JP2015205581A - ラックシャフトおよびラックシャフトの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置において、強度を確保しつつ製造コストの低減を図ることができるラックシャフトおよびラックシャフトの製造方法を提供すること。【解決手段】デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置に用いるラックシャフト１０は、マニュアル操舵力伝達用の第１ラック２２が形成された中空の第１軸１９と、操舵補助力伝達用の第２ラック２３が形成され、第１軸１９に連結された中実の第２軸２０とを備えている。ラックシャフト１０の製造方法は、第１ラック２２が第１軸１９に塑性加工される塑性加工工程と、塑性加工工程後に第２軸２０が第１軸１９に対して連結される連結工程と、連結工程後に第２ラック２３が第２軸２０に切削加工される切削加工工程とを含んでいる。【選択図】図８

Description

この発明は、ラックシャフトおよびラックシャフトの製造方法に関する。

電動パワーステアリング装置として、ステアリングホイールからの操舵力と、電動モータの操舵補助力とが、同一のピニオンを介して操舵機構のラックシャフトに伝達される、いわゆるシングルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置がある。
そのシングルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置として、特許文献１が提案されている。特許文献１では、ピニオンと噛み合うラックが形成される部分を中実軸とし、ラックが形成されない部分を中空軸としている。

特許文献２は、鋼管を用いて、全体が中空に形成されたラックシャフトを製造する方法を提案している。

特開２０１２−２４０５６３号公報 特開２００６−１０３６４４号公報

電動パワーステアリング装置として、ステアリングホイールからの操舵力と、電動モータの操舵補助力とが、異なるピニオンを介して操舵機構のラックシャフトに伝達される、いわゆるデュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置がある。デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置に用いるラックシャフトには、２つのピニオンにそれぞれ噛み合う２つのラックが形成される。

デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置において、全体が中実であるラックシャフトを用いる場合、重量が重くなる。
また、デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置において、全体が中空である特許文献２のラックシャフトを用いる場合、所望する噛み合い強度を得にくい。
また、特許文献１のラックシャフトをデュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置に適用する場合、ラックが形成される２箇所の中実軸部分と、各中実軸部分を軸方向に挟んで配置される３箇所の中空軸部分とが必要になるため、部品点数および組付工程が増大し製造コストが増大してしまう。

この発明は、かかる背景のもとでなされたものであり、デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置において、強度を確保しつつ製造コストの低減を図ることができるラックシャフトおよびラックシャフトの製造方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置（１）に用いるラックシャフト（１０）であって、マニュアル操舵力伝達用の第１ラック（２２）が形成された中空の第１軸（１９）と、操舵補助力伝達用の第２ラック（２３）が形成され、前記第１軸に連結された中実の第２軸（２０）と、を備えたラックシャフトである。

請求項２記載の発明は、請求項１において、前記第２ラックの歯ピッチ（Ｐ２）が一定であり、前記第２ラックは、切削により形成されているラックシャフトである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２において、前記第１ラックの歯ピッチ（Ｐ１）または前記ラックシャフトの軸方向（Ａ）に対する歯の角度（θ１）の少なくとも一方が前記ラックシャフトの軸方向位置で異なり、前記第１ラックは、塑性加工により形成されているラックシャフトである。

請求項４記載の発明は、デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置（１）に用いるラックシャフト（１０）の製造方法であって、第１ラック（２２）が中空の第１軸（１９）に塑性加工される塑性加工工程と、前記塑性加工工程後に中実の第２軸（２０）が前記第１軸に対して連結される連結工程と、前記連結工程後に第２ラック（２３）が前記第２軸に切削加工される切削加工工程と、を含むラックシャフトの製造方法である。

請求項５記載の発明は、請求項４において、前記第１ラックは、マニュアル操舵力伝達用であり、前記第２ラックは、操舵補助力伝達用であるラックシャフトの製造方法である。
請求項６記載の発明は、請求項４または５において、前記連結工程では、前記第１軸の軸方向一端部（１９ａ）と前記第２軸の軸方向一端部（２０ａ）とが摩擦圧接により連結されるラックシャフトの製造方法である。

なお、上記において、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

請求項１記載の発明によれば、操舵補助力伝達用で相対的に高負荷である第２軸は、中実であるので十分な強度を確保することができる。マニュアル操舵力伝達用で相対的に低負荷である第１軸は、中空であっても強度不足になることがない。したがって、デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置に用いるラックシャフトとして、全体として十分な強度と製造コストの低減を達成することができる。

