JP2023002896A - ラック軸およびステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ラック歯および雌ねじ孔を含む鋼により構成された部分とアルミニウム合金により構成された部分との接合部の曲げ強度を確保しやすい、ラック軸、および、該ラック軸を備えたステアリング装置を提供する。
【解決手段】ラック軸１２は、アルミニウム合金により構成され、ラック歯１４および雌ねじ孔１６のいずれをも備えていない軽量軸部１７と、鋼により構成され、ラック歯１４と雌ねじ孔１６とのうちの少なくともいずれか一方を備え、かつ、軽量軸部１７に接合されている重量軸部１８ａ、１８ｂとを有する。軽量軸部１７と重量軸部１８ａ、１８ｂとの接合部１９ａ、１９ｂが、摩擦圧接部または摩擦攪拌接合部を含んで構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラック軸、および、ラック軸を備えるステアリング装置に関する。

自動車のステアリング装置において、ピニオン軸とラック軸とを有するステアリングギヤユニットを備えた構造が広く普及している。

ピニオン軸は、車体に固定されたハウジングの内側に、回転のみを可能に支持されている。ピニオン軸は、ピニオン歯を有し、ステアリングホイールの回転操作に伴って回転する。すなわち、ピニオン軸は、運転者が回転操作するステアリングホイールに対し、ステアリングシャフト、自在継手、および中間シャフトなどを介して接続されており、ステアリングホイールの回転操作に伴って回転する。

ラック軸は、軸方向を車体の幅方向に一致させた状態で、前記ハウジングの内側に、軸方向に関する往復移動のみを可能に支持されている。ラック軸は、軸方向一部分の周方向１箇所にラック歯、および、軸方向両側の端部のそれぞれに、軸方向端面に開口する取付孔を有する。ラック軸の軸方向両側の端部は、球面継手（ボールジョイント）を介してタイロッドに接続されている。すなわち、ラック軸の取付孔のそれぞれに、球面継手の基端部が取り付けられ、かつ、球面継手の先端部に、タイロッドの基端部が揺動可能に支持されている。なお、ラック軸の取付孔は、通常、雌ねじ孔により構成されており、この雌ねじ孔に、球面継手の基端部に備えられた雄ねじ部が螺合される。

ステアリングホイールの回転操作に伴うピニオン軸の回転運動は、ラック軸の直線運動に変換される。これにより、タイロッドが押し引きされ、左右の操舵輪に、ステアリングホイールの回転操作量に応じた舵角が付与される。

従来、ステアリング装置を構成するラック軸は、その全体が、十分な強度を有する金属である鋼により構成されることが一般的であった。これに対して、近年、ラック軸の軽量化を図るために、ラック軸の一部を、鋼よりも軽量なアルミニウム合金により構成することが提案されている。

たとえば、特開２０１４－５４９０６号公報（特許文献１）には、軽量化を図れるラック軸として、アルミニウム合金製の芯部材と、芯部材の軸方向両側の端部を補強するために、芯部材の軸方向両側の端部に外嵌された鋼製の管部材と、芯部材と管部材とを径方向に貫通し、かつ、自身の両側の端部を管部材の外周面にかしめ付けることで、芯部材と管部材とを結合するかしめ部材とを備えたラック軸が記載されている。このラック軸では、芯部材の軸方向中間部にラック歯、および、芯部材の軸方向両側の端部に取付孔が備えられている。また、取付孔は、挿入孔により構成されている。球面継手は、自身の基端部に備えられた挿入部がラック軸の取付孔（挿入孔）に挿入され、かつ、この挿入部にかしめ部材が径方向に貫通することで、ラック軸に固定されている。

特開２０１４－５４９０６号公報

ラック軸のラック歯には、ピニオン軸のピニオン歯から大きな噛み合い荷重が加わる。このため、ラック歯は、高強度であることが求められる。これに対して、特開２０１４－５４９０６号公報に記載されたラック軸では、ラック歯がアルミニウム合金により構成されているため、ラック歯が鋼により構成されている従来構造に比べて、ラック歯の強度を確保する上で不利となる。

特開２０１４－５４９０６号公報に記載されたラック軸では、取付孔が挿入孔により構成されており、この挿入孔に、球面継手の基端部に備えられた挿入部が挿入されているため、ラック軸と球面継手とを固定するためのかしめ部材が必要になる。すなわち、特開２０１４－５４９０６号公報に記載されたラック軸は、取付孔が雌ねじ孔により構成されている従来構造に比べて、かしめ部材が必要になる分だけ、部品点数が多くなる。また、ラック軸に対する球面継手の固定作業が面倒になる。

特開２０１４－５４９０６号公報に記載されたラック軸では、取付孔（挿入孔）を含む部分がアルミニウム合金により構成されているため、取付孔を含む部分が鋼により構成されている従来構造に比べて、取付孔の強度を確保する上で不利となる。すなわち、自動車の運転中、ラック軸には、たとえば操舵輪を縁石に乗り上げた場合などに、タイロッドおよび球面継手から大きな逆入力荷重が加わる場合がある。この逆入力荷重は、ラック軸に対して、タイロッドの軸方向に加わるが、タイロッドの軸方向は、ラック軸の軸方向に対して傾斜している。このため、ラック軸には、ラック歯とピニオン歯との噛合部を支点とする、大きな曲げ荷重が加わる。特開２０１４－５４９０６号公報に記載されたラック軸では、このような大きな曲げ荷重がラック軸に加わる際に、取付孔の変形、および、かしめ部材の破損を防止することが難しくなる可能性がある。

本発明は、ラック歯および取付孔を含む鋼により構成された部分とアルミニウム合金により構成された部分との接合部の曲げ強度を確保しやすい、ラック軸、および、該ラック軸を備えたステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様のラック軸は、軸方向一部分の周方向１箇所にラック歯、および、軸方向両側の端部のそれぞれに、軸方向端面に開口する雌ねじ孔を有する。

