JP5211905B2 - ラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸支持構造 - Google Patents

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に関し、特に、ラックと噛合するピニオンを有するピニオン軸の端部をラックハウジングに支持するピニオン軸支持構造に関する。

ラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ステアリングシャフトの下端に連結されるピニオン軸とラック軸をラックハウジングで軸支し、前記ラック軸の両端をタイロッド等を介して転舵装置に連結して該ラック軸の左右移動に応じて車輪の転向を行う。前記ピニオン軸は通常ピニオン形成部の両端側、つまり下部の軸端側およびステアリングシャフトとの連結部側の２箇所でころがり軸受を介して軸方向移動不能に軸支される。一般には、ピニオン軸を軸支する２箇所の軸受の少なくとも一方は深みぞ形の玉軸受が用いられ、この玉軸受の内外輪を軸方向に固定することでピニオン軸の軸方向移動を拘束している。

ピニオン軸をラックハウジングのピニオン軸挿入口側、つまりステアリングシャフトとの連結部に近い側で玉軸受により軸支したものとしては特許文献１に、また、ピニオン軸の軸端側を玉軸受で支持したものとしては特許文献２に示されている。
特許文献１では、ラックハウジングのピニオン軸挿入口に玉４点接触式の深みぞ形玉軸受を設け、この玉軸受の外輪をハウジングの挿入口の内周段部とねじ付カバーとで拘束し、軸受内輪をピニオン軸の段差肩部と該軸の周方向切欠き溝に加締嵌合したリングとによって軸方向の拘束を行っている。そして、ピニオン軸に加わる曲げ応力や捩り力に基づく前記切欠き溝への応力集中を避けるため、前記リングと係合する切欠き溝以外に、その近傍部位に、複数の応力分散溝を設けている。

特許文献２はラックアンドピニオンタイプの電動パワーステアリング装置であり、ピニオン軸に装着される操舵補助用ウォームホイールとピニオン軸との間にリング状のトルクリミッタを介在させ、ピニオン軸の先端部外周面とラックハウジングの内周部の間に深みぞ形の玉軸受を設け、玉軸受の内輪外端面をピニオン軸の先端に螺着したナットで締め付けて軸方向に拘束する構造としている。この場合、前記玉軸受の軸方向の固定は、ピニオン軸の軸端に螺着したナットによって軸受内輪の外端面を締め付けることで行っている。
特開２００７−１１２２７２号公報 特開平１１−４３０５６号（特許第３８９１６４６号）公報

この種のラックアンドピニオン式ステアリング装置においては、ピニオン軸は車両の衝突時や劣悪な路面の走行時等にピニオン軸の回転動作に伴なって過大な外力が作用したり、回転曲げ応力が作用する。また、ピニオン軸の軸方向ガタをなくして軸方向に確実に拘束するため、玉軸受の内外輪を両端面側から固定する必要があり、ピニオン軸の軸端部分には、嵌合する玉軸受の軸方向受面として段付き部が形成されている。この段付き部に軸受反力による圧縮力や、ピニオン軸の回転による引張・圧縮の回転曲げ応力が生じ、疲労破壊が起きるという問題がある。

特に、電動パワーステアリング装置では、ピニオン軸にはウォームホイールが設けられる関係から、軸方向ガタを規制する玉軸受はピニオン軸先端側に配置される場合が多く、かつピニオン軸の軸受支持位置は車両レイアウトに規制され、入力側軸受に比べ、ラックとの噛合い部位に比較的近い位置に配置されるので、トルク負荷時の軸受にかかる反力が入力側よりも大きくなる傾向がある。

さらに、ピニオン軸の段付き部は、ピニオン軸の正逆回転により、ピニオン軸周部に引張・圧縮の回転曲げ応力振幅が作用するため、疲労強度に対して厳しい環境下におかれ、今後の高出力化に伴いその問題は顕著になる。また、特許文献２にみられるように、玉軸受をピニオン軸の軸端のナットで固定する場合、ピニオン軸の前記段付き部には軸受固定のためナット締付けによる初期応力が作用しているため、遅れ破壊の懸念から表面熱処理等の疲労強度向上対策は実施できない。

