JP2008114741A - ラックアンドピニオン式ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ラックの軽量化を図ると共に、中実ラックと同等以上の曲げ強度を確保できるラックを備えたラックアンドピニオン式ステアリング装置を提供する。
【解決手段】 ラック１０の本体部分は鋼管素材を使用し、冷間鍛造により管状の第１ラック素材１０ａを形成し、ラック歯１０ｃを形成する部分には内部空間に棒状の第２ラック素材１０ｂを挿入し、外側から歯型ダイスで押圧する冷間鍛造でラック歯１０ｃを形成する。ラック１０の断面は、ラック歯１０ｃがラック１０の軸方向に対して交差する方向に膨出した膨出部１０ｄを有する形状に形成される。繁雑な工程を経ることなくラック歯を形成することができ、ラック歯部分が実質的に中実体となるので曲げ応力に強いラック１０を作成できる。膨出部１０ｄにもラック歯１０ｃが形成されるから、ピニオンと噛合する歯筋方向の長さが長くなり、ピニオンとの噛合率を高めることもできる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、車両などのステアリングホイールの操舵力を補助するコラムアシストタイプ又はピニオンアシストタイプのラックアンドピニオン式ステアリング装置に関する。

車両用のステアリング装置においては、運転者の操舵負荷を軽減することを目的とした動力舵取装置が知られている。従来、動力舵取装置は、油圧式のパワーステアリング装置が広く使用されていた。しかしながら、近年の自動車の高効率化の傾向にしたがって、油圧式のパワーステアリング装置から、効率のよい電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）に置き換えられる場合が多くなってきている。ＥＰＳは、動力の必要なときだけモータに電流を流せばよいが、油圧式のパワーステアリング装置はエンジンの動力で常時油圧ポンプを駆動しなければならないので、ＥＰＳの方が油圧式のパワーステアリング装置よりも効率がよい。

一般に、ＥＰＳは市街地走行などの実用領域では３〜５％程度の燃費向上効果があると言われている。したがって、コラムアシスト式やピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置は小型車だけでなく中型車、大型車への適用拡大が望まれており、そのシステムに用いられるラックアンドピニオン式ステアリング装置においては、ラック推力の高出力化が求められており、その対処としてラックの直径を大径化して対応している。

しかし、一方では車両の軽量化に対する要求も強く、相反する要求を同時に実現することが求められている。

図１３は、従来の中実丸棒のラック素材から製作されたラック１００の構成の一例を説明する図で、図１３（ａ）はラックの軸方向に添った断面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のラック歯部分のＡ−Ａ線に添った横断面図である。図１３（ａ）に示すように、中実丸棒からなるラック素材には、切削などの方法でラック歯１０２が形成され、ラック歯１０２が形成されていない部分は、ガンドリルにより孔１０３が開けられて中空管状のラック１０１に形成され、軽量化が図られている（特許文献１参照）。

図１４は、従来の冷間鍛造によるラック２００の形成工程を説明する図で、図１４（ａ）はラックの軸方向に添った断面図、図１４（ｂ）はラックの軸方向に垂直な面の断面図、図１４（ｃ）はラック歯部分を拡大した横断面図である。図１４（ａ）に示すように、鋼管素材の内部にマンドレル２０２を順次交換しながら挿入して冷間鍛造を行い、管状の中空ラック２０１を形成し、ラック歯２０５の部分は外側から割型２０３ａ、２０３ｂとラック成形型２０４を押圧させて加工し、ラック歯２０５を形成する。ラック２００は略管状の中空体に構成され、軽量化が図られている（特許文献２〜４参照）。

また、ラック推力の高出力化に対応するためには、ラック自体の曲げ強度やその特性、ラック歯の曲げ強度、さらにラックに噛合するピニオンからラック歯面に作用する面圧が高まることから、耐摩耗性（耐久性）を十分に考慮する必要がある。
特開平１０−５８０８１号公報 特公平３−５８９２号公報 特許第２９２８４２７号公報 特開２００２−１７８０９５号公報。

ラック推力の高出力化に対応するためには、ラック自体の曲げ強度やその特性、ラック歯の曲げ強度、さらにラックに噛合するピニオンからラック歯面に作用する面圧が高まることから、耐摩耗性（耐久性）を十分に考慮する必要がある。