本発明の一態様のラック軸は、軽量軸部と、重量軸部とを有する。前記軽量軸部は、アルミニウム合金により構成され、前記ラック歯および前記雌ねじ孔のいずれをも備えていない。前記重量軸部は、鋼により構成され、前記ラック歯および前記雌ねじ孔を備え、かつ、前記軽量軸部に接合されている。なお、前記重量軸部は、前記ラック歯を備えた部分と前記雌ねじ孔を備えた部分が分離していてもよく、この場合、前記ラック歯を備えた部分が、前記雌ねじ孔とは別の雌ねじ孔を備えることができる。

本発明の一態様のラック軸では、前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、摩擦圧接部または摩擦攪拌接合部を含んで構成されている。

本発明の一態様のラック軸では、前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、前記軽量軸部の軸方向端部に備えられた、径方向外側を向いたテーパ面部である軽量雄テーパ面部と、前記重量軸部の軸方向端部に備えられた、径方向内側を向いたテーパ面部である重量雌テーパ面部との摩擦圧接部を含んで構成されている。

本発明の一態様のラック軸では、前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、前記軽量雄テーパ面部と前記重量雌テーパ面部との摩擦圧接部の形成に伴って生じたバリと、前記軽量軸部の外周面に備えられた周方向に伸長する周方向溝との係合部を含んで構成されている。

本発明の一態様のラック軸では、前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、前記重量軸部の軸方向端部に備えられたかしめ部と、前記軽量軸部の外周面に備えられた周方向に伸長する周方向溝との係合部を含んで構成されている。

本発明の一態様のラック軸では、前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、前記軽量軸部の軸方向端部に備えられた、径方向内側を向いたテーパ面部である軽量雌テーパ面部と、前記重量軸部の軸方向端部に備えられた、径方向外側を向いたテーパ面部である重量雄テーパ面部との摩擦圧接部を含んで構成されている。

この態様において、前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、前記軽量軸部の軸方向端部のうち、前記軽量雌テーパ面部の径方向内側に位置する部分に備えられた、径方向外側を向いたテーパ面部である軽量雄テーパ面部と、前記重量軸部の軸方向端部のうち、前記重量雄テーパ面部の径方向内側に位置する部分に備えられた、径方向内側を向いたテーパ面部である重量雌テーパ面部との摩擦圧接部を含んで構成されることができる。

本発明の一態様のラック軸では、前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、前記軽量軸部の軸方向端部と前記重量軸部の軸方向端部との凹凸係合部、および、前記軽量軸部の軸方向端面と前記重量軸部の軸方向端面との摩擦攪拌接合部を含んで構成されている。

本発明の一態様のラック軸では、該ラック軸のうち、前記ラック歯の背面側の半部が、前記軽量軸部の一部により構成されており、前記重量軸部と前記軽量軸部との接合部が、摩擦攪拌接合部により構成されている。

本発明の一態様のステアリング装置は、ピニオン歯を有し、ステアリングホイールの回転操作に伴って回転するピニオン軸と、前記ピニオン歯と噛合するラック歯を有するラック軸とを備え、前記ラック軸が、本発明の一態様のラック軸により構成されている。

本発明の一態様によれば、ラック歯および取付孔である雌ねじ孔を含む鋼により構成された部分とアルミニウム合金により構成された部分との接合部の曲げ強度を確保しやすい、ラック軸、および、該ラック軸を備えたステアリング装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態の第１例のステアリング装置を示す模式図である。 図２は、第１例のラック軸の斜視図である。 図３は、第１例のラック軸の側面図である。 図４は、第１例のラック軸において、軽量軸部と重量軸部との接合部を示す断面図である。 図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、本発明の実施の形態の第２例のラック軸において、軽量軸部と重量軸部との接合部を、接合工程順に示す断面図である。 図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、本発明の実施の形態の第３例のラック軸において、軽量軸部と重量軸部との接合部を、接合工程順に示す断面図である。 図７は、本発明の実施の形態の第４例のラック軸に関する、図４に相当する図である。 図８は、本発明の実施の形態の第５例のラック軸に関する、図４に相当する図である。 図９は、第５例のラック軸の変形例を示す、図８のＸ部に相当する拡大図である。 図１０は、本発明の実施の形態の第６例のラック軸に関する、図４に相当する図である。 図１１は、図１０に示された第６例のラック軸の一部を、径方向外側から見た図である。 図１２は、本発明の実施の形態の第７例のラック軸の斜視図である。 図１３は、第７例のラック軸の側面図である。 図１４は、図１３において、ラック軸の左半部を下方から見た図である。

［実施の形態の第１例］
本発明の実施の形態の第１例について、図１～図４を用いて説明する。

図１は、本例のステアリング装置１を示している。ステアリング装置１は、ステアリングギヤユニット８を構成するピニオン軸１１およびラック軸１２を備える。

より具体的には、本例のステアリング装置１は、ステアリングホイール２と、ステアリングシャフト３と、ステアリングコラム４と、電動アシスト装置５と、２つの自在継手６ａ、６ｂと、中間シャフト７と、ステアリングギヤユニット８と、２つの球面継手９と、２つのタイロッド１０とを備える。

なお、ステアリング装置１に関する以下の説明中、前後方向は、車両の前後方向を意味し、左右方向は、車両の幅方向を意味する。

ステアリングシャフト３は、車体に支持されたステアリングコラム４の内側に、回転自在に支持されている。ステアリングシャフト３の後端部には、ステアリングホイール２が取り付けられている。ステアリングシャフト３の前端部は、後側の自在継手６ａと、中間シャフト７と、前側の自在継手６ｂとを介して、ステアリングギヤユニット８のピニオン軸１１に接続されている。このため、運転者がステアリングホイール２を回転操作すると、ステアリングホイール２の回転が、ステアリングギヤユニット８のピニオン軸１１に伝達される。ピニオン軸１１は、ピニオン歯１３を有する。ステアリングギヤユニット８のラック軸１２は、ラック歯１４を有し、ラック歯１４にピニオン歯１３を噛合させている。このため、ピニオン軸１１の回転運動は、ラック軸１２の直線運動に変換される。この結果、ラック軸１２の軸方向両側の端部のそれぞれに球面継手９を介して接続されたタイロッド１０が押し引きされ、左右の操舵輪１５に、ステアリングホイール２の回転操作量に応じた舵角が付与される。

