JPWO2007026801A1 - ステアリング装置及びこれに用いる運動変換装置 - Google Patents

Abstract

コンパクトに構成することができ、前輪駆動車等のエンジンルームが狭い車輛にも容易に適合可能であり、従来のボールナット式でもラック＆ピニオン式でもない新たな構成のステアリング装置を提供するものであり、ステアリング軸の回転をリレーロッドの軸方向への運動に変換して転舵輪の操作を行うステアリング装置であって、前記リレーロッドが貫通するギヤケーシングと、このギヤケーシング内で前記リレーロッドに設けられると共にリードの大きさが１以上に形成された螺旋状のボール転走溝と、多数のボールを介して前記リレーロッドのボール転走溝上に螺合すると共に、前記ギヤケーシングに対して回転自在に支承されたナット部材と、前記ステアリング軸の回転が伝達されると共に前記リレーロッドと交差又は捩れの位置関係にある入力軸と、前記入力軸の回転を前記ナット部材に伝達する第１の伝達ギヤとから構成される。

Description

本発明は、ステアリング軸の回転に応じて転舵輪を操作するためのステアリング装置に係り、特に、電動式パワーステアリング装置に容易に発展させることが可能なステアリング装置に関する。

従来、車輛の転舵輪を操作するためのステアリング装置としては、ボールナット式又はラック＆ピニオン式と称されるものが知られている。

前者のボールナット式は、運転者によって与えられたステアリング軸の回転運動をピットマンアームの揺動運動に変換し、このピットマンアームの先端に連結されたリレーロッドを軸方向に沿って左右に移動させることにより、転舵輪の向きを前記ステアリング軸の回転量に応じて変更するように構成されている。ステアリング軸の回転運動をピットマンアームの揺動運動に変換する過程でボールナットが用いられていることから、ボールナット式と称されている（特開平５−１６８２６号公報）。

後者のラック＆ピニオン式は、前記ピットマンアームを用いて前記リレーロッドを左右に移動させるのではなく、かかるリレーロッドにラックギヤを形成する一方、このラックギヤと噛み合うピニオンギヤをステアリング軸の先端に設け、ステアリング軸の回転運動を直接的にリレーロッドの軸方向への運動に変換し、前記リレーロッドで転舵輪の向きを変更するように構成されている（特開２００５−１９９７７６号公報）。この方式のステアリング装置は前者のボールナット式に比べて省スペースであり、エンジンルームの狭い小型車や前輪駆動車（ＦＦ車）に多用されている。

一方、これらのステアリング装置を運転者が操作する際の操作力を軽減するものとして、パワーステアリング装置が普及している。パワーステアリング装置には油圧式と電動式が存在する。従来は油圧式が主流であり、電動式は軽自動車等の一部の車輛にのみ搭載されていた。しかし、油圧式はエンジンパワーの一部を用いて油圧ポンプを駆動していることから、エンジンの燃費が悪化する傾向にあり、近年では環境への配慮から電動式パワーステアリング装置の採用が拡大する傾向にある。

電動式パワーステアリング装置はラック＆ピニオン式のステアリング装置と組み合わせて使用されており、代表的なものとしては、所謂ピニオンアシストタイプや所謂ラックアシストタイプが知られている。前者のピニオンアシストタイプは前記ピニオンギヤの回転そのものを電動モータで補助する一方、後者のラックアシストタイプはボールねじを用いて電動モータの回転トルクをリレーロッドと平行な方向の軸力に変換し、リレーロッドの軸方向への移動を補助するように構成されている（特開２００５−２１２７１０号公報、特開２００５−２１２６５４号公報等）。
特開平５−１６８２６号公報 特開２００５−１９９７７６号公報 特開２００５−２１２７１０号公報 特開２００５−２１２６５４号公報

しかし、前記ラック＆ピニオン式のステアリング装置では、リレーロッドの一部にラックギヤが形成されていることから、かかるラックギヤの強度を考慮すると、リレーロッドの軸径にある程度以上の太さが必要であり、転舵輪の操作に必要とされるリレーロッド本来の機械的強度からしてみれば、かかるラックギヤが形成されたリレーロッドの軸径は過大なものとならざるを得ない。また、ラックギヤが形成されることから、リレーロッドを中空軸とすることもできない。このため、リレーロッドの軽量化を図り難いといった問題点があった。

また、前記ラック＆ピニオン式のステアリング装置では、転舵輪の路面抵抗が前記ラック軸に直接作用していることから、ラック軸を軸方向へ移動させるには大きな力が必要であり、ピニオンギヤをラックギヤに押さえつけなければ、かかるピニオンギヤが空回りをしてしまう。このため、ラック＆ピニオン式のステアリング装置においては、ラック軸におけるラックギヤの背後にリテーナスプリングで付勢されたラックガイドが設けられており、かかるラックガイドがラックギヤを一定の圧力でピニオンギヤに押し付けている。

しかし、このようにラックガイドをラック軸に対して圧接させると、両者間の摩擦力によってラック軸の動きが重くなり、かかるラック軸の円滑な運動が阻害されるといった問題点がある。また、電動パワーステアリング装置を構成した場合も、ラック軸の軸方向への運動に大きな抵抗が作用することから、電動モータが大きな回転トルクを発生する必要があり、電動モータが大型化してしまう他、コストが嵩んでしまうといった問題点があった。また、前記ラックガイドが必要となることから、ラックギヤ及びピニオンギヤを収容したステアリングギヤボックス自体が大型化してしまうといった問題点もあった。

