JP2008143248A - 車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ラック・ピニオン・ギアの凝着によるピッチングを防止し、高面圧下においても歯面の摩耗の進行を妨げることができ、その結果異音の発生を抑えることができ、耐久性に優れた車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置を提供する。
【解決手段】ステアリングシャフトに連結したピニオン軸２にラック軸３を噛合して操舵力を転舵輪に伝達するための車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置において、ピニオン軸２またはラック軸３のいずれかの歯面に層厚が0.1〜10μmのダイヤモンドライクカーボン層を形成すると共にラック軸３とピニオン軸２の噛合部にグリースを塗布する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高面圧下においてギヤ歯面の摩耗の進行を防止でき、その結果、異音の発生を抑え、高耐久性を有する車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置に関する。

一般的には、マニュアル・ステアリング装置（以下、M／Sとも称する。）、油圧式パワーステアリング装置（以下、HPSとも称する。）、及び、ピニオンアシスト式電動パワーステアリング装置（以下、PEPSとも称する。）では、その全てにおいて、ラックとピニオンの噛合部（以下、ラック・ピニオン部とも称する。）の潤滑剤として、密封性及び部分的な摺動部への保持性の観点から、グリースが使用されている。

また、一方でラック・ピニオン部の負荷の小さいHPS、又は軽自動車用のM／Sにおいては、ラック・ピニオン・ギア部及びラックガイド部の摩耗に起因して、ガタが発生し、異音が発生するといったことは、従来比較的問題とはならなかった。

しかし、軽自動車でも、ラック・ピニオン部の負荷が大きくなるコラムアシスト式電動パワーステアリング装置（以下、CEPSとも称する。）と組み合わせたM／Sにおいては、ラック・ピニオン・ギア部等の摩耗によるガタや異音の発生は、間題となることがあった。

さらに、今後、小型乗用車から中型乗用車等においては、CEPSやPEPSが使用されることが進められており、ますます、その部分の負荷が大きくなり、耐摩耗性対策が重要になってきている。

図1は、ピニオンアシスト式電動パワーステアリング装置を備えた車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置の縦断面図である。

ピニオンアシスト式電動パワーステアリング装置では、ロアシャフト（入力軸）1の車両前方側には、出力軸（ピニオン軸）2が連結している。この出力軸（ピニオン軸）2は、ステアリングギヤのラック軸3が噛合している。

なお、ロアシャフト（入力軸）1は、アッパー側軸受1aにより回転自在に支持され、出力軸（ピニオン軸）2、中間軸受2aとロア側軸受2bとにより回転自在に支持される。

ラック軸3は、ラックガイド部のプレッシャーパッド5を介してコイルバネ4により、出力軸（ピニオン軸）2に向けて弾性的に付勢して常時押圧してある。

出力軸2には、トーションバー6の基端が圧入固定してあり、このトーションバー6は、中空に形成した入力軸1の内部を延在して、その先端が入力軸1の端部に固定してある。

入力軸1の車両前方側には、トルクセンサー部が設けてある。例えば、入力軸1の車両前方側に、トルクセンサー検出用の溝7が形成してあり、これら検出用の溝7の径方向外方には、トルクセンサーのスリーブ8が配置してある。スリーブ8の径方向外方には、コイル9や基板等が設けてある。出力軸2には、電動モータ（図示略）の駆動軸であるウォーム11に噛合したウォームホイール12が嵌合している。

従って、運転者がステアリングホイール（図示略）を操舵することにより発生した操舵力は、入力軸1、トーションバー6、出力軸2、ラック軸3、及びタイロッド等を介して、図示しない転舵輪に伝達される。

また、電動モータ（図示略）の回転力は、そのウォーム11及びウォームホイール12を介して出力軸2に伝達されるようになっており、電動モータ（図示略）の回転力及び回転方向を適宜制御することにより、出力軸2に適切な操舵補助トルクを付与できるようになっている。