ステアリングギヤユニット８について、より具体的に説明する。ステアリングギヤユニット８は、図示しないハウジングと、ピニオン軸１１と、ラック軸１２とを備え、ステアリングホイール２の回転操作に伴うピニオン軸１１の回転運動を、ラック軸１２の直線運動に変換する。

前記ハウジングは、ボルトやスタッド等の固定部材を利用して、車体に固定される。

ピニオン軸１１は、先半部外周面に、ラック軸１２のラック歯１４と噛合するピニオン歯１３を有する。ピニオン軸１１は、前記ハウジングの内側に、軸受により回転のみを可能に支持されている。ピニオン軸１１の基端部は、前記ハウジングの外側に突出しており、かつ、前側の自在継手６ｂを介して中間シャフト７の前端部に接続されている。

ラック軸１２は、軸方向を左右方向に一致させ、かつ、軸方向両側の端部を、前記ハウジングの左右方向両側の開口から突出させた状態で、前記ハウジングの内側に、軸方向に関する往復移動のみを可能に支持されている。前記ハウジングに対するラック軸１２の回転は、ラック歯１４とピニオン歯１３との噛合によって阻止されている。ラック軸１２の軸方向両側の端部は、球面継手９を介してタイロッド１０に接続されている。すなわち、ラック軸１２の雌ねじ孔１６のそれぞれに、球面継手９の基端部に備えられた雄ねじ部が螺合され、かつ、球面継手９の先端部に、タイロッド１０の基端部が揺動可能に支持されている。

電動アシスト装置５は、ステアリングコラム４の前端部に固定され、かつ、車体に支持されている。電動アシスト装置５は、トルクセンサと、電動モータと、ウォーム減速機とを備える。トルクセンサは、ステアリングホイール２からステアリングシャフト３に加えられたトルクの方向および大きさを検出する。電動アシスト装置５は、トルクセンサにより検出したトルクに応じた電流で電動モータを駆動する。そして、電動モータにより発生したアシストトルクを、ウォーム減速機を介してステアリングシャフト３に付与することで、運転者がステアリングホイール２を回転操作するのに要する力を軽減する。

ラック軸１２は、金属製の棒状部材であり、軸方向が左右方向に一致するように配置される。ラック軸１２は、軸方向一部分の周方向１箇所に、ピニオン軸１１のピニオン歯１３と噛合するラック歯１４を有する。図示の例では、ラック歯１４は、ラック軸１２の軸方向一方側（図１～図３の左側）部分の周方向１箇所に備えられている。ラック軸１２は、軸方向両側の端部のそれぞれに、軸方向端面に開口する雌ねじ孔１６を有する。

本例では、ラック軸１２は、ラック歯１４および雌ねじ孔１６を含む一部が鋼により構成され、かつ、残部が鋼よりも軽量なアルミニウム合金により構成されている。これにより、本例のラック軸１２は、ラック歯１４および雌ねじ孔１６の強度を十分に確保しつつ、全体が鋼により構成された従来のラック軸に比べて、軽量に構成されている。

具体的には、本例のラック軸１２は、アルミニウム合金により構成され、ラック歯１４および雌ねじ孔１６のいずれをも備えていない軽量軸部１７と、鋼により構成され、ラック歯１４と雌ねじ孔１６とのうちの少なくともいずれか一方を備え、かつ、軽量軸部１７に接合されている重量軸部１８ａ、１８ｂとを有する。なお、軽量軸部１７を構成するアルミニウム合金の種類、および、重量軸部１８ａ、１８ｂを構成する鋼の種類は、任意であるが、軽量軸部１７を構成するアルミニウム合金としては、たとえば、強度を確保しやすくする観点から、Ａ５０５２などの展伸用合金などを用いることができ、重量軸部１８ａ、１８ｂを構成する鋼としては、たとえば、Ｓ４８Ｃなどの炭素鋼などを用いることができる。

本例では、２つの重量軸部１８ａ、１８ｂのうちの一方の重量軸部１８ａは、ラック軸１２の軸方向一方側の半部を構成している。一方の重量軸部１８ａは、軸方向中間部の周方向１箇所にラック歯１４、および、軸方向一方側の端部に、軸方向一方側の端面に開口する雌ねじ孔１６を備える。

２つの重量軸部１８ａ、１８ｂのうちの他方の重量軸部１８ｂは、ラック軸１２の軸方向他方側（図１～図３の右側）の端部を構成している。他方の重量軸部１８ｂは、軸方向他方側の端面に開口する雌ねじ孔１６を備える。

軽量軸部１７は、軸方向に関して２つの重量軸部１８ａ、１８ｂの間に位置している。

本例では、一方の重量軸部１８ａの軸方向他方側の端部と軽量軸部１７の軸方向一方側の端部との接合部１９ａ、および、他方の重量軸部１８ｂの軸方向一方側の端部と軽量軸部１７の軸方向他方側の端部との接合部１９ｂのそれぞれは、図４に示すような摩擦圧接部Ｐ１により構成されている。すなわち、本例のラック軸１２は、それぞれが別々に製造された重量軸部１８ａ、１８ｂと軽量軸部１７との互いの軸方向端部を、拡散接合（固相接合）の一種である摩擦圧接することにより構成されている。また、本例では、重量軸部１８ａ、１８ｂのそれぞれは、中空の軸部、すなわち筒状の軸部であり、軽量軸部１７は、中実の軸部である。ただし、本発明を実施する場合には、重量軸部を中実の軸部としたり、軽量軸部を中空の軸部としたりすることもできる。

