JP4810974B2 - ラック・ピニオン式ステアリング装置の製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、車両用のラック・ピニオン式ステアリング装置の製造方法に関する。
車両用のラック・ピニオン式ステアリング装置は、ピニオンの回転をピニオンに噛合するラックに伝達してラックの端部に取付られているタイロッドを移動させ、操向車輪の向きを操作する舵取り機構に伝達するように構成されている。
この種のラック・ピニオン式ステアリング装置では、ピニオンとラックとが適正に噛合するように、ラック軸の背面を噛合方向に弾性体、例えばばねなどを利用して押圧するラックガイドを備え、ピニオンとラックとの噛合状態を適正に維持するように構成されている。
また、ラックガイドには、ラック軸とラックガイドとを滑り接触させた滑り形式のものと、ラック軸をローラで支承する転がり形式のものがあり、転がり形式のものでは、ローラを支持するピンをラックガイドホルダに設けたピン挿入溝により支承するように構成されている(特許文献1参照)。
図5は、上記した従来の転がり形式のラックガイドを備えたラック・ピニオン式ステアリング装置100の構成の一例を説明する断面図、図6(a)は図5のA−A線に沿った部分断面図、図6(b)は図5のB−B線に沿った断面図で、ハウジングは図示を省略してある。
ラック・ピニオン式ステアリング装置100は、ハウジング101の内部にピニオン軸104及びラック軸105が配置されて構成されている。ピニオン軸104は、玉軸受102及びニードル軸受103により回転自在に支承され、ラック軸105は、図示しないラックブッシュにより軸方向に移動可能に配置されており、ラック軸105の端部は、図示されていないが、ボールジョイントを介して操向車輪の向きを変更するリンク機構のタイロッドに連結されている。ラック軸105のラック歯105aは、前記したピニオン軸104に一体に形成されたピニオンのピニオン歯104aと噛合している。
さらに、ハウジング101の内部には、ラック軸105のピニオン軸104と反対側にラックガイド106が配置され、ラック軸105を背面から押圧してピニオン歯104aとラック歯105aとの噛合状態を適正に維持するように構成されている。
ラックガイド106は、全体が略円筒状に形成されたラックガイドホルダ107と、その内部空間に形成されたピン受部107aにラック軸105の軸方向に直交する方向に配置されたピン108、及び中心部分にニードルベアリング109が圧入され、外周面が鼓状に形成されたローラ110から構成される。
前記ローラ110はピン108に装着されてラックガイドホルダ107の内部空間に回転自在に配置され、ローラ110の鼓状外周面はラック軸105の背面(噛合面と反対側の面)に転がり接触し、ラック軸105を噛合面に向けて押圧可能に構成されている。
ハウジング101には、ラックガイドホルダ107を案内する円筒状の孔からなるラックガイド案内部111が設けられ、ラックガイドホルダ107の外周面がラックガイド案内部111に嵌合している。また、ハウジング101のラックガイド案内部111の下側(ラック軸105と反対側)には、調整スクリュー112が螺合するように内面にねじが形成されている。
調整スクリュー112は有底円筒上の部材であって、ラックガイド案内部111に螺合し、ラックガイドホルダ107との間に皿ばね113を介在させてラックガイドホルダ107をラック軸105に向けて押圧するように構成されており、調整スクリュー112のねじ込み量を調整することで、ラック歯105aとピニオン歯104aとの噛合状態を適正に調整することができる。ラックガイドホルダ107は皿ばね113の撓み量だけ変位することが可能である。
特開2004−34829号公報。
