JP2016030271A - 中空ラックバー及び中空ラックバーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピニオンギアと噛み合うラック部とヨークに支持される被支持面とを備えた中空ラックバーを容易に精度よく製造できる中空ラックバーの製造方法を提供するとともに、ラック部及び被支持面を有する中空ラックバーを提供する。【解決手段】ピニオンギア２９と噛み合うラック部２１と、ラック部２１の歯裏側に設けられヨーク３１に支持される被支持面２３と、を備えた中空ラックバー１０を製造する際、円管材料に芯金４１を圧入して内面を加圧することで、外面に配置した歯型３９の形状を転写してラック部２１を形成した後、除去加工又は変形加工することで被支持面２３を形成する。【選択図】図３

Description

本発明は、自動車のパワーステアリング装置等に使用される中空ラックバーと、その製造方法とに、関する。

自動車のパワーステアリング装置には、下記特許文献１等のように、ラックバーのラック部の歯裏側に凹状又は凸状の被支持面を設け、この被支持面をヨークにより押圧して支持することで、ピニオンギアとラック部との噛合状態を良好に保つようにしたものが存在する。

このようなパワーステアリング装置には、従来より中実のラックバーが使用されている。
中実ラックバーの場合、例えば下記特許文献２等のように、中実の材料を鍛造することで、ラック部と、ラック部の歯裏側の略Ｖ字状や略Ｙ字状の被支持面と、を形成できる。

特に、ラック歯のピッチや形状が軸方向に沿って変化する可変ラックの場合には、切削等の除去加工で形成することは困難であり、中実の材料を鍛造等の変形加工することで製造される。

一方、下記特許文献３等のように、中空ラックバーを用いてパワーステアリング装置の大幅な軽量化を図ることが知られている。
この特許文献３では、円管材料の外面に歯型を配置し、芯金を圧入して内面を高圧に加圧することで、歯型の形状を外面に転写して高精度にラック部を形成できる。

特開２００１−１５１１３２号公報 特表平９−５０６５５０号公報 特開２００８−２６４８７４号公報

中空ラックバーを中実ラックバーと同様に鍛造により製造することは困難である。例えばラック部を外面側から鍛造しても、中空部の変形によりラック部のギヤ歯を精度よく所望の形状に形成することはできない。
まして上記特許文献２等のように、鍛造によりラック部を形成するとともに、ラック部の歯裏側にヨークに支持される被支持面を形成し、それぞれの精度を確保するようなことは不可能である。

また上記特許文献３のように、芯金を圧入してラック部と被支持面とを同時に或いは順次に形成することは、相互に形状や荷重が影響し合うため、両方を精度よく形成するには非常に手間を要する。

そこで、本発明では、ピニオンギアと噛み合うラック部とヨークに支持される被支持面とを備えた中空ラックバーを容易に精度よく製造できる中空ラックバーの製造方法を提供することと、そのようなラック部と被支持面とを有する中空ラックバーを提供することとを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の中空ラックバーの製造方法は、ピニオンギアと噛み合うラック部と、ラック部の歯裏側に設けられヨークに支持される被支持面と、を備えた中空ラックバーの製造方法であって、円管材料に芯金を圧入して内面を加圧することで、外面に配置した歯型の形状を転写してラック部を形成した後、除去加工又は変形加工することで被支持面を形成し、中空ラックバーを製造する。

この製造方法では、ラック部の歯裏側の円弧面を除去加工することで、平坦面からなる被支持面を形成することができる。
その場合、ラック部及び被支持面を形成した後、厚み全体を焼入れ及び焼戻しするのが好適である。

上記目的を達成するために、本発明の中空ラックバーは、ピニオンギアと噛み合うラック部と、ラック部の歯裏側に設けられヨークに支持される被支持面と、を備えた中空ラックバーであって、被支持面は薄肉部を形成するように設けられた平坦面からなり、被支持面及びラック部が設けられた領域の厚みには、焼入及び焼戻しされた熱処理層が環状に連続して形成されている。