摩擦圧接部Ｐ１は、図４に示すような構成を有する。なお、図４では、説明の便宜上、重量軸部１８ａ、１８ｂのそれぞれは、共通の記号ＨＳ１で表され、図中の左側に配置されており、軽量軸部１７は、記号ＬＳ１で表され、図中の右側に配置されている。

摩擦圧接部Ｐ１は、軽量軸部ＬＳ１（１７）の軸方向端部に備えられた、径方向外側を向いたテーパ面部である軽量雄テーパ面部２０と、重量軸部ＨＳ１（１８ａ、１８ｂ）の軸方向端部に備えられた、径方向内側を向いたテーパ面部である重量雌テーパ面部２１との摩擦圧接部である。

具体的には、本例では、軽量軸部ＬＳ１（１７）は、軸方向端部の外周面に、軸方向の先端側に向かうにしたがって外径が小さくなる方向に傾斜した円すい面状の軽量雄テーパ面部２０を有する。重量軸部ＨＳ１（１８ａ、１８ｂ）は、軸方向端部の内周面に、軸方向の先端側に向かうにしたがって内径が大きくなる方向に傾斜した円すい面状の重量雌テーパ面部２１を有する。軽量雄テーパ面部２０と重量雌テーパ面部２１とは、それぞれの中心軸に対する傾斜角度が、互いに等しい。摩擦圧接部Ｐ１は、重量雌テーパ面部２１と軽量雄テーパ面部２０とを摩擦圧接することにより構成されている。

なお、摩擦圧接部Ｐ１の曲げ剛性や接合強度を確保する観点から、摩擦圧接部Ｐ１の軸方向寸法は、大きいほど好ましく、摩擦圧接部Ｐ１の、中心軸に対する傾斜角度（＝軽量雄テーパ面部２０および重量雌テーパ面部２１のそれぞれの、中心軸に対する傾斜角度）は、摩擦圧接を正常に行える範囲で、小さいほど好ましい。本発明を実施する場合、摩擦圧接部Ｐ１の、中心軸に対する傾斜角度は、０゜よりも大きく９０゜よりも小さい範囲で任意の大きさとすることができるが、たとえば、５゜以上４５゜以下とすることができる。

本例のラック軸１２の製造時に、重量軸部ＨＳ１（１８ａ、１８ｂ）の軸方向端部と軽量軸部ＬＳ１（１７）の軸方向端部とを摩擦圧接する際には、重量軸部ＨＳ１（１８ａ、１８ｂ）と軽量軸部ＬＳ１（１７）との芯出しを行うことにより、重量軸部ＨＳ１（１８ａ、１８ｂ）と軽量軸部ＬＳ１（１７）とを同軸に配置する。そして、重量軸部ＨＳ１（１８ａ、１８ｂ）と軽量軸部ＬＳ１（１７）とのいずれか一方の軸部のみを高速回転させた状態で、重量軸部ＨＳ１（１８ａ、１８ｂ）の重量雌テーパ面部２１と、軽量軸部ＬＳ１（１７）の軽量雄テーパ面部２０とを、互いに突き合わせて加圧する。これにより、突き合わせ部に摩擦熱を発生させ、この摩擦熱によって突き合わせ部を軟化させた後、前記一方の軸部の回転を停止させ、突き合わせ部に対してより強い加圧力を付与する。この結果、突き合わせ部が冷却に伴って拡散接合（摩擦圧接）され、拡散接合部の一種である摩擦圧接部Ｐ１が形成される。

特に、本例では、摩擦圧接部Ｐ１を形成するための摩擦圧接を行う際には、重量軸部ＨＳ１（１８ａ、１８ｂ）の軸方向端部が拡径することを防止するために、この軸方向端部に対し、径方向外側から圧力を掛ける。このため、本例では、摩擦圧接を行う際に、重量軸部ＨＳ１（１８ａ、１８ｂ）を回転させずに、軽量軸部ＬＳ１（１７）を高速回転させる。

なお、摩擦圧接部Ｐ１の形成に伴って、摩擦圧接部Ｐ１の外周部および内周部には、図示しないバリが発生する。このバリは、必要に応じて、切削などの仕上げ加工によって除去する。

本例のステアリング装置１を構成するラック軸１２によれば、鋼により構成された部分である重量軸部ＨＳ１（１８ａ、１８ｂ）と、アルミニウム合金により構成された部分である軽量軸部ＬＳ１（１７）との接合部１９ａ、１９ｂの曲げ強度を確保しやすい。

すなわち、本例では、接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれは、摩擦圧接部Ｐ１により構成されているが、この摩擦圧接部Ｐ１は、互いに径方向に重畳するように噛み合わされた、重量雌テーパ面部２１と軽量雄テーパ面部２０との摩擦圧接部である。したがって、接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれ（摩擦圧接部Ｐ１）は、互いに軸方向に突き合わされた２つの平面の摩擦圧接部に比べて、曲げ強度を確保しやすい。

接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれ（摩擦圧接部Ｐ１）は、２つのテーパ面部の摩擦圧接部であり、２つの平面の摩擦圧接部に比べて圧接面積を広くすることができるため、接合強度を確保しやすい。

本例では、接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれ（摩擦圧接部Ｐ１）において、鋼により構成された重量軸部ＨＳ１（１８ａ、１８ｂ）の径方向内側に、アルミニウム合金により構成された軽量軸部ＬＳ１（１７）が配置されている。ここで、摩擦圧接部Ｐ１を形成するための摩擦圧接を行う際には、熱膨張率の違いにより、アルミニウム合金により構成された軽量軸部ＬＳ１（１７）は、鋼により構成された重量軸部ＨＳ１（１８ａ、１８ｂ）よりも膨張しやすい。このため、軽量雄テーパ面部２０が重量雌テーパ面部２１を押す傾向となり、この面からも、摩擦圧接部Ｐ１の接合強度を確保しやすい。

