JP2001293618A - 中空ラック軸のラック歯成形方法及びそのための金型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中空ラック軸のラック歯成形方法及びそのた
めの金型において、金型の破損ないしは疲労による金型
寿命の短命化を防止することを課題とする。 【解決手段】 逃がし部１２が各金型１、２に設けられ
たことにより、余肉が生じたときに、余肉は逃がし部１
２に流動し、ワーク４には突出部１３が形成される。こ
の流動により、金型に材料が充満したときのような、過
大な力が金型１、２に生じない。また、突出部１３は、
歯車伝動上支障を来さない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車用操舵装置
等に用いられる中空ラック軸のラック歯成形方法及びそ
のための金型に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車のステアリング装置には、ラック
ピニオン方式が多用される。この方式ではドライバーが
操作したステアリングホイールの回転はピニオンに伝達
される。このピニオンの回転がこれに噛み合うラックに
伝達され、横方向（ラックの長さ方向）の運動に変換さ
れる。ラックはステアリングロッドに結合されているの
で、ラックの横方向運動によって前車輪の向きが変更さ
れる。このような操舵機構は周知のものであるから更な
る説明は省略する。

【０００３】上記ラックは棒状の素材を歯切りすること
によって得られていたが、近年ではラックの製造におい
て切削加工をできるだけ廃するため可能な限り塑性加工
の技術が取り入れられ、また、これに伴いラックが中空
とされるようになってきている。特開平９−２４６３７
９号公報、特公平４−２８５８２号公報、及び、特開平
１１−１８０３１８号公報は、このような塑性加工技術
を取り入れたラック製造方法の例が開示されている。

【０００４】特開平９−２４６３７９号公報に開示され
た製造方法は、第一成形割り型をチューブ材に挿入し、
プレス型により、一次成形を行い、次いで内面の一部に
ラック歯に対応する歯を有する第二次成形割り型に一次
成形材を挿入し、一端から半円形のマンドレルを圧入
し、ラック歯を成形するものである。

【０００５】また、特公平４−２８５８２号公報に開示
された製造方法は、チューブ材の内部に芯金を挿入し、
チューブ周りを固定金型で取り囲んだ状態で、ラック歯
に対応する歯を有する金型をチューブ外形に押し込んで
ラック歯を成形するものである。

【０００６】また、特開平１１−１８０３１８号公報に
開示された製造方法は、本発明の発明者の一人である大
久保によりなされたものであって、略短冊状の板材の略
中央部分に、ラック歯を塑性加工（プレスフォーミン
グ）によって成形し、または、略短冊状の板材の長手中
心に沿って半円形断面を有するＵ字状に曲げたあと、半
円形状部分の中央近辺に塑性加工によりラック歯を成形
し、その後残部の板部を曲げてチューブ状にしてラック
軸が形成されるものである。

【０００７】はじめの２つの公報では、チューブ材が原
材料として使用されているが、この技術ではチューブ材
は使用せず板材を使用しているので、材料費、運搬費、
保管の費用の点で有利なだけでなく、歯底部の肉厚を確
保するために他の部分に駄肉を付ける必要がなく、十分
な軽量効果が得られるというメリットがある。

【０００８】図７は上記特開平１１−１８０３１８号公
報開示の発明を実施する上で従来使用されていた金型等
を示す図であって、（ａ）は上下の金型の正面断面図、
及び、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。

【０００９】その前の工程で、Ｕ字状に形成された箇所
は、上金型１及び下金型２の挟み込みによりラック歯が
形成される。この上金型１は、ラック歯の歯面を形成す
るためこの歯面と相補的な形状の面を有しており、下金
型２は、板材からなるラック歯の歯面の裏側に形成され
る凹凸を持った裏面を形成するためこの裏面と相補的な
形状の面を有している。側金型３はラック歯の形成時に
ワーク（この場合、加工前又は加工途中の板状素材）を
側面から保持する金型である。

【００１０】上金型１と下金型２がもっとも近接したと
きにこれらにより形成される間隙空間は、その空間を占
めるワークの体積より僅かに大きくなるように設計され
ている。

