(57)【要約】【課題】ミスアライメントによるこじれ等に起因して発生する振動および騒音を、低コストで、かつ、簡単な構成で抑制する電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】ハウジング１に貫通し車輪を操舵する操舵機構に連結され、一端部にラック歯５が形成された操舵軸２と、ステアリングホイールからの回転力を、操舵軸２の軸方向力に変換する変換機構４と、操舵軸２を構成するボールねじ軸１４に複数のボール１７を介して外嵌されたボールナット１３とからなるボールねじ１２と、ボールナット１３をハウジング１に対して回転自在に支承する転がり軸受１０、１１と、モータ６とを備えた電動パワーステアリング装置において、操舵軸２のラック歯５とボールねじ軸１４のねじ溝１５との間に、このねじ溝１５の溝径よりも小さい小径軸部１９を設け、この部位のラジアル剛性を低下させた。【選択図】      図１
2004175243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円筒状をなすハウジングと、このハウジングに貫通し、車輪を操舵する操舵機構に連結され、一端部にラック歯が形成された操舵軸と、ステアリングホイールからの回転力を、前記操舵軸を長手方向に移動させるための力に変換するラックアンドピニオンとからなる変換機構と、前記操舵軸の一部がボールねじ軸となり、このボールねじ軸に複数のボールを介して外嵌されたボールナットとからなるボールねじと、前記ボールナットを前記ハウジングに対して回転自在に支承する転がり軸受と、前記ハウジングの内周面に固着されたステータと、このステータの内周面に所定の径方向すきまを介して対向し、前記ボールナットに支持されたロータとからなるモータとを備えた電動パワーステアリング装置において、
前記操舵軸のラック歯と前記ボールねじ軸のねじ溝との間に、他の部位よりもラジアル剛性が小さい部位を設けたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【請求項２】
前記操舵軸のラック歯と前記ボールねじ軸のねじ溝との間に、このねじ溝の溝径よりも小さい小径軸部を設けた請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項３】
前記操舵軸のラック歯と前記ボールねじ軸のねじ溝との間にスリットを形成した請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項４】
前記ボールナットをスリーブの一端部に内嵌すると共に、このスリーブの両端に転がり軸受を外嵌し、前記ボールナットを、当該スリーブを介して前記ハウジングに対して回転自在に支承した請求項１乃至３いずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボールねじ式ラックアシスト型の電動パワーステアリング装置に関し、特に、振動や騒音の発生を抑制した電動パワーステアリング装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳと呼ぶ）は、ステアリングホイールの操舵力を電動モータでアシストするものであり、種々の形式のものがある。そのうちの一つとして、車輪の操舵機構に連結された進退自在な操舵軸に対して、ステアリングホイールからラックアンドピニオン機構等の変換機構を介して軸方向移動力を与えると共に、電動モータの出力を、ボールねじを介して軸方向移動力として与えるようにしたものがある。
【０００３】
このステアリングホイールによる操舵力アシスト用のモータ回転を、操舵軸の軸方向の移動に変換すべく用いられているボールねじ機構において、ミスアライメントによるこじれ等に起因して発生する振動および騒音を抑制するＥＰＳが知られている。
【０００４】
このＥＰＳは、図３に示すように、ラックシャフト（操舵軸）７１は、ギアボックス７２内のピニオン（図示せず）に噛合するラック（図示せず）を有すると共に、その左右端にタイロッド７３を揺動自在に支持する球面継手７４が螺着されている。また、パワーアシスト機構７５は、ギアボックス７２の端部に外嵌した円筒形状のハウジング７６を外郭とし、ステータ７７とロータ７８とからなる電動モータ７９の他、エクステンションパイプ８０を介してロータ７８に固着されたボールナット８１を備えている。さらに、玉軸受８２を介してエクステンションパイプ８０とボールナット８１とがギアボックス７２およびハウジング７６にそれぞれ回動自在に支持されている。
