JP2008137497A - ステアリング装置のラック及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 大型の熱処理炉を必要とせず、ラック歯に浸炭焼入れを施すことができるラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置のラックとその製造方法を提供する。
【解決手段】 ラック母材から冷間鍛造により成型されたラック歯に浸炭焼入れを施して構成された円形断面の柱状体であるラック歯成型部材１４ａに、ラック母材から成型された円形断面の筒状体であるラック軸部材１４ｂを接合面１４ｃで摩擦圧接して接合する。断面円形に成型されたラック歯成型部材１４ａとラック軸部材１４ｂとを接合面１４ｃで突き合わせて加圧し、相対回転運動させ、突き合わせ面が摩擦熱により溶接温度に達して溶接が完了する直前にアプセット圧力を増して溶接し、ラック１４が完成する。接合前のラック歯成型部材はラック軸部材の分だけ長さが短くなるから、ラック歯に浸炭焼入れを施すために大型の熱処理炉を必要としない。
【選択図】 図４

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のラック及びその製造方法に関する。

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いる。

図５は、従来の中実丸棒のラック母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５（ａ）はラックの軸方向に添った断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のラック歯部分のＡ−Ａ線に添った横断面図である。図５（ａ）に示すように、中実丸棒からなるラック母材に、切削加工によりラック歯１０２が成型され、ラック歯１０２が成型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に成型され、軽量化が図られている。

上記したように、従来は切削加工によりラック歯を成型していたが、最近は生産性を高めると共に必要な強度を得るため冷間鍛造によるラック歯を成型する方法が採用されるようになり、各種の製造方法が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。
特開平１０−５８０８１号公報 特開２００１−２１９８５４号公報

従来のラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置では、ピニオンに入力されるトルクは運転者の手入力のみの場合は、せいぜい１０Ｎｍ（ニュートン・メートル）程度であるが、ＥＰＳと組み合わせて使用されるステアリング装置では、ピニオンに入力されるトルクは９０Ｎｍ以上となる場合がある。

このような高出力に対応するギヤでは特にギヤ歯の強度が重要となるが、ギヤ歯の強度は歯面の硬度に依存し、歯面の硬さはギヤ歯を構成する材料である鋼の炭素含有量に依存する。高強度用のギヤの硬度は、ロックウエルＣ硬度で、ＨＲＣ５８〜６４程度が望ましいとされているから、ピニオンに噛合するギヤ材料である鋼の炭素含有量は、０．４５％以上であることが望ましい。

しかしながら、冷間鍛造によりギヤ歯を成型する場合は、加工性の観点からギヤ材料である鋼の炭素含有量を多くすることが困難で、所望の加工性を維持するには、通常は炭素含有量は０．４０％以下となり、高強度用ギヤとして求められる硬度を得ることができない。このため、冷間鍛造によりギヤ歯を成型する場合は、ギヤ歯部分を浸炭焼入れを施して硬度を確保している。

上記した冷間鍛造によりギヤ歯を成型し、ギヤ歯部分を浸炭焼入れを施す製造方法を、車両用ステアリング装置のラックの製造に適用しようとするときは、車両用ステアリング装置のラック軸の軸長は６００ｍｍ程度であるから、浸炭焼入れ用の熱処理炉もこの軸長に応じた大型の熱処理炉が必要となり、また、同時に熱処理できるラック軸の本数も限られ、生産性を高めることができないという不都合がある。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、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おいて、前記ラックは、ラック母材を冷間鍛造により成型されたラック歯に浸炭焼入れを施して構成された円形断面の柱状体であるラック歯成型部材に、ラック母材から成型された円形断面の筒状体であるラック軸部材を摩擦圧接により接合されて構成され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、前記ラック歯成型部材はラック母材の軸方向に沿って冷間鍛造により成型されたラック歯に浸炭焼入れを施して構成された円形断面の柱状体であり、前記ラック軸部材はラック母材を円形断面の筒状体に成型して構成されており、前記ラックは、前記ラック歯成型部材の円形端面にラック軸部材の円形端面を押圧回転して摩擦圧接により接合されている。

