JP5831154B2 - ラックアンドピニオン式ステアリング装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はラックアンドピニオン式ステアリング装置及びその製造方法に関し、特に、車体フレームに固定されるハウジングに対して、ピニオン軸の回転でラック軸を往復移動するラックアンドピニオン式ステアリング装置及びその製造方法に関する。

従来、ラックアンドピニオン式ステアリング装置では、ラック軸を覆うステアリングギヤのハウジングは、ラック軸の軸方向に長く形成され、操舵時に車輪から伝達される操舵反力を受けるため、剛性が大きなアルミニウム合金等の金属を鋳造して一体的に成形されている。

しかし、ラック軸の軸方向に長い形状を有しているため、鋳造が難しく、材料費や加工費が高くなる問題があった。特許文献１や２に記載のステアリング装置では、アルミダイカスト成形されるステアリングギヤのハウジングの一部に樹脂を組み込み、騒音防止を図ったものが考案されている。

特開２０１０−２４７６０９号公報 特開２００６−２４８４６４号広報

ところで、ステアリングギヤのハウジングは、近年軽量化が求められており、従来のアルミニウム合金等の金属からなるものに対してさらなる改善が求められている。特許文献１及び２に記載のステアリング装置では、ハウジングの一部に樹脂が組み込まれることが開示されているが、軽量化について考慮したものではない。

本発明は、上述した事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、必要な強度や剛性を確保しつつ、軽量化することができるステアリングギヤのハウジングを有するステアリング装置及びその製造方法を提供することにある。

上記課題は以下の手段によって解決される。
（１） ハウジングと、
外周の少なくとも一部にラック歯を有し、前記ハウジングに往復移動可能に支持されるラック軸と、
ステアリングシャフトの下端に取り付けられて、前記ハウジングに回転可能に支持され、前記ラック軸のラック歯に噛み合うピニオンを有するピニオン軸と、
を有し、前記ピニオン軸の回転で前記ラック軸を往復移動し、タイロッドを介して車輪を操舵するラックアンドピニオン式ステアリング装置であって、
前記ハウジングは、前記ラック軸を覆う中空円筒部と、該中空円筒部の軸方向一方側に形成された挿入孔内に挿入された状態で設けられ、前記ピニオン軸を支持するピニオンハウジングと、前記中空円筒部の周囲に外嵌された状態でそれぞれ設けられ、車体フレームに取付可能な取付け部と、を有し、
前記中空円筒部が、その全体に亘って、炭素繊維からなる連続繊維強化樹脂によって構成され、且つ、
前記ピニオンハウジング及び前記両取付け部は、長繊維強化樹脂によって構成され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装置。
（２） （１）に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置を製造するラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法であって、
前記ピニオン軸側の取付け部を前記中空円筒部に圧入によって接合した後に、前記ピニオンハウジングが圧入により組み付けられ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装置の製造方法。
（３） （１）に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置を製造するラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法であって、
前記ピニオンハウジングを前記中空円筒部に圧入により組み付けた後に、前記ピニオン軸側の取付け部が射出成形され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装置の製造方法。

本発明のステアリング装置によれば、ラック軸を覆う中空円筒部は、その全体に亘って、炭素繊維からなる連続繊維強化樹脂によって構成され、ピニオン軸を支持するピニオンハウジング及び車体フレームに取付可能なピニオン軸側及び反ピニオン軸側の取付け部は長繊維強化樹脂によってそれぞれ構成されるので、アルミダイカストからなるステアリングギヤのハウジングに比べて格段の軽量化を図ることができる。
また、中空円筒部が、炭素繊維からなる連続繊維強化樹脂によって構成されることで、アルミダイカストに対して、強度、剛性に優れる。
さらに、ピニオンハウジング及び取付け部は、長繊維強化樹脂によって構成されることで、射出成形が可能であり、容易に成形することができる。

本発明のステアリング装置の全体斜視図である。 本発明のステアリング装置のハウジングを示す斜視図である。 図２のピニオン軸側のハウジングを一部破断して示す拡大斜視図である。 ピニオンハウジング部の斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、製造方法１におけるハウジングの製造過程を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、製造方法２におけるハウジングの製造過程を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態に係るコラムアシスト型ラックピニオン式パワーステアリング装置について説明する。

