JP3826655B2 - 中空ラック軸、そのラック歯成形方法及びそのための金型 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用操舵装置等に用いられる中空ラック軸、中空ラック軸のラック歯成形方法及びそのための金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のステアリング装置には、ラックピニオン方式が多用される。この方式ではドライバーが操作したステアリングホイールの回転はピニオンに伝達される。このピニオンの回転がこれに噛み合うラックに伝達され、横方向（ラックの長さ方向）の運動に変換される。ラックはステアリングロッドに結合されているので、ラックの横方向運動によって前車輪の向きが変更される。このような操舵機構は周知のものであるから更なる説明は省略する。
【０００３】
上記ラックは、従来、棒状の素材を歯切りすることによって得られていたが、近年ではラックの製造において切削加工をできるだけ廃するため可能な限り塑性加工の技術が取り入れられ、また、これに伴いラックが中空とされるようになってきている。特開平９−２４６３７９号公報、特公平４−２８５８２号公報、及び、特開平１１−１８０３１８号公報には、このような塑性加工技術を取り入れたラック製造方法の例が開示されている。
【０００４】
特開平９−２４６３７９号公報に開示された製造方法は、第一成形割り型をチューブ材に挿入し、プレス型により、一次成形を行い、次いで内面の一部にラック歯に対応する歯を有する第二次成形割り型に一次成形材を挿入し、一端から半円形のマンドレルを圧入し、ラック歯を成形するものである。
【０００５】
また、特公平４−２８５８２号公報に開示された製造方法は、チューブ材の内部に心金を挿入し、チューブ周りを固定金型で取り囲んだ状態で、ラック歯に対応する歯を有する金型をチューブ外形に押し込んでラック歯を成形するものである。
【０００６】
また、特開平１１−１８０３１８号公報に開示された製造方法は、本発明の発明者の一人である大久保によりなされたものであって、略短冊状の板材の略中央部分に、ラック歯を塑性加工（プレスフォーミング）によって成形し、または、略短冊状の板材の長手中心に沿って半円形断面を有するＵ字状、コの字状に曲げたあと、半円形状部分の中央近辺に塑性加工によりラック歯を成形し、その後残部の板部を曲げてチューブ状にしてラック軸が形成されるものである。
【０００７】
はじめの２つの公報ではチューブ材が原材料として使用されているが、この技術ではチューブ材は使用されず板材が使用されるので、材料費、運搬費、保管の費用の点で有利なだけでなく、歯底部の肉厚を確保するために他の部分に駄肉を付ける必要がなく、十分な軽量効果が得られるというメリットがある。
【０００８】
図４は、従来技術、及び、本発明にかかる、完成した中空ラック軸の外観図である。
【０００９】
図５は、上記特開平１１−１８０３１８号公報等に開示の製造方法によって形成が終了した従来型のラック軸を示す図であって、（ａ）はその含軸断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図（ラックの歯底において切断した断面図）である。
【００１０】
図６は、上記従来技術において、中空ラック軸に形成される途中状態であって、ラックの歯形が形成される直前のワークと、その金型の断面図である。ここで、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のII−II断面図（ラックの歯頂部において切断した断面図）である。
【００１１】
図７は、上記従来技術において、ラックの歯形が形成された直後のワークと、その金型の断面図である。ここで、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のIII−III断面図（ラックの歯頂部において切断した断面図）である。
【００１２】
図８は、ワークであるコの字状の板材の各所における材料が歯形成形によりどのように流動するかを説明するための説明図である。
【００１３】