したがって、自動車の運転中、操舵輪１５を縁石に乗り上げた場合などに、タイロッド１０および球面継手９からラック軸１２に対し、大きな逆入力荷重が加わることに基づいて、このラック軸１２に、ラック歯１４とピニオン歯１３との噛合部を支点とする、大きな曲げ荷重が加わった場合でも、接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれが破損したりすることを、有効に防止することができる。

本例では、接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれを、摩擦圧接部Ｐ１により構成している。このため、接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれを、加工コストが比較的高い摩擦攪拌接合部により構成する場合に比べて、ラック軸１２の製造コストを抑えることができる。

本例では、雌ねじ孔１６を備える重量軸部ＨＳ１（１８ａ、１８ｂ）が予め中空であるため、雌ねじ孔１６の形成作業を容易に行うことができる。

［実施の形態の第２例］
本発明の実施の形態の第２例について、図５を用いて説明する。

本例では、ラック軸１２の接合部１９ａ、１９ｂ（図１～図３参照）のそれぞれは、図５（Ｂ）に示すように、実施の形態の第１例と同様の摩擦圧接部Ｐ１、および、係合部Ｃ１により構成されている。

係合部Ｃ１は、軽量軸部ＬＳ２（１７（図１～図３参照））の軽量雄テーパ面部２０と重量軸部ＨＳ２（１８ａ、１８ｂ（図１～図３参照））の重量雌テーパ面部２１との摩擦圧接部Ｐ１の形成に伴って生じたバリ２２と、軽量軸部ＬＳ２（１７）の外周面に備えられた周方向に伸長する周方向溝２３とを係合させてなる。

具体的には、本例では、軽量軸部ＬＳ２（１７）は、外周面のうち、軸方向に関して軽量雄テーパ面部２０の大径側に隣接する部分に、周方向溝２３を全周にわたり有する。重量軸部ＨＳ２（１８ａ、１８ｂ）は、軸方向の先端部に、重量雌テーパ面部２１よりも軸方向の先端側に張り出した円筒状の庇筒部２４を有する。図５（Ａ）に示すように、軽量雄テーパ面部２０と重量雌テーパ面部２１とを突き合わせた状態で、庇筒部２４は、周方向溝２３の周囲に配置される。

本例では、図５（Ａ）から図５（Ｂ）の順に示すように、重量雌テーパ面部２１と軽量雄テーパ面部２０とを摩擦圧接することにより摩擦圧接部Ｐ１を形成することに伴って、摩擦圧接部Ｐ１の外周部に生じたバリ２２は、庇筒部２４の内周面から径方向内側に張り出し、周方向溝２３の内側に入り込む。これにより、バリ２２と周方向溝２３とが係合することによって、係合部Ｃ１が構成される。

本例では、ラック軸１２の接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれが、摩擦圧接部Ｐ１だけでなく、係合部Ｃ１を含んで構成されている。このため、接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれに関して、接合強度の向上と二重安全化とを実現することができる。
その他の構成および作用効果は、実施の形態の第１例と同様である。

［実施の形態の第３例］
本発明の実施の形態の第３例について、図６を用いて説明する。

本例では、ラック軸１２の接合部１９ａ、１９ｂ（図１～図３参照）のそれぞれは、図６（Ｂ）に示すように、実施の形態の第１例と同様の摩擦圧接部Ｐ１、および、係合部Ｃ２により構成されている。

係合部Ｃ２は、重量軸部ＨＳ３（１８ａ、１８ｂ（図１～図３参照））の軸方向の先端部に位置する庇筒部２４ａに備えられたかしめ部２５と、軽量軸部ＬＳ２（１７（図１～図３参照））の外周面に備えられた周方向溝２３とを係合させてなる。かしめ部２５は、庇筒部２４ａを径方向内側に向けて塑性変形させることにより形成される。

本例では、図６（Ａ）から図６（Ｂ）の順に示すように、重量雌テーパ面部２１と軽量雄テーパ面部２０とを摩擦圧接することにより摩擦圧接部Ｐ１を形成した後、庇筒部２４ａを径方向内側に向けて塑性変形させることでかしめ部２５を形成し、かつ、かしめ部２５を周方向溝２３に係合させることにより、係合部Ｃ２を構成している。

本例では、ラック軸１２の接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれが、摩擦圧接部Ｐ１だけでなく、係合部Ｃ２を含んで構成されている。このため、接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれに関して、接合強度の向上と二重安全化とを実現することができる。
その他の構成および作用効果は、実施の形態の第１例および第２例と同様である。

［実施の形態の第４例］
本発明の実施の形態の第４例について、図７を用いて説明する。

本例では、ラック軸１２の接合部１９ａ、１９ｂ（図１～図３参照）のそれぞれは、摩擦圧接部Ｐ２により構成されている。摩擦圧接部Ｐ２は、径方向に関する内外の構成を、実施の形態の第１例の摩擦圧接部Ｐ１と逆にしたような構成を有する。すなわち、摩擦圧接部Ｐ２は、軽量軸部ＬＳ３（１７（図１～図３参照））の軸方向端部に備えられた、径方向内側を向いたテーパ面部である軽量雌テーパ面部２６と、重量軸部ＨＳ４（１８ａ、１８ｂ（図１～図３参照））の軸方向端部に備えられた、径方向外側を向いたテーパ面部である重量雄テーパ面部２７との摩擦圧接部である。

