JP2019076905A - ラックバーブランク材、ラックバー、ラックバーブランク材の製造方法及びラックバーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ラックバーの加工精度を高め、且つ製造工程を簡潔にする。【解決手段】ラックバーブランク材１０は、中空の軸材の軸方向一端側に、ピニオンと噛み合うラック部１１と、ラック部１１よりも軸材の端側に設けられている端部１２とを有し、端部１２は、ラック部１１の軸方向に垂直な断面を包含する最小円よりも大径であり、且つ軸材の軸方向他方側の軸部１３と同径である。このラックバーブランク材１０を用いて製造されるラックバー２０は、軸部１３に、軸方向の直動要素としてのボールねじのねじ溝２１が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、ラックバーブランク材、ラックバー、ラックバーブランク材の製造方法及びラックバー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、中実の軸材が用いられ、複数のラック歯が切削加工等によって形成されたラックバーが知られているが、中空の軸材が用いられることによって軽量化が図られた、いわゆる中空ラックバーも知られている。

中空ラックバーは、概略、以下のようにして製造される。まず、中空の軸材の軸方向一端側が、絞り加工等によって軸方向他端側よりも小径に形成され、小径部の一部に平坦状の平潰し部が設けられる。そして、歯型が平潰し部の外面に当接した状態で固定され、平潰し部の内部に芯金が圧入される。芯金が次第に大きなものとされて、芯金の圧入が繰り返されることにより、歯型の形状が転写されてなる複数のラック歯が平潰し部の外面に形成される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−３０２７１号公報

特許文献１に記載されたラックバーの製造方法では、複数のラック歯が平潰し部の外面に形成された後、各部が研削加工によって仕上げられ、軸材の軸方向他端側の大径部の外面にボールねじのねじ溝が形成される。ねじ溝は、例えば切削加工によって形成されるが、その際、軸材の軸方向両側の端部が回転可能に支持されて軸材が回転される。したがって、回転可能に支持される軸材の両端部の同軸度及び全体の真直度がねじ溝の加工精度に影響する。このため、特許文献１に記載されたラックバーの製造方法では、ねじ溝の形成に先立って軸材の各部が研削加工によって仕上げられている。

しかし、特許文献１に記載されたラックバーの製造方法では、回転可能に支持される小径部側の端部と大径部側の端部とで外径が異なる。このため、両端部に対して同時に研削加工を施すことは困難であり、基本的に、大径部側の端部を含む大径部に対する研削加工と、小径部側の端部に対する研削加工とは別々に行われ、工程数の削減に課題が残る。また、両端部の同軸度及び全体の真直度を高める点でも改善の余地がある。

本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、ラックバーの加工精度を高め、且つ製造工程を簡潔にすることを目的とする。

本発明の一態様のラックバーブランク材は、中空の軸材の軸方向一端側に、ピニオンと噛み合うラック部と、前記ラック部よりも前記軸材の端側に設けられている端部とを有し、前記端部は、前記ラック部の前記軸方向に垂直な断面を包含する最小円よりも大径であり、且つ前記軸材の軸方向他端側の軸部と同径である。

また、本発明の一態様のラックバーは、前記ラックバーブランク材の前記軸部に、軸方向の直動要素が設けられている。

また、本発明の一態様のラックバーブランク材の製造方法は、中空の軸材の軸方向一端側に、小径部と、前記小径部よりも前記軸材の端側に設けられ、前記小径部よりも大径且つ前記軸材の軸方向他端側の軸部と同径の端部と、を形成する予備成形ステップと、前記小径部に、ピニオンと噛み合うラック部を形成する歯成形ステップと、前記端部と前記軸部とに対して外径研削加工を施し、前記端部に対して外径研削加工を施す際に前記軸部の少なくとも一部と同時に外径研削加工を施す研削ステップと、備える。

また、本発明の一態様のラックバーの製造方法は、前記ラックバーブランク材の前記端部及び前記軸部を回転可能に支持し、前記ラックバーブランク材を回転させながら、前記軸部に軸方向の直動要素を設けるステップを備える。

