JPS6013867B2 - ラツク・ピニオン型舵取装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はラック・ピニオン型舵取装置、特に動力舵取用
よりはむしろ手動舵取用の舵取装置に関するものである
。

手動舵取装置においては、低舵取力が一般に好ましいの
で、小型ピニオンの使用を必要とする高歯数比が使われ
る。

しかしながら、所望の歯数比を単にピニオン直径を減ら
すことによって得ることは実際的ではない。というのは
そのようにした場合、車両の懸架装置を介して道路から
ラック棒に伝えられる大きな軸線方向の衝撃荷重に耐え
られない程にピニオンが弱くなるからである。普通に使
われている装置では、ピニオンをラックの縦髄線に対し
て直角ではなくむしろその縦軸線の法線に対して或る懐
斜角（据付角）をなすように配置し、逆に鏡斜したラッ
ク歯「即ち或る角度（ラック額斜角）だけ傾斜しかつ上
記縦軸線に対して法線の反対側に位置する歯をもったラ
ックを使用している。このラックと噛合うピニオンは６
００の大きさにもなるねじれ角（上記２つの角度の和、
即ち前記裾付角とラック歯傾斜角の和）を有するヘリカ
ル歯をもつ。ラックを駆動するかかるピニオンの作用は
ねじの作用に或る程度似ている。また、荷重が同時に噛
合う数個の歯によってラックからピニオンへ（またこれ
とは逆に）伝えられるということも前記装置の提案者に
よって説明されている。

しかしこのことは例えば実質的に真直ぐな歯をもつピニ
オンを使用すれば超こらなし、。従ってねじれ角の大き
なピニオンに噛合うラック歯はそれ程大きな荷重は受け
ない。しかしこの理論的な利益は実際には得られない。
本発明の目的はこの現在の技術の限界を克服することに
ある。高ねじれ角の歯車では、数個のラック歯による荷
重の分担により理論的な利益の幾らかが失われる。

その理由はラックに或る一定の麹線方向荷重が加わると
、ラック歯に対して直角な曲げ荷重が１／ｃｏｓ（ラッ
ク歯煩斜角）の大きさだけ増すからである。あまり大き
なものでないこの損失は時には、より大きなピッチの歯
を用いることによって相殺することができる。しかしな
がら高ねじれ角を用いているラックやピニオンの歯の破
損の発生は主として歯の強度に関係するものではなく、
道路から大きな衝撃を受けたときに生ずるラックのロー
リングに関係するものである。破損したラック部品の検
査により、普通は同時に噛合っている２個又は３個の歯
のうちの唯１個の歯のかど部（ｃｏｍｅｒ）が破損して
おり、荷重の望ましい分散は起こってないことが判明し
た。これについて次の３つの理由が明らかである。

１ 製造公差のため「ピニオンがラックに幅全体にわた
って、それ故同時に噛合う数個の歯間で完全な噛合いを
することが実際に行われない。

２ ピニオンは比較的換りに弱く、それ故荷重を受ける
と擦れ榛みを生じる煩向があり、運転手に最も近い方の
歯の端部に荷重の大部分を負わせてしまう。

３ ラック歯の傾斜角が大きいと「大きな機構車を受け
るため、ラックがその鞠線のまわり‘こローリングを起
し、このため１個のラック歯の端部にラック歯面とピニ
オン歯面間の接触荷重が集中する。

従方向に往復動自在にラックを案内するラック支持体は
通常はばね負荷されていて、ほぼ０．２側動けるように
なっている。このような状態であるからラック支持体は
後ろへ移動する。このためラックのローリングは可能で
ある。ラックローリングの程度が大きい場合の欠点はこ
の分野の先行発明、例えば英国特許第９７６６６１号お
よび米国特許第３５鼠０略号などで認識されている。

