JP2011093443A - ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄系材料からなるラックに比べて大幅な軽量化を図りつつ、同等の強度を有するラックを簡便に製造する方法を提供する。
【解決手段】運転者の操舵により回転するステアリング軸と、前記ステアリング軸に連結されたピニオンと、前記ピニオンに噛み合うとともに操舵輪に連結されるラックと、前記操蛇を補助する回転力を発生させる電動モータとを備え、前記回転力が前記ステアリング軸または前記ピニオンに伝達されるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法において、有機繊維を一方向に配列して樹脂で結着させシート状に成形したプリプレグ、または有機繊維の織物に樹脂を含浸させシート状に成形したプリプレグを、複数枚重ね同時に巻き付け筒状体とする工程と、前記筒状体にギア歯を形成して前記ラックを製造する工程とを少なくとも含むことを特徴とするラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法に関し、より詳細にはそれに用いられるラックの製造方法に関する。

乗用車においては、ステアリング軸の回転を左右の操舵輪の変向に変換する機構として、高剛性かつ軽量であることから、ラックアンドピニオン機構が主に用いられている。一方、電動パワーステアリング装置は、電動モータから出力された回転力で操舵を補助するステアリング装置であるが、回転力をステアリング軸に伝達するコラムアシスト式と、回転力をピニオンに伝達するピニオンアシスト式と、回転力をボールねじを介してラックに伝達するラックアシスト式とがある。

操舵を補助しないマニュアルステアリング装置においては、運転者がステアリングホイールに加えた回転力のみがラックアンドピニオン機構によって操舵輪の運動に変換されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は小さい。また、油圧式パワーステアリング装置においても、操舵を補助する回転力がラックアンドピニオン機構を介さずにラックに伝達されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は小さい。更に、ラックアシスト式の電動パワーステアリング装置においても、操舵を補助する回転力がラックアンドピニオン機構を介さず、ボールねじを介してラックに伝達されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は油圧式パワーステアリング装置と同程度である。

これに対しコラムアシスト式及びピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置では、運転者がステアリングホイールに加えた回転力と、電動モータから出力される操舵を補助する回転力との合力がラック及びピニオンに負荷されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は、上記のマニュアルステアリング装置や油圧式パワーステアリング装置に比べて１０倍以上も大きい。しかも、ラック及びピニオンは、強度面から鉄系材料で形成されており、それぞれのギア歯も鉄系材料であるため、噛み合いにより摩耗しやすい。

そこで、ラック及びピニオンの各ギア歯の摩耗を抑制するために、ラック及びピニオンの各ギア歯並びにラックの背面に浸炭焼入れ処理や高周波焼入れ処理を施して、それらの表面硬さをＨＲＣ５５〜６３程度にするとともに、ギア歯の根元芯部の硬さを前記表面硬さよりもＨＲＣ１０〜２０程度低い硬さとすることが行われている。また、ラック及びピニオンの各ギア歯の摩耗を抑制するために、ラック及びピニオンの各ギア歯並びにラックの背面に、焼き入れにより第１の硬化層を設け、更にその上に第１の硬化層よりも硬い第２の硬化層をショットピーニングにより設けることも行われている（特許文献１参照）。