ラックの軽量化に対する前記した第１の構成である、中実丸棒のラック素材から切削加工によりラック歯形を成形したラックは、ラック素材に中実丸棒を使用するためラック自体の曲げ強度やその特性、及びラック歯の強度は確保されるが、特にラック歯成形部以外の部分が中実のために重量が重くなるという不都合がある。この不都合を回避するためにはガンドリルなどで孔加工を行う必要があるが、孔加工のために製造コストが上昇するという不都合があった。

また、ラック軸の軽量化に対応した前記した第２の構成である、管状のラック素材の内側孔にマンドレルを圧入してラック素材の外側にラック歯形を成形したラックは、ラック歯の歯底の肉厚が薄くなるため、ラック自体の曲げ強度やその特性、及びラック歯の強度が不足するという不都合があった。さらに、マンドレルによるしごき加工に大きな加工力を必要とするため、少しづつ寸法の異なる複数のマンドレルを交換しながら加工する必要があり、加工時間が長くなると共に、専用の加工機械が必要となるため、製造コストが上昇するという不都合があった。

この発明は、上記した課題の解決を目的とするものである。

この発明は上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、モータから供給される操舵補助力がコラム部でステアリングシャフトに付与されるコラムアシストタイプ、又はモータから供給される操舵補助力がステアリングギヤのラックに噛合するピニオンに付与されるピニオンアシストタイプのラックアンドピニオン式ステアリング装置において、前記ラックを構成するラック素材は、管状の第１ラック素材のラック歯形成部分に対応する内部空間に第２ラック素材が挿入された複合ラック素材であることを特徴とするラックアンドピニオン式ステアリング装置である。

そして、前記第２ラック素材は、ラック歯が形成される長さに略等しく、第１ラック素材の内部空間を略満たす寸法の素材である。

また、前記ラックは、管状の第１ラック素材のラック歯形成部分に対応する内部空間に第２ラック素材が挿入された状態で鍛造加工されて形成されたラック歯の歯筋方向の両端が、鍛造加工前の第１ラック素材の外径よりも外側に膨出した膨出部を備えている。

また、前記ラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ラックとピニオンとの噛合部に潤滑剤が充填されているものとする。

この発明のラックアンドピニオン式ステアリング装置では、ラックを構成するラック素材は、管状の第１ラック素材のラック歯形成部分に対応する内部空間に第２ラック素材が挿入されたラック素材であって、ラック歯形成部分のみが中実のラックで、それ以外は管状のラックであるから、ラックを軽量化できると共にラック歯部分についても中実のラックと同等或いはそれ以上の曲げ強度を確保することができる。

以下、この発明の実施の形態について説明する。

図１は、コラムアシストタイプのラックアンドピニオン式ステアリング装置の構成を示す全体斜視図、図２はピニオンアシストタイプのラックアンドピニオン式ステアリング装置の構成を示す全体斜視図であり、いずれもこの発明を実施するに適したステアリング装置の構成を示している。

図１に示すコラムアシストタイプのラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ステアリングホイール１の操作力を軽減するために、ステアリングコラム２の中間部に取り付けたモータ３の操舵補助力をステアリングシャフトに付与し、中間シャフト４を介してラックアンドピニオン式のステアリングギヤ５のラックを往復移動させ、タイロッド６を介して舵輪を操舵する方式のステアリング装置である。

図２に示すピニオンアシストタイプのラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ステアリングホイール１、ステアリングコラム２、中間シャフト４を介してステアリングギヤ５に伝達される操作力を軽減するために、ステアリングギヤ５に設けたモータ３の操舵補助力をステアリングギヤ５の内部に設けたピニオンに付与し、ピニオンに噛合するラックを往復移動させ、タイロッド６を介して舵輪を操舵する方式のステアリング装置である。

図３は、この発明に係るラック１０の構成を説明する図で、図３（ａ）は、ラック１０の軸方向に添った断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に添ったラック歯部分の横断面図である。

ラック１０は、鋼管などの管状の第１ラック素材に対して、ラック歯１０ｃを形成する部分は内部空間に本体部分と同一素材の棒状の第２ラック素材を挿入した複合ラック素材から構成される。そしてラック素材の外側から図示しない歯型ダイスで押圧する冷間鍛造を行い、ラック歯１０ｃを形成する。第２ラック素材は、ラック歯１０ｃが形成される長さに略等しい長さとし、第１ラック素材の内部空間を略満たす寸法の素材とする。

これにより、ラック１０のラック歯部分の断面は、図３（ｂ）に示すように、破線で示す中空のラック本体１０ａの外径よりも、ラック１０の軸方向に対して交差する方向に外側に膨出した膨出部１０ｄを有する形状に形成され、ラック歯１０ｃは外側に膨出した膨出部１０ｄにも形成される。

