JP2009292180A

JP2009292180A - ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2009292180A
Application number: JP2008144900A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Yabe; 俊一矢部
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-06-02
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-02
Also published as: JP5206125B2

Abstract

【課題】鉄系材料からなるラックに比べて大幅な軽量化を図りつつ、同等以上の強度を有し、更にはギア歯の摩耗が少なく、ピニオンのギア歯の摩耗も少なくできるラックを備えるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維からなる織物と、熱硬化性樹脂とを一体化した有機繊維強化プラスチックからなるラックを備えるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置のラックの改良に関する。

乗用車においては、ステアリング軸の回転を左右の操舵輪の補助に変換する機構として、高剛性かつ軽量であることから、ラックアンドピニオン機構が主に用いられている。一方、電動パワーステアリング装置は、電動モータから出力された回転力で操舵を補助するステアリング装置であるが、回転力をステアリング軸に伝達するコラムアシスト式と、回転力をピニオンに伝達するピニオンアシスト式と、回転力をポールねじを介してラックに伝達するラックアンドピニオン式とがある。

操舵を補助しないマニュアルステアリング装置においては、運転者がステアリングホイールに加えた回転力のみがラックアンドピニオン機構によって操舵輪の運動に変換されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は小さい。また、油圧式パワーステアリング装置においても、操舵を補助する回転力がラックアンドピニオン機構を介さずにラックに伝達されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は小さい。更に、ラックアシスト式の電動パワーステアリング装置においても、操舵を補助する回転力がラックアンドピニオン機構を介さず、ボールねじを介してラックに伝達されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は油圧式パワーステアリング装置と同程度である。

これに対しコラムアシスト式及びアシスト式の電動パワーステアリング装置では、運転者がステアリングホイールに加えた回転力と、電動モータから出力される操舵を補助する回転力との合力がラック及びピニオンに負荷されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は、上記のマニュアルステアリング装置や油圧式パワーステアリング装置に比べて１０倍以上も大きい。しかも、ラック及びピニオンは、強度面から鉄系材料で形成されており、それぞれのギア歯も鉄系材料であるため、噛み合いにより摩耗しやすい。

そこで、ラック及びピニオンの各ギア歯の摩耗を抑制するために、ラック及びピニオンの各ギア歯並びにラックの背面に浸炭焼入れ処理や高周波焼入れ処理を施して、それらの表面硬さをＨＲＣ５５〜６３程度にするとともに、ギア歯の根元芯部の硬さを前記表面硬さよりも１０〜２０倍小さくすることが行われている。また、ラック及びピニオンの各ギア歯の摩耗を抑制するために、ラック及びピニオンの各ギア歯並びにラックの背面に、焼き入れにより第１の硬化層を設け、更にその上に第１の硬化層よりも硬い第２の硬化層をショットピーニングにより設けることも行われている（特許文献１参照）。

特開２００５−１２５９７２号公報

近年の地球温暖化に対する炭酸ガス排出量の低減要求に対し、自動車では低燃費化のための軽量化が進んでいる。それに伴い、ラックを中空構造にして軽量化を図ることも行われているが、鉄系材料が用いられているため軽量化には限度がある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、鉄系材料からなるラックに比べて大幅な軽量化を図りつつ、同等以上の強度を有し、更にはギア歯の摩耗が少なく、ピニオンのギア歯の摩耗も少なくできるラックを備えるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は下記のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置を提供する。
（１）運転者の操舵により回転するステアリング軸と、前記ステアリング軸に連結されたピニオンと、前記ピニオンに噛み合うとともに車軸に連結されるラックと、前記操蛇を補助する回転力を発生させる電動モータとを備え、前記回転力が前記ステアリング軸または前記ピニオンに伝達されるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置において、前記ラックが、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維からなる織物と、熱硬化性樹脂とを一体化した有機繊維強化プラスチックからなることを特徴とするラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置。
（２）前記有機繊維が、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする上記（１）記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置。
（３）前記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂及びピスマレイミド樹脂の少なくとも一方であることを特徴とする上記（１）または（２）記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置。

本発明のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置では、ラックを特定の有機繊維強化プラスチックで形成したため、鉄系材料からなる中空構造のラックに比べても大幅な軽量化が図られており、しかも同等以上の強度を有する。また、ラックとピニオンが共に鉄系材料である場合に比べて、ラックのギア歯も摩耗し難く、ピニオンのギア歯の摩耗も抑えることができる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