【００１１】ところが、ワークの厚さに誤差があり、そ
の空間においてワークが占める体積が上記空間の体積に
近づくと、或いはプレス機械のストロークの誤差により
上記間隙の体積が小さくなったとき（すなわち、密閉度
が高くなったとき）、この空間の圧力が過度に上昇し、
上下の金型１、２にきわめて大きな負荷がかかることに
なる。

【００１２】このため、ラック軸乃至ラック歯をプレス
フォーミング加工を行う際には、図７に示されるよう
に、クラック５が入って金型１、２が破損することがあ
った。

【００１３】また、あるいは、直ちに金型１、２の破損
にまでは至らなくても、このような高負荷を繰り返して
受けることにより、金属疲労が発生し、やがてクラック
５が入り、破損に至ることがあった。このクラック５
は、応力が集中しやすい金型１、２の凹所隅部、すなわ
ち、ワーク４の突出した角部に対応する部分１ａ、２ａ
に特に入りやすい。

【００１４】このように、従来のラック軸の成形用の金
型１、２は型に対する材料の密閉度が高い構造であるた
め、金型が破損しやすく、また、その寿命が短いといっ
た問題があった。

【００１５】金型の破損或いはその寿命の短命化は上に
述べたとは別な原因からも発生する。ラック歯は比較的
小さい歯を多数並べたものであるため、このようなラッ
ク歯を形成するには局所的に材料を大きく変形あるいは
大きく流動させなければならない。従来、ラック歯形成
のためのプレスは一工程で行われていたが、上記のよう
に一工程で大きな変形量或いは流動量を起こさせるた
め、しかも、ラック歯の歯先付近は細いため成形過程が
進むにつれて、材料の流れが悪くなり、その分だけプレ
ス力を高める必要が生じる。その結果、金型には局所的
にきわめて大きい負荷をかかり、金型の破損や短命化を
招くという問題があった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したよ
うな金型の破損ないしは疲労による金型寿命の短命化を
防止した中空ラック軸のラック歯成形方法及びそのため
の金型を提供することを課題とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題は以下の構成か
らなる解決手段により解決される。すなわち、本発明の
第１番目の発明は、自動車用操舵装置等に使用される中
空ラック軸を、板材をプレスフォーミングすることによ
って成形する中空ラック軸のラック歯成形方法であっ
て、ラック歯成形工程の終了時において上記板材の材料
が金型内に完全に充満しないための逃がし部が設けられ
ているラック歯成形用の金型を使用するものである。

【００１８】第２番目の発明は、自動車用操舵装置等に
使用される中空ラック軸を、板材をプレスフォーミング
することによって成形するためのラック歯成形用金型で
あって、上記金型には、ラック歯成形工程の終了時にお
いて上記板材の材料が金型内に完全に充満しないための
逃がし部が設けられているものである。

【００１９】第３番目の発明は、第２番目の発明におけ
る金型が、金型の逃がし部で分割されたものであり、第
４番目の発明は、第２、又は、第３番目の発明の金型に
おいて、逃がし部は、ラック歯がピニオンに接触しない
部分に設けられているものである。

【００２０】また、第５番目の発明は、自動車用操舵装
置等に使用される中空ラック軸を、板材をプレスフォー
ミングすることによって成形する中空ラック軸のラック
歯成形方法であって、最終形成されるラック歯と同一の
ピッチと同一の位相で、圧力角が最終の歯形の圧力角よ
りも小さいような略歯形形状になるように凹凸形状に成
形する予備成形工程と、予備成形工程によって凹凸形状
が形成された板材をラック歯の最終形状に成形する本成
形工程とを備えているものである。

【００２１】更に、第６番目の発明は、第５番目の発明
の中空ラック軸のラック歯成形方法において、本成形工
程では、板材の材料が金型内に完全に充満しないための
逃がし部を有し、この逃がし部で分割された金型が使用
されるものである。

【００２２】これらの構成により、第１、第２番目の発
明では、後述する余肉が生じた場合でも、板材の余肉相
当の材料は金型の逃がし部に流動するので、金型にかか
る負荷が過大になることが避けられ、過大負荷による破
損又は過大な負荷の繰り返しで生じる疲労に基づく破損
を防止又は、軽減することができる。

