JP4909874B2 - ウォームギヤ機構を備えた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、運転者の操舵入力に応じて転舵力を発生する電動モータの駆動力を転舵輪に伝達する動力伝達経路上に設けられたウォームギア機構を備えた電動パワーステアリング装置に関するものである。

自動車の電動パワーステアリング装置においては、ドライバがステアリングホイールに加える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モータが設けられており、この電動モータの駆動力をステアリング軸に伝達するためにウォームギヤ機構を用いた構成が広く採用されており、電動モータの駆動力をウォームに入力して、ステアリング軸に固定された被動側のウォームホイールを回転させるようになっている。

このウォームギヤ機構では、小型で高い減速比が得られるという利点があるものの、電動モータの慣性が減速比の２乗倍でステアリング軸上に伝わるため、ステアリングホイールを大きく操作した際にラック軸がストッパに衝止されるステアリング突き当て時に大きな衝撃トルクが発生する。

このようなステアリング突き当て時の衝撃トルクは、ウォームのモジュールを大きくすることで対応することができるが、この場合、所要の減速比を得るためにウォームホイールの外径が大きくなり、配設自由度の低下を招くという問題があり、ウォームホイールの外径を大きくすることなく、ステアリング突き当て時の衝撃トルクを低減することができる構成が望まれる。

このような要望に対して、ウォームギヤ自身の捩り剛性を低くして衝撃トルクを低減する手法が考えられ、具体的には、ウォームホイールの歯の曲げ剛性を低くすれば良く、これによりウォームホイールの歯の弾性変形によりモータの運動エネルギを弾性エネルギに変換して衝撃トルクを低減することができる。

このようなウォームホイールの歯の曲げ剛性に関しては、従来、ウォームホイールを歯幅方向に２分割して弾性体で心金に結合した構成（特許文献１の図２参照）が知られている。この技術は、歯の曲げ剛性の低減そのものを目的としたものではないが、結果として歯の曲げ剛性を低減することができるものである。

また、ウォームホイールの歯の角部での干渉の防止などを目的として、ウォームホイールの歯を歯底から歯先にかけて歯幅を漸減させたテーパ形状とする歯形修整の技術が広く知られており、この歯形修整に類するものとして、ウォームホイールを歯元よりも軸心側の位置からテーパ形状とした構成のものも提案されており（特許文献２の図３参照）、このようにウォームホイールの歯をテーパ形状とすることで、歯の曲げ剛性を低減することが可能になる。
特開２００１−３５５７００号公報（図２） 特開２００４−３１４９１６号公報（図３）

しかしながら、前記の特許文献１に開示された技術では、歯幅の中央にスリットが形成されているため、バックラッシュを除去する手法としては効果を有するものの、歯底での曲げ応力が増大すると共に歯面応力も増大するため、強度の低下を招くという問題を有している。

また、前記のウォームホイールの歯をテーパ形状とする歯形修整の技術や特許文献２に開示された技術では、歯の曲げ剛性を低減することができるものの、歯元での歯幅が狭くなるため、歯元の曲げ応力及びせん断応力が増大し、これらの合応力である主応力も歯元で大きくなるため、強度の低下を招くという問題を有している。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、電動モータの駆動力が入力されるウォームギヤ機構において、ステアリング突き当て時の衝撃トルクを低減すると共に、高い強度を確保することができるように構成された電動パワーステアリング装置を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明においては、請求項１に示すとおり、運転者の操舵入力に応じて転舵力を発生する電動モータ（３）と、この電動モータの駆動力を転舵輪に伝達する動力伝達経路上に設けられたウォームギア機構（１１）とを有する電動パワーステアリング装置において、前記ウォームギア機構を構成するウォームホイール（３２）の歯（３６）が、歯底（４１）から歯幅を一定とした等幅部（４２）を歯底側に備えると共に、歯先（４３）に向けて歯幅が漸減するテーパ部（４４）を歯先側に備え、前記等幅部と前記テーパ部との境界が、ピッチ円と歯底円の間の位置に設定されたものとした。

これによると、歯先側のテーパ部では、歯先に向けて歯の断面積が次第に減少し、これに応じて歯の曲げ剛性が歯先に向けて次第に低下するため、歯が撓み易くなり、ステアリング突き当て時の衝撃トルクを低減することができる。また、歯元側の等幅部では、断面積が大きく且つ略一定となるため、歯元での応力を低減することができ、歯底近傍での亀裂の発生を避けて高い強度を確保することができる。

しかも、歯先側のテーパ部によりウォームの歯との噛合い部分で歯が撓み易くなるため、ウォームとウォームホイールとの歯面の接触が均一になり、歯面圧力を低減すると共に歯面圧力分布を均一化することができる。このため、負荷の変動に関わらず、ウォームとウォームホイールとの噛み合いが一定となり、良好な操舵感を得ることができる。

