JP4964410B2 - ラックシャフト - Google Patents

Description

本発明は、ラックアンドピニオン式のステアリング装置に用いられるラックシャフトの技術分野に属する。

従来のステアリング装置では、ラック歯部の歯面精度向上および軽量化を図るために、鍛造によって、軸線に直交する断面がＹ型（形）に加工された、いわゆるＹ型ラックシャフトが用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平２−１２４３６１号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、ラック歯部とロッド部とが同一の鋼管で形成されているため、ラック部とロッド部の材質を変更する場合や、比較的大幅に外径を変化させる場合の設計自由度が低いという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、設計自由度の高いラックシャフトを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のラックシャフトでは、中空部材であるロッド部と、中実部材であるラック部と、を備え、前記ラック部は、ピニオンシャフトと噛み合うラック歯部と、前記ラック歯部の背面に突出形成され、径方向両側に凹部を有する突出部と、前記ラック歯部の軸方向一方側に設けられ、前記ロッド部の軸方向一方端面と摩擦圧接される接合側端面を備えた接合部と、を有するラックシャフトにおいて、前記接合部の前記接合側端面から軸方向に穴を形成して、前記接合側端面を前記ロッド部の前記軸方向一方端面と同一の中空形状とし、前記穴の軸方向長さを、前記接合側端面から前記ラック歯部までの軸方向長さよりも短く設け、前記接合部の前記接合側端面の外径は、前記ラック歯部および前記突出部を結んだ外接円よりも小さく、かつ、前記ロッド部の外径と同じ外径となるように形成され、前記接合部は、前記ラック歯部の側から前記接合側端面の側に向かってなだらかに縮径するように形成されることを特徴とする。

よって、ロッド部とラック部とを別部材で形成することにより、それぞれの部材の材料、形状および寸法等を自由に選択でき、設計自由度が向上する。

以下、本発明のラックシャフトを実現する最良の形態を、図面に示す実施例１に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１のラックシャフトの構造を示す正面図、図２は実施例１のラックシャフトの構造を示す側面図、図３は図２のＳ３−Ｓ３断面図である。

ラックシャフト１は、ラックアンドピニオン式のステアリング装置に用いられるもので、ロッド部２と、ラック部３とを備える。

ロッド部２は、中空部材で形成され、ステアリングリンケージのタイロッドと連結される。

ラック部３は、ロッド部２よりも硬度の高い材料で形成され、ピニオンシャフトと噛み合うラック歯部４と、このラック歯部４の背面に突出形成され、径方向両側に凹部を有する突出部５と、前記ロッド部２との接合側端面が設けられ、ロッド部２の接合部側端面２ａ以上の外径を有し、ロッド部２の接合部側端面２ａと摩擦圧接されるラック部接合部６と、を有する断面略Ｙ字型に形成されている。

また、ラック部３のラック部接合部６と反対側の端部７は、ステアリングリンケージのタイロッドと連結される。

ラック部接合部６の軸方向長さＬは、ロッド部２と摩擦圧接する際に生じるバリ１１の軸方向長さα（図９参照）以上、かつ、ロッド部２と摩擦圧接する際に生じるバリを切削除去する領域β（>２α：図６参照）以上に設定されている。詳細は後述する。

また、ラック部接合部６は、ラック歯部４からラック部接合部６の側端面６ａに向かってなだらかに縮径し、側端面６ａの形状は、ラック歯部４および突出部５を結んだ外接円Ａ（図３参照）よりも小さく、かつ、ロッド部２の接合部側端面２ａの形状と同一の円形に形成されている。

次に、作用を説明する。
実施例１のラックシャフト１の製造方法について説明する。

［ラック部の鍛造成型］
まず、図４〜７に示すような上下一対の鍛造型を用い、ラック部３の素材となる棒状のワークを鍛造し、ラック部３を成型する。

図４は上側鍛造型８の平面図、図５は下側鍛造型９の平面図、図６は上下鍛造型８，９の縦断面図、図７は図６のＳ７―Ｓ７断面図である。

図４〜７に示すように、上側鍛造型８は、ラック部３のラック歯部４に対応する型部８ａと、ラック部接合部６上側部分に対応する型部８ｂと、ラック部接合部６と反対側の端部７上側部分に対応する型部８ｃとが型彫されている。

一方、下側鍛造型９は、突出部５に対応する型部９ａと、ラック部接合部６下側部分に対応する型部９ｂと、ラック部接合部６と反対側の端部７下側部分に対応する型部９ｃとが型彫されている。