上記先行特許には、軸線方向の衝撃荷重の影響によるラ
ックローリングを防止するために設計したいろいろなラ
ック支持体系の使用が示されている。しかしこれらのラ
ック支持体系は従来は使われたことがない。その理由は
、それらは前記３つの原因のうちの最後の原因に対して
の対策を講じたに過ぎず、前者の２つの原因に対しての
対策は講じられていないからである。本発明は前述の先
行特許に記載された構造に幾分似ているが、ラックのロ
ーリングを制御するというよりはむしろこれを利用する
と同時にラック歯に荷重が集中する３つの原因のすべて
を解決することのできる舵取装置を提供するものである
。本発明の主目的は、ラックに大きな軸線方向の衝撃荷
重が加わっても望ましくないラックのローリングを生じ
ないようにすると共に、ラックとピニオン歯間の接触荷
重分布が不良な場合に起こり得るラックのローリングを
制限せしめることにある。

この目的は本発明によりラックのローリング軸線を前記
歯の接触荷重の加わる領域にできるだけ接近させこと、
好適にはラック歯の高さ以内にまで移すようにラックと
ラック支持体を構成することによって達成される。最適
にはローリング鱗線は実際の歯接触領域内に置くべきで
ある。この構成の独特の性質は力のベクトル図について
後で実証する。しかしこの際前記の英国特許明細書と米
国特許明細書には、これらの特許で請求した新規なラッ
ク支持体系にも拘わらず、支持体中のラックのローリン
グ軸線を慣例の丸形のラック構造の場合に普通に位置す
るよりも歯の接触領域に接近して位置せしめることにつ
いては言及していない。事実、前者の英国特許はローリ
ング軸線を歯接触領域から離れた位置に置いているため
にラックのローリング傾向を増している構造を示してい
る。本発明の他の目的は、材料の更に有効な使用、それ
故コストの節約を達成することにある。

普通の実施法では、ラックは丸い鋼棒から作られ、この
鋼棒は平らに機械加工し、（第２図の断面で示す如く）
ピニオンが噛合う棒の部分に歯を切られる。ここに示し
た形態は広く使用されているものの典型的なものであり
、ラックの曲げ強度は元の丸形の棒の曲げ強度の半分以
下に減少していることが認められる。これと対照的に、
本発明のラックは第４図に断面で示す如く、その強度は
歯の切削によって僅かだけ減少するに過ぎない。

このことは突出する歯をもった“Ｙ”形ラック本体によ
って達成される。このラック本体は拡大頭部と縮４・脚
部を含む。拡大頭部は噛合うラック歯とピニオン歯間の
接触区域を最大にすると共に、ラックの一対の長手方向
の庵内面を提供する。前記案内面は対称的に配置されか
つお互に図示の如く猿斜している。縮小脚部はラックの
補強ウェプとしての働きをする。ラックの断面形状は鋼
綾をラックの全長にわたって図示の如き断面に冷間引抜
きするか、又は別法としては歯を切る部分にわたっての
みは鍛造によって成形して、ラック全体を前記断面形状
に成形することができる。また別の仕方としては、所定
の強度に対する重量の利益（単位重量当りの強度）は幾
分小さくなるけれども、丸味付きのかどをもつ三角形も
第４図に一点鎖線で示す如くラック鋼榛断面として使う
ことができる。上記目的を達成するため、本発明のラッ
ク・ビニオン型舵取装置は本体部分から突出する懐斜歯
をもったラックと、前記ラックの煩斜歯に噛合う歯をも
ったヘリカルピニオンと、前記ラックを前記ピニオンに
向かって偏俺させるばね装置をもちかつ前記ラック長手
方向に往復自在に案内するためのラック支持装置とを具
えたラック・ピニオン型舵取装置において、前記ラック
の本体部分は拡大頭部と縮小脚部をもち、前記拡大頭部
はその頂部近くの両側に一対の、下方に収数するように
傾斜した長手方向の案内面を有し、前記ラック支装置は
対向する側壁をもちかつ前記両側壁の頂部近くに前記拡
大頭部の案内面と協働する支承面をもち、前記側壁はこ
れらの間の下方に前記ラック本体の脚部の側方変位を許
すスペースを画成しており、前記協働する案内面と支承
面のうちの少なくとも一方の面は僅かに凸面となし、か
つ案内面と支承面の接触は断面で見て小さな接触部をも
つ実質的に二点接触状態をなしており、前記案内面と支
承面は前記接触部の中心を通る共通法線がラック本体部
分の頂部より上方の点で収数するように上方へ伸びる如
く配置した特徴を有する。