ところで、従来のグリース塗布方法では、組立時にピニオン軸2の歯溝の部分、ラック軸3の歯溝の部分、及びラックガイド部（プレッシャーパッド5）と摺動する部分にまんべんなくグリースを塗布している。

しかしながら、実車によるステアリングホイールの回転を数回繰り返しただけで、それに繋がるピニオン軸2の歯溝及びラック軸3の歯溝のグリースは、押し退けられて摺動部外に滞留することになる。滞留したグリースも、その基油の分離により流れ出て一部は、摺動部に戻されるものもあるが、特にPEPSやCEPSのM／Sの様に、ラック・ピニオン・ギアの負荷が大きいものでは、それだけでは潤滑が十分ではなく、摩耗が進行した結果ガタの増加から異音の発生に至り、車両の定期点検時にアジャストねじを再調整し、適正ガタにする作業が必要となる。又、定期点検前に異音が発生して市場不具合として返却されるケースも考えられる。また、今後、小型乗用車から中型乗用車等においては、CEPSやPEPSが使用されることが進められており、ますます、その部分の負荷が大きくなり、耐摩耗性対策が重要になってきている。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、境界潤滑下にあるラック・ピニオン・ギアの凝着によるピッチングを防止し、高面圧下においても歯面の摩耗の進行を妨げることができ、その結果異音の発生を抑えることができ、耐久性に優れた車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明では、ステアリングシャフトに連結したピニオン軸に、ハウジングに摺動自在に設けたラック軸を噛合して、操舵力を転舵輪に伝達するための車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置において、少なくともピニオン軸またはラック軸のいずれかの歯面に層厚が0.1〜10μmのダイヤモンドライクカーボン層（以下、DLCとも称する。）からなる硬質層を形成すると共にラック軸とピニオン軸の噛合部にグリースを塗布したことを特徴とする。

本発明の1つの発明形態に係る車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置は、ダイヤモンドライクカーボン層が、Cr、W、Ti、Ta、Nb、Si、Ni、Fe、Vのうち1種以上の金属からなる金属層と金属及び炭素からなる複合層との2層で構成され、ダイヤモンドライクカーボン層の外表面側から複合層、金属層の順に配したことを特徴とする。

本発明の別の1つの発明形態に係る車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置は、ダイヤモンドライクカーボン層が、Cr、W、Ti、Ta、Nb、Si、Ni、Fe、Vのうち1種以上の金属からなる金属層と炭素からなるカーボン層との2層で構成され、ダイヤモンドライクカーボン層の外表面側からカーボン層、金属層の順に配したことを特徴とする。

本発明の他の1つの発明形態に係る車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置は、ダイヤモンドライクカーボン層が、Cr、W、Ti、Ta、Nb、Si、Ni、Fe、Vのうち1種以上の金属からなる金属層と金属及び炭素からなる複合層と炭素からなるカーボン層の3層とで構成され、ダイヤモンドライクカーボン層の外表面側からカーボン層、複合層、金属層の順に配したことを特徴とする。

本発明のさらに他の1つの発明形態に係る車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置は、ダイヤモンドライクカーボン層の等価弾性定数が、120〜250GPaであることを特徴とする。

本発明では、ダイヤモンドライクカーボン層の層厚を0.1〜10μmとする。層厚が0.1μm以下の場合、本発明の効果が得られない。また、層厚が0.1μm以下の場合は、ＤＬＣ被膜の耐久性の点で問題である。

本発明の発明者は、摩擦摩耗特性に優れたDLCの研究を進めてきた結果、2GPaを越える高面圧下の転がり接触条件下での使用に適したDLCは、カーボンだけからなるDLC膜ではなく、少なくともCr、W、Ti、Ta、Nb、Si、Ni、Fe、Vのうち1種以上の金属とカーボンとからなる複合層または複合層の上にカーボン層を有するDLC層が有効であることを見出した。なお、金属を有する金属・カーボン複合層の下地に密着性を大きくするために、Cr、W、Ti、Ta、Nb、Si、Ni、Fe、Vのうち1種以上の金属からなる金属層を設けても良い。金属・カーボン複合層を設けることによって、高面圧下における歯面の耐はく離性が向上し、耐久性に優れた車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置を提供できる。