図5及び図6で説明した従来のラックガイドでは、以下に説明するような課題が指摘されていた。即ち、図7は従来技術のローラ110の鼓状の外周面の断面形状を説明する図で、従来のラックガイドでは、図7に示すように、ローラ110の鼓状の外周面の断面形状はラック軸105の外周面の曲率半径RRよりも大きな曲率半径をもった2つの円弧からなる曲面R1及びR2(但し、R1=R2であってもよい)で構成されているため、ローラ110の鼓状の外周面とラック軸105の外周面とは、2つの点A及びBにおいて点接触する。
その理由は、製造上の公差(許容誤差)があるため、ローラ110の外周面の曲率半径R1、R2と、ラック軸105の外周面の曲率半径RRとを全く同一の曲率半径に製作することができないためである。
しかしながら、上記したようにローラ110とラック軸105とが点接触であると、接触部の面積が非常に小さいため、ピニオンとラックとが噛合するとき発生する離反力がラックガイドホルダ107に伝達されると、ローラ110とラック軸105との接触部は高面圧になり、接触部が摩耗しやすくなる。
接触部の摩耗対策としては、接触部の硬度を高めるのが一般的であり、上記した構造ではラック軸は高炭素鋼で構成し、ローラを高炭素クロム軸受鋼で構成して熱処理を施し、硬度を高めることが考えられる。
しかしながら、ローラとラック軸の硬度を高めても、接触部が高面圧であることに変わりはなく、完全に摩耗を抑えることはできない。また、ローラは熱処理の際に変形して回転中心に対して振れが大きくなる。ローラに振れが存在すると、その振れ分だけ皿ばね(図5参照)の撓み量がローラの位相(回転角度位置)により変化し、ラックガイドの可動量が変化してしまうから、ローラの振れは極力避けなければならない。このため、ローラは熱処理の後に外輪表面を研削加工して振れを無くすように処理するが、研削加工を行う分だけコスト増となってしまう。
このように、ローラとラック軸の硬度を高めるだけでは、コスト増となるにも拘らず、接触部の摩耗を完全に無くすことはできないため、皿ばねの撓み代の増加、ラックガイドの可動量の増加などの不都合が発生する。
また、ラック・ピニオン式ステアリング装置において、ラックガイド可動量が大きくなると、歯打ち音(ラトル音)の発生につながるため、余分なラックガイド可動量の増加は避けなければならない。
この発明は、上記した不都合の解決、即ちローラとラック軸との接触部の摩耗を抑え、余分なラックガイド可動量の増加をなくし、ラトル音の発生を防止することを目的とするものである。
この発明は上記課題を解決するもので、請求項の発明は、ローラでラック軸の背面をラックとピニオンとの噛合面に向けて押圧するラックガイドホルダと該ラックガイドホルダのピン挿入溝に配置されたピンに回転自在に装着された鼓状の外周面を有するローラとから構成された転がり型ラックガイドを備えたラック・ピニオン式ステアリング装置の製造方法であって、前記ローラの鼓状の外周面は、ラック軸のピニオンとの噛合面と反対側の外周面の断面形状の曲率とは異なる曲率の断面形状に形成した後、形成された鼓状の外周面にラック軸を押圧してラック軸を軸方向に往復移動させてローラを回転させつつ塑性変形させ、前記ローラの鼓状の外周面をラック軸の前記噛合面と反対側の外周面に倣わせて線接触する形状に形成することを特徴とするラック・ピニオン式ステアリング装置の製造方法である。
この場合、前記ローラは、ラック軸のピニオンとの噛合面と反対側の外周面の断面形状の曲率よりも大きい曲率を備えた断面形状の鼓状の外周面に形成した後、表面硬化処理を行い、その後に鼓状の外周面を塑性変形させることによりラック軸の前記噛合面と反対側の外周面に倣わせて線接触する形状に形成するとよい。
この場合、前記ローラは、ラック軸のピニオンとの噛合面と反対側の外周面の断面形状の曲率よりも小さい曲率を備えた断面形状の鼓状の外周面に形成した後、表面硬化処理を行い、その後に鼓状の外周面を塑性変形させることによりラック軸の前記噛合面と反対側の外周面に倣わせて線接触する形状に形成してもよい。
また、前記ローラの鼓状の外周面の塑性変形は、前記ラックガイドをラック軸に向けて押圧して行うものとする。
