JP6565410B2 - Rack and pinion steering system - Google Patents
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Description
本発明は、ラック・ピニオン式ステアリング装置のラックハウジングの改良に関する。 The present invention relates to an improvement of a rack housing of a rack and pinion type steering apparatus.
自動車においては、ステアリングホイールが取り付けられたステアリング軸の回転を、左右の操舵輪の運動に変換する機構として、ボールスクリュー式とラック・ピニオン式とが知られているが、構造が簡単で剛性が高い等の理由で、ラック・ピニオン式が主に用いられている。このラック・ピニオン式の機構は、ステアリング軸とインタミシャフト・自在継ぎ手等を介して連結されたピニオン軸に形成されたピニオン歯と、車幅方向に延びたラック軸に形成されたラック歯を噛み合わせることで、ステアリングホイールの回転運動をラック軸の直線運動に変換するようになっている。 In automobiles, the ball screw type and the rack and pinion type are known as mechanisms for converting the rotation of the steering shaft to which the steering wheel is attached to the movement of the left and right steering wheels. The rack and pinion type is mainly used for reasons such as high. This rack-and-pinion type mechanism bites the pinion teeth formed on the pinion shaft connected via the steering shaft, intermediate shaft, universal joint, etc., and the rack teeth formed on the rack shaft extending in the vehicle width direction. By combining them, the rotational motion of the steering wheel is converted into the linear motion of the rack shaft.
ラック軸両端には操舵輪と連結されたタイロッドが連結されており、ラック軸の軸線方向(車幅方向)の移動により、操舵輪の動きがコントロールされる。また逆に、路面から操舵輪に作用する反力は、上記とは逆のルート、即ちタイロッド、ラック軸を介して、ステアリングホイールに伝達される。 Tie rods connected to the steering wheel are connected to both ends of the rack shaft, and the movement of the steering wheel is controlled by movement of the rack shaft in the axial direction (vehicle width direction). Conversely, the reaction force acting on the steered wheel from the road surface is transmitted to the steering wheel via the route opposite to the above, that is, the tie rod and the rack shaft.
ラック軸には、上述した軸線方向の力を伝達する機能や、操舵輪に作用する反力を受け止める機能が求められるが、かかる機能を果たすためにはラック歯とピニオン歯との噛み合いが確実に維持されているとともに、ラック軸に作用する力を確実に支持する必要がある。かかる事情から、ラック軸を支持・案内するためのラックハウジングは、強度のある金属材料から構成されるのが一般的である。近年では、金属材料の中でも、鉄製から比重の小さい軽金属(例えばアルミニウム)合金製になりつつある(例えば特許文献1参照)。 The rack shaft is required to have the function of transmitting the axial force described above and the function of receiving the reaction force acting on the steered wheels. To achieve this function, the engagement between the rack teeth and the pinion teeth is ensured. In addition to being maintained, it is necessary to reliably support the force acting on the rack shaft. Under such circumstances, a rack housing for supporting and guiding the rack shaft is generally made of a strong metal material. In recent years, among metal materials, it is becoming a product made from light metal (for example, aluminum) alloy with small specific gravity from iron (for example, refer patent document 1).
しかし、ラックハウジングは上述した通り、大きな強度が必要なため、アルミニウム合金製とした場合には、肉厚を厚くしたりする必要があるため、どうしても重量が増大してしまうという問題がある。 However, as described above, since the rack housing needs to have a high strength, when it is made of an aluminum alloy, it is necessary to increase the wall thickness, which inevitably increases the weight.
また近年、地球温暖化に対する炭酸ガス排出量の低減要求が高まり、自動車においては低燃費化が求められている。その中で、自動車を構成する各部品の軽量化が進められており、ステアリング装置においても構造を最適化することにより軽量化が図られている。ラックハウジングについても、かかる観点から更なる軽量化が検討されているが、強度を維持する為には金属材料を必要とすることから、更なる軽量化には限界があるという課題があった。 In recent years, there has been an increasing demand for reduction of carbon dioxide emission due to global warming, and automobiles are required to have low fuel consumption. Among them, the weight reduction of each part constituting the automobile is being promoted, and the weight reduction is also achieved by optimizing the structure of the steering device. Regarding the rack housing, further weight reduction has been studied from such a viewpoint, but since a metal material is required to maintain the strength, there is a problem that there is a limit to further weight reduction.