【０００５】
図４（図３中のＡ部拡大図）に示すように、ラックシャフト７１に多数条の雄ねじ溝５１が形成される一方、ボールナット８１には複数条の雌ねじ溝５３が形成されている。また、ボールナット８１内には駒等の循環要素（図示せず）が３個設けられており、これら循環要素と雄ねじ溝５１および雌ねじ溝５３とにより、各一条の第１〜第３循環通路６１〜６３が形成されている。そして、これら第１〜第３循環通路６１〜６３には、それぞれ多数個の鋼球６４〜６６から構成された第１〜第３鋼球群６７〜６９が組み込まれている。
【０００６】
第２鋼球群６８を構成する鋼球６５は、その直径Ｄ２が第１鋼球群６７を構成する鋼球６４の直径Ｄ１や第３鋼球群６９を構成する鋼球６６の直径Ｄ３より大きく設定され、かつ、雄ねじ溝５１と雌ねじ溝５３との間に所定の予圧量をもって介装されている。
【０００７】
ここで、運転者が図示しないステアリングホイールを回転させると、この回転力が、ラックアンドピニオン機構により直線運動に変換され、ラックシャフト７１が左右いずれかの方向に移動し、左右のタイロッド７３を介して車輪の舵角が変動して操舵が行なわれる。パワーアシスト機構７５内では、図示しないトルクセンサーの出力に基き、電動モータ７９のロータ７８が正逆いずれかの方向に所定の回転トルクをもって回転し、エクステンションパイプ８０を介してロータ７８に固着されたボールナット８１も同一の回転量で回転する。ボールナット８１が回転すると、その雌ねじ溝５３に係合した鋼球６４〜６６を介してラックシャフト７１の雄ねじ溝５１にはスラスト力が作用し、これにより操舵アシストが実現される。
【０００８】
ハウジング７６の工作精度等によるミスアライメントが存在したり、外部からラックシャフト７１にラジアル入力があると、ラックシャフト７１とボールナット８１との間には所定のラジアル荷重Ｆｒが作用する。そして、このラジアル荷重Ｆｒの値が所定の閾値Ｆｒｏより小さい場合には、鋼球６５の直径Ｄ２が鋼球６４の直径Ｄ１や鋼球６６の直径Ｄ３より大きいため、ラジアル荷重Ｆｒおよびスラスト荷重Ｆｔは、第２鋼球群６８を構成する鋼球６５によってのみ受け持たれ、第１、第３鋼球群６７、６９を構成する鋼球６４、６６には作用しない。
【０００９】
これにより、パワーアシスト機構７５の作動トルクが低減されると同時に、ラックシャフト７１がボールナット８１に対して鋼球６５を揺動支点として揺動することでラックシャフト７１とボールナット８１とのこじれも防止される。また、鋼球６５は雄ねじ溝５１と雌ねじ溝５３との間に予圧をもって介装されているため、ラックシャフト７１に外部からの振動入力があっても、騒音の原因となるラックシャフト７１のボールナット８１に対する振動が抑制される。
【００１０】
一方、前述したラジアル荷重Ｆｒの値が閾値Ｆｒｏ以上である場合には、ラジアル荷重Ｆｒは、第２鋼球群を構成する鋼球６５のみならず、第１、第３鋼球群６７、６９を構成する鋼球６４、６６によって受け持たれる。これにより、第２鋼球群６８を構成する鋼球６５に過大な負荷が作用することがなくなり、パワーアシスト機構７５の耐久性が向上する。なお、この場合も、鋼球６５は雄ねじ溝５１と雌ねじ溝５３との間に予圧をもって介装されているため、騒音の原因となるラックシャフト７１のボールナット８１に対する振動が抑制される（例えば、特許文献１参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−７２００８号公報（第３、４頁、第１〜３図）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうしたＥＰＳにおいて、パワーアシスト機構７５を構成するボールねじにおいて、第２鋼球群６８を構成する鋼球６５は、その直径Ｄ２が第１鋼球群６７を構成する鋼球６４の直径Ｄ１や第３鋼球群６９を構成する鋼球６６の直径Ｄ３より大きく設定され、かつ、雄ねじ溝５１と雌ねじ溝５３との間に所定の予圧量をもって介装されるようになっているが、実際には雄ねじ溝５１と雌ねじ溝５３の工作精度のバラツキによってその予圧量が変化するため、数種類の鋼球を準備し、マッチングをして予圧量を管理する必要がある。こうした両ねじ溝５１、５３、および鋼球６４、６５、６６の寸法管理や組立調整は難しく非常に手間がかかり、工数の増加によるコスト高騰を招来する。