更に、従来のラックアシストタイプの電動パワーステアリング装置の場合、リレーロッドにラックギヤとボールナットが螺合するねじ部の双方を形成する必要があり、リレーロッドの加工に手間とコストがかかるといった問題点もあった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、コンパクトに構成することができ、前輪駆動車等のエンジンルームが狭い車輛にも容易に適合可能であり、従来のボールナット式でもラック＆ピニオン式でもない新たな構成のステアリング装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、電動パワーステアリングに容易に発展させることが可能であり、しかも電動モータを小型化することで生産コストを低減することが可能なステアリング装置を提供することにある。

すなわち、本発明は、ステアリング軸の回転をリレーロッドの軸方向への運動に変換して転舵輪の操作を行うステアリング装置に関するものであり、前記リレーロッドが貫通するギヤケーシングと、このギヤケーシング内で前記リレーロッドに設けられると共にリードの大きさが１以上に形成された螺旋状のボール転走溝と、多数のボールを介して前記リレーロッドのボール転走溝上に螺合すると共に、前記ギヤケーシングに対して回転自在に支承されたナット部材と、前記ステアリング軸の回転が伝達されると共に前記リレーロッドと交差又は食い違いの位置関係にある入力軸と、前記入力軸の回転を前記ナット部材に伝達する第１の伝達ギヤとから構成されている。

このような本発明のステアリング装置では、ステアリング軸を回転させると、その回転が入力軸に伝達され、更には前記第１の伝達ギヤを介してナット部材に伝達される。かかるナット部材はリレーロッドのボール転走溝に螺合していることから、ナット部材が回転すると、リレーロッドはギヤケーシング内を軸方向へ移動し、この移動量に応じて転舵輪の操作が行われる。すなわち本発明では、第１の伝達ギヤ及びボールナットを用いることにより、互いに交差又は食い違いの関係にあるステアリング軸とリレーロッドとの間で運動の伝達及び変換を行い、ステアリング軸の回転運動をリレーロッドの軸方向への往復運動に変換することで転舵輪の操作を行うのである。

本発明において、前記リレーロッドにはボール転走溝が形成されるが、ラックギヤを形成する場合と比較して、かかるリレーロッドはその軸径を小さくしても十分な強度を維持することができ、リレーロッドの小型化、軽量化を図り易いといった特質がある。また、ボール転走溝が形成されていても、リレーロッドそのものは中空軸に形成することが可能であり、この点においてもリレーロッドの軽量化を図り、ひいてはステアリング装置全体の軽量化を達成することが可能である。更に、リレーロッドを中空軸に形成することにより、このリレーロッドの内部空間を利用して各種電気配線を収容することも可能となる。強度的に優れたリレーロッドの内部空間に配線を収容することで、かかる配線の意図しない切断を防止することができ、例えば転舵輪の近傍に設けた各種センサ類の配線を安全に引き回すことが可能となる。

また、本発明のステアリング装置では、多数のボールを介してリレーロッドに螺合するナット部材を回転させるのみで、かかるリレーロッドを軸方向へ移動させることが可能であり、ナット部材とリレーロッドとの間に大きな摩擦抵抗が作用することはない。このため、リレーロッドを円滑に軸方向へ移動させることが可能となり、従来のラック＆ピニオン式のステアリング装置と比較して転舵輪を軽く操作することが可能となる。また、従来のラック＆ピニオン式のステアリング装置の如くラックガイドを設ける必要がないので、この点においてもステアリング装置の小型化を図ることが可能となり、前輪駆動車や小型車のようにエンジンルームの狭い車輛に対しても適用することが可能である。

更に、路面抵抗により、転舵輪がリレーロッドを軸方向へ揺り動かしたとしても、かかるリレーロッドの軸方向の運動がボールナットによってステアリング軸の回転運動に逆変換される効率は、ラック＆ピニオン式の場合よりも低いので、転舵輪の挙動がステアリングに伝わる所謂キックバックは適度に減衰されたものとなり、操舵の安定性を高めることが可能となる。

ここで、リレーロッドに形成された螺旋状のボール転走溝のリードＬとは、かかるリレーロッドの軸方向におけるボール転走溝のピッチＰを当該リレーロッドの軸径ｄで割った値、すなわちリレーロッドの軸径ｄに対するボール転走溝のピッチＰの大きさの割合のことである。このリードＬがＬ≧１であるということは、前記リレーロッドに螺合するナット部材が１回転した際に、かかるリレーロッドが軸方向へ距離ｄ以上進むことを意味する。

本発明においてボール転走溝のリードＬをＬ≧１と規定したのは、ステアリング軸の回転に対してリレーロッドの軸方向への移動量が極小となることを避けるためである。すなわち、ねじ軸とこれに螺合するボールナットとの組み合わせからなるボールねじにおいては、ボールナットの回転運動をねじ軸の直線運動に変換する場合、前記リードＬの値が小さくなるにつれ、ボールナットの回転に必要なトルクは小さくなる。しかし、ボールナットの１回転に伴ってねじ軸が軸方向へ移動する距離も小さくなってしまう。従って、ボール転走溝のリードＬが余りに小さいと、転舵輪を操作するために必要なステアリング軸の回転量が多くなり、操作性の悪いステアリング装置となってしまう。

