JP5504281B2 - ラック・アンド・ピニオン式ステアリング機構の衝撃緩衝装置 - 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機構の衝撃緩衝装置に係り、詳しくは、ラック軸がストロークエンド位置で衝止される際の衝撃を緩衝する技術に関する。

車両のラック・アンド・ピニオン式ステアリング機構は、ピニオンと、ピニオンに噛み合うラックを有するラック軸とを備え、運転者によるステアリングホイールの回転操作をラック軸の車幅方向における直線運動に変換し、車輪の舵角を変化させる。このラック軸の可動範囲における終端位置、すなわちストロークエンド位置は、ラック軸の端部に設けられたラックエンド部と、ラック軸を支持するラックハウジングと突き当てることによって設定されている。その際のラックエンド部とラックハウジングとの衝突音を抑制するべく、ラックエンド部とラックハウジングとの間に緩衝部材が介装されることがある。緩衝部材の一例としては、円筒状の弾性体をラック軸に外装し、ラックエンド部とラックハウジングとの間で圧縮されるようにしたものがある（例えば、特許文献１）。

特開平８−１３３１０２号公報

特許文献１のような弾性体の衝撃吸収能（衝撃緩衝能）を高めるためには、弾性体の断面積を大きくして弾性体のばね定数を増大させる手法や、弾性体の軸線方向長さを長くして変形ストロークを増大させる手法が考えられる。しかしながら、弾性体の断面積は、ラックハウジングの大きさによって制限されるため変更可能範囲が小さい。一方、弾性体の軸線方向長さを長くすると、弾性体の軸線方向に圧縮荷重が加わった際に弾性体が座屈（すなわち、円筒の径方向外側に大きく撓む）しやくすくなり、所期の衝撃吸収能を発揮させることが難しいという問題がある。

本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであって、衝撃吸収能が高いラック・アンド・ピニオン式ステアリング機構の衝撃緩衝装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ラック・アンド・ピニオン式ステアリング機構（１０）の衝撃緩衝装置（１）であって、ラック・アンド・ピニオン式ステアリング機構のラック軸（１１）と、筒状をなし、前記ラック軸をその軸線方向に移動可能に支持するラックハウジング（１２）と、前記ラック軸の端部に設けられたストッパ部（２０）と、前記ラックハウジングに設けられ、前記ストッパ部と突き当たることによって前記ラック軸のストロークエンド位置を設定するストッパ衝止部（４０）と、前記ラック軸の外周面に設けられた第１押圧部（１９）と、前記ラックハウジングの内周面に設けられた第２押圧部（４２）と、筒状をなして前記ラック軸に外装され、前記ラック軸の外周面と前記ラックハウジングの内周面との間の空間に突入可能であり、前記ストッパ部が前記ストッパ衝止部に接近する際に、前記第１押圧部と前記第２押圧部とによって前記ラック軸の軸線方向に押圧される弾性部材（３０）とを備え、前記弾性部材は、その外周面（３０Ａ）および内周面（３０Ｂ）の両面に、周方向に延在する溝部（３１，３２）を有することを特徴とする。

この構成によれば、弾性部材にラック軸の軸線方向に沿った荷重が加えられる際に、弾性部材の溝部が形成された部分では、圧縮変形よりも先に、溝部を埋めるべく屈曲変形が生じるようになる。そのため、圧縮変形に起因する弾性部材の座屈が生じるまでの弾性部材の変形ストロークを増大させることができ、吸収可能なエネルギー量を増大させることができる。すなわち、弾性部材の座屈を抑制しつつ、衝撃吸収能を向上させることができる。

本発明の他の側面は、前記弾性部材の前記外周面に形成された前記溝部と、前記弾性部材の前記内周面に形成された前記溝部とは、前記ラック軸の軸線方向において交互に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、弾性部材の各溝部が形成された部分において生じる屈曲変形の向きが、弾性部材の軸線方向において交互に逆向きとなるため、弾性部材が一方向に大きく折れ曲がることを抑制することができる。