ここで、上下側鍛造型８，９内で成型されるラック部３のラック接合部の長さは、図１、２に示したラック部接合部６の軸方向長さＬよりも、αだけ長く設定されている。上述したように、このαは、摩擦圧接工程において発生するバリ１１の軸方向長さ、すなわち軸方向寸法減少代であり、後述する摩擦圧接工程終了後のラック部接合部６の軸方向長さは、図４〜６に示したＬとなる。

これら鍛造型８，９を用い、ワークを鍛造することで、図１〜３に示したラック部３を成型する。このとき、ラック部接合部６側は、上下鍛造型８，９により外周部が拘束されているため、材料の流動量を少なくでき、良好なラック歯部４の形状が得られる。ちなみに、ラック部接合部６が上下鍛造型８，９によって拘束されていない場合、材料はこのラック部接合部６側へ流動するため、流動量が大きいと、その分ラック歯部４に十分な盛り上がり量を確保できない。
本実施例では、型部８ｂ側は開放状態となっているが、型部８ｂ側も型部８ｃ側のように袋状に構成することにより、さらに材料の流動量を小さくすることができる。

ラック部３の鍛造工程が終了すると、バリ抜き後、ラック部３のラック部接合部６に、ロッド部２の内径と同一形状の穴６ｂを形成する。また、ラック部接合部６と反対側の端部７に、タイロッドを連結するための雌ねじ部を形成する。

［ラック部とロッド部の摩擦圧接］
次に、ロッド部２とラック部３を摩擦圧接することにより、図１〜３に示したラックシャフト１を得る。

まず、ロッド部２をスピンドルに固定するとともに、ロッド部２に対しラック部３を位置決めした状態でスライドにクランプし、スピンドルを所定回転数で高速回転させる（第１工程）。

同時に、図８に示すように、スライドを前進させることにより、ロッド部２の接合部側端面２ａとラック部３の側端面６ａとを一定圧力で押し付け合い、接触面２ａ，６ａの温度を上昇させ、高温層を形成する（第２工程）。

その後、スピンドルの高速回転を急停止させ（第３工程）、さらに高いアプセット圧を加えた状態で所定時間保持することにより、ロッド部２とラック部３とが固相接合される。

このとき、ラック部接合部６の側端面６ａは、ロッド部２の接合部側端面２ａと同一の中空形状であるため、中実の場合と比較して、エネルギー効率が高く、短時間で十分な接合強度が得られる。

また、摩擦圧接後には、図９に示すように、接合面にバリ１１，１２が発生するが、バリ１１の軸方向長さは、スピンドルの回転数とスライドの前進をコントロールすることで、常に所定値α（ロッド部２側をα、ラック部３側をα）とすることが可能である。よって、ラック部３側のバリ１１の軸方向長さが常にαとなるように調整することで、ラック部接合部６の軸方向長さを、常に一定値Ｌとすることができる。

最後に、ラック部３のクランプを解除した後、スピンドルを再び高速回転させつつ、バリ１１，１２の発生領域にバイトを接触させ、接合部分のバリを切削除去する（第４工程）。

このとき、ラック部接合部６の軸方向長さＬは、ロッド部２と摩擦圧接する際に生じるバリ１１の軸方向長さα以上、かつ、ロッド部２と摩擦圧接する際に生じるバリを切削除去する領域β以上に設定されているため、摩擦圧接による影響をラック歯部４や突出部５等に与えるのが回避されるとともに、バリ取り工程において、ラック歯部４や突出部５が切削加工の妨げとなることがない。

さらに、ラック部接合部６の側端面６ａと、ロッド部２の接合部側端面２ａの外径は同一であるため、ラック部３側に発生するバリとロッド部２側に発生するバリを同時に切削除去できる。

［バリ取り工程時の振動抑制作用］
従来から、ラック部の強度確保のために、ラック部とロッド部をそれぞれ別体で形成し、摩擦圧接等により両者を結合して形成したラックシャフトが知られている。この従来技術において、ラック部は、中実の丸棒の一部を切削して平面部を形成し、この平面部にラック歯を設けた構造である。

一般的に、ステアリング装置では、ピニオンシャフトをラック部側により近づけることで、ラックシャフトとピニオンシャフト等を覆うケーシングを小さくし、車載性の向上を図っている。

