JP3763339B2

JP3763339B2 - ラック軸およびその製造方法

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Publication number: JP3763339B2
Application number: JP04199699A
Authority: JP
Inventors: 壮一岩佐
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: JP2000238650A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラック軸に関する。例えば、自動車のラックアンドピニオン式舵取り装置等に利用されるラック軸に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ラックアンドピニオン式舵取り装置では、自動車のハンドルに連結されるピニオンが回転し、それに伴いピニオンと噛み合うラック軸が車両幅方向に移動して、その結果、ラック軸の端部に連結される車輪の向きを変えて、車両の操舵がなされる。このとき、ラック軸には、ピニオンからの軸方向の力の他、車輪からの曲げ力が作用する。
【０００３】
上述のラック軸は、例えば、中空軸の外周面を冷間鍛造して平坦部を形成した後、この平坦部にラック歯を形成することにより製造している。ラック軸の外周面は平坦部と円周面で構成され、その断面形状が略Ｄ字形形状となっている（図５参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この断面形状が略Ｄ字形形状の中空のラック軸では、曲げ力が働く方向による曲げ強度のばらつきが大きい傾向にある。例えば、ラック軸を反らせるように曲げ力がかかる場合を想定する。図５に示すように、ラック軸９４の軸方向から見たとき、曲げの中立軸ＮＡが、平坦部ＣＬに対してなす角度Ｄが、約２０度となる場合に、曲げ強度が著しく低下する。
【０００５】
ところで、コスト低減の要請のため、レイアウトの異なる複数の舵取り装置でラック軸が共用化されている。従って、ラック軸が曲げ力を受ける方向もまちまちとなるが、上述のように曲げ強度が低い方向への曲げ負荷は避けなければならず、舵取り装置のレイアウトに制限があった。
また、舵取り装置に限らず一般の機械や装置等であっても、ラック軸を利用する場合に、曲げ方向に関して曲げ強度のばらつきが大きいと好ましくない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、曲げ方向に関する強度のばらつきを少なくできるラック軸およびこれの製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、請求項１に記載のラック軸は、ピニオンと噛み合うラック歯が軸方向の少なくとも一部の外周面に形成されたラック軸において、上記ラック軸は、外周面と内周面とが形成された中空軸からなり、上記外周面は、軸方向に延びる複数の平坦部を周方向に沿って配置することにより、断面形状を略六角形形状とされ、一の平坦部にラック歯が形成され、外周面の断面形状が六角形形状とされることにより、曲げ方向による曲げ強度のばらつきを少なくしつつ、上記ラック歯の歯幅が確保されるように形成されていて、上記各平坦部は、冷間鍛造により形成されてなり、上記冷間鍛造時に生じた応力が上記内周面の全周にわたって分散されており、上記内周面は、ラック歯が形成される上記一の平坦部の直近の内側に上記一の平坦部に略平行に形成された平面と、該平面に対向する円周面と、上記平面および上記円周面の両端を滑らかに接続する凹湾曲面とにより構成され、上記内周面の断面形状が、略Ｄ字形状に形成されたことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、断面形状を略六角形形状とすることにより、略Ｄ字形状に形成された従来のラック軸に比べて、曲げ方向に関する曲げ強度のばらつきが少なくなる。
【０００９】
また、冷間鍛造される平坦部を複数設けて、全周にわたって配置することになるので、応力集中を緩和することができる。また、内周面の断面形状が、略Ｄ字形状に形成されたことにより、強度低下を防止することができる。