ボール転走溝のリードＬがＬ≧１であれば、ステアリング軸の回転に対するリレーロッドの軸方向への移動が顕著となり、運転者はステアリングの操作に対する転舵輪の反応を実感することが可能である。また、リレーロッドの移動に対するナット部材の回転量は小さくなるので、騒音が発生し難いといった利点もある。更に、本発明のステアリング装置では、ステアリング軸に連動する入力軸の回転をナット部材に伝達する第１の伝達ギヤの増速比を適宜選択することで、ステアリング軸の回転量に対するリレーロッドの軸方向への移動量を調整することが可能であり、前記リードの選定と相まって設計の自由度を高めることが可能となる。

また、本発明のステアリング装置は、前記ナット部材の回転を助ける補助モータを設けることにより、容易に電動パワーステアリング装置に発展させることが可能である。すなわち、ステアリング軸とこれに連動する入力軸との間に、両者の間における伝達トルクの大きさを検出するトルク検出センサを設け、このトルク検出センサの出力信号に応じて前記補助モータを回転させ、補助モータの発生する回転トルクを第２の伝達ギヤを介してナット部材に伝達する。これにより、ステアリング軸の回転に伴うナット部材の回転を助け、転舵輪の操作を容易なものとすることができる。

特に、本発明のステアリング装置によれば、ナット部材とリレーロッドとの間に生じる摩擦抵抗は僅かなので、電動パワーステアリング装置に発展させる場合に、従来のラック＆ピニオン式のステアリング装置と比べて、補助モータの定格出力は小さくても足り、補助モータの小型化及びコストダウンを図ることが可能となる。

また、本発明のステアリング装置は、入力軸の回転運動を出力軸の軸方向への直線運動に変換する運動伝達装置として把握することが可能である。すなわち、本発明は、交差又は捩れの関係にある入力軸と出力軸を有し、前記入力軸の回転運動を前記出力軸の軸方向の直線運動に変換する運動伝達装置であって、前記出力軸が貫通するギヤケーシングと、このギヤケーシング内で前記出力軸に設けられると共にリードの大きさが１以上に形成された螺旋状のボール転走溝と、多数のボールを介して前記出力軸のボール転走溝上に螺合すると共に、前記ギヤケーシングに対して回転自在に支承されたナット部材と、前記入力軸の回転を該入力軸と交差又は捩れの関係にある前記ナット部材に伝達する動力伝達ギヤとから構成される運動変換装置、として把握することもできる。

本発明を適用したステアリング装置の第一の実施形態を示す概略図である。 第一の実施形態のステアリング装置のギヤケーシング内に収容された運動変換装置を示す斜視図である。 第一の実施形態のステアリング装置のギヤケーシング内に収容された運動変換装置を示す分解斜視図である。 本発明のステアリング装置に使用可能なナット部材の一例を示す斜視図である。 パワーステアリング装置における補助モータの制御系を示すブロック図である。 ステアリング装置のギヤケーシング内に収容された運動変換装置の第二の実施形態を示す斜視図である。 従動側ねじ歯車と駆動側ねじ歯車の基準円筒ねじれ角を示す概略図である。 ギヤケーシングに対してナット部材を弾性的に支承する例を示す概略図である。 本発明のステアリング装置に使用可能なナット部材の他の例を示す斜視図である。 図９に示したナット部材の軸方向に沿った縦断面図である。 図９のＸ−Ｘ線断面図である。

符号の説明

１…ステアリングホイール、２…ステアリング軸、３…リレーロッド、１２…ボール転動溝、１３…ナット部材、１４…固定外筒、１５…従動ギヤ、１６…入力軸、１７…駆動ギヤ、３０…補助モータ

以下、添付図面に基づいて本発明のステアリング装置を詳細に説明する。

図１は本発明を適用したステアリング装置の一例を示すものである。このステアリング装置は、ステアリングホイール１に結合されたステアリング軸２と、このステアリング軸２の回転に応じて軸方向へ移動するリレーロッド３と、前記ステアリング軸２の回転を前記リレーロッド３の軸方向の運動に変換する運動変換装置４とを有しており、前記リレーロッド３は前記運動変換装置４のギヤケーシング５を貫通している。左右の転舵輪６を支えるハブ７にはナックルアーム９が設けられており、前記リレーロッド３の両端はタイロッド１０を介してそれぞれに左右のナックルアーム９に連結されている。また、ナックルアーム９とタイロッド１０の連結、タイロッド１０とリレーロッド３の連結はボールジョイント１１を介して行われている。

前記ステアリングホイール１を回してステアリング軸２を矢線Ａ方向に沿っていずれかの方向へ回転させると、その回転方向に応じてリレーロッド３が軸方向（矢線Ｂ方向）へ移動し、タイロッド１０がナックルアーム９を押し引きする結果として、左右の転舵輪６が矢線Ｃ方向へ揺れ動いてその向きを変更することになる。

