JP6361386B2 - ラック軸及びステアリング装置 - Google Patents

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、車両の車輪の操舵をアシストするパワー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、ラック歯列が形成された部位とラック歯列が形成されていない部位とを連結する部位（連結部）とが形成される。

特開２０１３−６５１７号公報 特開２０１４−７９７６９号公報

一般的に、ラック軸におけるラック歯列の軸方向端部には、無効なラック歯、すなわち捨て歯が必然的に形成される。従来のラック軸は、捨て歯を含むラック歯列が形成されたラック歯形成部と、非ラック歯部とを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）
（請求項１）本発明に係るラック軸は、軸部材の外周面を凹状に塑性変形させて有効ラック歯列を形成したラック歯形成部と、ラック歯を有しない非ラック歯部と、前記凹状とされた領域の軸方向端部に位置し、前記ラック歯形成部の塑性変形に伴って塑性変形され、前記ラック歯形成部と前記非ラック歯部とを連結する連結部と、を有するラック軸であって、前記連結部には、前記有効ラック歯列に隣り合う無効ラック歯が形成される。

これにより、無効ラック歯は、連結部に形成されるので、ラック軸は、従来のラック軸と比較して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。

（請求項２）前記連結部は、前記ラック歯形成部の軸方向両側に設けられるとよい。
これにより、ラック軸は、軸長のさらなる短縮化を図ることができる。
（請求項３）前記軸部材は、中実の部材であるとよい。
中実の軸部材には、塑性変形の際に逃げる軸部材の材料を多量に確保できるので、軸部材の伸びを抑制でき、ラック歯形成部における有効ラック歯列の端部のラック歯を高精度に形成できる。

（請求項４）前記連結部は、前記無効ラック歯と、前記ラック歯形成部と前記非ラック歯部とを連結する傾斜部とを備え、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傾斜部の形状は、前記非ラック歯部から前記ラック歯形成部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とよい。
これにより、作業者は、軸部材を温間鍛造する際の軸部材の材料の流れを容易に把握できるので、有効ラック歯列を高精度に鍛造できる金型を設計することができる。

（請求項５）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とよい。
これにより、無効ラック歯の形成領域は、材料の逃がし領域となるので、有効ラック歯列の精度を確保できる。

（請求項６）前記連結部は、前記無効ラック歯と、前記ラック歯形成部と前記非ラック歯部とを連結する傾斜部とを備え、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傾斜部の形状は、前記非ラック歯部から前記ラック歯形成部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非対称形状に且つ前記歯すじの一端側にずれた形状に形成されるとよい。
これにより、対称形状の傾斜部では、ピニオン軸の歯と噛合不可なラック歯が形成されていたものが、非対称形状の傾斜部にすることにより、ピニオン軸の歯と噛合可能なラック歯とすることができる場合があり、ラック軸の軸長をさらに短縮できる。

（ステアリング装置）
（請求項７）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と、を備える。

（請求項８）前記ステアリング装置は、前記ハウジングに取り付けられ、且つ、前記有効ラック歯列に対して軸方向に異なる位置に設けられ、前記ラック軸の軸方向の移動をアシストするアシスト装置、を備えるとよい。

（請求項９）前記アシスト装置は、前記ハウジングに取り付けられるモータと、前記モータの回転を減速する減速機構と、前記ハウジングに回転可能に支持されるボールナットと、を備え、前記ラック軸は、前記非ラック歯部に形成され前記ボールナットと螺合可能なボールネジ部を有し、前記減速機構により減速される回転を前記ボールナット、前記ボールネジ部を介して前記ラック軸の軸方向移動に変換して前記ラック軸の軸方向の移動をアシストするとよい。
本発明のステアリング装置は、上述のラック軸を適用することにより小型化可能となる。

本発明の実施の形態：ラック軸のボールネジ部を軸線に対し直角方向から見た断面にしてパワーステアリング装置の全体を示す図である。 図１のＡ−Ａ線断面図であり、ラック軸のラック歯形成部を軸線に対し直角方向から見た図である。 ラック軸のラック歯形成部、ボールネジ部及び連結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３ＡのＡ−Ａ線断面図であり、傾斜部を軸線に沿って断面にした図である。 図３ＡのＢ−Ｂ線断面図であり、傾斜部を軸線に平行な直線に沿って断面にした図である。 別形態のラック軸のラック歯形成部、ボールネジ部及び連結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。

（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及び図２を参照して説明する。
図１に示すように、ステアリング装置１０は、図略のステアリングホイールの回転をラック軸１３の軸方向の移動に変換するラックピニオン機構１１と、ラック軸１３に軸方向のアシスト力を付与する電動アシスト部２０等とを備える電動パワーステアリング装置である。

