JP5092884B2 - ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置及びその製造方法 - Google Patents

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ラックの改良に関する。

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補助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、回転力をポールねじを介してラックに伝達するラックアンドピニオン式とがある。

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１０〜２０倍小さく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、同等以上の強度を有し、更にはギア歯の摩耗が少なく、ピニオンのギア歯の摩耗も少なくできるラックを備え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及びそ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車軸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において、
前記ラックに、炭素繊維を一方向に配列して熱硬化性樹脂で結着させてシート状に成形したプリプレグ、炭素繊維の織物に熱硬化性樹脂を含浸させてシート状に成形したプリプレグ及び炭素繊維を３次元的に織った立体織物に熱硬化性樹脂を含浸させた樹脂含浸立体織物の少なくとも一種を積層した炭素繊維強化プラスチックと、芯材との中実体を用いた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。
（２）熱硬化性樹脂が、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）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。
（３）コラムアシスト方式であることを特徴とする上記（１）または（２）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。
（４）炭素繊維強化プラスチックにおける熱硬化性樹脂の含有量が２５〜４０質量％であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項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。
（５）炭素繊維の繊維直径が４〜８μｍ、引張強度が３０００〜６５００ＭＰａ、引張弾性率が２２０〜７００ＧＰａであることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項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。
（６）炭素繊維の一部をパラ系アラミド繊維としたことを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項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。
（７）一方向プリプレグにおいて、上下の炭素繊維同士が所定角度で交差して積層されていることを特徴とする上記（１）〜（６）の何れか１項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。
（８）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車軸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
芯棒に、炭素繊維を一方向に配列して熱硬化性樹脂で結着させてシート状に成形したプリプレグ、炭素繊維の織物に熱硬化性樹脂を含浸させてシート状に成形したプリプレグ及び炭素繊維を３次元的に織った立体織物に熱硬化性樹脂を含浸させた樹脂含浸立体織物の少なくとも一種を積層して巻き付けて筒状体を作製し、前記筒状体をラック歯が形成された金型を用いて成形して前記ラックを作製する工程を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。
（９）ラックを製造する工程が、
芯棒に、炭素繊維を一方向に配列して熱硬化性樹脂で結着させてシート状に成形したプリプレグ及び炭素繊維の織物に熱硬化性樹脂を含浸させてシート状に成形したプリプレグを巻き付けて筒状体を作製し、ラック下金型に収容する工程と、
ギア歯が形成されたラック上金型に、炭素繊維を３次元的に織った立体織物に熱硬化性樹脂を含浸させた樹脂含浸立体織物を配置する工程と、
前記ラック下金型と前記ラック上金型とを連結して加圧成形する工程とを備えることを特徴とする上記（８）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。
（１０）内面にフッ素系離型剤を塗布した金型を用いることを特徴とする上記（８）または（９）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では、ラックを特定の炭素繊維強化プラスチックで形成したため、鉄系材料からなる中空構造のラックに比べても大幅な軽量化が図られており、しかも同等以上の強度を有する。また、ラックのギア歯も摩耗し難く、ピニオンのギア歯の摩耗も抑えることができる。

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とに沿うようにして、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、図示しない転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ーションバーで検出され、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によって転舵輪を駆動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。

一方、ラック２１は、図２（但し、（Ａ）はラックの軸線に沿った断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡＡ断面図）に示すように、芯材２４と、後述する炭素繊維強化プラスチックとの中実体であり、芯材２４の外周面にピニオン軸２２のギア歯と噛み合うギア歯が形成されている。中空構造とし芯材２４を介在させることにより強度を増すことができる。尚、図２の符号２１ａはギア歯である。

炭素繊維強化プラスチックは、炭素繊維を一方向に配列して熱硬化性樹脂で結着させてシート状に成形したプリプレグ（一方向プリプレグ）、炭素繊維の織物に熱硬化性樹脂を含浸させてシート状に成形したプリプレグ（織物プリプレグ）、炭素繊維を三次元的に織った立体織物に熱硬化性樹脂を含浸させた樹脂含浸立体織物を、それぞれ単独で、あるいは組み合わせて積層し、成形した成形体である。尚、織物プリプレグでは、炭素繊維を平織りしたものが強度的に好ましい。また、炭素繊維の立体織物とするには、例えば特開２００４−３１１５号公報に記載の織物装置を用いればよい。