請求項２に記載のラック軸の製造方法は、ピニオンと噛み合うラック歯が外周面の一部に軸方向に形成されたラック軸の製造方法であって、外周面および内周面を有する中空軸の外周面に軸方向に延びる６つの平坦部を周方向に配して上記外周面の断面形状を略六角形形状をなすように形成し、且つ上記内周面を、上記外周面の一の平坦部の直近の内側にあり上記一の平坦部に略平行な平面と、該平面に対向する円周面と、上記平面および上記円周面の両端を滑らかに接続する凹湾曲面とに形成することにより、上記内周面の断面形状を略Ｄ字形状に形成する工程、および上記外周面の上記一の平坦部にラック歯を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態のラック軸を、これを有した舵取り装置を例に説明する。図１は、上述の舵取り装置の概略構成を示す正面断面図である。
本舵取り装置１は、ラックアンドピニオン式のものである。舵取り装置１は、車両のハンドル（図示せず）に連結される入力軸２と、この入力軸２に連結されるピニオン３と、このピニオン３と噛み合うラック歯４４が周面の一部に形成されたラック軸４と、ラック軸４を覆うハウジング５とを有している。
【００１２】
ハウジング５は、ピニオン３およびラック軸４の噛み合い部を覆うギアボックス５１と、このギアボックス５１に連接された筒状のシリンダ５２とにより構成されている。ハウジング５は、ギアボックス５１内で軸受５３を介してピニオン３を回転自在に支持し、また、シリンダ５２の端部に設けられたラックブッシュ５４と、ギアボックス５１内に設けられたサポートヨーク５６（図３参照）とを介してラック軸４を摺動自在に保持している。
【００１３】
ラック軸４の両端部は、ハウジング５の両端の開口部から突出している。ラック軸４の両端部には、ボールジョイント６、タイロッド７等を介して操向車輪（図示せず）が連結されている。
また、本舵取り装置１は、ラック軸４の軸方向の移動を補助する操舵補助用のパワーシリンダ８と、このパワーシリンダ８に操舵方向と操舵抵抗に応じて圧油を供給するために入力軸２の周囲に設けられた油圧制御弁９とを有して、油圧パワーステアリング装置に構成されている。なお、本発明を、パワーシリンダ８および油圧制御弁９を省略したマニュアル型の舵取り装置にも適用することができる。
【００１４】
ハンドルを操作すると、ピニオン３が回動し、これに噛み合うラック軸４がその軸方向（車幅方向）に移動する。これにより操向車輪を操向することができる。これとともに、操舵方向と操舵抵抗に応じて油圧制御弁９により圧油がパワーシリンダ８に供給され、パワーシリンダ８によりラック軸４に操向操作の補助力が付与される。
【００１５】
ところで、ラック軸４には、操向車輪からタイロッド７、ボールジョイント６を介して、曲げ力が作用することがある。舵取り装置１の車両でのレイアウトに応じて、上述の曲げ力の方向も決まるが、曲げ力の方向が異なると、従来のラック軸を利用することができなくなる場合があった。これに対して、本発明では、曲げ力の方向に関わらずに共通のラック軸４を利用することができる。以下、詳細に説明する。
【００１６】
ラック軸４は、真っ直ぐに延びた長尺の中空軸である。ラック軸４は、その軸方向の中間部にあってラック歯４４を有する歯形成部４１と、歯形成部４１の両端から軸方向の両側に延設されてボールジョイント６に接続される２つの延設部４２とを有しており、これら各部は一体に形成されている。
延設部４２の断面形状は、円形環状に形成されている。延設部４２の一部がパワーシリンダ８を貫通している。延設部４２は、外周面が円周面からなるので、一般的なオイルシール等を利用できて、パワーシリンダ８で作動油を容易に封止することができ、また、曲げ方向にかかわらず均一な曲げ強度を得られる。
【００１７】
歯形成部４１の外周面４１ａには、図２の断面図に示すように、複数、例えば６つの平坦部４１ｂ〜４１ｇが形成されている。これら複数の平坦部４１ｂ〜４１ｇは、外周面４１ａの周方向に沿って配置され、断面形状を略６角形形状に構成している。各平坦部４１ｂ〜４１ｇは、ラック軸４の軸方向に延びる平行な平面で形成されている。また、互いに隣接する平坦部４１ｃ〜４１ｇ同士は、円周面４１ｒにより接続されている。一の平坦部４１ｂにラック歯４４、例えば斜歯が形成され、平坦部４１ｃ〜４１ｇにはラック歯４４は形成されずに、平面とされている。
