JP4178321B2 - ラックアンドピニオン式ステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラック歯とピニオンとの噛合い状態を高精度で維持することができるラックアンドピニオン式ステアリング装置に関する。

昨今の自動車用ステアリング装置においては、ラックアンドピニオン式のステアリング装置が良く用いられている。ラックアンドピニオン式のステアリング装置では、相互に噛み合うラック軸とピニオン軸を有し、ステアリングホイールを操作することでピニオン軸の運動をラック軸に伝達し、ラック軸と連結している車輪を操舵する。

ラック軸のラック歯はねじれ角を有する。したがって、ピニオン軸に形成されるピニオンの回転によるラック軸に作用する力は、ラック軸を軸長方向に摺動させる力とラック軸の軸長方向と垂直な方向の力との合力となる。斯かるラック軸の軸長方向と垂直な方向の分力により生じる回転モーメントによりラック軸が揺動し、回転変位（以下、ラックツイストという）が生じる。

斯かるラックツイストの発生により、ラック軸の揺動による歯打ち音が発生する等の問題がある。斯かる問題を解決すべく、ラック軸をピニオン軸側へ押し付けることによってラック軸の回転を止めるラック支持部材を設けている。例えば特許文献１では、ラック軸の背面、すなわちラック歯とピニオンとの噛合い部分の反対側部分におけるラック軸の軸方向と垂直な方向の断面形状をＹ字形状または円形状とし、それに対応してラック軸を支持する側のラック軸の軸方向と垂直な方向の断面形状をＹ字形状または円形状としてラック軸を支持するラック支持部材を設けている。

しかし、ラック軸の背面における軸方向と垂直な方向の断面形状がＹ字形状または円形状である場合には、ラック軸とラック支持部材とが面接触する場合、フリクションが過大となり、特に負荷が大きい。ラックツイストが生じた場合においては、ラック軸とラック支持部材とが線接触した場合には、この接触部分に加わる圧力が増大し、磨耗が増大する原因となるという問題点があった。

斯かる問題点を解決するために、例えば特許文献２においては、ラック軸の背面における軸方向と垂直な方向の断面形状がＹ字形状または円形状であるが、ラック軸側におけるＹ字形状の各辺または円形状が凸円弧形状を有し、対応する部分において、ラック軸の軸方向と垂直な方向の断面形状が半径の異なる凹円弧形状をなす部分を２つ有するラック支持部材を回転止めとして設けるステアリング装置が開示されている。

このようにすることで、ラック軸とラック支持部材とは線接触し、ラック軸の回転を効果的に抑止することができることから、ラックツイストによるラック歯とピニオンの噛合い抵抗の増加、歯面の偏磨耗等を低減することができる。
特公昭６０−１３８６７号公報 特開２００１−１０５１０号公報

しかし、特許文献２に開示されている構造は、ラック支持部材による圧接摩擦力によってラック軸の回転を抑制しようとするものであり、完全にはラック軸の回転を止めることができない。したがって、依然としてラックツイストによるラック歯とピニオンの噛合い抵抗の増加、歯面の偏磨耗等に起因する歯打ち音の発生、操舵感覚の減退等の支障が生じるおそれがあるという問題点が残されている。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、フリクションを低減させつつ、ラック軸の回転を抑止することができ、ラックツイストによるラック歯とピニオンの噛合い抵抗の増加、又は歯面の偏磨耗等に起因する歯打ち音の発生の防止、操舵感覚の向上等を図ることができるラックアンドピニオン式ステアリング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために第１発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ラック軸を摺動可能に支持するラック支持部材を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置において、前記ラック軸は、前記ラック支持部材により支持される側に、前記ラック軸の軸断面形状が、２つの凹円弧を組み合わせてなる略Ｖ字形状である部分を有し、前記ラック支持部材は、前記ラック軸の軸方向と垂直な方向の断面形状が、前記ラック軸の凹円弧形状と接する凸円弧形状をなす２つの部分を有し、前記ラック軸における凹円弧の半径が前記ラック支持部材における凸円弧の半径よりも大きく、前記ラック支持部材及び前記ラック軸が当接する２つの部分での円弧の法線の交点が、軸方向に移動する前記ラック軸の全移動範囲で前記ラック軸のラック歯の基準ピッチ線上に位置することを特徴とする。