図２及び図３は前記運動変換装置４の第一の実施形態を示すものである。図２はギヤケーシング５を取り去った斜視図、図３は一部を切欠き断面とした分解斜視図である。この運動変換装置４は、ギヤケーシング５を貫通するように設けられた前記リレーロッド３と、このリレーロッド３の表面に形成された螺旋状のボール転動溝１２と、このボール転動溝１２の形成部位で前記リレーロッド３に螺合したナット部材１３と、前記ケーシング５に固定されると共に前記ナット部材１３を回転自在に支承する固定外筒１４と、前記ナット部材１３の軸方向の一端に固定された従動ギヤ１５と、前記ステアリング軸２に結合されて該ステアリング軸２と同一速度で回転する入力軸１６と、この入力軸１６の先端に設けられると共に前記従動ギヤ１５と噛み合う駆動ギヤ１７とから構成されている。

前記リレーロッド３は中空部３ａを有して円筒状に形成され、自重の軽量化が図られている。また、前記ボール転動溝１２はリレーロッド３の全長には形成されておらず、一部の領域にのみ形成されている。

前記ナット部材１３は多数のボールを介して前記リレーロッド３のボール転走溝１２に螺合しており、リレーロッド３と相まってボールねじを構成している。図４は前記ナット部材１３と前記固定外筒１４の組み合わせの一例を示すものであり、一部を切欠き断面とした斜視図である。前記ナット部材１３はリレーロッド３が貫通する中空部を有して円筒状に形成されており、その内周面にはリレーロッド３のボール転動溝１２と対向するボール転動溝１８が形成されている。ナット部材１３が回転すると、ボール１９はリレーロッド３のボール転動溝１２とナット部材１３のボール転動溝１８との間で荷重を負荷しながら該リレーロッド３の周囲を螺旋状に転動し、それに伴ってリレーロッド３は軸方向へ移動することになる。また、ナット部材１３には軸方向に沿ってボールの戻し通路２０が形成される一方、ナット部材１３の軸方向の両端面には一対のエンドキャップ２１が固定されており、ボール転動溝１８を転走してナット部材１３の一方の端部に到達してしまったボール１９は、かかる端部に固定されたエンドキャップ２１を介して前記戻し通路２０内へ送り込まれ、ナット部材１３の他方の端部に固定されたエンドキャップ２１を介してボール転動溝１８の最初の位置に戻されるようになっている。すなわち、ナット部材１３にはボール１９の無限循環路が形成されており、ナット部材１３の回転に伴ってボール１９が無限循環路内を循環し、リレーロッド３をその軸方向へ連続的に移動させることが可能となっている。

また、ナット部材１３の外周面には多数のボール２２を介して前記固定外筒１４が嵌合しており、ナット部材１３、ボール２２及び固定外筒１４の三者が組み合わさって複列アンギュラコンタクトベアリングを構成している。また、前記固定外筒１４にはフランジ部２３が設けられており、ボルトを用いてこのフランジ部２３を前記ギヤケーシング５に固定することで、前記ナット部材１３がギヤケーシング５に対して回転自在に支承される。これにより、ナット部材１３に回転を与えると、その回転方向に応じ、前記リレーロッド３がギヤケーシング５に対して軸方向へ移動することになる。

一方、前記入力軸１６は図示外のトーションバーを介して前記ステアリング軸２と結合されており、かかるステアリング軸２と同一の回転が与えられている。この入力軸１６と前記リレーロッド３は交差しており、入力軸１６から前記ナット部材１３への回転の伝達はベベルギヤを介して行われる。すなわち、入力軸１６の先端に固定された駆動ギヤ１７及びナット部材１３の軸方向の一端に固定された従動ギヤ１５は各々ベベルギヤとして構成されており、これら駆動ギヤ１７と従動ギヤ１５が噛み合うことにより、ステアリング軸２の回転がナット部材１３に伝達されるようになっている。本発明における第１の伝達ギヤはこれら駆動ギヤ及び従動ギヤを含む概念である。ナット部材１３に対する従動ギヤ１５の取付けはボルト２４によって行われているが、ナット部材１３と従動ギヤ１５との結合を強固なものとすべく、従動ギヤ１５の背面にはキー溝２５が形成され、ナット部材１３に設けられたキー２６が前記キー溝２５に嵌合するように構成されている。また、駆動ギヤ１７と従動ギヤ１５の間のバックラッシュを排除し、両者の噛み合いを確実なものとすべく、駆動ギヤ１７はケース２７に格納された図示外のリテーナスプリングによって従動ギヤ１５に向け付勢されている。

図２に示した運動変換装置４の例ではリレーロッド３と入力軸１６が交差しているので、前記駆動ギヤ１７及び従動ギヤ１５としてベベルギヤを用いたが、これらリレーロッドと入力軸１６が捩れの関係にある所謂食い違い軸の場合には、ハイポイントギヤ、ウォームギヤを用いることが可能である。また、ベベルギヤ及びハイポイントギヤを用いる場合には、夫々のギヤの頂角を適宜選定することにより、リレーロッド３に対するステアリング軸２の配置に柔軟に対応することが可能である。

