータ軸に対して、端面同士が対面しつつ結合されるように位置することが可能である。このため、モータ軸にウォーム軸を連結するための軸継手の、選択の自由度が増す。軸同士を直結することが可能なので、簡単な構成で小型の筒形継手を採用することもできる。筒形継手には、筒内にセレーション歯が形成されているセレーション軸継手や、筒内にスプライン歯が形成されているスプライン軸継手がある。

加えて、 請求項１に係る発明では、モータ軸の軸心に対してオフセットする方の軸受のオフセット方向は、ウォーム軸がウォームホイールの外周面に接近する方向である。このため、ウォームとウォームホイールとの中心間の距離が小さくなるので、ウォームとウォームホイールとの間のバックラッシを抑制することができる。従って、歯打ち音の発生を抑制できるとともに、制御の応答のタイムラグを抑制できる。

さらには、ウォーム、ウォームホイール及びハウジングの各々の材質によっては、高温になるにつれて熱膨張差が大きくなる。この結果、ウォームとウォームホイールとの中心間の距離が大きくなることによって、バックラッシが大きくなることがあり得る。これに対し、請求項１に係る発明では、モータ軸の軸心に対してオフセットする方の軸受のオフセット方向は、中心間の距離が小さくなる方向である。このため、熱影響によるバックラッシの拡大を抑制することができる。

本発明に係る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線断面図である。 図２の４−４線断面図である。 図４の要部拡大図である。 第２ベアリングの拡大図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

実施例に係る電動パワーステアリング装置を図１〜図６に基づき説明する。

図１に示されるように、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２９，２９（例えば前輪）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とからなる。

ステアリング系２０は、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を介してピニオン軸２４（回転軸２４）を連結し、ピニオン軸２４にラックアンドピニオン機構２５を介してラック軸２６を連結し、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を介して左右の操舵車輪２９，２９を連結したものである。

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とからなる。

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を操舵することで、こ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、この補助トルクをウォームギヤ機構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からステアリング系２０のラックアンドピニオン機構２５に伝達するようにした機構である。

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やトーションバー式トルクセンサによって構成される。

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に示されるように、ハウジング５１は車幅方向（図左右方向）に延びており、ラック軸２６を軸方向にスライド可能に収容している。ラック軸２６は、ハウジング５１から突出した長手方向両端にボールジョイント５２，５２を介してタイロッド２７，２７を連結している。

図３に示されるように、電動パワーステアリング装置１０は、ピニオン軸２４、ラックアンドピニオン機構２５、操舵トルクセンサ４１及びウォームギヤ機構４４をハウジング５１に収納し、ハウジング５１の上部開口を上部カバー部５３で塞いだものである。操舵トルクセンサ４１は、上部カバー部５３に取付けたものである。

ハウジング５１は、上下に延びるピニオン軸２４の上部２４ｕ、長手中央部２４ｍ及び下端部２４ｄを３個の軸受（上から下方へ順に第１軸受５５、第２軸受５６、第３軸受５７）を介して回転可能に支持したものであり、さらに電動モータ４３を取付けるとともに、ラックガイド６０を備えている。３個の軸受５５〜５７はボールベアリングからなる。第３軸受５７の外輪は、ハウジング５１の嵌合孔に圧入によって固定されている。

ラックガイド６０は、ラック３２とは反対側からラック軸２６に当てるガイド部６１と、このガイド部６１を圧縮ばね６２を介して押す調整ボルト６３とからなる、ラック押圧手段である。

図４に示されるように、電動モータ４３はハウジング５１の側面に取り付けられており、横向きのモータ軸４３ａを備える。このモータ軸４３ａはハウジング５１内に延び、カップリング４５によってウォーム軸４６に連結されている。ハウジング５１は、水平に延びるウォーム軸４６の両端部４６ａ，４６ｂを、軸受４７，４８を介して回転可能に且つ軸方向への移動を規制して支承している。２個の軸受４７，４８は、共に転がり軸受からなる。

以下、ウォーム軸４６の一端部４６ａ、つまりモータ軸４３ａ側の端部４６ａを支持する軸受４７のことを「第１軸受４７」といい、他端部４６ｂを支持する軸受４８のことを「第２軸受４８」ということにする。

図３及び図４に示されるように、ウォームギヤ機構４４は、電動モータ４３で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。詳しく述べると、ウォームギヤ機構４４は、ウォーム７０と、このウォーム７０に噛み合うウォームホイール８０とからなる。ウォームホイール８０のことを、以下「ホイール８０」と略称する。ウォーム７０の中心線ＷＬに対して、ホイール８０の中心線ＣＬは略直角に配置されている。このホイール８０の中心線ＣＬは、ピニオン軸２４の中心線ＣＬでもある。

ウォーム７０は、ウォーム軸４６に一体に形成されている金属製品、例えば機械構造用炭素鋼鋼材（ＪＩＳ−Ｇ−４０５１）等の鉄鋼製品である。ホイール８０は、全体又は少なくとも歯８１の部分がナイロン樹脂等の樹脂製品である。金属製品のウォーム７０に樹脂製品のホイール８０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、騒音を一層低減させることができる。

