JP2012214164A - Rack-and-pinion steering gear unit - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、自動車の操舵輪に舵角を付与する為のステアリング装置を構成する、ラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットの改良に関する。 The present invention relates to an improvement of a rack and pinion type steering gear unit that constitutes a steering device for giving a steering angle to a steering wheel of an automobile.
ステアリングホイールから入力された回転運動を舵角付与の為の直線運動に変換する為の機構としてラックアンドピニオンを使用する、ラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットを備えたステアリング装置が、例えば特許文献1〜5に記載される等により、従来から広く知られている。又、ラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットは、小型且つ軽量に構成でき、しかも剛性が高く良好な操舵感を得られる為、実際に広く使用されている。図5〜7は、この様なラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットを組み込んだステアリング装置の1例として、特許文献4に記載された構造を示している。このステアリング装置では、ステアリングホイール1の操作に伴って回転するステアリングシャフト2の動きを、自在継手3、3及び中間シャフト4を介して、ステアリングギヤユニット5の入力軸である、ピニオン軸6に伝達する。尚、前記図6〜7の上下方向は、必ずしも使用状態での上下方向とは一致しない。上下方向は、車両への組み付け状態で適宜選択し、一般的には、前記ピニオン軸6を、鉛直方向に対し傾斜させた状態で設置する。
A steering device including a rack and pinion type steering gear unit that uses a rack and pinion as a mechanism for converting a rotational motion input from a steering wheel into a linear motion for giving a steering angle is disclosed in, for example, Patent Documents 1 to 3. 5 and the like. In addition, the rack and pinion type steering gear unit can be configured to be small and light, and since it has high rigidity and a good steering feeling, it is actually widely used. 5 to 7 show a structure described in Patent Document 4 as an example of a steering apparatus incorporating such a rack and pinion type steering gear unit. In this steering device, the movement of the
何れにしても、前記ステアリングギヤユニット5は、前記ピニオン軸6の軸方向の一部に設けたピニオン歯7と、ラック軸8の前面に設けたラック歯9とを噛合させて成る。尚、このうちのラック歯9は、図8に略示する様な、捩れ角θを有するものを使用し、これに合わせて前記ピニオン歯7に関しても、同様の捩れ角を有するヘリカルギヤを使用している。前記ピニオン軸6及びラック軸8は、それぞれの一部を、ケーシング10内に収納している。このケーシング10は、それぞれが筒状である、主収納部11及び副収納部12を備える。このうちの主収納部11は、両端が開口している。又、この副収納部12は、この主収納部11の一部側方に設けられていて、一端が開口している。これら主収納部11の中心軸と副収納部12の中心軸とは、互いに捩れの位置関係にある。前記ラック軸8は、このうちの主収納部11に軸方向の変位を可能に挿通しており、両端部をこの主収納部11から突出させている。又、前記主収納部11の内周面の両端寄り部分に支持した1対のラックガイド(滑り軸受)13、13を、前記ラック軸8の外周面に摺接させて、前記ラック軸8が前記主収納部11に対し、がたつきなく、軸方向に変位できる様にしている。そして、このラック軸8の両端部に、それぞれ球面継手14、14を介して、タイロッド15、15の基端部を結合している。これら両タイロッド15、15の先端部は、それぞれ図示しないナックルアームの先端部に、枢軸により結合している。尚、前記ラック軸8は、前記ピニオン歯7と前記ラック歯9との噛合により、自身の中心軸周りで回転する事はない。
