JP2015182745A - Steering shaft, steering gear, and method of manufacturing steering shaft - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、転舵軸及び操舵装置並びに転舵軸の製造方法に関する。 The present invention relates to a steered shaft, a steering device, and a method for manufacturing the steered shaft.
燃費や走行性能等の向上のため、自動車用部品の軽量化が要求されている。そこで、自動車用部品である金属製のラック軸(転舵軸)を、部分的にFRP(Fiber Reinforced Plastic、繊維強化プラスチック)製とする技術が知られている(特許文献1、2参照)。ここで、ラック軸には、主に軸方向(車幅方向、左右方向)に引張又は圧縮の荷重が作用する。 In order to improve fuel consumption and running performance, automobile parts are required to be lighter. Therefore, a technique is known in which a metal rack shaft (steering shaft), which is an automotive part, is partially made of FRP (Fiber Reinforced Plastic) (see Patent Documents 1 and 2). Here, a tensile or compressive load acts on the rack shaft mainly in the axial direction (vehicle width direction, left-right direction).
しかしながら、特許文献1〜2では、ラック軸の軸方向において、金属製のラック軸本体とFRP層との軸方向における境界面は径方向外側が幅広となる傾斜面(テーパ面)であるので、ラック軸に軸方向において圧縮の荷重が作用すると、前記傾斜面に沿ってせん断力が発生し、FRP層がラック軸本体から剥離する可能性が高い。 However, in Patent Documents 1 and 2, in the axial direction of the rack shaft, the boundary surface in the axial direction between the metal rack shaft main body and the FRP layer is an inclined surface (tapered surface) having a wider radial outer side. When a compressive load acts on the rack shaft in the axial direction, a shearing force is generated along the inclined surface, and there is a high possibility that the FRP layer is peeled off from the rack shaft main body.
また、FRP層がプリプレグをラック軸本体に巻回することで構成される場合、プリプレグの端面がラック軸本体側の傾斜面に線接触するので、前記端面とラック軸本体側の傾斜面との間に隙間が形成されるうえ、繊維が撚れてしまう虞があり、FRP層の強度が低下する虞がある。なお、プリプレグが厚いほど、前記隙間が形成され易くなる。 Further, when the FRP layer is configured by winding the prepreg around the rack shaft main body, the end surface of the prepreg is in line contact with the inclined surface on the rack shaft main body side. In addition to the gaps formed between them, the fibers may be twisted and the strength of the FRP layer may be reduced. The thicker the prepreg, the easier the gap is formed.
そこで、本発明は、FRP層が剥離し難く且つ隙間が形成され難い転舵軸及び操舵装置並びに転舵軸の製造方法を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the manufacturing method of a turning shaft, a steering apparatus, and a turning shaft in which a FRP layer cannot peel easily and a clearance gap is hard to be formed.
前記課題を解決するための手段として、本発明は、軸方向に延びる凹部を有する棒状の転舵軸本体と、前記凹部内に設けられたFRP層と、を備え、軸方向において前記転舵軸本体と前記FRP層との境界面は、径方向外側が幅広である階段状であることを特徴とする転舵軸である。 As means for solving the above-mentioned problems, the present invention comprises a rod-shaped steering shaft main body having a recess extending in the axial direction, and an FRP layer provided in the recess, and the steering shaft in the axial direction. The boundary surface between the main body and the FRP layer is a steered shaft characterized by a stepped shape having a wide radial outer side.
このような構成によれば、軸方向において転舵軸本体とFRP層との境界面は、径方向外側が幅広である階段状(段差状)であるので、軸方向において転舵軸本体とFRP層との間の境界面は、径方向に延びる、つまり、軸方向と直交する転舵軸本体の輪切り断面方向に延びることになる。すなわち、階段状の境界面は、軸方向に延びる軸方向境界面と、径方向に延びる径方向境界面とを備えている。 According to such a configuration, the boundary surface between the steered shaft main body and the FRP layer in the axial direction has a stepped shape (stepped shape) whose outer side in the radial direction is wide. The boundary surface between the layers extends in the radial direction, that is, extends in the direction of the wheel cross-section of the steered shaft main body perpendicular to the axial direction. That is, the stepped boundary surface includes an axial boundary surface extending in the axial direction and a radial boundary surface extending in the radial direction.