ワーク３のラック歯は、ラックの歯形と相補的形状を下方に備えた上金型１と、ラックの歯の裏面の形状を上方に備えた下金型２との間に、事前の工程においてコの字形に成形されたワークを置き（図６の状態）、上金型１を降下させることにより成形される。このとき、上金型１及び下金型２の側面には、ワーク３を側面から保持する押さえ金型が設けられている。
【００１４】
図５（ｂ）に示されているように、ラック歯内側（ラック歯の裏面の中空部側）の歯底部に対応する箇所の寸法Ｂは、中空部の内径寸法Ｒ、歯底位置ｘ及び歯底板厚ｔにより幾何学的に決まる。従来、下金型２の歯頂部を成形する部分の幅はこの寸法Ｂと同じ寸法に設計されていた。
【００１５】
このため、ワークの図６に囲みＤで示されている部分の材料がラック歯の他の部分に流動し（歯幅中央部では、板の材料は歯形歯面及び歯頂面に流動するのに対し、囲みＤの部分の材料は、これら歯形歯面及び歯頂面の部分の他に更に歯筋端面にも流動する）、やせ細る結果、図７の囲みＥで示されるように、ラックの歯頂部の両端がダレる（別な表現をすれば、なで肩化する）ような現象が生じた。これは、ラックの有効歯幅Ｃ（図７、ラックのピッチ面における歯幅）が実際には意図したよりも狭くなることを意味する。
【００１６】
図８は、このことを異なる視点で説明するための図である。この図８において、上は歯形が形成された後、下は歯形が形成される前のコの字状の状態を示している。この図において、場所イ、ロ、ハ、ニ、ホ、ヘにあった肉（材料）が歯形に成形されたとき、引き伸ばされながら場所い、ろ、は、に、ほ、へ に移動し、それぞれの元の肉が、成形後においてこれらより大きな面積を分担しなければならないことがわかる。このため、実質的な肉厚の減少がおこり、上金型１の金型面にまで肉（材料）が充満されないので、上金型１の歯形形状が完全に転写されないままで成形が終了する。更に、これだけでなく、同様な理由により歯端部における歯厚も減少する。この結果、上述のようにダレ現象、なで肩化の現象が起き、有効歯幅Ｃが減少する。
【００１７】
そして、図８上の実線で示されるような充分な歯幅で荷重を受けることを前提に設計されているにもかかわらず、実際にはラック歯が、図８の点線で示されるように狭い有効歯幅Ｃしか備えていないため、その分だけ応力が増加することを意味する。このため、その使用時、例えばステアリング操舵時に、ラック歯が破損する、乃至、ラック軸の寿命が短くなるという問題が生じていた。
【００１８】
上下金型１、２に加える圧力を増加して、歯幅中央付近の肉を歯端部にまで流動させることは、金型の歯部に過大な負荷をかけることになり、実質的にこの手段を採用することができず、これをしたとしても金型寿命が短縮するという問題が生じる。
【００１９】
また、このようなダレ又はなで肩化が製品に認められることは、仮に、この製品の歯面の精度や歯車伝動機構の上で実際上の問題がなく、上記の破損、寿命上の問題が起こり得ない場合でも、使用者に製品の精度に疑念を抱かせることになるという問題もあった。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような中空ラック軸の破損ないしはラック軸の寿命の短命化を防止し耐久性を増すとともに、精度に疑念を抱かせることがないようにした中空ラック軸のラック歯成形方法及びそのための金型を提供することを課題とするものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題は以下の解決手段を有する発明によって解決される。すなわち、
第１番目の発明の中空ラック軸は、自動車用操舵装置等に用いられる塑性加工された中空ラック軸において、上記中空ラック軸の軸直角断面でのラック歯の歯頂部中空内面側の幅が、ラックの歯の裏面の形状を備えるとともに歯幅中央付近よりも高くした２つの突出部が両端部に形成されている金型によって成形することにより、この中空ラック軸の内径、ラック歯底位置及びラック歯底板厚の各寸法により幾何学的に決まる幅よりも幅広にされている。
【００２２】
【００２３】
第２番目の発明の、自動車用操舵装置等に用いられる中空ラック軸のラック歯を板材からプレスフォーミングするラック歯成形方法は、上記ラック歯の歯頂部の裏面を成形する金型のラック歯歯幅方向の幅が、歯幅中央付近よりも高くした２つの突出部が両端部に形成されることにより、成形するコの字状のワークの内側の歯底部に対応する箇所の幅よりも幅広にされた金型によってプレスフォーミングするものである。
