JP7086729B2 - ラックバー予備成形体及びラックバーの製造方法 - Google Patents

ラックバー予備成形体及びラックバーの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ラックバー予備成形体及びラックバーの製造方法に関する。
自動車のラックアンドピニオン式ステアリング装置等に用いられるラックバーは、一般に焼入れされており、焼入れに伴う変形を抑制する観点から、拘束された状態で焼入れされている（例えば特許文献１、２参照）。特許文献２に記載されたラックバーの製造方法は、ラックバーにトルクを掛けた状態で焼入れを行うことにより、焼入れに伴う捩れ方向の変形を抑制している。
特開２００１－０１１５３６号公報 特開２０１４－１３３９２４号公報
ラックバーの捩れ方向の変形は、ラックとピニオンとの噛み合わせの悪化、伝達効率の低下の要因となり得る。特に、二つのラック部を備え、一方のラック部にてステアリングシャフトの操舵ピニオンと噛み合い、他方のラック部にてアシスト機構の補助ピニオンと噛み合うデュアルピニオン式のラックバーでは、ラックバーの捩れ方向の変形が、二つのラック部の間の中心軸まわりの回転角度差の精度を低下させ、噛み合わせの悪化等が懸念される。特許文献２に記載されたラックバーの製造方法は、焼入れを行う際にラックバーにトルクを掛けて捩れ方向の変形を抑制しており、トルクを掛ける追加の設備を要する。
本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、ラックバーの捩れを容易に軽減することを目的とする。
本発明の一態様のラックバー予備成形体は、未焼入れのラックバー予備成形体であって、軸材の軸方向に並ぶ複数のラック歯を備え、前記複数のラック歯のピッチ面は、前記軸材の中心軸周りに捩れている。
また、本発明の一態様のラックバーの製造方法は、軸材の軸方向に並ぶ複数のラック歯のピッチ面が前記軸材の中心軸周りに捩れるように、前記複数のラック歯を前記軸材に形成する歯形成ステップと、前記複数のラック歯が形成された前記軸材を焼入れし、前記ピッチ面を焼入れによって捩り戻す焼入れステップと、を備える。
本発明によれば、ラックバーの捩れを容易に軽減することができる。
本発明の実施形態を説明するための、ラックバーの一例の平面図である。 図１のラックバーの断面図である。 図１のラックバーの予備成形体の平面図である。 図１のラックバーの製造方法の一例の模式図である。 図１のラックバーの製造方法の一例の模式図である。 図５に示すラック歯型の一例の模式図である。 本発明の実施形態を説明するための、ラックバーの他の例の平面図である。 図７のラックバーの断面図である。 図７のラックバーの予備成形体の平面図である。
図１及び図２は、本発明の実施形態を説明するための、ラックバーの一例を示し、図３は、図１及び図２のラックバーの予備成形体を示す。
図１及び図２に示すラックバー１０は、円筒形状の中空の軸材１１からなり、軸材１１は、例えば鋼等の金属材料によって形成されている。軸材１１の一方の端部１１ａ側には、ステアリング装置のピニオンと噛み合う複数のラック歯１３を有するラック部１２が設けられており、軸材１１の他方の端部１１ｂ側には、ステアリング装置のハウジングに移動可能に支持される円筒形状の軸部１４が設けられている。
ラック部１２には、軸材１１の軸方向に延びる平潰し部１５が形成されている。そして、複数のラック歯１３は、軸材１１の軸方向に並んで平潰し部１５の外面に形成されている。複数のラック歯１３のピッチ面ＰＳは軸材１１の中心軸と平行な平面である。ここで、ピッチ面ＰＳは、ピニオンのピッチ円と転がり接触する面である。