これにより、転舵軸に軸方向において圧縮荷重が作用した場合、転舵軸本体とFRP層とは、軸方向と直交する径方向境界面を介して、相互に密着することになる。このように、圧縮荷重の作用する軸方向と、転舵軸本体及びFRP層の接触する径方向境界面とが直交しているので、転舵軸本体とFRP層とがずれ難くなり、FRP層が転舵軸本体から剥離し難くなる。 Thereby, when a compressive load is applied to the steered shaft in the axial direction, the steered shaft main body and the FRP layer are in close contact with each other via a radial boundary surface orthogonal to the axial direction. Thus, since the axial direction on which the compressive load acts and the radial boundary surface where the steered shaft main body and the FRP layer are in contact with each other are orthogonal, the steered shaft main body and the FRP layer are not easily displaced, and the FRP layer Is difficult to peel off from the steered shaft body.
また、境界面は階段状であるので、ラック軸本体とFRP層との間には隙間が形成され難くなる。すなわち、プリプレグを積層することでFRP層が構成される場合、プリプレグの端面を、ラック本体側の階段状の境界面に合わせることができ、隙間が形成され難くなる。これにより、ラック軸全体の強度が高くなる。 Further, since the boundary surface is stepped, it is difficult to form a gap between the rack shaft main body and the FRP layer. That is, when the FRP layer is configured by stacking prepregs, the end surface of the prepreg can be matched with the stepped boundary surface on the rack body side, and a gap is hardly formed. This increases the strength of the entire rack shaft.
さらに、軸方向境界面は周方向にも延びるので、FRP層内を延びる繊維と、軸方向境界面とは平行となる。このように、FRP層内を延びる繊維と、軸方向境界面とは平行であるので、FRP層と転舵軸本体との間において荷重が良好に伝達できる。 Further, since the axial boundary surface extends in the circumferential direction, the fiber extending in the FRP layer and the axial boundary surface are parallel to each other. Thus, since the fiber extending in the FRP layer and the axial boundary surface are parallel, the load can be transmitted between the FRP layer and the steered shaft main body.
また、転舵軸において、前記凹部は全周方向に延びており、前記FRP層は、前記凹部にプリプレグを巻回し硬化させたものである構成としてもよい。 Further, in the steered shaft, the concave portion extends in the entire circumferential direction, and the FRP layer may be configured by winding and hardening a prepreg around the concave portion.
前記課題を解決するための手段として、本発明は、前記転舵軸を備えることを特徴とする操舵装置である。 As a means for solving the above-mentioned problems, the present invention is a steering apparatus comprising the steered shaft.
前記課題を解決するための手段として、本発明は、軸方向及び全周方向に延びる凹部を有する棒状の転舵軸本体と、前記凹部内に設けられたFRP層と、を備え、軸方向において前記転舵軸本体と前記FRP層との境界面は、径方向外側が幅広である階段状である転舵軸の製造方法であって、前記凹部にプリプレグを巻回し硬化させて前記FRP層を形成することを特徴とする転舵軸の製造方法である。 As means for solving the above problems, the present invention comprises a rod-shaped steered shaft main body having a recess extending in the axial direction and the entire circumferential direction, and an FRP layer provided in the recess, in the axial direction. A boundary surface between the steered shaft main body and the FRP layer is a method of manufacturing a steered shaft having a stepped shape having a wide radial outer side, and a prepreg is wound around the recess to be cured, and the FRP layer is formed. It is the manufacturing method of the turning shaft characterized by forming.
本発明によれば、FRP層が剥離し難く且つ隙間が形成され難い転舵軸及び操舵装置並びに転舵軸の製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the turning shaft and steering apparatus which are hard to peel an FRP layer, and a clearance gap is difficult, and a turning shaft can be provided.
本発明の一実施形態について図1〜図4を参照して説明する。
なお、以下の説明において、軸方向は棒状のラック軸1(転舵軸)の軸方向(長手方向)を意味し、径方向はラック軸1の径方向を意味する。車幅方向外側は車幅方向(左右方向)において車外に近づく側を意味し、車幅方向内側は車幅方向において車両中央に近づく側を意味する。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the following description, the axial direction means the axial direction (longitudinal direction) of the rod-shaped rack shaft 1 (steering shaft), and the radial direction means the radial direction of the rack shaft 1. The vehicle width direction outer side means the side approaching the outside of the vehicle in the vehicle width direction (left-right direction), and the vehicle width direction inner side means the side approaching the vehicle center in the vehicle width direction.