本発明は、ピニオン軸の軸端の軸受嵌合部に生じる応力集中を緩和することができ、かつ軸端部の圧縮応力が極少となり、疲労強度の向上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のピニオン軸支持構造を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸支持構造は、ラックハウジングに摺動可能に支持されたラック軸と、前記ラック軸のラックと噛合うピニオンを備えたピニオン軸と、前記ピニオン軸の車両前方側端部に径方向の段差部を介して縮径した外周部と前記ラックハウジングとの間に設けられ、前記ピニオン軸を回転自在に前記ラックハウジングに支持する軸受とを備えたラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸支持構造において、前記ピニオン軸には車両前方側の端面に開き軸方向で車両後方に向かって延在するボルト穴が形成され、前記ボルト穴はねじ溝の形成されていない車両前方側の第１部分とねじ溝が形成された車両後方側の第２部分とを有し、前記第１部分は前記縮径した外周部に対向する範囲にわたり、ボルトは前記第２部分とのみ螺合して前記ボルト穴に螺入され、前記軸受は前記ボルトの頭部と前記段差部とで軸方向に固定するようにしたものである。

また、本発明の請求項２に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸支持構造は、請求項１に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸支持構造において、前記ピニオン軸の前記ボルト穴の穴深さは、前記ピニオン軸の前記車両前方側の端面から前記ラックとピニオンとの噛合い部手前までの位置に対応する深さに設定されることを特徴とする。

さらに、本発明の請求項３に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸支持構造は、請求項１または２に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸支持構造において、前記ボルトは強度区分１０．９以下のボルトであることを特徴とする。

本発明によれば、ピニオン軸の軸端の軸受嵌合部に生じる応力集中を緩和することができ、かつ軸端部の圧縮応力が極少となり、疲労強度の向上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のピニオン軸支持構造が提供される。

以下、本発明の実施の形態に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸支持構造を図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明の実施形態を説明するのに先立ち、ラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸の段付き部に作用する応力形態および従来のピニオン軸支持構造を図１、図２を参照して説明する。図１はピニオン軸の回転動作時に発生する引張・圧縮の応力振幅の発生状態を模型的に示した図である。ピニオン軸３は先端部４とステアリングシャフトの連結側の２箇所で軸受９，１０によって回転可能かつ軸方向移動不能に軸支され、その中途部、より具体的には先端部側に寄った箇所でラックと噛み合うピニオン３ａが形成されている。ピニオン軸先端部４は軸受９と嵌合する部分で軸受９の端面と係合する段差部５が形成されている。

車両の操舵操作に伴い、ピニオン軸３は正逆回転を行うが、この回転によりラックとの噛合い部でラック軸側から断続的な曲げ荷重Ｗを受け、段差部５で引張・圧縮の応力振幅が発生し、強度疲労が生じる。

従来のピニオン軸支持構造は、図２に示すように、ピニオン軸３は軸受嵌合部２２の先端側に該嵌合部より小径の雄ねじ部１２を形成し、この雄ねじ部１２に螺合するナット２１を玉軸受１５の軸受内輪１６に対して締め付けることにより、軸受内輪１６をピニオン軸３の段差部５に圧接している。また、ラックハウジング２の軸受挿入開口部にカップ形の蓋閉部材１８をねじ込み、ハウジング開口の段差部１９と蓋閉部材１８によって軸受外輪１７を軸方向に拘束している。

このようなナット２１の締付けによる軸受固定構造では、ラック軸１と噛合するピニオン軸３の軸受嵌合部２２に軸方向力Ｇ（ナット締付けによる引張、ピニオン軸回転に伴う圧縮・引張）が生じ、また、軸受内輪１６に圧接するピニオン軸３の段差部５には、ナット締付けによる軸受内輪１６からの押圧力Ｆで初期圧縮応力が発生し、ピニオン軸３の疲労強度の低下、段差部５の遅れ破壊の原因となる。