このように、デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置において、ラックシャフトの強度を確保しつつ製造コストの低減を図ることができる。
請求項４記載の発明によれば、請求項１記載のラックシャフトを製造することができる。特に、第１ラックが形成された第１軸と第２ラック形成前の第２軸とが一体に連結された後に第２ラックが切削加工されるので、両ラックの相対位置の精度を高くすることができる。

図１は、本発明の本実施形態の電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、ラックシャフトの製造工程において丸軸が塑性加工される工程を示した概略図である。 図３は、ラックシャフトの製造工程において丸軸が塑性加工された後の状態を示した概略図である。 図４は、ラックシャフトの製造工程において第１ラックが形成される前の第１軸にラック形成型が設置された状態を示した概略図である。 図５は、塑性加工工程において第１ラックが第１軸に形成される工程を示した概略図である。 図６は、ラックシャフトの製造工程における連結工程を示した図である。 図７は、連結工程後の第１軸および第２軸を示した図である。 図８は、ラックシャフトの製造工程における切削加工工程を示した図である。

以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の本実施形態の電動パワーステアリング装置１の概略構成を示す模式図である。
図１を参照して、電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール２が連結されたステアリングシャフト３と、中間軸４と、トルクセンサ５と、ＥＣＵ（電子制御ユニット：Electronic Control Unit）６と、第１ピニオン軸７と、電動モータ８と、第２ピニオン軸９と、ラックシャフト１０とを主に備えている。第１ピニオン軸７は、ステアリングホイール２からのマニュアル操舵力をラックシャフト１０に伝達する。第２ピニオン軸９は、操舵補助用の電動モータ８からの操舵補助力をラックシャフト１０に伝達する。電動パワーステアリング装置１は、いわゆるデュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置である。

ステアリングホイール２と第１ピニオン軸７とは、ステアリングシャフト３および中間軸４を介して機械的に連結されている。
ステアリングシャフト３は、直線状に延びている。また、ステアリングシャフト３は、ステアリングホイール２に連結された入力軸１１と、中間軸４に連結された出力軸１２とを含む。入力軸１１と出力軸１２とは、トーションバー１３を介して同一軸線上で相対回転可能に連結されている。ステアリングホイール２にマニュアル操舵力が付与されると、トーションバー１３が捩れるため、入力軸１１および出力軸１２は、トーションバー１３の捻じれ量に応じて相対回転するようになっている。

ステアリングシャフト３の周囲には、トルクセンサ５が配置されている。トルクセンサ５は、入力軸１１および出力軸１２の相対回転変位量に基づいて、ステアリングホイール２に与えられた操舵トルクを検出する。トルクセンサ５によって検出される操舵トルクは、ＥＣＵ６に入力される。
第１ピニオン軸７は、中間軸４に連結されている。第１ピニオン軸７は、ステアリングホイール２の操舵に連動して回転するようになっている。第１ピニオン軸７の先端（図１では下端）には、第１ピニオン１４が連結されている。

電動モータ８と第２ピニオン軸９とは、電動モータ８の操舵補助力を第２ピニオン軸９に伝達するための減速機構１５を介して連結されている。第２ピニオン軸９の先端（図１では下端）には、第２ピニオン１６が連結されている。
電動モータ８は、ＥＣＵ６によって制御される。ＥＣＵ６は、トルクセンサ５によって検出される操舵トルクに基づいて、電動モータ８を制御する。

ラックシャフト１０は、自動車の左右方向（直進方向に直交する方向）に沿って直線状に延びている。ラックシャフト１０の軸方向には、符号「Ａ」を付し、ラックシャフト１０の周方向には、符号「Ｃ」を付す。ラックシャフト１０の各端部には、タイロッド１７およびナックルアーム（図示略）を介して転舵輪１８が連結されている。
ラックシャフト１０は、中空の第１軸１９と、第１軸１９に連結された中実の第２軸２０とを含む。第１軸１９の軸方向Ａにおける一方側の端部（図１では左側の端部）には、符号「１９ａ」を付す。一方、第２軸２０の軸方向Ａにおける他方側の端部（図１では右側の端部）には、符号「２０ａ」を付す。第１軸１９および第２軸２０の軸方向端部１９ａ，２０ａ同士は、ラックシャフト１０の軸方向Ａにおける略中央部において互いに連結されて一体となっている。詳しくは、第１軸１９は、端部１９ａにおいて、第２軸２０の端部２０ａと摩擦圧接等（詳しくは後述する）によって接合されることによって接合領域２１を形成しており、全体としてラックシャフト１０を構成している。