≪操舵装置≫
操舵装置100は、ラックピニオン式の電動パワーステアリング装置であって、電動モータの発生するアシスト力がピニオン軸104に入力されるピニオンアシスト型である。ただし、コラムアシスト型、ラックアシスト型でもよい。また、油圧モータでアシスト力を発生させる油圧パワーステアリング装置でもよい。
≪Steering device≫
The
操舵装置100は、運転者が操作するステアリングホイール101と、ステアリングホイール101と一体で回転するステアリング軸102(ステアリングコラム)と、ステアリング軸102の下端に連結されたトーションバー103と、トーションバー103の下端に連結されたピニオン軸104と、車幅方向(左右方向)に延びるラック軸1(転舵軸)と、を備えている。
The
ピニオン軸104のピニオン歯104aは、ラック軸1のラック歯11と噛合している。そして、ピニオン軸104が回転すると、ラック軸1が車幅方向において移動し、タイロッド105を介して連結された操舵輪106(車輪)が転舵されるようなっている。なお、ラック軸1は、筒状のハウジング107にブッシュ等を介して収容されている。
The
ピニオン軸104には、ウォームホイール(図示しない)が同軸で固定されている。そして、トーションバー103で発生した捩れトルクに応じて、電動モータ(図示しない)からウォームホイール(ピニオン軸104)にアシスト力が入力されるようになっている。
A worm wheel (not shown) is coaxially fixed to the
そして、ラック軸には、操舵輪106及びタイロッド105を介して路面からの荷重が入力される。この荷重は、軸方向の引張、圧縮成分又は軸方向に対してある角度を持った方向の引張、圧縮成分を有する。軸方向に対してある角度を持った方向から入力される場合、ラック軸1に曲げ成分の力も加わる。この曲げによる力の外側では軸方向の引張荷重が作用し、内側では軸方向の圧縮荷重が作用する。
A load from the road surface is input to the rack shaft via the
≪ラック軸の構成≫
ラック軸1は、図2に示すように、ラック軸本体10と、中間層21と、FRP層として第1CFRP層31、第2CFRP層32、第3CFRP層33の複数層(ここでは3層)を有するCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic、炭素繊維強化プラスチック)層と、を備えている。
≪Rack shaft configuration≫
As shown in FIG. 2, the rack shaft 1 includes a
<ラック軸本体>
ラック軸本体10は、棒状の部品であって、左右方向に延びている。ラック軸本体10は、金属製であり、例えば、炭素鋼(S45C等)、アルミニウム合金で形成されている。ただし、ラック軸本体10は、樹脂製、FRP製である構成でもよい。この構成の場合、例えば、円筒状の第1CFRP層31内部に樹脂を充填することで、ラック軸本体10を形成できる。
<Rack shaft body>
The rack shaft
ラック軸本体10の右側には、ラック歯11が形成されている。
<ラック軸本体−凹部>
ラック軸本体10の左側には、軸方向に延びると共に全周方向において径方向内側に凹んでいる凹部12が形成されている(図4参照)。すなわち、ラック軸本体10は、左側において小径である内筒部13を備えている。内筒部13の中心軸線上には左右方向に延び、左側で外部に開口する中空部14が形成されている。すなわち、内筒部13は円筒状であり、周壁の厚さは例えば1〜2mmである。
<Rack shaft body-recessed part>
On the left side of the
ただし、内筒部13が中実である構成でもよい。なお、本実施形態では、右側にラック歯11が形成され、左側に内筒部13を備えているが、左右が反転している場合や左右両側にラック歯11が形成される場合等、CFRP層が形成される内筒部、ラック歯11の位置関係は限定されない。
However, the structure in which the
凹部12の軸方向両側は、径方向外側が幅広となる階段状となっており、ここでは、3段で形成されている。すなわち、凹部12は、径方向内側(中心軸線O1側)の第1段部15と、第1段部15の径方向外側の第2段部16と、第2段部16の径方向外側の第3段部17とで構成されている(図4参照)。第1段部15の軸方向長さL15、第2段部16の軸方向長さL16、第3段部17の軸方向長さL17は、「L15<L16<L17」となっている。なお、段差の数は限定されず、任意の段差の階段状とすることができる。
Both sides in the axial direction of the
第1段部15の厚さT15、第2段部16の厚さT16、第3段部17の厚さT17は、略同一であり(T15≒T16≒T17)、例えば、0.2〜2mmに設計されている(図4参照)。そして、凹部12の全体厚さは、例えば3〜6mmに設計されている。
The thickness T15 of the
<中間層>