ウォーム７０のねじ山７１（つまり、歯７１）は１条に設定されている。ホイール８０の外周面には、全周にわたって等ピッチの複数の歯８１が形成されている。このホイール８０は、ピニオン軸２４に対して軸方向への相対移動が規制され、且つ相対回転が規制されて取り付けられている。例えば、ホイール８０はピニオン軸２４に対して、回転方向にはセレーションやスプラインによって連結されるとともに、軸方向には止め輪によって取り付けられている。駆動側のウォーム７０に負荷側のホイール８０を噛合わせることによって、ウォーム７０からホイール８０を介して負荷にトルクを伝達することができる。
ウォーム７０及びホイール８０の詳細について詳細を次図以降で説明する。

図５及び図６に示すように、第１軸受４７及び第２軸受４８は、それぞれ外輪４７ａ，４８ａの外周面全体がハウジング５１によって支持されている。また、第１軸受４７は、止め輪８２及びナット８３によって位置決めされている。詳細は後述するが、止め輪８２及びナット８３によって位置決めされた第１軸受４７によって、ウォーム軸４６は軸方向への変形を規制されている。一方、第２軸受４８は、軸心ＢＣがモータ軸４３の軸心ＷＬに対して、ホイール８０の外周面に接近する方向にオフセットしている。

ウォームからステアリングホイール（図１、符号２１）に補助トルクが伝達されることに伴う、ウォーム軸４６方向への荷重（スラスト）を、第１軸受４７が受ける。第２軸受４８は、モータ軸の軸心ＷＬに対してオフセットしているので、スラストを受けるのに最適とはいえない。

一般に、転がり軸受は、荷重を受けると、ボール等の転動体と軌道面（球体が転がる表面）との接触部に、微小な弾性変形を生じる。このような転がり軸受では、軸方向への弾性変形の規制がない場合に、作用するスラスト荷重が過大になると、球体の転動面や軌道輪（内輪と外輪）の軌道面に、凹凸状の圧痕を生じてしまい、回転の滑らかさを失うことになる。この結果、転がり軸受には、ゴロゴロ音などの作動音や振動が生じる。

これに対し、第１軸受４７は、ウォーム軸４６方向への変形を自己規制することが可能な転がり軸受によって構成されている。具体的には、第１軸受４７に４点接触玉軸受を用いることで、ウォーム軸４６の軸方向への変形を自己規制している。このため、第１軸受４７は、ウォーム軸４６方向への変形を自己規制することにより、過大な弾性変形を防ぐことができる。この結果、第１軸受４７の耐久性を高めると共に作動音や振動を抑制することができる。

なお、４点接触玉軸受は、１個で軸方向の両方向のスラスト（アキシアル荷重）を受けることができるので、軸方向の剛性が大きい。
軸方向の剛性が大きい転がり軸受には、他に複列アンギュラ玉軸受がある。しかし、４点接触玉軸受の方が、軸受幅が小さい。４点接触玉軸受を採用することによって、ウォームギヤ機構４４の小型化を図ることができる。

第２軸受４８は、単列玉軸受であって、外輪４８ａと、内輪４８ｂと、複数の球体４８ｃとからなる。外輪４８ａはハウジング５１に外周面全体が支持されており、内輪４８ｂには、ウォーム軸４６が嵌め込まれている。外輪４８ａの中心は、外径Ｄの中心、即ち軸ＢＣに一致している。内輪４８ｂの中心は、軸ＷＬに一致している。

ところで、図６に示すように、単列玉軸受４８（第２軸受４８）は、熱膨張等を考慮して、外輪４８ａ、内輪４８ｂ及び球体４８ｃの各々の間に固有の隙間ｔを持たせて設計される。本発明によれば、第２軸受４８の軸心ＢＣがウォーム軸４６の軸心ＷＬに対してオフセットされている。このため、内輪４８ｂは、ウォーム軸４６によって軸心ＢＣのオフセット方向とは反対方向へ押されて変位している。変位することで、外輪４８ａ、内輪、球体４８ｃが常に接触する状態とされる（図面上部の球体４８ｃ参照）。一方、軸心ＢＣのオフセット方向では、内輪４８ｂと球体４８ｃとが接触せずに、内輪４８ｂと球体４８ｃとの間にスペース４８ｄが生じる。

即ち、オフセットしている第２軸受４８の内輪４８ｂに対し、ウォーム軸４６が傾いて嵌合しているので、ウォーム軸４６からこの第２軸受４８に作用する荷重方向は、ウォーム軸４６の軸直角方向ではなく、若干傾いている。従って、第２軸受４８においては、内輪４８ｂと複数個の球体４８ｃとの間の転がり摩擦抵抗や、外輪４８ａと複数個の球体４８ｃとの間の転がり摩擦抵抗を、オフセットしていない場合に比べて増す。この転がり摩擦抵抗を増すことにより、ウォーム軸４６に対して回転方向の抵抗（回転抵抗）を付加することができる。この回転抵抗によって、電動モータ（図４、符号４３）が発生する補助トルクのふらつき（変動）を抑制することができる。つまり、安定したトルク制御を行うことができる。従って、電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングを、より高めることができる。