図１及び図２に示すように、ラックピニオン機構１１は、ステアリングホイールの回転が図略のコラムを介して伝達されるピニオン軸１２と、ピニオン軸１２を回転可能に支持するギヤハウジング１４と、ピニオン軸１２に噛合しピニオン軸１２の回転をラック軸１３の軸方向の移動に変換するラック軸１３と、ラック軸１３の背後からラック軸１３をピニオン軸１２に噛合する方向に押圧するラックガイド機構６０等とを備える。

ギヤハウジング１４は、図略の車体に固定されている。ラック軸１３の両端は、ギヤハウジング１４、後述する電動ハウジング２４及び減速ハウジング２５からそれぞれ外方へ突出している。ラック軸１３の両端の継手結合部１３Ｄには、自在継手８１がネジ結合される。各自在継手１８を介して図略のタイロッド及びナックルアームを介して車輪が連結される。なお、ラック軸１３は、詳細は後述するが、有効ラック歯列１３１を形成したラック歯形成部１３Ａと、オネジ１３２を形成したボールネジ部１３Ｂ（本発明の「非ラック歯部」に相当）と、ラック歯形成部１３Ａとボールネジ部１３Ｂとを連結する連結部１３Ｃと、メネジ１３３を形成した継手結合部１３Ｄ（本発明の「非ラック歯部」に相当）と、ラック歯形成部１３Ａと継手結合部１３Ｄとを連結する連結部１３Ｅとを有する。

ピニオン軸１２は、軸方向中間に図略のトーションバーを有し、ピニオン軸１２の入力側に回転トルクが作用すると、ピニオン軸１２の入力側とピニオン軸１２の出力側が互いに相対回転する。この入力側と出力側の相対回転を検出するためのトルクセンサ８０が、ギヤハウジング１４に設けられる。

ラックガイド機構６０は、ギヤハウジング１４に形成されるガイド穴６１と、ガイド穴６１に摺動可能に嵌合されるヨーク６２と、ガイド穴６１の一端に形成されたネジ穴に螺合される詰め栓６３と、ヨーク６２及び詰め栓６３間に介挿される押圧ばね６４と、ヨーク６２に取り付けられラック軸１３に摺接する樹脂シート６５等とを備える。ラック軸１３は、押圧ばね６４の押圧力によりピニオン軸１２に噛合する方向に押圧される。

ギヤハウジング１４の一端には、自在継手８１が当接するストッパ部１５が形成される。ストッパ部１５には、ラック軸１３と同軸に環状の取付け溝１６が形成され、この取付け溝１６には、リング状の緩衝部材７５が嵌め込まれる。ストッパ部１５は、ラック軸１３の軸方向の移動を規制する機能を有し、緩衝部材７５は、ラック軸１３の軸方向の移動のエネルギを吸収してストッパ部１５に当たるときの干渉音を下げる機能を有する。緩衝部材７５は、ウレタンの材料で射出成形等により製作される。ギヤハウジング１４の他端には、電動ハウジング２４が取付けられ、電動ハウジング２４には、電動モータ２１が取付けられるとともに、減速ハウジング２５がボルト２６を介して連結される。

電動アシスト部２０は、電動モータ２１と、電動モータ２１の回転軸２２の回転を減速する減速機構３０と、減速された回転をラック軸１３の軸方向の移動に変換するボールネジ機構４０等とを備える。電動モータ２１は、トルクセンサ８０及び図略の車速センサからの各信号に基づいて、図略のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：電子制御ユニット）により制御される。

図１に示すように、減速機構３０は、電動モータ２１の回転軸２２と同軸に配置される入力軸３４と、入力軸３４に一体形成される駆動ギヤ３１と、後述するボールナット４１の他端外周に嵌合固定される減速ギヤ３３と、ラック軸１３及び入力軸３４間でこれらに対し平行に配置される中間軸３５と、中間軸３５に一体形成され、駆動ギヤ３１及び減速ギヤ３３に噛み合う中間ギヤ３２等とを備える。減速ギヤ３３は、駆動ギヤ３１よりも多くの歯数を有し、駆動ギヤ３１の回転を減速して後述するボールナット４１に伝達する。回転軸２２及び入力軸３４間には、樹脂製のカップリング２３が介挿され、回転軸２２の回転は、カップリング２３を介して入力軸３４に伝達される。カップリング２３は、回転軸２２及び入力軸３４間の軸のずれや傾きを吸収する役目を有する。

