JP2005003144A - ラック軸及びラックピニオン式操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】切削加工により形成されたラック歯に対する簡易な後処理により、ピニオン歯との干渉を有効に防止することができ、耐久性の向上を図り得るラック軸を提供し、このラック軸を用いたラックピニオン式操舵装置を提供する。
【解決手段】ラック軸１の外面に対する切削加工により軸長方向に並ぶラック歯の歯形３ａ，３ａ…を形成した後、これらの歯形３ａ，３ａ…の歯先部分の厚さ方向両側のエッジ３ｂ，３ｂ…と、歯すじ方向の両端に現れる歯形形状のエッジ３ｃ，３ｃとに対して面取り処理を実施し、エッジ３ｂ，３ｃのうち、少なくとも歯先側のエッジ３ｂに適宜の丸みを有する面取り部３ｄを形成する。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外面の軸長方向に複数のラック歯を並設してなるラック軸、及びこのラック軸を用いてなるラックピニオン式操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用の操舵装置として広く用いられているラックピニオン式操舵装置は、ステアリングホイール等の操舵部材に連結され、周面にピニオン歯が設けられたピニオン軸と、車体の左右方向に延設され、その中途部外面に適長に亘ってラック歯が並設されたラック軸とを備えてなり、運転者による操舵部材の操作に応じた前記ピニオン軸の回転を前記ラック軸の軸長方向の移動に変換し、該ラック軸の左右両端に各別のタイロッドを介して連結された操舵用の車輪（一般的には左右の前輪）を操舵せしめる構成となっている。
【０００３】
このようなラックピニオン式操舵装置において、ピニオン軸に設けられるピニオン歯、及びラック軸に設けられるラック歯は、高い噛み合い精度を得るべく、歯切り盤、ブローチ盤等の工作機械を用いた切削加工により一般的に形成されており、多くの場合、表面硬さを増して耐久性の向上を図るべく、歯面の熱処理が実施されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、ピニオン軸に設けられるピニオン歯、及びラック軸に設けられるラック歯の歯諸元（モジュール、歯数、圧力角）は、ピニオン軸の一回転当たりのラック軸の移動量（ストロークレシオ）により拘束されるピニオン軸の円周上において、要求される負荷条件に耐え得る強度を確保すべく決定されており、一般的なストロークレシオの下でのピニオン歯の歯諸元は、ＪＩＳ（日本工業規格）において規定されている標準的な圧力角（＝２０°）を採用した場合、モジュールが２．５前後、歯数が５枚となる。
【０００５】
ところが、以上の如き大嵩で少数のピニオン歯を備えるピニオン軸をラック軸に設けられたラック歯と噛合させた場合、特に、噛合中心の前後における歯当たり境界部において、ピニオン歯とラック歯との干渉が避け難く、種々の不具合が発生するという問題がある。このような問題に対し従来においては、特殊な歯諸元を採用し（例えば、特許文献２参照）、また種々の形態での歯形状の修正を行って対応している。
【０００６】
【特許文献１】
特公平８−２５４６２号公報
【特許文献２】
特公昭６２−３８５７９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記特許文献１には、共に斜歯として形成されたピニオン歯及びラック歯の噛合部においてラック軸の軸回りの回動変位に伴ってピニオン歯との間に発生する食い付き現象を防止することを目的とし、ラック歯の捩れ角及び圧力角をラック軸の断面形状との関係から選定する方法が示されているに過ぎず、ラック歯とピニオン歯との干渉、特に、歯当り境界部において、ラック歯の歯先がピニオン歯の歯元をえぐるように発生する干渉を有効に防止することはできず、ピニオン歯の歯元部に偏摩耗が発生し、耐久性の低下を引き起こすという問題があった。
【０００８】