第１発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置では、ラック軸及びラック支持部材における両円弧の半径が相違することによってラック軸とラック支持部材とを線接触させることができるとともに、ラック軸側における凹円弧の半径がラック支持部材側における凸円弧の半径よりも大きいことから、ラック軸に回転モーメントが生じた場合であっても、ラック軸の回転を確実に抑止することができ、ラックツイストによるラック歯とピニオンの噛合い抵抗の増加、又は歯面の偏磨耗等を低減することが可能となる。

また、ラック軸に回転モーメントを生じさせる力は、ラック軸とピニオン軸との噛合い部分、すなわちラック軸のラック歯の基準ピッチ線上で生じるから、ラック歯のねじれ角によりラック軸の軸長方向と垂直な方向の分力が生じた場合であっても、ラック支持部材及びラック軸が当接する２つの部分での円弧の法線の交点が軸方向に移動するラック軸の全移動範囲でラック歯の基準ピッチ線上に存在する限り、回転モーメントのアームが０（ゼロ）となり、ラックツイストを生じさせる回転モーメントがラック軸に生じない。したがって、確実にラック軸の回転を抑止することができ、ラックツイストによる歯打ち音の発生、操舵感覚の減退等の支障を防止することが可能となる。

次に、上記目的を達成するために第２発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ラック軸を摺動可能に支持するラック支持部材を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置において、前記ラック軸は、前記ラック支持部材により支持される側に、前記ラック軸の軸断面形状が、２つの凸円弧を組み合わせてなる略Ｖ字形状である部分を有し、前記ラック支持部材は、前記ラック軸の軸方向と垂直な方向の断面形状が、前記ラック軸の凸円弧形状と接する凹円弧形状をなす２つの部分を有し、前記ラック支持部材における凹円弧の半径が前記ラック軸における凸円弧の半径よりも大きく、前記ラック支持部材及び前記ラック軸が当接する２つの部分での円弧の法線の交点が、軸方向に移動する前記ラック軸の全移動範囲で前記ラック軸のラック歯の基準ピッチ線上に位置することを特徴とする。

第２発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置では、ラック軸及びラック支持部材における両円弧の半径が相違することによってラック軸とラック支持部材とを線接触させることができるとともに、ラック支持部材側における凹円弧の半径がラック軸側における凸円弧の半径よりも大きいことから、ラック軸に回転モーメントが生じた場合であっても、ラック軸の回転を機構的に抑止することができ、ラックツイストによるラック歯とピニオンの噛合い抵抗の増加、又は歯面の偏磨耗等を低減することが可能となる。

また、ラック軸に回転モーメントを生じさせる力は、ラック軸とピニオン軸との噛合い部分、すなわちラック軸のラック歯の基準ピッチ線上で生じるから、ラック歯のねじれ角によりラック軸の軸長方向と垂直な方向の分力が生じた場合であっても、ラック支持部材及びラック軸が当接する２つの部分での円弧の法線の交点が軸方向に移動するラック軸の全移動範囲でラック歯の基準ピッチ線上に存在する限り、回転モーメントのアームが０（ゼロ）となり、ラックツイストを生じさせる回転モーメントがラック軸に生じない。したがって、確実にラック軸の回転を抑止することができ、ラックツイストによる歯打ち音の発生、操舵感覚の減退等の支障を防止することが可能となる。

以上のように本発明によれば、ラック軸とラック支持部材との当接部分におけるラック軸の軸方向と垂直な方向の断面形状の円弧半径が相違することによってラック軸とラック支持部材とを線接触させ、ラック軸に回転モーメントを生じた場合にもラック軸の回転を抑止することができるとともに、ラック軸に回転モーメントを生じないようにすることで、ラックツイストによる歯打ち音の発生、操舵感覚の減退等の支障を防止することが可能となる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置の概略構成を示す自動車の側面から見た側面断面図である。図１に示すように、ピニオン軸２は上下方向に配置されており、拡径された下半部にピニオン２０が一体形成され、ピニオン２０の下側及び上側に配置されている一対の玉軸受け２１、２２により、筒型のピニオンハウジングＨ２の内部に支持されている。