【００２３】更に、金型は逃がし部で分割されている
（第３番目の発明）ことにより、プレスフォーミング時
に応力の集中が予想される領域における応力の集中を避
けることができる。更に、第４番目の発明では、第２、
第３番目の発明における逃がし部はラック歯がピニオン
に接触しない部分に設けられているので、逃がし部によ
って生じた製品であるラック歯の突出部は、歯車伝動上
の障害にならない。

【００２４】更に、第５番の発明においては、ラック歯
形成の工程が予備成形工程と本成形工程とに分けて行わ
れるので、一工程でこれを行う場合と比べて、各工程に
おける金型にかかる負荷が過大になることが避けられ、
金型の破損等を低減すること、又は、金型の寿命を延長
することができる。

【００２５】更に、第６番目の発明は、第５番目の発明
の中空ラック軸のラック歯成形方法において、本成形工
程では、板材の材料が金型内に完全に充満しないための
逃がし部を有する金型が使用され、余肉が生じたとして
も、余肉相当材料が逃がし部に流れ込むため、また、金
型が逃がし部で分割されたことによりプレスフォーミン
グ時に応力の集中を避けることができるため、金型に過
度な負荷がかかり、破損や寿命を縮めるようなことがな
い。

【００２６】

【発明の実施の形態】「実施例１」図１は本発明の実施
例１における上金型１、下金型２及びワーク４の正面断
面図である。この図において、使用されている符号は図
７における符号がそのまま使用されている。

【００２７】この上金型１、下金型２は分割組み立てに
より作られたものであって、１１はその分割線を示して
いる。この分割は、各金型の凹部において、つまり上金
型１にあっては、成形されるラック歯の歯頂部に対応す
る部分、また、下金型２にあっては、ラック歯の歯底の
裏面部分に対応する部分を成形する部分、において行わ
れる。なお、このようにプレスフォーミング時に応力の
集中が予想される領域において分割線１１に沿って予め
金型が分割されているので応力の集中を避けることがで
きる。

【００２８】上金型１及び下金型２には逃がし部１２が
設けられている。逃がし部１２は、ラック歯の歯頂部と
歯底部の裏側（板材が用いられているので、ラック歯歯
面の裏側の面）をそれぞれ形成する金型１、２上の対応
する面に設けられる。

【００２９】操舵装置中にラック歯とピニオンが組み付
けられたとき、それぞれの歯頂部とこれに向き合う歯底
部は、動力の伝動に直接かかわらないので歯頂部と歯底
部が接触することがないように、図２に示すように十分
な隙間ｄを有するように設計されている。

【００３０】したがって、ラック歯の歯頂部とピニオン
の歯底部の隙間には、ラック歯の歯頂部から小さな突出
部１３が形成されていても支障はない。また、ラック歯
の裏面はそもそもかみ合いに関係しない部位であるか
ら、ここに突出部１３が形成されても支障がない。つま
り、ラック歯がピニオンと噛み合うときに接触しない部
分に突出部１３が形成されているので、歯車伝動上さし
つかえるようなことがない。

【００３１】逃がし部１２が各金型１、２に設けられた
ことにより、先に説明したように余肉が生じたときに、
余肉は逃がし部１２に流動し、ワーク４には突出部１３
が形成される。なお、逃がし部１２はラック歯の歯筋方
向に沿って溝状に形成されており、したがって、突出部
１３も歯筋方向に沿っている。

【００３２】ワーク４の板厚の誤差、及び、プレスのス
トロークの誤差は、あるとしてもわずかであるから、発
生する余肉の量もわずかである。したがって、こうして
できた突出部１３はそれほど大きな（高い）ものとはな
らないので、上記隙間ｄより大きく形成される可能性は
ほとんどなく、ラック・ピニオンのかみ合い関係に影響
を及ぼすようなことはない。逃がし部１２は充満度を下
げるために十分大きく形成されているが、成形されたワ
ークの余肉はかみ合い関係に影響を及ぼさない程度の大
きさに形成される。

【００３３】各金型１、２の逃がし部１２は、他の面
（ラック歯の歯頂部を形成する部位、歯底の裏面を形成
する部位）から外れた逃げの開始面と滑らかに接続する
ように丸み（Ｒ）を付けることができ、これにより応力
の集中を回避することができる。