第１軸１９には、マニュアル操舵力伝達用の第１ラック２２が形成されている。第１ラック２２は、軸方向Ａに沿って並ぶ筋状の歯によって構成されている。第１ラック２２は、歯ピッチＰ１または軸方向Ａに対する歯の角度θ１の少なくとも一方が軸方向Ａの位置によって異なる、いわゆるバリアブルラックである。バリアブルラックの成形には、生産性および加工性に優れたブローチ加工などの切削加工を用いることができないため、鍛造などの塑性加工が用いられる。本実施形態では、第１ラック２２の歯ピッチＰ１が軸方向Ａの位置によって異なっている。具体的には、歯ピッチＰ１は、軸方向Ａにおける第１ラック２２の中央部へ向かうに従って徐々に小さくなっている。

第２軸２０には、操舵補助力伝達用の第２ラック２３が形成されている。第２ラック２３は、軸方向Ａに沿って並ぶ筋状の歯によって構成されている。第２ラック２３は、歯ピッチＰ２が一定であり、軸方向Ａに対する各歯の角度θ２が一定である、いわゆるコンスタントラックである。コンスタントラックは、ブローチ加工などの切削加工により成形される。

第１ラック２２は、第１ピニオン１４に噛み合い、第２ラック２３は、第２ピニオン１６に噛み合う。
第１ピニオン１４および第１ラック２２によって、第１ラックアンドピニオン機構１４，２２が構成されている。ステアリングホイール２からの回転が、ステアリングシャフト３および中間軸４を介して、第１ピニオン軸７に伝達される。そして、第１ピニオン軸７の回転は、第１ピニオン１４を介して第１ラック２２に伝達される。これにより、ステアリングホイール２からのマニュアル操舵力が第１ラック２２に伝達される。また、第１ラックアンドピニオン機構１４，２２によって、第１ピニオン軸７の回転がラックシャフト１０の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪１８が転舵される。

第２ピニオン１６および第２ラック２３によって、第２ラックアンドピニオン機構１６，２３が構成されている。電動モータ８が回転駆動されると、電動モータ８からの回転が減速機構１５を介して、第２ピニオン軸９に伝達される。そして、第２ピニオン軸９の回転は、第２ピニオン１６を介して第２ラック２３に伝達される。これにより、電動モータ８からの操舵補助力が第２ラック２３に伝達される。第２ラックアンドピニオン機構１６，２３によって、第２ピニオン軸９の回転がラックシャフト１０の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪１８が転舵される。なお、操舵補助力は、マニュアル操舵力よりも比較的大きいため、第２軸２０は、第１軸１９よりも高負荷である。

次に、このようなデュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置１に用いるラックシャフト１０の製造方法について説明する。
ラックシャフト１０の製造工程の初期段階として塑性加工工程が行われる。塑性加工工程では、第１ラック２２が中空の第１軸１９に塑性加工される。
図２は、ラックシャフト１０の製造工程において丸軸２５が塑性加工される工程を示した概略図である。

まず、図２を参照して、第１軸１９を形成するための素材としての中空の丸軸２５が圧延加工等によって準備される。丸軸２５は、鋼等により形成されている。次に、金型２６の平面２７を丸軸２５の径方向の外側から丸軸２５の外周面（厳密には、外周面の軸方向Ａおよび周方向Ｃにおける一部）に押し当てる。平面２７は、丸軸２５の軸方向Ａに対して平行である。

図３はラックシャフト１０の製造工程において丸軸２５が塑性加工された後の状態を示した概略図である。
図３を参照して、丸軸２５に対する塑性加工によって、丸軸２５の外周面の軸方向Ａおよび周方向Ｃにおける一部が径方向の内側へ窪む。これにより、外周面の一部に平面２９を有する第１軸１９が形成される。平面２９は、第１ラック２２が形成される前の段階の第１軸１９の軸方向Ａとは平行である。平面２９の形成に伴い、第１軸１９の平面２９が形成されている部分における内周面が丸軸２５の径方向の内側へ膨出することにより、平面３０が形成される。平面３０は、第１軸１９の軸方向Ａとは平行である。第１軸１９の軸方向Ａにおける一方側の端面には、符号「１９ｂ」を付す。

図４は、ラックシャフト１０の製造工程において第１ラック２２が形成される前の第１軸１９がラック形成型３１に配置された状態を示した概略図である。
図４を参照して、次に、第１軸１９の平面２９から金型２６が取り除かれ、第１軸１９がラック形成型３１に配置される。ラック形成型３１において平面２９と対向する部分には、ラック形成部３２が形成されている。ラック形成部３２は、軸方向Ａに沿って並ぶ筋状である。ラック形成部３２は、歯ピッチＰ３または軸方向に対する歯の角度（図示しない）の少なくとも一方が軸方向Ａにおける位置によって異なっている。歯ピッチＰ３は、ラック形成部３２の軸方向Ａの中央部へ向かうに従って小さくなっている。