ピニオン軸２はピニオンハウジングＨ２から上側に突出しており、斯かる突出部分が、模式的に図示されているステアリングホイールＳに連結されている。

ピニオンハウジングＨ２の中途部分には、筒型のハウジングＨ１が自動車の左右方向に軸を有するよう横置きされており、ハウジングＨ１の内部に、ラック軸１が、ハウジングＨ１の軸方向に摺動自在に支持されている。

ラック軸１には、ピニオンハウジングＨ２とハウジングＨ１との交叉部においてピニオン２０と噛合うラック歯１０が形成されている。ラック軸１は、ハウジングＨ１における自動車の左右端から突出している。斯かる突出部分に、自動車の左右の車輪がそれぞれ連結されている。

また、ハウジングＨ１は、ハウジングＨ１と一体的に設けられた筒型のヨークハウジングＨ３を備えている。該ヨークハウジングＨ３は、ハウジングＨ１、ピニオンハウジングＨ２のそれぞれと略直交する方向であり、かつラック歯１０とピニオン２０との噛合い部分と反対方向に突出するように設けられている。ヨークハウジングＨ３は、自動車の前後方向にハウジングＨ１内に連通する円形断面を有する保持孔３０を有し、該保持孔３０によって、円柱形状を有するラック支持部材３が、自動車の前後方向に摺動可能に保持されている。

ラック支持部材３は、保持孔３０に挿入されており、自動車の前側に配置されている押しバネ３４の弾性力によって、ラック軸１の方向へ押圧され、ラック軸１を支持している。該押しバネ３４は、ロックナット３３により固定されている支持キャップ３２とラック支持部材３との間に設けられている。

図２は本発明の実施の形態１に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置におけるラック軸１とピニオン軸２との噛合い部分近傍について、ラック軸１の軸方向と垂直な方向の断面を示す拡大断面図である。図２に示すように、ラック支持部材３は、ラック軸１をラック歯１０とピニオン２０との噛合い部分の反対方向から押圧し、該噛合い部分に予圧を付与しつつラック軸１を摺動可能に支持する。なお、予圧の調整は、ロックナット３３の締め付けにより支持キャップ３２の位置を変えることにより行うことができる。

ラック軸１の背面側、すなわちラック歯１０とピニオン２０との噛合い部分の反対側部分には、ラック軸１の軸断面形状が略Ｖ字形状であり、かつ略Ｖ字形状の２辺がそれぞれ円弧形状を有する凹面が形成されている。

斯かる形状に対応するように、ラック軸１を支持するラック支持部材３の先端部には、ラック軸１の軸方向と垂直な方向の断面形状が円弧形状である２つの凸面が、ラック軸１における凹面と接するように設けられ、ラック受けシート４が被着されている。該ラック受けシート４は、耐摩耗性に優れ、低摩擦係数を有する材質による薄膜シートで構成されており、例えばＰＴＦＥ等の合成樹脂製のコーティング膜を基材となる金属板の一面に形成した金属製のシート、又は炭素繊維強化ポリアセタノール（ＰＯＭ）等の合成樹脂製のシート等を用いる。なお、材質については、特にこれらに限定されるものではない。

ラック軸１の背面側における２つの円弧の半径は、ラック支持部材３の先端部における２つの円弧の半径よりも大きな値を有する。このように両円弧の半径を相違させることで、ラック軸１とラック支持部材３とを面接触ではなく、線接触させることができ、両者のフリクションを低減させることができる。また、ラック軸１の背面側における２つの円弧の半径を、ラック支持部材３の先端部における２つの円弧の半径よりも大きな値とすることにより、ラック軸に回転モーメントが生じた場合であってもラック軸の回転半径を機構的に維持することができず、ラック軸１が回転することを確実に抑止することが可能となる。

図３は、本発明の実施の形態１に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置におけるラック軸１とラック支持部材３との位置関係を示す図である。図３に示すように、ラック支持部材３は、押しバネ等による弾性力によりラック受けシート４を介してラック軸１の背面に押し付けられ、ラック軸１をピニオン軸２に向けて押圧する。そして、ラック軸１の背面側における２つの円弧の半径Ｒ１が、ラック支持部材３の先端部における２つの円弧の半径Ｒ３よりも大きいことから、ラック軸１とラック支持部材３とは当接点Ｐにおいて線接触する。