ここで、ロッド部の軸心に対するラック部の軸心のオフセット量をラックオフセット量としたとき、このラックオフセット量を大きく取るほど、ケーシングをよりコンパクト化することができる（図１０参照）。なお、このラックオフセット量は、ロッド部とラック部の圧接時、サーボモータにより駆動制御される基準冶具を任意の位置に位置決めすることで容易に設定できる。

ところが、上記従来技術にあっては、ラック部が断面略円形であるため、ラックオフセット量を大きく設定すると、それに伴いラック部の重心位置がロッド部の重心位置から離れてしまう。よって、摩擦圧接後のバリ取り工程において、ラック部を高速回転させたとき、大きな振動が発生してしまう。

これに対し、実施例１のラックシャフト１では、ラック部を断面略Ｙ字型に形成しているため、例えば、図１０に示すように、ラック部３のラックオフセット量Ｒを大きく設定した場合でも、上述した円形状のラック部と比較して、ラック部３の重心位置Ｇ１とロッド部２の重心位置Ｇ２とのずれ量が小さく抑えられ、バリ取り工程時に発生する振動を抑制できる。よって、ラックオフセット量を大きく取ることができるため、ケーシング１４のコンパクト化による車載性向上を図ることができる。

なお、図１０には、ロッド部２として中実部材を用いた例を示している。この場合、中空部材と比較して、ロッド部２の外径を小さくできるため、より一層ケーシングをコンパクト化できる。

［強度確保と軽量化の両立］
断面略円形状のラック部を用いた従来技術では、ラック歯部の強度確保と軽量化がトレードオフとなる。すなわち、ラック歯部の強度を確保するためには、平面部の面積を大きくする必要があるため、外径の大きなラック部を用いなければならず、重量増を招く。

これに対し、実施例１のラックシャフト１では、断面略Ｙ字型のラック部３を用いているため、ラック歯部４の強度確保と軽量化を両立できる。

次に、効果を説明する。
実施例１のラックシャフト１およびラックシャフト１の製造方法にあっては、以下に列挙する効果が得られる。

(1) ラックシャフト１は、ロッド部２と、ピニオンシャフトと噛み合うラック歯部４と、このラック歯部４の背面に突出形成され、径方向両側に凹部を有する突出部５と、ロッド部２との接合側端面が設けられ、ロッド部２の接合部側端面２ａ以上の外径を有し、ロッド部２の接合部側端面２ａと摩擦圧接されるラック部接合部６と、を有するラック部３と、を備える。よって、ロッド部２がラック部３に摩擦圧接される際、ロッド部２の接合部側端面２ａ全体が接合面となり、十分な接合強度が得られる。また、ラック部３を略Ｙ字断面としたことにより、丸棒断面を有するラックシャフトに比べ、ラック歯部４の径方向長さが十分に得られる。また、ロッド部２とラック部３とを別部材で形成することにより、それぞれの部材の材料、形状および寸法等を自由に選択でき、設計自由度が向上する。

(2) ラック部接合部６の軸方向長さＬを、ロッド部２と摩擦圧接する際に生じるバリの軸方向長さα以上に設定した。摩擦圧接では、元々の素材はバリが生じた分だけ軸方向寸法が減少する。よって、このバリの発生による軸方向寸法減少代をラック部接合部６として設けることにより、摩擦圧接による影響がラック歯部４や突出部５等に及ぶのを防止できる。

(3) ラック部接合部６の軸方向長さＬを、ロッド部２と摩擦圧接する際に生じるバリを切削除去する領域以上に設定した。通常、ラック部接合部６の外径は、ラック歯部４の形状に依存した形状となり、ラック歯部４の強度を考えると、できるだけ大径となるのが好ましい。これに対し、実施例１では、ラック部接合部６の長さを十分取ることにより、ラック部接合部６の側端面６ａを縮径でき、小径のロッド部２と同型で接合できる。

(4) ラック部接合部６の側端面形状を、ロッド部２の接合部側端面２ａの形状と同一形状としたため、摩擦圧接の際に生じるバリの除去作業が容易となる。

(5) ラック部接合部６の側端面形状を、ラック歯部４および突出部５を結んだ外接円よりも小さく設定した。言い換えると、ラック歯部４を、ラック部３の側端面６ａ（ロッド部２の外径に等しい）よりも大きな外接円を有するように形成したため、十分なラック歯面長さを設定でき、十分なラック歯の強度を確保できる。

