JP2007153141A - ラックアンドピニオン式ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品重量を増加させず、操舵フィーリングを長期にわたり損なわず、かつギヤ効率を向上させるようにしたラックアンドピニオン式ステアリング装置を提供する。
【解決手段】ラックアンドピニオン式ステアリング装置はピニオンとラックとがかみ合うギヤ部を備える。ピニオン１のギヤ歯３にダイヤモンドライクカーボン膜Fが成膜される。ダイヤモンドライクカーボン膜Fは内側の金属層Mと外側のカーボン層Cとからなる。ラックとピニオンとがかみ合うギヤ部の耐摩耗性が向上し、操舵フィーリングに影響を及ぼすアジャストガタの増加量を抑制でき、ギヤ効率を高めることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は車両などのステアリングホイールの操舵力を補助する操舵力補助装置を有するラックアンドピニオン式ステアリング装置に関する。

車両用のステアリング装置においては運転者の操舵負荷を軽減することを目的とした動力舵取り装置が知られている。従来、動力舵取り装置は油圧式パワーステアリング装置が使用されていた。しかしながら、近年、自動車の高効率化への要求が高まるに従って動力舵取り装置は一段と効率の高い電動パワーステアリング装置に置き換えられる場合が多くなっている。

よく知られるように、電動パワーステアリング装置は操舵補助力を必要とするときだけモータに電流を流せばよいが、これに対して、油圧式パワーステアリング装置はエンジンの動力で常時油圧ポンプを駆動しなければならないことから、効率面で電動パワーステアリング装置が格段に優位に立っている。一般に、電動パワーステアリング装置は市街地走行などの実用領域で３〜５％程度の燃費向上効果があるといわれており、こうした背景からコラムアシスト式あるいはピニオンアシスト式電動パワーステアリング装置は小型車だけでなく、中型車および大型車へと適用が広がりつつある。

ところで、中型車および大型車に用いられるラックアンドピニオン式ステアリング装置においてはラック推力の高出力化が求められる。このため、ピニオン軸に入力される軸トルクも増大することから、各部品の強度およびギヤ効率がこれまで以上に問題になる。また、操舵フィーリングに影響の大きいアジャストガタを増加させる主要因がラックとピニオンとに生じる磨耗であることが判っており、両者の耐摩耗性の向上が不可欠になっている。この点を考慮してギヤ諸元の最適化を試み、また低摩擦グリースの開発を進めているが、それだけでは限界がある。

本発明の目的は高出力化を実現するため部品重量を増加させず、操舵フィーリングを長期にわたり損なわず、かつギヤ効率を向上させるようにしたラックアンドピニオン式ステアリング装置を提供することにある。

本発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置はシャフトに刻設されるギヤ歯を有するピニオンと、ラックシャフトに刻設されるラック歯を有するラックとを備え、ピニオンのギヤ歯とラックのラック歯とがかみ合ってステアリングシャフトからピニオンに伝えられる操舵力をラックに伝達するようにしたラックアンドピニオン式ステアリング装置において、ピニオンのギヤ歯およびラックのラック歯の少なくとも一方にダイヤモンドライクカーボン膜が成膜されていることを特徴とする。

このような手段で構成することにより、ラックとピニオンとがかみ合うギヤ部の耐摩耗性が一段と向上することから、操舵フィーリングに影響を及ぼすアジャストガタの増加量を抑制でき、ギヤ部の低摩擦化によりギヤ効率を高めることが可能になる。

本発明において、ダイヤモンドライクカーボン膜は第１層がクロムの中間層であって、第２層が炭素の成分からなる複合層で構成されるのが望ましい。

このように構成することにより、ダイヤモンドライクカーボン膜の密着性を大きく高めることが可能になる。

本発明において、ダイヤモンドライクカーボン膜は内部組成を傾斜層とすることによって中間層とダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素との界面をなくすようにするのが望ましい。