この構成によれば、従来例で説明したような繁雑な工程を経ることなく、ラック歯を形成することができるばかりでなく、ラック歯部分が実質的に中実体となるので、曲げ応力に強いラック１０を作成することができる。

さらにこの構成によれば、膨出部１０ｄにもラック歯１０ｃが形成されるから、ピニオンと噛合する歯筋方向の長さが膨出部１０ｄの分だけ長くなり、ピニオンとの噛合率を高めることができ、面圧も下がるため、ラックアンドピニオン式ステアリング装置の耐久性を向上することが可能となる。

図４は、この発明に係るラック、即ち、中空のラック本体のラック歯形成部分に棒状体が挿入されたラックと、従来の中実体ラックについて、曲げ荷重に対する変位量を比較した実験結果を示す図で、線（ａ）はこの発明に係るラックの試験結果を示し、線（ｂ）は従来の中実体ラックの試験結果を示す。

図４から明らかなように、この発明に係るラックは従来の中実体ラックと比較し、同じ変位量を発生させる曲げ荷重が同等か或いは大きい。即ち、この発明に係るラックは中実体のラックと同等又はそれ以上に曲げ応力に強く、且つ、ラックが脆性的破壊に至ってないことが分かる。

図５は、この発明に係るラックを使用したコラムアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置２０のラックガイド付近の構成を説明する断面図で、ラックガイドは転がり式のラックガイドである。

図５において、ラックアンドピニオン式ステアリング装置２０のピニオン１１はその先端付近にピニオン歯１１ａが形成されており、ピニオン１１はニードルベアリング１５と玉軸受１３でハウジング１４に回転自在に支持されている。

また、ピニオン１１のピニオン歯１１ａと、これに噛合するラック１０のラック歯１０ｃとの噛合状態を適正に保つため、ハウジング１４のラック１０の下側（噛合面と反対側）には、ハウジング１４に形成されたラックガイド案内部１４ｂにラックガイド１６が摺動自在に配置され、ラック１０を下側（噛合面と反対側）から支承している。

ラックガイド１６は、ピン１６ａと、ローラ１６ｂと、略円筒形のホルダ１６ｃとから構成され、ラック１０を支承するローラ１６ｂは、略円筒形のホルダ１６ｃの内面に形成されたピン挿入溝１６ｆに挿入されたピン１６ａの上に、ニードルベアリング１７を介して回転自在に保持されている。なお、１８は皿ばね、１９は調整スクリューで、ラック１０を下側（噛合面と反対側）から支承するローラ１６ｂの押圧力が、皿ばね１８と調整スクリュー１９により調整される。

図６は、この発明に係るラックを使用したコラムアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置２０のラックハウジング１４ａとラック１０の支持構造を説明する部分断面図である。図６に示すように、ラック１０はラックハウジング１４ａの内部に、ブッシュ１４ｃを介して軸方向移動自在に支持されている。

図７は、この発明に係るラックを使用したピニオンアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置３０のラックガイド付近の構成を説明する断面図で、ラックガイドは転がり式のラックガイドである。

図７において、ラックアンドピニオン式ステアリング装置３０のピニオン３２は、図示しないステアリングシャフトから延長されたトーションバー３５の出力側に結合されている。また、ピニオン３２には、アシストモータＭ（図８参照）で駆動されるウォーム３７に噛合するウォームホイール３６が固定されている。

ピニオン３２は、玉軸受３３と玉軸受３４とでハウジング３１に回転自在に支持されており、ピニオン３２の先端付近に形成されたピニオン歯３２ａは、この発明に係るラック１０のラック歯１０ｃと噛合しており、噛合状態を適正に保つため、ハウジング３１のラック１０の下側（噛合面と反対側）には、ハウジング３１に形成されたラックガイド案内部３１ｂにラックガイド３８が摺動自在に配置され、ラック１０を下側（噛合面と反対側）から支承している。

ラックガイド３８は、ピン３８ａと、ローラ３８ｂと、略円筒形のホルダ３８ｃとから構成され、ラック１０を支承するローラ３８ｂは、略円筒形のホルダ３８ｃの内面に形成されたピン挿入溝３８ｆに挿入されたピン３８ａの上に、ニードルベアリング３８ｇを介して回転自在に保持されている。なお、３９ａは皿ばね、３９ｂは調整スクリューで、ラック１０を下側（噛合面と反対側）から支承するローラ３８ｂの押圧力が皿ばね３９ａと調整スクリュー３９ｂにより調整される。