具体的には、本例では、軽量軸部ＬＳ３（１７）は、軸方向端部の内周面に、軸方向の先端側に向かうにしたがって内径が大きくなる方向に傾斜した円すい面状の軽量雌テーパ面部２６を有する。重量軸部ＨＳ４（１８ａ、１８ｂ）は、軸方向端部の外周面に、軸方向の先端側に向かうにしたがって外径が小さくなる方向に傾斜した円すい面状の重量雄テーパ面部２７を有する。摩擦圧接部Ｐ２は、軽量雌テーパ面部２６と重量雄テーパ面部２７とを摩擦圧接することにより構成されている。

本例でも、摩擦圧接部Ｐ２を形成するための摩擦圧接を行う際には、軽量軸部ＬＳ４（１７）の軸方向端部が拡径することを防止するために、この軸方向端部に対し、径方向外側から圧力を掛ける。このため、摩擦圧接を行う際には、軽量軸部ＬＳ３（１７）を回転させずに、重量軸部ＨＳ４（１８ａ、１８ｂ）を高速回転させる。
その他の構成及び作用効果は、実施の形態の第１例と同様である。

［実施の形態の第５例］
本発明の実施の形態の第５例について、図８を用いて説明する。

本例では、ラック軸１２の接合部１９ａ、１９ｂ（図１～図３参照）のそれぞれは、実施の形態の第４例と同様の摩擦圧接部Ｐ２に加えて、実施の形態の第１例と同様の摩擦圧接部Ｐ１により構成されている。

摩擦圧接部Ｐ１は、軽量軸部ＬＳ４（１７（図１～図３参照））の軸方向端部に備えられた、径方向外側を向いたテーパ面部である軽量雄テーパ面部２０ａと、重量軸部ＨＳ５（１８ａ、１８ｂ（図１～図３参照））の軸方向端部に備えられた、径方向内側を向いたテーパ面部である重量雌テーパ面部２１ａとを、互いに摩擦圧接することにより構成されている。

軽量雄テーパ面部２０ａは、軽量軸部ＬＳ４（１７）の軸方向端部のうち、軽量雌テーパ面部２６の径方向内側に位置する部分に備えられている。本例では、軽量雄テーパ面部２０ａの大径側の端部は、軽量雌テーパ面部２６の小径側の端部に直接接続されている。

重量雌テーパ面部２１ａは、重量軸部ＨＳ５（１８ａ、１８ｂ）の軸方向端部のうち、重量雄テーパ面部２７の径方向内側に位置する部分に備えられている。本例では、重量雌テーパ面部２１ａの大径側の端部は、重量雄テーパ面部２７の小径側の端部に直接接続されている。

本例では、摩擦圧接部Ｐ１の軸方向長さは、摩擦圧接部Ｐ２の軸方向長さよりも小さい。ただし、本発明を実施する場合には、摩擦圧接部Ｐ１と摩擦圧接部Ｐ２との軸方向長さの大小関係を、本例と異ならせることもできる。

本例では、摩擦圧接部Ｐ１の、中心軸に対する傾斜角度を、摩擦圧接部Ｐ２の、中心軸に対する傾斜角度よりも小さくしている。ただし、本発明を実施する場合には、摩擦圧接部Ｐ１と摩擦圧接部Ｐ２との傾斜角度の大小関係を、本例と異ならせることもできる。

本例では、ラック軸１２の接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれは、摩擦圧接部Ｐ２に対して径方向に重畳する摩擦圧接部Ｐ１を備えるため、決められた軸方向範囲内において、接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれの圧接面積を確保しやすい。したがって、接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれの曲げ強度を確保しやすい。

なお、本発明を実施する場合には、図９に示す、実施の形態の第５例の変形例のように、重量雌テーパ面部２１ａの大径側の端部を重量雄テーパ面部２７の小径側の端部に、面取り部２８を介して接続することにより、摩擦圧接部Ｐ１、Ｐ２の間に、これらの摩擦圧接部Ｐ１、Ｐ２を形成することに伴って生じたバリを逃がすための空間４５を確保することもできる。
その他の構成および作用効果は、実施の形態の第４例と同様である。

［実施の形態の第６例］
本発明の実施の形態の第６例について、図１０および図１１を用いて説明する。

本例では、ラック軸１２の接合部１９ａ、１９ｂ（図１～図３参照）のそれぞれは、軽量軸部ＬＳ５（１７（図１～図３参照））の軸方向端部と重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ（図１～図３参照））の軸方向端部との凹凸係合部Ｆ、および、軽量軸部ＬＳ５（１７）の軸方向端面と重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の軸方向端面との摩擦攪拌接合部Ｓ１により構成されている。

具体的には、本例では、軽量軸部ＬＳ５（１７）は、中実の軸部により構成されている。軽量軸部ＬＳ５（１７）は、軸方向端部の径方向中央部に、軸方向端面にのみ開口する凹孔２９を有する。凹孔２９の内周面は、円筒面により構成されている。軽量軸部ＬＳ５（１７）は、軸方向端部のうち、凹孔２９の開口側端部の周囲部分に、軸方向に突出する環状凸部３０を有する。環状凸部３０の外周面は、円筒面により構成されている。軽量軸部ＬＳ５（１７）は、軸方向端面のうち、環状凸部３０の径方向外側に隣接する部分である径方向外端部に、軽量環状平面部３１を有する。軽量環状平面部３１は、中心軸に対して直交する円環状の平面により構成されている。

本例では、重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）は、中実の軸部により構成されている。重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）は、軸方向端部の径方向中央部に、軸方向に突出する凸部３２を有する。凸部３２の外周面は、円筒面により構成されている。重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）は、軸方向端部のうち、凸部３２の基端部の周囲部分に、軸方向に凹入する環状凹部３３を有する。環状凹部３３の内面を構成する径方向外側の周面は、円筒面により構成されている。重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）は、軸方向端面のうち、環状凹部３３の径方向外側に近接する部分である径方向外端部に、重量環状平面部３４を有する。重量環状平面部３４は、中心軸に対して直交する円環状の平面により構成されている。

