JP5091041B2 - パワーステアリング装置、ピニオンシャフト、およびピニオンシャフトの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、運転者の操舵力をラックバーに伝達するピニオンシャフトおよびそれを用いたパワーステアリング装置に関する。

従来、特許文献１に開示されるパワーステアリング装置においては、ラックギヤとピニオンギヤの噛み合い面における歯の交差角度変化を許容するためピニオンギヤの歯筋方向にクラウニング（歯筋に沿って歯面を外側に凸形状とする加工）をつけていた。

また、ピニオンギヤの加工はホブを用いた切削により行われ、切削時にボブを適宜動かすことでクラウニング形状のピニオンギヤを形成する。なお、ピニオンギヤは鍛造によっても形成される。鍛造時にピニオンギヤを形成する金属材料が硬化するため、切削により形成した場合よりも鍛造のほうが歯面強度は高くなる。
特開２００５−５３３２７号公報

しかしながら鍛造によりピニオンギヤを形成する場合、鍛造の金型はカップ形状となるため金型の開口部から材料を押し込むため、形成後に金型を抜くためには金型の径は最深部から開口部に向かって拡大させる必要がある。そのため鍛造では歯面にクラウニングを付けることができなかった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、鍛造によってもクラウニング形状の歯面と同様の機能を持つ歯面を形成可能なピニオンシャフトおよびパワーステアリング装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、ピニオンシャフトは、歯の直角断面における歯厚が歯元から歯先に向かって漸減し、前記歯先を含む、前記歯元から任意の高さにおける前記歯厚が歯筋方向に沿って漸減または漸増し、噛み合い位置において、前記ピニオンシャフトの軸方向略中央部における前記歯厚が、前記ピニオンシャフトの軸方向根元部および軸方向先端部における前記歯厚よりも厚いこととした。

よって、鍛造によってもクラウニング形状の歯面を形成可能なピニオンシャフトおよびパワーステアリング装置を提供できる。

以下、本発明のピニオンシャフトおよびパワーステアリング装置を実現する最良の形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。

［パワーステアリング装置のシステム構成］
実施例１につき説明する。図１は、本願パワーステアリング装置を適用した電動パワーステアリング装置のシステム構成図である。なお、ラック＆ピニオンを用いているものであれば他のパワーステアリング装置に用いてもよいし、パワーステアリング装置でなくとも、手動型のステアリング装置であってもよい。

電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールＳＷ、トルクセンサＴＳ、ステアリングシャフトＳＳ、ラックバー１、パワーアシストユニット３、転舵輪７、及びコントロールユニット１０を有する。

ステアリングホイールＳＷはステアリングシャフトＳＳを介してピニオンシャフト１００に接続する。パワーアシストユニット３は車両上方からラックバー１の軸方向に離間して設けられており、モータ駆動によりピニオンシャフト１００を介してラックバー１にアシストトルクを付与する。

パワーアシストユニット３は、コントロールユニット１０によりモータＭを駆動してラックバー１にアシストトルクを付与するパワーアシスト装置である。パワーアシストユニット３にはステアリングホイールＳＷと接続したトルクセンサＴＳが設けられている。

コントロールユニット１０は、トルクセンサＴＳにより検出された操舵トルクに基づき、パワーアシストユニット３のモータＭを駆動して転舵輪７と接続したラックバー１にアシストトルクを付与する。

［正面図］
図２は、パワーステアリング装置の正面図である。なお、説明のため図２においてはラックチューブ２のみ断面図を示し、ラックバー１の軸方向であってハウジング３０と反対方向をｘ軸正方向と定義する。

ラックバー１はラックチューブ２に収容され、両端は図外の転舵輪に接続される。また、ラックチューブ２の背面にはハウジング３０が設けられ、ハウジング３０内には図外のステアリングホイールと接続するピニオンシャフト１００が設けられている。ラックバー１はこのピニオンシャフト１００と噛合って運転者の操舵力が伝達され、転舵が行われる。

［ハウジング内部の詳細］
図３は、ハウジング３０におけるピニオンシャフト１００の軸方向部分断面図である。なお、ラックバー１に対しピニオンシャフト１００の反対方向をｙ軸正方向とする。

ハウジング３０内部にはピニオンシャフト１００、ラックリテーナ１２、リテーナ支持部１３が設けられている。ラックリテーナ１２とピニオンシャフト１００との間にはラックバー１が設けられてピニオンシャフト１００と噛合う。

ラックリテーナ１２は円柱の一端部を円筒状にくり貫いた形状であり、円筒側から見てコの字形に形成されている。このラックリテーナ１２はバネ１４を介してリテーナ支持部１３に支持され、円弧状の摺接面１２ａにおいてラックバー１に当接してラックバー１をｙ軸負方向に付勢する。

