JP2020169676A - ラックバー及びステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向強度及び曲げ強度を向上でき、脆化を抑制できるラックバー及び当該ラックバーを有するステアリング装置を提供する。【解決手段】本発明のラックバー１１は、ピニオン歯と噛み合う複数のラック歯１１１を有するラック歯列１１２を備え、少なくともラック歯列１１２の形成された部位が中実のラックバー１１であって、ラック歯列１１２の周方向全域に連続に形成された硬化層Ｋと、硬化層Ｋの内側に形成され硬化層Ｋより低硬度である中央部Ｓと、を備え、ラックバー１１を軸心Ｃ方向に見たときの硬化層Ｋの深さｋｖ，ｋｓ，ｋｂは、ラック歯１１１の歯底１１１ｖ、歯底１１１ｖに対しラックバー１１における側面１１１ｓ、歯底１１１ｖに対しラックバー１１における背面１１１ｂの順に大きくなる（ｋｖ＜ｋｓ＜ｋｂ）ように形成される。【選択図】図５

Description

本発明は、ラックバー及びステアリング装置に関するものである。

車両に用いられるラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ステアリングホイールの操舵力を転舵輪に伝達するために、ステアリングシャフトの回転運動を転舵輪が連結されるラックバーの軸線方向の直動運動に変換する装置として用いられる。ラックアンドピニオン機構においては、ピニオンシャフトは、ボールベアリングやニードルベアリング等で支持される。ラックバーは、ラックバーに形成されるラック歯とピニオンシャフトに形成されるピニオン歯との噛み合い部やラックブッシュで支持される。ラック歯とピニオン歯との噛み合いには様々な諸元が存在し、車両の要求仕様（比ストロークやラックストローク等）に合わせて歯諸元を変更して対応している。

ラックアンドピニオン式ステアリング装置では、ステアリングホイールから伝わる正入力トルク又はタイヤから伝わる逆入力荷重によって、ラック歯とピニオン歯との噛み合い部に負荷を受ける。タイヤから伝わる逆入力荷重は、特にラック歯とピニオン歯との噛み合いがラックストロークのエンド部（ラック歯列の端部）に近づくにつれて、タイヤの摩擦力やサスペンションのジオメトリ等の影響で高くなる傾向にある。

また、運転手が車両の車庫入れ等によりステアリングホイールを大きく切ったとき、ラック歯とピニオン歯との噛み合いがラック歯列の端部に達するとラックバーがストッパに当たって止まる、いわゆる端当てが発生する。そして、このときの衝撃荷重はラック歯とピニオン歯との噛み合い部にも加わる。この衝撃荷重は、アシスト機構を有するラックアンドピニオン式ステアリング装置では更に大きくなる。よって、ラックバーのラック歯の必要強度（主に、軸方向強度）を確保することが必要となる。

また、走行中の車両の転舵輪が誤って穴に落ちた場合、ラックバーには大きな衝撃荷重が掛かる。よって、ラックバーの必要強度（主に、曲げ強度）を確保することが必要となる。特許文献１，２には、複数のラック歯を有するラック歯列の周方向全域に連続した硬化層（主に、マルテンサイト組織）を形成したラックバーが記載されている。これにより、ラックバーのラック歯の必要強度（主に、軸方向強度）及びラックバーの必要強度（主に、曲げ強度）を確保することが可能となる。

特開平６−２６４９９２号公報 特開２０１７−５７４４２号公報

しかし、ラックバーに硬化層（主に、マルテンサイト組織）を深く形成すると、硬化層の内側に形成され硬化層より低硬度である靱性を有する中央部が減少するため、ラックバーの脆化のおそれがあることが判明した。

本発明の目的は、軸方向強度及び曲げ強度を向上でき、脆化を抑制できるラックバー及び当該ラックバーを有する軽量なステアリング装置を提供することにある。

本発明のラックバーは、ピニオン歯と噛み合う複数のラック歯を有するラック歯列を備え、少なくとも前記ラック歯列の形成された部位が中実のラックバーであって、前記ラック歯列の周方向全域に連続に形成された硬化層と、前記硬化層の内側に形成され前記硬化層より低硬度である中央部と、を備え、前記ラックバーを軸心方向に見たときの前記硬化層の深さは、前記ラック歯の歯底、前記歯底に対し前記ラックバーにおける側面、前記歯底に対し前記ラックバーにおける背面の順に大きくなるように形成される。