一方向プリプレグ、織物プリプレグ及び樹脂含浸立体織物における熱硬化性樹脂の含有量は、２０〜５０質量％が好ましく、より好ましくは２５〜４０質量％である。熱硬化性樹脂の含有量が２０質量％未満では、樹脂分が少なすぎて、積層して成形する際に十分な接着力が得られず、更には得られるラックにおいて炭素繊維が露出し、弾性が低くなることから折れ易くなり好ましくない。これに対し熱硬化性樹脂の含有量が５０質量％を超えると、相対的に炭素繊維の含有量が少なくなり、鉄系材料並の引張強度を達成することが困難になり好ましくない。

熱硬化性樹脂には制限はないが、硬化性に優れることから、エポキシ樹脂またはビスマレイミド樹脂が好ましく、両樹脂を混合使用してもよい。

炭素繊維は、繊維直径が４〜８μｍ、引張強度が３０００〜６５００ＭＰａ、引張弾性率が２２０〜７００ＧＰａ、伸度が０．５〜２．２％の範囲にあるものが好ましい。引張強度及び伸度は大きい方が好ましく、引張強度が５０００〜６５００ＭＰａ、伸度が２．０〜２．２％のものが特に好ましい。

また、耐摩耗性を向上させるために、炭素繊維の一部をパラ系アラミド繊維に代えてもよい。

ラック２１を製造するには、芯棒に炭素繊維プラスチックを巻き付けて筒状体を作製し、筒状体を成形する。その際、一方向プリプレグ、織物プリプレグまたは樹脂含浸立体織物をそれぞれ単独で使用し、金型内に積層して熱硬化性樹脂の硬化温度にて成形することもできるが、一方向プリプレグ、織物プリプレグ及び樹脂含浸立体織物を組み合わせて成形することが好ましい。例えば、ラック２１のギア歯はピニオン軸２２のギア歯との噛み合わせによる負荷が加わり、摩耗も起こり易いため、金型内のギア歯に相当する部分に、強度に優れる織物プリプレグまたは樹脂含浸立体織物を配置し、成形することが好ましい。特に、樹脂含浸立体織物が好ましい。また、樹脂含浸立体織物は、最終寸法より一回り大きいものを使用することにより、圧縮されて強度が増すようになる。

また、一方向プリプレグを積層する場合は、全てのプリプレグを炭素繊維が同じ方向を向くように積層してもよいが、上下のプリプレグにおいて炭素繊維同士が所定角度、例えば３０°〜９０°で交差するように積層することにより、平面上（Ｘ、Ｙ方向）での強度の均一化を図ることができ好ましい。

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。

（実施例１）
繊維直径が６．９μｍで、引張強度５０００ＭＰａ、引張弾性率２４０ＧＰａ、伸度２．１％の炭素繊維を一方向に配列してエポキシ樹脂（硬化温度１３０℃）を含浸させ、厚さ０．１１３ｍｍのシート状に成形して一方向プリプレグを作製した。尚、エポキシ樹脂の含有量は３０質量％である。

また、同じ炭素繊維を平織りして同じエポキシ樹脂を含浸させ、厚さ０．３８０ｍｍのシート状に成形して織物プリプレグを作製した。尚、エポキシ樹脂の含有量は３５質量％である。

また、同じ炭素繊維を立体織りしたものに、同じエポキシ樹脂を含浸させて樹脂含浸立体織物を作製した。尚、樹脂含浸量は３０質量％である。

そして、フッ素系離型剤を塗布した鉄製芯棒に、上記の一方向プリプレグを炭素繊維の向きを揃えて二重巻きし、巻き端部分をエポキシ系接着剤で仮止めした。次いで、一方向プリプレグを、鉄製心棒の軸線に対し炭素繊維が４５°の角度で交差するように二重巻きした後、その上に鉄製心棒の軸線に対し炭素繊維が９０°の角度で交差するように二重巻きし、更にその上に鉄製心棒の軸線に対し炭素繊維が１３５°の角度で交差するように二重巻きした。更に、その上に上記の織物プリプレグを巻き付け、巻き端部分をエポキシ系接着剤で仮止めして筒状体を作製した。