本発明によれば、ピニオンギアと噛み合うラック部とヨークに支持される被支持面とを備えた中空ラックバーを容易に精度よく製造できる中空ラックバーの製造方法を提供することができ、また、そのようなラック部と被支持面とを有する中空ラックバーを提供することができる。

（ａ）は本発明の第１実施形態に係る中空ラックバーの側面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１実施形態に係る中空ラックバーの製造方法を説明する図であり、（ａ）は平潰し工程を示す側面図であり、（ｂ）はラック部形成工程を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る中空ラックバーの製造方法を説明する図であり、（ａ）は被支持面形成工程を示す側面図であり、（ｂ）は被支持面形成工程を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る中空ラックバーの製造方法を説明する図であり、（ａ）は仕上工程を示す側面図であり、（ｂ）は仕上工程を示す断面図である。 第１実施形態の変形例を説明する図であり、（ａ）は仕上工程を示す側面図であり、（ｂ）は仕上工程を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る中空ラックバーの製造方法を説明する図であり、被支持面形成工程を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明する。
［第１実施形態］
本実施形態で製造する中空ラックバーは、自動車用の電動パワーステアリング装置に使用される中空のラックバーである。

図１に示すように、中空ラックバー１０には、最大形状が断面略円形の小径部１１と、小径部１１より大きくて最大形状が断面略円形の大径部１２と、が軸Ｌに沿って異なる位置となるように設けられている。
小径部１１には、外面の一部に形成されたラック部２１と、ラック部２１の歯裏側における外面に形成された被支持面２３と、を備えている。小径部１１のラック部２１及び被支持面２３が設けられた領域には、焼入及び焼戻しされた熱処理層が環状に連続して形成されている。熱処理層は厚み全体に形成されているのがよく、ここではラック部２１を除く厚み全体に形成することができる。

大径部１２には、アシスト機構の回転部品が装着された際、該回転部品のボールナット２５のボールが回転するためのボールネジ２７が設けられている。アシスト機構のボールナット２５が回転駆動されることで、中空ラックバー１０の軸Ｌ方向の移動がアシストされるようになっている。

小径部１１のラック部２１は、ステアリングシャフトのピニオンギア２９と噛み合う部位であり、複数のラック歯２１ａが軸Ｌ方向に配列して設けられている。
一定形状の複数のラック歯２１ａが一定ピッチで軸Ｌ方向に配列したものであってもよいが、この実施形態では、ピッチや形状が軸Ｌ方向に沿って変化する所謂可変ラックバーとなっている。

小径部１１の被支持面２３は、ヨーク３１により支持される部位であり、軸Ｌと略平行に延びる平坦面からなる。平坦面は軸Ｌを中心とした円弧より平坦に形成された面でよいが、好ましくは平面である。

この実施形態では、平面からなる被支持面２３が一対設けられている。各被支持面２３はラック部２１の歯幅方向における両側の外面にそれぞれ設けられ、ラック部２１の歯幅方向に対してそれぞれ１５度〜７５度傾斜している。
この一対の被支持面２３は、図１中のＢ−Ｂ線、即ち軸Ｌ及びラック部２１の中心線を通る仮想平面を中心として対称に設けられ、それぞれ軸Ｌとの距離が一定に保たれている。
各被支持面２３が平坦面であって内面が円弧面のため、各被支持面２３では周囲より肉厚の薄い薄肉部が形成されている。

各被支持面２３の軸方向両端側では、被支持面２３と円弧面状の外面との間が段差状に形成されていてもよいが、ここでは被支持面２３から円弧面状の外面まで傾斜した傾斜面３３が設けられている。
なおラック部２１及び被支持面２３が設けられていない小径部１１の領域の外面は、軸Ｌを中心とした略円形断面となっている。

以上のような中空ラックバー１０によれば、被支持面２３がラック部２１の歯幅方向両側の外面にそれぞれ設けられているので、ヨーク３１により被支持面２３が支持されることで、軸Ｌ周りの回転方向の力が中空ラックバー１０に作用した際、中空ラックバー１０の軸Ｌ周りの変位を防止することができる。
特にこの実施形態では、アシスト機構により軸Ｌ方向の移動がアシストされる際、アシスト機構の回転部品から軸Ｌ周りの周方向の回転力が中空ラックバー１０に負荷されるため、ヨーク３１により被支持面２３が支持されて押圧されることで、中空ラックバー１０が回転方向に変位するのを抑制できるため、ラック部２１とピニオンギア２９との噛み合いを良好に保つことができる。