前記入力軸１６先端の駆動ギヤ１７からナット部材に固定された従動ギヤ１５へ回転を伝達する際の増速比は１．５程度に設定されており、ステアリング軸２の回転よりもナット部材１３が速く回転するように設定されている。また、前記リレーロッド３に形成されたボール転動溝１２のリードＬはＬ≧１に設定されており、ナット部材１３の１回転に対してリレーロッド３がその軸径以上の距離だけ軸方向へ移動するように設定されている。駆動ギヤ１７と従動ギヤ１５との間のギヤ比の設定、及びリレーロッド３のボール転動溝１２のリードＬの設定は、ステアリングホイール１の１回転あたりに必要とされるリレーロッド３の軸方向移動量に応じて適宜選定することが可能である。

一方、このステアリング装置には前記ナット部材１３の回転を助ける補助モータ３０が取り付けられており、電動パワーステアリング装置として構成されている。この補助モータ３０は前記ギヤケーシング５に取り付けられている。ギヤケーシング５内に挿入された補助モータ３０の先端にはベベルギヤとして構成された補助駆動ギヤ３１が設けられ、この補助駆動ギヤ３１は前記ナット部材１３に固定された従動ギヤ１５と噛み合っている。すなわち、前記従動ギヤ１５は駆動ギヤ１７及び補助駆動ギヤ３１の双方と噛み合っている。従って、前記補助モータ３０を回転させると、前記ナット部材１３が回転し、これによっても前記リレーロッド３が軸方向へ移動することになる。尚、補助駆動ギヤから従動ギヤへの回転の伝達は減速比１以上となるように設定されている。

図５は前記補助モータ３０の制御系を示すブロック図である。前記ステアリング軸２はトーションバー３２を介して入力軸１６と結合されており、運転者がステアリングホイール１を回してステアリング軸２を回転させると、ステアリング軸２の回転トルクがトーションバー３１を介して入力軸１６に伝達されるようになっている。一方、ナット部材１３の回転に対しては転舵輪６の路面抵抗が作用することから、従動ギヤ１５及び駆動ギヤ１７を介して入力軸１６にも路面抵抗が作用していることになる。このため、路面抵抗が大きく、ステアリングホイール１を回転させ難い場合ほど、運転者がステアリング軸２に対して大きな回転トルクを与えることになり、前記トーションバー３２に大きな捩れ角が発生することになる。従って、このトーションバー３２の捩れをトルク検出センサ３３で測定することにより、運転者がステアリング軸２に与えている回転トルクの大小、すなわちステアリング操作の軽重を知ることができる。

トルク検出センサ３３の出力信号はマイクロコンピュータシステムから構成される制御部３４に入力される。制御部３４はトルク検出センサ３３の出力信号に基づいて前記補助モータ３０の駆動制御信号を生成し、それを補助モータ３０の駆動部に対して出力する。これにより、前記補助モータ３０は前記トーションバー３２の捩れが大きい程、大きな回転トルクを発生させるように駆動制御され、かかる回転トルクが補助駆動ギヤ３１及び従動ギヤ１５を介してナット部材１３に与えられる。すなわち、運転者のステアリング操作が重いほど、前記補助モータ３０が大きな回転トルクを発揮し、運転者のステアリング操作の負担が軽減されるのである。尚、この例ではステアリング軸２と入力軸１６との間で伝達される回転トルクにのみ基づいて、前記補助モータ３０の制御を行ったが、この他に、車輛の速度やステアリング軸２の回転角などの情報を考慮して、補助モータ３０の駆動制御を行うこともできる。

尚、前記補助モータ３０は必要に応じて設けることができ、補助モータ３０を省略すれば、単なるステアリング装置として使用することができる。また、図３に示す例では、補助駆動ギヤ３１を従動ギヤ１５と噛み合わせ、補助モータ３０でナット部材１３を直接回転させるように構成しているが、補助モータ３０の取付け位置はこれに限定されるものではない。例えば、補助モータ３０が入力軸１６の回転、あるいはステアリング軸２の回転を介助し、結果的にナット部材１３の回転を介助するように構成することも可能である。

次に、図６は前記運動変換装置の第二の実施形態を示す斜視図であり、図２と同様にギヤケーシングを取り去った状態を示している。

この第二の実施形態においても、前記運動変換装置は、ギヤケーシング５を貫通するように設けられた前記リレーロッド３と、このリレーロッド３の表面に形成された螺旋状のボール転動溝１２と、このボール転動溝１２の形成部位で前記リレーロッド３に螺合したナット部材５０と、前記ケーシング５に固定されると共に前記ナット部材５０を回転自在に支承する固定外筒５１と、前記ステアリング軸２に結合されて該ステアリング軸２と同一速度で回転する入力軸１６とを備えている。

また、図２及び図３に示した第一の実施形態ではナット部材１３の軸方向の一端に従動ギヤ１５としてのベベルギヤを固定していたが、この第二の実施形態では前記ナット部材５０の外周面に対してねじ歯車５２を形成し、これを従動ギヤとした。この従動側ねじ歯車５２はナット部材５０の長手方向の略中央に設けられており、この従動側ねじ歯車５２を軸方向から挟むようにして一対の固定外筒５１がナット部材５０に装着されている。すなわち、ナット部材５０の外周面には前記ねじ歯車５２を軸方向から挟むようにして一対のボール転走溝が周方向に形成されており、これらボール転走溝を転走する多数のボールを介して前記固定外筒５１がナット部材に嵌合している。従って、これら一対の固定外筒５１をギヤケーシング５に固定することで、ナット部材５０をギヤケーシング５に対して回転自在に支承することが可能となっている。

