WO2004005110A1

WO2004005110A1 - ステアリング装置及びラック軸の製造方法

Info

Publication number: WO2004005110A1
Application number: PCT/JP2003/007710
Authority: WO
Inventors: Kenji Someya; Takeharu Saeki
Original assignee: Nsk Ltd.
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2004-01-15
Also published as: AU2003242454A1; EP1533209A1; US20050257634A1; EP1533209A4; JP2004034829A

Abstract

ラック軸（１１０）は、ラック歯（１１０ａ）の歯幅より狭い転動面（１１０ｃ）を、ラック軸の軸線Ｘを挟んで反対側に形成すると共に、転動面（１１０ｃ）を挟んで両側に一対の斜面（１１０ｂ）を形成しており、更に、ラック軸（１１０）の転動面（１１０ｃ）上を転動する円筒ローラ（１２３）と、円筒ローラ（１２３）をラック軸（１１０）に向かって押圧する支持装置（１２０）を設けたので、ピニオン（１０３ａ）からラック軸（１１０）に操舵力が伝達されたとき、円筒ローラ（１２３）は転動面（１１０ｃ）を転動することにより、より少ない抵抗力でラック軸（１１０）の軸線方向移動を許容することができる。

Description

ステアリング装置及びラック軸の製造方法技術分野本発明は、ステアリング装置に関し、特にラック軸とピニオンとを備えたラック ·アンド ·ピニオン式ステアリング装置に関する。

—自景: 技術車両のステアリング装置の一タイプとして、ラック軸のラック歯にピニオンを嚙合させることで、ピニオンの回転力と回転量をラック軸の軸線方向推力とストロークに変換するラック ·アンド ·ピニオン式ステアリング装置が知られている。ここで、比較的車重の軽い車両においては、補助操舵力を出力しない、いわゆるマニュアルステアリング装置に、ラック ·アンド ·ピニオン式ステアリング装置を組み込んだ構成を用いる場合がある。かかる場合、運転者の操舵によってのみ、操向輪を駆動しなければならないことから、ピニオン 1回当たりのストローク量（ストロークレシオ）を小さくして、操舟它トルクを軽減し、反面、操舵量を多くするように設定されている。更に、ラックを保持するラック保持機構においては、ラック軸の背面（ラック歯面側と反対側）を保持する保持部に、ローラ等で回転支持する転がり式ラックガイドを設ける等、伝達効率を向上させ、操舵トルクの低減を図っている（実開昭 5 9— 3 0 7 7 3号、実開昭 6 1 - 1 2 4 4 7 1号等)。これに対し、比較的車重の重い車両においては、操舵力低減のため、一般的には、補助操舵力を出力する、いわゆるパヮ一ステアリング装置を設けていることが多い。このようなパワーステアリング装置においては、ラック ·アンド · ピニオン機構を採用しても、ラック軸に伝達されるトルクは小さくて済むので、伝達効率が多少悪化しても、運転者の操舵を阻害しないので、ラック軸を保持するラック保持機構においては、転がり式ラックガイドよりも安価な滑動式ラックガイドを用いているという実情がある。ところで、ラック歯の歯面精度向上のため、鍛造によって、軸線に直交する断面が Y型（形）に加工された、いわゆる Y型ラック軸が開発されている。このような Y型ラック軸をステアリング装置に適用した例を図 1 2に示す。図 1 2において、ハウジング 1内を延在する出力軸 3は、不図示のステアリングシャフトに連結され、且つ軸受 5， 6によりハウジング 1に対して回転自在に支承されている。軸受 6の内輪は、ナット 8により出力軸 3の端部に固定され、軸受 6の外輪は、カパ一部材を兼ねた固定部材 9の螺合によりハウジング 1に対して取り付けられでいる。ハウジング 1は、 Y型ラック軸であるラック軸 1 0の周囲から図で左方に延在する中空柱部 1 cを形成している。中空柱部 1 c内には、支持装置 2 0が配置されている。支持装置 2 0は、略円筒状の本体 2 1と、本体 2 1を中空柱部 1 cに取り付けるための円管状のネジ部材 2 5と、本体 2 1とネジ部材 2 5との間に配置され、ネジ部材 2 5に対して本体 2 1をラック軸 1 0側に付勢する皿バネ 2 4と、ネジ部材 2 5のロック部材 2 6とからなる。本体 2 1は、ラック軸 1 0の外径状に合わせてくぼんでおり、すなわち一対のテ一パ面 2 1 aを有している。テーパ面 2 1 aは、ラック軸 1 0の斜面 1 0 aにそれぞれ当接している。ここで、出力軸 3とラック軸 1 0との間で強大な力が伝達されたとき、ラック軸 1 0を出力軸 3より離隔させようとする離隔力が生じる。本実施の形態においては、支持装置 2 0の本体 2 1のテ一パ面 2 1 aが、ラック軸 1 0の斜面 1 0 aに当接することで、この離隔力を適切に支持することができる。ところで、支持装置 2 0の本体 2 1のテ一パ面 2 1 aと、ラック軸 1 0の斜面 1 0 aとは大きな表面積で滑り接触することとなるから、その間に働く摩擦力は比較的大きなものとなる。ここで、マニュアルステアリング装置に、かかる構成を適用した場合、ステアリングホイ一ルを運転者が回したときに、その摩擦力が抵抗となって現れるため、運転者は操舵力を重く感じるという問題がある。一方、パワーステアリング装置に図 1 2の構成を適用した場合、補助操舵力のおかげで、運転者が操舵力を重く感じる恐れはないが、摩擦力にうち勝つための補助操舵力分だけ余計に動力消費がなされ、省エネルギーが図れないという問題がある。発明の開示本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み、 Y型ラック軸をより適切に支持できるステアリング装置及びそのラック軸の製造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、第 1の本発明のステアリング装置は、転蛇装置に連結され、外面にラック歯を形成したラック軸と、ステアリングホイールに連結され、前記ラック歯に嚙合するピニオンとを有するステアリング装置において、前記ラック軸は、前記ラック歯の歯幅より狭い転動面を、前記ラック軸の軸線を挟んで前記ラック歯に対して反対側に形成すると共に、前記転動面を挟んで両側に一対の面を形成しており、

