JP5045329B2 - ボールねじ装置および電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボールねじ装置およびそのボールねじ装置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。

一般に、電動パワーステアリング装置は、ステアリングシャフトの回転によって軸方向移動されるラック軸と、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基づいてモータシャフトを回転駆動する電動モータと、モータシャフトの回転運動をラック軸の軸方向運動に変換するボールねじ装置とを備えている。

ところで、ラック軸と同軸的に電動モータを配設したラック同軸型電動パワーステアリング装置においては、例えば、特許文献１に記載されているように、ラック軸にボールねじ軸を一体に設け、このボールねじ軸に転動ボールを介して螺合するボールナットを、締付けナットによってモータシャフトの一端に一体的に固定するようになっている。

この種の電動パワーステアリング装置においては、製造上におけるラック軸のひずみ、あるいは、外部から大きな負荷が作用することによるラック軸のたわみにより、ボールねじ装置部分にかしぐような荷重が作用し、このために、操舵時に一時的にトルクが大きくなる、いわゆるひっかかり現象が生ずる。このために、ラック軸をボールねじ装置部分で傾斜できるようにすることが有効となる。

従来、ラック軸がボールねじ装置部分で傾斜することを許容するものとして、例えば、特許文献２に記載されているように、ボールねじ軸に螺合するボールナットをラックハウジングに球面軸受によってラック軸の軸心に対して揺動可能に支持したものが知られている。
特開２００６−１３１０３８号公報 実公平５−１４９３９号公報

上記した特許文献２に記載されているものによれば、ラック軸の一端側のピニオンギヤとラック部との噛合い部において発生するラック軸の半径方向の変位に伴って付与されるせん断方向の荷重が作用しても、ボールナットを球面軸受によりラックハウジングに対して揺動可能に支承しているので、ボールねじ装置のボールの巻き始め部分や巻き終り部分に、せん断方向の荷重が集中することがなくなり、その結果、ボールの転動をなめらかにできる利点がある。

しかしながら、特許文献２に記載のものにおいては、ボールねじ装置のボールナットが、環状部材（４６、４７）に摺接可能に係合する球面軸受（４８、４９）によって揺動可能に支持されているので、球面軸受の摺動摩擦抵抗が大きく、ボールナットをスムーズに揺動させることが難しい問題がある。

本発明は、上記した従来の問題点を解消するためになされたもので、小さな摺動抵抗でボールナットの揺動運動を許容できるようにしたボールねじ装置および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ものである。

上記の課題を解決するため、請求項１に係るボールねじ装置の発明の特徴は、 外周面にボール転動溝を螺旋状に形成したボールねじ軸と、内周面にボール転動溝を螺旋状に形成したボールナットとを備え、前記ボールねじ軸に前記ボールナットを循環ボールを介して螺合し、前記ボールナットを回転筒部材内に軸方向移動を規制して装着したボールねじ装置において、前記ボールナットの軸方向両端部に凸球面を設け、前記ボールナットの軸方向両端側に、前記凸球面と係合して前記ボールナットを揺動可能に支持する係合部材を前記回転筒部材内に配設し、該係合部材は、合成樹脂にて構成され、前記係合部材は、前記凸球面を支持し前記ボールナットの揺動方向に弾性変形可能な複数の係合突起を有しており、該係合突起の先端部が、前記ボールナットの軸心を中心とする仮想球面上に整列されていることである。

請求項２に係るボールねじ装置の発明の特徴は、請求項１において、前記ボールナットの軸方向中央部に前記回転筒部材の内径と略同径の大径部を形成し、該大径部を前記回転筒部材の内周に嵌合させたことである。