（第１の実施形態）
次に、本発明の第１の実施形態を図３を参照して説明する。図３は本発明の第１の実施形態に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸支持部の構造を示す部分的な断面図である。ラック軸１は、図示しない車体フレームに固着されたラックハウジング２に軸方向摺動可能に収容され、かつ、その両端部がラックハウジング２から伸長して図示しないボールジョイントおよびタイロッドを介して転舵装置に連結される。

ラック軸１と直交するようにピニオン軸３がラックハウジング２内に回転可能かつ軸方向移動不能に収容され、ピニオン軸３の車両後方側（ステアリングホイール側）端部はラックハウジング２から伸長して図示しないステアリングシャフトに連結されている。ピニオン軸３の車両前方側端部はラックハウジング２内でピニオン軸支持機構部によって軸支されている。なお、このピニオン軸支持機構部については、さらに後述する。

ピニオン軸３と交差する位置でラック軸１はその背部（ラック形成面と反対側の面）がラックガイド６に支持されており、また、ラックハウジング２のラックガイド収容部２ａに、外周にねじ部を有するカップ形蓋体７が螺着されている。カップ形蓋体７とラックガイド６との間に圧縮ばね８が配置され、この圧縮ばね８のばね力によりラックガイド６を介してラック軸１のラック１ａがピニオン軸３のピニオン３ａに所定の押圧力をもって噛合している。この押圧力はカップ形蓋体７をラックハウジング２に対してねじ込み位置を変えることで調整可能である。

ピニオン軸３の先端部は段差部５に続いて小径の軸受嵌合部２２が形成され、また、ラックハウジング２の軸受挿入開口部には玉軸受１５の軸受外輪１７と係合する段部１９および雌ねじ部が形成されている。玉軸受１５は、内輪１６および外輪１７の一方の端面がそれぞれピニオン軸先端の段差部５およびハウジング開口部の段部１９に当接するようにピニオン軸３の軸受嵌合部２２とハウジング２の軸受挿入開口部の間に装着されている。

ピニオン軸３の先端部にはボルト螺入穴が形成され、このボルト螺入穴にボルト１１をねじ込むことにより、軸受１５の内輪１６はボルト頭部１１ａとピニオン軸３の段差部５で軸方向に拘束される。また、ラックハウジング２の軸受挿入開口部の雌ねじ部にねじ付き蓋閉部材１８をねじ込むことにより、軸受１５の外輪１７が蓋閉部材１８の内端部とハウジング開口部の段部１９で軸方向に拘束される。

ピニオン軸３の先端部に形成されるボルト螺入穴は、該穴の奥部のみにねじ溝１４が形成され、ボルト螺入穴の開口端側はねじ溝がない内径部１３となっている。このねじ溝が形成されない部分の長さ範囲は、ほぼ軸受嵌合部２２に対応する部分の長さとなっている。また、ボルト螺入穴の穴深さＤはピニオン軸３のピニオン３ａがラック軸１のラック１ａと噛合する部位まで達しない深さとなっている。

このようなピニオン軸支持構造においては、ボルト１１によって玉軸受１５の内輪１６を軸方向に締め付けても、軸受嵌合部２２の位置ではボルト螺入穴とはねじ係合していないので、ピニオン軸３のこの部分にはボルト締め付けによる軸方向力（軸力）が作用せず、したがって軸受嵌合部２２、および段差部５と軸受嵌合部２２との連接部分には初期圧縮応力がかからず、この部分の応力集中は生じない。

また、従来のように、軸端に螺着したナットで内輪を締め付けるときの軸受嵌合部の引張力も全く生じない。操舵装置の動作中においても、ピニオン軸３の回転に伴うラック軸側からのピニオン軸３の曲げによる応力のみが作用する形態となるため、結果として疲労強度の向上が図られる。さらに、遅れ破壊の懸念もなくなることから、ピニオン軸３のボルト螺入穴のねじ溝部分を防炭処理し、軸受嵌合部２２および段差部５に表面熱処理を行って硬度の増強を図ることもでき、これにより、段差部の疲労強度がさらに大きく向上する。