ピニオンシャフト１００の歯面１１１はインボリュート曲線によって形成され、ラックバー１の歯１１が台形であっても、滑らかな噛み合いを実現するものである。また、ピニオンシャフト１００は歯部１１０が設けられていない軸部１００ａと、歯部１１０が設けられる有効歯部１００ｂから形成され、この軸部１００ａと有効歯部１００ｂの間には、凹状の曲面である切り上がり部１００ｃが形成される。

鍛造によって歯部１１０を形成する場合、ピニオンシャフト１００の軸方向先端部１０２をカップ形状の金型に圧入することで歯部１１０を形成する際、金型の内部に完全に圧入される部分は高精度な歯部１１０が得られるが、金型の隅の部分（歯部１１０が形成される部分と形成されない部分との間）では歯部１１０の精度が不十分となる。

したがって金型の隅に相当する部分に凹状の曲面である切り上がり部１００ｃを設け、歯部１１０と区別することで、ラックバー１とピニオンシャフト１００との噛み合いを確保する。

［ピニオンシャフト］
図４はピニオンシャフト１００の歯部１１０の模式図、図５は歯部１１０の拡大斜視図である。説明のため、図５でははす歯である歯部１１０を直線状に変換した図を示す。なお、図５ではピニオンシャフト１００の軸方向根元部１０１から軸方向先端部１０２に向かう方向をξ軸正方向とし、歯先１１３の歯厚を一定とした比較例の歯を破線で示す。

また、図６は歯部１１０の軸方向根元部１０１、軸方向先端部１０２、および軸方向略中央部１０３の直角方向断面図である。軸方向根元部１０１および軸方向先端部１０２の噛み合い位置における歯厚はＡであり、軸方向略中央部１０３の噛み合い位置における歯厚はＣである。さらに、歯先１１３で形成される歯先円直径は、歯筋方向いずれの位置でも一定である。

歯部１１０ははす歯であるため歯筋が軸方向に対し回転しており、外側に凸のクラウニング加工を施された歯面１１１を有する。歯筋方向に沿って直角断面における歯厚は歯元１１２から歯先１１３に向かって漸減し、歯先１１３における歯厚は歯元１１２の歯厚よりも薄い。

また、ラックバー１との噛み合い中心線は太線で示される。この噛み合い中心線はピニオンシャフト１００の軸方向略中央部１０３に向かうにつれて歯元１１２側に傾斜するとともに、歯元１１２側を凸として湾曲する。

したがって、歯先１１３から噛み合い中心線までの距離は、軸方向根元部１０１ではｂであるが、軸方向先端部１０２ではＢとなる（Ｂ＞ｂ）。また、噛み合い中心線における歯厚は軸方向略中央部１０３に向かって漸増し、軸方向略中央部１０３において最大値Ｃとなるとともに、軸方向両端部１０１，１０２において最小値Ａとなる（Ｃ＞Ａ）。

このため歯面１１１は、噛み合い位置において軸方向略中央部１０３が外側に突出するクラウニング形状の歯と同等の機能を有し、ラックバー１とピニオンシャフト１００の噛み合い面における歯の交差角度の誤差を吸収して良好な歯当たりが達成される。

また、通常のクラウニング形状の歯であれば、軸方向根元部１０１の歯厚よりも軸方向略中央部１０３の歯厚が大きくなるため、軸方向先端部１０２から金型を挿入して歯部１１０を形成することは不可能であるが、本実施例では歯部１１０の歯厚は軸方向根元部１０１から歯筋方向に沿って軸方向先端部１０２に向かって漸減する。そのため、未加工のピニオンシャフト１００の先端から金型を挿入し、この金型を用いた鍛造により歯部１１０を形成することが可能となる。

なお、本実施例では歯部１１０の歯厚が軸方向根元部１０１から歯筋方向に沿って軸方向先端部１０２に向かって漸減しているが、歯部１１０と軸部１１０ａを別体に形成し、歯部１１０を軸部１００ａに対し本実施例とは逆向きに取り付け、歯部１１０の歯厚が軸方向根元部１０１から歯筋方向に沿って軸方向先端部１０２に向かって漸増するように形成してもよい。

［実施例１の効果］
（１）（６）ピニオンシャフト１００は、
歯部１１０の直角断面における歯厚は、歯元１１２から歯先１１３に向かって漸減し、
歯先１１３の歯厚は、軸方向先端部１０２に向かって漸減し、
噛み合い位置である軸方向略中央部１０３における歯厚Ｃは、ピニオンシャフト１００の軸方向根元部１０１および軸方向先端部１０２における歯厚Ａよりも厚いこととした。

これにより、鍛造によってもクラウニング形状の歯面と同様の機能を持つ歯面を形成可能なピニオンシャフトおよびパワーステアリング装置を提供することができる。

（２）（７）ピニオンシャフト１００の歯面１１１は、外側に凸の円弧状曲面であって、
噛み合い位置における歯面１１１は、ピニオンシャフト１００の軸方向根元部１０１および軸方向先端部１０２における歯面１１１よりも外側に凸であることとした。