本発明において、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の種類には制限がなく、例えば図１に示す構成のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置１０を例示することができる。図示されるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置１０において、図示しないステアリングホイールが上端部に固定されたステアリング軸１１が、ステアリング軸用ハウジング１２の内部に軸芯を中心に回転自在に支承されている。また、ステアリング軸１１は、下部を車両の前方に向けて傾斜した状態で、車室内部の所定位置に固定されている。

また、ステアリング軸１１の回転を左右の操舵輪の運動に変換するラックアンドピニオン機構２０は、軸方向に移動自在なラック２１と、ラック２１の軸芯に対して斜めに支承されてラック２１のギア歯に噛み合うギア歯を備えたピニオンを有するピニオン軸２２と、ラック２１及びピニオン軸２２を支承する筒状のラック用ハウジング２３とから構成される。そして、ラックアンドピニオン機構２０は、その長手方向が車両の幅方向とに沿うようにして、車両前部のエンジンルーム内に略水平に配置されている。また、ピニオン軸２２の上端部とステアリング軸１１の下端部とは、２個の自在継手２５，２６で連結されている。更に、ラック２１の両端部には、図示しない転舵輪が連結されている。

そして、運転者によりステアリングホイールに操舵トルク（回転力）が加えられると、ステアリング軸１１が回転し、操舵トルクはステアリング軸１１に取り付けられた図示しないトーションバーで検出され、検出された操舵トルクに基づいて、電動モータ１３の出力（操舵を補助する回転力）が制御される。電動モータ１３の出力は、減速ギア３０を介してステアリング軸１１の中間部分に供給され（ピニオン軸２２に供給されるようにしてもよい）、操舵トルクと合わされて、ラックアンドピニオン機構２０によって転舵輪を駆動する運動に変換される。

ピニオン軸２２のピニオンは、従来から使用されている鉄系材料を、熱処理して表面硬度を高め、耐摩耗性を向上させている。

一方、ラック２１は、後述する有機繊維強化プラスチック製であり、その外周面にピニオン軸２２のギア歯と噛み合うギア歯が形成されている。ラック２１は、中空構造にすることにより軽量化を図ることができる。また、図２（但し、（Ａ）はラックの軸線に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡＡ断面図）に示すように、中空構造とし芯材２４を介在させることにより強度を増すこともできる。尚、図２の符号２１ａはギア歯である。更には、中実構造とすることもできる。

有機繊維強化プラスチックは、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維からなる織物と、熱硬化性樹脂とを一体化した複合材料である。有機繊維織物と熱硬化性樹脂とを一体化するには、有機繊維を一方向に配列して熱硬化性樹脂で結着させてシート状に成形したプリプレグ（一方向プリプレグ）、有機繊維を縦横２方向に織り込んだ織物に熱硬化性樹脂を含浸させてシート状に成形したプリプレグ（織物プリプレグ）、有機繊維を三次元的に織った立体織物に熱硬化性樹脂を含浸させた樹脂含浸立体織物とする。尚、織物プリプレグでは、有機繊維を平織りしたものが強度的に好ましい。また、有機繊維の立体織物とするには、例えば特開２００４−３１１５号公報に記載の織物装置を用いればよい。

有機繊維は、前記の引張強度及び引張弾性率を漢族する限り、その種類には制限がなく、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、ＰＡＮ系炭素繊維等を好適に挙げることができる。これらは単独で使用してもよいし、複数種を組み合わせて使用してもよい。但し、超高分子量ポリエチレン繊維は、融点が１４０℃程度であるため単独での使用には向かない。また、ＰＡＮ系炭素繊維は引張強度が高く（２．０〜７．１ＧＰａ）好ましいが、鉄系材料への傷付性があるため、鉄系材料からなるピニオンに熱処理等の硬化処理を施す必要があり、コスト増を招く。そのため、これら有機繊維の中では、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維が、高強度でありながらも柔軟性を有し、鉄系材料への傷付性がなくピニオンの熱硬化処理も不要であり、摺動特性にも優れることなどから、好ましい。下記表１に、これら３種の有機繊維の引張強度及び引張弾性率を示すが、ＰＡＮ系炭素繊維の引張強度に近いＰＢＯ繊維が最も好適である。尚、参考のために、炭素繊維及び超高分子量ポリエチレン繊維の引張強度及び引張弾性率を併せて示す。

