JP2009222149A - 歯車装置および当該歯車装置を備えた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バックラッシの変動を抑制することができる歯車装置および当該歯車装置を備えた電動パワーステアリング装置を提供すること。
【解決手段】電動パワーステアリング装置は、互いに噛み合うピニオン軸およびリダクションギヤ２３を有する歯車装置としての減速装置を備えている。ピニオン軸は鉄製であり、リダクションギヤ２３は、鉄製の芯金３４と、この芯金３４に射出成形により一体に融着された合成樹脂製の合成樹脂部材３５とを含む副歯車２３ｂを有している。芯金３４の外周部には歯形形状の複数の突起３８が形成されている。副歯車２３ｂの各歯部３７の内部には対応する突起３８が進入しており、これによって、合成樹脂部材３５が適度に減肉されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、歯車装置および電動パワーステアリング装置に関するものである。

電動パワーステアリング装置には、電動モータの出力回転を減速する減速装置としての歯車装置を備えるものがある。例えば下記特許文献１では、ウォームおよびウォームホイールを含む歯車装置を備える電動パワーステアリング装置が開示されている。
この特許文献１において、ウォームは鉄を含む材料により形成されており、ウォームホイールは、環状の芯金と、この芯金の外周に固定された合成樹脂部材とによって構成されている。また、この特許文献１において、ウォームおよびウォームホイールは、アルミニウム合金で形成されたハウジングに回転可能に保持されている。
特開２００６−１９４２７９号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の電動パワーステアリング装置では、ウォーム、ウォームホイールおよびハウジングのそれぞれの線膨張係数の違いに起因して、ウォームとウォームホイールとの噛み合い部におけるバックラッシが温度の変化によって変動してしまう場合がある。
この発明は、かかる背景のもとになされたものであり、バックラッシの変動を抑制することができる歯車装置および当該歯車装置を備えた電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、互いに噛み合う第１および第２の歯車（２２，２３，４２，４３，４４，２２３，２２７）を備え、第１の歯車は金属製であり、第２の歯車は、主歯車（２３ａ）と副歯車（２３ｂ）とを軸方向（Ｘ１）に積層して構成され、上記主歯車は、金属製であり、上記副歯車は、環状の芯金（３４）と、この芯金に射出成形により一体に融着され、第１の歯車の歯部に噛み合う歯部（３７）の少なくとも歯面（３７ａ）を形成した合成樹脂部材（３５）とを含み、上記芯金は、合成樹脂部材を減肉するために各歯部の内部に進入した歯形形状の突起（３８）を有していることを特徴とする歯車装置（１９，１１９，２１９）である。

本発明によれば、第２の歯車の副歯車において、芯金に突起を設けて合成樹脂部材を減肉することにより、温度の変化による第１の歯車と第２の歯車との噛み合い部におけるバックラッシの変動を抑制することができる。
具体的には、上記歯車装置が、上記第１および第２の歯車を回転可能に支持する金属製のハウジング（２４，２２４）を備え、上記ハウジングの線膨張係数が、上記第１の歯車および上記芯金の線膨張係数よりも大きくされており、上記合成樹脂部材の線膨張係数が、上記ハウジングの線膨張係数よりも大きくされている場合（請求項２）に、上記バックラッシの変動を良好に抑制することができる。

すなわち上記の場合、温度変化に伴うハウジングの膨張または収縮が大きくなる傾向にあるが、そのハウジングよりも線膨張係数の大きい合成樹脂で構成された合成樹脂部材を芯金の突起を用いて適度に減肉することにより、温度変化に伴う第２の歯車の寸法変化の特性を所望に設定することができる。これにより、温度変化に伴うハウジングの膨張または収縮によって第１および第２の歯車の芯間距離が変化したとしても、その芯間距離の変化に応じた分だけ、第２の歯車を膨張または収縮させることが可能となり、その結果、温度変化による第１および第２の歯車のバックラッシの変動を確実に抑制することができる。