このように構成することにより、ダイヤモンドライクカーボン膜の密着性をさらに高めることが可能になる。

本発明において、ピニオンの先端支持用ニードルベアリング軌道面にダイヤモンドライクカーボン膜が成膜されるのが望ましい。

このように構成することにより、ギヤかみ合い部と共に、ベアリング摺動部の磨耗を抑えることができる。

本発明は、望ましくは互いにかみ合うピニオンのギヤ歯とラックのラック歯、さらにピニオン先端支持用ニードルベアリング軌道面がグリースによって潤滑される。

このように構成することにより、ギヤかみ合い部およびベアリング摺動部で確実に潤滑油膜を形成することが可能になり、磨耗をさらに抑制することができる。

本発明によるステアリング装置の一実施の形態について図面を参照して説明する。図１はラックアンドピニオン式ステアリング装置の要部を示すもので、ステアリングシャフト（図示せず）と連結しているピニオン１を備える。このピニオン１にはシャフト２の一端に多数のギヤ歯３を刻設している。また、ステアリング装置はピニオン１と互いの軸心を交差して配置されるラック４を備える。このラック４にはラックシャフト５の一面に多数のラック歯６を刻設している。ピニオン１のギヤ歯３とラック４のラック歯６とは互いにかみ合っており、車輌操舵において操舵力をピニオン１からラック４に、さらに左右の前論と結ぶタイロッド（図示せず）にそれぞれ伝えるようになっている。

ピニオン１はシャフト２の中間部を軸受７によって支承され、またシャフト２の最も遠い一端をニードル軸受８によって支承されている。ラックシャフト５はラック歯６と反対側でラック４に背圧を及ぼすラックガイド９と当接している。このラックガイド９はラック軸心と垂直方向に摺動するホルダ１０内に収容されている。また、ホルダ１０は軸方向に圧縮荷重を生じるばね１１と当接している。これらのピニオン１およびラック４はそれらを支持する各要素と共にハウジング１２内に収容される。

なお、図において、符号１３はハウジング１２のピニオン側開口部を閉じる環状部材を示し、符号１４はホルダ側開口部を閉じる密封部材を示す。

本実施の形態ではピニオン１に刻設されているギヤ歯３およびラック４に刻設されているラック歯６の少なくとも一方に被覆処理が施してあり、この被覆処理は基材よりもその摩擦係数が低いダイヤモンドライクカーボン膜によって形成されている。ここで、ダイヤモンドライクカーボンはイオンを利用した気相合成法により合成されるダイヤモンドに類似した高硬度のカーボン膜の総称である。ダイヤモンドライクカーボン膜の構造は通常水素を若干含有した平滑な非晶質（アモルファス）構造で、ダイヤモンド結合およびグラファイト結合などを持っている。

ダイヤモンドライクカーボン膜は従来のセラミックス膜と比較して高硬度、低摩擦、低潤滑性という、特徴がある。ダイヤモンドライクカーボン膜は処理方法で特性が大きく変わり、膜中の水素の有無によって膜の硬さおよび密着力が異なり、使用する条件によって膜質を選択することが望ましい。このダイヤモンドライクカーボン膜は物理的気相成長法（PVD）、化学的気相成長法（CVD）、スパッタリング法などにより成膜される。代表的成膜材料は純カーボンである。これ以外に水素を含むＣｒ、Ｔｉ、Ｗのような金属を含有する材料など多くのもの用いることができる。硬度は１０００〜８０００Ｈｖと高硬度で、表面は平滑であり、優れた耐摩耗性を有する。

本実施の形態のピニオン１のギヤ歯３には、図２（ａ）に示すように、ダイヤモンドライクカーボンによる一様な厚さの膜Ｆを形成している。図２（ｂ）に示すように、膜Ｆは２層、すなわち内側の金属層Ｍと、外側のカーボン層Ｃとからなる。金属層ＭはＣｒ、Ｔｉなどの金属で構成される。カーボン層Ｃは炭素で構成され、この膜Fはスパッタリング法で形成したものである。図３に示すように、本実施の形態の膜Ｆの成膜範囲はギヤ歯の全体にわたらないで、ラック４のラック歯６とかみ合う範囲に限っている。