尚、上記パラ系アラミド繊維は、ポリパラフェニレンテレフタラミドに、ジアミンを共重合させて延伸性等を改善したコポリパラフェニレン−３，４´−オキシジフェニレンテレフタラミドである。また、ポリアリレート繊維は、二価フェノールと芳香族ジカルボン酸との重縮合物である全芳香族ポリエステル繊維である。

有機繊維は、平均直径で６〜２１μｍであることが好ましく、より好ましくは８〜１５μｍである。平均直径が６μｍ未満では細すぎて、一本当りの強度が低いため安定した製造が難しく、大幅なコスト増となるため、実用性が低い。一方、平均直径が２１μｍを超えると一本当りの強度は増加するものの、平坦な織物を織るのが難しくなる。後述するように、有機繊維強化プラスチックは、シート状物を積層して成形するため、積層体にしたときの平坦性に劣るようになる。

また、有機繊維は、液状熱硬化性樹脂との接着性を向上させるために、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビスマレイミド樹脂等から選ばれるサイジング剤で表面をコーティングされていることが好ましい。

更に、上記有機繊維の一部を、強度に劣るものの、鉄への傷付性がなく、耐熱性に優れるメタ系アラミド繊維、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）繊維、ポリイミド（ＰＩ）繊維等で代替してもよい。また、最表層に配置されないのであれば、ＰＡＮ系炭素繊維を用いることもできる。

一方、熱硬化性樹脂としては、硬化性に優れることから、エポキシ樹脂、ピスマレイミド樹脂、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂等が好適であり、それぞれ単独または組み合わせて使用される。中でも、エポキシ樹脂及びピスマレイミド樹脂が好ましい。また、ポリアミノ樹脂はエポキシ樹脂の硬化剤としても使用可能である。

一方向プリプレグ、織物プリプレグ及び樹脂含浸立体織物における熱硬化性樹脂の含有量は、２０〜５０質量％が好ましく、より好ましくは２５〜４０質量％である。熱硬化性樹脂の含有量が２０質量％未満では、樹脂分が少なすぎて、積層して成形する際に十分な接着力が得られず、更には得られるラックにおいて有機繊維が露出し、弾性が低くなることから折れ易くなり好ましくない。これに対し熱硬化性樹脂の含有量が５０質量％を超えると、相対的に有機繊維の含有量が少なくなり、鉄系材料並の引張強度を達成することが困難になり好ましくない。

ラック２１を製造するには、一方向プリプレグ、織物プリプレグまたは樹脂含浸立体織物をそれぞれ単独で使用し、金型内に積層して熱硬化性樹脂の硬化温度にて成形することもできるが、一方向プリプレグ、織物プリプレグ及び樹脂含浸立体織物を組み合わせて成形することが好ましい。例えば、ラック２１のギア歯はピニオン軸２２のギア歯との噛み合わせによる負荷が加わり、摩耗も起こり易いため、金型内のギア歯に相当する部分に、強度に優れる織物プリプレグまたは樹脂含浸立体織物を配置し、成形することが好ましい。特に、樹脂含浸立体織物が好ましい。また、樹脂含浸立体織物は、最終寸法より一回り大きいものを使用することにより、圧縮されて強度が増すようになる。

また、一方向プリプレグを積層する場合は、全てのプリプレグを有機繊維が同じ方向を向くように積層してもよいが、上下のプリプレグにおいて有機繊維同士が所定角度、例えば３０°〜９０°で交差するように積層することにより、平面上（Ｘ、Ｙ方向）での強度の均一化を図ることができ好ましい。

尚、中空構造のラック２１を製造するには、鉄製の芯棒に一方向プリプレグや織物プリプレグを多層に巻き付けて筒状体とし、その外周に樹脂含浸立体織物を配置して成形し、芯棒を抜き取ればよい。

以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（実施例１）
繊維直径１２μｍ、引張強度３．４３ＧＰａ、引張弾性率７２．５ＧＰａ、伸度４．６％のパラ系アラミド繊維（サイジング剤処理されたポリフェニレンテレフタラミド）を一方向に配列してエポキシ樹脂（硬化温度１３０℃）を含浸させ、シート状に成形して一方向プリプレグを作製した。尚、エポキシ樹脂の含有量は３０質量％である。