In any case, the
又、前記ピニオン軸6は、前記ピニオン歯7を形成した先半部を前記副収納部12内に、回転のみ可能に支持している。この為に、前記ピニオン軸6の先端部をこの副収納部12の奥端部に、ラジアルニードル軸受16により支持している。又、前記ピニオン軸6の中間部を前記副収納部12の開口寄り部分に、深溝型、3点接触型若しくは4点接触型等の単列の玉軸受17により、ラジアル荷重及びスラスト荷重を支承可能に(軸方向の変位を阻止して回転可能に)支持している。前記玉軸受17を前記ケーシング10の所定位置に支持する為、このケーシング10に抑えねじ筒18を螺着しており、この抑えねじ筒18の内周面と前記ピニオン軸6の外周面との間の隙間を、シールリング19により塞いでいる。
The
又、前記主収納部11の直径方向に関して、前記副収納部12と反対側部分にシリンダ部20を設け、このシリンダ部20内に、押圧ブロック21を嵌装している。そして、このシリンダ部20の開口部に螺着した蓋体22とこの押圧ブロック21との間にばね23等の弾性部材を設けて、この押圧ブロック21を前記ラック軸8に向け押圧している。これにより、このラック軸8を前記ピニオン軸6に向け弾性的に押圧して、前記ピニオン歯7と前記ラック歯9との噛合部のバックラッシを解消している。更には、これら両歯7、9同士の噛合部での動力伝達に伴って前記ラック軸8に加わる、前記ピニオン軸6から離れる方向の力に拘らず、前記噛合部の噛合状態を適正に維持できる様にしている。尚、前記押圧ブロック21の軸方向両端面のうち、前記ラック軸8を押圧する側の内端面は、このラック軸8の背面の形状に合わせて部分円筒状凹面としている。これに対して、前記押圧ブロック21の外端面は、中央部に凹部24を形成して、前記ばね23の一端部を当接させる為のばね座とすると共に、前記押圧ブロック21の軽量化を図っている。
A
更に、前記押圧ブロック21の外周面の外端寄り部分(前記ラック軸8と反対寄り部分)に係止凹溝25を、全周に亙って形成し、この係止凹溝25に弾性リング26を係止している。この弾性リング26は、Oリングの如く、自由状態での断面形状が円形のもので、断面形状に関する外径は、自由状態で、前記係止凹溝25の深さよりも大きい。この様な弾性リング26は、この係止凹溝25の底面と前記シリンダ部20の内周面との間で弾性的に圧縮される。そして、このシリンダ部20内で前記押圧ブロック21ががたつくのを防止すると共に、これらシリンダ部20の内周面と押圧ブロック21の外周面との間の隙間を通じて、前記ケーシング10内に、泥水等の異物が入り込む事を防止する。尚、前記押圧ブロック21の外周面と前記シリンダ部20の内周面との間には微小隙間を介在させて、この押圧ブロック21の、軸方向の変位を可能にしている。
Further, a
上述の様なステアリングギヤユニット5を組み込んだステアリング装置により、左右の前輪に舵角を付与する際には、前記ステアリングホイール1の操作により前記ピニオン軸6を回転させる。すると、前記ピニオン歯7と前記ラック歯9との噛合に基づいて、前記ラック軸8が軸方向に変位する。そして、このラック軸8の両端部に結合した、前記両タイロッド14、14を押し引きして、前記両前輪に所望の舵角を付与する。
When a steering angle is given to the left and right front wheels by the steering device incorporating the
上述の様な従前のステアリングギヤユニット5の場合には、前記ピニオン歯7及び前記ラック歯9にねじり角θを設けた事に伴って、前記ピニオン軸6の回転方向が逆転する際に、前記押圧ブロック21が揺動変位する。そして、この揺動変位に伴って、この押圧ブロック21の外周面のうちの先端部(前記ラック軸8との係合部と反対側の端部)と、前記シリンダ部20の内周面とが勢い良く衝突し、不快な振動や騒音が発生したり、これら両周面の摩耗が著しくなる可能性がある。この様な問題を生じる理由に就いて、図7〜8に図9を加えて説明する。
In the case of the conventional
前記押圧ブロック21の中心軸と前記シリンダ部20の中心軸とは、前記ピニオン歯7と前記ラック歯9との間で力の伝達を行わず、前記押圧ブロック21に外力が作用していない状態では、図9の(A)に示す様に、互いにほぼ一致する傾向になる。そして、仮に、前記押圧ブロック21の中心軸と前記シリンダ部20の中心軸とを完全に一致させた状態では、これら押圧ブロック21の外周面とシリンダ部20の内周面とは、全周に亙って隙間を介して対向する状態となる。実際の場合には、前記両中心軸は多少傾斜して、前記両周面は互いの一部同士で当接する場合が多いが、前記押圧ブロック21の揺動変位は、上述の図9の(A)に示した状態を基準として行われる。又、この基準状態では、前記シリンダ部20の内周面と前記弾性リング26の外周縁とが、全周に亙って軽く接触した状態となる。