本発明によれば、ラック歯面またはピニオン歯面の少なくともどちらか一方にDLC層を形成することにより、境界潤滑下にあるラック・ピニオン・ギアの凝着によるピッチングを防止し、高面圧下においても歯面の摩耗の進行を妨げることができ、その結果異音の発生を抑えることができ、耐久性に優れた車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置を提供できる。

本発明の発明者はさらに研究を進めた結果、高面圧下の転がり接触条件下において耐はく離性に優れたDLCは、インデンテーション試験（パーユピッチ圧子を使用、押込み荷重２０ｍＮ）によって求めた等価弾性定数（ヤング率）が、好ましくは120〜250GPaであり、さらに好ましくは150〜240GPaにあることを見出した。120GPa未満では、ＤＬＣ被膜強度の点で十分ではなく、250GPaを超えるとＤＬＣ被膜のはく離の問題が発生することがある。すなわち、母材（本件では鋼）の変形に追従し易いDLC膜が高面圧下のはく離に強いということである。これにより、高面圧下における歯面の耐はく離性が向上し、耐久性に優れた車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置を提供できる。

本発明に使用する母材は、ＳＣＭ４２０の組成の鋼である。

以上説明したように、本発明によれば、ラック・ピニオン歯面のどちらか一方に0.1〜10μmのDLC層を形成することにより、境界潤滑下においても歯のピッチ面の摩耗を防止でき、高面圧下においても、耐久性に優れたステアリング装置を提供できる。また、例えば、DLC層が、金属層M、複合層F、カーボン層Cからなり、DLC層の等価弾性定数を120〜250GPaに設定する場合、高面圧下においてもDLC層が母材の変形に追従し、膜が容易にはく離することがなく、摩耗の進行を抑えて異音の発生を防止でき、耐久性に優れたステアリング装置を提供できる。

本発明の実施の形態に係る車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置は、図1に示す通りである。ラック・ピニオン軸の歯面に形成したDLCの形態は、以下の通りである。

（第1実施の形態）
図2に示すように、本発明の第1実施形態ではDLC層は、Cr、W、Ti、Ta、Nb、Si、Ni、Fe、V及びFeのうち1種以上の金属からなる金属層Mと、金属及び炭素からなる複合層Fと、炭素からなるカーボン層Cとの3層で構成されていて、これらの3層はDLC層の外表面側からカーボン層C、複合層F、金属層Mの順に形成されており、インデンテーション試験による等価弾性定数が120〜250GPaである。

（第2実施の形態）
図3に示すように、本発明の第2実施形態ではDLC層は、Cr、W、Ti、Ta、Nb、Si、Ni、Fe、V及びFeのうち1種以上の金属からなる金属層Mと、前記金属と炭素からなる複合層Fとの2層で構成されていて、複合層Fは金属とカーボンの組成を傾斜させて形成しても良い。例えば、スパッタリングでDLCを形成する場合は、カーボンと金属を同時にスパッタリングしながらワークをセットしたターンテーブルを回転させ、最初は金属への投入電力を大きくし、カーボンヘの投入電力を小さくしておいて、徐々に金属への投入電力を小さくしながらカーボンヘの投入電力を大きくすることによって、金属とカーボンの傾斜組成層を形成できる。

また、上記の複合層FをプラズマCVDで形成する場合には、金属の供給源となるハロゲン化金属の流量を減少させながら、カーボンの供給源となる炭化水素系ガス（例：メタン、アセチレンなど）を増加させることによって、金属とカーボンの傾斜組成層を形成できる。