また、ラック歯とピニオン歯との干渉部における噛み合い摩擦がピニオン軸に連なる操舵部材を操作する運転者に体感されることとなり、更に、操舵部材とピニオン軸とを連絡するコラム軸の中途に操舵補助用のモータを備え、該モータの回転力を前記ピニオン軸に伝えて、該ピニオン軸の回転に応じて前述の如くなされる操舵を補助する構成としたコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置においては、前記モータの回転がピニオン軸をを介してラック軸に伝えられる際の応答性が前記噛み合い摩擦の影響により悪化する結果、操舵感の悪化を招来するという問題があった。
【０００９】
これに対し歯形状の修正は、適切な修正がなされた場合、所望の干渉防止効果を得ることができ、噛み合い摩擦の影響による操舵感の悪化を防止することが可能とあるが、このような歯形状の修正のために多くの工数を要し、製品コストの増大を招くという問題があり、更に、大幅な歯形状の修正が行われた場合、ピニオン歯及びラック歯自体の強度低下を招来し、耐久性が低下する虞れもある。
【００１０】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、切削加工により形成されたラック歯に対する簡易な後処理の実施により、ピニオン歯との干渉を有効に防止することができ、耐久性の向上を図り得るラック軸を提供し、このラック軸の使用により、滑らかで良好な操舵感が得られるラックピニオン式操舵装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１発明に係るラック軸は、切削加工により形成された複数のラック歯が、外面の軸長方向に並設してあるラック軸において、前記ラック歯の少なくとも歯先側のエッジ部に、歯すじ方向の全長に亘って設けられた面取り部を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、切削加工によりラック歯を形成した後、歯先部の歯厚方向両側に角を有して形成されているエッジ部に、歯すじの方向の全長に亘って面取りを施し、ラック歯の歯先がピニオン歯の歯元をえぐるように生じる干渉を面取り部の作用により有効に防止し、ピニオン歯との噛み合い摩擦を軽減し、偏摩耗の発生を防止して耐久性の向上を図る。このような面取り部は、例えば、ダイヤモンド粉を含有するナイロン樹脂製のブラシ毛を備える回転ブラシを用い、切削加工後のラック歯に摺接させて、ダイヤモンド粉の作用によりエッジ部の角を集中的に除去する簡易な手順により形成することができる。
【００１３】
本発明の第２発明に係るラック軸は、第１発明における面取り部を形成するための面取り処理が、前記ラック歯の歯面の熱処理前になされていることを特徴とし、また本発明の第３発明に係るラック軸は、第１発明における面取り部を形成するための面取り処理が、前記ラック歯の歯面の熱処理後になされていることを特徴とする。
【００１４】
第２発明においては、ラック歯の歯面の熱処理前に面取り処理を実施し、短時間での処理を可能とすると共に、熱処理時の応力集中によるエッジ部の焼き割れの発生を緩和し、不良品の発生を防止する。また第３発明においては、ラック歯の歯面の熱処理後に面取り処理を実施し、熱処理工程中に歯面に生成されるスケールを同時に除去して工程の簡素化を図る。
【００１５】
更に、本発明の第４発明に係るラックピニオン式操舵装置は、操舵部材に連結されたピニオン軸の周面に設けたピニオン歯を、操舵のために軸長方向に移動するラック軸の一部に設けたラック歯に噛合させてなり、前記操舵部材の操作に応じた前記ピニオン軸の回転を前記ラック軸の軸長方向の移動に変換して操舵を行わせる構成としたラックピニオン式操舵装置において、前記ラック軸として、第１〜第３発明のいずれかのラック軸を用いてあることを特徴とする。
【００１６】
この発明においては、歯先側のエッジ部に面取りを施し、ピニオン歯との干渉を軽減したラック歯を備えるラック軸をラックピニオン式操舵装置のラック軸として用い、ピニオン歯の耐久性を向上すると共に、ラック歯とピニオン歯との噛み合い摩擦の影響による操舵感の悪化を防止し、滑らかで良好な操舵感を長期に亘って実現する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係るラック軸を備えるラックピニオン式操舵装置の全体構成を示す模式図である。図中１はラック軸であり、該ラック軸１は、円筒形をなすラックハウジング１０の内部に軸長方向への移動自在に支持され、図示しない車体の左右方向に延設されている。ラックハウジング１０の両側に突出するラック軸１の両端は、操舵用の車輪としての左右の前輪１１，１１のナックルアーム１２，１２に、各別のタイロッド１３，１３を介して連結されている。
