JP2013208927A

JP2013208927A - 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: JP2013208927A
Application number: JP2012078649A
Authority: JP
Inventors: Takanori Sawano; 貴紀澤野; Taketoshi Chibu; 剛敏千布
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10

Abstract

【課題】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使用されるラックハウジングにおいて、強度、剛性を維持しつつ軽量化したラックハウジングを提供する。
【解決手段】ラックハウジングの円筒部及び取付け部を、繊維強化樹脂で形成する。円筒部は金属製芯金に一方向プリプレグ又は織物プリプレグを巻回した後硬化させ、外径の切削加工を行い円筒部とし、次いで円筒部両端にインサート成形により取付け部を形成し、ラックハウジングとする。
【選択図】図２

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ハウジングの改良に関する。

自動車においては、ステアリング軸の回転を左右の操舵輪の運動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。
図１に示すようなラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置３０において、ラックアンドピニオン機構３５のラック軸３６を摺動可能に内嵌するハウジング４０は、ラック軸３６の軸方向に長く形成され、操舵時に図示しない車輪から伝達される操舵反力を受けるため、剛性が大きなアルミニウム合金等の金属を鋳造して一体的に成形されている。
ハウジング４０は、ラック軸３６がストローク端に達すると、ラック軸３６の車幅方向の両端に固定され、前記車輪とラック軸３６の両端を接続するジョイント３８、３９が、ハウジング４０の車幅方向の両端に当接してラック軸３６を停止させ、ラック軸３６の移動距離を制限している。前記ジョイント３８、３９の車幅方向の間隔が広いため、ハウジング４０は車幅方向に長くなる為、成形に用いる設備が大型化するという問題があった。さらに、前記ジョイント３８、３９が当接した時のスラスト荷重を支持するため、ハウジング４０は大きな強度が必要で、肉厚を厚くしたり、強度の大きな金属製にするため、重量が増大し、製造コストも増大する問題があった。

実開昭６１−１２９６７０号公報特開２００９−５６８２７号公報

上記問題を改善するための発明として、特許文献１、特許文献２では、ラックアンドピニオン機構のハウジングを分割して成形することにより、鋳造や加工を容易にし、製造コストを低減する発明が開示されている。
近年、地球温暖化に対する炭酸ガス排出量の低減要求が高まり、自動車においては低燃費化が求められている。その中で、自動車を構成する各部品の軽量化が進められており、ステアリング装置においても構造を最適化することにより軽量化が図られている。しかし、図１におけるハウジング４０の車幅方向の両端で、ジョイント３８、３９を当接した時の荷重を支持する構造は同一であるため、ハウジング４０は大きな強度が必要であり、強度を維持する為には金属材料を必要とすることから、さらなる軽量化には限界があるという課題があった。

本発明はそのような課題を解消する為になされたものであり、ラックアンドピニオン機構のハウジングについて、強度と剛性が従来と同等以上であり、且つ、大幅に軽量化することで、更なる高信頼性を有し、燃費の軽減に貢献するラックアンドピニオン式パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の発明は、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共に、車輪に連結されるラックと、前記ピニオンと前記ラックとを収容するハウジングと、前記操舵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又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、
前記ハウジングを、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維の何れかから成る、一方向或いは織物プリプレグにより強化された連続繊維強化プラスチック及び、射出成形後の重量平均繊維長が０．７〜５．０ｍｍである炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維の何れかから成る、長繊維強化プラスチックと、金属製芯金との積層体により形成したことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に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において、前記連続繊維強化プラスチック及び長繊維強化プラスチックは、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂に代表される熱硬化性樹脂、或いは、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、芳香族ポリアミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂に代表される熱可塑性樹脂であることを特徴としている。

本発明によれば、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ハウジングについて、従来と同等以上の強度及び剛性を維持しつつ、大幅に軽量化が可能であり、高信頼且つ、低燃費に貢献するパワーステアリング装置を提供することが可能である。

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示す図である。本発明におけるラックハウジングを示す図である。本発明における実施例の振動特性を示す図である。本発明における比較例の振動特性を示す図である。