本発明のステアリング装置は、ハウジングと、前記ハウジングに軸線方向に移動可能に支持され、車両の車輪に連接される前記ラックバーと、前記ハウジングに軸回りに回転可能に支持されて前記ラックバーの前記ラック歯列と噛み合わされ、前記車両のステアリングに連接されるピニオンシャフトと、を備える。

ラックバーのラック歯列の周方向全域には、連続した硬化層が形成されるので、ラック歯の軸方向強度及びラックバーの曲げ強度を向上できる。さらに、硬化層の深さは、ラック歯の歯底、ラックバーにおける側面、ラックバーにおける背面の順に大きくなるように形成されるので、硬化層の内側に形成される硬化層より低硬度の中央部の減少を抑制でき、ラックバーの脆化を抑制できる。

本発明の一実施形態のステアリング装置の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態のラックバーを軸線に直角な方向から見た図である。 図２Ａのラックバーを軸線方向に見たＩＩＢ−ＩＩＢ断面図である。 従来の基準ラックバーを軸線方向に見た断面図である。 暫定ラックバーを軸線方向に見た断面図である。 ラックバーの違いによる軸方向強度比率を示す図である。 ラックバーの違いによる断面係数比率を示す図である。 本発明の一実施形態のラックバーの硬化層の厚さの分布をラックバーの軸線方向に見た断面図である。 本発明の一実施形態のラックバーの硬化層の形成方法及び硬化層の状態をラックバーの軸線方向に見た断面図である。 従来の基準ラックバーの硬化層の形成方法及び硬化層の状態を基準ラックバーの軸線方向に見た断面図である。 本発明の一実施形態のラックバーの製造方法を説明するためのフローチャートである。

（１．ステアリング装置の概略構成）
本発明の一実施形態のラックバーを備えるステアリング装置の概略構成について説明する。ステアリング装置としては、電動モータがコラムシャフトに動力を付与するコラムアシストタイプのアシスト機構を備え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や、電動モータがピニオンシャフトに動力を付与するピニオンアシストタイプのアシスト機構を備え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適用できる。

さらに、ステアリング装置としては、電動モータがラックバーに動力を付与するラックアシストタイプのアシスト機構を備え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や、アシスト機構を備えないラックアンドピニオン式ステアリング装置等を適用できる。ステアリング装置は、少なくとも、操舵機構と、転舵機構と、アシスト機構とを備える。

ここでは、ステアリング装置は、コラムアシストタイプのアシスト機構を備え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例にあげる。従って、図１に示すように、このステアリング装置１は、操舵機構２及び転舵機構３を備え、運転者のステアリングホイール４（操舵部材）の操作に基づき、転舵輪５を転舵させる。操舵機構２には、運転者のステアリング操作を補助するアシスト機構６が備えられる。

操舵機構２は、入力シャフト７ａ、出力シャフト７ｂ、インターミディエイトシャフト８及びラックアンドピニオン機構ＲＰ１を構成するピニオンシャフト９を有する。入力シャフト７ａは、ステアリングホイール４に連結される。出力シャフト７ｂは、トーションバー７ｃを介して入力シャフト７ａに連結される。インターミディエイトシャフト８は、第２自在継手８ｄを介してピニオンシャフト９に連結される。

インターミディエイトシャフト８は、インターミディエイトシャフト８の軸線方向に伸縮可能であり、例えばスプライン嵌合によって相対移動可能、且つ一体回転可能に嵌合された第１軸８ａ及び第２軸８ｂを備える。第１軸８ａには、第１自在継手８ｃが連結され、第２軸８ｂには、第２自在継手８ｄが連結される。ピニオンシャフト９には、ピニオン歯９ａが形成される。