【００１８】
またラックハウジング１０の一側端部近傍には、これと軸心を交叉させてピニオンハウジング２０が連設されており、該ピニオンハウジング２０の内部には、軸回りでの回転自在にピニオン軸２が支持されている。ピニオン軸２の一部は、ピニオンハウジング２０の上方に適長突出させてあり、この突出端は、コラム軸２１を介して操舵部材としてのステアリングホイール２２に連結されている。
【００１９】
ピニオンハウジング２０の内部に延設されたピニオン軸２の下半部は、適長に亘って大径化され、この大径部の外周面にピニオン歯４が形成されている。またラックハウジング１０の内部に支持されたラック軸１の外面には、ピニオン軸２との対向部を含めた適長に亘ってラック歯３が形成されており、このラック歯３は、ピニオン軸２の周面に設けられたピニオン歯４に噛合させてある。
【００２０】
以上の構成により、操舵のためにステアリングホイール２２が回転操作された場合、該ステアリングホイール２２にコラム軸２１を介して連結されたピニオン軸２が回転し、この回転が、ピニオン歯４とラック歯３との噛合部においてラック軸１の軸長方向の移動に変換されてラック軸１が左右両方向に移動する。
【００２１】
このように生じるラック軸１の移動は、該ラック軸１の両端に連結されたタイロッド１３，１３を介して左右のナックルアーム１２，１２に伝達され、これらのナックルアーム１２，１２の押し引きにより左右の前輪１１，１１が、ステアリングホイール２２の操作方向に、操作量に対応する角度となるまで転舵されて操舵がなされる。
【００２２】
なお本図に示すラックピニオン式操舵装置は、以上の如く行われる操舵を補助するモータ５を備える電動パワーステアリング装置として構成されている。操舵補助用のモータ５は、コラム軸２１を支持する円筒形をなすコラムハウジング２３の下端部近傍の外周に、内部のコラム軸２１と略直交するように取付けられ、該モータ５の回転は、コラムハウジング２３の内側に構成された図示しないウォームギヤ減速装置を介してコラム軸２１に伝達されるようになしてある。またコラムハウジング２３の内部には、コラム軸２１に加わる回転トルク（操舵トルク）を検出するトルク検出装置２４が、モータ５の取付け部よりも上位置に構成されており、該トルク検出装置２４により検出される操舵トルクは、操舵補助用のモータ５の駆動制御に用いられている。
【００２３】
以上の構成により、ステアリングホイール２２が回転操作された場合、これに伴ってコラム軸２１に加わる操舵トルクがトルク検出装置２４により検出され、この検出トルクに基づいて駆動制御される操舵補助用のモータ５の回転力がコラム軸２１に加わり、該コラム軸２１からピニオン軸２に伝達されて、ラック軸１に軸長方向の移動力が付加されることとなり、この移動により前述の如くなされる操舵が補助される。
【００２４】
以上の如く構成されたラックピニオン式操舵装置に備えられた本発明に係るラック軸１の特徴は、ピニオン軸２のピニオン歯４に噛合するラック歯３の形成態様にある。
【００２５】
図２は、ラック歯３とピニオン歯４との噛合部の横断面図である。ラック歯３及びピニオン歯４の歯諸元は、ラック軸１に要求されるストロークレシオによって定まるピニオン軸２の円周上に並ぶピニオン歯４が、前述の如く負荷されるステアリングホイール２２の操作力及びモータ５の回転力に耐え得る強度を有するように決定されている。図２においては、ピニオン軸２の円周上に５枚のピニオン歯４，４…が並設されており、これらが、ピニオン軸２の回転に応じて周方向位置を変え、ラック軸１の外面に軸長方向に並設されたラック歯３，３…に順次噛合するようになしてある。
【００２６】
図３は、ラック軸１の外面に並ぶラック歯３，３…の形成態様を示す斜視図である。図示の如く円形断面を有するラック軸１の外面には、移動ストロークに対応する軸方向長さに亘って適幅に平坦化された平坦面３０が設けてあり、ラック歯３，３…は、歯切り盤、ブローチ盤等の平削りが可能な工作機械を用いて前記平坦面３０を切削加工し、図３（ａ）に示す如く歯形３ａ，３ａ…を形成した後、これらの歯形３ａ，３ａ…に対して後述する面取り処理を行って、図３（ｂ）に示す如く、ラック軸１の軸長方向と直交する方向に対して所定角度傾斜する斜歯として形成されている。なお歯形３ａ，３ａ…は、前述した切削加工の後に研磨仕上げされたものであってもよい。
