JP6528482B2

JP6528482B2 - ラック軸及びステアリング装置

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Publication number: JP6528482B2
Application number: JP2015053322A
Authority: JP
Inventors: 邦晃三井; 良太稲垣
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2035-03-17
Also published as: CN105984486A; JP2016173139A; US10138990B2; US20160273641A1; CN105984486B; EP3070372A1; EP3070372B1

Description

本発明は、ラック歯列を有するラック軸及びそのラック軸を備えるステアリング装置に関するものである。

例えば、特許文献１に示すように、車両の車輪を操舵するステアリング装置には、ラック歯列を有するラック軸が適用される。そして、例えば、特許文献２に示すように、ラック軸には、ラック歯列が形成された部位（ラック歯形成部）と、ラック歯列が形成されていない部位（非ラック歯部）と、ラック歯列形成部と非ラック歯部とを連結する部位（連結部）とが形成される。

ラック軸におけるラック歯形成部は、塑性加工、例えば鍛造時に軸部材の余剰材が軸線方向に逃げるので、形成されるラック歯列のうち、軸線方向端部に位置するラック歯は欠肉状態になり易く、所望の精度が得られ難い。

このような精度が得られないラック歯はピニオンとの噛み合いに利用できないため、ラック軸における連結部には、ラック歯列の軸線方向端部の有効なラック歯（以下、有効ラック歯という）の隣りに、所謂捨て歯、すなわち無効なラック歯（以下、無効ラック歯という）が形成され、さらに無効ラック歯の隣りに、非ラック歯部の周面と無効ラック歯の歯底とを繋ぐ肉盛部が形成される。ここで、無効ラック歯とは、ラック歯列と噛み合うピニオンのピニオン歯が当たる部分が全く無いラック歯のことをいい、有効ラック歯とは、上記ピニオン歯が当たる部分を一部でも有するラック歯のことをいう。また、肉盛部は、鍛造で用いる金型におけるパンチのダイスからの離型性を高める効果も有する。

特開２０１３−６５１７号公報特開２０１４−７９７６９号公報

従来のラック軸は、ラック歯形成部と、非ラック歯部とを、無効ラック歯及び肉盛部が形成された連結部で連結しているため、ラック軸の軸長の短縮化には限界がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、軸長の短縮化を図ることができるラック軸及びそのラック軸を備えるパワーステアリング装置を提供することを目的とする。

（ラック軸）
本発明に係るラック軸は、軸部材の塑性変形により形成されて、ピニオンと噛み合う複数のラック歯を有する有効ラック歯列と、前記ラック歯を有しない非ラック歯部と、前記有効ラック歯列と前記非ラック歯部との間に形成されて、前記ピニオンと噛み合うことのない無効ラック歯と、前記非ラック歯部の端部から前記無効ラック歯に向けて延びて、前記無効ラック歯の少なくとも一部を覆うように、且つ、前記無効ラック歯と、前記有効ラック歯列のうち前記無効ラック歯に隣り合う有効ラック歯との間にまで臨んで形成される肉盛部と、を備える。

これにより、ラック軸には、軸部材の軸線方向において肉盛部の形成範囲に少なくとも無効ラック歯の一部が形成されるので、ラック軸は、従来のラック軸と比較して肉盛部に覆われた無効ラック歯の分だけ軸長を短縮できる。よって、このラック軸が適用されるステアリング装置は、小型化を図ることができる。そして、肉盛部の形成範囲には、無効ラック歯全体との重なり範囲及び有効ラック歯の一部との重なり範囲が含まれるので、無効ラック歯と有効ラック歯との間の歯底は、肉盛部で埋められることになる。このように有効ラック歯の歯元である歯底を肉盛部で埋めることで、歯元応力を緩和して端当て時の有効ラック歯の強度を確保できるので、有効ラック歯の損傷を抑制できる。

（ステアリング装置）
本発明に係るステアリング装置は、ハウジングと、前記ハウジングに軸線方向に移動可能に支持され、車両の車輪に連接される上述のラック軸と、前記ハウジングに軸回りに回転可能に支持されて前記ラック軸の前記有効ラック歯列と噛み合わされ、前記車両のステアリングに連接されるピニオンと、を備える。
これにより、ステアリング装置は、上述のラック軸が適用されるため、小型化が可能となる。