本例では、ラック歯１３の歯すじＴＴが軸材１１の軸方向と垂直な方向に対して傾いており、ラック歯１３のピッチｐ１が一定となっている。ここで、歯すじＴＴは、ラック歯１３の歯面とピッチ面ＰＳとの交線である。なお、ラック歯１３の歯すじは、軸材１１の軸方向と垂直であってもよく、ラック歯１３のピッチは、例えばラック部１２の軸方向中央部において相対的に狭く、ラック部１２の軸方向両端部において相対的に広くなるように変化していてもよい。
ステアリング装置のピニオンと噛み合うラック部１２の硬度を高め、ステアリング装置のハウジングに支持される軸部１４の硬度を高めるため、ラック部１２及び軸部１４には焼入れが施されている。
図３に示すラックバー予備成形体１６は、ラック部１２及び軸部１４に焼入れが施されていない未焼入れのラックバー１０と言うことができ、ラックバー１０と同様に構成されている。ただし、予備成形体１６において、複数のラック歯１３のピッチ面ＰＳは軸材１１の中心軸周りに捩れている。ラック歯１３の歯すじＴＴが軸材１１の軸方向と垂直な方向に対して傾いている本例では、予備成形体１６におけるピッチ面ＰＳは、ラック歯１３のピッチを広げる（ｐ１＜ｐ２）Ａ方向に捩れている。
本例では、予備成形体１６における複数のラック歯１３の歯先面１３ａは、軸材１１の軸方向と平行な同一平面上に配置されており、複数のラック歯１３の歯底面１３ｂもまた、軸材１１の軸方向と平行な同一平面上に配置されている。
図４及び図５を参照して、ラックバー１０の製造方法を説明する。
＜予備成形ステップ＞
まず、図４に示すように、軸材１１の端部１１ａ側の一部が、プレス加工で平坦状に押し潰され、軸材１１の軸方向に延びる平潰し部１５が形成される。この後、必要に応じて、軸材１１の表面にリン酸塩皮膜を形成する化成処理が施され、平潰し部１５に複数のラック歯１３が形成される。
＜歯形成ステップ＞
図５に示すように、平潰し部１５を含む軸材１１の軸方向の少なくとも一部が金型２０によって保持される。金型２０は上型２１と下型２２とを備える。上型２１と下型２２とは、図示しない型締め機構により開閉され、軸材１１を上下方向に挟み、軸材１１の外周を保持する。上型２１にはラック歯型２３が取外し可能に装着されており、ラック歯型２３は平潰し部１５の外面に当接した状態で固定される。平潰し部１５に接するラック歯型２３の成形面２４には、複数のラック歯１３を成形する複数の歯溝２５が設けられている。
ラック歯型２３が平潰し部１５の外面に当接した状態で、芯金３０が、軸材１１の端部１１ａ側の開口を通して軸材１１に挿入され、押棒３１によって平潰し部１５の内部に圧入される。そして、圧入された芯金３０は、軸材１１の端部１１ｂ側の開口から挿入される押棒３２によって押し戻され、軸材１１から排出される。芯金３０が平潰し部１５の全長に亘って往復移動される過程で、平潰し部１５の材料が芯金３０によってしごかれ、ラック歯型２３に向けて塑性流動する。
芯金３０が次第に大きなものに替えられ、芯金３０の圧入が繰り返されることにより、平潰し部１５の材料がラック歯型２３の歯溝２５に次第に食い込み、ラック歯型２３の成形面２４の形状が平潰し部１５に転写され、平潰し部１５に複数のラック歯１３が形成される。以上のステップを経て予備成形体１６が製造される。
＜焼入れステップ＞
次に、ラック部１２の硬度を高め、軸部１４の硬度を高めるため、ラック部１２と軸部１４とに焼入れが施される。なお、ラック部１２及び軸部１４を含む予備成形体１６の全体に焼入れが施されてもよい。焼入れの際の加熱は、例えば高周波誘導加熱によって行うことができるが、高周波誘導加熱に限定されない。
焼入れに伴ってラック部１２に捩れ方向の変形が生じる。変形の要因として、焼入れの際のラック歯における熱分布が考えられる。熱分布に起因する捩れは一定の方向に生じる。また、変形の他の要因として、焼入れの際の変態応力が考えられる。変態応力に起因する捩れはラック歯１３の形状によって定まり、ラック歯１３の歯すじＴＴが軸材１１の軸方向と垂直な方向に対して斜めに設定されている場合に、ラック歯１３のピッチを狭める方向に生じる。