請求項３に係る電動パワーステアリング装置の発明の特徴は、ギヤハウジングと、該ギヤハウジングに軸方向に移動可能に貫挿されラックピニオン機構を介して入力軸に連結されるラック軸と、該ラック軸と同軸的に前記ギヤハウジング内に配置された電動モータと、該電動モータによって回転されるモータシャフトと、該モータシャフトの回転を前記ラック軸の軸方向運動に変換するボールねじ装置とを備えた電動パワーステアリング装置において、前記ボールねじ装置は、外周面にボール転動溝を螺旋状に形成したボールねじ軸と、内周面にボール転動溝を螺旋状に形成し前記ボールねじ軸に循環ボールを介して螺合し前記回転筒部材内に軸方向移動を規制して装着されたボールナットとによって構成され、前記ボールナットの軸方向両端部に凸球面を設け、前記ボールナットの軸方向両端側に、前記ボールナットの揺動を許容して前記凸球面と係合する係合部材を前記モータシャフト内に配設し、該係合部材は、合成樹脂にて構成され、前記係合部材は、前記凸球面を支持し前記ボールナットの揺動方向に弾性変形可能な複数の係合突起を有しており、該係合突起の先端部が、前記ボールナットの軸心を中心とする仮想球面上に整列されていることである。

請求項１に係るボールねじ装置の発明によれば、軸方向両端部に凸球面を設けたボールナットの軸方向両端側に、凸球面と係合してボールナットを揺動可能に支持する係合部材を回転筒部材内に配設し、合成樹脂にて構成された係合部材は、凸球面を支持しボールナットの揺動方向に弾性変形可能な複数の係合突起を有し、これら係合突起の先端部が、ボールナットの軸心を中心とする仮想球面上に整列されているので、ボールナットの揺動運動を、係合部材と凸球面とをほとんど相対滑りさせることなく、係合突起の弾性変形によって行うことができる。これにより、ボールナットの揺動運動時の摺動摩擦抵抗をきわめて小さくすることができ、ラック軸のひずみやたわみに応じてボールナットをスムーズに揺動させることができる。

しかも、係合部材は、合成樹脂にて構成されているので、弾性変形可能な係合突起を容易に形成することができる。

請求項２に係るボールねじ装置の発明によれば、ボールナットの軸方向中央部に回転筒部材の内径と略同径の大径部を形成し、大径部を回転筒部材の内周に嵌合させたので、ボールナットの揺動運動を許容しつつ、モータシャフトに対するボールナットの半径方向移動を制限することができる。

請求項３に係る電動パワーステアリング装置の発明によれば、外周面にボール転動溝を螺旋状に形成したボールねじ軸と、内周面にボール転動溝を螺旋状に形成しボールねじ軸に循環ボールを介して螺合しモータシャフト内に軸方向移動を規制して装着されたボールナットとによって構成されたボールねじ装置を備え、ボールナットの軸方向両端部に凸球面を設け、ボールナットの軸方向両端側に、ボールナットの揺動を許容して凸球面と係合する係合部材をモータシャフト内に配設し、合成樹脂にて構成された係合部材は、凸球面を支持しボールナットの揺動方向に弾性変形可能な複数の係合突起にて構成され、これら係合突起の先端部が、ボールナットの軸心を中心とする仮想球面上に整列されているので、ラック軸のひずみやたわみに応じてボールナットをスムーズに揺動させることができるボールねじ装置を備えた電動パワーステアリング装置を具現化することができる。

以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態のボールねじ装置を備えた電動パワーステアリング装置１０の全体を示すもので、当該電動パワーステアリング装置１０は、車両の左右方向に延在して配設されたハウジング１１を備え、ハウジング１１には、図略のステアリングホイールによって回転されるピニオン軸１２と、ピニオン軸１２に噛合うラック歯１３ａを形成したラック軸１３と、ラック軸１３と同軸的に配設した電動モータ１４と、電動モータ１４の回転運動をラック軸１３の軸方向運動に変換するボールねじ装置１５等が設けられている。

ハウジング１１は、円筒状のモータハウジング１６と、モータハウジング１６の両端に同軸上に嵌合された中空状のラックハウジング１７、１８からなり、ラックハウジング１７、１８に形成された取付部１７ａ、１８ａを介して図略の車体ボディに支持されるようになっている。

ハウジング１１には、ラック軸１３が軸方向に摺動可能に貫挿され、ラック軸１３の両端は、タイロッドを介して左右の操向車輪に連結され、ラック軸１３の軸動によって操向車輪が左右方向に操向されるようになっている。