本発明の他の側面は、前記溝部は、前記弾性部材の軸線に対してらせん状に連続して延在することを特徴とする。

この構成によれば、溝部が形成された弾性部材を射出成型等によって形成する際に、成形型からの弾性部材の取り外しが容易になる。

本発明の他の側面は、前記ラックハウジングは、両端部が開口した筒状をなし、その開口端の内周面側に全周にわたって拡径部（４１）を有し、前記弾性部材は、前記ストッパが前記ストッパ衝止部に接近する際に、前記拡径部内に配置されることを特徴とする。

この構成によれば、弾性部材にラック軸の軸線方向に沿った荷重が加えられる際に、弾性部材はラック軸と拡径部とによって、径方向への変形が規制されるため、座屈が抑制される。また、本発明の他の側面は、前記ストッパ部は、前記第１押圧部よりも前記ラック軸の端部側に設けられ、かつ前記第１押圧部よりも前記ラック軸の径方向外方に突出し、前記第１押圧部は、前記ストッパが前記ストッパ衝止部に当接する前に、前記ラック軸の外周面と前記ラックハウジングの内周面との間の空間に突入することを特徴とする。また、本発明の他の側面は、前記弾性部材は、前記第１押圧部と前記第２押圧部とによって前記ラック軸の軸線方向に押圧されたときに、前記溝部が形成された部分において屈曲変形し、前記溝部が埋められた状態になり、前記第１押圧部は、前記溝部の全てが埋められた状態になる前に、前記ラック軸の外周面と前記ラックハウジングの内周面との間の空間に突入することを特徴とする。

以上のように構成することによって、ラック・アンド・ピニオン式ステアリング機構の衝撃緩衝装置の衝撃吸収能を向上させることができる。

ラック・アンド・ピニオン式ステアリング機構を示す概略説明図 図１のＩＩ−ＩＩ断面図 実施形態に係る衝撃緩衝装置を示す部分断面図 実施形態に係る衝撃緩衝装置の弾性部材を示す（Ａ）側面図、（Ｂ）断面図、（Ｃ）拡大断面図 実施形態に係る衝撃緩衝装置の動作を示す説明図 実施形態に係る衝撃緩衝装置の弾性部材のばね定数変化を示すグラフ 一部変形実施形態に係る衝撃緩衝装置の弾性部材を示す断面図

以下、図面を参照して、本発明を車両のラック・アンド・ピニオン式ステアリング機構の衝撃緩衝装置に適用した一実施形態について詳細に説明する。本実施形態に係る衝撃緩衝装置１は、ラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置１０に設けられ、後述するラック軸１１がストロークエンド位置に達する際の衝撃を吸収（緩衝）する。以下の説明では、車両の前進方向を前方とし、前方を向いた際の左右方向をそれぞれ左方および右方とし、鉛直方向を上下方向として説明する。

＜ラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置の概略構成＞
図１に示すように、ラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置１０は、ステアリングホイール７１にステアリング軸７２を介して一体的に回転可能に連結されたピニオン７４と、このピニオン７４に噛合して車幅方向に往復動可能に設けられたラック軸１１とを有するラック・アンド・ピニオン機構７６を備えている。ラック軸１１は、ラックハウジング１２に支持されており、その両端にはタイロッド１４を介して左右の前輪７８のナックル７９が連結され、ステアリングホイール７１の手動回転操作に応じて左右の前輪７８が転舵されるようになっている。電動モータ７３の駆動力は、ギアボックス８０内にピニオン７４と共に収容されたウォームギヤ８１を介してステアリング軸７２に入力される。

電動モータ７３は、ステアリング制御装置（ＥＰＳ ＥＣＵ）８３により制御される。このステアリング制御装置８３には、ステアリングホイール７１の操舵角を検出する操舵角センサ８４、ピニオン７４に作用する手動操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ８５、車速を検出する車速センサ８６などの出力信号が入力されており、これらの信号に基づいて所要の補助操舵力が発生するように電動モータ７３が制御される。