次いで、内面にフッ素系離型剤を塗布したラック下金型に、上記の筒状体を収容した。また、ギア歯が形成されたラック上金型の内面にフッ素系離型剤を塗布し、上記の樹脂含浸立体織物を配置した。そして、ラック上金型とラック下金型に圧力をかけながら、エポキシ樹脂の硬化温度である１３０℃に維持した後、金型を開いて成形体を取り出し、鉄製芯棒を引き抜いて中空構造のラックを作製した。

（比較例１）
Ｓ４５Ｃ製で、熱処理及び冷間鍛造で作製した実施例１と同形で中空構造のラックを作製した。

（抗折性評価）
上記で作製した各ラックの中央部に荷重をかけ、折れるまでの撓み量を測定した。結果を表１に示す。また、表１には、各ラックの、中空部を除いた密度を示す。

表１に示すように、本発明に従う実施例１のラックは、従来の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、高強度を実現できる。

本発明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一例を示す概略構成図である。 中実構造のラックの一例を示す図であり、（Ａ）はラックの軸線に沿って示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡＡ断面図である。

符号の説明

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
１２ ステアリング軸用ハウジング
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
２４ 芯材
３０ 減速ギア

Claims (10)

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車軸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において、
   前記ラックに、炭素繊維を一方向に配列して熱硬化性樹脂で結着させてシート状に成形したプリプレグ、炭素繊維の織物に熱硬化性樹脂を含浸させてシート状に成形したプリプレグ及び炭素繊維を３次元的に織った立体織物に熱硬化性樹脂を含浸させた樹脂含浸立体織物の少なくとも一種を積層した炭素繊維強化プラスチックと、芯材との中実体を用いた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。
2. 熱硬化性樹脂が、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。
3. コラムアシスト方式であることを特徴とする請求項１または２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。
4. 炭素繊維強化プラスチックにおける熱硬化性樹脂の含有量が２５〜４０質量％であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項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。
5. 炭素繊維の繊維直径が４〜８μｍ、引張強度が３０００〜６５００ＭＰａ、引張弾性率が２２０〜７００ＧＰａであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項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。
6. 炭素繊維の一部をパラ系アラミド繊維としたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項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。
7. 一方向プリプレグにおいて、上下の炭素繊維同士が所定角度で交差して積層されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項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。
8. 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車軸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
   芯棒に、炭素繊維を一方向に配列して熱硬化性樹脂で結着させてシート状に成形したプリプレグ、炭素繊維の織物に熱硬化性樹脂を含浸させてシート状に成形したプリプレグ及び炭素繊維を３次元的に織った立体織物に熱硬化性樹脂を含浸させた樹脂含浸立体織物の少なくとも一種を積層して巻き付けて筒状体を作製し、前記筒状体をラック歯が形成された金型を用いて成形して前記ラックを作製する工程を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。
9. ラックを製造する工程が、
   芯棒に、炭素繊維を一方向に配列して熱硬化性樹脂で結着させてシート状に成形したプリプレグ及び炭素繊維の織物に熱硬化性樹脂を含浸させてシート状に成形したプリプレグを巻き付けて筒状体を作製し、ラック下金型に収容する工程と、
   ギア歯が形成されたラック上金型に、炭素繊維を３次元的に織った立体織物に熱硬化性樹脂を含浸させた樹脂含浸立体織物を配置する工程と、
   前記ラック下金型と前記ラック上金型とを連結して加圧成形する工程とを備えることを特徴とする請求項８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。
10. 内面にフッ素系離型剤を塗布した金型を用いることを特徴とする請求項８または９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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