そして、この中空ラックバー１０によれば、ラック部２１と各被支持面２３との間に形状が変化する部位を設けているので、ラック部２１の歯幅方向に対して１５度〜７５度傾斜した被支持面２３とラック部２１との間の内面や外面に、鋭角に角張った部位や過剰に括れた部位が生じることを防止できる。
これにより製造時には加工時の荷重を低減したり加工の手間を簡略化したりすることができ、使用時には十分な強度や耐久性を確保することができる。

またこの中空ラックバー１０によれば、ラック部２１と被支持面２３との間、及びラック部２１同士の間に、軸Ｌを中心とした略円弧面状の外面を備え、被支持面２３はその外面に対応する仮想の円周面よりも内側に設けられているので、ラック部２１の歯裏側全体において一部だけ突出するような部位が生じない。そのため中空ラックバー１０の軸周りの外形をできるだけコンパクトにでき、ステアリングギアの組付性がよく、また周辺部品とのクリアランスを十分に確保し易くて周辺部品を異形形状に形成する必要がなく、周辺部品をコンパクトに設計できる。

さらにこの中空ラックバー１０によれば、被支持面２３及びラック部２１が設けられた領域に、焼入れ及び焼戻しされた熱処理層が環状に設けられているので、中空ラックバーの強度を確保することができ、平坦面からなる被支持面２３を設けることで薄肉部が形成されても十分に強度を確保することができる。

次に、このような中空ラックバー１０を製造する方法について説明する。
この中空ラックバー１０は、焼入れ可能な円管材料を用いて以下のような工程を含む方法により製造する。

まず、図２（ａ）に示すように、必要に応じて円管材料に小径部１１と大径部１２とを設け、小径部１１の外面の一部を平たく潰して平潰し部３７を形成する（平潰し工程）。
この工程では、小径部１１の周方向における平潰し部３７以外の外面及び内面を、略円弧面状に維持し、大径部１２は円管部３５として維持する。

その後、図２（ｂ）に示すように、平潰し部３７の外面に歯型３９を配置し、円管部３５及び平潰し部３７を固定する。
平潰し部３７における中空部１３に芯金４１を圧入して内面を加圧することで、歯型３９の形状を平潰し部３７に転写してラック部２１を形成する（ラック部形成工程）。

この工程では、所望のラック部２１の形状が反転形成された歯型３９を平潰し部３７に対向させた状態で固定した後、平潰し部３７の内面と、この内面と対向する内面と、の間に、順次大きな芯金４１を繰り返し圧入する。

これにより平潰し部３７の外面を外側へ変形させつつ歯型３９に押しつけ、複数のラック歯２１ａの形状を転写する。この形状は略最終形状としてもよく、熱処理工程後に容易に最終形状に仕上げられる近似形状としてもよい。
またラック部２１の歯裏側における外面とラック部２１の歯底との間の距離を、小径部１１の外面の半径より大きくするのがよい。

その後、図３（ａ）（ｂ）に示すように、ラック部２１の歯裏側の円弧面を切削加工や研削加工等により除去加工することで、被支持面２３を形成する（被支持面形成工程）。
この工程では、ラック部２１の歯裏側における円弧面のうち、ラック部２１の歯幅方向両側の位置を、ラック部２１の歯幅方向に対して１５度〜７５度傾斜した平坦面となるように、工具４３で切削又は研削する。

これにより円弧面状の内面に対応する位置に、一対の被支持面２３をラック部２１の歯幅方向に対称に形成する。この形状は略最終形状としてもよく、熱処理工程後に容易に最終形状に仕上げられる近似形状としてもよい。

また小径部１１のラック部２１及び被支持面２３以外の外面及び内面は略円弧面状に維持されており、各被支持面２３とラック部２１との間の外面と、被支持面２３同士の間の外面とが、いずれも略円弧面状になっている。