図１に示すように、本実施形態のコラムアシスト型ラックピニオン式パワーステアリング装置は、ステアリングホイール１０１の操作力を軽減するために、コラム１０５の中間部に取付けたモータ１０２の操舵補助力をステアリングシャフトに付与している。そして、ステアリングシャフトの回転を中間シャフト１０６に伝達し、ピニオン軸１０７を介してラックピニオン式のステアリングギヤ１０３のラック軸４０を往復移動させ、タイロッド１０４を介して舵輪を操舵している。

このステアリングギヤ１０３は、ハウジング１０と、外周の少なくとも一部にラック歯を有し、ハウジング１０に往復移動可能に支持されるラック軸４０と、ステアリングシャフトの下端、具体的には、中間シャフト１０６の下端に取り付けられて、ハウジング１０に回転可能に支持され、ラック軸４０の図示しないラック歯に噛み合う図示しないピニオンを有するピニオン軸１０７と、を有する。

ラック軸４０の左右両端には、図１のタイロッド１０４、１０４が連結され、タイロッド１０４、１０４が図示しないナックルアームを介して車輪に接続されている。従って、運転者がステアリングホイール１０１を回転すると、ピニオン軸１０７のピニオンが回転し、ピニオンの回転に応じて、ラック軸４０が左右に摺動して、車輪の操舵角を変えることができる。

ステアリングギヤ１０３のハウジング１０は、ラック軸４０を覆う中空円筒部３０と、該中空円筒部３０の軸方向一方側で車体上方側へ突出するように設けられ、中空円筒部３０と連通する、ピニオンハウジングとしてのピニオン挿入用の円柱状ボス１１と、円柱状ボス１１に隣接するラックガイド挿入用の円柱状ボス１２と、中空円筒部３０の周囲で軸方向両側に設けられ、フロントサブフレーム等の図示しない車体フレームに取り付け可能な取付け部としての車体取り付け用ボス部１３、２１と、を有する。
なお、円柱状ボス１２は、本実施形態では、車体後方側へ突出しているが、車体前方側に突出していてもよい。

ピニオン挿入用の円柱状ボス１１には、ピニオン軸１０７が挿入され、ラック軸４０に噛み合うピニオンは、挿入されたピニオン軸１０７の下端に形成される。ラックガイド挿入用の円柱状ボス１２には、図示しないラックガイドが挿入されている。ラックガイドは、ラック軸４０の背面（ラック歯と反対側）をローラー等により案内して、ピニオンとの噛み合い時の反力によるラック軸４０の変形を防止して、ラック軸４０が円滑に摺動するようにしている。

車体取り付け用ボス部１３、２１には、円形の取り付け孔１３１、２１１が車体上下方向に各々一箇所形成されている。取り付け孔１３１、２１１に図示しないボルトを挿入し、このボルトを車体フレームに締め付けることで、ハウジング１０は車体フレームに取り付けられる。

ここで、中空円筒部３０は、その全体に亘って、強度、剛性に優れる炭素繊維からなる連続繊維強化樹脂Ａによって構成される。また、複雑な形状を有する、円柱状ボス１１，１２及び取付け部１３，２１は、長繊維強化樹脂Ｂ，Ｃ，Ｄによって構成される。このうち、円柱状ボス１２及び取付け部１３を形成する長繊維強化樹脂Ｂは、中空円筒部３０の周囲に外嵌する環状の嵌合部分１４とともに、一体に形成される。また、長繊維強化樹脂Ｃも、環状の嵌合部分２２によって、中空円筒部３０の周囲に外嵌している。さらに、図４に示すように、円柱状ボス１１を形成する長繊維強化樹脂Ｄは、ピニオンハウジング部として別途形成され、中空円筒部３０に形成された挿入孔３０ａ（図５（ａ）参照）内に挿入される。