図５は、塑性加工工程において第１ラック２２が第１軸１９に形成される工程を示した概略図である。
図５を参照して、第１軸１９にラック形成型３１を設置した後、第１軸１９の平面３０にラック形成型３１のラック形成部３２を沿わせた状態で、円柱状のマンドレル３５が第１軸１９に押し込まれる。

マンドレル３５の外周面には、突起部３５ａが形成されている。突起部３５ａは、周方向Ｃにおいて第１軸１９の平面３０と一致する位置に配置されている。マンドレル３５が軸方向Ａに往復されることによって、平面３０は、突起部３５ａによってしごかれる。これにより、平面２９は、第１軸１９の径方向における外側に盛り上げられる。少しずつ寸法の異なるマンドレル３５を軸方向Ａに複数回往復させることで、平面２９をラック形成型３１のラック形成部３２に沿うように徐々に変形させる。これにより、平面２９には、ラック形成部３２に沿った第１ラック２２が形成される。このように形成された第１ラック２２の歯ピッチＰ１は、ラック形成部３２の歯ピッチＰ３と一致している。このように、第１ラック２２は、塑性加工により形成される。

このような塑性加工工程後に、第２軸２０が第１軸１９に対して連結される連結工程が行われる。
図６は、ラックシャフト１０の製造工程における連結工程を示した図である。
連結工程としては、摩擦圧接、セレーション嵌合または溶着などの手法が考えられる。ここでは軸合わせの精度が高い摩擦圧接を用いることが好ましい。

図６を参照して、まず、第２ラック２３が形成される前の第２軸２０が準備される。第２軸２０の軸方向Ａにおける他方側の端面２０ｂには、断面が例えば円形状の凹部３６が形成されている。凹部３６は、第２軸２０と同軸状である。そのため、第２軸２０の軸方向Ａにおける端部２０ａは、円筒状である。
第２軸２０は、第１軸１９と同軸状に並べられる。そして、軸方向Ａにおける互いの端面１９ｂ，２０ｂ同士を接触させた状態で第１軸１９および第２軸２０を加圧する。また、端面１９ｂおよび端面２０ｂのそれぞれは、軸方向Ａに対して垂直な平面であることが好ましい。この場合、第１軸１９と第２軸２０とを均一に押し付けることができる。

次に、第１軸１９および第２軸２０を加圧した状態で、第１軸１９と第２軸２０とを周方向Ｃに相対回転させる。このときの回転数は、２０００ｒｐｍ程度であることが好ましい。
そして、当該相対回転によって摩擦熱（１３００℃程度）が発生する。当該摩擦熱によって第１軸１９および第２軸２０は、接合（溶着）される。

このように、第１軸１９の軸方向一端部である端部１９ａと第２軸２０の軸方向一端部である２０ａとが摩擦圧接工程により連結されることで第１軸１９に対する第２軸２０の連結が完了する。
図７は、連結工程後の第１軸１９および第２軸２０を示した図である。
図６の摩擦圧接工程では、第１軸１９の端部１９ａおよび第２軸２０の端部２０ａは、摩擦熱により溶融した状態で互いに加圧される。そのため、図７に示すように、摩擦圧接工程後では、接合領域２１を介して一体に接合された端部１９ａおよび端部２０ａには、第１軸１９の径方向（第２軸２０の径方向）の外方および内方に広がったフランジ部３７が形成される。

連結工程後に、第２ラック２３が第２軸２０に切削加工される切削加工工程が行われる。
図８は、ラックシャフト１０の製造工程における切削加工工程を示した図である。
図８を参照して、まず、切削加工工程では、フランジ部３７において第１軸１９の径方向外側へ張り出した部分が旋盤等によって削り取られる。これにより、第１軸１９の外周面と第２軸２０の外周面とは、滑らかに繋がれた状態となる。