さらに、金属層Mを形成し、複合層Fは金属層Mとカーボン層Cをナノメートルオーダーで積層させて形成しても良い。

（第3実施の形態）
図4に示すように、本発明の第3実施形態ではDLC層は、Cr、W、Ti、Ta、Nb、Si、Ni、Fe、V及びFeのうち1種以上の金属からなる金属層Mと、炭素からなるカーボン層Cとの2層で構成されていて、これらの2層はDLC層の表面側からカーボン層C、金属層Mの順に形成されており、インデンテーション試験による等価弾性定数が120〜250GPaである。

ピニオンアシスト式電動パワーステアリング装置を備えた車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置の縦断面図である。 金属層Mと金属及び炭素からなる複合層Fと炭素からなるカーボン層Cとの3層で構成され、外表面側からカーボン層C、複合層F、金属層Mの順に配したダイヤモンドライクカーボン層と、母材とを示す。 金属層Mと金属及び炭素からなる複合層Fとの2層で構成され、外表面側から複合層F、金属層Mの順に配したダイヤモンドライクカーボン層と、母材とを示す。 金属層Mと炭素からなるカーボン層Cとの2層で構成され、外表面側からカーボン層C、金属層Mの順に配した前記ダイヤモンドライクカーボン層と、母材とを示す。

符号の説明

1 入力軸（ロアーシャフト）
1a アッパー側軸受
2 出力軸（ピニオン軸）
2a 中間軸受
2b ロア側軸受
3 ラック軸
4 弾性体（コイルバネ）
5 プレッシャーパッド
6 トーションバー
7 溝
8 スリーブ
9 コイル
11 ウォーム（駆動ギヤ）
12 ウォームホイール（従動ギヤ）
13 タイロッド
20 グリース溜り（グリース貯留部）
21 キャップ
31 転動体
32 保持器
41 ホルダー
42 ピン
43 ニードル軸受
44 ローラ
45 皿バネ
51 筒状の含油樹脂

Claims (5)

1. ステアリングシャフトに連結したピニオン軸に、ハウジングに摺動自在に設けたラック軸を噛合して、操舵力を転舵輪に伝達するための車両用ラック・ピニオン式ステアリング装置において、少なくとも前記ピニオン軸または前記ラック軸のいずれかの歯面に層厚が0.1〜10μmのダイヤモンドライクカーボン層からなる硬質層を形成すると共に前記ラック軸と前記ピニオン軸の噛合部にグリースを塗布したことを特徴とするラック・ピニオン式ステアリング装置。
2. 前記ダイヤモンドライクカーボン層が、Cr、W、Ti、Ta、Nb、Si、Ni、Fe、Vのうち1種以上の金属からなる金属層と前記金属及び炭素からなる複合層との2層で構成され、前記ダイヤモンドライクカーボン層の外表面側から前記複合層、前記金属層の順に配したことを特徴とする、請求項1に記載のラック・ピニオン式ステアリング装置。
3. 前記ダイヤモンドライクカーボン層が、Cr、W、Ti、Ta、Nb、Si、Ni、Fe、Vのうち1種以上の金属からなる金属層と炭素からなるカーボン層との2層で構成され、前記ダイヤモンドライクカーボン層の外表面側から前記カーボン層、前記金属層の順に配したことを特徴とする、請求項1に記載のラック・ピニオン式ステアリング装置。
4. 前記ダイヤモンドライクカーボン層が、前記Cr、W、Ti、Ta、Nb、Si、Ni、Fe、Vのうち1種以上の金属からなる金属層と前記金属及び炭素からなる複合層と炭素からなるカーボン層との3層で構成され、前記ダイヤモンドライクカーボン層の外表面側から前記カーボン層、前記複合層、前記金属層の順に配したことを特徴とする、請求項1に記載のラック・ピニオン式ステアリング装置。
5. 前記ダイヤモンドライクカーボン層の等価弾性定数が、120〜250GPaであることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のラック・ピニオン式ステアリング装置。

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