JP2017060964A - 中空ラックバー及び中空ラックバーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ネジ孔が設けられる中空ラックバーの両端部の強度を高める。【解決手段】管状の軸材１０からなり、軸材１０の軸方向の一部に複数のラック歯１２を有する歯部１１が設けられ、且つ軸材１０の軸方向の両側の端部１３にネジ孔１４がそれぞれ設けられた中空ラックバー２は、歯部１１が設けられた軸材１０の端部１３を軸方向に圧縮し、端部１３における軸方向の少なくとも一部で軸方向に垂直な断面積を拡大させ、断面積が拡大された端部１３の内周にネジ孔１４を形成して製造される。【選択図】図３

Description

本発明は、車両のラックアンドピニオン式ステアリング装置等に用いられる中空ラックバー及びその製造方法に関する。

ラックアンドピニオン式ステアリング装置等に用いられるラックバーとして、例えば棒状の軸材の軸方向の一部に鍛造加工によって複数のラック歯が形成された中実ラックバーが知られている。また、管状の軸材を用いることによって軽量化を図った、いわゆる中空ラックバーも知られている（例えば、特許文献１参照）。中空ラックバーでは、歯型が軸材に押し付けられた状態で軸材の内部に芯金が挿通され、軸材の管壁が芯金によってしごかれて歯型に食い込み、これによりラック歯が形成される。

ステアリング装置において、これらのラックバーの両端部は車輪を支持するナックルにタイロッドを介してそれぞれ連結される。そして、ラックバーの端部とタイロッドとはボールジョイントを介して接続される。典型的には、ラックバーの端部にネジ孔が設けられ、ラックバーの端部にボールを受けるソケットが締結固定される。

特開２００８−２４０１２０号公報

中実ラックバーでは、ソケットが締結固定される端部に下孔が穿設されてネジ孔が形成され、ネジ孔のサイズや端部におけるネジ孔外周の残肉厚を比較的自由に設定可能であるが、中空ラックバーでは、ネジ孔のサイズや端部におけるネジ孔外周の残肉厚は、素材である軸材の管形状によって制約される。

また、中実ラックバーの軸材には、例えばＪＩＳ Ｓ４５Ｃなどの調質材であってビッカース硬さ２４０〜２８０ＨＶ程度の鋼材が用いられており、典型的には温間（一般的には６００℃〜９００℃）又は熱間（一般的には９００℃超）での鍛造加工によりラック歯が形成される。これに対して、中空ラックバーは、典型的には材料の再結晶温度未満の冷間でのしごき加工によりラック歯が形成され、冷間でラック歯が形成される中空ラックバーの軸材には、中実ラックバーの軸材に比べて硬度が相対的に小さい材料が用いられている。

そのため、中空ラックバーでは、ネジ孔が設けられた端部の強度や締結力が不足する虞があり、特許文献１に記載された中空ラックバーの製造方法では、端部に対して焼入れ及び焼き戻しの熱処理を施し、端部の強度や締結力が高めている。

本発明は、特許文献１とは異なる方法により、ネジ孔が設けられる中空ラックバーの両端部の強度を高めることを目的としている。

本発明の一態様の中空ラックバーの製造方法は、管状の軸材からなり、前記軸材の軸方向の一部に複数のラック歯を有する歯部が設けられ、且つ前記軸材の軸方向の両端部にネジ孔がそれぞれ設けられた中空ラックバーの製造方法であって、前記歯部が設けられた前記軸材の端部を軸方向に圧縮し、該端部における軸方向の少なくとも一部で軸方向に垂直な断面積を拡大させる塑性加工ステップと、断面積が拡大された前記端部の内周に前記ネジ孔を形成するネジ加工ステップと、を備える。

また、本発明の一態様の中空ラックバーは、管状の軸材からなり、前記軸材の軸方向の一部に複数のラック歯を有する歯部が設けられ、且つ前記軸材の軸方向の両端部にネジ孔がそれぞれ設けられた中空ラックバーであって、前記軸材の端部における軸方向の少なくとも一部の軸方向に垂直な断面積は、前記軸材の前記歯部及び前記端部を除く軸部の断面積よりも大きい中空ラックバー。

本発明によれば、ネジ孔が設けられる中空ラックバーの両端部の強度を高めることができる。

本発明の実施形態を説明するための、中空ラックバーが組み込まれたステアリング装置の断面図である。 図１に示す中空ラックバーの縦断面図である。 図１に示す中空ラックバーの軸材の端部形状の一例を示す縦断面図である。 図３に示す中空ラックバーの製造方法の一例を示す模式図である。 図１に示す中空ラックバーの軸材の端部形状の他の例を示す縦断面図である。 図５に示す中空ラックバーの製造方法の一例を示す模式図である。 実験例の軸材の曲げ試験機の構成を示す模式図である。 実験例の軸材の曲げ試験結果を示すグラフである。 実験例の軸材の曲げ試験結果を示すグラフである。