本発明によれば、ラックバーの加工精度を高め、且つ製造工程を簡潔にすることができる。

本発明の実施形態を説明するための、ラックバーブランク材の一例の平面図である。 図１のラックバーブランク材の断面図である。 図２のIIIＡ-IIIＡ線断面図である。 図２のIIIＢ-IIIＢ線断面図である。 図２のIIIＣ-IIIＣ線断面図である。 図１のラックバーブランク材を用いて製造されるラックバーの一例の正面図である。 図１のラックバーブランク材の製造方法の一例の模式図である。 図１のラックバーブランク材の製造方法の一例の模式図である。 図１のラックバーブランク材の製造方法の一例の模式図である。 図１のラックバーブランク材の製造方法の一例の模式図である。 図１のラックバーブランク材の製造方法の一例の模式図である。 図１のラックバーブランク材の製造方法の一例の模式図である。 図１のラックバーブランク材の製造方法の一例の模式図である。 図１のラックバーブランク材の製造方法の一例の模式図である。 図５Ｈの外径研削の一例の模式図である。 図５Ｈの外径研削の他の例の模式図である。 図４のラックバーの製造方法の一例の模式図である。

図１は、本発明の実施形態を説明するための、ラックバーブランク材の一例を示し、図２及び図３Ａ〜図３Ｃは、図１のラックバーブランク材の断面を示す。

図１に示すラックバーブランク材１０は、例えばラックアンドピニオン式ステアリング装置に組み込まれるラックバーの一次加工材である。ラックバーブランク材１０は、例えば鋼等の金属材料からなる中空の軸材で形成されており、軸方向一端側に、ラック部１１と、ラック部１１よりも軸材の端側に設けられている端部１２とを有し、軸方向他端側には、軸部１３を有している。

ラック部１１は、軸方向に延びる平潰し部１４と、平潰し部１４の外周面に設けられている複数のラック歯１５とを有し、これら複数のラック歯１５によってピニオンと噛み合う。なお、本例では、ラック歯１５のピッチが一定のＣＧＲ（Constant Gear Ratio）となっているが、ピッチが変化するＶＧＲ（Variable Gear Ratio）であってもよい。

軸部１３は、ステアリング装置のハウジングによって軸方向に移動可能に支持される。この軸部１３には、ラック部１１とは別のもう一つの軸方向の直動要素が設けられる場合もある。

ラック部１１と軸部１３との間の中間部１６を除き、ラック部１１及び軸部１３には、少なくとも焼入れを含む熱処理が施されている。

図３Ａ〜図３Ｃに示すように、ラックバーブランク材１０の端部１２の外径Ｄａは、軸方向に垂直な断面においてラック部１１を包含する最小円Ｃの直径Ｄｂよりも大きく（Ｄａ＞Ｄｂ）、軸部１３の外径Ｄｃと同一（Ｄａ＝Ｄｃ）となっている。

図４は、ラックバーブランク材１０を用いて製造されるラックバーの一例を示す。

図４に示すラックバー２０は、軸方向一端側に、ラックバーブランク材１０の段階で形成されたラック部１１を有し、軸方向他端側に、もう一つの軸方向の直動要素としてボールねじのねじ溝２１を有しており、ねじ溝２１は、軸部１３の外周面に形成されている。

図示は省略するが、ラック部１１側の端部１２と、軸部１３側の端部１７とには、ステアリング装置のタイロッドと連結されるボールジョイントを接合するための雌ねじが形成されている。なお、これらの雌ねじは、ラックバーブランク材１０の段階で形成されていてもよい。

図５Ａ〜図５Ｈは、ラックバーブランク材１０の製造方法の一例を示す。

＜予備成形ステップ＞
図５Ａに示すように、ラックバーブランク材１０の製造には、中空の軸材３０が用いられる。軸材３０は、軸方向の全長に亘って同一の外径及び内径を有する円筒状に形成されている。