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、操舵力アシスト用のモータ回転を、操舵軸の軸方向の移動に変換すべく用いられているボールねじ機構において、ミスアライメントによるこじれ等に起因して発生する振動および騒音を、低コストで、かつ、簡単な構成で抑制する電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、略円筒状をなすハウジングと、このハウジングに貫通し、車輪を操舵する操舵機構に連結され、一端部にラック歯が形成された操舵軸と、ステアリングホイールからの回転力を、前記操舵軸を長手方向に移動させるための力に変換するラックアンドピニオンとからなる変換機構と、前記操舵軸の一部がボールねじ軸となり、このボールねじ軸に複数のボールを介して外嵌されたボールナットとからなるボールねじと、前記ボールナットを前記ハウジングに対して回転自在に支承する転がり軸受と、前記ハウジングの内周面に固着されたステータと、このステータの内周面に所定の径方向すきまを介して対向し、前記ボールナットに支持されたロータとからなるモータとを備えた電動パワーステアリング装置において、前記操舵軸のラック歯と前記ボールねじ軸のねじ溝との間に、他の部位よりもラジアル剛性が小さい部位を設けた。
【００１５】
このように、操舵軸のラック歯と、操舵軸の一部を構成するボールねじ軸のねじ溝との間に、操舵軸における他の部位よりもラジアル剛性が小さい部位を設けたので、ミスアライメントによるこじれ等に起因して発生する振動および騒音を、低コストで、かつ簡単な構成で抑制することができる。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明のように、前記操舵軸のラック歯と前記ボールねじ軸のねじ溝との間に、このねじ溝の溝径よりも小さい小径軸部を設ければ、ミスアライメントによるこじれ等に起因して発生する振動および騒音を、この部位で効果的に吸収することができる。この小径軸部は、不完全ねじ部の延長上に旋削加工で連続して形成することができるため、サイクルタイムは非常に短く、また、チャック換えも不要となり、追加工によるコストアップを最小限に抑えることができ、生産性が高く量産に好適である。
【００１７】
また、小径軸部に変え、請求項３に記載の発明のように、前記操舵軸のラック歯と前記ボールねじ軸のねじ溝との間にスリットを形成しても良い。
【００１８】
好ましくは、請求項４に記載の発明のように、前記ボールナットをスリーブの一端部に内嵌すると共に、このスリーブの両端に転がり軸受を外嵌し、前記ボールナットを、当該スリーブを介して前記ハウジングに対して回転自在に支承すれば、ハウジングに対して両持ち支持したスリーブにボールナットを内嵌することになり、ミスアライメントを最小限に抑えることができ、ボールナットを安定して支承することができる。したがって、ボールねじ軸のこじれ等の発生を可及的に抑制することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施形態を示す一部破断正面図である。
【００２０】
ハウジング１は、図示しないブラケットを介して車体に固定される。このハウジング１内には操舵軸２が貫通している。操舵軸２の両端部にはタイロッド（図示せず）が連設され、車輪を操舵する操舵機構（図示せず）に連結されている。ハウジング１の一側から斜め上方に延びるようにピニオン軸３が設けられ、このピニオン軸３は上端でステアリングホイール（図示せず）に連結される。ピニオン軸３は、回転自在に支持されており、その回転は、下端の変換機構４を介して操舵軸２に軸方向の移動力として伝達される。変換機構４は、操舵軸２の長手方向の一部に形成されているラック歯５と、ピニオン軸３の下端に設けられ、ラック歯５と噛合するピニオン（図示せず）とからなる。ピニオン軸３の一部には、その操舵トルクを検出し、モータ制御装置（図示せず）にその検出信号を送信するトルク検出器（図示せず）が設けられている。
【００２１】
ハウジング１は略円筒状に形成され、中央の筒体１ａと、この筒体１ａの両端に結合された支持部材１ｂ、１ｃとで構成されている。ハウジング１の内周中央部には、モータ６を構成するステータ７が圧入固定されている。ステータ７は、コアおよびステータコイルからなり、この内周には、モータ６のロータ８が所定の径方向すきまを介して対向配置されている。このロータ８は、磁性体により円筒状に形成され、スリーブ９の外周に一体固定されている。スリーブ９の内周には、操舵軸２が軸方向移動自在に挿通されている。こうしたモータ６は、図示しないモータ制御装置により、前述したトルク検出器の検出信号に従って制御される。