特に、歯元側の等幅部と歯先側のテーパ部との境界を、ピッチ円と歯底円の間の位置に設定する、すなわち歯底からピッチ円より内側の領域に、歯幅が一定な等幅部が形成され、その先に、歯幅を漸減させたテーパ部が形成された構成としたため、歯の曲げ剛性を低下させて衝撃トルクを低減するテーパ部の機能を十分に発揮させることができる。

前記電動パワーステアリング装置においては、請求項２に示すとおり、前記テーパ部が、前記ウォームギア機構を構成するウォーム（３１）の歯（３４）との噛み合い部分に対応するように設けられ、前記等幅部が、前記ウォームの歯先と前記ウォームホイールの歯底との間のクリアランスに対応するように設けられた構成とすると良い。これによると、ウォームの歯との噛み合い部分と、歯が撓み易くなるテーパ部とが対応するため、歯先から歯元までほぼ均等に歯当たりするようになり、歯面圧力分布の均一化を図ることができる。

前記電動パワーステアリング装置においては、請求項３に示すとおり、前記ウォームホイールの歯が、合成樹脂材料にて形成された構成とすることができる。

これによると、金属材料からなるものに比較して歯の曲げ剛性が低くなるため、ステアリング突き当て時の衝撃トルクを低減する効果を高めることができ、さらに歯面圧力の低減及び歯面圧力分布の均一化の効果をより一層実効あるものとして、操舵感の向上を図ることができる。

このように本発明によれば、歯先側のテーパ部により歯の曲げ剛性が低下するため、ステアリング突き当て時の衝撃トルクを低減することができ、同時に、歯底側の等幅部により歯底での応力を低減することができ、歯底近傍での亀裂の発生を避けて高い強度を確保することができ、さらに歯面の圧力分布を均一化することができるため、負荷の変動に関わらず、ウォームとウォームホイールとの噛み合いが一定となり、良好な操舵感を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

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）１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モータ３が設けられている。

また、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１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４と、このピニオン４に噛合して車幅方向に往復動可能に設けられたラック軸５とを有するラックアンドピニオン機構６を備え、ラック軸５の両端がタイロッド７を介して操向車輪としての左右の前輪８のナックルアーム９に連結されて、ステアリングホイール１の回転操作に応じて左右の前輪８が転舵されるようになっおり、電動モータ３の駆動力は、ギアボックス１０内にピニオン４と共に収容されたウォームギヤ機構１１を介してステアリング軸２に入力される。

電動モータ３は、ステアリング制御装置（EPS-ECU）１３により制御される。このステアリング制御装置１３には、ステアリングホイール１の操舵角を検出する操舵角センサ１４、ピニオン４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１５、及び車速を検出する車速センサ１６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モータ３が制御される。

図２は、図１に示したギアボックス１０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１０においては、ハウジング２１内に、電動モータ３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ヤ機構１１と、ステアリング軸２の回転運動をラック軸５の直動運動に変換するラックアンドピニオン機構６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１５とが収納されている。

ウォームギヤ機構１１は、電動モータ３の出力軸と同軸的に連結されたウォーム３１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３２とを有しており、電動モータ３の駆動力を駆動歯車としてのウォーム３１に入力して被動歯車としてのウォームホイール３２を回転させるようになっている。

図３は、図２に示したウォームギヤ機構１１の斜視図である。ウォーム３１は、芯部３３の周囲に１条の歯３４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３４を用いることによりウォームホイール３２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モータ３でも大きな倍力トルクが得られる。

他方、ウォームホイール３２は、ステアリング軸２に結合される芯金部３５と、この芯金部３５の周囲を取り囲むように形成されて、外周に歯３６が列設された環状の歯形成部３７とを備えている。芯金部３５は、金属材料にて形成されており、歯形成部３７は合成樹脂材料（例えばポリアミド樹脂など）にて形成されており、歯形成部３７はインサート成型などにて芯金部３５と一体的に結合されている。

図１に示したように、ステアリングホイール１を大きく操作した際に、ラック軸５の端部のジョイント１８がハウジング１９に衝止されることでラック軸５の移動が停止し、このとき、電動モータ３の回転が急激に停止するため、ウォームギヤ機構１１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モータ３の回転運動エネルギが、電動モータ３の出力軸と同軸に設けられたウォーム３１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、ここではウォームホイール３２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３２の歯３６の剛性が支配的となる。