図５Ｂに示すように、軸材３０の軸方向一端側の一部に、例えば転造加工、スウェージング加工等の絞り加工、切削加工等によって小径部３１が形成され、これにより、小径部３１よりも端側に相対的に大径な端部１２が形成される。端部１２は、軸材３０の素材径を保っており、軸材３０の軸方向他端側の軸部１３と同一の外径を有する。

＜歯成形ステップ＞
次に、図５Ｃに示すように、軸材３０の小径部３１の周方向の一部が、プレス加工で平坦状に押し潰され、軸方向に延びる平潰し部１４が形成される。この後、必要に応じて、軸材３０の表面にリン酸塩皮膜を形成する化成処理が軸材３０に施され、そして、平潰し部１４に複数のラック歯１５が形成される。

複数のラック歯１５は、以下のようにして形成される。図５Ｄに示すように、歯型３２が平潰し部１４の外面に当接した状態で固定され、端部１２側の開口を通し、芯金３３が押棒３４によって平潰し部１４の内部に圧入される。そして、圧入された芯金３３は、押棒３５によって押し戻され、軸材３０から排出される。

芯金３３が平潰し部１４の全長に亘って往復移動される過程で、平潰し部１４の材料が、芯金３３によってしごかれ、歯型３２に向けて塑性流動する。芯金３３が次第に大きなものとされて、芯金３３の圧入が繰り返されることにより、平潰し部１４の材料が歯型３２に次第に食い込み、歯型３２の形状が平潰し部１４に転写され、平潰し部１４に複数のラック歯１５が形成される。

ラック部１１（平潰し部１４及び複数のラック歯１５）を形成する塑性加工に伴い、軸材３０に曲がりが生じる場合があり、上記歯成形ステップ後、適宜、軸材３０の曲りが矯正されてもよい。

＜熱処理ステップ＞
次に、図５Ｅに示すように、ピニオンと噛み合うラック部１１と、ステアリング装置のハウジングに移動可能に支持される軸部１３との硬度を高めるため、ラック部１１と軸部１３とに焼入れが施される。ただし、後述する矯正ステップにて軸材３０の曲りが矯正されることを考慮し、ラック部１１と軸部１３との間の中間部１６は未焼入れとされる。焼入れの際の加熱は、例えば高周波誘導加熱によって行うことができるが、高周波誘導加熱に限定されない。

焼入れされたラック部１１と軸部１３との靱性を回復させるため、焼戻しが施されてもよく、焼戻しは、例えばラック部１１と軸部１３とに対して局所的に施されてもよいし、軸材３０の全体に施されてもよい。また、焼入れ等の熱処理によって軸材３０の表面に生じる酸化膜を除去するため、ショットピーニングが施されてもよく、ショットピーニングは、例えば後工程にて外径研削が施される軸部１３を除いてラック部１１に対してのみ局所的に施されてもよいし、軸材３０の全体に施されてもよい。

＜矯正ステップ＞
次に、焼入れ等の熱処理によって軸材３０に生じた曲りが矯正される。

熱処理ステップではラック部１１と軸部１３との間の中間部１６は未焼入れとされているので、中間部１６は比較的容易に曲げられる。図５Ｆに示すように、例えば中間部１６と軸部１３側の端部１７とが支持された状態で、ラック部１１に荷重が加えられることによって中間部１６が適宜曲げられる。これにより、軸部１３に対するラック部１１の真直度を高められ、軸部１３側の端部１７とラック部１１側の端部１２との同軸度も合せて高められる。

好ましくは、端部１２のラック部１１との接続部１８がさらに曲げられる。接続部１８もまた未焼入れとされているので、中間部１６と同様、比較的容易に曲げられる。図５Ｇに示すように、例えば接続部１８と、中間部１６とが支持された状態で、端部１２に荷重が加えられることによって接続部１８が適宜曲げられる。これにより、軸材３０の真直度及び軸部１３側の端部１７とラック部１１側の端部１２との同軸度を一層高められる。