The central axis of the
一方、前記ピニオン歯7及び前記ラック歯9にねじり角θを設けた事に伴って、前記ピニオン軸6を回転させる事に伴う、前記ピニオン歯7と前記ラック歯9との間での力の伝達時には、前記ラック軸8に、図7に矢印αで示す様に、このピニオン軸6の軸方向の力が加わる。この力の作用方向は、このピニオン軸6の回転方向が逆転すると逆転する。前記ラック軸8は、全長が400〜800mm程度と長く、両端部近傍のみを前記ラックガイド13、13により支えられている為、前記ピニオン軸7の軸方向の力により、多少なりとも(例えば図9の左右方向に)弾性的に撓み、場合によっては、僅かとは言え、捻れる事もある。この様な、前記ラック軸8の弾性変形は、前記ラック歯9のうちで前記ピニオン歯7と噛合している部分の変位に結び付き、更にこの変位は、前記ラック軸8を押圧している、前記押圧ブロック21の、前記矢印α方向の変位に結び付く。そして、この変位に伴ってこの押圧ブロック21が、図9の(B)に誇張して示す様に、このラック軸8の変位方向に対応して揺動変位する。
On the other hand, as the
そして、この揺動変位に伴って、前記押圧ブロック21の先端部外周縁と前記シリンダ部20の内周面とが勢い良く衝突し、前記不快な振動や騒音、摩耗の原因となる。特に、前記押圧ブロック21の先端部外周縁部分(前記ラック軸8と反対寄りの端縁部分)は、前記弾性リング26からの距離が短く、梃子の原理により力が増幅された状態で、前記両周面同士の衝突部に加わり、この衝突部の面圧が高くなる。そして、この状態で、前記押圧ブロック21が軸方向に変位すると、前記両周面の摩耗が進み易い。
As the rocking displacement occurs, the outer peripheral edge of the tip of the
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、押圧ブロックの外周面の先端部外周縁とシリンダ部の内周面とが、高い面圧で勢い良く衝突する事を防止できて、耐久性を良好にできるステアリングギヤユニットの構造を実現すべく発明したものである。 In view of the circumstances as described above, the present invention can prevent the outer peripheral surface of the pressing block from colliding with the outer peripheral surface of the tip and the inner peripheral surface of the cylinder portion with high surface pressure. It was invented to realize a structure of a steering gear unit that can be improved.
本発明のラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットは、前述した従来から知られているラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットと同様に、ケーシングと、ラック軸と、ピニオン軸と、押圧ブロックと、弾性部材とを備える。
このうちのケーシングは、両端が開口した筒状の主収納部、及び、この主収納部に対し捩れの位置関係で設けられて一端が開口した筒状の副収納部、及び、この主収納部の内外を連通させる状態でこの主収納部に対し直交する方向に設けられたシリンダ部を有する。
又、前記ラック軸は、前面にラック歯を設けており、前記ケーシングの主収納部内に、軸方向の変位を可能に設置されている。
又、前記ピニオン軸は、軸方向の先半部に形成したピニオン歯を前記ラック歯と噛合させると共に、軸方向の基半部を前記ケーシングの副収納部の開口部から外に突出させた状態でこの副収納部内に、回転可能に配置されている。
又、前記押圧ブロックは、前記シリンダ部内に、前記ラック軸に対する遠近動を可能に嵌装されている。
又、前記弾性部材は、例えば圧縮コイルばねであり、前記押圧ブロックと、前記シリンダ部の外端開口部に固設された蓋体との間に設けられている。そして、この押圧ブロックを前記ラック軸の背面に向けて押圧する。
The rack and pinion type steering gear unit according to the present invention includes a casing, a rack shaft, a pinion shaft, a pressing block, and an elastic member in the same manner as the conventionally known rack and pinion type steering gear unit. Prepare.