前記従動側ねじ歯車５２は機械加工によってナット部材５０の外周面対して直接形成しても、あるいは別途加工されたねじ歯車５２をナット部材５０の外周面に対して固定するようにしても差し支えない。

一方、前記入力軸１６は前記リレーロッド３と食い違いの関係にあり、入力軸１６の先端には前記従動側ねじ歯車５２と噛み合う駆動側ねじ歯車５３が固定されている。これにより、入力軸１６が回転すると、その回転が駆動側ねじ歯車５３から従動側ねじ歯車５２に伝達され、固定外筒５１に対して回転自在に支承されたナット部材５０が入力軸１６の回転量に応じて回転するようになっている。

図７に示すように、前記従動側ねじ歯車５２の基準円筒ねじれ角をβ１、前記駆動側ねじ歯車５３の基準円筒ねじれ角をβ２とした場合に、リレーロッド３と入力軸１６の交差角はβ１＋β２で表すことができる。従って、従動側ねじ歯車５２及び駆動側ねじ歯車５３の基準円筒ねじれ角β１，β２を任意に調整することにより、リレーロッド３と入力軸１６の交差角を任意に選択することが可能である。

ステアリング装置では路面から転舵輪に対して衝撃荷重が作用すると、その力がリレーロッド３、入力軸１６を介し所謂キックバックとしてステアリングホイール１へと伝達される。このキックバックが過度にドライバに伝わるとステアリングホイール１の操作に悪影響を与えるので、ステアリング装置としては、かかるキックバックの伝達を抑えつつ、ステアリングホイール１を操作した際の鋭敏な転舵輪６の反応を確保することが必要となる。

このような観点からすれば、入力軸１６の回転をナット部材５０に伝達する第１の伝達ギヤの伝達効率は、入力軸１６からナット部材５０への正方向への伝達効率に比べ、ナット部材５０から入力軸１６への逆方向の伝達効率を低く設定するのが好ましい。このように第１の伝達ギヤの伝達効率を設定することができれば、ステアリングホイール１の操作に対してリレーロッド３は鋭敏に反応し、良好な操舵感が得られる一方、ステアリングホイール１に伝達されるキックバックは減衰され、ドライバは路面状態を適度に感じながら操舵することが可能となる。

具体的には、第１の伝達ギヤを構成する従動側ねじ歯車５２及び駆動側ねじ歯車５３の基準円筒ねじれ角β１，β２を調整することにより、前述の伝達効率を実現することが可能となる。すなわち、前記従動側ねじ歯車５２の基準円筒ねじれ角β１を前記駆動側ねじ歯車５３の基準円筒ねじれ角β２よりも小さく設定するのである。このように設定すれば、入力軸１６の回転をナット部材５０に伝達する正方向の伝導効率に比べ、ナット部材５０の回転を入力軸１６へ伝達する逆方向の伝導効率が低くなり、キックバックが入力軸１６、ひいてはステアリング軸２に伝達されるのを可及的に防止することが可能となる。

一方、このようにしてキックバックの伝達をナット部材５０と入力軸１６との間で減衰させると、キックバックによってリレーロッド３の軸方向へ作用した衝撃荷重がそのままナット部材５０の軸方向へ作用する結果となり、ナット部材５０の破損やリレーロッド３に形成したボール転動溝１２の破損が懸念される。従って、第１の伝達ギヤの逆方向の伝達効率を小さく設定する場合には、図８に概略を示すように、ナット部材５０をギヤケーシング５に対して軸方向へ変位可能とすると共に、ナット部材５０の軸方向の両端にスプリング等の弾性部材５４を装着し、軸方向に関してナット部材５０を弾性的に支承することが望ましい。このように構成すれば、キックバックに起因してナット部材５０の軸方向へ衝撃荷重が作用しても、それを弾性部材５４の伸縮によって受け止めることができ、ナット部材５０の破損やリレーロッド３のボール転動溝１２の破損を防止することが可能となる。

また、この第二の実施形態の運動変換装置では、ナット部材５０の回転を介助する補助モータがギヤケーシング５に固定され、電動パワーステアリング装置として構成されている。図６に示すように、かかる補助モータの出力軸６０の先端には前記従動側ねじ歯車５２と噛み合う補助駆動ギヤ６１が設けられており、この補助駆動ギヤ６１はウォームギヤとして構成されている。従って、前記補助モータ３０を回転させると、前記ナット部材１３が回転し、これによっても前記リレーロッド３が軸方向へ移動することになる。尚、前記補助モータの制御系は第一の実施形態において図５を用いて説明したものと同一である。

そして、この第二の実施形態においては、ナット部材５０の外周面に設けられた従動側ねじ歯車５２に対して駆動側ねじ歯車５３及び補助駆動ギヤ６１を噛み合わせ、ステアリングホイール１からの入力及び補助モータからの入力を直接ナット部材５０に伝達するようにしたことにより、極めてコンパクトにパワーステアリング装置を構成することが可能である。

図９乃至図１１は本発明に使用可能なナット部材の他の例を示すものである。

図４に例示したナット部材１３では、かかるナット部材１３の軸方向の両端に一対のエンドキャップ２１を固定してボール１９の無限循環路を構築していた。しかし、図９に示すナット部材６５では、ナット部材６５の内周面に対して切削加工又は研削加工を施すことにより、エンドキャップ等の他の部材を用いることなくボール１９の無限循環路を形成している。尚、図９は、リレーロッド３とナット部材６５との間に配列されたボール１９の一部のみが描かれており、総てのボール１９が描かれていない。