また、前記ローラの鼓状の外周面の塑性変形は、前記ラック軸の端部に荷重を加えてラック軸をラックガイドに向けて押圧して行うようにしてもよい。
以上説明したとおり、発明に関わるラック・ピニオン式ステアリング装置によれば、ラックガイドに回転自在に装着されたローラの外周面は回転軸の回りに鼓状に形成され、その鼓状の外周面はラック軸のピニオンとの噛合面と反対側の外周面と線接触する形状を備えている。具体的には、ローラの鼓状の外周面の断面形状は、前記ラック軸のピニオンとの噛合面と反対側の外周面の断面形状の曲率に一致する曲率に形成されている。
この構成により、ローラの外周面とラック軸の外周面との接触面積が増加して接触面圧を減少させることができるので、接触面の摩耗を抑え、余分なラックガイド可動量の増加を防止し、ラトル音の発生を防止することができる。
そして、請求項の発明のラック・ピニオン式ステアリング装置の製造方法によれば、ラックガイドに回転自在に装着されたローラは、ラック軸のピニオンとの噛合面と反対側の外周面の曲率とは異なる曲率を備えた鼓状の外周面に形成した後、鼓状の外周面にラック軸を押圧しながらラック軸を軸方向に往復移動させて塑性変形させ、前記ローラの鼓状の外周面をラック軸の前記外周面に倣わせて線接触する形状に形成する。
この構成により、ローラの鼓状の外周面とラック軸の外周面とは高精度で線接触するから、ローラの外周面とラック軸の外周面との接触面積が増加して接触面圧を減少させることができるので、接触面の摩耗を抑え、余分なラックガイド可動量の増加を防止し、ラトル音の発生を防止することができる。
そして、ローラの鼓状の外周面を塑性変形させてラック軸の外周面に倣わせるから、精密な切削加工等によることなしに高精度でラック軸の外周面に線接触させることができ、ローラの鼓状の外周面の加工を容易に行うことができる。
以下、この発明の実施の形態について説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、この発明の第1の実施の形態の転がり形式のラックガイドを備えたラック・ピニオン式ステアリング装置10の構成を説明する断面図である。
ラック・ピニオン式ステアリング装置10は、ハウジング11の内部にピニオン軸14及びラック軸15が配置されて構成されている。ピニオン軸14は、玉軸受12及びニードル軸受13により回転自在に支承され、ラック軸15は、図示しないラックブッシュにより軸方向に移動可能に配置されており、ラック軸15の端部は、図示されていないが、ボールジョイントを介して操向車輪の向きを変更するリンク機構のタイロッドに連結されている。ラック軸15のラック歯15aは、前記したピニオン軸14に一体に形成されたピニオンのピニオン歯14aと噛合している。
ハウジング11の内部には、ラック軸15のピニオン軸14と反対側にラックガイド16が配置され、ラック軸15を背面から押圧してピニオン歯14aとラック歯15aとの噛合状態を適正に維持するように構成されている。
ラックガイド16は、全体が略円筒状に形成されたラックガイドホルダ21と、その内部空間に形成されたピン受部21aにラック軸15の軸方向に直交する方向に配置されたピン22、及び中心部分にニードルベアリング23が圧入され、外周面が鼓状に形成されたローラ24から構成される。
前記ローラ24はピン22に装着されてラックガイドホルダ21の内部空間に回転自在に配置され、ローラ24の鼓状の外周面はラック軸15の背面(噛合面と反対側の面)に転がり接触し、ラック軸15を噛合面に向けて押圧可能に構成されている。
ハウジング11には、ラックガイドホルダ21を案内する円筒状の孔からなるラックガイド案内部11aが設けられ、ラックガイドホルダ21の外周面がラックガイド案内部11aに嵌合している。また、ハウジング11のラックガイド案内部11aの下側(ラック軸15と反対側)には、調整スクリュー25が螺合するように内面にねじが形成されている。