凹凸係合部Ｆは、軽量軸部ＬＳ５（１７）の軸方向端部と重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の軸方向端部とが凹凸係合している部位、換言すれば、凹凸で噛み合っている部位であり、軽量軸部ＬＳ５（１７）の軸方向端部と重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の軸方向端部との接触面積を確保するための部位である。本発明を実施する場合、凹凸係合部Ｆの構造は任意であるが、本例では、凹凸係合部Ｆは、軽量軸部ＬＳ５（１７）の凹孔２９と重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の凸部３２との係合部、および、軽量軸部ＬＳ５（１７）の環状凸部３０と重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の環状凹部３３との係合部により構成されている。

軽量軸部ＬＳ５（１７）の凹孔２９と重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の凸部３２との係合部は、軽量軸部ＬＳ５（１７）の凹孔２９の内周面と、重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の凸部３２の外周面とを、中間嵌め、または、締り嵌め（圧入）により嵌合させてなる、嵌合部ｆ１を有する。軽量軸部ＬＳ５（１７）の環状凸部３０と重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の環状凹部３３との係合部は、軽量軸部ＬＳ５（１７）の環状凸部３０の外周面と、重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の環状凹部３３の内面を構成する径方向外側の周面とを、中間嵌め、または、締り嵌め（圧入）により嵌合させてなる、嵌合部ｆ２を有する。

摩擦攪拌接合部Ｓ１は、軽量軸部ＬＳ５（１７）の軽量環状平面部３１と、重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の重量環状平面部３４とを、拡散接合の一種である摩擦攪拌接合することにより構成されている。摩擦攪拌接合は、先端にプローブを有する回転子を回転させながら部材間の突き合わせ部に押し込み、摩擦熱によって軟化した突き合わせ部を攪拌（塑性流動化）することにより拡散接合する技術である。本例では、軽量環状平面部３１と重量環状平面部３４との突き合わせ部に、前記回転子を回転させながら押し込み、該押し込みの位置を周方向に移動させることに基づいて、軽量環状平面部３１と重量環状平面部３４とを全周にわたり摩擦攪拌接合することにより、摩擦攪拌接合部Ｓ１を形成する。

特に、本例では、図１１に矢印で前記回転子の押し込み位置の移動経路を示すように、該移動経路の開始点ＰＳと終了点ＰＥとのそれぞれを、重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の外周部に位置させる。これにより、前記回転子の押し込みの開始段階および終了段階の痕跡が、強度の低い軽量軸部ＬＳ５（１７）ではなく、強度の高い重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の外周部に形成されるようにすることで、ラック軸の強度に支障が出ないようにしている。

なお、重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）は、雌ねじ孔１６（図２参照）を形成する都合上、外径を十分に確保しておく必要があるが、軽量軸部ＬＳ５（１７）は、必要な曲げ剛性が確保できれば、外径を小さくしてもよい。このため、本例では、軽量軸部ＬＳ５（１７）の外径を、摩擦攪拌接合部Ｓ１を形成する軸方向端部のみで重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の外径と同じ大きさとし、それ以外の部分では、重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の外径よりも小さくしている。

本例では、ラック軸１２の接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれが、摩擦攪拌接合部Ｓ１だけでなく、凹凸係合部Ｆ（嵌合部ｆ１、ｆ２）を含んで構成されている。このため、接合部１９ａ、１９ｂのそれぞれに関して、軽量軸部ＬＳ５（１７）の軸方向端部と重量軸部ＨＳ６（１８ａ、１８ｂ）の軸方向端部との接触面積を確保しやすく、曲げ強度を確保しやすい。
その他の構成および作用効果は、実施の形態の第１例と同様である。

［実施の形態の第７例］
本発明の実施の形態の第７例について、図１２～図１４を用いて説明する。

本例のラック軸１２ａでは、ラック歯１４の背面側の半部が、軽量軸部１７ａの一部により構成されており、かつ、ラック歯１４を備えた一方側の重量軸部１８ｃと軽量軸部１７ａとの接合部１９ｃが、摩擦攪拌接合部Ｓ２により構成されている。

具体的には、本例では、一方の重量軸部１８ｃは、軸方向一方側の端部に、略円柱状の重量円柱部３５を有し、かつ、軸方向中間部および軸方向他方側端部に、重量円柱部３５のうちで径方向に関してラック歯１４側の半部から軸方向他方側に向けて伸長した略矩形板状の重量板部３６を有する。ラック歯１４は、重量円柱部３５と重量板部３６とに掛け渡すように備えられており、軸方向一方側の雌ねじ孔１６は、重量円柱部３５に備えられている。このような重量軸部１８ｃでは、図１３に示すように、重量円柱部３５の軸方向他方側の端面３９と、重量板部３６のラック歯１４と反対側の側面４１と、重量板部３６の軸方向他方側の端面４３とが、互いに連続する状態でクランク形に配置されている。

軽量軸部１７ａは、軸方向他方側部に、円柱状の軽量円柱部３７を有し、かつ、軸方向一方側部に、軽量円柱部３７のうちで径方向に関してラック歯１４と反対側の半部から軸方向一方側に向けて伸長した半円柱状の軽量板部３８を有する。このような軽量軸部１７ａでは、軽量板部３８の軸方向一方側の端面４０と、軽量板部３８のラック歯１４側の側面４２と、軽量円柱部３７の軸方向一方側の端面４４とが、互いに連続する状態でクランク形に配置されている。

摩擦攪拌接合部Ｓ２は、重量円柱部３５の軸方向他方側の端面３９と軽量板部３８の軸方向一方側の端面４０との突き当て部、重量板部３６のラック歯１４と反対側の側面４１と軽量板部３８のラック歯１４側の側面４２との突き当て部、および、重量板部３６の軸方向他方側の端面４３と軽量円柱部３７の軸方向一方側の端面４４との突き当て部のそれぞれを、摩擦攪拌接合することにより構成されている。

