JP2020192681A - ラックバーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ラック歯が形成される歯部を含めてラックバーの形状精度を高める。【解決手段】ラックバー１は、軸材の長手方向の一部に、複数のラック歯３を有する歯部２が塑性加工によって形成され、歯部２を含む軸材の長手方向の全長に亘り、軸材の外周面に研削加工が施されている。【選択図】図２

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ラックバー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は、例えば棒材の長手方向の一部に複数のラック歯が切削加工によって形成されて製造されるが、ラック歯が鍛造加工によって形成されたラックバーも知られている（例えば、特許文献１参照）。鍛造加工によれば、切削加工に比べて生産性に優れ、ラック歯を可変ピッチとすることも可能である。

また、棒材に替えて管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２参照）。中空ラックバーは、管材の長手方向の一部に平坦状に潰されてなる歯形成面が設けられ、歯型が管材の歯形成面に押し付けられ、その状態で管材の内部に芯金が挿通されて製造される。管材の内部に芯金が挿通されることにより、歯形成面の管壁が芯金によってしごかれて歯型に食い込み、ラック歯が形成される。

さらに、特許文献３に記載されたラックバーは、デュアルピニオン式の電動パワーステアリング装置に用いられるラックバーであって、ラック歯が形成された管材の一端に管材と同軸に棒材が圧接され、圧接された棒材にラック歯が切削加工によって形成されて製造される。

これらのラックバーは、ステアリング装置において、ラック歯が形成された歯部のラック歯側とは反対側の外周面をラックガイドによって摺動可能に支持され、ラックガイドを付勢するスプリングによってピニオンギヤに押し付けられる。

特開平３−１３８０４２号公報 特開２００４−３５１４６８号公報 特開２０１４−１２４７６７号公報

鍛造加工やしごき加工などの塑性加工によってラック歯が形成されたラックバーの歯部には加工歪が残り、真直度や外径寸法などの形状精度が低下することが懸念される。ラックガイドによって摺動可能に支持されるラックバーの歯部の形状精度はステアリング装置の動作に影響を及ぼすことから、歯部の形状精度の向上が望まれる。

また、ステアリング装置の小型化の要請に伴いラックバーも短縮され、歯部に隣設される軸部が短縮される傾向にあるが、特許文献３に記載されたデュアルピニオン式のラックバーのようにラック歯が形成された軸材の一端に他の軸材が接合される場合に、形状精度の劣る歯部を除いて軸部のみによって芯出しを行うことが困難となる。このため、他の軸材との接合精度が低下することが懸念される。

接合精度を向上させるため、ラック歯が形成された軸材に接合される他の軸材をラック歯が形成された軸材に比べて大径とし、接合後、ラック歯が形成された軸材に合わせて切削加工することも考えられるが、切削加工に要する手間や材料の無駄に起因するコストの増加が懸念される。

本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、ラックバーの形状精度を高めることを目的としている。

本発明の一態様のラックバーは、軸材の長手方向の一部に、複数のラック歯を有する歯部が塑性加工によって形成され、前記歯部を含む前記軸材の長手方向の全長に亘り、前記軸材の外周面に研削加工が施されている。

また、本発明の一態様のラックバーの製造方法は、軸材の長手方向の一部に、複数のラック歯を有する歯部を塑性加工によって形成する塑性加工ステップと、前記歯部を含む前記軸材の長手方向の全長に亘り、前記軸材の外周面に研削加工を施す研削加工ステップと、を備える。

本発明によれば、ラック歯が形成される歯部を含めてラックバーの形状精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、ラックバーの一例の断面図である。 図１のラックバーの製造方法の一例を示す模式図である。 図１のラックバーの研削加工の一例を示す模式図である。 図１のラックバーの研削加工における研削代を示す断面図である。 本発明の実施形態を説明するための、ラックバーの他の例の断面図である。 図１のラックバーの応用例の平面図である。 図６のラックバーの製造方法の一例を示す模式図である。 図１のラックバーの他の応用例の平面図である。 図５のラックバーの応用例の平面図である。

図１は、本発明の実施形態を説明するための、ラックバーの一例を示す。

図１に示すラックバー１は、円管状の軸材からなる中空ラックバーであり、複数のラック歯３が設けられた歯部２と、軸材の長手方向に歯部２の両側に隣設された軸部４とを備える。軸部４の各々の端部の内周面には、ステアリング装置においてボールジョイントとの接続に供されるネジ５が形成されている。

