JP5581580B2 - 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 - Google Patents

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操舵輪の補助に変換する機構として、高剛性か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、電動パワーステアリング装置は、電動モータから出力された回転力で操舵を補助するステアリング装置であるが、回転力をステアリング軸に伝達するコラムアシスト式と、回転力をピニオンに伝達するピニオンアシスト式と、回転力をポールねじを介してラックに伝達するラックアンドピニオン式とがある。

操舵を補助しないマニュアル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のみがラックアンドピニオン機構によって操舵輪の運動に変換されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は小さい。また、油圧式パワーステアリング装置においても、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に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。更に、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、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では、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、上記のマニュアルステアリング装置や油圧式パワーステアリング装置に比べて１０倍以上も大きい。しかも、ラック及びピニオンは、強度面から鉄系材料で形成されており、それぞれのギア歯も鉄系材料であるため、噛み合いにより摩耗しやすい。

そこで、ラック及びピニオンの各ギア歯の摩耗を抑制するために、ラック及びピニオンの各ギア歯並びに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、それらの表面硬さをＨＲＣ５５〜６３程度にするとともに、ギア歯の根元芯部の硬さを前記表面硬さよりも１０〜２０倍小さくすることが行われている。また、ラック及びピニオンの各ギア歯の摩耗を抑制するために、ラック及びピニオンの各ギア歯並びにラックの背面に、焼き入れにより第１の硬化層を設け、更にその上に第１の硬化層よりも硬い第２の硬化層をショットピーニングにより設けることも行われている（特許文献１参照）。

特開２００５−１２５９７２号公報

近年の地球温暖化に対する炭酸ガス排出量の低減要求に対し、自動車では低燃費化のための軽量化が進んでいる。それに伴い、ラックを中空構造にして軽量化を図ることも行われているが、鉄系材料が用いられているため軽量化には限度がある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、鉄系材料からなるラックに比べて大幅な軽量化を図りつつ、同等以上の強度を有し、更にはギア歯の摩耗が少なく、ピニオンのギア歯の摩耗も少なくできるラックを簡便な方法で製造する方法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、本発明は下記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を提供する。
（１） 運転者の操舵により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たピニオンと、前記ピニオンに噛み合うとともに車軸に連結されるラックと、前記操蛇を補助する回転力を発生させる電動モータとを備え、前記回転力が前記ステアリング軸または前記ピニオンに伝達さ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において、
金属製の芯金に、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維にウレタン樹脂、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サイジング剤をコーティングしたフィラメント束を、液状熱硬化性樹脂を含浸させながら、ヘリカル巻きとパラレル巻きにて交互に巻き付けた後、最外層として引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の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種に前記サイジング剤をコーティングしたフィラメント束を、液状熱硬化性樹脂を含浸させながらヘリカル巻きにて巻き付け、全体を加熱して前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて筒状体とした後、ギア歯を形成してラックを製造し、
前記ラックと、熱硬化処理していないピニオンとを噛み合わせる
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）前記有機繊維が、ＰＡＮ系炭素繊維、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種であることを特徴とする上記（１）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）前記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂及び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上記（１）または（２）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。

本発明によれば、簡便な操作で、鉄系材料からなる中空構造のラックに比べても大幅な軽量化が図られ、しかも同等以上の強度を有するラックが得られる。また、炭素繊維の積層体で用いていたプリプレグを積層して製造する方法（シートワインディング法）ではプリプレグの厚さと巻数で外径制御を行っているが、本発明ではフィラメント径と巻数で外径制御をするため、外径精度を細かくコントロールできるため、低コスト化が可能である。更に、切削加工でギア歯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見られる場合がある層間剥離等が起こり難く、信頼性を向上させることも可能である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

本発明において、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種類には制限がなく、例えば図１に示す構成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１０を例示することができる。図示さ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１０において、図示しないステアリングホイールが上端部に固定されたステアリング軸１１が、ステアリング軸用ハウジング１２の内部に軸芯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１１は、下部を車両の前方に向けて傾斜した状態で、車室内部の所定位置に固定されている。

また、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、軸方向に移動自在なラック２１と、ラック２１の軸芯に対して斜めに支承されてラック２１のギア歯に噛み合うギア歯を備えた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とから構成される。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とに沿うようにして、車両前部のエンジンルーム内に略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。更に、ラック２１の両端部には、図示しない転舵輪が連結されている。

そして、運転者により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が回転し、操舵トルクはステアリング軸１１に取り付けられた図示しないトーションバーで検出され、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、減速ギア３０を介してステアリング軸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）、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。