特開２００５−１２５９７２号公報

近年の地球温暖化に対する炭酸ガス排出量の低減要求に対し、自動車では低燃費化のための軽量化が進んでいる。それに伴い、ラックを中空構造にして軽量化を図ることも行われているが、鉄系材料が用いられているため軽量化には限度がある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、鉄系材料からなるラックに比べて大幅な軽量化を図りつつ、同等の強度を有するラックを簡便に製造する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、本発明は下記のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法を提供する。
（１）運転者の操舵により回転するステアリング軸と、前記ステアリング軸に連結されたピニオンと、前記ピニオンに噛み合うとともに操舵輪に連結されるラックと、前記操蛇を補助する回転力を発生させる電動モータとを備え、前記回転力が前記ステアリング軸または前記ピニオンに伝達されるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法において、
有機繊維を一方向に配列して樹脂で結着させシート状に成形したプリプレグ、または有機繊維の織物に樹脂を含浸させシート状に成形したプリプレグを、複数枚重ね同時に巻き付け筒状体とする工程と、前記筒状体にギア歯を形成して前記ラックを製造する工程とを少なくとも含むことを特徴とするラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
（２）前記プリプレグの繊維配向の内、少なくとも1つはラックの歯幅方向に平行となっていることを特徴とする上記（１）に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
（３）同時に巻き付ける複数枚の前記プリプレグは、前記プリプレグの厚さ以上の長さ分、巻き付け方向にずらして巻き付けられることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
（４）前記ギア歯は切削加工にて形成されることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
（５）前記有機繊維が、ＰＡＮ系炭素繊維、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする上記（１）から（４）のいずれかに記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
（６）前記樹脂が、エポキシ樹脂及びビスマレイミド樹脂の少なくとも一方であることを特徴とする上記（１）から（５）のいずれかに記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。

本発明によれば、簡便な操作で、鉄系材料からなる中空構造のラックに比べて軽量で、しかも同等の強度を有するラックが得られる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

本発明において、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の種類には制限がなく、例えば図１に示す構成のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置１０を例示することができる。図示されるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置１０において、図示しないステアリングホイールが上端部に固定されたステアリング軸１１が、ステアリング軸用ハウジング１２の内部に軸芯を中心に回転自在に支承されている。また、ステアリング軸１１は、下部を車両の前方に向けて傾斜した状態で、車室内部の所定位置に固定されている。

また、ステアリング軸１１の回転を左右の操舵輪の運動に変換するラックアンドピニオン機構２０は、軸方向に移動自在なラック２１と、ラック２１の軸芯に対して斜めに支承されてラック２１のギア歯に噛み合うギア歯を備えたピニオンを有するピニオン軸２２と、ラック２１及びピニオン軸２２を支承する筒状のラック用ハウジング２３とから構成される。そして、ラックアンドピニオン機構２０は、その長手方向が車両の幅方向に沿うようにして、車両前部のエンジンルーム内に略水平に配置されている。また、ピニオン軸２２の上端部とステアリング軸１１の下端部とは、２個の自在継手２５，２６で連結されている。更に、ラック２１の両端部には、図示しない操舵輪が連結されている。

そして、運転者によりステアリングホイールに操舵トルク（回転力）が加えられると、ステアリング軸１１が回転し、操舵トルクはステアリング軸１１に取り付けられた図示しないトルクセンサーで検出され、検出された操舵トルクに基づいて、電動モータ１３の出力（操舵を補助する回転力）が制御される。電動モータ１３の出力は、減速ギア３０を介してステアリング軸１１の中間部分に供給され（ピニオン軸２２に供給されるようにしてもよい）、操舵トルクと合わされて、ラックアンドピニオン機構２０によって操舵輪を転舵する運動に変換される。

ピニオン軸２２のピニオンは、従来から使用されている鉄系材料を、熱処理して表面硬度を高め、耐摩耗性を向上させている。

本発明は、上記ラック２１の製造方法に関する。以下に、その手順を説明する。

先ず、有機繊維を一方向に配列して樹脂で結着させシート状に成形したプリプレグ７０（図２参照）か、或いは有機繊維の織物に樹脂を含浸させシート状に成形したプリプレグ７０を用意する。前記有機繊維は、少なくとも１種がＰＡＮ系炭素繊維、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維から選ばれると好ましい。また、この炭素繊維は直径７〜１３μｍの範囲にあり、引張り強度が３〜８．５ＧＰａ、引張り弾性率が２２０〜７００ＧＰａ、伸度が２．０〜２．２％の範囲に入るものが望ましい。また、前記樹脂は、熱硬化性樹脂であり、エポキシ樹脂及びビスマレイミド樹脂の少なくとも一つであると好ましい。