図２及び図３は、中空ラックバー１の製造方法の一例を示す。

中空ラックバー１を形成する軸材としては、例えばＳ４５Ｃなどの炭素鋼からなる略均一な肉厚の鋼管が用いられる。まず、この軸材の長手方向の一部で歯部２とされる部位（以下、歯部形成部位という）に平坦状の歯形成面７が予備成形される。歯形成面７は、例えば成形型を用いて軸材の歯部形成部位を潰すプレス加工によって形成される（ＦＩＧ．２Ａ）。

次いで、成形型１０１に軸材を設置する。成形型１０１は、上型１０２及び下型１０３並びに歯型１０４を含み、軸材の歯部形成部位を全周にわたって取り囲むように構成されており、歯型１０４は軸材の歯形成面７に押し付けられている。

そして、成形型１０１に設置された軸材に芯金１０５が挿通される。挿通された芯金１０５によって、歯形成面７を構成する軸材の管壁が内周側から芯金によってしごかれ、歯形成面７に押し付けられている歯型１０４に管壁が食い込む。芯金１０５のサイズを次第に大きくしながら、しごき加工を繰り返すことにより、歯型１０４の形状に対応した複数のラック歯３が形成される。併せて歯形成面７を除く歯部形成部位の外周面もまた下型１０３の形状に倣って断面円弧状に成形される（ＦＩＧ．２Ｂ）。

しごき加工によるラック歯３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（一般的には６００℃〜９００℃）又は熱間（一般的には９００℃超）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。

続いて、軸材の軸部４の各々の端部に、例えば旋削加工によってネジ５が形成される（ＦＩＧ．２Ｃ）。

その後、ステアリング装置においてピニオンギヤと噛み合うラック歯３やラックガイドを摺動する歯部２の耐久性を高めるため、歯部２に対して焼入れやショットピーニングなどの表面処理が適宜施され、歯形成面７を予備成形するプレス加工やラック歯３を形成するしごき加工といった塑性加工や焼入れに伴う軸材の曲りが適宜矯正される。

そして、図３に示すように、歯部２を含む軸材の長手方向の全長に亘り、軸材の外周面に研削加工が施される。図示の例では、研削加工はセンターレス研削によって行われている。軸材は、支持刃１１０によって鉛直下側から支持され、支持刃１１０の片側で支持刃１１０に沿って延在する調整車１１１と、調整車１１１と反対側で支持刃１１０に沿って延在する研削砥石１１２との間に挟み込まれる。そして、軸材は、調整車１１１の回転によって回転されながら長手方向に送られ、外周面が研削される。研削加工により、軸材は、歯部２を含む軸材の長手方向の全長に亘り、所定の外径に成形される。

なお、軸材の外周面の研削は、センターレス研削に限られるものではなく、例えば軸材の両端を支持して中心軸まわりに回転させながら研削砥石を軸材の長手方向に沿って移動させる円筒研削によって行うこともできる。

歯部２を含む軸材の長手方向の全長に亘って研削加工が施されることから、上記のしごき加工において断面円弧状に成形される歯部形成部位の外周面は、図４に示すように、研削加工で除去される研削代α（図中、ハッチングで示される）を含み、研削加工後の外径より大きい外径に成形される。

以上により、中空ラックバー１が製造される。このようにして製造される中空ラックバー１によれば、歯部２に対して研削加工が施されることによって、歯形成面７を予備成形するプレス加工やラック歯３を形成するしごき加工といった塑性加工に伴う加工歪や焼入れ歪が除去され、歯部２における真直度や外径寸法といった形状精度を高めることができる。

さらに、歯部２を含む軸材の長手方向の全長に亘って研削加工が一貫して施されることにより、歯部２の両側に隣設された軸部４に対する歯部２の真直度や外径寸法といった形状精度も高めることができる。

ここまで、中空ラックバー１を例に本発明の実施形態を説明したが、本発明は中実のラックバーにも適用可能である。

図５に示す中実ラックバー１１は、断面円形の棒状の軸材からなり、上述した中空ラックバー１と同様に、複数のラック歯１３が設けられた歯部１２と、軸材の長手方向に歯部１２の両側に隣設された軸部１４とを備える。軸部１４の各々の端部には、ステアリング装置においてボールジョイントとの接続に供されるネジ１５が形成されている。