ラック軸１３の一端にはボールねじ装置１５を構成するボールねじ軸２０が設けられている。ボールねじ装置１５は、図２に示すように、外周面にボール転動溝２０ａを螺旋状に形成したボールねじ軸２０と、内周面にボール転動溝２１ａを螺旋状に形成したボールナット２１と、ボールねじ軸２０のボール転動溝２０ａとボールナット２１のボール転動溝２１ａとの間で形成されるボール軌道内を転動する複数の転動ボール２４と、隣接する２つのボール転動溝２０ａ、２１ａ間で転動ボール２４をリターンする複数のデフレクタ２５とによって構成されている。ボールナット２１は後述するように、電動モータ１４のロータを構成するモータシャフト４１内に軸方向移動および回動を規制されて揺動可能に装着されるようになっている。これにより、モータシャフト４１によるボールナット２１の正逆回転によって、ボールねじ軸２０とともにラック軸１３が軸方向に往復動されるようになる。なお、モータシャフト４１は、請求項における回転筒部材を構成している。

次に、モータシャフト４１内でボールナット２１の揺動運動を許容する構成について、図３ないし図５に基づいて説明する。

図３および図５に示すように、モータシャフト４１の一端には、ナット収容部４１ａが形成され、このナット収容部４１ａ内に底部側より、第１の係合ワッシャ３１、第１の球面ワッシャ３２、ボールナット２１、第２の球面ワッシャ３３、第１の係合ワッシャ３４が、モータシャフト４１と同一の軸線上に順次挿入され、モータシャフト４１の開口端に形成されたねじ穴にねじ係合する締付けナット２６により、軸方向移動が規制されるようになっている。

ボールナット２１の外周にはキー溝２１ａが形成され、このキー溝２１ａにモータシャフト４１に螺着されたキー部材３５が係合し、これによって、ボールナット２１はモータシャフト４１に対して回り止めされている。ボールナット２１の外周の軸方向中央部には、モータシャフト４１の内径とほぼ同径の大径部２１ｂが形成され、この大径部２１ｂの両側は、ボールナット２１の外周とモータシャフト４１の内周との間にボールナット２１の揺動を許容するための隙間が形成されている。これによって、ボールナット２１はモータシャフト４１内に中央部を嵌合され、かつ半径方向移動を規制されて揺動可能に支持される。

ボールナット２１の軸方向両端部に配設された第１および第２の球面ワッシャ３２、３３の各外側には、ボールナット２１の軸心Ｏを中心とする凸状の球面３２ａ、３３ａがそれぞれ形成され、第１および第２の球面ワッシャ３２、３３の各内側は、ボールナット２１の両端面に一体的に接合されている。

第１および第２の球面ワッシャ３２、３３のそれぞれ外側に配設された第１および第２の係合ワッシャ３１、３４は、第１および第２の球面ワッシャ３２、３３を軸心Ｏを中心として揺動可能に支持する弾性変形可能な針状の多数の係合突起３１ａ、３４ａを有している。多数の係合突起３１ａ、３４ａは、係合ワッシャ３１、３４の円周方向および半径方向に間隔を有して配列され、これら係合突起３１ａ、３４ａの先端部は、第１および第２の球面ワッシャ３２、３３の各球面（凸球面）３２ａ、３３ａに係合できるように、軸心Ｏを中心とする仮想球面上に整列されている。第１および第２の係合ワッシャ３１、３４は、例えば、合成樹脂によって構成され、針状の多数の係合突起３１ａ、３４ａを型成形によって容易に成形できるようになっている。

針状の係合突起３１ａ、３４ａは、図４に詳細図示するように、それらの軸線が第１および第２の球面ワッシャ３２、３３の各球面３２ａ、３３ａに直交するように配列され、これによって、係合突起３１ａ、３４ａは、ボールナット２１の軸方向に対しては大きな剛性を有し、第１および第２の球面ワッシャ３２、３３の揺動方向（図４の矢印方向）に対しては、容易に弾性変形できるように構成されている。