【００３４】このように、余肉が生じたときにも、この
余肉は逃がし部１２に流動するので、各金型１、２には
過度な圧力がかかることがないので、金型の破損又は寿
命の短命化を防止することができる。また、逃がし部１
２によって生じた突出部１３はラック歯の歯頂部または
ラック歯の裏面に形成されるので、動力伝達上の支障を
来すことがない。

【００３５】なお、この実施例においては、上金型１、
下金型２のそれぞれが分割組み立てされた例が示されて
いるが、それぞれを一体の（組立られたものでない）金
型として構成したとしてもこの発明の主旨を逸脱するも
のではない。

【００３６】「実施例２」実施例２は、ラック歯の成形
を予備成形工程及び本成形工程とから構成した例であ
る。

【００３７】図３は予備成形工程を説明するための図で
あって、ワークと予備成形用の金型の断面図である。図
４は本成形における成形過程を示すためのワークと本成
形用の金型の断面図である。

【００３８】予備成形は、以下のように、製品ラック歯
形状をベースに決めた凹凸形状を持つ予備成形用上金型
１５と、前記凹凸形状に対応する凹凸形状を持つ予備成
形用下金型１６とを用いて行われる。

【００３９】予備成形用上金型１５によってワーク４に
成形される歯は、製品のラック歯形状のように歯先が狭
まった形状ではなく、歯元の歯厚Ｂと歯先の歯厚Ａがほ
ぼ同じ厚さ、好ましくは、予備成形後に予備成形用上金
型１５からワーク４を分離することが容易なように歯先
の歯厚Ａが歯元の歯厚Ｂより若干小さくなるようなテー
パーを付けることができる。圧力角が最終の歯形の圧力
角よりも小さいような略歯形形状になるように凹凸形状
が成形される。

【００４０】また、歯厚Ａ及びＢは、ラック歯完成時の
製品形状のラック歯の歯先寸法よりも厚く、歯元寸法よ
りも薄く設定される。また、このときの歯底の板厚ｔは
製品の歯底の板厚と同じにするのが望ましい。凹凸の位
相、及び凹凸のピッチは製品のラック歯のそれと同じに
する。

【００４１】予備成形用下金型１６のピッチ及び位相は
予備成形用上金型１５と同様であるが、凹凸形状は次の
本成形工程において最終的に製品形状が得やすいような
任意の形状でよい。

【００４２】いずれにしても、予備成形用上金型１５、
下金型１６の形状は、最終的に低加重でラック歯形成が
可能なように凹凸の深さと肉（材料の流れ）とのバラン
スを考慮して決定される。この予備成形工程は、単純な
前方押し出し鍛造であり、成形が進むにつれて材料があ
まり流れにくくなるような複雑な形状ではないので、予
備成形用上金型１５、下金型１６にかかる負荷は一工程
でラック歯を成形する場合と比べて、はるかに小さくす
ることができる。

【００４３】本成形工程では、図４に示されるように、
ラック歯の最終形状と相補的な形状を有する本成形用上
金型２５と本成形用下金型２６が用いられる。ここで、
図４は本成形工程のはじめの状態、つまり、ワーク４を
本成形用上金型２５、本成形用下金型２６の間にセット
した状態を示している。

【００４４】予備成形工程によって既におおむね最終製
品に近い形状に加工されているので、この本成形工程で
は加工の度合いが、一工程でラック歯を形成する場合と
比べて、はるかに少ない。このため、材料の流れをはる
かに少なくすることができ、金型にかかる負荷を大幅に
減少させることができる。

【００４５】なお、この実施例では４つのそれぞれの金
型が一体の金型とされている例が示されているが、最初
の実施例１のように、それぞれを分割、組み立てした金
型とすることも可能である。

【００４６】「実施例３」図６はこのような実施例３を
説明するための説明図であって、本成形が行われる直前
のワークと金型の様子を表した断面図である。言い換え
れば、この実施例では、工程が予備成形工程と本成形工
程とに分割され、更に、このとき使用される金型には逃
がし部が設けられており、金型は逃がし部で分割されて
いるものが使用される例である。

【００４７】予備成形を終えたワーク４は図６のように
上金型１と下金型２との間にセットされ、セット後両金
型はワーク４を間に置いたまま押合わされて、ラック歯
の成形が行われる。ラック歯が成形された直後の状態は
図１に示される状態と実質的に変わらない。