中実ラックバー１１の製造においては、軸材の歯部形成部位を全周にわたって取り囲み、歯形成面に押し付けられる歯型を有する成形型を用いた鍛造加工により、軸材の歯形成面に複数のラック歯１３が形成される。併せて歯部形成部位の外周面が成形型の形状に倣って断面円弧状に成形される。

続いて、軸材の軸部１４の各々の端部に、例えば旋削加工によってネジ１５が形成される。また、上述したラックバー１と同様に、歯部１２に対して焼入れやショットピーニングなどの表面処理が適宜施され、ラック歯を形成する鍛造加工や焼入れに伴う軸材の曲りが適宜矯正される。

そして、歯部１２を含む軸材の長手方向の全長に亘り、軸材の外周面に研削加工が施され、軸材は、歯部１２を含む軸材の長手方向の全長に亘り、所定の外径に成形される。歯部１２を含む軸材の長手方向の全長に亘って研削加工が施されることから、上記の鍛造加工において断面円弧状に成形される歯部形成部位の外周面は、研削加工で除去される研削代を含み、研削加工後の外径より大きい外径に成形される。

以上により、中実ラックバー１１が製造される。このようにして製造される中実ラックバー１１によれば、歯部１２に対して研削加工が施されることによって、ラック歯１３を形成する鍛造加工（塑性加工）に伴う加工歪や焼入れ歪が除去され、歯部１２における真直度や外径寸法といった形状精度を高めることができる。

さらに、歯部１２を含む軸材の長手方向の全長に亘って研削加工が一貫して施されることにより、歯部１２の両側に隣設された軸部１４に対する歯部１２の真直度や外径寸法といった形状精度も高めることができる。

図６は、上述したラックバー１の応用例を示す。

図６に示すラックバー２１は、デュアルピニオン式の電動パワーステアリング装置に用いられるラックバーであり、上述した中空ラックバー１の軸材Ｓ１の一方の軸部４の端部に、軸材Ｓ１と同軸に断面円形の棒状の延長軸材Ｓ２が接合されてなり、延長軸材Ｓ２にも複数のラック歯２３を有する歯部２２が形成されている。

図７は、ラックバー２１の製造方法の一例を示す。

ラックバー２１の製造装置１２０は、床等に固定されたクランプ機構１２１と、回転テーブル１２２を回転駆動する駆動部１２３と、回転テーブル１２２に取り付けられたチャック機構１２４と、ブローチ盤等の加工装置１２５とを備える。

軸材Ｓ１には、予め複数のラック歯３を有する歯部２が形成され、歯部２を含む軸材Ｓ１の長手方向の全長に亘って外周面に研削加工が施されており、クランプ機構１２１によって保持されている。延長軸材Ｓ２は、チャック機構１２４によって保持されており、この延長軸材Ｓ２には、予め歯部２２は形成されておらず、軸材Ｓ１との接合後に、加工装置１２５によって歯部２２が形成される。

クランプ機構１２１とチャック機構１２４とは、軸材Ｓ１の中心軸と延長軸材Ｓ２の中心軸とを一致させて支持するよう構成されている。ここで、研削加工が施された軸材Ｓ１は、上記のとおり形状精度が高められており、歯部２を含めた十分な長さをもってクランプ機構１２１に対して芯出しすることが可能である。これにより、軸材Ｓ１と延長軸材Ｓ２とは高精度で同軸に配置される。

そして、チャック機構１２４に保持された延長軸材Ｓ２がクランプ機構１２１に保持された軸材Ｓ１に向けて移動され、軸材Ｓ１及び延長軸材Ｓ２の各々の端部同士が互いに当接する（ＦＩＧ．７Ａ）。

駆動部１２３が作動されて延長軸材Ｓ２が中心軸まわりに回転される。当接した軸材Ｓ１及び延長軸材Ｓ２の各々の端面同士の相対回転による摩擦熱により、軸材Ｓ１及び延長軸材Ｓ２の各々の端部の金属組織に変化が生じ、さらに圧力が加わることで軸材Ｓ１と延長軸材Ｓ２とが接合される（ＦＩＧ．７Ｂ）。