図２は、図１に示したギアボックス８０をII−II線に沿って破断して示す断面図である。このギアボックス８０は、ギヤボックスハウジング９０内に、電動モータ７３の駆動力を減速してステアリング軸７２に伝達するウォームギヤ８１と、ステアリング軸７２の回転運動をラック軸１１の直動運動に変換するラック・アンド・ピニオン機構７６と、ステアリング軸７２に作用する操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ８５とが収納されている。

ウォームギヤ８１は、電動モータ７３の出力軸と同軸的に連結されたウォーム９１と、ステアリング軸７２に外装された態様で同軸的に固定されたウォームホイール９２とを有しており、電動モータ７３の駆動力を駆動歯車としてのウォーム９１に入力して被動歯車としてのウォームホイール９２を回転させるようになっている。

なお、ウォーム９１は、歯底円を外周とする芯部９３の周囲に１条の歯９４を備え、金属材料（例えば炭素鋼など）にて形成されている。このように１条の歯９４を用いることによりウォームホイール９２の歯数がそのまま減速比となるので、大きな減速比が得られ、トルクの小さい電動モータ７３でも大きな倍力トルクが得られる。

他方、ウォームホイール９２は、ステアリング軸７２に結合される芯金部９５と、この芯金部９５の周囲を取り囲むように形成されて、外周に歯９６が列設された環状の歯形成部９７とを備えている。芯金部９５は、金属材料にて形成されており、歯形成部９７は合成樹脂材料（例えばポリアミド樹脂など）にて形成されており、歯形成部９７はインサート成型などにて芯金部９５と一体的に結合されている。

＜衝撃緩衝装置の構成＞
図３は、車幅方向に延在するラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置１０の右端を示す図である。ラック軸１１は、断面が円形状をなす軸部材であり、円筒状をなすラックハウジング１２の内部に、環状のブッシュ１３を介してラック軸１１の軸線Ａ方向にスライド移動可能に支持されている。ラックハウジング１２は、車幅方向に延在するように車体（図示しない）に取り付けられており、ラック軸１１は車幅方向（左右方向）に延在するとともに、車幅方向にスライド移動可能となっている。ラック軸１１は、その車幅方向における中間部に軸線Ａ方向に列設されたラック（図示しない）を備え、ラックにおいてピニオン７４と噛み合っている。

ラック軸１１の端部には、タイロッド１４とラック軸１１とを連結するボールジョイント１５のボールジョイントハウジング１６が取り付けられている。ラック軸１１の端面には雌ねじ部１７が形成され、ボールジョイントハウジング１６には雄ねじ部１８が突設され、雌ねじ部１７と雄ねじ部１８とが螺合することによって、ボールジョイントハウジング１６がラック軸１１の端部に固定されている。ボールジョイントハウジング１６は、ラック軸１１よりも径方向において幅広になっており、ラック軸１１とボールジョイントハウジング１６との接合部において、ボールジョイントハウジング１６は、ラック軸１１の全周にわたって径方向外側に突出する段部（第１押圧部）１９を形成する。

また、ボールジョイントハウジング１６は、段部１９をなす部分よりも車幅方向外側に、段部１９よりも径方向外方に突出するストッパ部２０を備えている。ストッパ部２０の車幅方向内側の部分には、軸線Ａに対して垂直な衝当面２０Ａが形成されている。

ボールジョイントハウジング１６は、その内部にボールスタッド２２の球状の頭部２２Ａを回転自在に支持する。ボールスタッド２２の軸部には、タイロッド１４の一端が連結されている。タイロッド１４は、その他端が車輪を支持するナックル７９に連結されており、ラック軸１１の動きに応じて車輪の舵角を変化させる。

ラック軸１１の外周部には、円筒状の弾性部材３０が外装されている。弾性部材３０は、弾性変形可能な樹脂材料から形成されている。弾性部材３０は、その内径がラック軸１１の直径と概ね一致し、内周面３０Ｂ（図４参照）がラック軸１１の外周面に摺接している。弾性部材３０の車幅方向外側（図中の右側）の端面は、ボールジョイントハウジング１６の段部１９に当接している。