転舵機構３は、ラックアンドピニオン機構ＲＰ１を構成するラックバー１１及びタイロッド１２を有する。ラックバー１１には、ピニオン歯９ａに噛み合うラック歯１１１（図２Ａ参照）が形成される。タイロッド１２は、一端がラックバー１１に連結され、他端が転舵輪５に連結される。運転者の操作に応じてステアリングホイール４が回転すると、入力シャフト７ａ、出力シャフト７ｂ及びインターミディエイトシャフト８を介してピニオンシャフト９が回転する。

ピニオンシャフト９の回転は、ラックバー１１の軸線方向の往復運動に変換される。そして、ラックバー１１の軸線方向の往復運動が、タイロッド１２を介して転舵輪５に伝達される。これにより、転舵輪５の転舵角が変化し、車両の進行方向が変更される。

アシスト機構６は、トルクセンサ１３、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)１４、電動モータ１５及びウォーム減速機１６を有する。トルクセンサ１３は、入力シャフト７ａと出力シャフト７ｂとの間の捩れ量を検出する。ＥＣＵ１４は、トルクセンサ１３により検出された捩れ量から得られる操舵トルク及び車速センサ１０により検出された車速に基づいて、アシストトルクを決定する。

電動モータ１５は、ＥＣＵ１４により駆動制御される。ウォーム減速機１６は、電動モータ１５の回転力を出力シャフト７ｂに伝達する。その結果、アシストトルクが出力シャフト７ｂに付与されて、運転者のステアリング操作が補助される。

（２．ラックバーの形状等）
本実施形態のラックバー１１は、ギヤ比が一定であるコンスタントギアレシオのラックバーや、ラック歯の諸元をラックバーの軸線方向位置によって異ならせるバリアブルギヤレシオのラックバーに適用可能である。ここでは、コンスタントギアレシオのラックバーを例にあげる。

図２Ａに示すように、本実施形態のラックバー１１の外周面には、複数のラック歯１１１を有するラック歯列１１２が形成され、ラックバー１１の端面には、タイロッド１２に連結されるメネジ１１３が形成される。ラック歯列１１２は、事前に熱処理（焼き入れ・焼き戻し）が施された鋼材でなる中実の軸部材１１Ｒを、金型でプレス加工して塑性変形させることにより、または切削加工することにより形成される。なお、ラック歯列１１２の形成された部位を除いて中空とすることも可能である。

ここで、近年の車両では、環境性能を考慮して車両燃費の向上を目的としたダウンサイジングが要望されており、ラックアンドピニオン式ステアリング装置の軽量化が必須である。この軽量化には、ラックバーのラック径の小径化が有効である。そこで、図２Ｂに示すように、本実施形態のラックバー１１のラック径Ｒは、車両の要求仕様（比ストロークやラックストローク等）に対応するように設定されている図２Ｃに示す基準ラックバー２１のラック径Ｒａよりも小径化されている。これにより、ラックアンドピニオン式ステアリング装置の軽量化が可能となる。

しかし、解決課題でも述べたように、一般的に、ラックバーのラック径の小径化に伴うラック歯の歯丈や歯幅の狭小化により、ラック歯の必要強度（主に、軸方向強度）を確保することが困難となる。具体的には、図２Ｃに示すように、従来の基準ラックバー２１の基準ラック歯２１１は、車両の要求仕様（比ストロークやラックストローク等）に合わせた歯諸元に基づいて歯幅Ｗａ及び歯丈Ｈａが設定される。一方、図２Ｄに示す暫定ラックバー３１は、基準ラックバー２１を小径化したもの（本実施形態のラックバー１１のラック径Ｒと同一）である。

そして、暫定ラックバー３１の暫定ラック歯３１１は、暫定ラックバー３１の軸心Ｃｂと暫定ラック歯３１１の歯底３１１ｖとの距離ｄと、基準ラックバー２１の軸心Ｃａと基準ラック歯２１１の歯底２１１ｖとの距離ｄを同一にして形成されている。したがって、暫定ラックバー３１の暫定ラック歯３１１の歯幅Ｗｂ及び歯丈Ｈｂは、基準ラックバー２１の基準ラック歯２１１の歯幅Ｗａ及び歯丈Ｈａよりも小さくなる。よって、暫定ラック歯３１１の軸方向強度は、基準ラック歯２１１の軸方向強度より低下することになる。