ボールネジ機構４０は、ラック軸１３の一部に一体形成されるボールネジ部１３Ｂと、ボールネジ部１３Ｂの周囲を取り囲むように同軸に配置されるボールナット４１と、ボールネジ部１３Ｂ及びボールナット４１の間に介在する複数のボール４３等とを備える。ボールナット４１の一端側へ移動したボール４３を、ボールナット４１の他端側へ戻して循環させるための図略のサーキュレータが、後述する複列アンギュラ玉軸受５４の内径側でボールナット４１に取付けられる。

減速機構３０及びボールネジ機構４０は、電動ハウジング２４及び減速ハウジング２５内に収容される。入力軸３４は、電動ハウジング２４及び減速ハウジング２５により保持された一対の玉軸受５０，５１によって回転可能に支持される。中間軸３５は、電動ハウジング２４及び減速ハウジング２５により保持された一対の玉軸受５２，５３によって回転可能に支持される。ボールナット４１は、電動ハウジング２４により保持された複列アンギュラ玉軸受５４によって回転可能に支持される。

複列アンギュラ玉軸受５４の外輪は、電動ハウジング２４の段部とロックナット４４とで挟み込まれ、ロックナット４４は、電動ハウジング２４のネジ穴に螺合される。複列アンギュラ玉軸受５４の内輪は、ボールナット４１の段部とロックナット４４とで挟み込まれ、ロックナット４４は、ボールナット４１の一端外周のネジ部に螺合される。

減速ギヤ３３及びボールナット４１は、複列アンギュラ玉軸受５４のみによって片持ち支持される。減速ギヤ３３を片持ち支持した場合は、減速ギヤ３３のアライメント誤差が増加するおそれがある。そこで、減速ギヤ３３の歯面には、歯すじ方向のクラウニングを設けることが好ましい。これにより、ギヤ騒音の増加は、アライメント誤差の増加に拘らず抑制可能となる。

（ラック軸）
上述のように、ラック軸１３は、ラック歯形成部１３Ａと、ボールネジ部１３Ｂと、連結部１３Ｃと、継手結合部１３Ｄと、連結部１３Ｅとを有する。なお、ラック歯形成部１３Ａとボールネジ部１３Ｂとを連結する連結部１３Ｃは、ラック歯形成部１３Ａと継手結合部１３Ｄとを連結する連結部１３Ｅと同一構造である。以下では、ラック軸１３の要部であるラック歯形成部１３Ａ、ボールネジ部１３Ｂ及び連結部１３Ｃに着目して説明する。

図３Ａに示すように、ラック軸１３は、軸部材Ｗの一端側の外周面を温間鍛造により凹状に塑性変形させて有効ラック歯列１３１を形成したラック歯形成部１３Ａと、軸部材Ｗの他端側の外周面を切削してオネジ１３２を形成したボールネジ部１３Ｂと、ボールネジ部１３Ｂ側の前記凹状とされた領域の軸方向端部に位置し、ラック歯形成部１３Ａの塑性変形に伴って塑性変形させて形成した連結部１３Ｃとを有する。

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の端部のラック歯を高精度に形成できる。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。

連結部１３Ｃは、無効ラック歯１３４と傾斜部１３５とを備える。すなわち、図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、有効ラック歯列１３１のボールネジ部１３Ｂには、前記有効ラック歯列１３１に隣り合って無効ラック歯１３４が形成され、有効ラック歯列１３１とボールネジ部１３Ｂとの間は、傾斜部１３５によって、なだらかに連結されている。よって、無効ラック歯１３４は傾斜部１３５に重畳されて形成されるので、ラック軸１３の軸長を短縮できる。このラック軸１３の軸長、直接には連結部１３Ｃの軸長は、傾斜部１３５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は、傾斜部１３５と干渉するラック歯、すなわちピニオン軸１２の歯と噛合不可なラック歯である。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。

無効ラック歯１３４を形成する理由は、上述のように中実の軸部材Ｗの外周面を温間鍛造により凹状に塑性変形させて有効ラック歯列１３１を形成するが、このとき凹状になる部分の一部の材料が軸部材Ｗの軸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の形成領域を材料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。なお、凹状になる部分の残りの材料は、軸部材Ｗの径方向に逃げてバリとなるので、当該バリは後加工により取り除くようにする。

傾斜部１３５の形状、すなわち軸部材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形状（以下、平面形状という）は、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。より具体的には、図３Ａに示すように、傾斜部１３５の平面形状は、略二等辺三角形状に形成され、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、傾斜部１３５の側面形状、すなわち軸部材Ｗの軸線Ｌ及び平面形状に直角な方向から見た形状は、略直角三角形状に形成される。