以下に、本発明の実施形態を、図２を基に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
ハウジング５０は、円筒部５１と、円筒部５１の両端に形成される取付け部５２、５３からなる。取り付け部５２、５３は車体への固定に用いる取り付け穴５２ａ、５３ａが形成される。また、取り付け部５２には、ピニオンシャフト穴５２ｂと、ピニオンとラックとの噛み合い部でラック軸をピニオンに押付けラック軸を軸方向に摺動可能に支持する図示しないラックガイドを固定するためのラックガイド取り付け穴５２ｃを備える。取り付け穴５２ａ、５３ａ、ピニオンシャフト穴５２ｂ、ラックガイド取り付け穴５２ｃの内径部には金属製の芯金を備える。
ハウジング５０の円筒部５１となる円筒体は、金属製の芯金に一方向或いは織物繊維から成るプリプレグを巻きつけ積層する事により形成する。
プリプレグは、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂に代表される熱硬化性樹脂を２２〜５０質量％、より好ましくは２５〜４０質量％含有している。熱硬化性樹脂の量が２２質量％を下回ると、繊維間に樹脂が行き渡らず、プリプレグ同士の接着性が低下すると共に、ボイドが発生しやすくなり、５０質量％を超えると、繊維の数が減少するため、プリプレグの強度や剛性が低下する。プリプレグに使用される繊維は、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維の少なくとも一つを一方向に配向した一方向プリプレグや、上記繊維の何れかを織り込んだ織物プリプレグを用いることができる。特に、炭素繊維については、直径５〜１５μｍの範囲にあり、引張り強度が３〜８．５ＧＰａ、引張り弾性率が２００〜８００ＧＰａ、伸度が１．０〜２．２％の範囲に入るものが望ましい。
次いで、円筒体を１３０℃で２時間保持する事により樹脂を硬化させた後、切削加工により不要な部分を除去した。続いて、切削加工を施した円筒体と、取付け部５２、５３の取り付け穴５２ａ、５３ａ、ピニオンシャフト穴５２ｂ、ラックガイド取り付け穴５２ｃの芯金を金型にセットし、射出成形によりインサート成形を行い、円筒体の両端に取付け部５２、５３を形成し、ハウジング５０とした。
取付け部を形成する樹脂は、ポリプロピレンやポリフェニレンサルファイド、芳香族ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、熱可塑性ポリイミドを代表とする熱可塑性樹脂に、
炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維の何れかから成る射出成形後の重量平均繊維長が０．７〜５．０ｍｍの長繊維を１０〜７０質量％、より好ましくは、１５〜５０質量％配合する。前記長繊維の配合量が１０質量％未満の場合は、機械的強度の向上効果が少なく好ましくない。また、前記長繊維の配合量が７０質量％を超える場合は、樹脂材料の靭性や耐冷熱衝撃性が不十分となるおそれがあり好ましくない。また、前記射出成形後の重量平均繊維長が０．７ｍｍ未満の場合、強度が不充分であり好ましくない。前記重量平均繊維長が５．０ｍｍを超える長さの繊維は通常の射出成形過程では材料ペレットに配合される繊維が折損するため、特殊な成形機を用いる必要があり、コストアップの要因となり好ましくない。
取付け部５２、５３は、円筒部５１の両端部に同時に形成しても、各取付け部ごとに形成しても良い。

本発明による実施例及び比較例を以下に詳述するが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、取付け部５２、５３は個別に成形後、円筒部５１に圧入し固定しても良い。
本発明の実施例を図２に示す。ハウジング５０の円筒部５１となる円筒体を、一方向炭素繊維、熱硬化性樹脂量２５質量％のプリプレグを鋼製の芯金に巻き付けることにより積層し形成した。巻き付け時の繊維の向きは、ＪＩＳＫ７０１７（１９９９）に基づき、一方向炭素繊維の繊維方向を前記円筒体軸方向とし、円筒体軸方向を０°、円筒体軸直交方向を９０°と定義した時、０°：９０°＝２：１の割合いとなる様積層した。次いで、円筒体を１３０℃で２時間保持することによって、樹脂を硬化させた後、外径面を切削加工、研削加工によって所定の形状とし円筒部５１とした。その後、金型に円筒部５１と取付け部５２、５３の芯金を組み込み、炭素繊維強化芳香族樹脂を射出成形、ハウジング５０を得た。炭素繊維強化芳香族樹脂に含有される炭素繊維のペレット中の重量平均繊維長は１．９８ｍｍであった。
比較例としては、アルミダイカスト製ハウジングを用いた。

比較例のアルミダイカスト製ラックハウジングの重量、剛性、衝撃エネルギー吸収能力の各数値を１００とした時の、本発明実施例の比較結果を表１に示す。また、振動特性を、横軸を経過時間、縦軸を振動加速度で現したグラフを図３、図４に示す。

（表1）

表1に示すように、実施例による繊維強化プラスチックと、金属製芯金で構成されたラックハウジングは、比較例の従来のアルミダイカスト製ラックハウジングと同等の剛性を有しながら、軽量化を実現している。また、実施例のエネルギー吸収能が比較例よりも大きいため、衝突時等における破壊に要するエネルギーが高く、衝突安全性の高いステアリング装置の提供が可能である。さらに、図３、図４に示すように、振動の減衰が比較例よりも速いため、騒音の低減効果がある。

３０ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置
３５ラックアンドピニオン機構
３６ラック
３７ピニオン
３８ラック端部
３９ラック端部
４０ハウジング
５０ハウジング
５１円筒部
５２取付け部
５２ａ取り付け穴
５２ｂピニオンシャフト穴
５２ｃラックガイド取り付け穴
５３取付け部
５３ａ取り付け穴

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共に、車輪に連結されるラックと、前記ピニオンと前記ラックとを収容するハウジングと、前記操舵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又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、
前記ハウジングを、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維の何れかから成る、一方向或いは織物プリプレグにより強化された連続繊維強化プラスチック及び、射出成形後の重量平均繊維長が０．７〜５．０ｍｍである炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維の何れかから成る、長繊維強化プラスチックと、金属製芯金との積層体により形成した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。
請求項１に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において、前記連続繊維強化プラスチック及び長繊維強化プラスチックは、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂に代表される熱硬化性樹脂、或いは、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、芳香族ポリアミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂に代表される熱可塑性樹脂であ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。