図１は、本発明の実施形態を説明するための、中空ラックバーが組み込まれたステアリング装置の一例を示し、図２は、図１の中空ラックバーを示す。

図１に示す車両のステアリング装置は、操舵軸に連結されたピニオンギア１と、ピニオンギア１に噛み合う中空ラックバー２とを備える。

中空ラックバー２は管状の軸材１０からなり、軸材１０には、例えばＪＩＳ ＳＭｎ４３３等のビッカース硬さ１２０〜１８０ＨＶ程度の鋼材が用いられる。

軸材１０の軸方向の中間部分には、ピニオンギア１に噛み合う複数のラック歯１２を有する歯部１１が設けられている。軸材１０の軸方向の両側の端部１３は、ボールジョイント３を介してタイロッド４にそれぞれ連結されており、端部１３の内周にネジ孔１４が設けられ、端部１３にはボールジョイント３のボール３ａを受けるソケット３ｂが締結固定されている。

ピニオンギア１及び中空ラックバー２はケーシング５に収容され、ボールジョイント３を介した中空ラックバー２とタイロッド４との連結部は、ケーシング５とタイロッド４とに跨る蛇腹状のブーツ６によって覆われている。

図３は、中空ラックバー２の軸材１０の端部形状の一例を示す。

軸材１０の端部１３は軸方向に圧縮されて塑性変形され、ソケット３ｂの座面となる端部１３の端面が外径側に拡げられている。すなわち、端部１３の先端部分の軸方向に垂直な断面積は、軸材１０の歯部１１及び端部１３を除く軸部１５（図２参照）の断面積よりも大きくなっている。

図４は、図３に示した端部形状を有する中空ラックバー２の製造方法の一例を示す。

歯部１１が設けられた軸材１０を用意する。歯部１１のラック歯１２は、例えば以下のようにして形成することができる。

軸材１０の軸方向の一部で歯部１１とされる部位に、プレス加工等によって平坦状の歯形成面を予備成形し、歯形成面に押し付けられる歯型を含み、軸材１０の歯部とされる部位を全周にわたって取り囲む成形型に軸材１０を設置する。軸材１０に芯金を挿通して軸材１０の管壁を繰り返ししごき、軸材１０の管壁を歯型に徐々に食い込ませるようにしてラック歯１２を形成する。

しごき加工によるラック歯１２の形成は、例えば成形精度に優れる冷間にて行われるが、一回の加工あたりの管壁の変形量を大きくできる温間又は熱間にて行うこともできる。しごき加工の初期は温間又は熱間にて行い、しごき加工の終期は冷間にて行うようにしてもよい。

そして、図４（ａ）に示すように、少なくとも端部１３を露出させて軸材１０を保持する。好ましくは、図示の例のように、ラック歯１２とは非接触にて軸材１０の歯部１１を型２０によって保持する。これにより、後工程で端部１３を軸方向に圧縮する際に、歯部１１に作用する負荷を軽減し、歯部１１のラック歯１２の変形を防止ないし抑制することができる。また、ラック歯１２の変形を抑制する観点では、端部１３を軸方向に圧縮するより前に、歯部１１のラック歯１２に焼入れを施してラック歯１２の硬度を高めておいてもよい。

次に、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、端部１３の先端部分を除いて端部１３の外周を環状のクランプ２１で拘束した状態で、先端部がテーパ状に形成された圧縮治具２２を端部１３に挿入して端部１３を軸方向に圧縮する。これにより、圧縮治具２２のテーパ状の先端部と接触する端部１３の先端部分が塑性変形し、端部１３の端面が外径側に拡げられる。

その後、例えば旋削加工によって端部１３の内周にネジ孔１４を形成し、図３に示す中空ラックバー２を得る。

本例の中空ラックバー２によれば、ソケット３ｂの座面となる端部１３の端面が外径側に拡げられており、ソケット３ｂの締付けによって座面に生じる応力が緩和されることから、ソケット３ｂの締付けに対する端部１３の強度を高めることができる。さらに、端面が外径側に拡げられる際の端部１３の塑性変形に伴って端部１３には加工硬化が生じ、端部１３の強度を一層高めることができる。これにより、座面の陥没等に起因するソケット３ｂの緩みを抑制することができる。

図５は、中空ラックバー２の軸材１０の端部形状の他の例を示す。

図５に示す例では、軸材１０の端部１３は軸方向に圧縮されて塑性変形され、端部１３の管壁の厚みが軸材１０の歯部１１及び端部１３を除く軸部１５（図２参照）の管壁の厚みよりも大きくなっている。すなわち、端部１３の軸方向に垂直な断面積は軸部１５の断面積よりも大きくなっている。