換言すると、傾斜部１３５の立体形状は、略円錐形状を軸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。

連結部１３Ｃは、連結部１３Ｃとラック歯形成部１３Ａとの境界線Ｆ１から、連結部１３Ｃとボールネジ部１３Ｂとの境界線Ｆ２までの範囲である。ここで、図３Ａに示すように、連結部１３Ｃとラック歯形成部１３Ａとの境界線Ｆ１は、ピニオン軸１２の回転軸Ｇと平行であって傾斜部１３５の頂点Ｐを通る直線である。連結部１３Ｃとボールネジ部１３Ｂとの境界線は、温間鍛造による凹状の塑性変形がされた部分と当該塑性変形がされていない部分との境界を通る直線である。これらの直線で挟まれる範囲が、連結部１３Ｃとなり、この範囲内にあってピニオン軸１２の歯と噛合不可なラック歯が、無効ラック歯１３４となる。
なお、ラック歯形成部１３Ａと継手結合部１３Ｄとを連結する連結部１３Ｅを形成する理由は、継手結合部１３Ｄのメネジ１３３を有効ラック歯列１３１から離間させることによりラック軸１３の強度を確保するためである。

傾斜部１３５の形状は、上述の対称形状に限定されるものではなく、図４に示すように、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形状が、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非対称形状に且つ歯すじＧの一端側（図の下方側）にずれた形状に形成してもよい。これにより、上述の対称形状の傾斜部１３５では、ピニオン軸１２の歯と噛合不可なラック歯１３４（図３Ａ参照）が形成されていたものが、非対称形状の傾斜部１３５にすることにより、ピニオン軸１２の歯と噛合可能なラック歯１３４ａ（図４参照）とすることができる場合がある。よって、ラック軸１３の軸長をさらに短縮できる。

本実施形態のステアリング装置１０は、ラック軸１３を適用することにより小型化可能となる。なお、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、電動のパワーステアリング装置に適用する場合を説明したが、油圧のパワーステアリング装置やアシストのないステアリング装置に対しても同様に適用可能である。

１０：ステアリング装置、 １１：ラックピニオン機構、 １２：ピニオン軸、 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）、 １３Ｃ：連結部、 １３Ｄ：継手結合部（非ラック歯部）、 １３Ｅ：連結部、 １３１：有効ラック歯列、 １３４：無効ラック歯、 １３５：傾斜部、 ２０：電動アシスト部、 ２１：モータ、 ３０：減速機構、 ４０：ボールネジ機構、 Ｗ：軸部材

Claims (9)

1. 軸部材の外周面を凹状に塑性変形させて有効ラック歯列を形成したラック歯形成部と、
   ラック歯を有しない非ラック歯部と、
   前記凹状とされた領域の軸方向端部に位置し、前記ラック歯形成部の塑性変形に伴って塑性変形され、前記ラック歯形成部と前記非ラック歯部とを連結する連結部と、
   を有するラック軸であって、
   前記連結部には、前記有効ラック歯列に隣り合う無効ラック歯が形成される、ラック軸。
2. 前記連結部は、前記ラック歯形成部の軸方向両側に設けられる、請求項１のラック軸。
3. 前記軸部材は、中実の部材である、請求項１又は２のラック軸。
4. 前記連結部は、前記無効ラック歯と、前記ラック歯形成部と前記非ラック歯部とを連結する傾斜部とを備え、
   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傾斜部の形状は、前記非ラック歯部から前記ラック歯形成部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１〜３の何れか一項のラック軸。
5. 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４のラック軸。
6. 前記連結部は、前記無効ラック歯と、前記ラック歯形成部と前記非ラック歯部とを連結する傾斜部とを備え、
   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傾斜部の形状は、前記非ラック歯部から前記ラック歯形成部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非対称形状に且つ前記歯すじの一端側にずれた形状に形成される、請求項１〜３の何れか一項のラック軸。
7. ハウジングと、
   前記ハウジングに軸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と、
   を備える、ステアリング装置。
8. 前記ステアリング装置は、
   前記ハウジングに取り付けられ、且つ、前記有効ラック歯列に対して軸方向に異なる位置に設けられ、前記ラック軸の軸方向の移動をアシストするアシスト装置、を備える、請求項７のステアリング装置。
9. 前記アシスト装置は、
   前記ハウジングに取り付けられるモータと、
   前記モータの回転を減速する減速機構と、
   前記ハウジングに回転可能に支持されるボールナットと、
   を備え、
   前記ラック軸は、前記非ラック歯部に形成され前記ボールナットと螺合可能なボールネジ部を有し、
   前記減速機構により減速される回転を前記ボールナット、前記ボールネジ部を介して前記ラック軸の軸方向移動に変換して前記ラック軸の軸方向の移動をアシストする、請求項８のステアリング装置。

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