請求項３の発明は、ラック歯成型部材とラック軸部材との２つの部材から構成され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適用されるラックの製造方法であって、ラック母材の軸方向に沿って冷間鍛造によりラック歯を成型する第１ステップと、成型されたラック歯に浸炭焼入れを施す第２ステップと、前記第１及び第２ステップにより製作されたラック歯成型部材の円形端面にラック軸部材の円形端面を押圧回転して摩擦圧接により接合する第３ステップとを含む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の製造方法である。

請求項１の発明では、ラックは、ラック母材を冷間鍛造により成型されたラック歯に浸炭焼入れを施して構成された円形断面の柱状体であるラック歯成型部材に、ラック母材から成型された円形断面の筒状体であるラック軸部材を摩擦圧接して接合されるものであるから、接合前のラック歯成型部材は、ラック軸部材の分だけ長さが短くなるから、ラック歯成型部材のラック歯に浸炭焼入れを施すために大型の熱処理炉を必要とせず、また、大型の熱処理炉を使用するときは多数のラック歯成型部材を同時に熱処理することができ、生産性を向上させることができる。

また、ラック軸部材には円形断面の筒状体を使用するから、ラック軸の軽量化を図ることができるほか、製造コストを低減することができる。

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を介して車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に設けた電動モータ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を介して車輪を操舵する方式のステアリング装置である。

図３は、この発明を適用するに適した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１０の構成を説明する断面図である。

ラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置１０は、ステアリングシャフト（図示せず）と連結しているピニオン１１を備え、ピニオン１１にはシャフト１２の一端に多数のギヤ歯１３が刻設されている。また、ピニオン１１とは互いに軸心を交差して配置されるラック１４を備え、ラック１４にはラック軸の一面に多数のラック歯１６が刻設されている。ピニオン１１のギヤ歯１３とラック１４のラック歯１６とは互いに噛合しており、図示されていないステアリングシャフトの操作力は、ピニオン１１からラック１４に伝達され、さらに左右の前輪と結ぶタイロッド６（図２参照）に伝達されるように構成されている。

ピニオン１１のシャフト１２は、その中間部を軸受１７により支承され、また、シャフト１２の最も遠い一端をニードル軸受１８によって支承され、シャフト１２はハウジング１９に回転自在に支承されている。

ピニオン１１のギヤ歯１３と、これに噛合するラック１４のラック歯１６との噛合状態を適正に保つため、ハウジング１１の内部下側（噛合面と反対側）にはラックガイド２０が配置され、ラック１４を下側（噛合面と反対側）から支承している。

ラックガイド２０は、ピン２１と、ローラ２２と、全体が略円筒状に成型されたホルダ２３とから構成されており、ホルダ２３の内面に略Ｕ字形に成型された溝２４にピン２１が保持され、ラック１４を支承するローラ２２は、ピン２１の上に転がり軸受２５を介して回転自在に支承されている。

また、ホルダ２３は軸方向に圧縮荷重を生じるバネ２６と当接しており、バネ２６はアジャストスクリュー２７を回転してピニオン１１のギヤ歯１３とラック１４のラック歯１６との噛合部のバックラッシュを極小さい値に調節するように構成されている。ロックナット２８はアジャストスクリュー２７の緩みを阻止する。

なお、カバースクリュー２９は、ハウジング１９のピニオン側開口部を閉じると共に、ピニオン１１のギヤ歯１３とラック１４のラック歯１６との噛合によって生じるピニオンの軸方向の力を受け止める。

図４は、上記ラックを構成する部材と完成したラック及び製造方法を説明する断面図であり、図４（ａ）はラック１４のラック歯成型部材１４ａの断面図、図４（ｂ）はラック１４のラック軸部材１４ｂの断面図、図４（ｃ）はラック歯成型部材１４ａとラック軸部材１４ｂとを接合面１４ｃで接合して完成したラック１４の断面図である。