また、樹脂同士の接合には、通常、接着剤の使用が知られているが、使用する中で劣化が考えられるため、本実施形態では、図３に示すように、連続繊維強化樹脂Ａと長繊維強化樹脂Ｂ，Ｃ，Ｄの間に金属部材１５ａ，１５ｂ，２３ａを挟み込んでいる。金属部材１５ａ，１５ｂ，２３ａの表面には、面を荒くしたり、スプライン形状などが施されていて、長繊維強化樹脂Ｂ，Ｃ，Ｄとともに、連続繊維強化樹脂Ａに圧入し、噛みこむことで接合している。そのため，接着剤よりも接合力の持続が望める。この場合、長繊維強化樹脂Ｂ，Ｃ，Ｄは、金属部材１５ａ，１５ｂ，２３ａ等をインサートした状態で成形される（図４、図５（ａ）参照）。
なお、長繊維強化樹脂Ｂ，Ｃは、金属部材１５ａ，１５ｂ，２３ａが連続繊維強化樹脂Ａに組み付けられ、金属部材１５ａ，１５ｂ，２３ａと連続繊維強化樹脂Ａとが一体化された状態で、その周囲に成形されてもよい（図６（ａ）〜（ｃ）参照）。

また、図２〜図４に示すように、長繊維強化樹脂Ｂ，Ｃ，Ｄに、円柱状ボス１１，１２及び取付け部１３，２１を構成する金属部材１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１３ａ，１６，２１ａ，２４がインサート成形や圧入などで組みつけられる。具体的に、図４に示すピニオンハウジング部では、円柱状ボス１１のピニオン支持用軸受の嵌合面１１ａ１とねじ部分１１ａ２とを構成する金属部材１１ａと、ピニオン支持用軸受の嵌合面１１ｂ１を構成する金属部材１１ｂ（図６参照）とを長繊維強化樹脂Ｄにインサート成形することで、嵌合面やねじ部分の摩耗を防止している。また、取付け部１３，２１のボルトと当接する部分にも金属部材１３ａ，２１ａを長繊維強化樹脂Ｂ，Ｃにインサート成形して摩耗を防止している。

また、連続繊維強化樹脂Ａは、ボールジョイントが接触する部位１６ａやラックブッシュが嵌合する部分１６ｂが一体化された金属部材１６、及びボールジョイントが接触する部位やラックブッシュが嵌合する部分が一体化された金属部材２４を挿入することで、摩耗を防止している。この金属部材１６，２４の外周面には、接合のためのスプラインが形成されている。

上記のように構成されるステアリングギヤ１０３のハウジング１０の製造方法としては、以下の２通りの方法が例示される。

（製造方法１）
製造方法１では、まず、図４に示すように、金属部材１１ａ，１１ｂ，１５ｂをインサート成形して、長繊維強化樹脂Ｄからなるピニオンハウジング部を形成する。また、図５（ａ）に示すように、金属部材１２ａ，１３ａ，１５ａがインサート成形される円柱状ボス１２、取付け部１３、及び嵌合部分１４を有する長繊維強化樹脂Ｂと、金属部材２１ａ，２３ａがインサート成形される取付け部２１及び嵌合部分２２を有する長繊維強化樹脂Ｃと、を形成する。そして、長繊維強化樹脂Ｂ，Ｃが連続繊維強化樹脂Ａからなる中空円筒部３０に圧入によって接合される。
その後、長繊維強化樹脂Ｄからなるピニオンハウジング部が圧入により円柱状ボス１１に組み付けられるとともに、金属部材１６，２４が連続繊維強化樹脂Ａに接合されることで、ハウジング１０を完成する。

（製造方法２）
製造方法２においても、まず、図４に示す金属部材１１ａ，１１ｂ，１５ｂを有する長繊維強化樹脂Ｄからなるピニオンハウジング部を形成する。そして、長繊維強化樹脂Ｄからなるピニオンハウジング部を中空円筒部３０に圧入によって組み付けると共に、金属部材１２ａ，１５ａ，２３ａを圧入する（図６（ｂ）参照）。その後、ピニオンハウジング部及び金属部材１２ａ，１５ａ，２３ａが組み付けられた中空円筒部３０と、金属部材１３ａ，２１ａを型に入れて、長繊維強化樹脂Ｂ，Ｃを射出成形する。さらに、金属部材１６，２４が連続繊維強化樹脂Ａに接合されることで、ハウジング１０が完成する。
なお、金属部材１６，２４を連続繊維強化樹脂Ａに接合するタイミングは、いずれの製造方法においても、任意である。