Of these, the casing includes a cylindrical main storage portion that is open at both ends, a cylindrical sub storage portion that is provided in a twisted positional relationship with respect to the main storage portion, and that is open at one end, and the main storage portion. And a cylinder portion provided in a direction orthogonal to the main storage portion in a state where the inside and outside of the chamber are communicated.
Further, the rack shaft is provided with rack teeth on the front surface, and is installed in the main housing portion of the casing so as to be capable of axial displacement.
In addition, the pinion shaft is configured such that pinion teeth formed on the front half portion in the axial direction mesh with the rack teeth, and the base half portion in the axial direction protrudes outward from the opening of the auxiliary storage portion of the casing. In this sub-accommodating portion, it is rotatably arranged.
The pressing block is fitted in the cylinder portion so as to be movable relative to the rack shaft.
The elastic member is, for example, a compression coil spring, and is provided between the pressing block and a lid fixed to the outer end opening of the cylinder portion. Then, the pressing block is pressed toward the back surface of the rack shaft.
特に、本発明のラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットに於いては、前記押圧ブロックの外周面のうちで前記シリンダ部の外端開口側の端部(先端部外周縁)に、この外端開口側の端面側及び外周面側が開口した小径段部を全周に亙って形成している。即ち、この小径段部が形成された前記押圧ブロックの端部の外径を、この小径段部よりも内端寄りの外径よりも小さくしている。そして、この小径段部に、前記押圧ブロック及び前記ケーシングを構成する材料よりも内部損失が大きな材料製で、この押圧ブロックの外径以上の外径を有する緩衝リングを外嵌している。この緩衝リングを構成する材料としては、ゴム、ビニルの如きエラストマー或いは合成樹脂の如き高分子材料のうち、比較的軟質のものが採用可能である。又、前記シリンダ部を備えたケーシングの材質によっては(例えば、このケーシングが鉄系合金の如き硬質金属製である場合には)、鉛、アルミニウム系合金、マグネシウム系合金の如き軟質金属等を採用する事もできる。要するに、前記押圧ブロック及び前記ケーシングを構成する材料よりも明らかに内部損失が大きい(軟らかい)材料であれば、採用可能である。
この様な本発明を実施する場合に好ましくは、請求項2に記載した発明の様に、前記緩衝リングを前記小径段部に締り嵌めで外嵌固定する。
In particular, in the rack and pinion type steering gear unit of the present invention, the outer end opening side of the outer peripheral surface of the pressing block is located at the end (outer peripheral edge of the tip end) of the cylinder portion. The small-diameter step part which the end surface side and the outer peripheral surface side opened is formed over the perimeter. That is, the outer diameter of the end of the pressing block in which the small diameter step is formed is made smaller than the outer diameter closer to the inner end than the small diameter step. Then, a buffer ring made of a material having an internal loss larger than that of the material constituting the pressing block and the casing and having an outer diameter equal to or larger than the outer diameter of the pressing block is externally fitted to the small diameter step portion. As a material constituting the buffer ring, a relatively soft material can be adopted among polymer materials such as elastomers such as rubber and vinyl or synthetic resins. Depending on the material of the casing provided with the cylinder part (for example, when the casing is made of a hard metal such as an iron-based alloy), a soft metal such as lead, an aluminum-based alloy, or a magnesium-based alloy is used. You can also do it. In short, any material can be employed as long as it has a material with a significantly larger internal loss (softer) than the material constituting the pressing block and the casing.