図４は、図３に示したウォームギヤ機構の要部断面図であり、（Ａ）にウォーム３１の軸線に直交する平面で切断した断面を、（Ｂ）にウォームホイール３２の軸線に直交する平面で切断した断面をそれぞれ示している。本発明によるウォームギヤ機構１１では、ウォームホイール３２の歯３６が、歯底４１から歯幅を一定とした等幅部４２を歯底４１側に備えると共に、歯先４３に向けて歯幅が漸減するテーパ部４４を歯先４３側に備えた歯形に形成されている。

特にここでは、歯底４１側の等幅部４２と歯先４３側のテーパ部４４との境界を、歯３６のピッチ円と歯底円の間の位置に設定する、すなわち歯底４１からピッチ円より内側の領域に、歯幅が一定な等幅部４２が形成され、その先に、歯幅を漸減させたテーパ部４４が形成された構成となっている。

さらに、ウォーム３１の歯３４との噛み合い部分にテーパ部４４が対応し、ウォーム３１の歯先とウォームホイール３２の歯底４１との間のクリアランス（頂げき）に等幅部４２が対応する、すなわち、等幅部４２の歯丈方向の長さδが概ねクリアランスと一致するようになっている。

図５は、従来のウォームギヤ機構の要部断面図である。図５（Ａ）に示す例は、ウォームホイール３２の歯５１を、歯幅を歯底５２から歯先５３まで均一としたものである。図５（Ｂ）に示す例は、ウォームホイール３２の歯５５を、歯底５６から歯先５７に向けて歯幅が漸減するテーパ形状とする歯形修整を行ったものであり、図４の例とは異なり、歯底５６から歯先５７までの全丈に渡ってテーパ形状となっている。

図６は、図４・図５に示した各例でのウォームギヤ機構の捩り剛性を示すグラフである。トルクＴ_Ｍは、ウォーム３１の回転角θ_ＭＡが大きくなる、すなわちウォーム３１が回転するのに応じて増大する。またウォームホイール３２に入力される荷重は、トルクＴ_Ｍをウォームホイール３２の半径で除算して得られる。

図５（Ａ）に示した歯形修整のない従来のウォームホイールでは、歯底５２から歯先５３まで歯幅が一定であるため、歯５１の曲げ剛性が高くなり、捩り剛性が特性１のようになり、ステアリング突き当て時に発生する衝撃トルクはＴ_ＩＭＣとなり、大きな衝撃荷重が発生する。

図５（Ｂ）に示した歯形修整のある従来のウォームホイールでは、歯底５６から歯先５７に向けて歯幅が漸減するため、歯５５の曲げ剛性が低下し、捩り剛性が特性２のようになり、ステアリング突き当て時に発生する衝撃トルクはＴ_ＩＭＰとなり、図５（Ａ）の歯形修整のない例でのＴ_ＩＭＣより小さくなり、衝撃荷重を低減することができる。

一方、図４に示した本発明によるウォームホイールでは、歯先４３に向けて歯幅が漸減するテーパ部４４を備えているため、歯３６の曲げ剛性が低下し、捩り剛性が図５（Ｂ）の例とほぼ同様に特性３のようになり、ステアリング突き当て時に発生する衝撃トルクはＴ_ＩＭＰ’（≒Ｔ_ＩＭＰ）となり、衝撃荷重を低減することができる。

図７は、図４・図５に示した各例での応力特性を示すグラフである。図８は、図４・図５に示した各例でのウォームホイール３２の歯３６の撓み曲線を示すグラフである。図９は、図４・図５に示した各例でのウォーム３１の歯面応力の状況を示す模式図である。

図５（Ａ）に示した歯形修整のない従来のウォームホイールでは、歯底５２から歯先５３まで歯幅が一定であるため、図７（Ｂ）に示すように、せん断応力は、歯底５２から歯先５３まで一定となる特性を示し、曲げ応力は、歯先５３に向けて次第に減少する特性を示し、せん断応力と曲げ応力との合応力となる主応力も、歯先５３に向けて次第に減少する特性を示し、歯底で主応力が大きくなる。

また、歯５１の撓み曲線は、図８のＢで示すようになり、また図９（Ｂ）に示すように、歯先５３に荷重が集中し、歯面圧力分布を均一化することができない。

図５（Ｂ）に示した歯形修整のある従来のウォームホイールでは、歯底５６から歯先５７に向けて歯幅が漸減するため、図７（Ｃ）に示すように、せん断応力は、歯先５７に向けて次第に増大する特性を示し、曲げ応力は、歯底５６の近傍部分で概ね一定となり、歯先５７側では歯先５７に向けて次第に減少する特性を示し、せん断応力と曲げ応力との合応力となる主応力は、歯底５６の近傍部分で歯先５７に向けて次第に増大し、歯先５７側で歯先５７に向けて次第に減少する特性を示し、このように歯底５６の近傍部分で主応力が大きくなるため、亀裂が発生し易くなり、高い強度を確保することができない。