【００２２】
スリーブ９の両端部には転がり軸受（玉軸受）１０、１１が外嵌され、これら転がり軸受１０、１１を介してハウジング１内に両持ちで回転自在に支承されている。この転がり軸受１０、１１は、単列の軸受であっても、また複列の軸受であっても良く、ラジアル荷重およびスラスト荷重を負荷できるものなら良い。また、スリーブ９の一端部には、ボールねじ１２を構成するボールナット１３が内嵌されている。ロータ８の回転は、ボールねじ１２を介して、操舵軸２に対して軸方向の移動力として伝達される。また、ボールねじ１２は、操舵軸２の軸方向の一部がボールねじ軸１４として構成されている。
【００２３】
ボールねじ軸１４の外周には螺旋状のねじ溝１５が、また、ボールナット１３の内周にはこのねじ溝１５に対向する螺旋状のねじ溝１６がそれぞれ形成されている。そして、対向するこれらねじ溝１５、１６により形成された転動路に複数のボール１７を収容すると共に、ボールナット１３には、ねじ溝１６を連結し、ボール循環要素をなす駒部材（図示せず）が装着されている。１８は支持部材１ｃに装着したシールで、ボールねじ軸１４に摺接して外部からのダスト等の侵入を防止している。
【００２４】
ここで、操舵軸２に形成されたラック歯５と、操舵軸２の一部を構成するボールねじ軸１４に形成されたねじ溝１５との間には不完全ねじ部が存在し、この不完全ねじ部には、ボールねじ軸１４におけるねじ溝１５の溝径より小さい小径軸部１９が設けられている。操舵軸２にこの小径軸部１９を設けることにより、操舵軸２のラジアル剛性を小さくすることができる。したがって、操舵軸２にミスアライメントによるこじれや振動が発生した時、その振動をこの小径軸部１９で吸収することができ、振動に起因する騒音の発生を最小限に抑制することができる。
【００２５】
操舵軸２の曲げ強度については、小径軸部１９の両側はピニオンとボールナット１３で支持され、操舵軸２に負荷されるラジアル荷重は、これらピニオンとボールナット１３で受け持ち、小径軸部１９には曲げ荷重はほとんど負荷されないため強度面における問題はない。
【００２６】
操舵軸２の圧縮、引張強度については、小径軸部１９の応力を算出し、素材の特性を超えないように小径軸部１９の最小径を決定する。また、捩れ強度については、径差や隅部のアールによって条件が異なるため、次式で求められるせん断応力が素材の特性を超えないように最小径を決定する。
τｍａｘ＝ατｎ、τｎ＝１６Ｔ／（πｄ３）
ここで、τｍａｘ＝許容せん断応力、τｎ＝せん断応力、ｄ＝小径軸部の軸径、Ｔ＝捩れトルク、α＝段付軸の捩りの形状係数
【００２７】
この小径軸部１９は、不完全ねじ部の延長上に旋削加工で連続して形成することができるため、サイクルタイムは非常に短く、また、チャック換えも不要となり、追加工によるコストアップを最小限に抑えることができる。したがって、ミスアライメントによるこじれ等に起因して発生する振動および騒音を、低コストで、かつ、簡単な構成で抑制できる電動パワーステアリング装置を提供することができる。
【００２８】
図２は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の他の実施形態を示す一部破断正面図である。なお、前述した実施形態と同一部品同一部位には同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００２９】
ここで、操舵軸２０に形成されたラック歯５と、操舵軸２０を構成するボールねじ軸１４に形成されたねじ溝１５との間には、スリット２１を設けている。このスリット２１を有する軸部は、ねじ溝１５部よりもラジアル剛性が小さく設定されている。したがって、前述した実施形態と同様、操舵軸２にこじれや振動が発生した時、その振動をこの小径軸部１９で吸収することができ、振動に起因する騒音の発生を最小限に抑制することができる。なお、例示したような径方向に形成するスリット２１に限らず、操舵軸２０の他の軸部よりも剛性が小さくできる形状であれば良く、例えば、操舵軸２０の外周面に複数の軸方向溝を部分的に形成しても良い。