これにより、軸方向先端部１０２に向かって歯厚が漸減するものであっても、クラウニング形状の歯と同様に噛み合い面における歯の交差角度の誤差を吸収して良好な歯当たりを得ることができる。

（４）（９）ピニオンシャフト１００の歯面１１１は、インボリュート曲線であることとした。これにより、ラックバー１の歯１１が台形であっても、滑らかな噛み合いを実現することができる。

（５）（１０）ピニオンシャフト１００は、軸部１００ａと有効歯部１００ｂとから形成され、
軸部１００ａと有効歯部１００ｂとの間に、凹状の曲面である切り上がり部１００ｃが形成されることとした。

鍛造によって歯部１１０を形成する場合、ピニオンシャフト１００の軸方向先端部１０２をカップ形状の金型に圧入することで歯部１１０を形成するが、金型の内部に完全に圧入される部分は高精度な歯部１１０が得られるが、金型の隅の部分（歯部１１０が形成される部分と形成されない部分との間）では歯部１１０の精度が不十分となる。
したがって金型の隅に相当する部分に凹状の曲面である切り上がり部１００ｃを設け、歯部１１０と区別することで、高精度な歯部１１０において確実にラックバー１の歯１１と噛み合わせることで、ラックバー１とピニオンシャフト１００との噛み合いを確保することができる。

（１１）金型に軸部材を挿入し、鍛造によってピニオンシャフト１００の歯部１１０を形成することとした。これにより、上記（１）と同様の効果を得ることができる。

実施例２につき説明する。基本構成は実施例１と同様である。実施例１では歯先１１３で形成される歯先円直径は一定であったが、実施例２では軸方向先端部１０２に向かうほど歯部１１０の歯先円直径を漸減させる点で異なる。

図７は実施例２のハウジング３０におけるピニオンシャフト１００の軸方向部分断面図である。また、図８は実施例２におけるピニオンシャフト１００の歯部１１０の模式図、図９は歯部１１０の拡大斜視図である。なお、図８、図９では歯先円直径が一定の実施例１における歯部１１０を一点鎖線で示し、図９ではξ軸方向で歯先１１３の厚さが一定の比較例における歯を破線で示す。

実施例１と同様、噛み合い中心線における歯厚は軸方向略中央部１０３に向かって漸増し、軸方向根元部１０１および先端部１０２ではＡ、軸方向略中央部１０３ではＣである（Ｃ＞Ａ）。これにより鍛造によってもクラウニング形状の歯面と同様の機能を持つ歯面を形成可能なピニオンシャフト１００を形成する。

歯先円直径は軸方向根元部１０１から軸方向先端部１０２に向かって漸減し、軸方向略中央部１０３に向かうにつれて歯元１１２側に傾斜してξ軸正方向側ほど歯丈は短くなる。また、実施例２においては軸方向根元部１０１における歯丈は実施例１および比較例よりもｈ高く、軸方向先端部１０２における歯丈は実施例１および比較例よりもｈ'低く設けられる。

また、実施例１と同様にラックバー１との噛み合い中心線は太線で示され、この噛み合い中心線はピニオンシャフト１００の軸方向略中央部１０３に向かうにつれて歯元１１２側に傾斜するとともに、歯元１１２側を凸として湾曲する。

ここで、実施例２では歯先１１３も軸方向略中央部１０３に向かうにつれて歯元１１２側に傾斜しており、歯先１１３と噛み合い中心線は等間隔をもって設けられている。したがって、歯先１１３と噛み合い中心線との距離はξ軸方向に沿って一定の値Ｂをとり、軸方向略中央部１０３においても、歯先１１３と噛み合い中心線との距離は軸方向根元部１０１および軸方向先端部１０２と同様にＢとなる。

このため、歯部１１０とラックバー１の歯１１との噛み合い深さが一定の値Ｂとなる。実施例２では軸方向先端部１０２の歯丈が実施例１と比べｈ'だけ短くなるが、噛み合い深さが一定値Ｂであるため噛み合い位置が歯元１１２方向へ遷移し、軸方向略中央部１０３における歯厚が確保される。

［実施例２の効果］
（３）（８）ピニオンシャフト１００の歯先円直径は、軸方向先端部１０２に向かって漸減することとした。これにより、実施例１の効果に加え、噛み合い深さが一定値Ｂであるため噛み合い位置が歯元１１２方向へ遷移させ、軸方向略中央部１０３における歯厚を確保することができる。

［他の実施例］
以上、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明してきたが、本発明の具体的な構成は各実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。