本発明の実施の形態：ラックピニオン式のステアリング装置の概略構成の模式図である。ラック軸のラック歯形成部及びボールネジ部を軸線及び有効ラック歯列の歯すじに対し直角な方向から見た図である。図２ＡのＡ−Ａ線断面図であり、肉盛部及び無効ラック歯の周辺を軸線に沿って断面にした図である。図２ＡのＢ−Ｂ線断面図であり、肉盛部及び無効ラック歯の周辺を軸線に平行な直線に沿って断面にした図である。図２Ｂに示す一点鎖線の円で囲まれたＣ部の拡大図であり、肉盛部、無効ラック歯及び有効ラック歯の重なり範囲を示す図である。図２Ｂに示す一点鎖線の円で囲まれたＣ部の別例の拡大図であり、肉盛部及び無効ラック歯の重なり範囲を示す図である。図２Ｂに示す一点鎖線の円で囲まれたＣ部のさらに別例の拡大図であり、肉盛部、無効ラック歯及び有効ラック歯の重なり範囲を示す図である。

（ステアリング装置の構成）
本実施形態のステアリング装置について、図１を参照して説明する。
このステアリング装置１は、ステアリングホイール等の操舵部材２に連結しているステアリングシャフト３と、ステアリングシャフト３に自在継手４を介して連結された中間軸５と、中間軸５に自在継手６を介して連結されたピニオン軸７と、ピニオン軸７の端部近傍に設けられたピニオン７ａに噛み合うラック８ａを有して自動車の左右方向に延びる転舵軸としてのラック軸１３とを有している。ピニオン軸７およびラック軸１３により舵取り機構としてのラックアンドピニオン機構Ａが構成されている。

ラック軸１３は、車体に固定されるラックハウジング９内に、図示しない複数の軸受を介して、軸方向Ｚ１に沿って直線往復動可能に支持されている。ラック軸１３の両端部はラックハウジング９の両側へ突出し、各端部にはそれぞれタイロッド１０が結合されている。各タイロッド１０は対応するナックルアーム（図示せず）を介して対応する転舵輪１１に連結されている。操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３が回転されると、この回転がピニオン７ａおよびラック８ａによって、ラック軸１３の軸方向Ｚ１の直線運動に変換される。これにより、転舵輪１１の転舵が達成される。

（ラック軸）
図２Ａに示すように、ラック軸１３は、ラック歯形成部１３Ａと、ボールネジ部１３Ｂ等とを有する。ラック歯形成部１３Ａには、有効ラック歯列１３１が形成されるとともに、無効ラック歯１３４及び肉盛部１３５が有効ラック歯列１３１の軸線方向の両端側にそれぞれ形成される。

図２Ａ〜２Ｃに示すように、ラック歯形成部１３Ａは、軸部材Ｗの一端側の外周面を温間の密閉鍛造により凹状に塑性変形させて形成した有効ラック歯列１３１、並びに凹状とされた領域の軸線Ｌ方向端部に位置し、有効ラック歯列１３１の塑性変形に伴って塑性変形させて形成した肉盛部１３５及び軸線Ｌ方向において肉盛部１３５の形成範囲に有効ラック歯列１３１と隣り合うように形成した無効ラック歯１３４を有する。ボールネジ部１３Ｂは、軸部材Ｗの他端側の外周面を切削して形成したオネジ１３２を有する。

ラック歯形成部１３Ａは、鋼材でなる中実の軸部材Ｗを７５０°Ｃ〜７９０°Ｃに加熱し、金型でプレス加工することにより形成される。中実の軸部材Ｗを使用する理由は、中実の軸部材Ｗには、塑性変形の際に逃げる軸部材Ｗの材料を多量に確保できるので、軸部材Ｗの伸びを抑制でき、ラック歯形成部１３Ａにおける有効ラック歯列１３１の端部の有効ラック歯１３１ａを高精度に形成できるためである。また、中実の軸部材Ｗは、車両の車輪が段差等に乗り上げたときの衝撃による曲げに対して中空の軸部材よりも中実の軸部材Ｗの方が剛性が高いためである。また、中実の軸部材Ｗは、中空の軸部材と比較して材料コストや加工コスト等の上昇を抑えることができるためである。