【００２７】
以上の如き切削加工により得られる歯形３ａ，３ａ…は、図３（ａ）に示す如く、歯先の厚さ方向両側のエッジ３ｂ，３ｂ…、及び歯すじ方向の両端に現れる歯形形状のエッジ３ｃ，３ｃの夫々が角を有している。面取り処理は、これらのエッジ３ｂ，３ｃのうち、少なくとも歯先側のエッジ３ｂに適宜の丸みを有する面取り部３ｄを形成すべく、例えば、以下の如く実施されている。
【００２８】
図４は、面取り処理の実施手順の一例を示す斜視図である。本図における面取り処理は、回転軸６０の周面に多数のブラシ毛６１，６１…が植設された回転ブラシ６を用いて行われる。ブラシ毛６１，６１…は、ダイヤモンド粉等の高硬度の研磨粉を含侵させたナイロン樹脂製の毛であり、回転軸６０の軸長方向に適宜の長さ範囲に亘って、周面から径方向外向きに突出するように植設されている。
【００２９】
このように構成された回転ブラシ６による面取り処理は、該回転ブラシ６を、図示の如く、ラック軸１の軸長方向に沿って歯形３ａ，３ａ…の形成面に対向するように位置決めした後、図示しない回転駆動源から回転軸６０への伝動により矢符にて示す如く回転させると共に、白抜矢符により示す如くラック軸１に接近する向きに移動させ、更に、ラック軸１の軸長方向及び歯形３ａ，３ａ…の幅方向に移動させて、回転軸６０に植設されたブラシ毛６１，６１…の夫々を各歯形３ａ，３ａ…の全面に連続的に接触せしめてなされる。
【００３０】
このとき、夫々のブラシ毛６１，６１…に含まれる研磨粉は、各歯形３ａ，３ａ…のエッジ３ｂ，３ｂ…及びエッジ３ｃ，３ｃの角部に対しては強く作用し、これらの角部は、研磨粉の作用により研磨されて面取りされるが、各歯形３ａ，３ａ…の平坦な歯面に対しては、ナイロン樹脂製のブラシ毛６１，６１…が撓みを伴って摺接するため、各ブラシ毛６１，６１…に含まれる研磨粉の作用は弱く、切削加工により高精度に形成された各歯形３ａ，３ａ…の歯形状は、実質的に変化することなく維持される。
【００３１】
以上の如き面取り処理により、各エッジ３ｂ，３ｃに面取り部３ｄが設けられたラック歯３，３…が、図３（ｂ）に示す如く形成される。この面取り処理は、ラック軸１の外面に形成された歯形３ａ，３ａ…に回転ブラシ６を接触させるという簡易な手順により実施することができ、また回転ブラシ６による研磨量は、研磨が進行し、各エッジ３ｂ，３ｃの角部が平坦化されるに従って平衡するから、処理時間の正確な管理は不要である。
【００３２】
なお、回転ブラシ６に植設されたダイヤモンド粉を含侵させたナイロン樹脂製のブラシ毛６１，６１…は、例えば、各種の鋳物のバリ取りのために用いられるブラシに使用されているものであり、この種のブラシを用いた手作業により面取り部３ｄを形成してもよく、また、他の手段により面取り部３ｄを形成してもよいが、前述した回転ブラシ６を使用することにより、ラック歯３，３…の歯形状に影響を及ぼすことなく高能率での面取り処理が可能となる。
【００３３】
このようにラック歯３，３…に設けられた面取り部３ｄは、図２に示す如き噛合状態において、ラック歯３，３…の歯先部とピニオン歯４，４…の歯元部との間に隙間を生ぜしめ、両者の干渉を有効に防止する作用をなす。このような干渉防止により、ピニオン歯４，４…の噛み合い摩擦を軽減することができ、ピニオン軸２からコラム軸２１を介してステアリングホイール２２に伝わるフリクション感が低減され、良好な操舵感を実現することができる。更に、干渉回避のためのピニオン歯４，４…の歯形及び歯すじの修正量を小さくすることができ、ピニオン歯４，４…の強度及び耐久性の向上を図ることができる。
【００３４】
以上の干渉防止作用は、切削加工により得られる歯形３ａ，３ａ…の歯先側のエッジ３ｂ，３ｂ…に設けられた面取り部３ｄにより実現されるものであり、歯すじ方向の両端のエッジ３ｃ，３ｃに設けられる面取り部３ｄは必須の要件ではないが、この面取り部３ｄは、前述した面取り処理によって必然的に形成される上、例えば、ラック軸１の組み付け段階において、各部との衝突によるエッジ３ｃの割れ及び欠けの発生を未然に防止する作用をなすため、図３に示す如く、歯先側のエッジ３ｂ，３ｂ…の面取り部３ｄと共に形成するのが望ましい。