次に、上記プリプレグ７０から上記ラック２１となる筒状体６０を作成するため、熱硬化性樹脂を含有し、一方向または織物炭素繊維からなるプリプレグ７０を図２に示すようにアルミ製の芯材４０に巻き付け積層する。その際、芯材４０を回転機械等で図２の矢印のように回転方向Ａに回転させ、徐々にプリプレグ７０を巻いていくと、より短時間で積層できる。このプリプレグ７０はエポキシに代表される熱硬化性樹脂を２２〜５０ｍａｓｓ％、より好ましくは２５〜４０ｍａｓｓ％含有している。熱硬化性樹脂の量が２２ｍａｓｓ％を下回ると、繊維間に樹脂が十分にないため、プリプレグ７０同士の接着性が低下し、またボイドが発生しやすくなる。逆に、５０ｍａｓｓ％を超えると、繊維数が減少するため、強度面で鋼と同等とすることが困難となる。

更に、巻き付けの際には、図３に示すように複数のプリプレグ７１ａ、７１ｂを同時に芯材４１に巻き付けることによって、巻き付け時間を大幅に短縮でき、かつプリプレグの継ぎ目が少なくなるため、ボイド（気泡）の発生が抑制できる。また、同時に巻き付ける複数枚の前記プリプレグ７１ａ、７１ｂは、該プリプレグの厚さ以上の長さ分、巻き付け方向にずらして巻き付けられると、さらに継ぎ目におけるボイドの発生が抑制できる。

また、プリプレグ７１ａ、７１ｂを巻き付ける際の繊維配向は、図４に示すように少なくとも１枚のプリプレグ（図３における７１ａまたは７１ｂ）の繊維配向をラック２１の歯幅方向Ｂに平行になるように揃えると好ましい。これにより、後に行う切削加工による炭素繊維の切断を防止でき、炭素繊維の強度をラック２１のギア歯８０の強度に十分に反映させることができ、より好適なラック２１が得られる。このとき、プリプレグ７１ａ、７１ｂが織物繊維の場合は、複数方向に繊維が配向されているが、この内、いずれかの繊維配向が、ラックの歯幅方向Ｂに平行になっていればよい。また、図４においては、ラックの歯が直歯となっているため、巻き付け方向と歯幅方向Ｂが一致しているが、これに限らず、ラックの歯が斜歯となっている場合でも、あらかじめ斜歯の歯幅方向となるように、繊維配向を合わせて（巻き付け方向から傾けて）プリプレグ７１ａ、７１ｂを巻き付けることにより同様の効果が得られる。

上記のようにプリプレグ７０、７１ａ、７１ｂを積層して得られた筒状体６０、６１は、熱硬化性樹脂の硬化温度（例えば、１３０℃）で２時間保持され樹脂を硬化させた後、積層体５０、５１、５２の部位にラック形状のギア歯８０を切削加工により形成し完成品とする。

尚、前記芯材４０は、中実でも中空でもよいが、実用的な強度を有し、軽量であることからアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる筒状体が好ましい。また、中空部に合成樹脂製の芯材を挿入して補強してもよい。

以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

表１に示すように、プリプレグ７０、７１ａ、７１ｂの巻き付け方法と繊維配向を変えて製造した各ラック２１（実施例１〜３）について、プリプレグ巻き付け時の積層時間、完成ラック２１の質量及び耐久性を測定する実験を行った。また、従来技術である鋼製ラック（比較例１）の質量及び耐久性と比較した。

（実施例１）
熱硬化性樹脂量２５ｍａｓｓ％の一方向プリプレグ７１ａ、７１ｂを２枚同時に巻き付け、積層することによって成形し、２枚のプリプレグのうち片方（７１ａまたは７１ｂ）の繊維配向をギア歯８０の歯幅方向Ｂに平行とした。