【００２４】
第３番目の発明の、自動車用操舵装置等に用いられる中空ラック軸のラック歯を板材からプレスフォーミングするためのラック歯成形用の金型は、上記ラック歯の裏面を成形する金型のラック歯の歯頂部歯幅方向において、その中央部は凹形状になっており、両端部には突出部を備えていることにより、ラック歯の両端部を中央部よりも強く成形するものである。
【００２５】
これらの構成により、従来の技術のように、ダレによってラック歯が意図したより狭い有効歯幅しか備えないことから、その分だけラック歯にかかる応力が増加して、ラック歯が破損するという問題、乃至、ラック軸の寿命が短くなるという耐久性の問題を緩和又は除去することができる。
【００２６】
また、歯幅中央付近の肉を歯端部にまで流動させるために、金型の歯部に金型寿命を短縮するような過大な負荷をかけるといった手段を採ることなく、両端部の突出部によって、ダレの発生が有効に防止される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の製造方法において、中空ラック軸に形成される途中状態であって、ラックの歯形が形成される直前のワークと、その金型の断面図である。ここで、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のIV−IV断面図（ラックの歯頂部において切断した断面図）である。
【００２８】
図２は、本発明の製造方法において、ラックの歯形が形成された直後のワークと、その金型の断面図である。ここで、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ断面図（ラックの歯頂部において切断した断面図）である。
【００２９】
図３は、本発明の製造方法及び後工程のチューブ化加工によって形成が終了した本発明によるラック軸を示す図であって、（ａ）はその含軸断面図、（ｂ）は（ａ）のVI−VI断面図（ラックの歯頂部において切断した断面図）である。
【００３０】
ワーク３のラック歯は、ラックの歯形と相補的形状を下方に備えた上金型１と、ラックの歯の裏面の形状を上方に備えた下金型２との間に、事前の工程においてコの字形に成形されたワークを置き（図１の状態）、上金型１を降下させることにより成形される。このとき、上金型１及び下金型２の側面には、ワーク３を側面から保持する押さえ金型が設けられている。これらの点は従来のものと変わらない。
【００３１】
下金型２の上面には、図１（ｂ）及び図２（ｂ）にその断面形状が示されているように、歯幅中央付近よりも高くした２つの突出部２１が形成されている。そして、この２つの突出部２１のさしわたし長さＡ’は、図５（ｂ）に示されているように、中空部の内径寸法Ｒ、歯底位置ｘ及び歯底板厚ｔにより幾何学的に決まるところの、ラック歯内側（ラック歯の裏面の中空部側）の歯底部に対応する箇所の寸法Ｂよりも大きい寸法とされている。
【００３２】
このように下金型２が突出部２１を備えている点が、従来の下金型２とは基本的に異なる本発明の特徴点である。
【００３３】
本発明ではこの突出部２１がワークの肉（材料）を下方から押し上げるので、これに対応するワーク３の肉（材料）が、他の部分に向けて積極的に流動させられ、上金型１の歯形面にまで充満され、これによってその歯形形状がワークに付与される。つまり、このような下金型２の突出部２１によって、ラック歯の歯幅両端部は歯幅中央部よりも強く成形されるので、従来例のようなダレ、なで肩化が発生せず、ラックの有効歯幅Ｃを当初の設計通りになるように、ラック歯を成形することができる。
【００３４】
こうして、歯幅端部まで歯形が形成されたワーク３は、この後の加工工程において、ワーク３の開いているコの字状の足又はＵ字状の足の部分（図３（ｂ）点線部参照）が互いに突き合わされるように成形され、突き合わせ部分２３がレーザー溶接等により接合され、更に、仕上げ加工が施されて図５に示されるように製品である中空ラック軸が完成する。
【００３５】
図３（ｂ）には、製品である中空ラック軸のラック部の断面が示されており、下金型１の突出部２１によって中空部内部、つまりラック歯の歯頂部裏側、に凹部２２ができているのがわかる。