上記ハウジングはアルミニウムを含む材料で形成され、上記第１の歯車および上記芯金はそれぞれ鉄を含む材料で形成されていてもよい（請求項３）。この場合、バックラッシの変動を特に効果的に抑制することができる。
また、上記目的を達成するための本発明は、電動モータ（１８，２１８）の出力回転を減速する減速装置としての、請求項１〜３の何れか１項に記載の歯車装置を備える電動パワーステアリング装置（１，１００，２００）である（請求項４）。

本発明によれば、上述のように、温度の変化による減速装置のバックラッシの変動が抑制されるので、減速装置の伝達トルクのムラや、減速装置における騒音（例えば歯打ち音）の発生が抑制される。すなわち、本発明によれば、電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングを向上させることができるとともに、電動パワーステアリング装置の静音性を高めることができる。

なお、上記において、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る歯車装置としての減速装置１９を備える電動パワーステアリング装置１の概略構成を示す図解的な断面図である。また、図２は、減速装置１９の一部であるリダクションギヤ２３の図解的な平面図であり、図３は、図２の一部を拡大した図である。

図１を参照して、電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール等の操舵部材２に連結されたステアリングシャフト３と、中間軸４等を介してステアリングシャフト３に連結された例えばラックアンドピニオン機構からなるステアリング機構５とを備えている。
ステアリングシャフト３は、操舵部材２に連なる入力軸６と、中間軸４等を介してステアリング機構５に連なる出力軸７とを含む。これら入力軸６および出力軸７はトーションバー８を介して同一軸線上で相対回転可能に連結されている。ステアリングシャフト３の周囲に配置されたトルクセンサ９は、このトーションバー８を介する入力軸６および出力軸７間の相対回転変位量に基づいて操舵部材２に入力された操舵トルクを検出する。そして、トルクセンサ９により検出された操舵トルクの値は、ＥＣＵ１０（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）に入力される。

ステアリング機構５は、中間軸４に同行回転可能に連結されたピニオン軸１１と、このピニオン軸１１に噛み合うラックバー１２とを有している。ラックバー１２は、軸方向移動可能にハウジング１３に支持されている。また、ラックバー１２の各軸方向端部には、タイロッド１４およびナックルアーム(図示せず)を介して転舵輪１５が連結されている。ラックバー１２が軸方向に移動させられることにより転舵輪１５が転舵されるようになっている。

操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３および中間軸４が回転すると、ピニオン軸１１が回転し、このピニオン軸１１の回転がピニオン１６およびラック１７によってラックバー１２の軸方向運動に変換される。これにより、転舵輪１５の転舵が達成される。
ＥＣＵ１０は、トルクセンサ９から入力されたトルク検出結果や図示しない車速センサから入力された車速検出結果等に基づいて、操舵補助用の電動モータ１８を駆動制御する。電動モータ１８の出力回転は、歯車装置としての減速装置１９によって減速された状態で出力軸７に伝達される。そして、出力軸７に伝達された電動モータ１８の出力回転は、ピニオン１６およびラック１７によってラックバー１２の軸方向運動に変換される。このようにして、運転者の操舵が補助される。

減速装置１９は、継手２０を介して電動モータ１８の回転軸２１に動力伝達可能に連結された駆動ギヤとしてのピニオン軸２２と、このピニオン軸２２に噛み合うとともに、出力軸７に同行回転可能に連結された従動ギヤとしてのリダクションギヤ２３とを含む。電動モータ１８の出力回転は、回転軸２１からピニオン軸２２に伝達され、さらに、ピニオン軸２２からリダクションギヤ２３に伝達される。ピニオン軸２２からリダクションギヤ２３に回転が伝達されることで回転速度が減速されトルクが増幅される。