【００１８】
ラック歯４４が形成された平坦部４１ｂは、幅方向（その平坦部４１ｂの表面に沿う方向であり、且つラック軸４の軸方向に直交する方向）に、他の平坦部４１ｃ〜４１ｇと比べて長く形成されている。このように、ラック歯４４を、幅方向に長い平坦部４１ｂに形成しているので、ピニオン３とのかみ合い部での歯幅を確保できるようになっている。
【００１９】
歯形成部４１の内周面４１ｈは、後述するように無理なく冷間鍛造できる形状であり、鍛造等の塑性変形による応力集中を緩和するような形状に形成されている。例えば、内周面４１ｈは、平面４１ｊと、円周面４１ｉと、平面４１ｊおよび円周面４１ｉを滑らかに接続する凹湾曲面４１ｋで形成され、略Ｄ字形状の断面形状を有している。平面４１ｊは、ラック歯４４の形成された平坦部４１ｂの直近の内側に形成されている。また、凹湾曲面４１ｋにより、冷間鍛造時に平面４１ｊおよび円周面４１ｉの接続部に皺が生じることが防止され、皺に起因する強度の低下や、また、皺に起因する焼き入れ時の焼き割れを防止することができる。
【００２０】
また、ラック軸４は、図３の左側面断面図に示すように、ギアボックス５１内で、ラック歯４４に対する背面側から圧縮ばね５７によってサポートヨーク５６を介して付勢され、ピニオン３との噛み合いを維持するようにされている。
サポートヨーク５６は、ギアボックス５１に形成された保持孔５１ａ内に保持され、ラック軸４の軸方向およびピニオン３の回転軸の延びる方向に共に直交する方向（図３の矢印Ｍ参照）に摺動自在とされている。サポートヨーク５６は、柱状部材で、その一端で圧縮ばね５７と当接し、その他端に、押圧面５６ａが形成されている。この押圧面５６ａは、複数、例えば３つの平面を含み、各平面は、ラック軸４の背面となる平坦部４１ｄ〜４１ｆに面当たり状態でそれぞれ当接して、ラック軸４のその軸回りの回転を規制しつつ、ラック軸４を押しつけている。
【００２１】
次に、本ラック軸４の歯形成部４１の製造方法を図４を参照して説明する。
まず、断面略円形の鋼管９０をワークとする（図４（ａ），（ｂ）参照）。
このワークの歯形成部４１となる部分を冷間鍛造する。すなわち、ワークに芯金９１を挿入しておく。この芯金９１の横断面形状は、ラック軸４の歯形成部４１の内周面４１ｈの形状に形成されている。ワークの外周面を全周にわたって、例えばプレス加工により塑性変形させて、複数の平坦部４１ｂ〜４１ｇ等の外周面４１ａおよび内周面４１ｈを同時に形成する（図４（ｃ），（ｄ）参照）。
【００２２】
次に、平坦部４１ｂにラック歯４４を形成する（図４（ｅ），（ｆ）参照）。このラック歯４４の歯切り加工には、公知の方法を利用できる。さらに、ラック歯４４を所定の硬度になるように硬化処理を施す。この硬化処理には、公知の熱処理や表面処理の方法を利用できる。
このように本実施の形態によれば、図２に示すように、ラック軸４の歯形成部４１の横断面形状が略多角形形状であるので、略Ｄ字形状の外形に形成された従来のラック軸（図５参照）に比べて、曲げ方向に関する曲げ強度のばらつきが少なくなる。その結果、例えば、本ラック軸４が適用される舵取り装置１の車両でのレイアウトの自由度を高めることができる。従って、本ラック軸４を備える舵取り装置１をより多くの車両に適用することができる。
【００２３】
ここで、曲げ方向による曲げ強度のばらつきが少なくなる作用は、断面形状が略多角形形状であればよく、中空軸の他、中実軸であってもよいし、また、ラック軸４の製造方法にもよらない。
また、ラック軸４は、冷間鍛造される複数の平坦部４１ｂ〜４１ｇを外周面４１ａの全周にわたって配置しているので、応力集中を緩和することができる。というのは、中空軸からなるラック軸４の平坦部４１ｂ〜４１ｇを冷間鍛造により形成する場合には、平坦部４１ｂ〜４１ｇに近い内周面近傍に応力集中が生じることがあるが、このときの集中する応力を全周にわたって分散させることができるので、曲げ方向による曲げ強度のばらつきを確実に少なくすることができる。
【００２４】