矯正ステップ後、必要に応じて、複数のラック歯１５の検査、複数のラック歯１５の反対側に位置するラック部１１の歯裏面の研磨、磁気探傷検査等が軸材３０に対して行われ、また、必要に応じて、ラック部１１側の端部１２と軸部１３側の端部１７とに雌ねじが形成される。

＜研削ステップ＞
次に、図５Ｈに示すとおり、曲りが矯正された軸材３０のラック部１１側の端部１２と端部１７を含む軸部１３とに外径研削加工が施される。ここで、上記予備成形ステップ〜矯正ステップをとおして、端部１２は、軸材３０の素材径を保っており、軸部１３と同一の外径を有する。この端部１２に対して外径研削加工が施される際には、軸部１３の少なくとも一部と同時に外径研削加工が施される。

図６及び図７は、外径研削加工の一例を示す。

端部１２と軸部１３とに対する外径研削加工は、例えばセンターレス研削によって行うことができ、センターレス研削にはスルフィード研削（通し送り研削）とインフィード研削（停止研削）との二つの研削方式がある。

図６はスルフィード研削の一例を模式的に示し、軸材３０は、研削砥石４０と、調整車４１と、支持刃４２とによって支持される。調整車４１の中心軸が軸材３０の中心軸と研削砥石４０の中心軸とに対して傾けられた状態で、研削砥石４０と調整車４１とが回転されることにより、支持刃４２上で研削砥石４０と調整車４１とによって挟まれる軸材３０が回転されながら軸方向に送られる。研削砥石４０の全長Ｌ３は軸材３０の全長Ｌ１より小さく、軸材３０が軸方向に送られながら、研削砥石４０と接する軸材３０の外周面が連続的に研削される。このようなスルフィード研削では、研削砥石４０の全長Ｌ３がラック部１１の軸方向長さＬ２よりも大きく、研削砥石４０が、ラック部１１を間に挟む端部１２と中間部１６とに架かる長さを有していることにより、端部１２と軸部１３の一部とが同時に外径研削される。

図７はインフィード研削の一例を模式的に示し、軸材３０は、図６に示したスルフィード研削と同様に、研削砥石５０と、調整車５１と、支持刃５２とによって支持されるが、研削砥石５０の全長Ｌ４が軸材３０の全長Ｌ１以上であり、調整車５１の中心軸が軸材３０の中心軸と研削砥石５０の中心軸とに対して平行に配置され、軸材３０の軸方向の送りが停止される点でスルフィード研削と異なっており、端部１２と軸部１３の全部とが同時に外径研削される。

なお、端部１２と、軸部１３とに対する外径研削加工は、センターレス研削に限定されず、例えば軸材の両端をセンタで支持する円筒研削によって行うこともできる。円筒研削の場合に、スルフィード研削と同様に軸材３０の軸方向の送りを伴うトラバース研削、インフィード研削と同様に軸材３０の軸方向の送りが停止されるプランジ研削、いずれの研削方式であってもよい。

端部１２が、軸材３０の素材径を保っており、軸部１３と同一の外径を有することから、端部１２と軸部１３の少なくとも一部とが同時に外径研削される際に、端部１２と軸部１３とで研削砥石との接触は均一となる。これにより、上記予備成形ステップ〜研削ステップを経て製造されるラックバーブランク材１０の、ラック部１１側の端部１２と軸部１３側の端部１７との同軸度及び全体の真直度を高めることができ、製造工程を簡潔にすることもできる。

特に、本例では、研削ステップ前に、矯正ステップによって軸材３０に生じた曲りが矯正されており、同時に外径研削される端部１２と軸部１３とで研削砥石との接触が一層均一化されるので、両端部１２，１７の同軸度及び全体の真直度をさらに高めることができる。

なお、ラック部１１側の端部１２と軸部１３側の端部１７との同軸度及び全体の真直度を高める観点では、上記スルフィード研削及びインフィード研削のうち、端部１２と軸部１３の全部とが同時に外径研削されるインフィード研削が好ましい。