本発明はそのような課題を解消するためになされたものであり、ラック・ピニオン式ステアリング装置におけるラックハウジングについて、強度と剛性が従来と同等以上であり、且つ、大幅に軽量化することで、炭酸ガス排出量の低減に貢献するラック・ピニオン式ステアリング装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and the rack housing in the rack and pinion type steering device has strength and rigidity equal to or higher than those of the conventional one, and is greatly reduced in weight. An object of the present invention is to provide a rack and pinion type steering device that contributes to a reduction in carbon dioxide emission.
上記目的を達成するため、本発明に係るラック・ピニオン式ステアリング装置は以下のように構成される。
ピニオン歯が形成されたピニオン軸と、該ピニオン歯と噛合するラック歯が形成されたラック軸と、該ラック軸を軸線方向に移動可能に案内するラックハウジングと、を備えたラック・ピニオン式ステアリング装置であって、
前記ラックハウジングは、金属製とされ車体に取付けられる第1取付部及び第2取付部と、該第1取付部及び第2取付部を互いに連結しているパイプ状の筒部とを有し、
前記筒部は、繊維強化プラスチックのシートを少なくとも2層積層してなる積層体であり、隣り合う2層のうちの一方の層と他方の層に夫々含まれる強化繊維の繊維角度は互いに異なっており、
前記第1取付部及び第2取付部に形成され、前記筒部と連結される筒状の連結部の外面には、径方向外側に向かって突出し、該筒部の2層のシートの厚さ以上の長さを有する係合凸部が複数形成されており、
前記筒部の軸方向両端は、最も内側の少なくとも2層のシートを前記係合凸部が貫通した状態で前記連結部と係合すること、
を特徴とするラック・ピニオン式ステアリング装置。
In order to achieve the above object, a rack and pinion type steering apparatus according to the present invention is configured as follows.
Rack and pinion type steering equipped with a pinion shaft formed with pinion teeth, a rack shaft formed with rack teeth meshing with the pinion teeth, and a rack housing for guiding the rack shaft so as to be movable in the axial direction an apparatus,
The rack housing has a first attachment portion and a second attachment portion that are made of metal and attached to a vehicle body, and a pipe-like cylinder portion that connects the first attachment portion and the second attachment portion to each other,
The cylindrical portion is a laminate formed by laminating at least two layers of fiber reinforced plastic sheets , and the fiber angles of the reinforcing fibers included in one of the two adjacent layers and the other layer are different from each other. And
The outer surface of the cylindrical connecting portion formed on the first mounting portion and the second mounting portion and connected to the cylindrical portion protrudes radially outward, and the thickness of the two-layer sheet of the cylindrical portion A plurality of engaging projections having the above length are formed ,
The axial ends of the cylindrical part engage with the connecting part in a state where the engaging convex part penetrates at least the innermost two layers of sheets ,
A rack and pinion type steering device.
本発明に係るラック・ピニオン式ステアリング装置によれば、ラックハウジングの筒部が、含まれる強化繊維の繊維角度が互いに異なった少なくとも2層以上の積層体からなる繊維強化プラスチックから形成され、金属製の取付部とは筒部の2層の厚さ以上の長さを有する係合凸部を介して連結されているため、強度と剛性が従来の金属製の場合と同等以上であり、且つ、大幅に軽量化することが可能となる。 According to the rack and pinion type steering device according to the present invention, the cylindrical portion of the rack housing is formed from a fiber reinforced plastic made of a laminate of at least two layers in which the fiber angles of the reinforcing fibers included are different from each other. Since the connecting portion is connected via an engaging convex portion having a length equal to or greater than the thickness of the two layers of the cylindrical portion, the strength and rigidity are equal to or higher than those of a conventional metal, and The weight can be greatly reduced.