一方、本実施の形態のラック４のラック歯６には図４（ａ）に示すように、ダイヤモンドライクカーボンによる一様な厚さの膜Ｆを形成している。図４（ｂ）に示すように、膜Ｆは２層、すなわち内側の金属層Ｍと、外側のカーボン層Ｃとからなる。金属層ＭはＣｒ、Ｔｉなどの金属で構成される。カーボン層Ｃは炭素で構成され、この膜Fはスパッタリング法で形成したものである。図示は省略するが、膜Ｆの成膜範囲はラック歯の全体にわたっている。

ダイヤモンドライクカーボンによる膜Ｆによれば、中間層としての金属層Ｍを介在させているので、膜Ｆの密着性をより高めることが可能で、繰り返し応力が働くときでも、膜Ｆが剥離するのを確実に防止することができる。また、ダイヤモンドライクカーボン膜は内部組成を傾斜層とすることによって中間層とダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素との界面をなくすことが可能になり、さらに一段と密着性を高めることができる。

このダイヤモンドライクカーボンからなる膜Fは潤滑性を有するので、たとえば油切れのような潤滑油膜が喪失するような状態に陥っても、膜Ｆに備わる潤滑性によって長期にわたってピニオン１のギヤ歯３およびラック４のラック歯６の摩耗を防ぐことができる。

なお、膜Fはピニオン１およびラック４のいずれか一方だけに形成してもよい。

さらに、ピニオン１のギヤ歯３に膜Ｆを形成すると共に、図５に示すように、シャフト２にはニードル軸受８の軌道面に倣いダイヤモンドライクカーボンによる膜を形成してもよい。また、望ましくは、このようなステアリング装置は常に潤滑油膜を保持するようにピニオン１およびラック４にグリースのような潤滑剤を供給する。

図６はダイヤモンドライクカーボン膜の有無による耐久性試験の結果を示す。グラフは縦軸にダイヤモンドライクカーボンで処理しない場合のアジャストガタ増加量とダイヤモンドライクカーボンで処理した場合のアジャストガタ増加量との比を表し、横軸に耐久回数を表す。耐久回数Ｘ回の比較によれば、ダイヤモンドライクカーボンで処理した場合、アジャストガタ増加量が７６％程度減少することが判る。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、種々変形して実施することができる。

本発明によるステアリング装置の一実施の形態を示す断面図である。 本発明によるピニオンを示すもので、（ａ）はピニオンの正面図、（ｂ）はピニオンのギヤ歯に形成される膜の拡大図である。 本発明によるピニオンのギヤ歯上の成膜範囲を示す図である。 本発明によるラックを示すもので、（ａ）はラックの正面図、（ｂ）はラックのラック歯に形成される膜の拡大図である。 本発明によるピニオンのシャフト上の成膜範囲を示す図である。 本発明によるダイヤモンドライクカーボンで処理した部材の耐久性試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１… ピニオン
２… シャフト
３… ギヤ歯
４… ラック
５… ラックシャフト
６… ラック歯
Ｆ… 膜
Ｍ… 金属層
C… カーボン層

Claims (5)

1. シャフトに刻設されるギヤ歯を有するピニオンと、ラックシャフトに刻設されるラック歯を有するラックとを備え、前記ピニオンのギヤ歯と前記ラックのラック歯とがかみ合ってステアリングシャフトから前記ピニオンに伝えられる操舵力を前記ラックに伝達するようにしたラックアンドピニオン式ステアリング装置において、前記ピニオンのギヤ歯および前記ラックのラック歯の少なくとも一方にダイヤモンドライクカーボン膜が成膜されてい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. 前記ダイヤモンドライクカーボン膜は第１層がクロムの中間層であって、第２層が炭素の成分からなる複合層からなることを特徴とする請求項１記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置。
3. 前記ダイヤモンドライクカーボン膜は内部組成を傾斜層とすることによって前記中間層とダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素との界面をなくしたことを特徴とする請求項２記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置。
4. 前記ピニオンの先端支持用ニードルベアリング軌道面にダイヤモンドライクカーボン膜が成膜されていることを特徴とする請求項１、２または３記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置。
5. 互いにかみ合う前記ピニオンのギヤ歯と前記ラックのラック歯、さらに前記ピニオン先端支持用ニードルベアリング軌道面がグリースによって潤滑されていることを特徴とする請求項１、２、３または４記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置。
   
   

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