更に、前記ラック軸の転動面上を転動する単一の転動体と、前記転動体を前記ラック軸に向かって押圧する支持部材を設けたことを特徴とする。第 2の本発明のラック軸の製造方法は、

ステアリング装置用のラック軸の製造方法において、

素材を鍛造加工することで、外面に沿って延在する二つの溝を、 1 8 0度以外の位相で形成するステップと、

前記ラック軸の周方向における前記 2つの溝の間の間隔が広い方の外面に、ラック歯を形成するステップと、

前記ラック軸の周方向における前記 2つの溝の間の間隔が狭い方の外面に、転動体が転動する転動面を形成するステップと、を有することを特徴とする。第 1の本発明のステアリング装置は、転舵装置に連結され、外面にラック歯を形成したラック軸と、ステアリングホイールに連結され、前記ラック歯に嚙合するピニオンとを有するステアリング装置において、前記ラック軸は、前記ラック歯の齒幅より狭い転動面を、前記ラック軸の軸線を挟んで前記ラック歯に対して反対側に形成すると共に、前記転動面を挟んで両側に一対の面を形成しており、更に、前記ラック軸の転動面上を転動する単一の転動体と、前記転動体を前記ラック軸に向かって押圧する支持部材を設けたので、前記ピニオンから前記ラック軸に操舵力が伝達されたとき、前記転動体は前記転動面を転動することにより、より少ない抵抗力で前記ラック軸の移動を許容することができる。尚、前記ラック歯の歯幅より狭い転動面を、前記ラック軸の軸線を挾んで反対側〖こ形成すると共に、嫌 3転動面を挟んで両側に一対の面（例えば斜面）を形成しているラック軸は、いわゆる Y型ラック軸と呼ばれるものがある。更に、前記支持部材は、前記ラック軸の前記転動面以外の場所に当接する補助支持部材を有すると、前記ラック軸の軸線周りの回動を抑制して、前記ラック軸の保持を確実なものとできる。ところで、第 1の本発明にかかるステアリング装置のラック軸を形成する上で、転動体が転動する転動面をどのようにして精度良く形成するかが問題となる。以下の第 2の本発明のラック軸の製造方法によれば、転動面を精度良く形成することができる。第 2の本発明のラック軸の製造方法は、ステアリング装置用のラック軸の製造方法において、素材を鍛造加工することで、外面に沿って延在する二つの溝を、 1 8 0度以外の位相で形成するステップと、前記ラック軸の周方向における前記 2つの溝の間の間隔が広い方の外面に、ラック歯を形成するステップと、前記ラック軸の周方向における前記 2つの溝の間の間隔が狭い方の外面に、転動体が転動する転動面を形成するステップと、を有するので、例えば前記ラック歯を基準として、或いは前記ラック軸の軸線を基準として、前記転動面をより精度良く加工することができる。尚、以上の 3つのステップは、別個に実行されても良いが、锻造加工などでは同時に実行され、それにより容易に精度の良い加工を行える。更に、前記転動面は平面状に加工されると好ましい。或いは、前記転動面は曲面状に加工されると好ましい。図面の簡単な説明図 1は、第 1の実施の形態にかかるラック ·アンド ·ピニオン式ステアリング装置の断面図である。図 2は、第 2の実施の形態にかかるラック ·アンド ·ピニオン式.