以下、本発明の実施形態について、図1〜5を参照して詳細に説明する。図1に示すように、本実施形態のラック・ピニオン式ステアリング装置100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として構成され、ステアリングホイール1の操作力を軽減するために、コラム5の中間部に取付けたモータ2の操舵補助力をステアリングシャフト(不図示)に付与している。そして、ステアリングシャフトの回転を自在継ぎ手3等を介してインタミシャフト4に伝達し、更に自在継ぎ手6を介してピニオン軸7に伝達する。ピニオン軸7の回転により、ラック・ピニオン式のステアリングギヤ8のラック軸12を往復移動させ、タイロッド9を介して操舵輪(不図示)を操舵している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the rack and pinion
ステアリングギヤ8は、ラックハウジング10と、ラック軸12と、ピニオン軸7とを有する。ラック軸12は外周の少なくとも一部にラック歯を有し、ラックハウジング10に往復移動可能に支持されている。ピニオン軸7は、ラック軸12のラック歯と噛合するピニオン歯を有し、ステアリングシャフトと上述したとおり連結され、ラックハウジング10に回転可能に支持されている。
The
ラック軸12の左右両端には、タイロッド9、9が連結され、このタイロッド9、9がナックルアーム(不図示)を介して操舵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1を回転させると、ピニオン軸7が回転し、ピニオン軸7の回転に応じて、ラック軸12が左右(車幅方向)に摺動して、操舵輪の操舵角を変えることができる。
ステアリングギヤ8のラックハウジング10は、図2に示すように、第1取付部14及び第2取付部16と、両取付部14、16を連結しているパイプ状の筒部18と、を有する。
As shown in FIG. 2, the rack housing 10 of the
第1取付部14は、金属製、好ましくはアルミダイキャスト製とされ、ラック軸12を取り囲む第1環状部20と、車体上方側へ突出するように設けられ、第1環状部20と連通する、ピニオン挿入用の円柱状ボス21と、該円柱状ボス21に隣接するラックガイド挿入用の円柱状ボス22と、車体フレーム(不図示)に取り付け可能な車体取り付け用第1ボス部23と、を有する。なお、円柱状ボス22は、本実施形態では、車体後方側へ突出しているが、ピニオン軸に対してラック軸が車体前方側に位置している場合は、車体前方側に突出していてもよい。
The
ピニオン挿入用の円柱状ボス21には、ピニオン軸7が挿入され、ラック軸12に噛み合うピニオン歯は、挿入されたピニオン軸7の下端に形成されている。ラックガイド(不図示)挿入用の円柱状ボス22には、ラックガイドが挿入される。ラックガイドは、ラック軸12の背面(ラック歯と反対側)をローラー等を介してピニオン歯との噛合方向に付勢して、ピニオンとの噛み合い時の反力によるラック軸12の変形を防止して、ラック軸12が円滑に摺動するようにしている。
The pinion shaft 7 is inserted into the
車体取り付け用第1ボス部23には、円形の取り付け孔23aが車体上下方向に形成されている。取り付け孔23aにボルト(不図示)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、第1取付部14は車体フレームに取り付けられる。
A
第2取付部16も、金属製、好ましくはアルミダイキャスト製とされ、ラック軸12を取り囲む第2環状部30と、車体フレームに取り付け可能な車体取り付け用第2ボス部33と、を有する。この第2取付部16は、第1取付部14と車幅方向(図2左右方向)に所定距離隔てて設けられる。
The
車体取り付け用第2ボス部33には、円形の取り付け孔33aが車体上下方向に形成されている。取り付け孔33aにボルト(不図示)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、第2取付部16は車体フレームに取り付けられる。
A
筒部18は、第1取付部14の第1環状部20と、第2取付部16の第2環状部30とを連結しており、その全体に亘って、強度、剛性に優れる炭素繊維にて強化された繊維強化プラスチックによって構成される。筒部18は単独で形成されるのではなく、第1取付部14と第2取付部16との組立体として作製されている。
The
すなわち、図3に示すように、鋼製の芯金40の回りに、第1取付部14と第2取付部16とをセットする。次いで、両取付部14、16の連結部14a、16a及び芯金40の上に、図4に示すように、一方向に配向された炭素繊維を含有するプリプレグを、互いに繊維角度θを90°異ならせた2層のシートを何重にも巻きつけ積層する事により形成する。図4は、第1取付部14の側の連結部14aとプリプレグを拡大して示したものである。
That is, as shown in FIG. 3, the
なお、繊維角度とは、芯金40の軸線方向と繊維の軸線方向とがなす角度のことをいう。従って、図4において、2層のうちの一方の層である第1層目18aに含まれている炭素繊維は、芯金40の軸線方向を向いて配向されているので、繊維角度θ=0°である。また、2層のうちの他方の層である第2層目18bに含まれている炭素繊維は、芯金40の軸線方向に対し直交して配向されているので、繊維角度θ=90°となっている。このため、第1層目18aと第2層目18bに含有されている炭素繊維の繊維角度θは、互いに90°異なっている。
The fiber angle refers to an angle formed by the axial direction of the
図4では誇張して示されているが、プリプレグの厚さは例えば、0.1〜0.5mmである。これに対し、連結部14a(図5も参照)に形成されている係合凸部14bの高さは、1〜3mmであり、これらプリプレグの層の2層の厚さである0.2〜1mm以上となっている。このため、係合凸部14bは、互いに繊維角度が異なる2層のプリプレグを貫通する。従って、図中黒矢印で示すように筒部18と第1取付部14を互いに引き離そうとする力が作用しても、又は白矢印で示すように筒部18と第1取付部14を互いに接近させようとする力が作用しても、係合凸部14bは少なくとも第2層目18bの層の炭素繊維と係合するようになっているので、両部材(筒部18と第1取付部14)の連結状態が維持されるようになっている。
Although exaggerated in FIG. 4, the thickness of the prepreg is, for example, 0.1 to 0.5 mm. On the other hand, the height of the engaging