その後、小径部１１におけるラック部２１及び被支持面２３が設けられた領域に焼入れ及び焼戻しなどの熱処理を施し、熱処理層を環状に連続して形成する（熱処理工程）。このとき厚みの全体に焼入れ及び焼戻しを施してもよく、ラック部２１を除く厚み全体に形成することも可能である。熱処理における各条件は適宜選択可能である。
これにより中空の小径部１１における肉厚全体の強度を増加させる。

その後、図４（ａ）（ｂ）に示すように、研削加工等により各部を高精度に仕上げる。ここでは熱処理後に研削工具４４で研削加工により最終形状に仕上げ、また研削加工等により大径部１２の外面にボールネジ２７を形成する（仕上工程）。
なおこの研削加工においては、円板状の研削工具４４の側周面により加工して被支持面２３を仕上げたが、特に限定されるものではなく、例えば図５（ａ）（ｂ）に示すように、円板状の研削工具４４の端面により加工して被支持面２３を仕上げることも可能である。

このような各工程を行うとともに、例えば調質、表面処理、矯正、検査等、各種の工程を適宜な段階で行うことで、中空ラックバー１０を製造することができる。

以上のような中空ラックバー１０の製造方法によれば、円管材料に芯金４１を圧入して内面を加圧することでラック部２１を形成した後で被支持面２３を形成するので、ラック部２１を形成する際の圧力により、被支持面２３の形状や精度を劣化させるおそれがない。

即ち、ラック部２１を形成する際には、芯金４１を圧入することで、円管材料の外形を大きくするだけでなく、外形を大きくしつつ歯型３９に押しつけて歯型３９の形状を転写させるので、円管材料には高圧が負荷される。
その際、被支持面２３が形成されていると、例えば中空部１３が変形していたり薄肉部が形成されているため、被支持面２３やその付近に変形が生じる。
そのためラック部２１を形成した後で被支持面２３を形成することで、被支持面２３やその付近の変形を防止でき、製造を容易にできる。

この実施形態の製造方法では、円弧面からなる外面を除去加工することで被支持面２３を形成するので、被支持面２３の形成時にプレス加工で変形させるような高圧は負荷されず、ラック部２１の形状や精度の劣化を確実に防止できる。
しかもラック部２１の歯幅方向両端側における内面に、プレス加工で変形されるようなシャープなエッジは形成されず、強度や耐久性を確保できる。
さらに厚肉の円管材料は変形し難いためプレス加工では形状が制限されるが、切削加工等の除去加工であれば、被支持面２３の形状や大きさを自由に設定できる。
従って、所望の形状のラック部２１及び被支持面２３を精度よく形成することが可能である。

この実施形態の製造方法では、ラック部２１の歯裏側の円弧面を除去加工することで平坦面からなる被支持面２３を形成するので、薄肉部分が形成されるものの、円弧形状に従って徐々に肉厚が変化する。そのため局部的な薄肉部分が生じることがなく、中空ラックバー１０の強度を確保することが容易である。

この実施形態の製造方法では、ラック部２１及び被支持面２３を形成した後、小径部１１の厚み全体を焼入処理及び焼戻処理するので、中空の小径部１１における肉厚全体の曲げ強度が増加し、中空ラックバー１０の剛性を向上できる。そのため被支持面２３を形成することで断面係数を減少させても、十分な曲げ強度を確保できる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。
第１実施形態では、被支持面２３を切削加工や研削加工等の除去加工により形成したが、第２実施形態ではプレス加工等の変形加工により被支持面２３を形成し、その他は第１実施形態と同様にして中空ラックバー１０を製造する。

図６は第２実施形態の製造方法における被支持面形成工程を示している。
この工程では、第１実施形態と同様にして円管材料にラック部２１を形成した後、ラック部保持部４５を有する固定型４６に、ラック部２１を保持した状態で固定する。