図８は、ピニオンアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置３０のラックハウジング３１ａとラック支持構造を説明する部分断面図である。図６を参照して説明したコラムアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置のラック支持構造と同様に、ピニオンアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置３０でも、ラック１０はラックハウジング３１ａの内部に、ブッシュ３１ｃを介して軸方向移動自在に支持されている。なお、図８において、符号ＭはアシストモータＭを示す。

図９は、この発明に係るラックを使用したコラムアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置４０のラックガイド付近の構成を説明する断面図で、ラックガイドは滑り式のラックガイドである。

ラックアンドピニオン式ステアリング装置４０のピニオン４１はその先端付近にピニオン歯４１ａが形成されており、ピニオン４１はニードルベアリング４２と玉軸受４３でハウジング４４に回転自在に支持されている。

また、ピニオン４１のピニオン歯４１ａと、これに噛合するラック１０のラック歯１０ｃとの噛合状態を適正に保つため、ハウジング４４のラック１０の下側（噛合面と反対側）に形成された円筒状のラックガイド案内部４４ｄにラックガイド４５が配置され、ラック１０を下側（噛合面と反対側）から支承している。

ラックガイド４５は、ハウジング４４に形成されたラックガイド案内部４４ｄに摺動自在に配置された円柱状の部材で、一方の端面はラック１０の外周面に接触する曲面４５ａに形成され、他方の端面はコイルばね４６が接触する凹面４５ｂに形成されている。

調整スクリュー４８には、コイルばね４６が接触する凹面４８ａが形成されており、ラックガイド４５の凹面４５ａと調整スクリュー４８の凹面４８ａとの間にコイルばね４６を配置し、調整スクリュー４８を皿ばね４７を介してラックガイド案内部４４ｄの下側に形成されたネジに螺入する。ラックガイド４５は、コイルばね４６の弾性変形と、皿ばね４７を介した調整スクリュー４８のねじ込み量を調整することで、最適な押圧力でラック１０を下側（噛合面と反対側）から支承する。

図１０は、この発明に係るラックを使用したコラムアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置４０のラックハウジング４４ａとラックの配置を説明する部分断面図である。ラックガイド４５が滑り式のラックガイドであるため、ラック１０はラックガイドだけで十分に支持することができ、ラックハウジング４４ａの内部にはラックを支持するブッシュは配置されていない。

図１１は、この発明に係るラックを使用したピニオンアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置５０のラックガイド付近の構成を説明する断面図で、ラックガイドは滑り式のラックガイドである。

図１１において、ラックアンドピニオン式ステアリング装置５０のピニオン５２は、図示しないステアリングシャフトから延長されたトーションバー５５の出力側に結合されている。また、ピニオン５２には、アシストモータＭ（図１２参照）で駆動されるウォーム５７に噛合するウォームホイール５６が固定されている。

ピニオン５２は、玉軸受５３と玉軸受５４とでハウジング５１に回転自在に支持されており、ピニオン５２の先端付近に形成されたピニオン歯５２ａは、この発明に係るラック１０のラック歯１０ｃと噛合しており、噛合状態を適正に保つため、ハウジング５１のラック１０の下側（噛合面と反対側）にラックガイド５８が配置され、ラック１０を下側（噛合面と反対側）から支承している。

ラックガイド５８は、ハウジング５１に形成されたラックガイド案内部５１ｄに摺動自在に配置された円柱状の部材で、一方の端面はラック１０の外周面に接触する曲面５８ａに形成され、他方の端面はコイルばね６１が接触する凹面５８ｂに形成されている。

調整スクリュー６０には、コイルばね６１が接触する凹面６０ａが形成されており、ラックガイド５８の凹面５８ｂと調整スクリュー６０の凹面６０ａとの間にコイルばね６１を配置し、調整スクリュー６０を皿ばね６２を介してラックガイド案内部５１ｄの下側に形成されたネジに螺入する。ラックガイド５８は、コイルばね６１の弾性変形と、皿ばね６２を介した調整スクリュー６０のねじ込み量を調整することで、最適な押圧力でラック１０を下側（噛合面と反対側）から支承する。

図１２は、この発明に係るラックを使用したコラムアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置５０のラックハウジング５１ａとラック１０の配置を説明する部分断面図である。

図１０を参照して説明したコラムアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置のラック支持構造と同様に、ピニオンアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置５０でも、ラックガイド５８が滑り式のラックガイドであるため、ラック１０はラックガイドだけで十分に支持することができ、ラックハウジング５１ａの内部にはラックを支持するブッシュは配置されていない。なお、図１２において、符号ＭはアシストモータＭを示す。