無効ラック歯１３４は、ラック軸１３の軸線Ｌ方向において肉盛部１３５の形成範囲に形成される。すなわち、図２Ａに示すように、無効ラック歯１３４は、軸部材Ｗの軸線Ｌ及び有効ラック歯列１３１の歯すじＧに対し直角な方向から見た場合、無効ラック歯１３４の中央部分（図２Ａの一点鎖線の円で囲まれたＤ部）が肉盛部１３５に覆われるように形成される。また、図３Ａに示すように、無効ラック歯１３４の上記中央部分は、有効ラック歯列１３１の歯すじＧの方向から見た場合、肉盛部１３５とＬＩ１の範囲で重なるように形成される。

よって、ラック軸１３の軸長を従来のラック軸と比較して無効ラック歯の分だけ短縮できる。なお、ラック軸１３の軸長は、詳細は後述するが肉盛部１３５がボールネジ部１３Ｂから有効ラック歯列１３１に向かって傾斜して形成されるので、この傾斜角度を変更することにより調整可能である。

無効ラック歯１３４を形成する理由は、背景技術でも説明したように、有効ラック歯列１３１のうち軸線Ｌ方向端部の有効ラック歯１３１ａの形状の欠肉状態を防止するためである。すなわち、密閉鍛造時に凹状になる部分の一部の余剰材が、軸部材Ｗの軸線Ｌ方向に逃げて有効ラック歯列１３１の精度に影響を与えるおそれがあるので、無効ラック歯１３４の形成領域を余剰材の逃がし領域として有効ラック歯列１３１の精度を確保するためである。

肉盛部１３５は、ボールネジ部１３Ｂと有効ラック歯列１３１との間に形成される。すなわち、図２Ａに示すように、肉盛部１３５は、軸部材Ｗの軸線Ｌ及び有効ラック歯列１３１の歯すじＧに対し直角な方向から見た場合、ボールネジ部１３Ｂからラック歯形成部１３Ａに向かうに従って先細りとなる形状であって、有効ラック歯列１３１の歯すじＧの中心を通り且つ軸部材Ｗの軸線Ｌに平行な直線に対し対称形状に形成される（以下、平面形状という）。また、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、肉盛部１３５は、軸部材Ｗの軸線Ｌ及び平面形状に直角な方向から見た場合、ボールネジ部１３Ｂの周面１３Ｂａと有効ラック歯１３１ａの側面１３１ａａ（図３Ａ参照）とを緩やかに繋ぐ傾斜した形状に形成される（以下、側面形状という）。

より具体的には、図２Ａに示すように、肉盛部１３５の平面形状は、略二等辺三角形状に形成され、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、肉盛部１３５の側面形状は、略直角三角形状に形成される。換言すると、肉盛部１３５の立体形状は、略円錐形状を軸線方向に半分に切断した形状（略半円錐形状）、すなわちボールネジ部１３Ｂ側に半円形状の底面が位置し、ラック歯形成部１３Ａ側に頂点Ｐが位置する略半円錐形状に形成される。これにより、作業者は、軸部材Ｗを温間の密閉鍛造する際の軸部材Ｗの材料の流れを容易に把握できるので、有効ラック歯列１３１を高精度に鍛造できる金型を設計することができる。

そして、肉盛部１３５は、無効ラック歯１３４と、当該無効ラック歯１３４に隣り合う有効ラック歯１３１ａとの間にまで臨んで形成される。詳しくは、図３Ａに示すように、肉盛部１３５は、頂点Ｐが有効ラック歯１３１ａの側面１３１ａａにまで臨むように形成される。つまり、肉盛部１３５の形成範囲ＬＬは、ボールネジ部１３Ｂとラック歯形成部１３Ａとの境界から有効ラック歯１３１ａの側面１３１ａａの途中までとなる。

肉盛部１３５が、ボールネジ部１３Ｂの周面１３Ｂａと有効ラック歯１３１ａの側面１３１ａａとを緩やかに繋ぐ傾斜した形状に形成される理由は、密閉鍛造時に軸線方向に逃げる軸部材Ｗの余剰材を堰き止め、プレス圧の有効利用を図って有効ラック歯１３１ａの形状の欠肉状態を防止するためである。さらに、密閉鍛造で用いる金型におけるパンチのダイスからの離型性を高めるためである。