本実施形態では、ピニオン軸２２が第１の歯車として機能し、リダクションギヤ２３が第２の歯車として機能する。ピニオン軸２２およびリダクションギヤ２３としては、例えば外歯の一対のはすば歯車が用いられている。ピニオン軸２２およびリダクションギヤ２３は、互いの中心軸線が平行となるようにハウジング２４に支持されている。また、ハウジング２４は、例えばアルミニウム合金等の金属によって形成されている。ハウジング２４は、減速装置１９が収容されたギヤハウジング２５と、トルクセンサ９が収容されたセンサハウジング２６とを含む。

ピニオン軸２２は、例えば炭素鋼やクロムモリブデン鋼等の鉄を含む材料により形成されている。ピニオン軸２２の線膨張係数は、ハウジング２４の線膨張係数よりも小さくなっている。ピニオン軸２２は、外歯の歯車である円柱状のピニオンギヤ２７と、このピニオンギヤ２７に同軸的に連結された一対の軸部２８，２９とを含む。軸部２８の外周には、軸受３０が同軸的に取り付けられている。また、軸部２９は、軸受３１が同軸的に取り付けられた軸受取付部３２と、継手２０を介して回転軸２１に同軸的に連結された回転軸連結部３３とを含む。ピニオン軸２２は、軸部２８に取り付けられた軸受３０と軸部２９に取り付けられた軸受３１とを介してハウジング２４に回転可能に支持されている。

また、リダクションギヤ２３は、主歯車２３ａと副歯車２３ｂとを軸方向（図１では、ステアリングシャフト３の軸方向Ｘ１と同じ方向）に積層して構成されている。主歯車２３ａおよび副歯車２３ｂは、それぞれ外周に歯部３６および歯部３７を有している。歯部３６および歯部３７の歯形形状は、ほぼ等しくされている。主歯車２３ａおよび副歯車２３ｂは、互いの歯の位相が一致された状態で同行回転可能に固定されている。主歯車２３ａおよび副歯車２３ｂは、例えばボルトや固定ピン等を用いて固定されている。

主歯車２３ａは、例えば炭素鋼やクロムモリブデン鋼等の鉄を含む材料により形成されている。主歯車２３ａの線膨張係数は、ハウジング２４の線膨張係数よりも小さくなっている。また、副歯車２３ｂは、環状の芯金３４と、この芯金３４の外周に固定された例えば環状の合成樹脂部材３５とを含む。芯金３４は、例えば炭素鋼やクロムモリブデン鋼等の鉄を含む材料により形成されている。芯金３４の線膨張係数は、ハウジング２４の線膨張係数よりも小さくなっている。また、合成樹脂部材３５は、例えば熱可塑性ポリエステルエラストマー等の合成樹脂により形成されている。合成樹脂部材３５の線膨張係数は、ハウジング２４の線膨張係数よりも大きくされている。

図１〜図３を参照して、合成樹脂部材３５は、射出成形により成形されており、芯金３４の外周に一体に融着されている。具体的には、合成樹脂部材３５を成形するための金型内に芯金３４をインサートした状態で合成樹脂部材３５が射出成形されている（いわゆるインサート成形）。図３に示すように、合成樹脂部材３５は、歯面３７ａおよび歯先３７ｂを含む歯部３７の外郭ならびに歯底３７ｃを形成している。

また、図２に示すように、芯金３４の外周部には、副歯車２３ｂの歯と同数の突起３８がリダクションギヤ２３の周方向Ｚ１に並んで形成されている。各突起３８の形状は、例えば副歯車２３ｂの歯と相似な歯形形状にされている。図３に示すように、歯厚方向に関する各突起３８の厚みＴ１は、歯厚方向に関する副歯車２３ｂの歯の厚みＴ２よりも小さくされている。

