JP5240058B2

JP5240058B2 - ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法

Info

Publication number: JP5240058B2
Application number: JP2009116259A
Authority: JP
Inventors: 俊一矢部; 貴紀澤野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2029-05-13
Also published as: JP2010264813A

Description

本発明は、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法に関し、より詳細には、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置のラックの製造方法に関する。

乗用車においては、ステアリング軸の回転を左右の転舵輪の運動に変換する機構として、高剛性且つ軽量であることから、ラックアンドピニオン機構が主に用いられている。一方、電動モータの出力によって操舵を補助する電動パワーステリング装置は、モータの回転力をステリング軸に伝達するコラムアシスト式、回転力をピニオンに伝達するピニオンアシスト式、及び回転力をボールねじを介してラックに伝達するラックアシスト式が知られている。

操舵の補助を行わないマニュアルステリング装置においては、運転者がステアリングホイ−ルに加えた回転力のみがラックアンドピニオン機構によって転舵輪の運動に変換されるので、ラック及びピニオンに負荷される応力は小さい。また、油圧によって操舵を補助する油圧式パワーステアリング装置においては、操舵を補助する力がラックアンドピニオン機構を介さず直接ラックに伝達されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は小さい。さらに、ラックアシスト式の電動パワーステアリング装置においても、前述したように操舵を補助する回転力がラックアンドピニオン機構を介さず、ボールねじを介してラックに伝達されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は油圧式パワーステアリング装置と同程度である。

これに対して、コラムアシスト式及びアシスト式の電動パワーステアリング装置においては、運転者がステアリングホイールに加えた回転力と、電動モータから出力される操舵を補助する回転力との合力が、ラック及びピニオンに負荷されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は、マニュアルステリング装置や油圧式パワーステリング装置の応力と比較すると１０倍以上にもなり、相互に噛み合うラック及びピニオンの歯部に摩耗が生じる可能性があった。

通常、このラック及びピニオンの歯部の摩耗を抑制するため、ラック及びピニオンの歯部とラックの背面に浸炭焼入れ処理や高周波焼入れ処理を施して、表面硬さをＨＲＣ５５〜６３程度とすると共に、歯の根元芯部の硬さを上記表面硬さよりも１０〜２０倍程度低い硬さとしている。また、ラック及びピニオンの歯部とラックの背面に、焼入れ処理による第１硬化層と、第１硬化層にショットピーニング処理を施した、焼き入れ硬化層よりも硬い第２硬化層と、の２重の硬化層を設け、ラック及びピニオンの歯部の摩耗を抑制する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、樹脂化により軽量化を図ったウォームギヤ減速機構として、アラミド繊維連続シートを複数層重ねて巻き付けた後、マトリックス樹脂組成物液を含侵して環状形状体を成形し、更に切削加工を施した樹脂製歯車が開示されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、ウォームギヤ減速機が、熱硬化性ポリアミノアミド樹脂とアラミド繊維を含む連続シートとを含む繊維強化樹脂複合体である樹脂部を、金属性芯金の外周に一体的に設けると共に、樹脂部の外周面に歯を形成したウォームホイールを備える電動パワーステアリング装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５-１２５９７２号公報特開２００６-７７８０９号公報特開２００７-２１０４２４号公報

近年、地球温暖化対策として、炭酸ガス排出量の低減や、自動車の低燃費化を達成するため、各部品の軽量化が強く求められている。上記特許文献１に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置は、鉄系材料からなるラック及びピニオンの歯部摩耗を抑制する技術であり、部品の軽量化に対する寄与率は大きくない。また、電動パワーステアリング装置に用いられるラックアンドピニオン機構においても、中空構造とすることによって軽量化を図ったラックもあるが、鉄系材料を使っている限り、一定以上の強度を維持しつつ、更なる軽量化することには限界がある。