グ装置の断面図である。図 3は、第 3の実施の形態にかかるラック ·アンド ·ピニオン式ステアリング装置の断面図である。図 4は、第 4の実施の形態にかかるラック ·アンド ·ピニオン式ステアリング装置の断面図である。図 5は、ラック軸の製造方法を説明するための図である。図 6は、ラック軸の製造方法を説明するための図である。図 7は、ラック軸の製造方法を説明するための図である _c 図 8は、ラック軸の製造方法を説明するための図である _t 図 9は、ラック軸の製造方法を説明するための図である。図 1 0は、ラック軸の製造方法を説明するための図である _t 図 1 1は、ラック軸の製造方法を説明するための図である。図 1 2は、比較例にかかるラック ·アンド ·ピニオン式ステアリング装置の断面図である。発明を実施するための最良の形態以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図 1は、第 1の実施の形態にかかるラック ·アンド ·ピニオン式ステアリング装置の断面図である。図 1において、ハウジング 1 0 1内を延在する出力軸 1 0 3は、不図示のステアリングシャフトに連結され、且つ軸受 1 0 5 , 1 0 6によりハウジング 1 0 1に対して回転自在に支承されている。軸受 1 0 6の内輪は、出力軸 1 0 3に螺合されたナツト 1 0 8により出力軸 1 0 3の端部に固定され、軸受 1 0 6の外輪は、カバー部材を兼ねた固定部材 1 0 9の螺合によりハウジング 1 0 1に対して取り付けられている。出力軸 1 0 3のピニオン 1 0 3 aが、不図示の転舵装置の夕イロッドに両端を接続したラック軸 1 1 0 のラック歯 1 1 0 aに嚙合している。ハウジング 1 0 1は、ラック軸 1 1 0の周囲から、図で左方に延在する中空柱咅 (U 0 1 cを形成している。中空柱部 1 0 1 c内には、支持装置 1 2 0が配置されている。支持装置 1 2 0は、円筒状の本体 1 2 1と、本体 1 2 1の袋孔内に取り付けられた軸 1 2 2と、軸 1 2 2の周囲に配置された転動体である円筒ローラ 1 2 3と、円筒ローラ 1 2 3を軸 1 2 2に対して回転自在に支持するニードル軸受 1 2 7と、本体 1 2 1を中空柱部 1 0 1 cに取り付けるためのネジ咅材 1 2 5と、ネジ部材 1 2 5と本体 1 2 1との間に配置され、本体 1 2 1 をラック軸 1 1 0側に付勢するための皿バネ 1 2 4と、ネジ部材 1 2 5のロック部材 1 2 6とからなる。ネジ部材 1 2 5のねじ込み量を調整することで、皿パネ 1 2 4の圧縮量が変化し、ラック軸 1 1 0の押圧力を調整することができる。調整後には、ロック部材 1 2 6でネジ部材 1 2 5をロック固定しその緩み止めを図ることができる。ラック軸 1 1 0において、ラック歯 1 1 0 aと軸線 Xを挟んで反対側（背面側という）には、図 1に示す軸線 X〖こ直交する断面において、左上部及び左下部が切り欠かれた溝 Gが形成されている。溝 Gは、水平面 1 1 0 dと斜平面 1 1 0 bを交差させた Ξ角溝である。このようなラック軸を Y型ラック軸と称し、本実施の形態では鍛造加工により形成する。その製造方法は後述する。溝 Gに挟まれた凸状部の外面が転動面 1 1 0 cとなっている。転動面 1 1 0 cは、ラック歯 1 1 0 a〖こ対して平行な平面となっている。本実施の形態では、転動面 1 1 0 cは鍛造加工のままである。本実施の形態の動作を説明すると、不図示のステアリングホイ一ルに操舵力が入力されたとき、かかる操舵力は、不図示のステアリングシャフトを介して，出力軸 1 0 3に伝達され、互いに嚙合するピニオン 1 0 3 aとラック歯 1 1 0 aを介して出力軸 1 0 3の回転力がラック軸 1 1 0の長手方向推力に変換され力る長手方向推力によりラック軸 1 1 0が紙面垂直方向に移動するので、それにより不図示の車輪が転舵されることとなる。