加えて、ラック軸１に回転モーメントが生じないようにするために、ラック軸１の背面側における２つの円弧の中心Ｏ１、ラック支持部材３の先端部における２つの円弧の中心Ｏ３、及びラック軸１とラック支持部材３との当接点Ｐを結ぶ２本の直線の交点ＯＰが、ラック軸１とピニオン軸２との噛合い点ＯＱと略一致するように配置する。

図４は、ラック軸１に作用する外力の説明図である。ラック軸１のラック歯１０は、ねじれ角θを有することから、ラック軸１に作用する外力Ｆは、ラック軸１を軸長方向に摺動させる力Ｆｃｏｓθと、ラック軸１の軸長方向と垂直な方向の力Ｆｓｉｎθとに分力される。斯かるラック軸１の軸長方向と垂直な方向の力Ｆｓｉｎθにより、ラック軸１は回転モーメントを生じ、ラックツイストが生じる。

本実施の形態１では、ラック軸１にラックツイストが生じた場合、ラック軸１及びラック支持部材３が当接する２つの部分での円弧の法線の交点ＯＰが、ラック軸１とピニオン軸２との噛合い点ＯＱと略一致することから、ラック軸１及びラック支持部材３が当接する２つの部分での円弧の法線の交点ＯＰは、ラック軸１のラック歯１０の基準ピッチ線上に位置する。すなわち、ラック軸１に作用する外力Ｆの分力Ｆｓｉｎθは基準ピッチ線上で作用することから、ラック軸１及びラック支持部材３が当接する２つの部分での円弧の法線の交点ＯＰから分力Ｆｓｉｎθの作用点までの距離、すなわち回転モーメントのアームが０（ゼロ）となる。したがって、分力Ｆｓｉｎθが作用した場合であっても、アームが０（ゼロ）であることから、ＯＱに生ずる回転モーメントＦｒは、Ｆｒ＝Ｆｓｉｎθ×０＝０となる。よって、ラック軸１に回転モーメントは発生せず、ラックツイストは生じることがなく、歯打ち音の発生、操舵感覚の減退等の支障を防止することが可能となる。

（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置について、図面を参照しながら説明する。図５は本発明の実施の形態２に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置におけるラック軸１とピニオン軸２との噛合い部分近傍について、ラック軸１の軸方向と垂直な方向の断面を示す拡大断面図である。図５に示すように、ラック支持部材３は、実施の形態１と同様に、ラック軸１をラック歯１０とピニオン２０との噛合い部分の反対方向から押圧し、当該噛合い部分に予圧を付与しつつラック軸１を摺動可能に支持している。

そして、ラック軸１の背面側、すなわちラック歯１０とピニオン２０との噛合い部分の反対側の部分には、ラック軸１の軸断面形状が略Ｖ字形状であり、かつ略Ｖ字形状の２辺が円弧形状を有する凸面が形成されている。

斯かる形状に対応するように、ラック軸１を支持するラック支持部材３の先端部には、ラック軸１の軸方向と垂直な方向の断面形状が円弧形状である２つの凹面が、ラック軸１における凸面と接するように設けられ、ラック受けシート４が被着されている。当該ラック受けシート４に要求される性質及び材質については、実施の形態１と同様である。

また、ラック支持部材３の先端部における２つの円弧の半径は、ラック軸１の背面側における２つの円弧の半径よりも大きな値を有する。このように円弧の半径を相違させることで、ラック軸１とラック支持部材３とを面接触ではなく、線接触させることができ、両者のフリクションを低減させることができる。さらに、ラック支持部材３の先端部における２つの円弧の半径を、ラック軸１の背面側における２つの円弧の半径よりも大きな値とすることにより、ラック軸に回転モーメントが生じた場合であってもラック軸の回転半径を機構的に維持することができず、ラック軸１が回転することを確実に抑止することが可能となる。

図６は、本発明の実施の形態２に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置におけるラック軸１とラック支持部材３との位置関係を示す図である。図６に示すように、ラック支持部材３は、押しバネ等による弾性力によりラック受けシート４を介してラック軸１の背面に押し付けられ、ラック軸１をピニオン軸２に向けて押圧する。そして、ラック支持部材３の先端部における２つの円弧の半径Ｒ３が、ラック軸１の背面側における２つの円弧の半径Ｒ１よりも大きいことから、ラック軸１とラック支持部材３とは当接点Ｐにおいて線接触する。