上記したボールねじ軸２０、ボールナット２１、転動ボール２４、第１および第２の係合ワッシャ３１、３４、ならびに第１および第２の球面ワッシャ３２、３３等によって、ボールナット２１の揺動運動を許容できるボールねじ装置１５を構成している。

上記した構成のボールねじ装置１５によれば、ボールナット２１の揺動運動を、係合ワッシャ３１、３４と球面ワッシャ３２、３３とをほとんど相対滑りさせることなく、針状の係合突起３１ａ、３４ａの弾性変形によって行うことができるので、ボールナット２１の揺動運動時の摺動摩擦抵抗をきわめて小さくすることができ、ラック軸１３のひずみやたわみに応じてボールナット２１をスムーズに揺動させることができるようになる。

電動モータ１４は、ボールねじ装置１５を介してボールねじ軸２０（ラック軸１３）に軸方向のアシスト力を付与するもので、中空状のロータからなるモータシャフト４１とステータ４２とから構成されている。モータシャフト４１はハウジング１１（モータハウジング１６およびラックハウジング１７）に軸受４３，４４を介して回転可能に軸承され、このモータシャフト４１の中空穴内にボールねじ軸２０が同軸的に貫挿されている。モータシャフト４１の外周には平板状の永久磁石４５が複数接着され、この永久磁石４５に対向するようにステータ４２がモータハウジング１６の内周に装着されている。ステータ４２は複数のコイル４６を備え、コイル４６への通電によって発生する磁束を永久磁石４５に作用させることにより、モータシャフト４１が回転されるようになっている。

次に、上記のように構成された電動パワーステアリング装置１０の動作について説明する。図略のステアリングホイールを操舵すると、操舵トルクが図略の入力軸に伝達され、ピニオン軸１２とラック歯１３ａとによるラックピニオン機構を介してラック軸１３が軸方向に移動される。

入力軸に与えられた操舵トルクは図略のトルクセンサにより検出され、また、電動モータ１４のモータシャフト４１の回転位置等が図略の回転角検出センサによって検出される。これら操舵トルクおよびモータシャフト４１の回転位置等に基づいて電動モータ１４が制御され、アシスト力が発生される。電動モータ１４によるアシスト力は、ボールねじ装置１５によってラック軸１３の軸方向移動に変換され、運転者によるステアリングホイールの操舵力が軽減される。

ところで、本実施の形態においては、ボールねじ装置１５が図３に示すように構成されているので、ボールねじ装置１５によって、ボールナット２１の揺動運動を、係合ワッシャ３１、３４と球面ワッシャ３２、３３とをほとんど相対滑りさせることなく、針状の係合突起３１ａ、３４ａの弾性変形によって行うことができる。すなわち、ボールナット２１および球面ワッシャ３２、３３の揺動に伴って、係合ワッシャ３１、３４の針状の係合突起３１ａ、３４ａが図６に示すように弾性変形する。

これにより、ボールナット２１の揺動運動時の摺動摩擦抵抗をきわめて小さくすることができ、ラック軸１３のひずみやたわみに応じてボールナット２１をスムーズに揺動させることができるようになる。

しかも、ボールナット２１の軸方向中央部にモータシャフト４１の内径と略同径の大径部２１ｂを形成し、この大径部２１ｂをモータシャフト４１の内周に嵌合させたことにより、ボールナット２１の揺動運動を許容しつつ、モータシャフト４１に対するボールナット２１の半径方向移動を制限することができる。

従って、このような構成のボールねじ装置１５を用いた電動パワーステアリング装置１０を搭載した車両においては、ラック軸１３のひずみやたわみに応じてボールナット２１をスムーズに揺動させることができ、操舵時に一時的にトルクが大きくなる、いわゆるひっかかり現象を的確に防止することができ、操舵フィーリングを向上できるようになる。

なお、上記した実施の形態においては、ボールナット２１外周の軸方向中央部に形成した大径部２１ｂを、ボールナット２１の揺動を許容しつつ、ボールナット２１の半径方向移動を制限できるようにモータシャフト４１の内周に嵌合させる例について述べたが、ボールナット２１の外周とモータシャフト４１の内周との間にボールナット２１の軸方向の全長に亘って隙間が形成されるように、ボールナット２１の外径をモータシャフト４１の内径より単に小径にするだけでもよい。