さらに、各軸受４７，４８の外輪４７ａ，４８ａの外周面全体がハウジング５１によって支持されているので、第１軸受４７と第２軸受４８とのいずれか一方が、モータ軸の軸心ＷＬに対してオフセットしているにもかかわらず、各軸受４７，４８に過大な面圧が作用することを防止できる。従って、第１及び第２軸受４７，４８の剛性を十分に確保することができるので、長期にわたってウォーム軸４６に回転抵抗を付加することができる。

モータ軸４３に接近している方の第１軸受４７は、モータ軸の軸心ＷＬに対してオフセットしていない。この第１軸受４７は、ウォーム軸４６の一端部４６ａを支持している。第１軸受４７がオフセットしていないので、ウォーム軸４６の一端部４６ａは、電動モータ４３のモータ軸ＷＬに対して、端面同士が略対面しつつ結合されるように位置するため、ウォーム軸４６とモータ軸ＷＬの結合面の偏芯を抑えることが可能である。これにより、偏芯と偏角とを許容する継手（ゴムカップリング等）以外に、偏芯は許容せず偏角のみ許容する継手（セレーション等）も選択できる。このため、モータ軸４３にウォーム軸４６を連結するための軸継手の、選択の自由度が増す。軸同士を直結することが可能なので、簡単な構成で小型の筒形継手を採用することもできる。筒形継手には、筒内にセレーション歯が形成されているセレーション軸継手や、筒内にスプライン歯が形成されているスプライン軸継手がある。

なお、第１軸受４７をモータ軸４３の軸心に対してオフセットする場合は、例えばゴムカップリングを用いることで偏芯も許容できるので、モータ軸４３にウォーム軸４６を接続することができる。

モータ軸の軸心ＷＬに対して、ウォーム軸４６がホイール８０の外周面に接近する方向に第２軸受４８をオフセットした。このため、ウォーム７０とホイール８０との中心間の距離が小さくなるので、ウォーム７０とホイール８０との間のバックラッシを抑制することができる。従って、歯打ち音の発生を抑制できるとともに、制御の応答のタイムラグを抑制できる。

さらには、ウォーム７０、ホイール８０及びハウジング５１の各々の材質によっては、高温になるにつれて熱膨張差が大きくなる。この結果、ウォーム７０とホイール８０との中心間の距離が大きくなることによって、バックラッシが大きくなることがあり得る。これに対し、モータ軸の軸心ＷＬに対して第２軸受４８のオフセット方向は、中心間の距離が小さくなる方向である。このため、熱影響によるバックラッシの拡大を抑制することができる。

尚、本発明に係る電動パワーステアリング装置は、第１軸受に４点接触玉軸受や複列アンギュラ玉軸受を用いる場合を例に説明したが、安価にするために単列玉軸受を用いることも可能であり、任意の軸受を適用することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置は、乗用車に採用するのに好適である。

１０…電動パワーステアリング装置、２１…ステアリングホイール、２９…操舵車輪、４２…制御部、４３…電動モータ、４４…ウォームギヤ機構、４６…ウォーム軸、４６ａ…一端部、４６ｂ…他端部、４７…第１軸受、４８…第２軸受、５１…ハウジング、７０…ウォーム、８０…ウォームホイール、ＷＬ…ウォームの中心（モータ軸の軸線）、ＢＣ…第２軸受の中心線（オフセットされた軸受の軸線）。

Claims (1)

1. ステアリングホイールに加えられた操舵トルクに基づいて制御部が電動モータを制御し、この電動モータが発生した補助トルクをウォームギヤ機構を介して操舵車輪に伝達することにより、前記操舵トルクに前記補助トルクを付加した複合トルクによって、前記操舵車輪の転舵を行うようにした電動パワーステアリング装置において、
   前記ウォームギヤ機構は、ハウジングに収納されているウォーム軸に設けられるウォームと、このウォームに噛み合うウォームホイールと、から成り、
   前記ウォーム軸の一端部は、前記電動モータのモータ軸に対して端面同士が対面しつつ結合されるとともに、第１軸受によって前記ハウジングに回転可能に支持され、
   前記ウォーム軸の他端部は、第２軸受によって前記ハウジングに回転可能に支持され、
   前記第１軸受及び前記第２軸受は、両方共に、複数の球体を含む転がり軸受によって構成されるとともに、外輪の外周面全体が前記ハウジングによって支持され、
   前記第２軸受の外輪の中心は、前記モータ軸の軸心に対して、前記ウォーム軸が前記ウォームホイールの外周面に接近する方向にオフセットし、
   前記第２軸受の内輪に、前記ウォーム軸の他端部が嵌め込まれることにより、前記第２軸受の内輪の中心は、前記第１軸受の中心及び前記ウォームの中心と共に前記モータ軸の軸線上に位置し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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