図１４は、図１３において、ラック軸１２ａの軸方向一方側の半部を下方から見た図である。本例では、摩擦攪拌接合を行うために用いる回転子の押し込み位置の移動経路を、図１４に矢印で示すように設定している。すなわち、本例では、該移動経路の開始点ＰＳと終了点ＰＥとのそれぞれを、重量軸部１８ｃの外周部に位置させる。これにより、前記回転子の押し込みの開始段階および終了段階の痕跡が、強度の低い軽量軸部１７ａではなく、強度の高い重量軸部１８ｃの外周部に形成されるようにすることで、ラック軸１２ａの強度に支障が出ないようにしている。

本例のラック軸１２ａでは、ラック歯１４の背面側の半部が、軽量軸部１７ａの一部により構成されているため、ラック軸１２ａのさらなる軽量化を実現することができる。

本例のラック軸１２ａでは、ラック歯１４の背面側の半部が、軽量軸部１７ａの一部により構成されており、かつ、ラック歯１４を備えた一方側の重量軸部１８ｃと軽量軸部１７ａとの接合部１９ｃが、摩擦攪拌接合部Ｓ２により構成されている。このため、接合部１９ｃの曲げ強度を確保しやすい。
その他の構成及び作用効果は、実施の形態の第１例と同様である。

本発明は、上述した各実施の形態の構成を、矛盾が生じない範囲で、適宜組み合わせて実施することができる。

１ ステアリング装置
２ ステアリングホイール
３ ステアリングシャフト
４ ステアリングコラム
５ 電動アシスト装置
６ａ、６ｂ 自在継手
７ 中間シャフト
８ ステアリングギヤユニット
９ 球面継手
１０ タイロッド
１１ ピニオン軸
１２、１２ａ ラック軸
１３ ピニオン歯
１４ ラック歯
１５ 操舵輪
１６ 雌ねじ孔
１７、１７ａ 軽量軸部
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 重量軸部
１９ａ、１９ｂ 接合部
２０、２０ａ 軽量雄テーパ面部
２１、２１ａ 重量雌テーパ面部
２２ バリ
２３ 周方向溝
２４、２４ａ 庇筒部
２５ かしめ部
２６ 軽量雌テーパ面部
２７ 重量雄テーパ面部
２８ 面取り部
２９ 凹孔
３０ 環状凸部
３１ 軽量環状平面部
３２ 凸部
３３ 環状凹部
３４ 重量環状平面部
３５ 重量円柱部
３６ 重量板部
３７ 軽量円柱部
３８ 軽量板部
３９ 端面
４０ 端面
４１ 側面
４２ 側面
４３ 端面
４４ 端面
４５ 空間

Claims (9)

1. 軸方向一部分の周方向１箇所にラック歯、および、軸方向両側の端部のそれぞれに、軸方向端面に開口する雌ねじ孔を有し、
   アルミニウム合金により構成され、前記ラック歯および前記雌ねじ孔のいずれをも備えていない、軽量軸部と、
   鋼により構成され、前記ラック歯および前記雌ねじ孔を備え、かつ、前記軽量軸部に接合されている重量軸部と、
   を有し、
   前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、摩擦圧接部または摩擦攪拌接合部を含んで構成されている、
   ラック軸。
2. 前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、前記軽量軸部の軸方向端部に備えられた、径方向外側を向いたテーパ面部である軽量雄テーパ面部と、前記重量軸部の軸方向端部に備えられた、径方向内側を向いたテーパ面部である重量雌テーパ面部との摩擦圧接部を含んで構成されている、請求項１に記載のラック軸。
3. 前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、前記軽量雄テーパ面部と前記重量雌テーパ面部との摩擦圧接部の形成に伴って生じたバリと、前記軽量軸部の外周面に備えられた周方向に伸長する周方向溝との係合部を含んで構成されている、請求項２に記載のラック軸。
4. 前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、前記重量軸部の軸方向端部に備えられたかしめ部と、前記軽量軸部の外周面に備えられた周方向に伸長する周方向溝との係合部を含んで構成されている、請求項２に記載のラック軸。
5. 前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、前記軽量軸部の軸方向端部に備えられた、径方向内側を向いたテーパ面部である軽量雌テーパ面部と、前記重量軸部の軸方向端部に備えられた、径方向外側を向いたテーパ面部である重量雄テーパ面部との摩擦圧接部を含んで構成されている、請求項１に記載のラック軸。
6. 前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、前記軽量軸部の軸方向端部のうち、前記軽量雌テーパ面部の径方向内側に位置する部分に備えられた、径方向外側を向いたテーパ面部である軽量雄テーパ面部と、前記重量軸部の軸方向端部のうち、前記重量雄テーパ面部の径方向内側に位置する部分に備えられた、径方向内側を向いたテーパ面部である重量雌テーパ面部との摩擦圧接部を含んで構成されている、請求項５に記載のラック軸。
7. 前記軽量軸部と前記重量軸部との接合部が、前記軽量軸部の軸方向端部と前記重量軸部の軸方向端部との凹凸係合部、および、前記軽量軸部の軸方向端面と前記重量軸部の軸方向端面との摩擦攪拌接合部を含んで構成されている、請求項１に記載のラック軸。
8. 前記ラック軸のうち、前記ラック歯の背面側の半部が、前記軽量軸部の一部により構成されており、
   前記重量軸部と前記軽量軸部との接合部が、摩擦攪拌接合部により構成されている、
   請求項１に記載のラック軸。
9. ピニオン歯を有し、ステアリングホイールの回転操作に伴って回転するピニオン軸と、
   前記ピニオン歯と噛合するラック歯を有するラック軸と、
   を備え、
   前記ラック軸が、請求項１～８のいずれかに記載のラック軸により構成されている、
   ステアリング装置。

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