図４Ａに示すように、弾性部材３０の外周面３０Ａには、弾性部材３０の円周方向に延在する４つの無端状の外周溝部３１が等間隔に形成されている。また、図４Ｂに示すように、弾性部材３０の内周面３０Ｂには、弾性部材３０の円周方向に延在する５つの無端状の内周溝部３２が等間隔に形成されている。外周溝部３１と内周溝部３２とは、弾性部材３０の軸線Ｂ方向において、交互に配置されている。なお、外周溝部３１と内周溝部３２の数は、図示の数に限定されず増減させてもよい。

図４Ｃに拡大して示すように、外周溝部３１および内周溝部３２の横断面形状は、それぞれ三角形状を呈している。外周溝部３１は、三角形の頂点をなす底部から径方向に傾斜して外周面３０Ａに延びる２つの傾斜面３１Ａ，３１Ｂを備えている。同様に、内周溝部３２は、三角形の頂点をなす底部から径方向に傾斜して内周面３０Ｂに延びる２つの傾斜面３２Ａ，３２Ｂを備えている。なお、外周溝部３１および内周溝部３２の横断面形状は三角形状に限定されず、例えば円弧状にしてもよい。

ラックハウジング１２の車幅方向外側における端部（右端）には、ラック軸１１の軸線Ａに対して垂直な平面をなすストッパ衝止部４０が形成されている。ラックハウジング１２の端部における内周面には、拡径部４１が形成されている。拡径部４１は、その車幅方向外側部分がラックハウジング１２の右端面に連通し、その車幅方向内側部分にラック軸１１の軸線Ａと垂直な面をなす底壁部（第２押圧部）４２を備えている。拡径部４１の内径は、弾性部材３０の外径や段部１９の外径よりも大きく形成されており、弾性部材３０および段部１９が拡径部４１内に突入可能となっている。

ラックハウジング１２の端部およびタイロッド１４には、ラックブーツ４５の各端部が取り付けられている。ラックブーツ４５は、屈曲変形することによって伸縮可能な蛇腹であり、一端がラックハウジング１２の外周部にホースバンド４６によって締結され、他端がタイロッド１４に形成された溝部４７に嵌合して固定されている。

以上のようにして、衝撃緩衝装置１は、ラック軸１１、ラックハウジング１２、ボールジョイントハウジング１６、弾性部材３０によって構成されている。

＜衝撃緩衝装置の作用＞
図５を参照して、ラック軸１１がストロークエンド位置に到達する際の衝撃緩衝装置１の動作および作用について説明する。なお、図５では、説明の便宜のため衝撃緩衝装置１の上半部のみを拡大して示している。ラック軸１１のストロークエンド位置（すなわち、ラックハウジング１２に対するスライド移動の終端位置）は、ボールジョイントハウジング１６のストッパ部２０の衝当面２０Ａがラックハウジング１２のストッパ衝止部４０に突き当たることによって設定される。

図５Ａに示すように、ラック軸１１がストロークエンド位置に対して十分な距離だけ離れている場合には、弾性部材３０は拡径部４１の外部に位置し、その車幅方向外側の端部（右端）が段部１９に当接した状態となっている。この状態から、ラック軸１１が左側（図５Ａ中の白抜き矢印）に移動すると、弾性部材３０はラック軸１１と共に移動して拡径部４１内に突入し、弾性部材３０の車幅方向外側の端部（左端）が拡径部４１の底壁部４２に当接した状態となる（図５Ｂ参照）。