このとき、円筒口一ラ 1 2 3 は、転動面 1 1 0 c上を転動し、低摩擦でラック軸 1 1 0の移動を許容する。本実施の形態によれば、 Y型のラック軸 1 1 0は、ラック歯 1 1 0 aの歯幅より狭い転動面 1 1 0 cを、ラック軸の軸線 Xを挟んで反対側に形成しており、且つ転動面 1 1 0 cを挟んで図で両側（上下）に一対の斜面 1 1 0 を形成しており、更に、ラック軸 1 1 0の転動面 1 1 0 c上を転動する円筒ローラ 1 2 3と、円筒ローラ 1 2 3をラック軸 1 1 0に向かって押圧する支持装置 1 2 0 を設けたので、ピニオン 1 0 3 aからラック軸 1 1 0に操舵力が伝達されたとき、円筒ローラ 1 2 3は転動面 1 1 0 cを転動することにより、より少ない抵抗力でラック軸 1 1 0の軸線方向移動を許容することができる。図 2は、第 2の実施の形態にかかるラック ·アンド'ピニオン式ステアリング装置の断面図である。図 2の実施の形態においては、図 1の実施の形態に対して、ラック軸 1 1 0 ' の転動面 1 1 0 c ' が鍛造加工後に、ラック歯 1 1 0 a ' に対して平行な平面となるよう機械加工されている点が異なっており、それにより円筒ローラ 1 2 3の円滑な転動を確保できる。それ以外の構成については、図 1の実施の形態と同様であるので、同一の符号を付すことで説明を省略する。図 3は、第 3の実施の形態にかかるラック ·アンド ·ピニオン式ステアリング装置の断面図である。図 3の実施の形態においては、図 1の実施の形態に対して、ラック軸 2 1 0の転動面 2 1 0 cが鍛造加工後に、ラック歯 2 1 0 aに対して凸状曲面となるよう機械加工されており、それに応じて円筒ローラ 2 2 3の外周面が凹状曲面となっている点が異なつている。本実施の形態によれば、円筒ローラ 2 2 3が、ラック軸 2 1 0の図 3で上下方向の変位を抑制する効果がある。それ以外の構成については、図 1の実施の形態と同様であるので、同 —の符号を付すことで説明を省略する。図 4は、第 4の実施の形態にかかるラック 'アンド ·ピニオン式ステアリング装置の断面図である。図 4の実施の形態においては、図 1の実施の形態に対して、ラック軸 1 1 0は共通である;^、支持装置 1 2 0の本体 3 2 1が異なつている。すなわち、本体 3 2 1の図 4で左端上下縁 3 2 1 aが右方に延在し、ラック軸 1 1 0の溝部の斜面 1 1 0 bに当接している点が異なっている。本実施の形態によれば、円筒口一ラ 1 2 3が、ラック軸 1 1 0を図 4で左右方向の変位を拘束すると共に、本体 3 2 1の左端上下緣 3 2 1 aが、ラック軸 1 1 0 の上下方向の変位を抑制する効果がある。それ以外の構成については、図 1の実施の形態と同様であるので、同一の符号を付すことで説明を省略する。図 5〜1 1は、本実施の形態にかかるラック軸の製造方法を説明するための図である。ラック軸の製造方法を構成する各ステップを示す図 5において、ステツプ S 1 0 1で、丸軸鋼材などの素材を所定長に切り出すなどの前加工を行い、ステップ S 1 0 2で、かかる素材に鍛造加工を施す。ここで、図 6に点線で示す丸軸の素材 Sは、軸線 Xに対し直交する方向に少なくとも 2方向（互いに 1 8 0度以外の角度で交差する）に突出してなる型で鍛造されることで、全長の略半分にわたって（図 7参照)、面 1 1 0 d、 1 1 0 bを含む溝 Gを形成することができる（図 6の実線)。続いて、ステップ S 1 0 3で、ラック歯の歯切り加工を行う。