また、図２に示すように、合成樹脂部材３５が芯金３４に固定された状態において、各歯部３７の内部には対応する突起３８が進入している。すなわち、各歯部３７は、合成樹脂部材３５と、これに対応する芯金３４の突起３８とによって構成されている。各歯部３７の内部に突起３８を位置させることで、合成樹脂部材３５が減肉され合成樹脂部材３５の体積が減少されている。図３に示すように、合成樹脂部材３５の厚みＴ３（歯厚方向に関する厚み）は、ほぼ一定にされている。合成樹脂部材３５の厚みＴ３は、後述するように、温度変化によるピニオンギヤ２７とリダクションギヤ２３との噛み合い部におけるバックラッシの変動が抑制される適切な大きさに設定されている。

合成樹脂部材３５の厚みＴ３は、例えば、突起３８の形状や大きさを変えることにより調節可能である。すなわち、本実施形態では、合成樹脂部材３５の厚みＴ３が一定の場合について説明しているが、合成樹脂部材３５の厚みＴ３は一定でなくてもよい。また、合成樹脂部材３５の形状は、図２および図３に示す形状に限られない。例えば、図４に示すように、合成樹脂部材３５が歯先３７ｂ全体を形成していなくてもよい。

出力軸７は、図１に示すように、リダクションギヤ２３の中心部に形成された嵌合孔３９に例えば圧入されている。主歯車２３ａおよび芯金３４は、出力軸７に対して同行回転可能に且つ同軸的に連結されている。出力軸７は、ステアリングシャフト３の軸方向Ｘ１にリダクションギヤ２３を挟んだ両側でハウジング２４に保持された一対の軸受４０，４１を介してハウジング２４に回転可能に支持されている。リダクションギヤ２３は、出力軸７および一対の軸受４０，４１を介してハウジング２４に回転可能に支持されている。

図５は、ピニオン軸２２およびリダクションギヤ２３の図解的な外観図である。図１および図５を参照して、本実施形態の一つの特徴とするところは、ピニオンギヤ２７およびリダクションギヤ２３の噛み合い部における温度変化に伴うバックラッシの変動が抑制されていることにある。
すなわち、温度が変化すると、ハウジング２４が膨張または収縮するので、ハウジング２４に支持されたピニオン軸２２およびリダクションギヤ２３の芯間距離Ｌ１が変化してしまう。しかし、本実施形態では、ピニオンギヤ２７およびリダクションギヤ２３が、それぞれ芯間距離Ｌ１の変化に応じた分だけ膨張または収縮するようにされており、これによって、温度の変化に伴うバックラッシの変動が抑制されている。

具体的には、主歯車２３ａと副歯車２３ｂとによってリダクションギヤ２３が構成されており、副歯車２３ｂにおいて、芯金３４の複数の突起３８によって合成樹脂部材３５が適度に減肉されている。これによって、温度変化に伴うリダクションギヤ２３の寸法変化の特性が所望の特性に設定されている。すなわち、温度変化に伴う副歯車２３ｂのピッチ円半径Ｒ２の変化量が、温度の変化に伴う芯間距離Ｌ１の変化量から温度変化に伴うピニオンギヤ２７のピッチ円半径Ｒ１の変化量を引いた値に等しく、または、ほぼ等しくされ、温度の変化に伴うバックラッシの変動が抑制されている。

以上のように本実施形態では、ピニオンギヤ２７およびリダクションギヤ２３の噛み合い部における温度変化に伴うバックラッシの変動を抑制することができる。したがって、減速装置１９の伝達トルクのムラや、減速装置１９における騒音（例えば歯打ち音）の発生を抑制することができる。すなわち、電動パワーステアリング装置１の操舵フィーリングを向上させることができるとともに、電動パワーステアリング装置１の静音性を高めることができる。

この発明は、以上の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。例えば、上述の実施形態では、ピニオン軸２２およびリダクションギヤ２３によって減速装置１９が構成されている場合ついて説明したが、例えば図６に示すように、ウォーム４２およびウォームホイール４３によって減速装置１１９が構成されていてもよい。あるいは、図７に示すように、中間ギヤ４４等により減速装置２１９が構成されていてもよい。