調整スクリュー25は有底円筒上の部材であって、ラックガイド案内部11aに螺合し、ラックガイドホルダ21との間に皿ばね26を介在させてラックガイドホルダ21をラック軸15に向けて押圧するように構成されており、調整スクリュー25のねじ込み量を調整することで、ラック歯15aとピニオン歯14aとの噛合状態を適正に調整することができる。ラックガイドホルダ21は皿ばね26の撓み量だけ変位することが可能である。
ローラ24の外周面の形状とその成形方法について説明する。ローラ24の外周面の断面形状は、後述する塑性変形させる前は、先に図7を参照して説明した従来技術のローラ110の外周面の断面形状と同じである。即ち、ローラ24の外周面の断面形状は、曲率半径RRのラック軸12の外周面の断面形状よりも大きな曲率半径R1及びR2(但し、R1=R2であってもよい)の2つの円弧からなる曲面から構成される。
ローラ24の外周面の成形方法について説明する。まず、ローラ24の外周面の形状を上記した断面形状、即ち2つの円弧から構成される断面形状をもつ外周面に形成し、その外周面を公知の適宜の手段により表面硬化処理を行う。
次に、ハウジング11の内部にピニオン軸14及びラック軸15、及びラックガイドホルダ21を組み付け、調整スクリュー25を通常よりも強く締め付けてラックガイドホルダ21に本来負荷されるよりも過大な荷重を負荷させる。
この本来負荷されるよりも過大な荷重を負荷させた状態の下で、ラック軸15を軸方向に往復移動させることにより、ローラ24の外周面をラック軸15の外周面の形状に塑性変形させ、ラック軸の外周面に倣わせる。塑性変形によりローラ24の外周面の断面形状(半径R1、R2)は、ラック軸の外周面の断面形状(半径RR)に一致(R1=R2=RR)し、ローラ24の外周面とラック軸の外周面とは高精度で線接触するようになる。
図2は、塑性変形したローラ24の外周面の断面形状を示す図で、ローラ24の外周面とラック軸15の外周面とは部分C及びDの範囲で線接触する。なお、部分Eは予めローラ24に設けた溝である。
前記したローラ24の外周面の表面硬化処理は、例えば公知の浸炭焼入れ、窒化処理等の方法によるものとするが、このとき、硬化層の厚みは0.1〜0.6mm程度が望ましく、硬化層が厚すぎると塑性変形させることが困難になり望ましくない。
この構成によれば、ローラの外周面とラック軸の外周面とは線接触し、接触面積が増加して接触面圧を減少させることができるので、接触面の摩耗を抑え、余分なラックガイド可動量の増加を防止し、ラトル音の発生を防止することができる。
[第2の実施の形態]
第2の実施の形態は、第1の実施の形態の転がり形式のラックガイドを備えたラック・ピニオン式ステアリング装置10と類似した構成であり、ローラ24の外周面の形状が異なるだけである。従ってラックガイドを備えたラック・ピニオン式ステアリング装置の構成については図1及びその説明を援用して詳細な説明を省略し、以下、相違点について説明する。
図3は、第2の実施の形態のローラ24の外周面を塑性変形させる前の断面形状を説明する図で、第2の実施の形態では、ローラ24の外周面の断面形状は、ラック軸15の外周面の断面形状である曲率半径RRよりも小さな曲率半径R1をもった曲面に形成されている。このため、ローラ24の外輪とラック軸15の外周面とは、点A及びBの2点においてのみ接触することになる。
第2の実施の形態においては、まず、ローラ24の外周面の形状を、前記した図3に示す断面形状に形成し、その外周面を公知の適宜の手段により表面硬化処理を行う。
次に、ハウジング11の内部にピニオン軸14及びラック軸15、及びラックガイドホルダ21を組み付け、調整スクリュー13を通常よりも強く締め付けてラックガイドホルダ21に本来負荷されるよりも過大な荷重を負荷させる。
この本来負荷されるよりも過大な荷重を負荷させた状態の下で、ラック軸15を軸方向に往復移動させることにより、ローラ24の外周面をラック軸15の外周面の形状に塑性変形させ、ラック軸の外周面に倣わせる。塑性変形によりローラ24の外周面の断面形状(半径R1)は、ラック軸の外周面の断面形状(半径RR)に一致し(R1=RR)、ローラ24の外周面とラック軸の外周面とは高精度で線接触するようになる。