暫定ラックバー３１の歯幅及び歯丈を基準ラックバー２１の歯幅及び歯丈と同一にして形成した場合には、暫定ラックバー３１の軸心Ｃｂと暫定ラック歯３１１の歯底３１１ｖとの距離が、基準ラックバー２１の軸心Ｃａと基準ラック歯２１１の歯底２１１ｖとの距離よりも小さな値となり、やはり暫定ラック歯３１１の軸方向強度の低下を招く。

そこで、図２Ｂに示すように、本実施形態のラックバー１１は、径方向に深歯切りし、ラック歯１１１の歯底１１１ｖの位置を暫定ラック歯３１１の歯底３１１ｖの位置よりもラックバー１１の軸心Ｃ方向へ変位させている。これにより、ラックバー１１のラック径Ｒを基準ラックバー２１のラック径Ｒａよりも小径にしても、ラック歯１１１の歯幅Ｗ及び歯丈Ｈは、暫定ラックバー３１の歯幅Ｗｂ及び歯丈Ｈｂよりも大きくできる。よって、ラック歯１１１の軸方向強度は、基準ラック歯２１１の軸方向強度と同等にすることが可能となる。

図３は、従来の基準ラックバー２１と暫定ラックバー３１と本実施形態のラックバー１１の各軸方向強度比率を比較したグラフである。従来の基準ラックバー２１の軸方向強度を１００％とした場合、暫定ラックバー３１、本実施形態のラックバー１１とも、−１５％程度の範囲の軸方向強度を示している。つまり、本実施形態のラックバー１１のラック歯１１１の軸方向強度を、基準ラックバー２１の基準ラック歯２１１の軸方向強度の許容範囲内に設定可能となる。よって、小径化したラック径を有するラックバー１１のラック歯１１１の必要強度（主に、軸方向強度）を確保することが可能となる。

また、さらに解決課題でも述べたように、一般的に、ラックバーのラック径の小径化により、ラックバーの必要強度（主に、曲げ強度）を確保することが困難となる。図４は、従来の基準ラックバー２１と暫定ラックバー３１と本実施形態のラックバー１１の各断面係数を比較したグラフである。従来の基準ラックバー２１の断面係数を１００％とした場合、暫定ラックバー３１、本実施形態のラックバー１１とも、−３０％程度の範囲の断面係数を示している。

対策として、ラックバーの周方向全域に連続した硬化層を形成することが有効である。図５に示すように、本実施形態のラックバー１１は、ラック歯１１１（ラック歯列１１２）の周方向全域に連続に形成された主にマルテンサイト組織で形成される硬化層Ｋ（図示クロス線部分）と、硬化層の内側に形成され硬化層より低硬度で靱性のある中央部Ｓ（図示斜線部分）とを備える。この理由としては、ラック歯１１１の歯先１１１ｆから歯底１１１ｖまでの部分の硬化層Ｋは、ピニオン歯９ａと噛み合う範囲で歯面摩耗（疲労強度）及び歯部破損（破壊強度）を抑制できるからである。

また、ラック歯１１１の歯底１１１ｖ側の硬化層Ｋは、ラックバー１１の曲げによる破損の起点となることを抑制できるからである。また、ラック歯１１１の歯底１１１ｖに対しラックバー１１における背面１１１ｂ側の硬化層Ｋは、歯底１１１ｖの次に曲げによる破損が発生する箇所だからである。また、ラック歯１１１の歯底１１１ｖに対しラックバー１１における側面１１１ｓ側の硬化層Ｋは、曲げに対する補強のために必要だからである。