以上、この発明に係るラックの構成と、そのラックを備えたラックアンドピニオン式ステアリング装置について、複数の実施の形態を説明したが、いずれの実施の形態においても、ラックとピニオンとの噛合部には潤滑剤を充填するものとする。

ラック歯形成部分のみが中実のラックで、それ以外は管状のラックとし、ラックの軽量化を図ると共に、中実ラックと同等以上の曲げ強度を確保できるラックを備えたラックアンドピニオン式ステアリング装置である。

コラムアシストタイプのラックアンドピニオン式ステアリング装置の構成を示す全体斜視図。 ピニオンアシストタイプのラックアンドピニオン式ステアリング装置の構成を示す全体斜視図。 この発明に係るラックの構成を説明する図 この発明に係るラックと従来の中実体ラックについて曲げ荷重と曲げ変位量を比較した実験結果を説明する図。 この発明に係るラックを使用したコラムアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックガイド付近の構成を説明する断面図。 この発明に係るラックを使用したコラムアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックハウジングとラック支持構造を説明する部分断面図。 この発明に係るラックを使用したピニオンアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックガイド付近の構成を説明する断面図。 ピニオンアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックハウジングとラック支持構造を説明する部分断面図。 この発明に係るラックを使用したコラムアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックガイド付近の構成を説明する断面図。 コラムアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックハウジングとラックの配置を説明する部分断面図。 この発明に係るラックを使用したピニオンアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックガイド付近の構成を説明する断面図。 ピニオンアシスト式のラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックハウジングとラックの配置を説明する部分断面図。 従来の中実丸棒のラック素材から製作されたラックの構成の一例を説明する図。 従来の冷間鍛造によるラックの形成工程を説明する図。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ ステアリングコラム
３ モータ
４ 中間シャフト
５ ラックアンドピニオン式のステアリングギヤ
６ タイロッド
１０ ラック
１０ａ ラック本体
１０ｂ 棒状体
１０ｃ ラック歯
１０ｄ 膨出部
２０、３０、４０、５０ ラックアンドピニオン式ステアリング装置
１１、３２、４１、５１ ピニオン軸
１１ａ、３２ａ、４１ａ、５２ａ ピニオン歯
１３、３３、３４、４３、５３、５４ 玉軸受
１５、４２ ニードルベアリング
１４、３１、４４、５１ ハウジング
１４ａ、３１ａ、４４ａ、５１ａ ラックハウジング
１４ｂ、３１ｂ、４４ｄ、５１ｄ ラックガイド案内部
１４ｃ、３１ｃ ブッシュ
１６、３８、４５、５８ ラックガイド
１６ａ、３８ａ ピン
１６ｂ、３８ｂ ローラ
１６ｃ、３８ｃ ホルダ
１６ｆ、３８ｆ ピン挿入溝
１７、３８ｇ ニードルベアリング
１８、３９ａ、４７、６２ 皿ばね
１９、３９ｂ、４８、６０ 調整スクリュー
３５、５５ トーションバー
３６、５６ ウォームホイール
３７、５７ ウォーム
４６、６１ コイルばね
Ｍ アシストモータ

Claims (4)

1. モータから供給される操舵補助力がコラム部でステアリングシャフトに付与されるコラムアシストタイプ、又はモータから供給される操舵補助力がステアリングギヤのラックに噛合するピニオンに付与されるピニオンアシストタイプのラックアンドピニオン式ステアリング装置において、
   前記ラックを構成するラック素材は、管状の第１ラック素材のラック歯形成部分に対応する内部空間に第２ラック素材が挿入された複合ラック素材であること
   を特徴とするラックアンドピニオン式ステアリング装置。
2. 前記第２ラック素材は、ラック歯が形成される長さに略等しく、第１ラック素材の内部空間を略満たす寸法の素材であること
   を特徴とする請求項１に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置。
3. 前記ラックは、管状の第１ラック素材のラック歯形成部分に対応する内部空間に第２ラック素材が挿入された状態で鍛造加工されて形成されたラック歯の歯筋方向の両端が、鍛造加工前の第１ラック素材の外径よりも外側に膨出した膨出部を備えていること
   を特徴とする請求項１に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置。
4. 前記ラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ラックとピニオンとの噛合部に潤滑剤が充填されていること
   を特徴とする請求項１又は３に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置。

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