【００４８】このように、実施例３は、工程を分割する
こと、金型に逃がし部を設けること、及び金型を逃がし
部で分割することを併せ持つことを特徴とし、既に実施
例１及び２で述べた作用効果を奏するものである。その
ためこれ以上の説明をすることは省略する。

【００４９】

【発明の効果】本発明は、以上に説明したような金型に
逃がし部を設ける、又は、ラック歯成形工程を２工程で
行う構成をとることによって、過負荷による金型の破損
防止あるいは低減することができるという効果を奏す
る。また、直ちに金型の破損にまでは至らなくても、こ
のような高負荷を繰り返して受けることによる金属疲労
による破損を防止することができ、金型寿命を延長する
ことができるという効果を奏する。更に、金型を逃がし
部で分割することにより応力の集中を避けることがで
き、そこから金型破損が開始するのを避けることができ
るという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における上金型１、下金型２
及びワーク４の正面断面図である。

【図２】実施例１において、逃がし部によって形成され
たワーク上の突出部を説明するためのワーク断面図であ
る。

【図３】実施例２における予備成形工程を説明するため
の図であって、ワークと予備成形用の金型の断面図であ
る。

【図４】実施例２において本成形における成形過程を示
すためのワークと本成形用の金型の断面図である。

【図５】実施例２の本成形工程における金型を肉が充満
するタイプの金型とした変形例を示す図である。

【図６】実施例３において本成形直前の状態を説明する
ワークと本成形用の金型の断面図である。

【図７】従来使用されていた金型等を示す図であって、
（ａ）は上下の金型の正面断面図、及び、（ｂ）は
（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。

【符号の説明】

１ 上金型 ２ 下金型 ３ 側金型 ４ ワーク ５ クラック １１ 分割線 １２ 逃がし部 １３ 突出部 １５ 予備成形用上金型 １６ 予備成形用下金型 １７ 空間 ２５ 本成形用上金型 ２６ 本成形用下金型

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 靖 群馬県前橋市総社町一丁目８番１号 日本 精工株式会社内 Ｆターム(参考） 3C025 CC00 4E087 AA09 BA19 CA11 DB07 DB22 EC01 HA38 HB01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自動車用操舵装置等に使用される中空ラ
   ック軸を、板材をプレスフォーミングすることによって
   成形する中空ラック軸のラック歯成形方法であって、 ラック歯成形工程の終了時において上記板材の材料が金
   型内に完全に充満しないための逃がし部が設けられてい
   るラック歯成形用の金型を使用することを特徴とする中
   空ラック軸のラック歯成形方法。
2. 【請求項２】 自動車用操舵装置等に使用される中空ラ
   ック軸を、板材をプレスフォーミングすることによって
   成形するためのラック歯成形用金型であって、 上記金型には、ラック歯成形工程の終了時において上記
   板材の材料が金型内に完全に充満しないための逃がし部
   が設けられていることを特徴とする中空ラック軸のラッ
   ク歯成形用金型。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の中空ラック軸のラック
   歯成形用金型において、 上記金型は、金型の逃がし部で分割されたものであるこ
   とを特徴とする中空ラック軸のラック歯成形用金型。
4. 【請求項４】 請求項２又は請求項３に記載の中空ラッ
   ク軸のラック歯成形用金型において、 上記逃がし部は、ラック歯がピニオンに接触しない部分
   に設けられることを特徴とする中空ラック軸のラック歯
   成形用金型。
5. 【請求項５】 自動車用操舵装置等に使用される中空ラ
   ック軸を、板材をプレスフォーミングすることによって
   成形する中空ラック軸のラック歯成形方法であって、 最終形成されるラック歯と同一のピッチと同一の位相
   で、圧力角が最終の歯形の圧力角よりも小さいような略
   歯形形状になるように凹凸形状に成形する予備成形工程
   と、 上記予備成形工程によって凹凸形状が形成された板材を
   ラック歯の最終形状に成形する本成形工程とを備えてい
   ることを特徴とする中空ラック軸のラック歯成形方法。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の中空ラック軸のラック
   歯成形方法において、 上記本成形工程では、板材の材料が金型内に完全に充満
   しないための逃がし部を有し、この逃がし部で分割され
   た金型が使用されることを特徴とする中空ラック軸のラ
   ック歯成形方法。