図６は、図５に示した端部形状を有する中空ラックバー２の製造方法の一例を示す。

まず、図６（ａ）に示すように、歯部１１が設けられた軸材１０を型２０で保持する。そして、型２０から露出した軸材１０の端部１３の近傍に誘導加熱コイル２３を配置し、端部１３を誘導加熱して端部１３を塑性変形し易くする。なお、ガス加熱等の燃焼加熱方式によって端部１３を加熱してもよい。

次に、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、加熱されて高温状態にある端部１３の端面に圧縮治具２４の平坦な端面を当接させ、端部１３を軸方向に圧縮する。これにより、端部１３が塑性変形して管壁が厚肉化される。なお、図示の例では、外周を拘束せずに端部１３を圧縮しており、端部１３の管壁は外径側及び内径側に向けて厚肉化されているが、外周を拘束して内径側に向けて厚肉化するようにしてもよい。

その後、例えば旋削加工によって端部１３の内周にネジ孔１４を形成し、図５に示す中空ラックバー２を得る。

本例の中空ラックバー２によれば、端部１３の管壁が厚肉化されており、端部１３の強度を高めることができる。さらに、管壁が厚肉化される際の端部１３の塑性変形に伴って端部１３には加工硬化が生じ、端部１３の強度を一層高めることができる。これにより、端部１３に作用する応力によって端部１３が降伏ないし破断することを抑制し、ソケット３ｂの緩みを抑制することができる。

以下、実験例ついて説明する。

実験例では、管状の軸材の端部にソケット３ｂ相当の治具を締結固定し、軸材の軸方向と直交する方向に治具を押圧して、軸材の曲げ試験を行った。

実験例１では、軸材の管形状をそのままに、軸材の端部の内周にＭ３０のネジ孔を穿設して軸材の端部に治具を締結固定した。実験例２では、実験例１と同一の軸材を用い、図５及び図６に示した中空ラックバー２と同様に、軸材の端部を圧縮して端部の管壁を内径側に向けて厚肉化させ、端部の内周にＭ２８のネジ孔を穿設して軸材の端部に治具を締結固定した。

曲げ試験機の構成は図７に示す通りであり、治具から３６８ｍｍ離れた軸材の部分を固定し、且つ治具から２１８ｍｍ離れた軸材の部分を下側から支持した状態で、治具を押圧して治具を３ｍｍ／ｓの速度で下方に変位させた。

図８は実験例１の曲げ試験結果を示し、実験例１では、ストローク量５０ｍｍ（荷重４６ｋＮ）前後で軸材の端部が破断し、治具が軸材の端部から脱落した。図９は実験例２の曲げ試験結果を示し、実験例２では、ストローク量が６０ｍｍを超えても軸材の端部は破断せず、軸材の曲げが進行した。

以上の実験結果から、中空ラックバー２において、ソケット３ｂが締結固定される軸材１０の端部１３を軸方向に圧縮し、端部１３の軸方向に垂直な断面積を拡大させることにより、端部１３の強度を高められることがわかる。

１ ピニオンギア
２ 中空ラックバー
３ ボールジョイント
３ａ ボール
３ｂ ソケット
４ タイロッド
５ ケーシング
６ ブーツ
１０ 軸材
１１ 歯部
１２ ラック歯
１３ 端部
１４ ネジ孔
１５ 軸部

Claims (6)

1. 管状の軸材からなり、前記軸材の軸方向の一部に複数のラック歯を有する歯部が設けられ、且つ前記軸材の軸方向の両端部にネジ孔がそれぞれ設けられた中空ラックバーの製造方法であって、
   前記歯部が設けられた前記軸材の端部を軸方向に圧縮し、該端部における軸方向の少なくとも一部で軸方向に垂直な断面積を拡大させる塑性加工ステップと、
   断面積が拡大された前記端部の内周に前記ネジ孔を形成するネジ加工ステップと、
   を備える中空ラックバーの製造方法。
2. 請求項１記載の中空ラックバーの製造方法であって、
   前記塑性加工ステップは、前記端部の端面を外径側に拡げる中空ラックバーの製造方法。
3. 請求項１記載の中空ラックバーの製造方法であって、
   前記塑性加工ステップは、前記端部の管壁の厚みを大きくする中空ラックバーの製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項記載の中空ラックバーの製造方法であって、
   前記歯部を型で保持した状態で前記塑性加工ステップを行う中空ラックバーの製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項記載の中空ラックバーの製造方法であって、
   硬度を高める熱処理を前記ラック歯に施した後に前記塑性加工ステップを行う中空ラックバーの製造方法。
6. 管状の軸材からなり、前記軸材の軸方向の一部に複数のラック歯を有する歯部が設けられ、且つ前記軸材の軸方向の両端部にネジ孔がそれぞれ設けられた中空ラックバーであって、
   前記軸材の端部における軸方向の少なくとも一部の軸方向に垂直な断面積は、前記軸材の前記歯部及び前記端部を除く軸部の断面積よりも大きい中空ラックバー。
   

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