In the case of carrying out the present invention as described above, preferably, as in the invention described in
上述の様に構成する本発明のラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットによれば、押圧ブロックの先端部外周縁とシリンダ部の内周面とが勢い良く衝突する事を防止できて、耐久性を良好にできる。
即ち、前記押圧ブロックが揺動変位した場合でも、この押圧ブロックの外周面の先端部に関しては、緩衝リングの外周面と前記シリンダ部の内周面とが衝突するのみで、この内周面と前記押圧ブロックの本体部分とが衝突する事はない。前記緩衝リングは、内部損失の大きな材料により造られている為、この緩衝リングの外周面と前記シリンダ部の内周面とが衝突しても、衝突エネルギはこの緩衝リングを構成する材料の変形(内部損失)により吸収され、大きな振動や異音の発生に結び付く事はない。又、前記内周面に大きな衝撃が加わる事はない。この結果、前述した様な不快な振動や騒音を抑えられる事に加え、前記押圧ブロックの外周面及び前記シリンダ部の内周面の摩耗を抑えられて、ラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットの耐久性の向上を図れる。
更に、請求項2に記載した発明の構成によれば、組み立て途中で、前記緩衝リングが、前記押圧ブロックの小径段部から脱落する事を防止できる。
According to the rack and pinion type steering gear unit of the present invention configured as described above, the outer peripheral edge of the front end of the pressing block and the inner peripheral surface of the cylinder can be prevented from colliding with force, and the durability is excellent. Can be.
That is, even when the pressing block is oscillated and displaced, the outer peripheral surface of the buffer block and the inner peripheral surface of the cylinder portion only collide with each other at the tip of the outer peripheral surface of the pressing block. The main part of the pressing block does not collide. Since the buffer ring is made of a material having a large internal loss, even if the outer peripheral surface of the buffer ring collides with the inner peripheral surface of the cylinder portion, the collision energy is a deformation of the material constituting the buffer ring. It is absorbed by (internal loss) and does not lead to the generation of large vibrations or abnormal noise. Further, no great impact is applied to the inner peripheral surface. As a result, in addition to suppressing the unpleasant vibration and noise as described above, the wear of the outer peripheral surface of the pressing block and the inner peripheral surface of the cylinder portion can be suppressed, and the durability of the rack and pinion type steering gear unit can be suppressed. Can be improved.
Furthermore, according to the structure of the invention described in
[実施の形態の第1例]
図1〜3は、請求項1〜2に対応する、本発明の実施の形態の第1例を示している。尚、本例を含めて本発明の特徴は、押圧ブロック21aの揺動変位に拘らず、この押圧ブロック21aの先端部外周縁と、ケーシング10のシリンダ部20の内周面とが勢い良く衝突するのを防止する為の構造にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図7に示した従来構造と同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は、省略若しくは簡略にし、以下、本発明の特徴部分を中心に説明する。
[First example of embodiment]
1 to 3 illustrate a first example of an embodiment of the present invention corresponding to