ラック歯成型部材１４ａは、ラックとしての所定の強度を備えたラック母材である鋼材から、公知の冷間鍛造法により、ラック歯１６を備えた断面円形のラック歯成型部材１４ａを成型し、公知の浸炭焼入れを施す。例えば、固体浸炭法ではラック歯成型部材１４ａを鉄製の箱に入れ、木炭に浸炭促進剤として例えばＢａＣＯ3 、或いはＮａ（ＣＯ3 ）などを適量配合した浸炭剤を充填して密封し、８５０〜９５０℃に加熱して炭素を浸透させてから焼入れ、焼戻し処理を行う。

また、ガス浸炭法ではラック歯成型部材１４ａを収容した容器に、炭化水素と空気を混合してニッケル触媒により熱分解したＲＸガスと呼ばれるガス（一例としてＣＯ2 ：２０％、Ｈ2 ：４０％、Ｎ2 ：４０％）を供給する。このガスは高温に加熱された鋼の表面で分解し、活性炭素を生じて浸炭がすすむ。

ラック軸部材１４ｂには、ラックとしての所定の強度を備えたラック母材である鋼のパイプを使用する。

次に、ラック歯成型部材１４ａとラック軸部材１４ｂとを接合面１４ｃで接合するが、これは摩擦圧接による。摩擦圧接は、２個の部材を突き合わせて加圧し、相対回転運動させてその接触面に発生する摩擦熱を利用して溶接する方法である。

まず、断面円形に成型されたラック歯成型部材１４ａとラック軸部材１４ｂとを接合面１４ｃで突き合わせて加圧し、相対回転運動させる。突き合わせ面が摩擦熱により溶接温度に達して溶接が完了する直前にアプセット圧力を増して溶接する。回転を停止し冷却すると、ラック歯成型部材１４ａとラック軸部材１４ｂとが溶接されたラック１４が完成する。

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のラック軸構造と、その製造方法である。ラック母材を冷間鍛造により成型されたラック歯に浸炭焼入れを施して構成された円形断面の柱状体であるラック歯成型部材に、ラック母材から成型された円形断面の筒状体であるラック軸部材を摩擦圧接により接合して構成される。

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。 この発明を適用するに適した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の構成を説明する断面図。 ラックを構成する部材と完成したラック及び製造方法を説明する断面図。 従来の中実丸棒のラック母材から製作されたラックの構成の一例を説明する図。

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 電動モータ
４ 中間シャフト
５ ステアリングギヤ
６ タイロッド
１０ ラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置
１１ ピニオン
１２ シャフト
１３ ギヤ歯
１４ ラック
１４ａ ラック歯成型部材
１４ｂ ラック軸部材
１４ｃ 接合面
１６ ラック歯
１７ 軸受
１８ ニードル軸受
１９ ハウジング
２０ ラックガイド
２１ ピン
２２ ローラ
２３ ホルダ
２４ 溝
２５ 転がり軸受
２６ バネ
２７ アジャストスクリュー
２８ ロックナット
２９ カバースクリュー

Claims (3)

1. 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おいて、
   前記ラックは、ラック母材を冷間鍛造により成型されたラック歯に浸炭焼入れを施して構成された円形断面の柱状体であるラック歯成型部材に、ラック母材から成型された円形断面の筒状体であるラック軸部材を摩擦圧接により接合されて構成されること
   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. 前記ラック歯成型部材はラック母材の軸方向に沿って冷間鍛造により成型されたラック歯に浸炭焼入れを施して構成された円形断面の柱状体であり、前記ラック軸部材はラック母材を円形断面の筒状体に成型して構成されており、前記ラックは、前記ラック歯成型部材の円形端面にラック軸部材の円形端面を押圧回転して摩擦圧接により接合されていること
   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。
3. ラック歯成型部材とラック軸部材との２つの部材から構成され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適用されるラックの製造方法であって、
   ラック母材の軸方向に沿って冷間鍛造によりラック歯を成型する第１ステップと、成型されたラック歯に浸炭焼入れを施す第２ステップと、
   前記第１及び第２ステップにより製作されたラック歯成型部材の円形端面にラック軸部材の円形端面を押圧回転して摩擦圧接により接合する第３ステップと
   を含むこと
   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の製造方法。

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