以上説明したように、本実施形態のラックアンドピニオン式ステアリング装置によれば、ハウジング１０は、ラック軸４０を覆う中空円筒部３０と、該中空円筒部３０の軸方向一方側に設けられ、ピニオン軸１０７を支持するピニオン挿入用の円柱状ボス１１と、中空円筒部３０の周囲に設けられ、車体フレームに取付可能な取付け部１３，２１と、を有する。そして、少なくとも中空円筒部３０は、炭素繊維からなる連続繊維強化樹脂Ａによって構成されるので、アルミダイカストに比べて軽量化を図ることができ、また、アルミダイカストに対して、強度、剛性に優れたものとなる。また、円柱状ボス１１及び取付け部１３，２１も、長繊維強化樹脂Ｂ，Ｃ，Ｄによって構成されるので、全体として、アルミダイカストに比べて格段の軽量化を図ることができ、円柱状ボス１１及び取付け部１３，２１は、射出成形が可能であり、容易に成形することができる。

また、長繊維強化樹脂Ｂ，Ｃ，Ｄは、金属部材１１ａ，１１ｂ，１３ａ，１５ａ，１５ｂ，２１ａをインサートした状態で成形されるので、嵌合面やねじ部分などが金属部材１１ａ，１３ａ，１５ａ，１５ｂ，２１ａによって構成され、連続繊維強化樹脂Ａとの接合力を持続することができ、また、長繊維強化樹脂Ｂ，Ｃ，Ｄが摩耗するのを防止することができる。
さらに、ボールジョイントが接触する部位１６ａやラックブッシュが嵌合する部分１６ｂが一体化された金属部材１６やボールジョイントが接触する部位を有する金属部材２４の周囲にスプラインを形成して連続繊維強化樹脂Ａに接合されるので、これらの接触部位や嵌合部分での摩耗も防止することができる。

なお、本発明は、上記実施形態のものに限定されるものでなく、変形、改良などが可能である。
上記実施形態では、コラムアシスト型ラックピニオン式パワーステアリング装置に適用した例について説明したが、ピニオンアシスト型ラックピニオン式パワーステアリング装置やマニュアル型ラックピニオン式ステアリング装置に適用してもよい。

１０２ モータ
１０３ ステアリングギヤ
１０４ タイロッド
１０５ コラム
１０６ 中間シャフト
１０７ ピニオン軸
１０ ハウジング
１１ 円柱状ボス
１１ａ，１１ｂ 金属部材
１２ 円柱状ボス
１２ａ 金属部材
１３ 車体取り付け用ボス部
１３ａ 金属部材
１３１ 取り付け孔
１５ａ，１５ｂ 金属部材
１６ 金属部材
２１ 車体取り付け用ボス部
２１ａ 金属部材
２１１ 取り付け孔
２４ 金属部材
３０ 中空円筒部
４０ ラック軸
Ａ 連続繊維強化樹脂
Ｂ，Ｃ，Ｄ 長繊維強化樹脂

Claims (3)

1. ハウジングと、
   外周の少なくとも一部にラック歯を有し、前記ハウジングに往復移動可能に支持されるラック軸と、
   ステアリングシャフトの下端に取り付けられて、前記ハウジングに回転可能に支持され、前記ラック軸のラック歯に噛み合うピニオンを有するピニオン軸と、
   を有し、前記ピニオン軸の回転で前記ラック軸を往復移動し、タイロッドを介して車輪を操舵するラックアンドピニオン式ステアリング装置であって、
   前記ハウジングは、前記ラック軸を覆う中空円筒部と、該中空円筒部の軸方向一方側に形成された挿入孔内に挿入された状態で設けられ、前記ピニオン軸を支持するピニオンハウジングと、前記中空円筒部の周囲に外嵌された状態でそれぞれ設けられ、車体フレームに取付可能なピニオン軸側及び反ピニオン軸側の取付け部と、を有し、
   前記中空円筒部が、その全体に亘って、炭素繊維からなる連続繊維強化樹脂によって構成され、且つ、
   前記ピニオンハウジング及び前記両取付け部は、長繊維強化樹脂によって構成され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装置。
2. 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を製造するラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法であって、
   前記ピニオン軸側の取付け部を前記中空円筒部に圧入によって接合した後に、前記ピニオンハウジングが圧入により組み付けられ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装置の製造方法。
3. 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を製造するラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法であって、
   前記ピニオンハウジングを前記中空円筒部に圧入により組み付けた後に、前記ピニオン軸側の取付け部が射出成形され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装置の製造方法。

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