一対の被支持面２３に対応する角度で形成された略Ｖ字状の加圧面４７を備えた可動型４８を用い、ラック部２１の歯裏側における円弧面からなる外面を加圧面４７で加圧して変形加工することで、被支持面２３を形成する。
これによりラック部２１の歯裏側における管壁を変形加工し、円弧面状の内面及び外面をそれぞれ平坦面に成形する。そして外面により被支持面２３が構成される。
その後、第１実施形態と同様にして、中空ラックバー１０を製造することができる。

以上のような第２実施形態では、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
特に第２実施形態では、ラック部２１を形成した中空の材料の外面を加圧して変形加工することで、被支持面２３を形成するので、外面の形状が縮小すると、その縮小した体積分の材料が中空部１３側に進入して成形されることになる。
そのため中実の材料を鍛造して成形する場合のように、外面の一部の形状を縮小すると他の一部の形状が拡大して余肉として外側に突出するようなことがない。
これによりラック部２１と被支持面２３とを同様に変形加工で形成することができ、材料や設備の取扱いを容易にできる。また外面側に余肉が発生しないため、余肉を後加工で除去する必要もなく、製造が容易であり、材料の無駄も防止できる。

なお上記実施形態は本発明の範囲内において適宜変更可能である。
例えば上記各実施形態では、被支持面を平坦面により形成したが、平坦面でなくても本発明を適用することが可能であり、小径部１１の円弧面状の外面より小さく、軸Ｌを中心とした円弧面以外の湾曲面や屈曲面であってもよい。
上記実施形態では、軸Ｌと直交する断面形状が略Ｖ字となるように被支持面２３を形成した例について説明したが、軸Ｌと直交する断面形状が略Ｙ字となるように被支持面２３を形成することも可能である。
上記では電動パワーステアリング装置に用いる中空ラックバー１０の例について説明したが、油圧パワーステアリング装置の中空ラックバー１０であっても、本発明を同様に適用することが可能である。
上記では、大径部１２にボールネジ２７を設けたが、他の形式の電動パワーステアリングであっても同様に本発明を適用でき、ボールネジ２７を設けていない中空ラックバーであってもよい。

Ｌ 軸
１０ 中空ラックバー
１１ 小径部
１２ 大径部
１３ 中空部
２１ ラック部
２１ａ ラック歯
２３ 被支持面
２５ ボールナット
２７ ボールネジ
２９ ピニオンギア
３１ ヨーク
３３ 傾斜面
３５ 円管部
３７ 平潰し部
３９ 歯型
４１ 芯金
４３ 工具
４４ 研削工具
４５ ラック部保持部
４６ 固定型
４７ 加圧面
４８ 可動型

Claims (7)

1. ピニオンギアと噛み合うラック部と該ラック部の歯裏側に設けられヨークに支持される被支持面とを備えた中空ラックバーの製造方法であって、
   円管材料に芯金を圧入して内面を加圧することで、外面に配置した歯型の形状を転写して上記ラック部を形成した後、除去加工又は変形加工することで上記被支持面を形成する、中空ラックバーの製造方法。
2. 前記ラック部の歯裏側の円弧面を除去加工することで、平坦面からなる前記被支持面を形成する、請求項１に記載の中空ラックバーの製造方法。
3. 前記ラック部及び前記被支持面を形成した後、焼入れ及び焼戻しを施して環状に連続した熱処理層を形成する、請求項１又は２に記載の中空ラックバーの製造方法。
4. 厚み全体に焼入れ及び焼戻しを施す、請求項３に記載の中空ラックバーの製造方法。
5. ピニオンギアと噛み合うラック部と、該ラック部の歯裏側に設けられヨークに支持される被支持面と、を備えた中空ラックバーであって、
   上記被支持面は周囲より肉厚の薄い薄肉部を形成するように設けられた平坦面からなり、
   該被支持面及び上記ラック部が設けられた領域には、焼入及び焼戻しされた熱処理層が環状に連続して形成されている、中空ラックバー。
6. 前記熱処理層は前記ラック部及び前記被支持面が設けられた領域の厚み全体に形成されている、請求項５に記載の中空ラックバー。
7. 前記ラック部及び前記被支持面とは軸方向の異なる位置に、アシスト機構の回転部品が装着されるボールネジを有する、請求項５又は６に記載の中空ラックバー。
   
   

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