【００３６】
【発明の効果】
以上に述べたように、従来の技術にみられるような、ダレによってラック歯が意図したより狭い有効歯幅しか備えないことから、その分だけラック歯にかかる応力が増加して、ラック歯が破損するという問題、乃至、ラック軸の寿命が短くなるという耐久性の問題を、本発明では、緩和又は除去することができるという効果を奏する。
【００３７】
また、歯幅中央付近の肉を歯端部にまで流動させるために、金型の歯部に金型寿命を短縮するような過大な負荷をかけるといった手段を採ることなく、両端部の突出部によって、ダレの発生が有効に防止されるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の製造方法において、中空ラック軸に形成される途中状態であって、ラックの歯形が形成される直前のワークと、その金型の断面図である。
【図２】 本発明の製造方法において、ラックの歯形が形成された直後のワークと、その金型の断面図である。
【図３】 本発明の製造方法及び後工程のチューブ化加工によって形成が終了した本発明によるラック軸を示す図であって、（ａ）はその含軸断面図、（ｂ）は（ａ）のVI−VI断面図（ラックの歯頂部において切断した断面図）である。
【図４】 従来技術、及び、本発明にかかる、完成した中空ラック軸の外観図である。
【図５】 加工が終了した従来型のラック軸を示す図であって、（ａ）はその含軸断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図（ラックの歯底において切断した断面図）である。
【図６】 従来技術において、中空ラック軸に形成される途中状態であって、ラックの歯形が形成される直前のワークと、その金型の断面図である。ここで、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のII−II断面図（ラックの歯頂部において切断した断面図）である。
【図７】 従来技術において、ラックの歯形が形成された直後のワークと、その金型の断面図である。ここで、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のIII−III断面図（ラックの歯頂部において切断した断面図）である。
【図８】 ワークであるコの字状の板材の各所における材料が歯形成形によりどのように流動するかを説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ 上金型
２ 下金型
３ ワーク
２１ 突出部
２２ 凹部
２３ 突き合わせ部分

Claims (3)

1. 自動車用操舵装置等に用いられる塑性加工された中空ラック軸において、
   上記中空ラック軸の軸直角断面でのラック歯の歯頂部中空内面側の幅が、ラックの歯の裏面の形状を備えるとともに歯幅中央付近よりも高くした２つの突出部が両端部に形成されている金型によって成形することにより、この中空ラック軸の内径、ラック歯底位置及びラック歯底板厚の各寸法により幾何学的に決まる幅よりも幅広にされていること
   を特徴とする中空ラック軸。
2. 自動車用操舵装置等に用いられる中空ラック軸のラック歯を板材からプレスフォーミングするラック歯成形方法において、
   上記ラック歯の裏面を成形する金型のラック歯の歯頂部歯幅方向の幅が、歯幅中央付近よりも高くした２つの突出部が両端部に形成されることにより、成形するコの字状のワークの内側の歯底部に対応する箇所の幅よりも幅広にされた金型によってプレスフォーミングされること
   を特徴とする中空ラック軸のラック歯成形方法。
3. 自動車用操舵装置等に用いられる中空ラック軸のラック歯を板材からプレスフォーミングするためのラック歯成形用の金型であって、
   上記ラック歯の裏面を成形する金型のラック歯の歯頂部歯幅方向において、その中央部は凹形状になっており、両端部には突出部を備えていることにより、ラック歯の両端部を中央部よりも強く成形すること
   を特徴とする中空ラック軸のラック歯成形用の金型。

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