本実施形態では、軸受の軸方向締め付けに際しての軸力はボルトにのみ作用する。つまり、この構造では、軸力による初期応力発生部位がピニオン軸の段差部からボルト根元部に移ることとなり、ボルトのみを引張強度に対応できるものを選定するだけでよい。具体的には、ＪＩＳ Ｂ１０５１に示す引張強度１２００ＭＰａ以下であるボルト強度区分１０．９以下のボルトを用いることにより、遅れ破壊の心配はなくなり、軸力によるボルト破損は問題とならない。

前述の如く、ボルト螺入穴はラック・ピニオン噛合部の手前で止められているため、ピニオン軸の軸端にボルト穴を設けても、ピニオン軸の歯元強度には影響を与えることはない。

（第２の実施形態）
上述の実施形態では操舵補助機構を有しないラックアンドピニオン式ステアリング装置に適用した例であるが、本発明はこのようなマニュアルタイプのステアリング装置だけでなく、第２の実施形態としてラックアンドピニオン式の電動パワーステアリング装置あるいは油圧パワーステアリング装置に適用される。さらに本発明は、その他一般のラックとピニオンが係合するピニオン軸の回転支持構造にも同様に適用可能である。

以上説明したように本発明によれば、ラックと噛合するピニオン軸の軸端にボルトをねじ込んで軸受を軸方向に拘束するようにしたので、従来のような軸受嵌合部における応力集中を緩和できる。特に、操舵操作によりピニオン軸が頻繁に正逆回転するようなステアリング装置におけるピニオン軸の軸支部分で応力集中や強度不足が懸念される箇所に使用することにより、ピニオン軸の段付き部の応力集中を解消でき、また疲労強度の向上を図ることができる。

ピニオン軸の回転動作時に発生する引張・圧縮の応力振幅の発生状態を模型的に示した図である。 軸受の軸方向締め付けにナットを用いた従来のピニオン軸支持構造の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸支持部の構造を示す部分的な断面図である。

符号の説明

１ ラック軸
２ ラックハウジング
３ ピニオン軸
５ ピニオン軸の軸端段差部
６ ラックガイド
１１ ボルト
１３ ねじ溝のない内径部
１５ 玉軸受
１５ 玉軸受
１８ 蓋閉部材
１９ ハウジング段部
２２ 軸受嵌合部

Claims (3)

1. ラックハウジングに摺動可能に支持されたラック軸と、
   前記ラック軸のラックと噛合うピニオンを備えたピニオン軸と、
   前記ピニオン軸の車両前方側端部に径方向の段差部を介して縮径した外周部と前記ラックハウジングとの間に設けられ、前記ピニオン軸を回転自在に前記ラックハウジングに支持する軸受とを備えたラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸支持構造において、
   前記ピニオン軸には車両前方側の端面に開き軸方向で車両後方に向かって延在するボルト穴が形成され、前記ボルト穴はねじ溝の形成されていない車両前方側の第１部分とねじ溝が形成された車両後方側の第２部分とを有し、前記第１部分は前記縮径した外周部に対向する範囲にわたり、ボルトは前記第２部分とのみ螺合して前記ボルト穴に螺入され、前記軸受は前記ボルトの頭部と前記段差部とによって軸方向に固定されていることを特徴とするピニオン軸支持構造。
2. 前記ピニオン軸の前記ボルト穴の穴深さは、前記ピニオン軸の前記車両前方側の端面から前記ラックとピニオンとの噛合い部手前までの位置に対応する深さに設定されることを特徴とする請求項１に記載のピニオン軸支持構造。
3. 前記ボルトは強度区分１０．９以下のボルトであることを特徴とする請求項１または２に記載のピニオン軸支持構造。

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