ここで、予備成形体１６におけるピッチ面ＰＳはラック歯１３のピッチを広げるＡ方向（図３参照）に捩れている。予備成形体１６の焼入れに伴い、ラック歯１３のピッチを狭める方向（Ａ方向とは反対方向）にラック部１２が捩れることにより、ピッチ面ＰＳが軸材１１の軸方向に平行な平面に捩り戻される。焼入れに伴ってラック部１２に生じる捩れ方向の変形量（捩れ角）と、この変形量を相殺する予備成形体１６におけるピッチ面ＰＳの捩れ角とは、例えば標準的な長さのラック部１２において０．０５°～０．１°程度であり、実験的に求められる。
このように、未焼入れの予備成形体１６においては、複数のラック歯１３のピッチ面ＰＳが軸材１１の中心軸周りに捩れており、予備成形体１６の焼入れに伴ってピッチ面ＰＳは平面状に捩り戻されるので、予備成形体１６が焼入れされてなるラックバー１０の捩れを容易に軽減することができる。
図６は、ラックバー１０の製造に用いられるラック歯型２３の一例を示す。
ラック歯型２３の複数の歯溝２５に円柱状のピン２６をそれぞれ配置した場合に、歯溝２５の側面とピン２６との接線ＴＬは、複数の歯溝２５の並び方向の一端側から他端側に向かうに従って次第に傾いている。ラック歯１３は歯溝２５によって成形され、歯溝２５の側面とピン２６との接線ＴＬはラック歯１３の歯すじＴＴに対応する。歯溝２５の側面とピン２６との接線ＴＬが次第に傾いていることから、成形されたラック歯１３の歯すじＴＴも次第に傾く。これにより、予備成形体１６において、複数のラック歯１３の歯すじＴＴが配置されるピッチ面ＰＳは、軸材１１の中心軸まわりに捩れたものとなる。
各歯溝２５の底面２５ａは、この歯溝２５に配置されるピン２６の中心軸と平行に形成することができ、この場合に、複数の底面２５ａは、複数の歯溝２５の並び方向の一端側から他端側に向かうに従って次第に傾くが、好ましくは、複数の底面２５ａは同一平面上に形成される。これにより、ラック歯型２３の製造が容易となる。複数の底面２５ａが同一平面上に形成される場合に、予備成形体１６における複数のラック歯１３の歯先面１３ａが、軸材１１の軸方向と平行な同一平面上に配置される。
また、隣り合う二つの歯溝２５の間の凸部の頂面２５ｂは、一方の歯溝２５に配置されるピン２６の中心軸と平行に形成することができ、この場合に、複数の頂面２５ｂは、複数の歯溝２５の並び方向の一端側から他端側に向かうに従って次第に傾くが、好ましくは、複数の頂面２５ｂは同一平面上に形成される。これにより、ラック歯型２３の製造が容易となる。複数の頂面２５ｂが同一平面上に形成される場合に、予備成形体１６における複数のラック歯１３の歯底面１３ｂが、軸材１１の軸方向と平行な同一平面上に配置される。
図７及び図８は、本発明の実施形態を説明するための、ラックバーの他の例を示し、図９は、図７及び図８のラックバーの予備成形体を示す。なお、上述したラックバー１０及び予備成形体１６と共通する要素には対応する符号を付し、説明を省略又は簡略する。
図７及び図８に示すラックバー１１０では、軸材１１１は円柱形状の中軸の軸材であり、軸材１１１の一方の端部１１１ａ側には、複数のラック歯１１３を有するラック部１１２が設けられており、軸材１１１の他方の端部１１１ｂ側には、円柱形状の軸部１１４が設けられている。そして、本例では、ラック歯１１３の歯すじＴＴは軸材１１１の軸方向と垂直である。
図９に示すラックバーの予備成形体１１６は、ラック部１１２及び軸部１１４に焼入れが施されていない未焼入れのラックバー１１０と言うことができ、ラックバー１１０と同様に構成されている。ただし、予備成形体１１６において、複数のラック歯１１３のピッチ面ＰＳは軸材１１１の中心軸周りに捩れている。
予備成形体１１６は、例えばラック歯型を含む金型を用いた鍛造によって形成され、ラックバー１１０は、予備成形体１１６に焼入れが施されて製造される。焼入れに伴ってラック部１１２には捩れ方向の変形が生じ、変形の要因として、焼入れの際のラック歯における熱分布が考えられる。熱分布に起因する捩れは一定の方向に生じ、捩れ方向は実験的に求められる。予備成形体１１６におけるピッチ面ＰＳが、ラック歯の熱分布に起因する捩じれ方向とは反対方向に捩れていることにより、焼入れに伴い、ピッチ面ＰＳは軸材１１１の軸方向に平行な平面に捩り戻される。