図６は、図３または図４の実施の形態のリダクションギヤ２３と同じ構造を持つウォームホイール４３を有する歯車装置としての減速装置１１９を備える電動パワーステアリング装置１００を示している。この図６において、上述の図１〜図５に示された各部と同等の構成部分については、図１〜図５と同一の参照符号が付されている。
ウォーム４２は、例えば炭素鋼等の鉄を含む材料により形成されており、ウォームホイール４３は、主歯車２３ａと、芯金３４および合成樹脂部材３５を含む副歯車２３ｂとによって構成されている。ハウジング２４の線膨張係数は、ウォーム４２、主歯車２３ａおよび芯金３４の線膨張係数よりも大きくされている。また、合成樹脂部材３５の線膨張係数は、ハウジング２４の線膨張係数よりも大きくされている。合成樹脂部材３５は、芯金３４の外周部に形成された複数の突起３８によって適度に減肉されている（図３または図４参照）。

この図６に示す減速装置１１９では、芯金３４に形成された複数の突起３８によって合成樹脂部材３５を適度に減肉させることにより、ウォーム４２およびウォームホイール４３の噛み合い部における温度変化に伴うバックラッシの変動が抑制されている。
一方、図７は、図３または図４の実施の形態のリダクションギヤ２３と同じ構造を持つ中間ギヤ４４を有する歯車装置としての減速装置２１９と、減速装置２１９の出力回転を転舵軸としてのラックバー１２の直線運動に変換するボールねじ式の変換機構４５とを備える電動パワーステアリング装置２００の一部を示している。また、図８は、中間ギヤ４４およびそれに関連する構成の図解的な断面図であり、図９は、中間ギヤ４４の歯部の拡大図である。また、図１０は、中間ギヤ４４の変形例に係る歯部の拡大図である。この図７〜図１０において、上述の図１〜図５に示された各部と同等の構成部分については、図１〜図５と同一の参照符号が付されている。

図７を参照して、減速装置２１９は、電動モータ２１８により回転駆動されるピニオンギヤ２２７と、このピニオンギヤ２２７により回転駆動される中間ギヤ４４と、この中間ギヤ４４により回転駆動されるリダクションギヤ２２３とを備えている。ピニオンギヤ２２７およびリダクションギヤ２２３は、例えば炭素鋼等の鉄を含む材料により形成されている。中間ギヤ４４は、主歯車２３ａと、芯金３４および合成樹脂部材３５を含む副歯車２３ｂとによって構成されている。

ピニオンギヤ２２７、中間ギヤ４４およびリダクションギヤ２２３は、外歯の歯車であり、それぞれの中心軸線がラックバー１２の中心軸線と平行になるように配置されている。ピニオンギヤ２２７およびリダクションギヤ２２３は、例えばアルミニウム合金製のハウジング２２４によって回転可能に保持されている。また、中間ギヤ４４は、軸受４６を介して軸部材４７に回転可能に保持されている。軸部材４７は、ハウジング２２４の開口部２２４ａに係合する板状の係合部材４８の中心部からほぼ垂直に伸びている。軸受４６の内輪４６ａは、軸部材４７と同行回転可能に連結されており、軸受４６の外輪４６ｂは、芯金３４の内周に同行回転可能に連結されている。

また、ハウジング２２４の線膨張係数は、ピニオンギヤ２２７、リダクションギヤ２２３、主歯車２３ａおよび芯金３４の線膨張係数よりも大きくされている。また、合成樹脂部材３５の線膨張係数は、ハウジング２２４の線膨張係数よりも大きくされている。図８および図９に示すように、合成樹脂部材３５は、芯金３４の外周部に形成された複数の突起３８によって適度に減肉されている。副歯車２３ｂの歯部３７は、図８および図９に示す形態に限らず、例えば図１０に示すように、歯面３７ａおよび歯底３７ｃが合成樹脂部材３５によって形成されていてもよい。