図５Ｂに示す状態から、ラック軸１１が左方に移動すると、弾性部材３０は、段部１９と底壁部４２とに軸線Ａ方向における両端側から押圧される。これにより、弾性部材３０は、外周溝部３１および内周溝部３２が形成された部分において屈曲変形する。すなわち、外周溝部３１が形成された部分では、外周溝部３１の傾斜面３１Ａと傾斜面３１Ｂとが接触して外周溝部３１を埋めるように屈曲し、内周溝部３２が形成された部分では、内周溝部３２の傾斜面３２Ａと傾斜面３２Ｂとが接触して内周溝部３２を埋めるように屈曲する。図５Ｂに示す状態から、弾性部材３０が屈曲し、全ての外周溝部３１および内周溝部３２が埋められた状態（図５Ｃ参照）になるまでに、ラック軸１１は軸線Ａ方向に距離Ｌ１だけ移動する。換言すると、外周溝部３１および内周溝部３２が埋められるように弾性部材３０が屈曲変形することによって、弾性部材３０は軸線Ａ方向に距離Ｌ１だけ収縮する。図５Ｃに示す状態になったとき、段部１９の車幅方向内側（左端）の部分は、拡径部４１内に突入している。

図５Ｃに示す状態から、ラック軸１１が左方に移動すると、弾性部材３０は、段部１９と底壁部４２とに軸線Ａ方向における両端側から押圧され、圧縮変形する。この弾性部材３０の圧縮変形は、ストッパ部２０の衝当面２０Ａがラックハウジング１２のストッパ衝止部４０に当接するまで、すなわちラック軸１１がストロークエンド位置に到達するまで継続され、弾性部材３０は軸線Ａ方向に距離Ｌ２だけ圧縮される。

以上のように、ストッパ部２０がストッパ衝止部４０に当接するまでの間に、弾性部材３０は距離Ｌ１だけ屈曲変形し、続いて距離Ｌ２だけ圧縮変形し、ラック軸１１がストロークエンド位置に到達する際の衝突エネルギーを吸収する。弾性部材３０に外周溝部３１および内周溝部３２を形成し、弾性部材３０を屈曲変形可能にしたため、距離Ｌ１だけ弾性部材３０の変形ストロークを長くすることができ、吸収エネルギー量を増大させることができる。

図６に、本実施形態に係る弾性部材３０のばね定数（図中の曲線１００）と、比較対象としての弾性部材のばね定数（図中の曲線１０１）とを示す。比較対象としての弾性部材は、本実施形態に係る弾性部材３０と比較して外周溝部３１および内周溝部３２を備えていない点で相違し、他の材料および形状は同一である。曲線１００が示すように、本実施形態に係る弾性部材３０は、軸線Ａ方向での変形量が０〜Ｌ１までの間では、外周溝部３１および内周溝部３２において屈曲変形され、変形量がＬ１〜Ｌ１＋Ｌ２までの間では圧縮変形される。そして、変形量がＬ１＋Ｌ２に達すると座屈する。一方、曲線１０１に示すように、比較対象としての弾性部材では、変形の初期から軸線Ａ方向における圧縮変形が生じ、軸線Ａ方向における変形量がＬ２に達したときに圧縮変形量が所定値を超えて座屈が生じる。すなわち、本実施形態に係る弾性部材３０は、比較対象としての弾性部材よりも図中のハッチングを付した部分の面積だけエネルギーを多く吸収することができる。

また、本実施形態に係る衝撃緩衝装置１では、弾性部材３０の距離Ｌ１の屈曲変形が完了した際に、段部１９が拡径部４１内に突入し、弾性部材３０の外周部は拡径部４１に覆われているため（図５Ｃ参照）、弾性部材３０が外方に膨らむ座屈が抑制される。また、本実施形態の弾性部材３０は、外周溝部３１と内周溝部３２を備えていない弾性部材に比較して充填率を小さくすることができるため、半径方向への膨出量が小さくなる。そのため、拡径部４１の内周面と弾性部材３０の外周面３０Ａとの間隔を小さくすることができる。