ここで、図６Ｂに示すように、従来の基準ラックバー２１における硬化層Ｋａ（図示クロス線部分）は、発熱体４０を用いたコンダクション（抵抗加熱）で加熱して形成するが、１回の加熱でラック歯２１１（ラック歯列２１２）側のみ形成される。よって、ラックバー２１のラック歯２１１（ラック歯列２１２）の周方向全域を加熱する場合、コンダクション（抵抗加熱）では少なくともラック歯２１１（ラック歯列２１２）側及びラック歯２１１（ラック歯列２１２）に対し背面側２１１ｂの２回の加熱が必要となる。

そこで、図６Ａに示すように、本実施形態のラックバー１１の硬化層Ｋ（図示クロス線部分）は、加熱コイル５０を用いたインダクション（高周波誘導加熱）にて適宜の温度で焼き入れして焼き戻しすることで形成する。ラックバー１１のラック歯１１１（ラック歯列１１２）の周方向全域を加熱する場合、インダクション（誘導加熱）では１回の加熱でよく、コストの上昇を抑制できるからである。

上述のように、本実施形態のラック歯１１１（ラック歯列１１２）の周方向全域に連続した硬化層Ｋを形成することで、ラックバー１１の必要強度（主に、曲げ強度）を確保することが可能となる。しかし、ラックバー１１に硬化層Ｋを深く形成すると、ラックバー１１の脆化のおそれが高まることが判明した。この理由は、ラックバー１１に硬化層Ｋ（主に、マルテンサイト組織）を深く形成すると、硬化層Ｋよりも内部に形成され硬化層Ｋより低硬度である靱性を有する中央部Ｓが減少するためである。

そこで、図５に示すように、ラックバー１１は、周方向の位置によって硬化層Ｋ（図示クロス線部分）の深さを変更している。これにより、中央部Ｓの減少を抑制でき、ラックバー１１の脆化を抑制できる。具体的には、本実施形態のラックバー１１を軸心Ｃ方向に見たときの硬化層Ｋ（図示クロス線部分）の深さは、ラック歯１１１の歯底１１１ｖ、歯底１１１ｖに対しラックバー１１における側面１１１ｓ、歯底１１１ｖに対しラックバー１１における背面１１１ｂの順に大きくなるように形成される。

なお、本実施形態におけるラック歯１１１の歯底１１１ｖ及びラックバー１１の背面１１１ｂの各硬化層Ｋの深さｋｖ，ｋｂとは、ラック歯１１１の歯底１１１ｖと直角でラックバー１１の軸心Ｃを通る直線上の深さである。また、ラックバー１１の側面１１１ｓの硬化層Ｋの深さｋｓとは、上記直線と直角でラックバー１１の軸心Ｃを通る直線上の深さである。

上述のように、ラックバー１１の周方向の位置によって硬化層Ｋの深さを変更している理由は、以下の通りである。ラック歯１１１の歯底１１１ｖにおいては、ラックバー１１の曲げによる破損の起点となることから、硬化層Ｋを深く形成したいが、以下の問題がある。すなわち、ラックバー１１の硬化層Ｋは、加熱コイル５０を用いて形成される。このため、加熱コイル５０をラック歯１１１側にオフセットして配置することで、ラック歯１１１の歯底１１１ｖの硬化層Ｋを深く形成できる。

しかし、ラック歯１１１の歯先１１１ｆが加熱コイル５０に近過ぎると、ラック歯１１１の歯先１１１ｆが溶融したり、ラック歯１１１にひずみが発生する。そこで、これらの不具合が発生しないように、加熱コイル５０とラック歯１１１の歯先１１１ｆとの間に適切なクリアランスをとる必要がある。よって、ラック歯１１１の歯底１１１ｖの硬化層Ｋの深さｋｖは、形成深さに限界があり、ラックバー１１の曲げ強度が不足することになる。

そこで、ラック歯１１１の歯底１１１ｖの次に曲げによる破損が発生し易いラックバー１１の背面１１１ｂの硬化層Ｋの深さｋｂを最も深く形成することで、ラックバー１１の曲げ強度を増加できる。そして、曲げに対する補強の機能を有するラックバー１１の側面１１１ｓの硬化層Ｋの深さｋｓを背面１１１ｂの次に深くなるように形成することで、ラックバー１１の曲げ強度を増加できる。