(6) ラック部接合部６を、鍛造型８，９を用いて成型したため、金属素材の流動が抑制され、良好なラック歯部４の形状が得られる。

(7) ロッド部２を、中空部材としたため、ラックシャフト１の軽量化を図ることができ、車載性が向上する。

(9) ラック部接合部６を、ラック歯部４からラック部接合部６の側端面６ａに向かってなだらかに縮径させたため、鍛造成型時、ラック歯部４と側端面６ａとの間の形状変化部分の応力集中を抑制できる。

(10) ラック部３を、ロッド部２よりも硬度の高い材料で形成した。ラック部３のラック歯部４はピニオンシャフトと噛み合うため、高い硬度を必要とする。よって、両者を異なる材料で形成することにより、適切な材料選択をすることができる。

(11) ロッド部２を高速回転させる第１工程と、ロッド部２とラック部３を摩擦圧接する第２工程と、ロッド部２の回転を停止させる第３工程と、によりラックシャフト１を製造するため、十分な強度を有し、設計自由度の高いラックシャフト１が得られる。

(12) 高速回転しながらラック部３に摩擦圧接されるロッド部２を、円形断面としたため、ロッド部２とラック部３の接合部端面を一致させることができる。

(13) 第３工程の後に、摩擦圧接によって生じたバリを除去する第４工程を有するため、バリを除去する際、ラックシャフト１またはバリの除去装置側を回転させることにより、容易にバリを除去できる。

(14) 第４工程は、ラック部３を高速回転させることによりバリを除去するため、摩擦圧接する際にロッド部２を高速回転させる装置をそのまま使用でき、バリ取り工程の短縮化を図ることができる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１に基づいて説明してきたが、本発明の具体的な構成は実施例１に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。

例えば、ロッド部はパイプ材を用いても良いし、中実部材をガンドリル等の工具を用いて中空状に形成しても良い。

さらに、上記実施例１から把握しうる請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。

(イ) 前記ラック部接合部は、前記ロッド部と同一の内径を有することを特徴とするラックシャフト。
ラック部接合部を中実部材とした場合と比較して、摩擦圧接時におけるエネルギー効率が高いため、短時間で十分な接合強度が得られる。

実施例１のラックシャフトの構造を示す正面図である。 実施例１のラックシャフトの構造を示す側面図である。 図２のＳ３−Ｓ３断面図である。 上側鍛造型の平面図である。 下側鍛造型の平面図である。 上下鍛造型の縦断面図である。 図６のＳ７−Ｓ７断面図である。 ラック部とロッド部の摩擦圧接工程を示す側面図である。 実施例１の作用を示すロッド部とラック部の接合部断面図である。 実施例１のラックオフセット作用を示すラック部の側面図である。

１ ラックシャフト
２ ロッド部
３ ラック部
４ ラック歯部
５ 突出部
６ ラック部接合部
７ 端部
８ 上側鍛造型
９ 下側鍛造型
１１ バリ

Claims (4)

1. 中空部材であるロッド部と、
   中実部材であるラック部と、を備え、
   前記ラック部は、
   ピニオンシャフトと噛み合うラック歯部と、
   前記ラック歯部の背面に突出形成され、径方向両側に凹部を有する突出部と、
   前記ラック歯部の軸方向一方側に設けられ、前記ロッド部の軸方向一方端面と摩擦圧接される接合側端面を備えた接合部と、
   を有するラックシャフトにおいて、
   前記接合部の前記接合側端面から軸方向に穴を形成して、前記接合側端面を前記ロッド部の前記軸方向一方端面と同一の中空形状とし、
   前記穴の軸方向長さを、前記接合側端面から前記ラック歯部までの軸方向長さよりも短く設け、
   前記接合部の前記接合側端面の外径は、前記ラック歯部および前記突出部を結んだ外接円よりも小さく、かつ、前記ロッド部の外径と同じ外径となるように形成され、
   前記接合部は、前記ラック歯部の側から前記接合側端面の側に向かってなだらかに縮径するように形成される
   ことを特徴とするラックシャフト。
2. 請求項１に記載のラックシャフトにおいて、
   前記接合部の軸方向長さは、前記ロッド部と摩擦圧接する際に生じるバリの軸方向長さ以上であることを特徴とするラックシャフト。
3. 請求項１または請求項２に記載のラックシャフトにおいて、
   前記ラック部は、鍛造型により成型されることを特徴とするラックシャフト。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のラックシャフトにおいて、
   前記ラック部は、前記ロッド部よりも硬度の高い材料で形成されることを特徴とするラックシャフト。

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