軸材Ｓ１と延長軸材Ｓ２とが接合された後、チャック機構１２４による延長軸材Ｓ２の保持が解除され、加工装置１２５により、複数のラック歯２３を有する歯部２２が延長軸材Ｓ２に形成される（ＦＩＧ．７Ｃ）。

以上により、ラックバー２１が製造される。このようにして製造されるラックバー２１によれば、予め歯部２が形成された軸材Ｓ１に対して全長に亘る研削加工を施すことによって軸材Ｓ１の形状精度が高められており、軸材Ｓ１と延長軸材Ｓ２とを高精度で同軸に配置することができる。そこで、延長軸材Ｓ２を軸材Ｓ１と同径とし、接合後の延長軸材Ｓ２の切削加工を不要として、切削加工に要する手間や材料の無駄を省き、コストを削減することができる。

なお、以上の例では、軸材Ｓ１との接合後に延長軸材Ｓ２に歯部２２を形成するものとして説明したが、延長軸材Ｓ２に予め歯部２２を形成しておき、上記の摩擦圧接において、軸材Ｓ１及び延長軸材Ｓ２の中心軸まわりに延長軸材Ｓ２の歯部２２が軸材Ｓ１の歯部２に対して所望の角度にあるときに駆動部１２３を急停止させるようにしてもよい。

また、延長軸材Ｓ２には複数のラック歯２３を有する歯部２２が形成されるものとして説明したが、ラック歯に限られるものではなく、例えば図８に示すように、ボールネジ２４が形成される場合もある。

図９は、上述した中実ラックバー１１の応用例を示す。

図９に示すラックバー３１は、上述した中実ラックバー１１の軸材Ｓ１の一方の軸部１４の端部に、軸材Ｓ１と同軸に円管状の延長軸材Ｓ２が接合されたものであり、同一の長さで全体が棒状の軸材によって形成されたラックバーに比べて軽量化が図られている。軸材Ｓ１と延長軸材Ｓ２とは、上述したラックバー２１と同様に、摩擦圧接によって接合される。

このラックバー３１においても、予め歯部１２が形成された軸材Ｓ１に対して全長に亘る研削加工を施すことによって軸材Ｓ１の形状精度が高められており、軸材Ｓ１と延長軸材Ｓ２とを高精度で同軸に配置することができる。そこで、延長軸材Ｓ２を軸材Ｓ１と同径とし、接合後の延長軸材Ｓ２の切削加工を不要として、切削加工に要する手間や材料の無駄を省き、コストを削減することができる。

１ ラックバー
２ 歯部
３ ラック歯
４ 軸部
５ ネジ
７ 歯形成面
２１ ラックバー
２２ 歯部
２３ ラック歯
Ｓ１ 軸材
Ｓ２ 延長軸材

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ラックバーの製造方法に関する。

本発明の一態様のラックバーの製造方法は、軸材の長手方向の一部に、複数のラック歯を有する歯部を塑性加工によって形成する塑性加工ステップと、前記歯部を含む前記軸材の長手方向の全長に亘り、前記軸材の外周面及び歯部に研削加工を施す研削加工ステップと、を備える。

Claims (6)

1. 軸材の長手方向の一部に、複数のラック歯を有する歯部が塑性加工によって形成され、
   前記歯部を含む前記軸材の長手方向の全長に亘り、前記軸材の外周面に研削加工が施されたラックバー。
2. 請求項１記載のラックバーであって、
   前記軸材の少なくとも一方の端部に、前記軸材と同軸に延長軸材が接合されたラックバー。
3. 軸材の長手方向の一部に、複数のラック歯を有する歯部を塑性加工によって形成する塑性加工ステップと、
   前記歯部を含む前記軸材の長手方向の全長に亘り、前記軸材の外周面に研削加工を施す研削加工ステップと、
   を備えるラックバーの製造方法。
4. 請求項３記載のラックバーの製造方法であって、
   前記塑性加工ステップでは、前記研削加工ステップにおける研削代を含む外径に前記歯部を成形するラックバーの製造方法。
5. 請求項３又は４記載のラックバーの製造方法であって、
   外周面が研削加工された前記軸材の少なくとも一方の端部に、前記軸材と同軸に延長軸材を接合する接合ステップをさらに備えるラックバーの製造方法。
6. 請求項５記載のラックバーの製造方法であって、
   前記延長軸材は、前記軸材と同径に形成されているラックバーの製造方法。

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