以下、本発明の理解と実施を容易にするために、好適実
施例を図に基づき詳述する。

図は実寸の約１．針部こ拡大して典型的な舵取装置を示
している。

図示の装置ではピニオン擬付角度‘‘ａ”は１が、ラッ
ク歯の榎斜角“ｂ”は３？である。ピニオンは４個の歯
をもち外直径は２仇吻である。ラック歯は標準断面の２
モジュールで、圧力角“ｖ”は２０ｏである。第１図と
第２図は従釆のラック・ピニオン組立体を示すもので、
ピニオン１はラック２と噛合い、玉軸受４でハウジング
３内に軸支されている。

ラック支持体５はばね６の作用によりハウジング３内で
摺動する。このばねはラックを押圧して約３５ｋ９の荷
重でピニオンとゆるみ無しの掛合をさせている。ラック
支持体５は、噛合中心距離を幾らか変化させるラックと
ピニオンの歯の製造誤差を吸収するのに丁度必要なだけ
にその動程を制限されることが重要である。この目的で
、カバー７をハウジングから離間させるシム８が、ラッ
ク支持体５に約０．２蚊の移動を許すように、組立てに
際して選択、挿入されている。上記移動は小さいけれど
も、ラック端部へ懸架装置によって加えられる軸線万向
の高い衝撃荷重を受けたときラックをピニオンから後退
させるには十分である。

この場合の力関係は第２図に示す。第２図では、力ベク
トルＦ，はラック縦軸線と直角をなす平面内で分解した
場合ピニオン歯とラック歯間に作用するすべての接触力
の分力の合力を表わす。これによれば、ラック歯内のど
の位置にこの合力の作用点があるかに関係なく、水平面
に対するラック歯の額斜角のために前記合力によってラ
ックに純粋の時計回り（第２図において）の、ローリン
グ軸線１１の回りの回転（ローリング）モーメントが与
えられることが認められる。このような条件下では、ラ
ックは１個のラック歯９の上部左側のかど又は点９（図
示の場合）だけでピニオンとラック間の接触が起るよう
になるまで時計回りにローリングを続けることになる（
第２図）。簡明にするため第２図はラック支持体５がカ
バー７に接触した安定状態にラックが達する直前の上記
ロ−リング状態を示している。このように通常の丸型ラ
ック形状では、ラック歯の荷重集中は大きな問題になり
、歯の破損が早期に起こることになる。合力ベクトルＦ
，の方向は、ラックが外力を受けたときにラックがロー
リングを起こし易くするように強く作用する方向である
ことは明らかである。

合力の額斜角“ｗ”の計算方法を以下説明する。合力Ｆ
，は第５図に示す接触点に作用する力に由釆することが
認められる。

ここでＦ２は接触面に直角をなす歯接触力とし、この歯
接触力は摩擦がない場合にはこの力だけが作用するもの
である。図示の如く、もし摩擦角“ｕ”があるとすれば
、実際の力Ｆ２は法線（直角線）に対して角度“ｕ”を
なして〜かつ滑り接触の方向によって決まる平面内で懐
斜する。第１，３，５図に示す特定の瞬間は第３図の平
面ＩＱ内のピニオンのピッチ線で噛合っている場合を示
す。

歯車噛合いでは周知の如くトラック歯と平行な軸万向滑
りのみが前記平面貴Ｑ内では起こる。この噛合い瞬間は
上記力の解析のために選択したものである。というのは
それは通常は一定のラック歯側面に沿う平均滑り速度条
件を表わすものだからである。接触力Ｆ２は２つの分力
〜即ち歯と平行なＦ２ｓｉｎｕと、歯と垂直をなすＦ２
ｃｏｓｕｌこ分解できる。