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る電動パワーステアリング装置は、略円筒状をなすハウジングと、このハウジングに貫通し、車輪を操舵する操舵機構に連結され、一端部にラック歯が形成された操舵軸と、ステアリングホイールからの回転力を、前記操舵軸を長手方向に移動させるための力に変換するラックアンドピニオンとからなる変換機構と、前記操舵軸の一部がボールねじ軸となり、このボールねじ軸に複数のボールを介して外嵌されたボールナットとからなるボールねじと、前記ボールナットを前記ハウジングに対して回転自在に支承する転がり軸受と、前記ハウジングの内周面に固着されたステータと、このステータの内周面に所定の径方向すきまを介して対向し、前記ボールナットに支持されたロータとからなるモータとを備えた電動パワーステアリング装置において、前記操舵軸のラック歯と前記ボールねじ軸のねじ溝との間に、他の部位よりもラジアル剛性が小さい部位を設けたので、ミスアライメントによるこじれ等に起因して発生する振動および騒音を、低コストで、かつ簡単な構成で抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施形態を示す一部破断正面図である。
【図２】同上、他の実施形態を示す一部破断正面図である。
【図３】従来の電動パワーステアリング装置を示す一部破断正面図である。
【図４】図３のＡ部拡大図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・・・・・・・・・・ハウジング
１ａ・・・・・・・・・・・・・・・・筒体
１ｂ、１ｃ・・・・・・・・・・・・・支持部材
２、２０・・・・・・・・・・・・・・操舵軸
３・・・・・・・・・・・・・・・・・ピニオン軸
４・・・・・・・・・・・・・・・・・変換機構
５・・・・・・・・・・・・・・・・・ラック歯
６・・・・・・・・・・・・・・・・・モータ
７・・・・・・・・・・・・・・・・・ステータ
８・・・・・・・・・・・・・・・・・ロータ
９・・・・・・・・・・・・・・・・・スリーブ
１０、１１・・・・・・・・・・・・・転がり軸受
１２・・・・・・・・・・・・・・・・ボールねじ
１３・・・・・・・・・・・・・・・・ボールナット
１４・・・・・・・・・・・・・・・・ボールねじ軸
１５、１６・・・・・・・・・・・・・ねじ溝
１７・・・・・・・・・・・・・・・・ボール
１８・・・・・・・・・・・・・・・・シール
１９・・・・・・・・・・・・・・・・小径軸部
２１・・・・・・・・・・・・・・・・スリット
５１・・・・・・・・・・・・・・・・雄ねじ溝
５３・・・・・・・・・・・・・・・・雌ねじ溝
６１・・・・・・・・・・・・・・・・第１循環通路
６２・・・・・・・・・・・・・・・・第２循環通路
６３・・・・・・・・・・・・・・・・第３循環通路
６４、６５、６６・・・・・・・・・・鋼球
６７・・・・・・・・・・・・・・・・第１鋼球群
６８・・・・・・・・・・・・・・・・第２鋼球群
６９・・・・・・・・・・・・・・・・第３鋼球群
７１・・・・・・・・・・・・・・・・ラックシャフト
７２・・・・・・・・・・・・・・・・ギアボックス
７３・・・・・・・・・・・・・・・・タイロッド
７４・・・・・・・・・・・・・・・・球面継手
７５・・・・・・・・・・・・・・・・パワーアシスト機構
７６・・・・・・・・・・・・・・・・ハウジング
７７・・・・・・・・・・・・・・・・ステータ
７８・・・・・・・・・・・・・・・・ロータ
７９・・・・・・・・・・・・・・・・電動モータ
８０・・・・・・・・・・・・・・・・エクステンションパイプ
８１・・・・・・・・・・・・・・・・ボールナット
８２・・・・・・・・・・・・・・・・玉軸受
ｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・小径軸部の軸径
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３・・・・・・・・・・直径
Ｆｒ・・・・・・・・・・・・・・・・ラジアル荷重
Ｆｔ・・・・・・・・・・・・・・・・スラスト荷重
Ｆｒｏ・・・・・・・・・・・・・・・・閾値
Ｔ・・・・・・・・・・・・・・・・・捩れトルク
τｍａｘ・・・・・・・・・・・・・・・・許容せん断応力
τｎ・・・・・・・・・・・・・・・・せん断応力
α・・・・・・・・・・・・・・・・・段付軸の捩りの形状係数
【図１】
2004175243.tif 000003
【図２】
2004175243.tif 000004
【図３】
2004175243.tif 000005
【図４】
2004175243.tif 000006