また、上記特許文献２及び３に記載の電動パワーステアリング装置は、部品を樹脂化することによって軽量化を図っているが、ウォームギヤ減速機構を対象とした技術であり、ラックアンドピニオン式ステアリング装置の軽量化を目的としたものではなかった。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の鉄系材料を用いたラックと同等又はそれ以上の強度と抗折性を備え、特に、ギヤ歯部とねじ部の強度向上が図られると共に大幅に軽量化されて、信頼性の高いラックが得られるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）運転者の操舵によって回転するステアリング軸と、ステアリング軸に連結されるピニオンと、ピニオンに噛合すると共に車輪に連結されるラックと、ステアリング軸又はピニオンに伝達されて操舵を補助する回転力を発生させる電動モータと、を備えるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法において、ラックが、引張強度２ＧＰａ以上、且つ引張弾性率５０ＧＰａ以上の有機繊維のフィラメントを束にした１本以上のフィラメント束を液状熱硬化性樹脂に含浸させながら、回転する芯材に巻き付け、熱で硬化させるフィラメントワインディング法によって円筒状素材を成形した後、円筒状素材を切削加工して形成され、フィラメント束は、少なくともギヤ歯部とねじ部の表層からの一定深さの部分が、ギヤ歯部とねじ部の角度と略一致するパラレル巻きによって巻き付けられることを特徴とするラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
（２）有機繊維は、炭素繊維、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする（１）に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
（３）液状熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂とビスマレイミド樹脂の少なくとも一方であることを特徴とする（１）又は（２）に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。

本発明のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法によれば、引張強度２ＧＰａ以上、且つ引張弾性率５０ＧＰａ以上の有機繊維のフィラメントを束にした１本以上のフィラメント束を液状熱硬化性樹脂に含浸させながら、回転する芯材に巻き付け、熱で硬化させるフィラメントワインディング法によって成形した円筒状素材を切削加工してラックを製造するため、鉄系材料以上の強度を維持しつつ、大幅の軽量化と優れた抗折性を持つラックを提供することができる。また、ギヤ歯部とねじ部に相当する部分の有機繊維フィラメントの巻き付け方を、ギヤ歯部とねじ部の角度に一致させたパラレル巻きとしたので、ギヤ歯部とねじ部の強度が向上し、信頼性を更に高めることができる。

また、プリプレグを積層して製造するシートワインディング法（プリプレグの厚さと巻数による）と比較すると、フィラメント径と巻数を調整することによって外径精度を細かくコントロールすることができるので、ラックの製作コストを抑制することができる。また、切削加工でギヤ歯部等を仕上げても、シートワインディング法で見られるようなプリプレグ間で生じる可能性がある層間剥離等が起き難く、信頼性の高いラックを得ることができる。

なお、有機繊維としては、引張強度が２ＧＰａ以上、且つ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の炭素繊維、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維であることが好ましい。さらに、液状熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂とビスマレイミド樹脂の少なくとも一方であることが好ましい。

自動車の操舵機構部の概略構成図である。フィラメントワインディング法によって製作された円筒状素材の断面図である。切削加工によって円筒状素材にギヤ歯部及びねじ部が形成されたラックの断面図である。フィラメントワインディング法におけるフィラメントの巻き方を説明する図であり、（ａ）はヘリカル巻きの概略図、（ｂ）はパラレル巻きの概略図である。

以下、本発明に係るラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置１０のステアリング軸１１は、不図示のステアリングホイールが上端部に固定されて、ステアリング軸用ハウジング１２の内部に、軸心を中心に回転自在に支承されている。また、ステアリング軸用ハウジング１２は、下部を車両の前方に向けて傾斜した姿勢で、車室内部の所定位置に固定されている。

ステアリング軸１１の回転を左右の操舵輪の運動に変換するラックアンドピニオン機構２０は、軸方向に移動可能なラック２１と、ラック２１の軸心に対して斜めに支承され、ラック２１の歯部に噛合するピニオンを有するピニオン軸２２と、ラック２１及びピニオン軸２２を支承する筒状のラック用ハウジング２３と、で構成されている。そして、ラックアンドピニオン機構２０は、その長手方向が車両の幅方向に沿うようにして、車両の前部のエンジンルーム内にほぼ水平に配置されている。

また、ピニオン軸２２の上端部とステアリング軸１１の下端部とは、２個の自在継手２５，２６で連結されている。さらに、ラック２１の両端部には、不図示の転舵輪が連結されている。

そして、運転者によってステアリングホイールに操舵トルク（回転力）が加えられると、ステアリング軸１１が回転する。この操舵トルクは、ステアリング軸１１に取り付けられた不図示のトーションバーにより検出され、検出された操舵トルクに基づいて、電動モータ１３の出力（操舵を補助する回転力）が制御される。電動モータ１３の出力は、ステアリング軸１１の中間部分に供給され（ピニオン軸２２に供給されるようにしてもよい）、運転者の操作による操舵トルクと合わされて、ラックアンドピニオン機構２０によって転舵輪を駆動する運動に変換される。