また、弾性部材３０の外周溝部３１と内周溝部３２とは、ラック軸１１の軸線Ａ方向において交互に配置されているため、弾性部材３０の屈曲変形の方向が互いに相殺され、弾性部材３０は距離Ｌ２だけ屈曲変形しても概ねラック軸１１の軸線Ａ方向に延在することができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、図７に示すように、弾性部材３０の外周溝部６１および内周溝部６２をそれぞれ軸線Ｂに対してらせん状に形成してもよい。この構成によれば、各溝部６１，６２が形成された弾性部材３０を射出成型等によって形成する際に、成形型からの弾性部材３０の取り外しが容易になる。また、実施形態では段部１９およびストッパ部２０をボールジョイントハウジング１６に形成したが、ラック軸１１の端部を加工して形成してもよく、あるいはボールジョイントハウジング１６と異なる他の部材に形成してもよい。また、段部１９を省略し、弾性部材３０の端面を直接にストッパ部２０に当接させてもよい。

１…衝撃緩衝装置、１０…ラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置、１１…ラック軸、１２…ラックハウジング、１５…ボールジョイント、１６…ボールジョイントハウジング、１９…段部（第１押圧部）、２０…ストッパ部、３０…弾性部材、３０Ａ…外周面、３０Ｂ…内周面、３１，６１…外周溝部、３２，６２…内周溝部、４０…ストッパ衝止部、４１…拡径部、４２…底壁部（第２押圧部）、Ａ…ラック軸の軸線、Ｂ…弾性部材の軸線

Claims (6)

1. ラック・アンド・ピニオン式ステアリング機構のラック軸と、
   筒状をなし、前記ラック軸をその軸線方向に移動可能に支持するラックハウジングと、
   前記ラック軸の端部に設けられたストッパ部と、
   前記ラックハウジングに設けられ、前記ストッパ部と突き当たることによって前記ラック軸のストロークエンド位置を設定するストッパ衝止部と、
   前記ラック軸の外周面に設けられた第１押圧部と、
   前記ラックハウジングの内周面に設けられた第２押圧部と、
   筒状をなして前記ラック軸に外装され、前記ラック軸の外周面と前記ラックハウジングの内周面との間の空間に突入可能であり、前記ストッパ部が前記ストッパ衝止部に接近する際に、前記第１押圧部と前記第２押圧部とによって前記ラック軸の軸線方向に押圧される弾性部材と
   を備え、
   前記弾性部材は、その外周面および内周面の両面に、周方向に延在する溝部を有し、
   前記弾性部材の前記外周面に形成された前記溝部と、前記弾性部材の前記内周面に形成された前記溝部とは、前記弾性部材の軸線方向において異なる位置に配置されてい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機構の衝撃緩衝装置。
2. 前記弾性部材の前記外周面に形成された前記溝部と、前記弾性部材の前記内周面に形成された前記溝部とは、前記弾性部材の軸線方向において交互に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の衝撃緩衝装置。
3. 前記溝部は、前記弾性部材の軸線に対してらせん状に連続して延在することを特徴とする、請求項１に記載の衝撃緩衝装置。
4. 前記ラックハウジングは、端部が開口した筒状をなし、その開口端の内周面側に全周にわたって拡径部を有し、
   前記弾性部材は、前記ストッパが前記ストッパ衝止部に接近する際に、前記拡径部内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の衝撃緩衝装置。
5. 前記ストッパ部は、前記第１押圧部よりも前記ラック軸の端部側に設けられ、かつ前記第１押圧部よりも前記ラック軸の径方向外方に突出し、
   前記第１押圧部は、前記ストッパが前記ストッパ衝止部に当接する前に、前記ラック軸の外周面と前記ラックハウジングの内周面との間の空間に突入することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載の衝撃緩衝装置。
6. 前記弾性部材は、前記第１押圧部と前記第２押圧部とによって前記ラック軸の軸線方向に押圧されたときに、前記溝部が形成された部分において屈曲変形し、前記溝部が埋められた状態になり、
   前記第１押圧部は、前記溝部の全てが埋められた状態になる前に、前記ラック軸の外周面と前記ラックハウジングの内周面との間の空間に突入することを特徴とする請求項５に記載の衝撃緩衝装置。

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