平行力Ｆ２ｓｉｎｕはラック縦軸線と直角をなす平面内
の分力Ｆぶｉｎｕｃｏｓｂをもち、ラックを時計回りに
ローリングさせようとする。垂直力Ｆ２ｃｏｓｕはラッ
ク縦軸線と垂直をなす平面内の分力Ｆ２ｃｏｓｕｃｏｓ
ｖＳｉ肋をもち、ラックを時計回りにローリングさせよ
うとし〜 またＦ２ｃｏｓｕｓｉｎｖをもち；これがラ
ックを反時計回りにローリングさせようとする。

第２図を参照すれば、２つの正味の分力は次の（ｉ），
（ｉｉ｝となる：（ｉ）Ｆ２ｃｏｓｕｃｏｓｖｓｉ血＋
Ｆ２ｓｉｎｕｃｏｓｂ、これは水平に作用して「 ラッ
ク１亀のまわりの時計回りのローリングモーメントを生
じる。

側 Ｆ２ｃｏｓｕｓｉｎｖトこれは垂直に作用して、ラ
ック軸線１富のまわりの反時計回りのローリングモーメ
ントを生じる。これら２つの分力の合力はそれらのベク
トルの合計Ｆ，になり「 これは次式により与えられる
三Ｆ，＝ゾ（Ｆ〆ｏｓｕｃｏｓｖｓｉ地＋Ｆぶｉｎｕｃ
ｏｓｂ）２十（Ｆ２ｃｏｓＱｓｉｎｖ）２：Ｆ２ゾ（ｃ
ｏｓｕｃｏｓｖｓｉ地＋ｓｉｎｕｃｏｓｂ）２十（ｃｏ
ｓｕｓｉｎｖ）２
……風そしてこれは水平線に対して角度“ｗ”をなして
作用すると考えられトこの角度は次式で与えられる三ｗ
＝ねｎ−１〔Ｆ２ｃｏｓｕｓｉｎｖ／（Ｆ２ｃｏｓｕｃ
ｏｓｖｓｉ肋十Ｆ２ｓｉｎｕｃｏｓｂ）〕＝ｔａｎ‐１
〔ｃｏｓｕｓｍｖ／（ｃｏｓｕｃｏｓｖｓｉ池十ｓｉｎ
ｕｃｏｓｂ）〕……｛Ｂ｝それ故〜この合力Ｆ，さまラ
ック軸線量亀のまわりの時計回り全ローリングモーメン
トを生ずる。

上式から力Ｆ，の大きさはＦ２に比例することが分る。
しかしながら、水平線に対するその角度“ｗ”はＦ２の
大きさとは完全に無関係であり〜事実３つの変数ｕ？
ｖ及び鼠このみ依存する。歯形構造について前述した数
値を想定しかつ摩擦角をねｎ‐１（０．１５）の値に指
定すれば〜ベクトル角度“ｗ”は式〔Ｂ’からほぼ２７
ｏと計算される。このことによってラックを図示の如く
ローリングさせる大きなローリングモーメントが存在す
ることが確認される。第４図を参照すれば〜 これは本
発明によるラックを示し、このラックは第１，‐２つ
３および５図の従来の構造に対するものと同様な橋荷重
状態にさらされるものである。

歯形構造は前記のものと同じに保たれており、それ故力
の解析については第１？ ３及び５図に示す関係は上記
と同様に適用することができる。ラック支持体亀２とラ
ック亀３がラック支持体５及びラック２と異なっている
がＬその他の部分は変わらないままである。前述の如く
、この新規なラック（これから突出する歯２１をもつ）
は拡大頭部２３と縦４・脚部２４ をもちほぼＹ形の断
面形状をもつ。別法としてはも一点鎖線で示す如き三角
形状を使用することもきる。この拡大鏡部は「対称的に
配置されかつ頂部２５近くの両側でお互いに額斜した一
対の長手方向の案内面２６ をもつている。ラック支持
体亀２は対向する側壁亀２１をもち、これら両側壁の頂
部電２２近くには拡大頭部の案内面２６と協働する支承
面畳２３をもつ。すき間１２４ がラック支持体側壁軍
２５の下部とラック脚部２４間にありもこのため前記脚
部はラック支持体に対して側方へ変位することｔそれ故
ラックが少しローリングすることが許される。（なお本
文中では図示のラック‘ピニオン組立体の説明において
の上下の粒魔関係はラック歯のある側を上方、縮４・脚
部のある側を下方とみなしている。）ラック案内面２６
か又はラック支持体の支承面裏２３ は僅かに凸面状を
なし、断面で見て「 ラックの縦対称面２７の両側に１
つづつある２つの実質的な点で前記両部分、即ち本体部
分と支持体間の接触が行われるようになっている。