本発明は、上記ラック２１の製造方法に関する。以下に、その手順を説明する。

先ず、図２に示すように、金属製の芯金４０に有機繊維からなり、特定のサイジング剤をコーティングしたフィラメント束５０を、液状熱硬化性樹脂（図示せず）を含浸させながら巻き付ける。フィラメント束５０の巻き付け方は、図２（Ａ）に示すように、芯金４０の軸線に対して好ましくは１０〜２０°の角度θで交差するように巻き付けるヘリカル巻き、図２（Ｂ）に示すように芯金４０の軸線に対して略直角、好ましくは８０〜８８°の角度θで巻き付けるパラレル巻きにて数巻ずつ交互に巻き付け、最外層として、特定の有機繊維に特定のサイジング剤をコーティングしたフィラメント束をヘリカル巻きにて巻き付ける。液状熱硬化性樹脂を含浸させながらフィラメント束５０を巻き付けるには、例えば、液状熱硬化性樹脂を貯蔵した槽にフィラメント束５０を浸漬した後、液状熱硬化性樹脂を付着させたフィラメント束５０を芯金４０に巻き付ける方法が簡便で効率的である。

尚、芯金４０は、中実でも中空でもよいが、実用的な強度を有し、軽量であることからアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる筒状体が好ましい。また、中空部に合成樹脂製の芯材を挿入して補強してもよい。

次いで、熱硬化性樹脂の硬化温度にて加熱して、熱硬化性樹脂を硬化させる。図３は、熱硬化して得られる成形体を示す断面図であるが、フィラメント束（図示せず）同士が熱硬化性樹脂で結着された外皮６０が、芯金４０の外周に接合された筒状体が得られる。

そして、図４に示すように、外皮６０にギア歯２１aを切削加工等により形成してラック２１が得られる。

有機繊維は、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上であれば制限はないが、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（ＰＢＯ）繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、ＰＡＮ系炭素繊維等を好適に挙げることができる。表１に、これら繊維の引張強度及び引張弾性率を示す。これらは単独で使用してもよいし、複数種を組み合わせて使用してもよい。但し、超高分子量ポリエチレン繊維は、融点が１４０℃程度であるため単独での使用には向かない。また、ＰＡＮ系炭素繊維は引張強度が高く（２．０〜７．１ＧＰａ）好ましいが、鉄系材料への傷付性があるため、鉄系材料からなるピニオンに熱処理等の硬化処理を施す必要があり、コスト増を招く。そのため、これら有機繊維の中では、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びＰＢＯ繊維が、高強度でありながらも柔軟性を有し、鉄系材料への傷付性がなくピニオンの熱硬化処理も不要であり、摺動特性にも優れることなどから、最外層を形成する繊維としても好ましい。中でも、ＰＡＮ系炭素繊維に近い引張強度を有するＰＢＯ繊維が特に好ましい。

尚、上記パラ系アラミド繊維は、ポリパラフェニレンテレフタラミドに、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。また、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である。

有機繊維は、平均直径で６〜２１μｍであることが好ましく、より好ましくは８〜１５μｍである。平均直径が６μｍ未満では細すぎて、一本当りの強度が低いため安定した製造が難しく、大幅なコスト増となるため、実用性が低い。一方、平均直径が２１μｍを超えると一本当りの強度は増加するものの、フィラメント束を平坦に巻き付けるのが難しくなる。

また、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、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビスマレイミド樹脂から選ばれるサイジング剤で表面をコーティングされている。

更に、上記有機繊維の一部を、強度に劣るものの、鉄への傷付性がなく、耐熱性に優れる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、ポリイミド（ＰＩ）繊維等で代替してもよい。また、最表層に配置されないのであれば、ＰＡＮ系炭素繊維を用いることもできる。

一方、熱硬化性樹脂としては、硬化性に優れることから、エポキシ樹脂、ピスマレイミド樹脂、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂等が好適であり、それぞれ単独または組み合わせて使用される。中でも、エポキシ樹脂が好ましい。また、ポリアミノアミド樹脂はエポキシ樹脂の硬化剤としても使用可能である。

また、液状熱硬化性樹脂の含有量、即ち液状熱硬化性樹脂を含浸させたフィラメント束を巻き付けた層（硬化前の外皮６０）における液状熱硬化性樹脂の重量は、２０〜４５質量％が好ましく、より好ましくは２５〜４０質量％である。熱硬化性樹脂の含有量が２０質量％未満では、樹脂分が少なすぎてフィラメント束同士の接着強度が不足し、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。更には、得られるラックにおいて有機繊維が露出し、弾性が低くなることから折れ易くなり好ましくない。これに対し熱硬化性樹脂の含有量が４５質量％を超えると、相対的に有機繊維の含有量が少なくなり、鉄系材料並の引張強度を達成することが困難になり好ましくない。

以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（実施例１）
繊維直径１０μｍの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」）からなるフィラメント束を用意した。このポリアリレート繊維フィラメント束の引張強度は３．２３ＧＭＰａ、引張弾性率は７４．６ＧＰａ、伸度は３．８％であった。