前記ナット部材６５はリレーロッド３が挿通される貫通孔６６を有して略円筒状に形成されている。図９は軸方向に沿ったナット部材６５の断面図である。この図に示されるように、ナット部材６５の貫通孔６６の内周面にはリレーロッド３のボール転動溝１２と対向するボール転動溝６７が螺旋状に形成されている。このボール転動溝６７のボール１９の進行方向と直交する断面形状はリレーロッド３のボール転動溝１２の断面形状と同一である。かかるボール転動溝６７とリレーロッド３のボール転動溝１２とが互いに対向することにより、ボール１９が荷重を負荷しながらリレーロッド３の周囲を公転する螺旋状の負荷ボール通路がナット部材６５とリレーロッド３との間に形成されることになる。尚、図９乃至図１１に示した例では、ナット部材６５のボール転動溝６７は２条ねじとして形成されており、対応するリレーロッド３のボール転動溝１２も２条ねじに形成される。

また、ナット部材６５の貫通孔６６の内周面には無負荷ボール溝６８が螺旋状に形成されている。この無負荷ボール溝６８は貫通孔６６の内周面に対して前記ボール転動溝６７よりも深く、且つ、ボール１９の直径よりも僅かに大きい溝幅で形成されている。従って、ボール１９はこれら無負荷ボール溝６８内で荷重を負荷することなく無負荷状態となり、後続のボール１９に押されるようにして自由に転動する。

ナット部材のボール転動溝６７はリレーロッド３のボール転動溝１２と対向しているが、前記無負荷ボール溝６８はリレーロッド３のボール転動溝１２ではなく、山部６９に対向しており、かかる無負荷ボール溝６８内を無負荷状態で転動するボール１９はリレーロッド３の山部６９に接し、これにより無負荷ボール溝６８内にボール１９が保持されるようになっている。従って、このナット部材６５では、無負荷ボール溝６８とリレーロッド３の山部６９との協働により、無負荷ボール通路が構成されていることになる。

一方、ナット部材６５の貫通孔６６の内周面には、その軸方向の両端付近に略Ｕ字形の方向転換溝７０が形成されている。この方向転換溝７０は、ボール転動溝６７の端部と無負荷ボール溝６８の端部とを連通連結しており、図１０に示すナット部材６５では貫通孔６６０の内周面の４か所に形成されている。尚、ナット部材６５に具備されたボール転動溝６７が２条ではなく、１条の場合には、前記方向転換溝７０は貫通孔６６の内周面の２か所に形成されることになる。

この方向転換溝７０はボール転動溝６７の端部から無負荷ボール溝６８の端部まで段差なく連続的に形成されており、ボール転動溝６７の端部から無負荷ボール溝６８の端部へ接近するにつれて徐々に深くなるように形成されている。ボール転動溝６７を転動するボール１９は、かかるボール転動溝６７と方向転換溝７０との接続部位に到達すると、かかるボール転動溝６７の深さが徐々に深くなることから、次第に荷重から解放される。荷重から解放されたボール１９は後続のボール１９に押されるようにしてそのままリレーロッド３のボール転動溝１２内を進行するが、方向転換溝７０が該ボール１９をボール転動溝１２の側方へ寄せていくので、かかるボール１９はボール転動溝１２を這い上がるようにしてリレーロッド３の山部６９にまで持ち上がり、ナット部材６５の方向転換溝７０に完全に収容される。

方向転換溝７０は略Ｕ字状の軌道を有していることから、方向転換溝７０内に収容されたボール１９はその転走方向を逆転させ、ナット部材６５の無負荷ボール溝６８とリレーロッド３の山部６９との対向によって形成された無負荷ボール通路に進入する。ボール１９はこの無負荷ボール通路内において無負荷状態であり、後続のボール１９に押されるようにして無負荷ボール通路内を進む。

また、無負荷ボール通路内を進行したボール１９は無負荷ボール溝６８と方向転換溝７０の接続部位に到達すると、そのまま方向転換溝７０内に進入して再び進行方向を転換させ、リレーロッド３のボール転動溝１２とナット部材６５のボール転動溝６７の対向によって形成された負荷ボール通路内に進入する。この際、ボール１９はリレーロッド３のボール転動溝１２を側方から這い降りるようにして負荷ボール通路に進入し、方向転換溝７０とボール転動溝６７との接続部位において該ボール転動溝６７の深さが徐々に浅くなると、無負荷状態から荷重の負荷状態へと移行する。

すなわち、このナット部材６５では前記方向転換溝７０がナット部材６５のボール転動溝６７の端部と無負荷ボール溝６８の端部とを連通連結することにより、閉ループとしてのボール１９の無限循環路がナット部材６５に具備されており、ナット部材６５がリレーロッド３に対して回転を生じると、ボール１９が前記無限循環路の内部を循環し、前記螺旋運動を連続的に行うことができるようになっている。