また、同じパラ系アラミド繊維を平織りして同じエポキシ樹脂を含浸させ、シート状に成形して織物プリプレグを作製した。尚、エポキシ樹脂の含有量は３０質量％である。

また、同じパラ系アラミド繊維を立体織りしたものに、同じエポキシ樹脂を含浸させて樹脂含浸立体織物を作製した。尚、樹脂含浸量は３０質量％である。

そして、フッ素系離型剤を塗布した鉄製芯棒に、上記の一方向プリプレグを有機繊維の向きを揃えて二重巻きし、巻き端部分をエポキシ系接着剤で仮止めした。次いで、一方向プリプレグを、鉄製心棒の軸線に対し有機繊維が４５°の角度で交差するように二重巻きした後、その上に鉄製心棒の軸線に対し有機繊維が９０°の角度で交差するように二重巻きし、更にその上に鉄製心棒の軸線に対し有機繊維が１３５°の角度で交差するように二重巻きした。更に、その上に上記の織物プリプレグを巻き付け、巻き端部分をエポキシ系接着剤で仮止めして筒状体を作製した。

次いで、内面にフッ素系離型剤を塗布したラック下金型に、上記の筒状体を収容した。また、ギア歯が形成されたラック上金型の内面にフッ素系離型剤を塗布し、上記の樹脂含浸立体織物を配置した。そして、ラック上金型とラック下金型に圧力をかけながら、エポキシ樹脂の硬化温度である１３０℃に維持した後、金型を開いて成形体を取り出し、鉄製芯棒を引き抜いて中空構造のラックを作製した。

（実施例２）
繊維直径１０μｍ、引張強度３．２３ＧＰａ、引張弾性率７４．６ＧＰａ、伸度３．８％のポリアリレート繊維（クラレ(株)製「ベクトラン高強力タイプ」）を一方向に配列し、エポキシ樹脂を含有量が３０質量％となるように含浸させて一方向プリプレグを作製した。また、同じポリアリレート繊維を平織りしたものに、エポキシ樹脂を含有量が３５質量％となるように含浸させて織物プリプレグを作製した。また、同じポリアリレート繊維を立体織りしたものに、エポキシ樹脂を含有量が３０質量％となるように含浸させて樹脂含浸立体織物を作製した。

そして、作製した一方向プリプレグ、織物プリプレグ及び樹脂含浸立体織物を用い、実施例１と同様にして中空構造のラックを作製した。

（実施例３）
繊維直径１２μｍ、引張強度５．８ＧＰａ、引張弾性率２７０ＧＰａ、伸度２．５％のサイジング剤処理されたＰＢＯ繊維（東洋紡(株)製「ザイロンＨＭ；高弾性率タイプ」）を一方向に配列し、エポキシ樹脂を含有量が３０質量％となるように含浸させて一方向プリプレグを作製した。また、同じＰＢＯ繊維を平織りしたものに、エポキシ樹脂を含有量が３５質量％となるように含浸させて織物プリプレグを作製した。また、同じＰＢＯ繊維を立体織りしたものに、エポキシ樹脂を含有量が３０質量％となるように含浸させて樹脂含浸立体織物を作製した。

（比較例１）
Ｓ４５Ｃ製で、熱処理及び冷間鍛造で作製した実施例１と同形で中空構造のラックを作製した。

（抗折性評価）
比較例１のラックの中央部に荷重を徐々に増加させて加え、折れたときの荷重を求めた。そして、上記で作製した実施例の各ラックの中央部に比較例１のラックが折れた荷重をかけ、そのときの撓み量を測定した。結果を表２に示す。また、表２には、各ラックの、中空部を除いた密度を示す。

表２に示すように、本発明に従う各実施例のラックは、従来の鉄系材料からなるラックに比べて、大幅な軽量化を図りつつ、高強度と高い抗折性とを実現できる。

本発明のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の一例を示す概略構成図である。中実構造のラックの一例を示す図であり、（Ａ）はラックの軸線に沿って示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡＡ断面図である。

符号の説明

１０ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置
１１ステアリング軸
１２ステアリング軸用ハウジング
１３電動モータ
２０ラックアンドピニオン機構
２１ラック
２２ピニオン軸
２４芯材
３０減速ギア

Claims

運転者の操舵により回転するステアリング軸と、前記ステアリング軸に連結されたピニオンと、前記ピニオンに噛み合うとともに車軸に連結されるラックと、前記操蛇を補助する回転力を発生させる電動モータとを備え、前記回転力が前記ステアリング軸または前記ピニオンに伝達されるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置において、
前記ラックが、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維からなる織物と、熱硬化性樹脂とを一体化した有機繊維強化プラスチックからなることを特徴とするラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置。
前記有機繊維が、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置。
前記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂及びピスマレイミド樹脂の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１または２記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置。