また、歯の撓み曲線は、図８のＣで示すようになり、図５（Ａ）の例に比較して撓み量が大きくなり、また図９（Ｃ）に示すように、歯元に荷重が集中し、歯面圧力分布を均一化することができない。また歯元の当たりが強いため、ウォーム効率（ウォームギア機構の動力伝達効率）が悪く、歯元における発熱により合成樹脂材料からなる歯３６の強度低下を引き起こすおそれがある。

一方、図４に示した本発明によるウォームホイール３２では、歯底４１側に等幅部４２を、歯先４３側にテーパ部４４を有するため、図７（Ａ）に示すように、せん断応力は、等幅部４２で一定となり、テーパ部４４で歯先４３に向けて次第に増大する特性を示し、曲げ応力は、歯先４３に向けて次第に減少するものの、テーパ部４４で減少傾向が一旦緩やかになる特性を示し、せん断応力と曲げ応力との合応力となる主応力は、等幅部４２で一定となり、テーパ部４４で次第に減少する特性を示す。

このように歯底４１側の等幅部４２により、歯底４１の近傍部分でのせん断応力が一定になり、また主応力も一定となり、さらに前記のようにテーパ部４４により歯３６の曲げ剛性が低いため、歯底４１の近傍部分での主応力は相対的に小さくなる。このように亀裂が発生し易い歯底４１の近傍部分での主応力が小さく且つ一定となるため、亀裂の発生を効果的に抑制して高い強度を確保することができる。

また、歯３６の撓み曲線は、図８のＡで示すようになり、撓み量は、図５（Ａ）の例での撓み曲線Ｂと図５（Ｂ）の例での撓み曲線Ｃとの中間の大きさとなる。特にここでは、テーパ部４４と等幅部４２との境界位置で撓み曲線Ａが変極点を有し、ウォーム３１の歯３４との噛み合い部分に対応するテーパ部４４で歯３６が撓み易くなる。このため、図９（Ａ）に示すように、ウォーム３１の歯先から歯元までほぼ均等に歯当たりするようになり、歯面圧力分布を均一化することができる。これにより負荷の変動に関わらず、ウォーム３１とウォームホイール３２との噛み合いが一定となり、良好な操舵感を得ることができる。

なお、図９に示す例では、ウォーム３１の歯面の断面形状が直線となる構成としており、この場合、ウォームホイール３２の歯面の断面形状はインボリュートとなるが、本発明はこのような歯面形状に限定されるものではなく、種々の歯面形状に適用することができる。

また、本発明の電動パワーステアリング装置には、電動モータの駆動力を、運転者の操舵をアシストする補助操舵力として利用する構成の他、操向ハンドルと転舵輪とが機械的に切り離されて、転舵輪に対する転舵力の全てを電動モータで発生させる構成のステアバイワイヤ（Steer By Wire）も含まれる。

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に示したギヤボックスをII−II線で切断して示す断面図である。 図２に示したウォームギヤ機構の斜視図である。 図３に示したウォームギヤ機構の要部断面図である。 従来のウォームギヤ機構の要部断面図である。 図４・図５に示した各例でのウォームギヤ機構の捩り剛性を示すグラフである。 図４・図５に示した各例での応力特性を示すグラフである。 図４・図５に示した各例でのウォームホイールの歯の撓み曲線を示すグラフである。 図４・図５に示した各例でのウォームの歯面応力の状況を示す模式図である。

符号の説明

２ ステアリング軸
３ 電動モータ
１１ ウォームギヤ機構
３１ ウォーム
３２ ウォームホイール
３３ 芯部
３４ 歯
３５ 芯金部
３６ 歯
３７ 歯形成部
４１ 歯底
４２ 等幅部
４３ 歯先
４４ テーパ部

Claims (3)

1. 運転者の操舵入力に応じて転舵力を発生する電動モータと、この電動モータの駆動力を転舵輪に伝達する動力伝達経路上に設けられたウォームギア機構とを有する電動パワーステアリング装置において、
   前記ウォームギア機構を構成するウォームホイールの歯が、歯底から歯幅を一定とした等幅部を歯底側に備えると共に、歯先に向けて歯幅が漸減するテーパ部を歯先側に備え、前記等幅部と前記テーパ部との境界が、ピッチ円と歯底円の間の位置に設定されたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記テーパ部が、前記ウォームギア機構を構成するウォームの歯との噛み合い部分に対応するように設けられ、前記等幅部が、前記ウォームの歯先と前記ウォームホイールの歯底との間のクリアランスに対応するように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記ウォームホイールの歯が、合成樹脂材料にて形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。

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