これらの２点を通る共通法線１８が点２０１こあるラッ
クの瞬間的ローリング中心を決めることになる。もし前
述の如く、何らかの理由でラックに縦方向の衝撃が加わ
って、ラックに図において時計回りに瞬間的ローリング
を起こす力が加わりラック歯端部のかどに合力Ｆ，が生
ずれば、この合力は、従来構造の場合とは逆に、点２０
の回りの、前記瞬間的時計回りののローリングを打消す
向きのモーメント（復元モーメント）を直ちに与えるこ
とになり、それ故ラックとピニオンの歯間の接触荷重は
局部的に集中することが直ちに防止され、ラック歯に分
資して負担されることになる。

次に第４図に基づき、ラックに軸線方向の衝撃が加わっ
て上記の如き効果を生ずるに至る各構成要素相互の運動
の典型的例を簡単に説明する。舵取機構のタイロッドを
介してラックに軸線方向の衝撃荷重が加われば「ピニオ
ンは舵取シャフトの慣性モーメントに起因して回動しな
いと考えることができるので、ピニオン歯とラック歯間
に大きな接触荷重が生ずる。即ち路面の凹凸等によりタ
イロッドを介してラック１３に大きな藤線方向（第１図
において左から右への方向）の衝撃荷重が加わると、ラ
ック１３は点２０を瞬間的回動中心として図において時
計回りに若干のローリング起こしつつこのラックに作用
する下方への分力によっひまね６を圧縮してラック支持
体１２を約０．２伽押下げる。この時点でラックの前記
ローリングが最大となり、ラック歯の上部かどの点９に
荷重が集中する。これと同時に合力Ｆ，によって点２０
の回りの反時計回りのの回転（ローリング）モーメント
が、前記最初の時計回りののローリングを相殺するよう
に、ラックＴ３に加わり「このため前記点９の集中荷重
を破線１４，１５，亀６で示す正規の線接触位直に分散
させるように作用する。前記軸線方向の衝撃荷重がなく
なると同時にラック支持体１２はさまね６の押上げ力に
より正規の位置へ戻り、ラック歯とピニオン歯は引続き
前記破線１４，１，１６で示す荷重の分散した正規の状
態を維持する。ラックとピニオン間の真の接触状態は、
ラックにローリングが生じて局部的点荷重が生じた場合
よりも、ラックにローリングが生じていない正規の場合
の方がずっと複雑である。

第１，４図に示す破線１４，１５，１６は正規の状態で
糠接触となるべき接触場所を示し、ここで荷重が均等に
分散されることを典型例として示す。この分散状態は高
ねじれ角ピニオンの理想状態であると考えられる。更に
この場合の接触は丁度第３図に示すピッチ面のみで起こ
るよりはむしろ歯の高さ方向の領域にわたって起こるの
で、摩擦分力の解析は−層困※であるが、接触線ｉ４，
１５，１６で生じるすべての力がラック機軸線と直角を
なす面内で縦対称面２７と平行な方向と、それと直角を
なす方向に分解したとき、摩擦分力は常に縦対称面２７
に対してはほぼ対称的に位燈するので、点２０のまわ
りのローリングモーメントは殆ど生じないことになる。
しかしながら、点２０をラック歯領域内にくるように選
択しなければ、前記縦軸線と直角をなす面と平行な、前
記接触軸線で生じる力の分力が加わってかなりのローリ
ングモーメントを生じることになる。この理由から、第
４図に示す如く、Ｙ形、（又は三角形）のラック断面は
前記点２０、即ち瞬間的ローリング軸線が常にラックの
歯２１の領域内に位置するように：則ちラック本体部分
２５の頂部より上に位簿するように設計すべきである。
このようにすれば、第２図の点１１から第４図の点２０
へラックローリング軸線を移すことによって、荷重の集
中は、もし起こったとしても、瞬間的に排除される。ラ
ックとピニオンの各々３個の歯による荷重分担がこのよ
うにして達成され、大きな鞄線方向の衝撃荷重に耐える
ことのできるラックの能力を大きく改善することができ
る。前述の如く「 ラックが瞬間的ローリングを起こす
ような高荷重を受けたときにピニオンに擦れ棲みが生じ
ればラックは僅かにローリングするだけで荷重を均等に
分散させることができる。