本例のラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットに於いては、前記押圧ブロック21aの先端部(図1〜3の下端部)外周面、即ち、この外周面のうちで前記シリンダ部20の外端開口側の端部に、小径段部27を、全周に亙って形成している。この小径段部27は、この外端開口側の端面側及び外周面側が開口している。そして、この小径段部27に、緩衝リング28を外嵌している。本例の場合にこの緩衝リング28は、合成樹脂或いはゴム等の高分子材料製で、前記小径段部27に、締り嵌めで外嵌固定している。前記緩衝リング28の外径は、この小径段部27に外嵌した状態で、前記押圧ブロック21aのうちで、この小径段部27よりも内端寄り(図1〜3の上側)部分の外径以上、確保している。
In the rack and pinion type steering gear unit of the present example, the outer end surface of the front end portion (lower end portion in FIGS. 1 to 3) of the
尚、前記押圧ブロック21aは、鉄系合金若しくはアルミニウム系合金等の金属製、或いはポリアミド樹脂、ポリ四フッ化エチレン樹脂等の合成樹脂製である。金属製の場合には、前記ラック軸8の背面と摺接する面に、合成樹脂、含油メタル等の低摩擦材を添着する。何れにしても、前記押圧ブロック21aの外周面のうち、前記ラック軸8側の端部である内端部外周縁には面取りを施して、前記シリンダ部20内に前記押圧ブロック21aを、容易に挿入できる様にしている。尚、前記押圧ブロック21aを合成樹脂製とする場合に、前記緩衝リング28を構成する合成樹脂は、この押圧ブロック21aを構成する合成樹脂よりも内部損失が大きい(軟らかい)材質のものを採用する。
The
上述の様に本例のラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットの場合には、前記押圧ブロック21aの先端部に前記緩衝リング27を外嵌支持している為、ピニオン軸6と前記ラック軸8との間の動力伝達に伴って、前記押圧ブロック21aが揺動変位しても、前記押圧ブロック21aの先端部外周縁と前記シリンダ部20aの内周面とが衝突する事はなくなる。前記緩衝リング28はこの内周面に衝突する場合があるが、この緩衝リング28は内部損失が大きい材料製である為、衝突エネルギは、この緩衝リング28が変形する事で消費され、衝突部での振動や騒音の発生を抑えられる。この結果、前記動力伝達に伴う、前記押圧ブロック21aの揺動変位に拘らず、前述した様な、不快な振動や騒音、或いは著しい摩耗が生じる事を防止できる。
As described above, in the case of the rack and pinion type steering gear unit of the present example, since the
更に、本例の構造の場合には、前記緩衝リング28を前記小径段部27に、締り嵌めで外嵌している為、ステアリングギヤユニットの組立時に、この小径段部27から前記緩衝リング28が脱落する事を防止できる。即ち、前記ステアリングギヤユニットの組立を完了した状態で前記緩衝リング28は、蓋体22により抑えられて、前記小径段部27から抜け出る事はなくなる。従って、機能上は、前記緩衝リング28をこの小径段部27に隙間嵌で外嵌しても構わないが、その場合には、組立作業の過程で、この小径段部27から前記緩衝リング28が脱落し易い。これに対して本例の場合には、この緩衝リング28の脱落を防止して、組立作業の容易化を図れる。
Further, in the case of the structure of this example, the
[実施の形態の第2例]
図4も、請求項1〜2に対応する、本発明の実施の形態の第2例を示している。本例の場合には、押圧部材21aの小径段部27に外嵌する緩衝部材28aとして、ゴム製のOリングを採用している。この緩衝部材28aを前記小径段部27に、締り嵌めで外嵌した状態で、この緩衝部材28aの最大径が前記押圧部材21aの基端寄り部分の外径以上になる様にしている。従って、この押圧部材21aが揺動変位すると、この押圧部材21aの外周面の先端部外周縁がシリンダ部20の内周面に衝突する以前に、前記緩衝部材28aの最大径部分がこの内周面に当接し、当接部で振動や騒音の発生を抑える。
その他の部分の構成及び作用は、上述した実施の形態の第1例と同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は省略する。
[Second Example of Embodiment]
FIG. 4 also shows a second example of an embodiment of the present invention corresponding to
Since the configuration and operation of the other parts are the same as in the first example of the above-described embodiment, illustration and description regarding the equivalent parts are omitted.
1 ステアリングホイール
2 ステアリングシャフト
3 自在継手
4 中間シャフト
5 ステアリングギヤユニット
6 ピニオン軸
7 ピニオン歯
8 ラック軸
9 ラック歯
10 ケーシング
11 主収納部
12 副収納部
13 ラックガイド
14 球面継手
15 タイロッド
16 ラジアルニードル軸受
17 玉軸受
18 抑えねじ筒
19 シールリング
20 シリンダ部
21、21a 押圧ブロック
22 蓋体
23 ばね
24 凹部
25 係止凹溝
26 弾性リング
27 小径段部
28、28a 緩衝リング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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