より具体的には、図 6にダブルハッチングで示す領域 A ( 2つの溝 Gの間の間隔が広い方の外面）を切削加工することで、ラック歯 1 1 0 aを形成するのである。歯切り加工後のラック軸 1 1 0を図 7に示す。尚、 2つの溝 Gの間の間隔が狭い方の外面に位置する転動面 1 1 0 Cを鍛造加工のままとするなら、所定の表面処理などを行って、ラック軸 1 1 0が完成する。かかるラック軸 1 1 0は、図 1、 4に示す実施の形態に組み込まれる。これに対し、転動面により高精度を求める場合、ステップ S 1 0 4で転動面の仕上げ加工を行う。ここで、転動面の仕上げ加工を何を基準として行うかが問題となる。本実施の形態にかかるラック軸の製造方法においては、ラック歯 1 1 0 aに対向する側の外面に転動面 1 1 0 cが位置するので、高精度に形成されるラック軸 1 1 0のラック歯：！ 1 0 aを基準に転動面 1 1 0 cの仕上け、加ェを行うと、転動面の精度が向上し好ましい。より具体的に説明すると、図 7に Bで示す部分を拡大して治具 Jと共に示す図 8において、治具 Jの 2本の丸棒をラック歯 1 1 0 aの歯面に当てることで、基準面 Pが確定されるため、かかる基準面 Pと平行となるように、転動面 1 1 0 cを加工すればよい。更に変形例によれば、図 7に Bで示す部分を拡大して治具 Jと共に示す図 9 において、治具 Jの 2本のくさび棒をラック歯 1 1 0 aの歯面 fc当てることで、基準面 Pが確定されるため、かかる基準面 Pと平行となるように、転動面 1 1 0 cを加工すればよい。更に別な変形例によれば、図 7に Bで示す部分を拡大して治具 Jと共に示す図 1 0において、治具 Jの基準面 P自体をラック歯 1 1 0 aの歯先に当てることで、その基準面 Pが確定されるため、力ゆる基準面 Pと平行となるように、転動面 1 1 0 cを加工すればよい。尚、ラック歯 1 1 0 aが、ラック軸 1 1 0の軸線 Xを基準として創成されるものであるから、ラック軸の製造方法にかかる別な実施の形態としては、その軸線 Xと平行となるように、転動面 1 1 0 cを加工することも考えられる（図 1 1参照)。以上のようにして高精度に仕上げ加工することで転動面 1 1 0 c '、 2 1 0 cが形成されたラック軸は、図 2 , 3の実施の形態に組み込まれる。以上、実施の形態を参照して本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、その趣旨を損ねない範囲で適宜変更、改良可能であることはもちろんである。

Claims

請求の範囲

( 1 ) 転舵装置に連結され、外面にラック歯を形成したラック軸と、ステアリングホイールに連結され、前記ラック歯に嚙合するピニオンとを有するステァリング装置において、

前記ラック軸は、前記ラック歯の歯幅より狭い転動面を、前記ラック軸の軸線を挟んで前記ラック歯に対して反対側に形成すると共に、前記転動面を挟んで両側に一対の面を形成しており、

更に、前記ラック軸の転動面上を転動する単一の転動体と、前記転動体を前記ラック軸に向かって押圧する支持部材を設けたことを特徴とするステアリン

( 2 ) 前記支持部材は、前記ラック軸の前記転動面以外の場所に当接する補助支持部材を有することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のステアリング

( 3 ) ステアリング装置用のラック軸の製造方法において、

前記ラク軸の周方向における前記 2つの溝の間の間隔が狭い方の外面に、転動体が転動する転動面を形成するステツプと、を有することを特徴とするラック軸の製造方法。

(4) 前記転動面は平面状に加工されることを特徵とする請求の範囲第 3項に記載のラック軸の製造方法。

( 5 ) 前記転動面は曲面状に加工されることを特徵とする請求の範囲第 3項に記載のラック軸の製造方法。