中間層21は、内筒部13と第1CFRP層31との間に設けられるが、必須ではない。中間層21は、内筒部13と第1CFRP層31とを接着する層である。これにより、内筒部13と第1CFRP層31とが周方向及び軸方向においてずれないようになっている。また、中間層21は、中間層21を介して隣り合う2つの層の熱膨張係数の差を緩和する機能を有してもよい。中間層21は、例えば、エポキシ系の接着剤が硬化してなる層等の樹脂層又は、両面テープ等で形成される。また、中間層21は、内筒部13と第2CFRP層32との間、内筒部13と第3CFRP層33との間、に設けてもよい。なお、中間層21は、第1CFRP層31と第2CFRP層32との間、第2CFRP層32と第3CFRP層33との間、に設けてもよい。
<Intermediate layer>
The
<CFRP層>
第1CFRP層31、第2CFRP層32、第3CFRP層33は、軽量かつ高強度である炭素繊維強化プラスチック層である。中間層21の径方向外側において、径方向外側に向かって、第1CFRP層31、第2CFRP層32、第3CFRP層33の順で積層している。
<CFRP layer>
The
第1CFRP層31の厚さT31、第2CFRP層32の厚さT32、第3CFRP層33の厚さT33は、略同一であり(T31≒T32≒T33)、例えば、0.2〜2mmに設計されている(図3参照)。そして、第1CFRP層31、第2CFRP層32、第3CFRP層33が積層したものの全体厚さは、例えば3〜6mmに設計されている。
The thickness T31 of the
第1CFRP層31の軸方向長さL31、第2CFRP層32の軸方向長さL32、第3CFRP層33の軸方向長さL33は、「L31<L32<L33」となっている。
The axial length L31 of the
第1CFRP層31、第2CFRP層32、第3CFRP層33は、樹脂製の母体(ベース、マトリックス)内を、複数の強化繊維が配列することで構成されている。母体を形成する樹脂は、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂から選択することができるが、強度や成形性の点から熱硬化性樹脂が好ましい。
The
強化繊維は、炭素繊維で形成されており、例えば、複数の炭素繊維を撚ってなるストランド状である。強化繊維は、各CFRP層に40〜90質量%で含有されている。 The reinforcing fiber is made of carbon fiber, and has, for example, a strand shape formed by twisting a plurality of carbon fibers. Reinforcing fibers are contained in each CFRP layer at 40 to 90% by mass.
<ラック軸本体とCFRP層との境界面>
軸方向において、ラック軸本体10と第1CFRP層31、第2CFRP層32、第3CFRP層33との境界面40は、径方向外側が幅広である階段状であり、本実施形態では3段で構成されている。ただし、段数はこれに限定されない。また、段差の高さ(各CFRP層の厚さ)、段差の軸方向幅(各CFRP層の軸方向長さ)は、適宜に変更可能である。
<Boundary surface between rack shaft body and CFRP layer>
In the axial direction, the
境界面40は、軸方向に延びる軸方向境界面41と、径方向に延びる径方向境界面42と、を備えており、軸方向境界面41と径方向境界面42とは交互に連なっている。すなわち、軸方向境界面41と径方向境界面42とは直交しており、径方向境界面42は軸方向に対しても直交している。
The
≪ラック軸、操舵装置の作用効果≫
ラック軸1、操舵装置100の作用効果を説明する。
ラック軸本体10と第1CFRP層31、第2CFRP層32、第3CFRP層33との境界面40は、径方向外側が幅広である階段状であるので、すなわち、ラック軸本体10と、第1CFRP層31、第2CFRP層32、第3CFRP層33との間に形成される径方向境界面42は、軸方向に対して直交しているので、ラック軸1に軸方向の圧縮荷重が入力された場合、ラック軸本体10と、第1CFRP層31、第2CFRP層32、第3CFRP層33とは、径方向境界面42を介して相互に密着することになる。
<< Effects of rack shaft and steering device >>
The effects of the rack shaft 1 and the
The
このように、圧縮荷重の入力される軸方向と、ラック軸本体10と第1CFRP層31等とが挟む径方向境界面42とが、直交しているので、ラック軸本体10と、第1CFRP層31等が、ずれ難くなる。したがって、第1CFRP層31等が、ラック軸本体10から剥離し難くなる。
Thus, since the axial direction in which the compressive load is input and the
≪ラック軸の製造方法≫
シートワインディング方法によるラック軸1の一製造方法を説明する。
第1CFRP層31、第2CFRP層32、第3CFRP層33に対応した第1〜第3プリプレグを準備する。ただし、1枚のプリプレグを複数回にて巻回し、巻き太らせる方法でもよい。また、各CFRP層をそれぞれ複数のプリグレグを用いて形成してもよい。
≪Rack shaft manufacturing method≫
A method for manufacturing the rack shaft 1 by the sheet winding method will be described.