図８は、ラックバー２０の製造方法の一例を示す。

ラックバー２０は、上記のとおり、軸方向一端側に、ラックバーブランク材１０の段階で形成されたラック部１１を有し、軸方向他端側に、もう一つの軸方向の直動要素としてのボールねじのねじ溝２１を有する。ねじ溝２１は、例えばワーリング加工等によって、ラックバーブランク材１０の軸部１３の外周面に形成される。

ワーリング加工では、複数の切削チップ６０が周方向に間隔をあけて内周部に配置された円環状のバイト６１が用いられる。ラックバーブランク材１０は、円環状のバイト６１に挿通され、ラック部１１側の端部１２と軸部１３側の端部１７とが、チャック６２及びセンタ６３によって回転可能に支持される。バイト６１は、ラックバーブランク材１０に対して偏心し且つ傾いた状態で配置される。バイト６１が回転されることによって、複数の切削チップ６０が軸部１３の外周面を順次切削し、ラックバーブランク材１０が回転され且つバイト６１がラックバーブランク材１０の軸方向に送られることにより、軸部１３の外周面に螺旋状のねじ溝２１が形成される。

ラックバーブランク材１０のラック部１１側の端部１２と軸部１３側の端部１７との同軸度及び全体の真直度が高められていることにより、両端部１２，１７が回転可能に支持されて回転されるラックバーブランク材１０の回転振れが抑制される。これにより、ねじ溝２１の加工精度、つまりはラックバー２０の加工精度を高められる。

なお、軸部１３に設けられる軸方向の直動要素は、ボールねじのねじ溝２１に限定されず、例えばラックであってもよい。ラックが予め形成された中空又は中実の他の軸材をラックバーブランク材１０の軸部１３の端面に接合することにより、ラックを軸部１３に設けることができる。そして、他の軸材とラックバーブランク材１０とは、例えばラックバーブランク材１０を回転させながら他の軸材を軸部１３の端面に押し付ける摩擦圧接によって接合でき、ラックバーブランク材１０の回転振れが抑制されることによって、他の軸材とラックバーブランク材１０との同軸度及び真直度、つまりはラックバーの加工精度を高められる。

以上、説明したとおり、本明細書に開示されたラックバーブランク材は、中空の軸材の軸方向一端側に、ピニオンと噛み合うラック部と、前記ラック部よりも前記軸材の端側に設けられている端部とを有し、前記端部は、前記ラック部の前記軸方向に垂直な断面を包含する最小円よりも大径であり、且つ前記軸材の軸方向他端側の軸部と同径である。

また、本明細書に開示されたラックバーブランク材は、前記ラック部と前記軸部との間の中間部を除き、前記ラック部及び前記軸部は焼入れされている。

また、本明細書に開示されたラックバーは、前記ラックバーブランク材の前記軸部に、軸方向の直動要素が設けられている。

また、本明細書に開示されたラックバーは、前記直動要素が、ボールねじのねじ溝であって、前記軸部の外周面に設けられている。

また、本明細書に開示されたラックバーブランク材の製造方法は、中空の軸材の軸方向一端側に、小径部と、前記小径部よりも前記軸材の端側に設けられ、前記小径部よりも大径且つ前記軸材の軸方向他端側の軸部と同径の端部と、を形成する予備成形ステップと、前記小径部に、ピニオンと噛み合うラック部を形成する歯成形ステップと、前記端部と前記軸部とに対して外径研削加工を施し、前記端部に対して外径研削加工を施す際に前記軸部の少なくとも一部と同時に外径研削加工を施す研削ステップと、を備える。

また、本明細書に開示されたラックバーブランク材の製造方法は、前記歯成形ステップと前記研削ステップとの間に、前記ラック部と前記軸部との間の中間部を除き、前記ラック部及び前記軸部を焼入れする熱処理ステップを備える。

また、本明細書に開示されたラックバーブランク材の製造方法は、前記研削ステップ前に、前記ラックバーブランク材の前記ラック部と前記軸部との間の中間部を曲げて、前記ラック部と前記軸部とを真直に矯正する矯正ステップを備える。