ピニオン軸２２は、従来から使用されてきた鉄系材料を熱処理することにより、表面硬度を上げて耐摩耗性を向上させたものが用いられている。

そして、本実施形態のラック２１は、従来の鉄系材料に代わって、引張強度が２ＧＰａ以上、且つ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の高強度・高弾性率の有機繊維のフィラメントを束にした有機繊維フィラメント束３１を液状熱硬化性樹脂に含浸させながら、回転する芯棒（芯材）３０に所定の角度で巻き付け、熱で硬化させるフィラメントワインディング法によって円筒状素材３２を成形した後（図２参照）、この円筒状素材３２に切削によってピニオンが噛合するギヤ歯部３３及びボールジョイントが螺合する雌ねじ部（ねじ部）３４が加工されて仕上げられている（図３参照）。

そして、本実施形態では、有機繊維フィラメント束３１を構成する引張強度が２ＧＰａ以上、且つ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維としては、下記表１及び表２に示すようなものを使用することができる。

表１に示すパラ系アラミド繊維としては、具体的には、ポリパラフェニレンテレフタラミドと、それに第３成分としてジアミンを共重合させて延伸性等を改善したコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタラミドである。ＰＢＯ繊維は、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール（又はポリパラフェニレンベンゾビスオキサザール）繊維のことである。ポリアリレート繊維は、二価フェノールと芳香族ジカルボン酸との重縮合物である全芳香族ポリエステル繊維のことである。また、表１に示す３種類の繊維の中では、ＰＡＮ系炭素繊維の引張強度（２．０〜７．１ＧＰａ程度）のレベルに近いＰＢＯ繊維が最も好適である。

引張強度が２ＧＰａ以上、且つ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維材としては、表２に示す超高分子量ポリエチレン繊維やＰＡＮ系炭素繊維があるが、超高分子量ポリエチレン繊維は融点が１４０℃程度であり、使用時に軟化することが想定されるので、適用が困難である。また、ＰＡＮ系炭素繊維は、鉄系材料への傷付性があるので、相手部材であるピニオンに熱処理等の硬化処理を行う必要があるため、コストアップにつながる可能性がある。ただし、炭素繊維部分を表面層に使わずに、ラックの剛性を向上させるために、芯材近傍部分に炭素繊維フィラメントを用いてもよい。

それに対して、表１に示す３種類の有機繊維は、高強度でありながら、柔軟性を有し、鉄系材料への傷付性がなく、摺動特性にも優れ、従って、相手材であるピニオンに熱処理等の硬化処理を行う必要がなく、低コスト化につながる。また、従来の鉄同士の摺動に比べて、滑らかな作動が可能になる。

これらの有機繊維は、液状熱硬化性樹脂との接着性を向上させるために、繊維表面にウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、及びビスマレイミド樹脂から選ばれる少なくとも一つのサイジング剤で処理されたものを用いるのがより好適である。

有機繊維は、平均直径で６〜２１μｍ、より好ましくは、８〜１５μｍである。なお、平均直径が６μｍ未満の場合は、繊維径が細すぎて、一本あたりの強度が低いため、安定した製造が困難となり、大幅なコストアップとなるので、実用性が低い。また、平均直径が２１μｍを越える場合は、一本あたりの強度は増加するものの、繊維が太くなることで、緻密なフィラメントワインディングが困難になり、好ましくない。

なお、上記した有機繊維の一部を、鉄への傷付性がなく、強度が低いものの耐熱性に優れる高耐熱性有機繊維を代わりに含有させてもよい、具体的には、メタ系アラミド繊維、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）繊維、及びポリイミド（ＰＩ）繊維等である。

また、有機繊維のフィラメント束３１を含浸させる液状熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂が好適に用いられる。その他、ビスマレイミド樹脂、ポリアミノアミド樹脂、及びフェノール樹脂等も適用可能である。なお、ポリアミノアミドはエポキシ樹脂の硬化剤としても使用可能である。

また、フィラメントワインディング法により成形された有機繊維強化プラスチックにおいて、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂分は、２０〜４０重量％、より好ましくは２５〜３５重量％含有された状態で用いることが好適である。なお、熱硬化性樹脂分の含有率が２０重量％未満の場合は、含有率が少なすぎてフィラメント同士の接着接合が難しく、安定した成形体を製造することが困難になり、好ましくない。また、熱硬化性樹脂分の含有率が４０重量％を越える場合は、成形体状態での柔軟性は向上するものの、有機繊維の絶対量が少なすぎるために、鉄鋼材料並の引張強度を達成することが難しくなり、好ましくない。