上記した実施の形態においては、係合ワッシャ３１、３４の係合突起３１ａ、３４ａを針状とした例について述べたが、係合突起３１ａ、３４ａの形状は、球面ワッシャ３２、３３の揺動方向に弾性変形できる形状であれば、歯状あるいは矩形状等であってもよい。

また、上記した実施の形態においては、球面ワッシャ３２、３３を、ボールナット２１の両端部と係合ワッシャ３１、３４との各間に配設した例について述べたが、球面ワッシャ３２、３３とボールナット２１とを一体化した、すなわち、ボールナット２１の両端部に凸球面を形成したものであってもよい。

斯様に、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の形態を採り得ることは勿論である。

本発明の実施の形態を示すボールねじ装置を備えた電動パワーステアリング装置の全体図である。 図１の２−２線に沿って切断したボールねじ装置を示す断面図である。 モータシャフトへのボールねじ装置の組付け状態を示す図である。 図３の要部拡大図である。 ボールねじ装置の分解状態を示す図である。 図４の作動状態を示す図である。

符号の説明

１０…電動式パワーステアリング装置、１３…ラック軸、１４…電動モータ、１５…ボールねじ装置、２０…ボールねじ軸、２０ａ…ボール転動溝、２１…ボールナット、２１ａ…ボール転動溝、２１ｂ…大径部、２４…転動ボール、２６…締付けナット、３１、３４…係合部材（係合ワッシャ）、３１ａ、３４ａ…係合突起、３２、３３…球面ワッシャ、３２ａ、３３ａ…凸球面、４１…モータシャフト（回転筒部材）。

Claims (3)

1. 外周面にボール転動溝を螺旋状に形成したボールねじ軸と、内周面にボール転動溝を螺旋状に形成したボールナットとを備え、前記ボールねじ軸に前記ボールナットを循環ボールを介して螺合し、前記ボールナットを回転筒部材内に軸方向移動を規制して装着したボールねじ装置において、
   前記ボールナットの軸方向両端部に凸球面を設け、前記ボールナットの軸方向両端側に、前記凸球面と係合して前記ボールナットを揺動可能に支持する係合部材を前記回転筒部材内に配設し、該係合部材は、合成樹脂にて構成され、前記係合部材は、前記凸球面を支持し前記ボールナットの揺動方向に弾性変形可能な複数の係合突起を有しており、該係合突起の先端部が、前記ボールナットの軸心を中心とする仮想球面上に整列されていることを特徴とするボールねじ装置。
2. 請求項１において、前記ボールナットの軸方向中央部に前記回転筒部材の内径と略同径の大径部を形成し、該大径部を前記回転筒部材の内周に嵌合させたことを特徴とするボールねじ装置。
3. ギヤハウジングと、該ギヤハウジングに軸方向に移動可能に貫挿されラックピニオン機構を介して入力軸に連結されるラック軸と、該ラック軸と同軸的に前記ギヤハウジング内に配置された電動モータと、該電動モータによって回転されるモータシャフトと、該モータシャフトの回転を前記ラック軸の軸方向運動に変換するボールねじ装置とを備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記ボールねじ装置は、外周面にボール転動溝を螺旋状に形成したボールねじ軸と、内周面にボール転動溝を螺旋状に形成し前記ボールねじ軸に循環ボールを介して螺合し前記回転筒部材内に軸方向移動を規制して装着されたボールナットとによって構成され、
   前記ボールナットの軸方向両端部に凸球面を設け、前記ボールナットの軸方向両端側に、前記ボールナットの揺動を許容して前記凸球面と係合する係合部材を前記モータシャフト内に配設し、該係合部材は、合成樹脂にて構成され、前記係合部材は、前記凸球面を支持し前記ボールナットの揺動方向に弾性変形可能な複数の係合突起を有しており、該係合突起の先端部が、前記ボールナットの軸心を中心とする仮想球面上に整列され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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