また、本明細書に開示されたラックバーブランク材の製造方法は、前記矯正ステップで、前記端部の前記ラック部との接続部をさらに曲げて、前記端部と前記ラック部と前記軸部とを真直に矯正する。

また、本明細書に開示されたラックバーの製造方法は、前記ラックバーブランク材の前記端部及び前記軸部を回転可能に支持し、前記ラックバーブランク材を回転させながら、前記軸部に軸方向の直動要素を設ける。

また、本明細書に開示されたラックバーの製造方法は、前記直動要素として、ボールねじのねじ溝を前記軸部の外周面に形成する。

１０ ラックバーブランク材
１１ ラック部
１２ ラック部側の端部
１３ 軸部
１４ 平潰し部
１５ ラック歯
１６ 中間部
１７ 軸部側の端部
１８ 接続部
２０ ラックバー
２１ ボールねじのねじ溝（直動要素）
３０ 軸材
３１ 小径部
３２ 歯型
３３ 芯金
３４ 押棒
３５ 押棒
４０ 研削砥石
４１ 調整車
４２ 支持刃
５０ 研削砥石
５１ 調整車
５２ 支持刃
６０ 切削チップ
６１ バイト
６２ チャック
６３ センタ
Ｃ 最小円

Claims (10)

1. 中空の軸材の軸方向一端側に、ピニオンと噛み合うラック部と、前記ラック部よりも前記軸材の端側に設けられている端部とを有し、
   前記端部は、前記ラック部の前記軸方向に垂直な断面を包含する最小円よりも大径であり、且つ前記軸材の軸方向他端側の軸部と同径であるラックバーブランク材。
2. 請求項１記載のラックバーブランク材であって、
   前記ラック部と前記軸部との間の中間部を除き、前記ラック部及び前記軸部は焼入れされているラックバーブランク材。
3. 請求項１又は２記載の前記ラックバーブランク材の前記軸部に、軸方向の直動要素が設けられているラックバー。
4. 請求項３記載のラックバーであって、
   前記直動要素は、ボールねじのねじ溝であって、前記軸部の外周面に設けられているラックバー。
5. 中空の軸材の軸方向一端側に、小径部と、前記小径部よりも前記軸材の端側に設けられ、前記小径部よりも大径且つ前記軸材の軸方向他端側の軸部と同径の端部と、を形成する予備成形ステップと、
   前記小径部に、ピニオンと噛み合うラック部を形成する歯成形ステップと、
   前記端部と前記軸部とに対して外径研削加工を施し、前記端部に対して外径研削加工を施す際に前記軸部の少なくとも一部と同時に外径研削加工を施す研削ステップと、
   を備えるラックバーブランク材の製造方法。
6. 請求項５記載のラックバーブランク材の製造方法であって、
   前記歯成形ステップと前記研削ステップとの間に、前記ラック部と前記軸部との間の中間部を除き、前記ラック部及び前記軸部を焼入れする熱処理ステップを備えるラックバーブランク材の製造方法。
7. 請求項６記載のラックバーブランク材の製造方法であって、
   前記研削ステップ前に、前記ラックバーブランク材の前記ラック部と前記軸部との間の中間部を曲げて、前記ラック部と前記軸部とを真直に矯正する矯正ステップを備えるラックバーブランク材の製造方法。
8. 請求項７記載のラックバーブランク材の製造方法であって、
   前記矯正ステップで、前記端部の前記ラック部との接続部をさらに曲げて、前記端部と前記ラック部と前記軸部とを真直に矯正するラックバーブランク材の製造方法。
9. 請求項１又は２記載の前記ラックバーブランク材の前記端部及び前記軸部を回転可能に支持し、前記ラックバーブランク材を回転させながら、前記軸部に軸方向の直動要素を設けるステップを備えるラックバーの製造方法。
10. 請求項９記載のラックバーの製造方法であって、
    前記直動要素として、ボールねじのねじ溝を前記軸部の外周面に形成するラックバーの製造方法。

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