この相殺特性はラック又はピニオンの歯形に製作誤差が
生じた場合にも有効である。ラック案内面２６ または
ラック支持体の支承面１２３のもつ凸面の曲率が非常に
４・さし、場合には共通法線は断面で観て前記両面の接
触区域のまん中を通るものと考えることができる。

点２０の回りのラックローリングを得る１つの方法はラ
ック案内面２６とラック支持体支承面軍２３ を点２０
１こ中心をもつ円弧状に形成することである。

しかしこの構造は製造が困難であり、好ましくない。

【図面の簡単な説明】

第１図は第３図の線Ｂ−Ｂ上でとった断面部分をＸで示
す領域に示している従来のピニオンとラックの平面図；
第２図は第１図の線Ｃ−Ｃ上でとった断面図：第３図は
第１図の線Ａ−Ａ上でとった断面図；第４図は本発明に
よるラックとピニオン支持体の、第１図の線Ｃ−Ｃ上で
とった断面図；第４Ａ図と第４Ｂ図は第４図に示すラッ
クとラック支持体の各部分を示す断面図；第５図はピニ
オンとラック間に作用する力を示すベクトル図である。 １……ピニオン、２……ラック、２１……歯、２３・・
・・・・拡大頭部、２４・・・・・・縮４・脚部、２５
・・…・頂部、２６・・・・・・案内部、２７・・・・
・・縦対称面、３・・・…ハウジング、６……ばね、７
……カバー、９……ラック歯の上部左側のかど又は点、
１０・・・・・・平面、１１・・・・・・点、１２・・
・…ラック支持体、１２１・・・・・・側壁、１２２・
・・・・・頂部、１２３・・・・・・支承面、１２４
……すき間、１２５ ……側壁、１３……フック、１４
，１５，１６・・・・・・破線、１８・・・・・・共通
法線．２０・・・・・・点。第１図 第３図 第５図 第４図 第４Ａ図 第４８い 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 本体部分から突出する傾斜歯をもったラツクと、前
   記ラツクの傾斜歯に噛合う歯をもったヘリカルピニオン
   と、前記ラツクを前記ピニオンに向って偏倚させるばね
   装置をもちかつ前記ラツク長手方向に往復自在に案内す
   るためのラツク支持装置とを具えたラツク・ピニオン型
   舵取装置において、前記ラツクの本体部分は拡大頭部と
   縮小脚部をもち、前記拡大頭部はその頂部近くの両側に
   一対の、下方に収斂するように傾斜した長手方向の案内
   面を有し、前記ラツク支持装置は対向する側壁をもちか
   つ前記両側壁の頂部近くに前記拡大頭部の案内面と協働
   する支承面をもち、前記側壁はこれらの間の下方に前記
   ラツク本体の脚部の側方変位を許すべくスペースを画成
   しており、前記協働する案内面と支承面のうちの少なく
   とも一方の面は僅かに凸面となし、かつ案内面と支承面
   の接触は断面で見て小さな接触部をもつ実質的に二点接
   触状態をなしており、前記案内面と支承面は前記接触部
   の中心を通る共通法線がラツク本体部分の頂部より上方
   の点で収斂するように上方へ伸びる如く配置しているこ
   とを特徴とするラツク・ピニオン型舵取装置。