そして、このように構成されたナット部材６５では、図４に示したナット部材１３の如く軸方向に沿ってボール戻し通路２０を貫通形成する必要がなく、ナット部材６５の肉厚を薄く設定することが可能となっている。これにより、ナット部材６５をコンパクトに製作することが可能である。また、前記ボール転動溝６７、無負荷ボール溝６８及び方向転換溝７０の総てを、ナット部材６５の貫通孔６６の内周面に対して切削加工、研削加工等の手法で直接形成することができるので、ボール１９の無限循環路をナット部材６５に具備させるに当たり、何ら別部品をナット部材６５に装着する必要はなく、ナット部材６５の生産を簡易且つ低コストで行うことが可能となる。加えて、ナット部材６５に何ら別部品を固定することなくボール１９の無限循環路を形成することができるので、過酷な使用環境で長期間使用した場合であっても、高い信頼性を発揮することが可能となり、ステアリング装置に最適である。

尚、このナット部材６５を使用するに当たっては、かかるナット部材６５の軸方向端面に第一の実施形態における従動側ベベルギヤ１５を設けても良いし、ナット部材６５の外周面の略中央に第二の実施形態における従動側ねじ歯車５２を設けるようにしてもよい。

前記従動側ねじ歯車５２は機械加工によってナット部材５０の外周面に対して直接形成しても、あるいは別途加工されたねじ歯車５２をナット部材５０の外周面に対して固定するようにしても差し支えない。

Claims (12)

1. ステアリング軸の回転をリレーロッドの軸方向への運動に変換して転舵輪の操作を行うステアリング装置であって、
   前記リレーロッドが貫通するギヤケーシングと、このギヤケーシング内で前記リレーロッドに設けられると共にリードの大きさが１以上に形成された螺旋状のボール転走溝と、多数のボールを介して前記リレーロッドのボール転走溝上に螺合すると共に、前記ギヤケーシングに対して回転自在に支承されたナット部材と、前記ステアリング軸の回転が伝達されると共に前記リレーロッドと交差又は食い違いの関係にある入力軸と、前記入力軸の回転を前記ナット部材に伝達する第１の伝達ギヤとから構成されることを特徴とするステアリング装置。
2. 前記第１の伝達ギヤにおける伝達効率は、入力軸からナット部材へのそれに比べ、ナット部材から入力軸へのそれが低いことを特徴とする請求項１記載のステアリング装置。
3. 前記リレーロッドと入力軸とが食い違いの関係にあり、前記第１の伝達ギヤは、ナット部材の外周面に設けられた従動側ねじ歯車と、前記入力軸に固定されると共に前記従動側ねじ歯車と噛み合う駆動側ねじ歯車とから構成されることを特徴とする請求項１記載のステアリング装置。
4. 前記ナット部材の外周面には前記従動側ねじ歯車を挟んで一対のボール転走溝が周方向に沿って形成され、このボール転走溝を転走する多数のボールを介して回転軸受の外輪がナット部材に装着されていることを特徴とする請求項３記載のステアリング装置。
5. 前記従動側ねじ歯車の基準円筒ねじれ角は前記駆動側ねじ歯車のそれよりも小さく設定されていることを特徴とする請求項３記載のステアリング装置。
6. 前記ナット部材はその回転軸方向に関して前記ギヤケーシング内で弾性的に支承されており、外力が作用した際に回転軸方向へ変位可能であることを特徴とする請求項２又は５記載のステアリング装置。
7. 前記ステアリング軸と入力軸との間で伝達される回転トルクの大きさを検出するトルク検出センサを設けると共に、かかるトルク検出センサの出力信号に応じて前記ナット部材の回転を介助する補助モータを設けたことを特徴とする請求項１記載のステアリング装置。
8. 前記補助モータはその出力軸が前記ナット部材と交差又は食い違いの位置関係となるように設けられると共に、かかる補助モータの回転を前記ナット部材に伝達する第２の伝達ギヤが設けられ、この第２の伝達ギヤの減速比が１以上に設定されていることを特徴とする請求項７記載のステアリング装置。
9. 前記第１の伝達ギヤは、ナット部材に固定された従動ギヤと、前記入力軸に固定されると共に前記従動ギヤと噛み合う駆動ギヤとから構成され、また、前記第２の伝達ギヤは、前記従動ギヤと、前記補助モータの出力軸に固定されると共に前記従動ギヤと噛み合う補助駆動ギヤとから構成されることを特徴とする請求項７記載のステアリング装置。
10. 前記従動ギヤ、駆動ギヤ及び補助駆動ギヤはベベルギヤであることを特徴とする請求項９記載のステアリング装置。
11. 前記従動ギヤ、駆動ギヤ及び補助駆動ギヤはねじ歯車であることを特徴とする請求項９記載のステアリング装置。
12. 交差又は食い違いの関係にある入力軸と出力軸を有し、前記入力軸の回転運動を前記出力軸の軸方向の直線運動に変換する運動伝達装置であって、
    前記出力軸が貫通するギヤケーシングと、このギヤケーシング内で前記出力軸に設けられると共にリードの大きさが１以上に形成された螺旋状のボール転走溝と、多数のボールを介して前記出力軸のボール転走溝上に螺合すると共に、前記ギヤケーシングに対して回転自在に支承されたナット部材と、前記入力軸の回転を該入力軸と交差又は食い違いの関係にある前記ナット部材に伝達する動力伝達ギヤとから構成されることを特徴とする運動変換装置。

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