この図７に示す減速装置２１９では、芯金３４に形成された複数の突起３８によって合成樹脂部材３５を適度に減肉させることにより、ピニオンギヤ２２７および中間ギヤ４４の噛み合い部における温度変化に伴うバックラッシの変動、ならびに、リダクションギヤ２２３および中間ギヤ４４の噛み合い部における温度変化に伴うバックラッシの変動が抑制されている。また、この減速装置２１９では、ピニオンギヤ２２７およびリダクションギヤ２２３が第１の歯車として機能する。

また、上述の実施形態では、歯車装置が減速装置である場合ついて説明したが、歯車装置は、減速装置に限らずその他の装置であってもよい。この場合、歯車装置を構成する第１の歯車および第２の歯車としては、上述のピニオン軸２２およびリダクションギヤ２３や、ウォーム４２およびウォームホイール４３に限らず、外歯の一対の平歯車や、外歯の一対のはずば歯車、外歯の一対のやまば歯車、互いに噛み合う内歯車および外歯車、ラックおよびピニオン、一対のかさ歯車などのその他の歯車を第１の歯車および第２の歯車として用いてもよい。

本発明の一実施形態に係る歯車装置としての減速装置を備える電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図解的な断面図である。 減速装置の一部であるリダクションギヤの図解的な平面図である。 図２の一部を拡大した図である。 リダクションギヤの変形例を示す図解的な拡大図である。 ピニオン軸およびリダクションギヤの図解的な外観図である。 本発明の他の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図解的な断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の一部の概略構成を示す図解的な断面図である。 中間ギヤおよびそれに関連する構成の図解的な断面図である。 中間ギヤの歯部の拡大図である。 中間ギヤの変形例に係る歯部の拡大図である。

符号の説明

１・・・電動パワーステアリング装置、１８・・・電動モータ、１９・・・減速装置（歯車装置）、２２・・・ピニオン軸（第１の歯車）、２３・・・リダクションギヤ（第２の歯車）、２３ａ・・・主歯車、２３ｂ・・・副歯車、２４・・・ハウジング、３４・・・芯金、３５・・・合成樹脂部材、３７・・・歯部、３７ａ・・・歯面、３８・・・突起、４２・・・ウォーム（第１の歯車）、４３・・・ウォームホイール（第２の歯車）、４４・・・中間ギヤ（第２の歯車）、１００・・・電動パワーステアリング装置、１１９・・・減速装置（歯車装置）、２００・・・電動パワーステアリング装置、２１８・・・電動モータ、２１９・・・減速装置（歯車装置）、２２３・・・リダクションギヤ（第１の歯車）、２２４・・・ハウジング、２２７・・・ピニオンギヤ（第１の歯車）、Ｘ１・・・軸方向

Claims (4)

1. 互いに噛み合う第１および第２の歯車を備え、
   第１の歯車は金属製であり、
   第２の歯車は、主歯車と副歯車とを軸方向に積層して構成され、
   上記主歯車は、金属製であり、
   上記副歯車は、環状の芯金と、この芯金に射出成形により一体に融着され、第１の歯車の歯部に噛み合う歯部の少なくとも歯面を形成した合成樹脂部材とを含み、
   上記芯金は、合成樹脂部材を減肉するために各歯部の内部に進入した歯形形状の突起を有していることを特徴とする歯車装置。
2. 請求項１において、上記第１および第２の歯車を回転可能に支持する金属製のハウジングを備え、
   上記ハウジングの線膨張係数が、上記第１の歯車および上記芯金の線膨張係数よりも大きくされており、
   上記合成樹脂部材の線膨張係数が、上記ハウジングの線膨張係数よりも大きくされていることを特徴とする歯車装置。
3. 請求項２において、上記ハウジングはアルミニウムを含む材料で形成され、上記第１の歯車および上記芯金はそれぞれ鉄を含む材料で形成されていることを特徴とする歯車装置。
4. 電動モータの出力回転を減速する減速装置としての、請求項１〜３の何れか１項に記載の歯車装置を備える電動パワーステアリング装置。

Images