次いで、ポリアリレート繊維フィラメント束を液状のエポキシ樹脂を貯蔵した槽に浸漬した後、外径２８ｍｍ、内径８ｍｍのアルミニウム製の中空の芯金に張力を加えながら巻き付けた。その際、ヘリカル巻き（角度θ＝１５°）にて厚さ１ｍｍで巻き付けた上に、パラレル巻き（角度θ＝８８°）にて厚さ０．５ｍｍで巻き付けることを１サイクルとし、６サイクル繰り返した後、ヘリカル巻き（角度θ＝１５°）にて厚さ１ｍｍで巻き付けた。エポキシ樹脂の含有量は２５質量％である。

次いで、全体を１５０℃に加熱してエポキシ樹脂を硬化させて筒状体とし、切削加工によりギア歯を形成してラックを得た。

（実施例２）
実施例１と同一のＰＡＮ系炭素繊維フィラメント束、並びに繊維直径１２μｍのパラ系アラミド繊維（サイジング剤処理済み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：帝人テクノプロダクツ製「テクノーラ」）からなるフィラメント束を用意した。尚、パラ系アラミド繊維フィラメント束の引張強度は３．４３ＧＰａ、引張弾性率は７２．５ＧＰａ、伸度は４．６％であった。

次いで、ＰＡＮ系炭素繊維フィラメント束を液状のエポキシ樹脂を貯蔵した槽に浸漬した後、外径２８ｍｍ、内径８ｍｍのアルミニウム製の中空の芯金に張力を加えながら巻き付けた。その際、ヘリカル巻き（角度θ＝１５°）にて厚さ１ｍｍで巻き付けた上に、パラレル巻き（角度θ＝８８°）にて厚さ０．５ｍｍで巻き付けるサイクルを４サイクル繰り返した。その上に、パラ系アラミド繊維フィラメント束を液状のエポキシ樹脂を貯蔵した槽に浸漬した後、ヘリカル巻き（角度θ＝１５°）にて厚さ１ｍｍで巻き付けた上に、パラレル巻き（角度θ＝８８°）にて厚さ０．５ｍｍで巻き付けるサイクルを２サイクル繰り返した後、ヘリカル巻き（角度θ＝１５°）にて厚さ１ｍｍで巻き付けた。エポキシ樹脂の含有量は２５質量％である。

次いで、全体を１５０℃に加熱してエポキシ樹脂を硬化させて筒状体とし、切削加工によりギア歯を形成してラックを得た。

（実施例３）
繊維直径１２μｍの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」）からなるフィラメント束を用意した。このＰＢＯ繊維フィラメント束の引張強度は５．８０ＧＭＰａ、引張弾性率は２７０ＧＰａ、伸度は２．５％であった。

次いで、ＰＢＯ繊維フィラメント束を用い、実施例１と同様の巻き付けを行った。エポキシ樹脂の含有量も同じく２５質量％である。そして、熱硬化後にギア歯を形成してラックを得た。

（比較例１）
Ｓ４５Ｃ製で、熱処理及び冷間鍛造で作製した実施例１と同形で中空構造のラックを作製した。

（抗折性評価）
比較例１のラックの中央部に荷重を徐々に増加させて加え、折れたときの荷重を求めた。そして、上記で作製した実施例の各ラックの中央部に比較例１のラックが折れた荷重をかけ、そのときの撓み量を測定した。結果を表２に示す。また、表２には、各ラックの密度を示す。

表２に示すように、本発明に従う各実施例のラックは、従来の鉄系材料からなるラックに比べて、大幅な軽量化を図りつつ、高強度と高い抗折性とを実現できる。

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一例を示す概略構成図である。 フィラメント束の巻き付け方法を示す図であり、（Ａ）はヘリカル巻き、（Ｂ）はパラレル巻きを示す。 芯金にフィラメント束を巻き付けて得られる筒状体を示す断面図である。 ラックを示す断面図である。

符号の説明

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
１２ ステアリング軸用ハウジング
１３ 電動モータ
２０ ラックアンドピニオン機構
２１ ラック
２２ ピニオン軸
２４ 芯材
３０ 減速ギア
４０ 芯金
５０ フィラメント束
６０ 外皮

Claims (3)

1. 運転者の操舵により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たピニオンと、前記ピニオンに噛み合うとともに車軸に連結されるラックと、前記操蛇を補助する回転力を発生させる電動モータとを備え、前記回転力が前記ステアリング軸または前記ピニオンに伝達さ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において、
   金属製の芯金に、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の有機繊維にウレタン樹脂、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サイジング剤をコーティングしたフィラメント束を、液状熱硬化性樹脂を含浸させながら、ヘリカル巻きとパラレル巻きにて交互に巻き付けた後、最外層として引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ引張弾性率が５０ＧＰａ以上の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種に前記サイジング剤をコーティングしたフィラメント束を、液状熱硬化性樹脂を含浸させながらヘリカル巻きにて巻き付け、全体を加熱して前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて筒状体とした後、ギア歯を形成してラックを製造し、
   前記ラックと、熱硬化処理していないピニオンとを噛み合わせる
   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. 前記有機繊維が、ＰＡＮ系炭素繊維、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種であることを特徴とする請求項１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. 前記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂及び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または２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。

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