First to third prepregs corresponding to the
内筒部13の外周面に接着剤を塗布した後、第1CFRP層31となる第1プリプレグを第1段部15に位置合わせしながら、内筒部13に巻き付ける。次いで、第2CFRP層32となる第2プリプレグを第2段部16に位置合わせしながら、第1プリプレグの上に巻き付ける。次いで、第3CFRP層33となる第3プリプレグを第3段部17に位置合わせしながら、第2プリプレグの上に巻き付ける。
After applying an adhesive to the outer peripheral surface of the
ここで、凹部12の軸方向両側は、径方向外側が幅広となる階段状であり、第1段部15の軸方向内壁面15a(図4参照)は径方向に延びているので、第1プリプレグと第1段部15との間に隙間が形成されることはない。これと同様に、第2段部16の軸方向内壁面16a、第3段部17の軸方向内壁面17aも径方向に延びているので、第2プリプレグと第2段部16との間、第3プリプレグと第3段部17との間に隙間が形成されることはない。
Here, both sides in the axial direction of the
次いで、適宜な加圧装置及び加熱装置を使用して、プリプレグに含まれる熱硬化性樹脂の種類に対応して圧力・温度を設定し、熱硬化性樹脂を硬化させる。
そうすると、ラック軸1を得る。
Next, using an appropriate pressure device and heating device, the pressure and temperature are set in accordance with the type of thermosetting resin contained in the prepreg, and the thermosetting resin is cured.
Then, the rack shaft 1 is obtained.
このようなプリプレグを芯材である内筒部13に巻き付けるシートワインディング方法は、安定して製造可能であるため、ラック軸1の品質安定性が高くなる。
Since the sheet winding method in which such a prepreg is wound around the inner
≪変形例1≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更してもよい。
<< Modification 1 >>
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, For example, you may change as follows.
前記した実施形態では、強化繊維が炭素繊維である構成を例示したが、その他に例えば、強化繊維がガラス繊維やSiC繊維、アラミド等の有機繊維である構成でもよい。すなわち、FRPがGFRP等である構成でもよい。 In the above-described embodiment, the configuration in which the reinforcing fiber is a carbon fiber has been exemplified. However, for example, a configuration in which the reinforcing fiber is an organic fiber such as glass fiber, SiC fiber, or aramid may be used. That is, the FRP may be a GFRP or the like.
≪変形例2≫
前記した実施形態では、シートワインディング方法によって第1CFRP層31等を形成する方法を例示したが、その他に例えば、フィラメントワインディング方法によって第1CFRP層31等を形成することもできる。すなわち、ラック軸本体10に熱硬化性樹脂を含浸させたフィラメント(強化繊維)を巻き付け、その後、硬化させる方法でもよい。
<< Modification 2 >>
In the above-described embodiment, the method of forming the
≪変形例3≫
前記した実施形態では、操舵装置100がラックピニオン式であり、転舵軸がラック軸1である構成を例示したが、その他に例えば、操舵装置100がボールナット式であり、転舵軸がナットの回転によって往復するねじ棒である構成でもよい。
<< Modification 3 >>
In the above-described embodiment, the
1 ラック軸(転舵軸)
10 ラック軸本体(転舵軸本体)
12 凹部
15 第1段部
16 第2段部
17 第3段部
31 第1CFRP層
32 第2CFRP層
33 第3CFRP層
40 境界面
41 軸方向境界面
42 径方向境界面
100 操舵装置
1 Rack axis (steering axis)
10 Rack shaft body (steering shaft body)
12
Claims (4)
前記凹部内に設けられたFRP層と、
を備え、
軸方向において前記転舵軸本体と前記FRP層との境界面は、径方向外側が幅広である階段状である
ことを特徴とする転舵軸。 A rod-like steered shaft body having a recess extending in the axial direction;
An FRP layer provided in the recess;
With
A steered shaft characterized in that a boundary surface between the steered shaft main body and the FRP layer in the axial direction has a stepped shape having a wide radial outer side.
前記FRP層は、前記凹部にプリプレグを巻回し硬化させたものである
ことを特徴とする請求項1に記載の転舵軸。 The recess extends in the entire circumferential direction,
The steered shaft according to claim 1, wherein the FRP layer is obtained by winding and curing a prepreg around the concave portion.
ことを特徴とする操舵装置。 A steering apparatus comprising the steered shaft according to claim 1.
前記凹部にプリプレグを巻回し硬化させて前記FRP層を形成する
ことを特徴とする転舵軸の製造方法。 A rod-shaped steered shaft main body having a recess extending in the axial direction and the entire circumferential direction, and an FRP layer provided in the concave portion, and the boundary surface between the steered shaft main body and the FRP layer in the axial direction is A method for manufacturing a steered shaft that is stepped with a radially outer side wide,
A method of manufacturing a steered shaft, wherein the FRP layer is formed by winding and curing a prepreg in the recess.
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Date | Code | Title | Description |
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RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20160601 |
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RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20160601 |