本願ピニオンシャフトを適用した電動パワーステアリング装置のシステム構成図である。 パワーステアリング装置の正面図である。 ハウジングにおけるラックバー付近のピニオンシャフト方向部分断面図である。 ピニオンシャフトの歯の模式図である。 歯の拡大斜視図である。 歯の軸方向根元部、軸方向先端部、および軸方向略中央部の直角方向断面図である。 実施例２におけるピニオンシャフトの軸方向部分断面図である。 実実施例２におけるピニオンシャフトの歯の模式図である。 実施例２における歯の拡大斜視図である。

符号の説明

１ ラックバー
７ 転舵輪
１１ ラック歯
１００ ピニオンシャフト
１００ａ 軸部
１００ｂ 有効歯部
１００ｃ 切り上がり部
１０１ 軸方向根元部
１０２ 軸方向先端部
１１０ 歯部
１１１ 歯面
１１２ 歯元
１１３ 歯先
Ｍ モータ
ＳＳ ステアリングシャフト
ＳＷ ステアリングホイール

Claims (11)

1. 運転者の操舵操作により回転するステアリングホイールおよびステアリングシャフトと、
   転舵輪に接続され、ラック歯を有するラックバーと、
   前記ステアリングシャフトに接続されるピニオンシャフトと、
   前記ステアリングシャフトまたは前記ピニオンシャフトに操舵アシスト力を付与するモータと
   を有するパワーステアリング装置において、
   前記ピニオンシャフトは、
   歯の直角断面における歯厚は、歯元から歯先に向かって漸減し、
   前記歯先を含む、前記歯元から任意の高さにおける前記歯厚は、歯筋方向に沿って漸減または漸増し、
   噛み合い位置において、前記ピニオンシャフトの軸方向略中央部における前記歯厚は、前記ピニオンシャフトの軸方向根元部および軸方向先端部における前記歯厚よりも厚いこと
   を特徴とするパワーステアリング装置。
2. 請求項１に記載のパワーステアリング装置において、
   前記ピニオンシャフトの歯面は、外側に凸の円弧状曲面であって、
   前記噛み合い位置における前記歯面は、前記ピニオンシャフトの軸方向根元部および軸方向先端部における前記歯面よりも外側に凸であること
   を特徴とするパワーステアリング装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のパワーステアリング装置において、
   前記ピニオンシャフトの歯先円直径は、前記歯筋方向に沿って漸減または漸増すること
   を特徴とするパワーステアリング装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のパワーステアリング装置において、
   前記ピニオンシャフトの歯面は、インボリュート曲線であること
   を特徴とするパワーステアリング装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のパワーステアリング装置において、
   前記ピニオンシャフトは、軸部と有効歯部とから形成され、
   前記軸部と前記有効歯部との間に、凹状の曲面である切り上がり部が形成されること
   を特徴とするパワーステアリング装置。
6. ピニオンシャフトであって、
   歯の直角断面における歯厚は、歯元から歯先に向かって漸減し、
   前記歯先を含む、前記歯元から任意の高さにおける前記歯厚は、前記ピニオンシャフトの歯筋方向に沿って漸減または漸増し、
   噛み合い位置において、前記ピニオンシャフトの軸方向略中央部における前記歯厚は、前記ピニオンシャフトの軸方向根元部および軸方向先端部における前記歯厚よりも厚いこと
   を特徴とするピニオンシャフト。
7. 請求項６に記載のピニオンシャフトにおいて、
   歯面は、外側に凸の円弧状曲面であって、
   前記噛み合い位置における前記歯面は、前記ピニオンシャフトの軸方向根元部および軸方向先端部における前記歯面よりも外側に凸であること
   を特徴とするピニオンシャフト。
8. 請求項６または請求項７に記載のピニオンシャフトにおいて、
   歯先円直径は、前記軸方向先端部に向かって漸減すること
   を特徴とするピニオンシャフト。
9. 請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載のピニオンシャフトにおいて、
   前記歯面は、インボリュート曲線であること
   を特徴とするピニオンシャフト。
10. 請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載のピニオンシャフトは、
    軸部と有効歯部とから形成され、
    前記軸部と前記有効歯部との間に、凹状の曲面である切り上がり部が形成されること
    を特徴とするピニオンシャフト。
11. ラックと噛み合うピニオンシャフトの製造方法であって、
    金型に軸部材を挿入し、鍛造によって前記ピニオンシャフトの歯を形成し、
    前記歯の直角断面における歯厚は、歯元から歯先に向かって漸減し、
    前記歯先を含む、前記歯元から任意の高さにおける前記歯厚は、前記ピニオンシャフトの歯筋方向に沿って漸減または漸増し、
    噛み合い位置において、前記ピニオンシャフトの軸方向略中央部における前記歯厚は、前記ピニオンシャフトの軸方向根元部および軸方向先端部における前記歯厚よりも厚いこと
    を特徴とするピニオンシャフトの製造方法。

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