加えて、ラック軸１に回転モーメントが生じないようにするために、ラック軸１の背面側における２つの円弧の中心Ｏ１、ラック支持部材３の先端部における２つの円弧の中心Ｏ３、及びラック軸１とラック支持部材３との当接点Ｐを結ぶ２本の直線の交点ＯＰが、ラック軸１とピニオン軸２との噛合い点ＯＱと略一致するように配置する。

ラック軸１及びラック支持部材３が当接する２つの部分での円弧の法線の交点ＯＰが、ラック軸１とピニオン軸２との噛合い点ＯＱと略一致することから、実施の形態１と同様、ラック軸１及びラック支持部材３が当接する２つの部分での円弧の法線の交点ＯＰは、ラック軸１のラック歯１０の基準ピッチ線上に位置する。すなわち、ラック軸１に作用する外力Ｆの分力Ｆｓｉｎθは基準ピッチ線上で作用することから、ラック軸１及びラック支持部材３が当接する２つの部分での円弧の法線の交点ＯＰから分力Ｆｓｉｎθの作用点までの距離、すなわち回転モーメントのアームが０（ゼロ）となる。したがって、分力Ｆｓｉｎθが作用した場合であっても、アームが０（ゼロ）であることから、ＯＱに生ずる回転モーメントＦｒは、Ｆｒ＝Ｆｓｉｎθ×０＝０となる。よって、ラック軸１に回転モーメントは発生せず、ラックツイストは生じることがなく、歯打ち音の発生、操舵感覚の減退等の支障を防止することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置の概略構成を示す側面断面図である。 本発明の実施の形態１に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置におけるラック軸とピニオン軸との噛合い部分近傍について、ラック軸の軸方向と垂直な方向の断面を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態１に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置におけるラック軸とラック支持部材との位置関係を示す図である。 ラック軸に作用する外力の説明図である。 本発明の実施の形態２に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置におけるラック軸とピニオン軸との噛合い部分近傍について、ラック軸の軸方向と垂直な方向の断面を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態２に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置におけるラック軸とラック支持部材との位置関係を示す図である。

符号の説明

１ ラック軸
２ ピニオン軸
３ ラック支持部材
４ ラック受けシート
１０ ラック歯
２０ ピニオン
Ｏ１ ラック軸の背面側における２つの円弧の中心
Ｏ２ ラック支持部材の先端部における２つの円弧の中心
ＯＰ 当接点を結ぶ２本の直線の交点
ＯＱ ラック軸とピニオン軸との噛合い点
Ｐ ラック軸とラック支持部材との当接点

Claims (2)

1. ラック軸を摺動可能に支持するラック支持部材を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置において、
   前記ラック軸は、前記ラック支持部材により支持される側に、前記ラック軸の軸断面形状が、２つの凹円弧を組み合わせてなる略Ｖ字形状である部分を有し、
   前記ラック支持部材は、前記ラック軸の軸方向と垂直な方向の断面形状が、前記ラック軸の凹円弧形状と接する凸円弧形状をなす２つの部分を有し、
   前記ラック軸における凹円弧の半径が前記ラック支持部材における凸円弧の半径よりも大きく、前記ラック支持部材及び前記ラック軸が当接する２つの部分での円弧の法線の交点が、軸方向に移動する前記ラック軸の全移動範囲で前記ラック軸のラック歯の基準ピッチ線上に位置することを特徴とするラックアンドピニオン式ステアリング装置。
2. ラック軸を摺動可能に支持するラック支持部材を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置において、
   前記ラック軸は、前記ラック支持部材により支持される側に、前記ラック軸の軸断面形状が、２つの凸円弧を組み合わせてなる略Ｖ字形状である部分を有し、
   前記ラック支持部材は、前記ラック軸の軸方向と垂直な方向の断面形状が、前記ラック軸の凸円弧形状と接する凹円弧形状をなす２つの部分を有し、
   前記ラック支持部材における凹円弧の半径が前記ラック軸における凸円弧の半径よりも大きく、前記ラック支持部材及び前記ラック軸が当接する２つの部分での円弧の法線の交点が、軸方向に移動する前記ラック軸の全移動範囲で前記ラック軸のラック歯の基準ピッチ線上に位置することを特徴とするラックアンドピニオン式ステアリング装置。

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