第2の実施の形態においても、塑性変形したローラ24の外周面の断面形状(半径R1)は図2に示す形状となり、ローラ24の外周面とラック軸15の外周面とは部分C及びDで線接触するようになる。なお、部分Eは、予めローラ24に設けた溝である。
前記したローラ24の外周面の表面硬化処理は、第1の実施の形態と同じく、公知の浸炭焼入れ、窒化処理等の方法によるものとし、硬化層の厚みは0.1〜0.6mm程度が望ましく、硬化層の厚みが厚すぎると塑性変形させることが困難になり望ましくない。
第2の実施の形態においても、ローラの外周面とラック軸の外周面との接触面積が増加して接触面圧を減少させることができるので、接触面の摩耗を抑え、余分なラックガイド可動量の増加を防止し、ラトル音の発生を防止することができる。
[第3の実施の形態]
第3の実施の形態は、第1の実施の形態の転がり形式のラックガイドを備えたラック・ピニオン式ステアリング装置10と類似した構成であるが、ローラ24の外周面の形状を塑性変形させる方法が、第1及び第2の実施の形態の方法と異なる。従ってラックガイドを備えたラック・ピニオン式ステアリング装置の構成については、図1に示す第1の実施の形態を援用して詳細な説明を省略し、以下、相違点について説明する。
第3の実施の形態のローラ24の外周面を塑性変形させる前の断面形状は、図7に示す第1の実施の形態のローラ24の外周面の形状と同じものとする。即ち、ローラ11の外周面の断面形状は、ラック軸15の外周面の断面形状である曲率半径RRよりも大きな曲率半径をもった曲面R1及びR2(但し、R1=R2であってもよい)の2つの円弧からなる曲面から構成される。このため、ローラ24の外輪とラック軸15の外周面とは、点A及びBの2点においてのみ接触することになる。
第3の実施の形態においては、まず、ローラ24の外周面の形状を、前記した図7に示す断面形状に形成し、その外周面を公知の適宜の手段により表面硬化処理を行う。
次に、図4に示すように、ラック軸15の端部に荷重Fを加え、ラック軸15をラックガイドホルダ21内のローラ24に向けて押圧する。図1では、ラック軸15は紙面に垂直に配置されている状態が示されているから、ラック軸15の端部は紙面より手前側にあることになる。
なお、図4では、ラック軸15の端部のタイロッド30との結合部分であるボールジョイント31に荷重を加えているが、直接ラック軸15の端部に荷重Fを加えるようにしてもよい。要は、ラック軸15をラックガイドホルダ21内のローラ24に向けて押圧することである。
この本来負荷されるよりも過大な荷重を負荷させた状態の下で、ラック軸15を軸方向に往復移動させることにより、ローラ24の外周面をラック軸15の外周面の形状に塑性変形させ、ラック軸の外周面に倣わせる。塑性変形によりローラ24の外周面の断面形状(半径R1、R2)は、ラック軸の外周面の断面形状(半径RR)に一致し(R1=R2=RR)、ローラ24の外周面とラック軸の外周面とは高精度で線接触するようになる。
第3の実施の形態においても、塑性変形後のローラ24の外周面の断面形状(半径R1)は図2に示す形状となり、ローラ24の外周面とラック軸15の外周面とは部分C及びDで線接触するようになる。なお、部分Eは、予めローラ24に設けた溝である。
前記したローラ24の外周面の表面硬化処理は、第1及び第2の実施の形態と同じく、公知の浸炭焼入れ、窒化処理等の方法によるものとし、硬化層の厚みは0.1〜0.6mm程度が望ましく、硬化層の厚みが厚すぎると塑性変形させることが困難になり望ましくない。
上記した第3の実施の形態では、ローラ24の外周面を塑性変形させる前の断面形状を図7に示す第1の実施の形態のローラ24の外周面の形状とするものとして説明したが、図2に示す第2の実施の形態のローラ24の外周面の形状としてもよいことは言うまでもない。