また、上述の製造方法では、冷間鍛造は各平坦部４１ｂ〜４１ｇで同時にされるので、平坦部４１ｂ〜４１ｇ毎に分けて冷間鍛造する場合に比べて、冷間鍛造に伴う残留応力や歪み等も断面全体でバランスし易い。その結果、部分的な残留応力や歪みに起因する曲げ強度の低下を防止できる。その結果、曲げ方向による曲げ強度のばらつきを確実に少なくすることができる。
【００２５】
また、サポートヨーク５６の押圧面５６ａとラック軸４の平坦部４１ｄ〜４１ｆとが平面同士で当接するので、ラック軸４のその軸回りの回転を抑制でき、操舵操作時の快適感である操舵フィーリングを向上させることができる。
また、ラック軸４の断面の外形形状は、略６角形が好ましい。というのは、３角形、４角形および５角形の場合には、平坦部を冷間鍛造する際の変形量が大きくなるので、残留応力や応力集中が生じることが懸念される。また、７角形以上の多角形の場合には、６角形の場合と断面の大きさをほぼ同じにしたときに、ラック歯４４の歯幅を十分に確保し難くなるからである。
【００２６】
なお、横断面の外形に関する上述の略多角形形状とは、外形の隣接する辺同士が角を形成する通常の多角形形状の他、外形で隣接する辺同士が曲線で互いに接続される上述したような多辺形形状も含み、また、多角形としては、各辺の長さが同じの正多角形の他、各辺の長さが異なるものも含む趣旨である。
【００２７】
また、ラック軸４の各平坦部４１ｂ〜４１ｇは、公知の加工方法を利用して形成してもよい。
その他、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、曲げ方向による曲げ強度のばらつきを少なくできるので、本ラック軸が適用される舵取り装置の車両でのレイアウトの自由度を高めることができる。また、冷間鍛造された複数の平坦部を全周に配置することによって、応力を分散させることができるので、曲げ方向による曲げ強度のばらつきを確実に少なくすることができる。また、強度低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のラック軸を備える舵取り装置の概略構成を示す一部断面正面図である。
【図２】図１に示すラック軸の左側面断面図である。
【図３】図１に示す舵取り装置の左側面断面図であり、ラック軸とピニオンとの噛み合い部近傍の断面を示す。
【図４】図２に示すラック軸の製造工程を説明するための断面図であり、（ａ）の正面断面図および（ｂ）の側面断面図、（ｃ）の正面断面図および（ｄ）の側面断面図、（ｅ）の正面断面図および（ｆ）の側面断面図の各対がそれぞれ対応している。
【図５】従来のラック軸の断面図である。
【符号の説明】
３ピニオン
４ラック軸
４１ａ外周面
４１ｂ平坦部（一の平坦部）
４１ｃ〜４１ｇ平坦部
４１ｈ内周面
４１ｉ円周面
４１ｊ平面
４１ｋ凹湾曲面
４４ラック歯

Claims

ピニオンと噛み合うラック歯が軸方向の少なくとも一部の外周面に形成されたラック軸において、
上記ラック軸は、外周面と内周面とが形成された中空軸からなり、
上記外周面は、軸方向に延びる複数の平坦部を周方向に沿って配置することにより、断面形状を略六角形形状とされ、一の平坦部にラック歯が形成され、
外周面の断面形状が六角形形状とされることにより、曲げ方向による曲げ強度のばらつきを少なくしつつ、上記ラック歯の歯幅が確保されるように形成されていて、
上記各平坦部は、冷間鍛造により形成されてなり、上記冷間鍛造時に生じた応力が上記内周面の全周にわたって分散されており、
上記内周面は、ラック歯が形成される上記一の平坦部の直近の内側に上記一の平坦部に略平行に形成された平面と、該平面に対向する円周面と、上記平面および上記円周面の両端を滑らかに接続する凹湾曲面とにより構成され、上記内周面の断面形状が、略Ｄ字形状に形成されたことを特徴とするラック軸。
ピニオンと噛み合うラック歯が外周面の一部に軸方向に形成されたラック軸の製造方法であって、
外周面および内周面を有する中空軸の外周面に軸方向に延びる６つの平坦部を周方向に配して上記外周面の断面形状を略六角形形状をなすように形成し、且つ上記内周面を、上記外周面の一の平坦部の直近の内側にあり上記一の平坦部に略平行な平面と、該平面に対向する円周面と、上記平面および上記円周面の両端を滑らかに接続する凹湾曲面とに形成することにより、上記内周面の断面形状を略Ｄ字形状に形成する工程、および
上記外周面の上記一の平坦部にラック歯を形成する工程
を含むことを特徴とするラック軸の製造方法。