（実施例２）
実施例１と同じプリプレグ７０を１枚ずつ巻き付け、繊維配向をギア歯８０の歯幅方向Ｂに平行のものと非平行のものを交互に巻き付けて積層した。

（実施例３）
実施例1と同じプリプレグ７１ａ、７１ｂを実施例１と同様に２枚同時に巻き付ける成形方法で、繊維配向が歯幅方向Ｂと一致しないように巻き付けて積層した。

（比較例１）
従来技術である鋼製ラックを比較例として挙げ、これに対し各実施例の実験結果（質量、耐久性）を比較した。

（実験方法・結果）
（積層時間比）
製造時のリードタイムに関係する、プリプレグ７０、７１ａ、７１ｂの巻き付けに要する時間を、巻き付け開始から巻き付け終了までで測定した。その結果、表１に示すように、プリプレグ７０を１枚ずつ積層する実施例２での積層時間を１００とした場合に、プリプレグを２枚（７１ａ、７１ｂ）ずつ積層する実施例１及び実施例３での積層時間は、２０となり５分の１の時間で巻き付けが完了できた。

（質量比）
完成した各実施例のラック２１の質量を測定したところ、表１に示すように鋼製ラックである比較例１の質量を１００とした場合に、繊維強化プラスチックである実施例１〜３の質量は２５となり、４分の１の質量であった。

（耐久評価比）
実車での使用を模擬した耐久試験を行うため、ラック２１を図1の符号１０に示すようなラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置に組み込み、符号２１に示すラック両端に負荷装置、符号１１に示すステアリング軸に運転時の操舵を模擬した動作を行うモータを取り付け、所定の繰り返し数まで操舵を繰り返し、符号２０に示すラックアンドピニオン機構を作動させる試験を行った。この結果、表１に示すように、実施例１は比較例１と同等の耐久性を示した。またこの結果より、１枚ずつプリプレグ７０を巻き付けて積層するよりも、２枚のプリプレグ７１ａ、７１ｂを同時に巻き付けて積層するほうが、耐久性が高いことが分かった。また、繊維配向が歯幅方向Ｂに対して平行であるプリプレグがあるほうが、耐久性が高いことが分かった。

ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の一例を示す概略構成図である。 プリプレグを１枚ずつ巻き付けるところを説明する模式図である。 プリプレグを２枚ずつ巻き付けるところを説明する模式図である。 完成したラックの断面を表す図である。

１０ ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置
１１ ステアリング軸
１３ 電動モータ
２０ ラックアンドピニオン機構
２１ ラック
２２ ピニオン軸
４０，４１，４２ 芯材
５０，５１，５２ 積層体
６０，６１ 筒状体
７０，７１ａ，７１ｂ プリプレグ
８０ ギア歯
Ａ 回転方向
Ｂ 歯幅方向

Claims (6)

1. 運転者の操舵により回転するステアリング軸と、前記ステアリング軸に連結されたピニオンと、前記ピニオンに噛み合うとともに操舵輪に連結されるラックと、前記操蛇を補助する回転力を発生させる電動モータとを備え、前記回転力が前記ステアリング軸または前記ピニオンに伝達されるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法において、
   有機繊維を一方向に配列して樹脂で結着させシート状に成形したプリプレグ、または有機繊維の織物に樹脂を含浸させシート状に成形したプリプレグを、複数枚重ね同時に巻き付け筒状体とする工程と、前記筒状体にギア歯を形成して前記ラックを製造する工程とを少なくとも含むことを特徴とするラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
2. 前記プリプレグの繊維配向の内、少なくとも1つはラックの歯幅方向に平行となっていることを特徴とする請求項１に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
3. 同時に巻き付ける複数枚の前記プリプレグは、前記プリプレグの厚さ以上の長さ分、巻き付け方向にずらして巻き付けられることを特徴とする請求項１または２に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
4. 前記ギア歯は切削加工にて形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
5. 前記有機繊維が、ＰＡＮ系炭素繊維、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維及びポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。
6. 前記樹脂が、エポキシ樹脂及びビスマレイミド樹脂の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の製造方法。

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