また、肉盛部１３５が、頂点Ｐが有効ラック歯１３１ａの側面１３１ａａにまで臨んで形成される理由は、以下の通りである。すなわち、一般的に、ステアリング装置１０においては、有効ラック歯列１３１のうち軸線方向端部の有効ラック歯１３１ａにピニオン軸１２の歯が噛み合う端当て時に大きな負荷が掛かる（図２Ａに示す状態）。このため、有効ラック歯１３１ａは、損傷するおそれがある。

しかし、図３Ａに示すように、肉盛部１３５の形成範囲ＬＬには、無効ラック歯１３４全体との重なり範囲ＬＩ及び有効ラック歯１３１ａの側面１３１ａａの一部との重なり範囲ＬＶが含まれるので、無効ラック歯１３４と有効ラック歯１３１ａとの間の歯底１３１ｂは、肉盛部１３５で埋められることになる。このように有効ラック歯１３１ａの歯元である歯底１３１ｂを肉盛部１３５で埋めることで、歯元応力を緩和して端当て時の有効ラック歯１３１ａの強度を確保できるので、有効ラック歯１３１ａの損傷を抑制できる。

（効果）
本実施形態のラック軸１３は、軸部材Ｗの塑性変形により形成されて、ピニオン７ａと噛み合う複数のラック歯を有する有効ラック歯列１３１と、ラック歯を有しないボールネジ部１３Ｂと、有効ラック歯列１３１とボールネジ部１３Ｂとの間に形成されて、ピニオン７ａと噛み合うことのない無効ラック歯１３４と、ボールネジ部１３Ｂの端部から無効ラック歯１３４に向けて延びて、無効ラック歯１３４の少なくとも一部を覆う肉盛部１３５と、を備える。

これにより、ラック軸１３には、軸部材Ｗの軸線方向において肉盛部１３５の形成範囲に少なくとも無効ラック歯１３４の一部が形成されるので、ラック軸１３は、従来のラック軸と比較して肉盛部１３５で覆われた無効ラック歯１３４の分だけ軸長を短縮できる。よって、このラック軸１３が適用されるステアリング装置１は、小型化を図ることができる。

また、肉盛部１３５は、無効ラック歯１３４と、有効ラック歯列１３１のうち当該無効ラック歯１３４に隣り合う有効ラック歯１３１ａとの間にまで臨んで形成されるとよい。特に、肉盛部１３５は、隣り合う有効ラック歯１３１ａの側面１３１ｂにまで臨んで形成されるとよい。これにより、肉盛部１３５は、無効ラック歯１３４と有効ラック歯１３１ａとの間の歯底１３１ｂを埋めることになるため、当該有効ラック歯１３１ａ、すなわち軸線方向端部に位置する有効ラック歯１３１ａの強度を高められる。

また、肉盛部１３５は、有効ラック歯列１３１の軸線方向両側に設けられるとよい。これにより、ラック軸１３は、軸長のさらなる短縮化を図ることができる。
また、軸部材Ｗは、中実の部材であるとよい。中実の軸部材Ｗには、塑性変形の際に逃げる軸部材Ｗの余剰材を多量に確保できるので、軸部材Ｗの伸びを抑制でき、ラック歯形成部１３Ａにおける有効ラック歯列１３１の端部の有効ラック歯１３１ａを高精度に形成できる。

また、軸部材Ｗの軸線Ｌ及び有効ラック歯列１３１の歯すじＧに対し直角な方向から見た肉盛部１３５の形状は、ボールネジ部１３Ｂから有効ラック歯列１３１に向かうに従って先細りとなる形状であって、有効ラック歯列１３１の歯すじＧの中心を通り且つ軸部材Ｗの軸線Ｌに平行な直線に対し対称形状に形成されるとよい。これにより、作業者は、軸部材Ｗを温間の密閉鍛造する際の軸部材Ｗの余剰材の流れを容易に把握できるので、有効ラック歯列１３１を高精度に鍛造できる金型を設計できる。

また、無効ラック歯１３４は、軸部材Ｗの軸線Ｌ及び有効ラック歯列１３１の歯すじＧに対し直角な方向から見た場合に、有効ラック歯列１３１の歯すじＧの中心を通り且つ軸部材Ｗの軸線Ｌに平行な直線に対し両側に形成されるとよい。これにより、無効ラック歯１３４の形成領域は、余剰材の逃がし領域となるので、有効ラック歯列１３１の精度を確保できる。