【００３５】
なお前述した面取り処理は、表面硬さの増大により耐久性の向上を図るべく、ラック歯３，３…の歯面に対して熱処理が実施される場合、この熱処理の前後のいずれにおいて実施してもよい。熱処理前に面取り処理を行った場合、処理時間を短くすることができる上、熱処理工程中の応力集中に起因するエッジ３ｂ，３ｂ…及びエッジ３ｃ周辺の割れ、所謂、焼き割れの発生を防止することができるという付加的な効果が得られる。また、熱処理後に面取り処理を行った場合、処理時間は長くなるが、熱処理によって歯面に生成されたスケールを、面取りと同時に除去することができるという付加的な効果が得られる。
【００３６】
なお以上の実施の形態においては、操舵部材とピニオン軸との間に操舵補助用のモータを備え、このモータの回転力をピニオン軸に伝えて、該ピニオン軸の回転に応じてなされる操舵を補助する電動パワーステアリング装置、所謂、コラムアシスト式の電動パワーステアリング装置として構成されたラックピニオン式操舵装置への適用例について説明したが、本発明に係るラック軸１は、他の形式の電動パワーステアリング装置として構成されたラックピニオン式操舵装置に適用してもよく、また、ステアリングホイール２２に運転者により加えられる操舵トルクのみによって操舵を行わせるマニュアル式の操舵装置として構成されたラックピニオン式操舵装置、更には、ラックハウジング１０の中途に設けた油圧シリンダの発生力をラック軸１に加えて操舵を補助する油圧パワーステアリング装置として構成されたラックピニオン式操舵装置への適用も可能であることは言うまでもない。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明に係るラック軸においては、ラック歯の歯先側のエッジ部に面取りを施す簡易な処理によりピニオン歯との噛合部における干渉を軽減することができ、ピニオン歯の偏摩耗による耐久性の低下を防止し、またピニオン歯との滑らかな噛合を実現することができ、また本発明に係るラックピニオン式操舵装置においては、ラック歯とピニオン歯との噛み合い摩擦の影響を排除して、滑らかで良好な操舵感を安定して実現することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るラック軸を備えるラックピニオン式操舵装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】ラック歯とピニオン歯との噛合部の横断面図である。
【図３】ラック軸の外面に並ぶラック歯の形成態様を示す斜視図である。
【図４】面取り処理の実施手順の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ ラック軸
２ ピニオン軸
３ ラック歯
３ｂ エッジ
３ｄ 面取り部
４ ピニオン歯
２２ ステアリングホイール（操舵部材）

Claims (4)

1. 切削加工により形成された複数のラック歯が、外面の軸長方向に並設してあるラック軸において、
   前記ラック歯の少なくとも歯先側のエッジ部に、歯すじ方向の全長に亘って設けられた面取り部を備えることを特徴とするラック軸。
2. 前記面取り部を形成するための面取り処理は、前記ラック歯の歯面の熱処理前になされている請求項１記載のラック軸。
3. 前記面取り部を形成するための面取り処理は、前記ラック歯の歯面の熱処理後になされている請求項１記載のラック軸。
4. 操舵部材に連結されたピニオン軸の周面に設けたピニオン歯を、操舵のために軸長方向に移動するラック軸の一部に設けたラック歯に噛合させてなり、前記操舵部材の操作に応じた前記ピニオン軸の回転を前記ラック軸の軸長方向の移動に変換して操舵を行わせる構成としたラックピニオン式操舵装置において、
   前記ラック軸として、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のラック軸を用いてあることを特徴とするラックピニオン式操舵装置。

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