次に、第２軸２０の軸方向Ａおよび周方向Ｃにおける外周面の一部をブローチ盤などによって削り取る切削加工を施すことによって、軸方向Ａに一定の歯ピッチＰ２を有する第２ラック２３が形成される。
以上の製造工程により、ラックシャフト１０を製造することができる。
ここで、全長に亘って中空のラックシャフトを鍛造により成形する比較例では、ブランク（素材）を型形状に塑性変形させる。そのため、ラック（歯）を大きく成形しようとする程、素材を大きく塑性変形させる必要があるので、ラックシャフトの生産性および加工性が低くなる。すなわち、大きい歯を形成することが難しい。歯同士が噛み合う部分の強度である噛み合い強度は、歯同士が噛み合う部分の面積に依存する。したがって、鍛造により成形された歯同士では、所望の噛み合い強度を得ることが難しい。

一方、ラックシャフト１０の製造に用いる摩擦圧接工程では、第１軸１９および第２軸２０の軸方向端部１９ａ，２０ａ同士のみが加熱溶融されるので、第１軸１９と第２軸２０との接合領域２１では、歪が発生しにくい。よって、第１軸１９と第２軸２０とが高い同軸度で連結される。
摩擦圧接工程は、一般的に周方向Ｃにおける精度を確保するのが難しい。本実施形態では、第１ラック２２が形成された第１軸１９と第２ラック２３形成前の第２軸２０とが摩擦圧接工程によって一体に連結された後に、第２ラック２３が切削加工される。そのため、第１ラック２２と第２ラック２３との周方向Ｃにおける位置決めの精度は、摩擦圧接の影響を受けない。したがって、第１ラック２２と第２ラック２３との周方向Ｃにおける相対位置の精度が向上される。

よって、両ラック２２，２３の相対位置の精度を高くすることができる。
また、本実施形態におけるラックシャフト１０では、操舵補助力伝達用で相対的に高負荷である第２軸２０は、中実であるので十分な強度（特に噛み合い強度）を確保することができる。一方、マニュアル操舵力伝達用で相対的に低負荷である第１軸１９は、中空であっても強度不足になることがない。

したがって、デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置１に用いるラックシャフト１０として、全体として十分な強度と製造コストの低減を達成することができる。
このように、デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置１において、ラックシャフト１０の強度を確保しつつ製造コストの低減を図ることができる。

また、第２軸２０には、歯ピッチＰ２が一定の第２ラック２３が切削により形成されているため、必要に応じて第２ラック２３の歯ピッチＰ２を自由に選択することができる。
また、第１軸１９には、バリアブルラックである第１ラック２２が塑性加工により形成されているため、切削では形成することが難しいバリアブルラック（第１ラック２２）の形成を容易に行うことができる。詳しくは、切削加工では、複雑な形状の第１ラック２２をラックシャフト１０毎に切削する必要があるが、塑性加工では、ラック形成型３１にラック形成部３２を形成しておけば、ラック形成型３１を用いて大量のラックシャフト１０を製造することができる。結果として、製造コストの低減を図ることができる。

この発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
例えば、第１ラック２２は、バリアブルラックではなくコンスタントラックであってもよい。また、第２ラック２３は、コンスタントラックではなくバリアブルラックであってもよい。

１…電動パワーステアリング装置、１０…ラックシャフト、１９…第１軸、１９ａ…端部、２０…第２軸、２０ａ…端部、２２…第１ラック、２３…第２ラック、Ａ…軸方向、Ｐ１…歯ピッチ、Ｐ２…歯ピッチ、θ１…角度

Claims (6)

1. デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置に用いるラックシャフトであって、
   マニュアル操舵力伝達用の第１ラックが形成された中空の第１軸と、
   操舵補助力伝達用の第２ラックが形成され、前記第１軸に連結された中実の第２軸と、を備えたラックシャフト。
2. 請求項１において、前記第２ラックの歯ピッチが一定であり、前記第２ラックは、切削により形成されているラックシャフト。
3. 請求項１または２において、前記第１ラックの歯ピッチまたは前記ラックシャフトの軸方向に対する歯の角度の少なくとも一方が前記ラックシャフトの軸方向位置で異なり、前記第１ラックは、塑性加工により形成されているラックシャフト。
4. デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリング装置に用いるラックシャフトの製造方法であって、
   第１ラックが中空の第１軸に塑性加工される塑性加工工程と、
   前記塑性加工工程後に中実の第２軸が前記第１軸に対して連結される連結工程と、
   前記連結工程後に第２ラックが前記第２軸に切削加工される切削加工工程と、を含むラックシャフトの製造方法。
5. 請求項４において、前記第１ラックは、マニュアル操舵力伝達用であり、前記第２ラックは、操舵補助力伝達用であるラックシャフトの製造方法。
6. 請求項４または５において、前記連結工程では、前記第１軸の軸方向一端部と前記第２軸の軸方向一端部とが摩擦圧接により連結されるラックシャフトの製造方法。

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