なお、筒部18と第2取付部16との連結状態も同様であるので、図示及び説明は省略する。
In addition, since the connection state of the
プリプレグは、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂に代表される熱硬化性樹脂を22〜50質量%、より好ましくは25〜40質量%含有している。熱硬化性樹脂の量が22質量%を下回ると、繊維間に樹脂が行き渡らず、プリプレグ同士の接着性が低下すると共に、ボイドが発生しやすくなり、50質量%を超えると、繊維の数が減少するため、プリプレグの強度や剛性が低下する。炭素繊維については、直径5〜15μmの範囲にあり、引張り強度が3〜8.5GPa、引張り弾性率が200〜800GPa、伸度が1.0〜2.2%の範囲に入るものが望ましい。 The prepreg contains, for example, 22 to 50 mass%, more preferably 25 to 40 mass% of a thermosetting resin typified by a phenol resin, an epoxy resin, and a thermosetting polyimide resin. When the amount of the thermosetting resin is less than 22% by mass, the resin does not spread between the fibers, the adhesiveness between the prepregs decreases, and voids are easily generated. When the amount exceeds 50% by mass, the number of fibers is increased. Therefore, the strength and rigidity of the prepreg are reduced. The carbon fiber is preferably in a range of 5 to 15 μm in diameter, a tensile strength of 3 to 8.5 GPa, a tensile elastic modulus of 200 to 800 GPa, and an elongation of 1.0 to 2.2%.
図5は、第1取付部14の連結部14aを取り出して示したもので、環状の連結部14aの径方向に係合凸部14bが複数形成されている。係合凸部14bは誇張して図示されているが、突起の太さは好ましくは直径0.1〜1mm、高さは前述した通り1〜3mmとされている。
FIG. 5 shows the connecting
上述の通り、芯金40及び第1・2取付部14、16にプリプレグのシートが巻回されて積層された組立体を、130℃で2時間保持する事により樹脂を硬化させる。その後、切削加工により樹脂の不要な部分を除去する。
As described above, the resin is cured by holding the assembly in which the sheet of prepreg is wound around the cored
次いで、芯金40を、筒部18と、第1・2取付部14、16の組立体から引き抜くことで、筒部18と、第1・2取付部14、16とが一体となったラックハウジング10が作製される。
Next, by pulling out the cored
次に、本実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
本実施形態のラック・ピニオン式ステアリング装置1は、図1に示すように、ステアリングホイール1の操作によりピニオン軸7が回転すると、この回転運動は、ピニオン歯とラック歯との噛合によりラック軸12の軸線方向の直線運動に変換されて操舵輪が操舵される。
As shown in FIG. 1, in the rack and pinion
このとき、路面から操舵輪に作用する反力により、第1・2取付部14、16を互いに接近又は離間させようとする力が働く場合がある。しかし、第1・2取付部14、16の連結部14a、16aには、筒部18を貫通する方向に伸び該筒部18の2層18a、18bの積層体の厚さ以上の長さを有する係合凸部14b、16bが複数形成されていることにより、係合凸部14b、16bが第2層目18bの強化炭素繊維と係合するので、これら互いに接近又は離間させようとする力に対抗して、筒部18と第1・2取付部14、16との位置関係を維持することが可能である。
At this time, there is a case in which a force for causing the first and second mounting
以上説明したように、本実施形態によれば、ラックハウジング10の筒部18が、含まれる炭素繊維の繊維角度が互いに異なった少なくとも2層以上の積層体からなる繊維強化プラスチックから形成され、金属製の取付部14、16とは筒部18の上記2層の厚さ以上の長さを有する係合凸部14b、16bを介して連結されているため、強度と剛性が従来の金属製の場合と同等以上であり、且つ、大幅に軽量化することが可能なラック・ピニオン式ステアリング装置100を提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, the
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。例えば、プリプレグとしては、強化繊維として炭素繊維以外にもガラス繊維、アラミド繊維の少なくとも一つを一方向に配向した一方向プリプレグや、上記繊維の何れかを織り込んだ織物プリプレグを用いることができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, etc. can be made as appropriate. For example, as the prepreg, a unidirectional prepreg in which at least one of a glass fiber and an aramid fiber is oriented in one direction in addition to carbon fibers as a reinforcing fiber, or a woven prepreg in which any of the above fibers is woven can be used.