ただし、中央部Ｓの減少を抑制する必要もあるため、この点も勘案して背面１１１ｂ及び側面１１１ｓの硬化層Ｋの深さｋｂ，ｋｓを決定する。つまり、ラックバー１１の曲げ強度及びラックバー１１の中央部Ｓの径方向断面積の兼ね合いから、ラック歯１１１の歯底１１１ｖ、ラックバー１１の側面１１１ｓ、ラックバー１１の背面１１１ｂの順に硬化層Ｋの深さｋｖ，ｋｓ，ｋｂが大きくなる（ｋｖ＜ｋｓ＜ｋｂ）ように硬化層Ｋを形成する。

（３．ラックバーの製造方法）
次に、ラックバー１１の製造方法について説明する。切削装置に鋼材でなる中実の軸部材１１１Ｒをセットし、軸部材１１Ｒの一端面にタイロッド１２に連結するためのメネジ１１３を切削加工する（図７のステップＳ１）。そして、プレス装置に切削加工が完了した軸部材１１Ｒをセットし、軸部材１１Ｒの外周面にラック歯列１１２をプレス加工する（図７のステップＳ２）。

そして、高周波誘導加熱炉にプレス加工が完了した軸部材１１Ｒをセットし、加熱する。その後、加熱した軸部材１１Ｒを急冷して焼き入れを行う（図７のステップＳ３）。そして、高周波誘導加熱炉に焼き入れが完了した軸部材１１Ｒをセットし、加熱して所定時間保持して焼き戻しを行う（図７のステップＳ４）。これにより形成される硬化層Ｋの深さは、ラック歯１１１の歯底１１１ｖ、ラックバー１１の側面１１１ｓ、ラックバー１１の背面１１１ｂの順に大きくなる。

そして、プレス装置に焼き入れ・焼き戻しが完了した軸部材１１Ｒをセットし、軸部材１１Ｒをプレスして軸部材１１Ｒの残留ひずみを除去する（図７のステップＳ５）。そして、研磨盤に残留ひずみを除去した軸部材１１Ｒをセットし、ラック歯列１１２等を研磨加工する（図７のステップＳ６）。以上により、ラックバー１１が完成する。

１：ステアリング装置、 １１：ラックバー、 １１Ｒ：軸部材、 １１１：ラック歯、 １１２：ラック歯列、 １１１ｖ：ラック歯の歯底、 １１１ｂ：ラックバーの背面、 １１１ｓ：ラック歯の側面、 Ｋ：硬化層、 Ｓ：中央部

Claims (4)

1. ピニオン歯と噛み合う複数のラック歯を有するラック歯列を備え、少なくとも前記ラック歯列の形成された部位が中実のラックバーであって、
   前記ラック歯列の周方向全域に連続に形成された硬化層と、
   前記硬化層の内側に形成され前記硬化層より低硬度である中央部と、
   を備え、
   前記ラックバーを軸心方向に見たときの前記硬化層の深さは、前記ラック歯の歯底、前記歯底に対し前記ラックバーにおける側面、前記歯底に対し前記ラックバーにおける背面の順に大きくなるように形成される、ラックバー。
2. 前記硬化層は、前記ラック歯列の周方向全域を誘導加熱することで形成される、請求項１に記載のラックバー。
3. 前記ラックバーは、車両のステアリング装置に用いられ、
   前記ラックバーのラック径は、前記車両の要求仕様に対応する基準ラックバーの基準ラック径よりも小さく、且つ、前記ラックバーの軸心に対する前記ラック歯の歯底の位置は、前記基準ラックバーの軸心に対する基準ラック歯の歯底の位置よりも前記ラックバーの軸心方向へ変位しているように形成される、請求項１又は２に記載のラックバー。
4. ハウジングと、
   前記ハウジングに軸線方向に移動可能に支持され、車両の車輪に連接される請求項１−３の何れか一項に記載のラックバーと、
   前記ハウジングに軸回りに回転可能に支持されて前記ラックバーの前記ラック歯列と噛み合わされ、前記車両のステアリングに連接されるピニオンシャフトと、
   を備える、ステアリング装置。

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