（その他）
なお、上述の実施形態では、図３Ａに示すように、肉盛部１３５は、頂点Ｐが有効ラック歯１３１ａの側面１３１ａａにまで臨むように形成したが、図３Ｂに示すように、頂点Ｐが無効ラック歯１３４と有効ラック歯１３１ａとの間の歯底１３１ｂにまで臨むように形成してもよい。このような構成でも、肉盛部１３５は、無効ラック歯１３４と有効ラック歯１３１ａとの間の歯底１３１ｂの一部を埋めることになるため、当該有効ラック歯１３１ａの強度をある程度高められる。

また、上述の実施形態では、図３Ａに示すように、肉盛部１３５の形成範囲ＬＬには、無効ラック歯１３４全体との重なり範囲ＬＩが含まれるように形成したが、図３Ｃに示すように、無効ラック歯１３４の両側面１３４ａａの一部との重なり範囲ＬＶが含まれるように形成してもよい。この場合も、図３Ｂに示すように、頂点Ｐが無効ラック歯１３４と有効ラック歯１３１ａとの間の歯底１３１ｂにまで臨むように形成してもよい。

上述の実施形態のラック軸１３の肉盛部１３５には、有効ラック歯列１３１に隣り合う無効ラック歯１３４は、少なくとも１つあればよく、２つ以上であってもよい。また、上述の実施形態のラック軸１３は、非ラック歯部としてボールネジ部１３Ｂ及び継手結合部１３Ｄを例に説明したが、例えば単なる筒状の軸部であっても同様の効果が得られる。また、上述の実施形態のラック軸１３は、素材である軸部材Ｗの余剰材をバリとして出さない型鍛造（密閉鍛造）により形成する場合を説明したが、軸部材Ｗの余剰材をバリとして出す型鍛造等により形成してもよい。また、上述の実施形態のラック軸１３は、電動のパワーステアリング装置や油圧のパワーステアリング装置に対しても同様に適用可能である。

１：ステアリング装置、１３：ラック軸、１３Ａ：ラック歯形成部、１３Ｂ：ボールネジ部（非ラック歯部）、１３１：有効ラック歯列、１３１ａ：有効ラック歯、１３１ａａ：有効ラック歯の側面、１３４：無効ラック歯、１３５：肉盛部、Ａ：ラックアンドピニオン機構、Ｗ：軸部材、ＬＬ：肉盛部の形成範囲

Claims

軸部材の塑性変形により形成されて、ピニオンと噛み合う複数のラック歯を有する有効ラック歯列と、
前記ラック歯を有しない非ラック歯部と、
前記有効ラック歯列と前記非ラック歯部との間に形成されて、前記ピニオンと噛み合うことのない無効ラック歯と、
前記非ラック歯部の端部から前記無効ラック歯に向けて延びて、前記無効ラック歯の少なくとも一部を覆うように、且つ、前記無効ラック歯と、前記有効ラック歯列のうち当該無効ラック歯に隣り合う有効ラック歯との間にまで臨んで形成される肉盛部と、
を備える、ラック軸。
前記肉盛部は、前記隣り合う有効ラック歯の側面にまで臨んで形成される、請求項１に記載のラック軸。
前記肉盛部は、前記有効ラック歯列の軸線方向両側に設けられる、請求項１又は２に記載のラック軸。
前記軸部材は、中実の部材である、請求項１〜３の何れか一項に記載のラック軸。
前記軸部材の軸線及び前記有効ラック歯列の歯すじに対し直角な方向から見た前記肉盛部の形状は、前記非ラック歯部から前記有効ラック歯列に向かうに従って先細りとなる形状であって、前記有効ラック歯列の歯すじの中心を通り且つ前記軸部材の軸線に平行な直線に対し対称形状に形成される、請求項１〜４の何れか一項に記載のラック軸。
前記無効ラック歯は、前記軸部材の軸線及び前記有効ラック歯列の歯すじに対し直角な方向から見た場合に、前記有効ラック歯列の歯すじの中心を通り且つ前記軸部材の軸線に平行な直線に対し両側に形成される、請求項５に記載のラック軸。
ハウジングと、
前記ハウジングに軸線方向に移動可能に支持され、車両の車輪に連接される請求項１〜６の何れか一項のラック軸と、
前記ハウジングに軸回りに回転可能に支持されて前記ラック軸の前記有効ラック歯列と噛み合わされ、前記車両のステアリングに連接されるピニオン軸と、
を備える、ステアリング装置。