また、本実施形態では、有機繊維フィラメント束３１は、完成したラックに求められる、一定レベル以上の引張強度と曲げ強度を達成するために、図４に示すように、芯棒３０に対して垂直に近い８０〜８９°で巻き付けるパラレル巻き工程と、芯棒３０に対して平行に近い１０〜２０°で巻きつけるヘリカル巻き工程とを組み合わせて行う。

また、本実施形態では、切削加工によって形成されるギヤ歯部３３及び雌ねじ部３４の強度を向上させるために、ギヤ歯部３３及び雌ねじ部３４に相当する部分のフィラメント束３１の巻き付け方を、芯棒３０に対するギヤ歯角度・ねじ（山）角度に一致させたパラレル巻きとしている。これにより、相手部材とかみ合った時にかかる力を、含有される有機繊維がほとんど切断されていない状態で受けることができるので、繊維自体の高強度が発揮され、優れた耐久性を発揮することが可能になる。

なお、芯棒３０としては、ラック全体を軽量化するために、アルミニウム、又は表面に酸化被膜（アルマイト）処理を行ったアルミニウム製の丸棒を用いるのが最も好適であるが、強度が不足する場合、あるいはフィラメント巻き付け時の変形（撓み）を考慮して、鉄系材料を用いてもよい。

本発明のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法の作用効果を確認するため、本発明の製造方法により製作されたラック（本発明例）と、従来の製造方法により製作されたラック（比較例）について、抗折性、耐久性、及びねじ強度の各試験を行い比較した。

（本発明例の製作方法）
鉄製の芯棒３０をフィラメントワインディング装置に固定した状態で回転させ、有機繊維フィラメント束３１を樹脂含浸槽に浸漬して液状エポキシ樹脂に含浸させた後、張力を掛けながら樹脂含浸槽を移動してフィラメント束３１を芯棒３０に巻き付けた。

巻き方は、図４に示すようなヘリカル巻き（角度は、芯棒３０に対して１５°に設定）を一定厚み（ギヤ歯部３３の底に相当する外径に対して０．３ｍｍ小さいところまで）になるまで繰り返した後、パラレル巻き（角度は、芯棒３０に対して、ギヤ歯部３３に相当する部分では歯部の角度に一致した８５°に設定、雌ねじ部３４に相当する部分ではねじ角度に略一致した８８°に設定）を最終的な径を超えたところまで繰り返した。その後、液状エポキシ樹脂を硬化させるために、１５０℃で２時間熱処理を行った。次いで、端面からはみ出した芯棒３０と、両端部分を切断し、外径の仕上げ加工を行い、図２に示す円筒状素材３２を製作した。

そして、図３に示すように、円筒状素材３２に切削加工を施して、ギヤ歯部３３及び雌ねじ部３４を形成してラック２１とした。これにより、芯棒３０に対するギヤ歯部３３の角度とフィラメント束３１の巻き付け角度（８５°）は一致しており、相手部材に対して最も高い強度が保持される。また、雌ねじ部３４のねじ角度（リード角）とフィラメント束３１の巻き付け角度（８８．３°）が略一致しており、高いねじ強度が保持される。

（本発明例１の仕様）
（１）有機繊維の種類：ＰＡＮ系炭素繊維（サイジング剤処理済み、東邦テナックス製テナックス（商標登録）・フィラメントＨＴＡ−１２Ｋ）
（２）フィラメント繊維直径：７μｍ
（３）フィラメント束数：１２０００本
（４）フィラメント引張強度：３．９２ＧＰａ
（５）フィラメント引張弾性率：２３５ＧＰａ
（６）フィラメント伸度：１．７％
（７）液状熱硬化性樹脂含有率：２５重量％（エポキシ樹脂、硬化温度１５０℃）
（８）巻き方の仕様（円筒状素材外径φ２８ｍｍ、鉄製芯棒外径φ８ｍｍ）
ヘリカル巻き（角度は、芯棒に対して１５°に設定）厚さ２．０ｍｍ
パラレル巻き（角度は、芯棒に対して８５°に設定、両端のねじ部のみ８８．３°）
厚さ８ｍｍで巻いて硬化させた後、外径部などを切削加工により仕上げ。