第3の実施の形態においても、ローラの外周面とラック軸の外周面との接触面積が増加して接触面圧を減少させることができるので、接触面の摩耗を抑え、余分なラックガイド可動量の増加を防止し、ラトル音の発生を防止することができる。
ラトル音の発生を防止できるラックガイドを備えたラック・ピニオン式ステアリング装置であって、ラック軸の外周面とラックガイドホルダのローラの外周面との間の接触状態を点接触から線接触として接触面積を拡大し、接触面圧を低下させて接触面の摩耗を防止し、余分なラックガイド可動量の増加を防止し、ラトル音の発生を防止できる。
この発明の第1の実施の形態の転がり形式のラックガイドを備えたラック・ピニオン式ステアリング装置の構成を説明する断面図。 塑性変形したローラの外周面の断面形状を示す図。 第2の実施の形態のローラの外周面の塑性変形前の断面形状を説明する図。 第3の実施の形態におけるローラの外周面の塑性変形させる方法を説明する図。 従来の転がり形式のラックガイドを備えたラック・ピニオン式ステアリング装置の構成の一例を説明する断面図。 図5に示す従来のラック・ピニオン式ステアリング装置の部分断面図。 従来技術のローラの外周面の断面形状、及び第1の実施の形態のローラの外周面の塑性変形前の断面形状を説明する図。
符号の説明
10 ラック・ピニオン式ステアリング装置
11 ハウジング
11a ラックガイド案内部
12 玉軸受
13 ニードル軸受
14 ピニオン軸
14a ピニオン歯
15 ラック軸
15a ラック歯
16 ラックガイド
21 ラックガイドホルダ
21a ピン受部
22 ピン
23 ニードルベアリング
24 ローラ
25 調整スクリュー
26 皿ばね

Claims (5)

  1. ローラでラック軸の背面をラックとピニオンとの噛合面に向けて押圧するラックガイドホルダと該ラックガイドホルダのピン挿入溝に配置されたピンに回転自在に装着された鼓状の外周面を有するローラとから構成された転がり型ラックガイドを備えたラック・ピニオン式ステアリング装置の製造方法であって、
    前記ローラの鼓状の外周面は、ラック軸のピニオンとの噛合面と反対側の外周面の断面形状の曲率とは異なる曲率の断面形状に形成した後、形成された鼓状の外周面にラック軸を押圧してラック軸を軸方向に往復移動させてローラを回転させつつ塑性変形させ、前記ローラの鼓状の外周面をラック軸の前記噛合面と反対側の外周面に倣わせて線接触する形状に形成すること
    を特徴とするラック・ピニオン式ステアリング装置の製造方法。
  2. 前記ローラは、ラック軸のピニオンとの噛合面と反対側の外周面の断面形状の曲率よりも大きい曲率を備えた断面形状の鼓状の外周面に形成した後、表面硬化処理を行い、その後に鼓状の外周面を塑性変形させることによりラック軸の前記噛合面と反対側の外周面に倣わせて線接触する形状に形成すること
    を特徴とする請求項に記載のラック・ピニオン式ステアリング装置の製造方法。
  3. 前記ローラは、ラック軸のピニオンとの噛合面と反対側の外周面の断面形状の曲率よりも小さい曲率を備えた断面形状の鼓状の外周面に形成した後、表面硬化処理を行い、その後に鼓状の外周面を塑性変形させることによりラック軸の前記噛合面と反対側の外周面に倣わせて線接触する形状に形成すること
    を特徴とする請求項に記載のラック・ピニオン式ステアリング装置の製造方法。
  4. 前記ローラの鼓状の外周面の塑性変形は、前記ラックガイドをラック軸に向けて押圧して行うこと
    を特徴とする請求項乃至のいずれかに記載のラック・ピニオン式ステアリング装置の製造方法。
  5. 前記ローラの鼓状の外周面の塑性変形は、前記ラック軸の端部に荷重を加えてラック軸をラックガイドに向けて押圧して行うこと
    を特徴とする請求項乃至のいずれかに記載のラック・ピニオン式ステアリング装置の製造方法。
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