また、積層されるプリプレグの各層に含まれる強化繊維の繊維角度は、互いに90°必ずしも異なっている必要はなく、隣接する2層の強化繊維の少なくとも何れか一方が、第1・2取付部に設けられた連結部に形成された係合凸部と係合可能となっている任意の角度とすることができる。 Further, the fiber angles of the reinforcing fibers included in each layer of the prepreg to be laminated are not necessarily different from each other by 90 °, and at least one of the adjacent two layers of reinforcing fibers is attached to the first and second attachment portions. It can be set as the arbitrary angle which can be engaged with the engagement convex part formed in the provided connection part.
また、筒部は2層のプリプレグのシートを巻きつけて積層することで形成する場合だけでなく、3層以上のプリプレグのシートを巻回して形成しても良い。 Further, the cylindrical portion may be formed by winding not only two layers of prepreg sheets but also stacking them, and winding three or more layers of prepreg sheets.
更に積層方法としては、前述したシートワインディング法以外に、強化繊維からなるフィラメント束を、液状熱硬化性樹脂を含浸させながら巻き付けるフィラメントワインディング法によって、筒部を形成しても良い。更に、円筒形状に形成される組紐構造を用い、熱硬化性樹脂を含浸させて筒部を形成しても良い。 In addition to the sheet winding method described above, the cylindrical portion may be formed by a filament winding method in which a filament bundle made of reinforcing fibers is wound while impregnating a liquid thermosetting resin. Furthermore, a braid structure formed in a cylindrical shape may be used, and the cylindrical portion may be formed by impregnating with a thermosetting resin.
7 ピニオン軸
10 ラックハウジング
12 ラック軸
14 第1取付部
16 第2取付部
18 筒部
14a、16a 連結部
14b、16b 係合凸部
100 ラック・ピニオン式ステアリング装置
7
Claims (1)
前記ラックハウジングは、金属製とされ車体に取付けられる第1取付部及び第2取付部と、該第1取付部及び第2取付部を互いに連結しているパイプ状の筒部とを有し、
前記筒部は、繊維強化プラスチックのシートを少なくとも2層積層してなる積層体であり、隣り合う2層のうちの一方の層と他方の層に夫々含まれる強化繊維の繊維角度は互いに異なっており、
前記第1取付部及び第2取付部に形成され、前記筒部と連結される筒状の連結部の外面には、径方向外側に向かって突出し、該筒部の2層のシートの厚さ以上の長さを有する係合凸部が複数形成されており、
前記筒部の軸方向両端は、最も内側の少なくとも2層のシートを前記係合凸部が貫通した状態で前記連結部と係合すること、
を特徴とするラック・ピニオン式ステアリング装置。 Rack and pinion type steering equipped with a pinion shaft formed with pinion teeth, a rack shaft formed with rack teeth meshing with the pinion teeth, and a rack housing for guiding the rack shaft so as to be movable in the axial direction an apparatus,
The rack housing has a first attachment portion and a second attachment portion that are made of metal and attached to a vehicle body, and a pipe-like cylinder portion that connects the first attachment portion and the second attachment portion to each other,
The cylindrical portion is a laminate formed by laminating at least two layers of fiber reinforced plastic sheets , and the fiber angles of the reinforcing fibers included in one of the two adjacent layers and the other layer are different from each other. And
The outer surface of the cylindrical connecting portion formed on the first mounting portion and the second mounting portion and connected to the cylindrical portion protrudes radially outward, and the thickness of the two-layer sheet of the cylindrical portion A plurality of engaging projections having the above length are formed ,
The axial ends of the cylindrical part engage with the connecting part in a state where the engaging convex part penetrates at least the innermost two layers of sheets ,
A rack and pinion type steering device.
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