（本発明例２の仕様）
（１）有機繊維の種類：ポリアリレート繊維（サイジング剤処理済み、クラレ製ベクトラン、高強力タイプ）
（２）フィラメント繊維直径：１０μｍ
（３）フィラメント引張強度：３．２３ＧＰａ
（４）フィラメント引張弾性率：７４．６ＧＰａ
（５）フィラメント伸度：３．８％
（６）液状熱硬化性樹脂含有率：２５重量％（エポキシ樹脂、硬化温度１５０℃）
（７）巻き方の仕様：本発明例１と同じ

（本発明例３の仕様）
（１）有機繊維の種類：ＰＢＯ繊維（サイジング剤処理済み、東洋紡製ザイロンＨＭ、高弾性率タイプ）
（２）フィラメント繊維直径：１２μｍ
（３）フィラメント引張強度：５．８ＧＰａ
（４）フィラメント引張弾性率：２７０ＧＰａ
（５）フィラメント伸度：２．５％
（６）液状熱硬化性樹脂含有率：２５重量％（エポキシ樹脂、硬化温度１５０℃）
（７）巻き方の仕様：本発明例１と同じ

（比較例１の仕様）
鉄系材料（Ｓ４５Ｃ）を冷間鍛造、熱処理して、図３に示す本発明例１のラックと同一形状で中空構造のラックを製作した。

（比較例２の仕様）
本発明例１で使用したＰＡＮ系炭素繊維を用い、ヘリカル巻き（１５°）とパラレル巻き（８５°）を厚さ１．０ｍｍずつ交互に巻きつけて円筒状素材を形成し、切削加工により図３に示す本発明例１のラックと同一形状のラックを製作した。

（抗折性評価）
比較例１のラックが破壊する破壊荷重を、本発明例１〜３の各ラックに加えて、折れるまでのたわみ量を比較した。結果を表３に示す。なお、たわみ量は、比較例１のたわみ量を１とした相対値で示す。

表３から明らかなように、引張強度が２ＧＰａ以上、且つ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維フィラメント束を用いたフィラメントワインディング法によってラックを形成することによって、鉄系材料以上の強度を維持しつつ、大幅な軽量化と優れた抗折性を持つラックを得られることがわかった。

（耐久性評価及びねじ強度評価）
本発明例１のラックと、比較例２のラックについて、比較例１のラックで実際に使用されている耐久試験スペック及びねじ強度スペックに基づく試験を行い、比較評価した。結果を表４に示す。

表４から明らかなように、本発明例１のラックは、耐久性及びねじ強度ともに、比較例２のラックと比較して大幅に向上していることわかった。

従って、本発明のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法でラック２１を形成することによって、従来の鉄系材料を用いたラックと同等又はそれ以上の強度と抗折性、特に、ギヤ歯部３３と雌ねじ部３４の強度が向上し、大幅に軽量化されるにもかかわらず、耐久性、信頼性の高いラック２１が得られ、本発明の有効性が実証された。

なお、本発明は、前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

１０ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置
１１ステアリング軸
１３電動モータ
２１ラック
２２ピニオン軸（ピニオン）
３０芯棒（芯材）
３１有機繊維フィラメント束
３２円筒状素材
３３ギヤ歯部
３４雌ねじ部（ねじ部）

Claims

運転者の操舵によって回転するステアリング軸と、前記ステアリング軸に連結されるピニオンと、前記ピニオンに噛合すると共に車輪に連結されるラックと、前記ステアリング軸又は前記ピニオンに伝達されて前記操舵を補助する回転力を発生させる電動モータと、を備えるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法において、
前記ラックが、引張強度２ＧＰａ以上、且つ引張弾性率５０ＧＰａ以上の有機繊維のフィラメントを束にした１本以上のフィラメント束を液状熱硬化性樹脂に含浸させながら、回転する芯材に巻き付け、熱で硬化させるフィラメントワインディング法によって円筒状素材を成形した後、前記円筒状素材を切削加工して形成され、
前記フィラメント束は、少なくともギヤ歯部とねじ部の表層からの一定深さの部分が、前記ギヤ歯部と前記ねじ部の角度と略一致するパラレル巻きによって巻き付けられることを特徴とするラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
前記有機繊維は、炭素繊維、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
前記液状熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂とビスマレイミド樹脂の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１又は２に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。