ここまで、シングルピニオン式のラックバー１０，１１０を例にして本発明を説明したが、本発明は、二つのラック部を備えるデュアルピニオン式のラックバーにも適用可能であり、また、ラックバー１０，１１０の軸部１４，１１４にボールネジ等の他の直動要素が形成されたラックバーにも適用可能である。
以上、説明したとおり、本明細書に開示されたラックバー予備成形体は、未焼入れのラックバー予備成形体であって、軸材の軸方向に並ぶ複数のラック歯を備え、前記複数のラック歯のピッチ面が、前記軸材の中心軸周りに捩れている。
また、本明細書に開示されたラックバー予備成形体は、前記複数のラック歯の歯先面及び歯底面の少なくとも一方は、前記軸材の中心軸に対して平行な同一平面上に設けられている。
また、本明細書に開示されたラックバー予備成形体は、前記複数のラック歯それぞれの歯すじは、前記軸方向と垂直な方向に対して傾いており、前記ピッチ面は、ピッチを広げる方向に捩れている。
また、本明細書に開示されたラックバー予備成形体は、前記軸材は中空軸材である。
また、本明細書に開示されたラックバーの製造方法は、軸材の軸方向に並ぶ複数のラック歯のピッチ面が前記軸材の中心軸周りに捩れるように、前記複数のラック歯を前記軸材に形成する歯形成ステップと、前記複数のラック歯が形成された前記軸材を焼入れし、前記複数のラック歯のピッチ面を焼入れによって捩り戻す焼入れステップと、を備える。
また、本明細書に開示されたラックバーの製造方法は、前記歯形成ステップでは、前記複数のラック歯の歯先面及び歯底面の少なくとも一方が前記軸材の中心軸に対して平行な同一平面上に設けられるように、前記複数のラック歯を前記軸材に形成する。
また、本明細書に開示されたラックバーの製造方法は、前記歯形成ステップでは、前記ピッチ面がピッチを広げる方向に捩れるように、前記複数のラック歯を前記軸材に形成する。
また、本明細書に開示されたラックバーの製造方法は、前記軸材は中空軸材である。
１０ ラックバー
１１ 軸材
１１ａ 軸材の端部
１１ｂ 軸材の端部
１２ ラック部
１３ ラック歯
１３ａ ラック歯の歯先面
１３ｂ ラック歯の歯底面
１４ 軸部
１５ 平潰し部
１６ 予備成形体
２０ 金型
２１ 上型
２２ 下型
２３ ラック歯型
２４ 成形面
２５ 歯溝
２５ａ 歯溝の底面
２５ｂ 歯溝の頂面
２６ ピン
３０ 芯金
３１ 押棒
３２ 押棒
１１０ ラックバー
１１１ 軸材
１１１ａ 軸材の端部
１１１ｂ 軸材の端部
１１２ ラック部
１１３ ラック歯
１１４ 軸部
１１６ 予備成形体
ｐ１ ピッチ
ｐ２ ピッチ
ＰＳ ピッチ面
ＴＬ 接線
ＴＴ 歯すじ

Claims (6)

  1. 未焼入れのラックバー予備成形体であって、
    軸材の軸方向に並ぶ複数のラック歯を備え、
    前記複数のラック歯のピッチ面が、前記軸材の中心軸周りに捩れており、
    前記複数のラック歯の歯先面及び歯底面の少なくとも一方は、前記軸材の中心軸に対して平行な同一平面上に設けられているラックバー予備成形体。
  2. 請求項１記載のラックバー予備成形体であって、
    前記複数のラック歯それぞれの歯すじは、前記軸方向と垂直な方向に対して傾いており、
    前記ピッチ面は、ピッチを広げる方向に捩れているラックバー予備成形体。
  3. 請求項１又は２記載のラックバー予備成形体であって、
    前記軸材は中空軸材であるラックバー予備成形体。
  4. 軸材の軸方向に並ぶ複数のラック歯のピッチ面が前記軸材の中心軸周りに捩れるように、前記複数のラック歯を前記軸材に形成する歯形成ステップと、
    前記複数のラック歯が形成された前記軸材を焼入れし、前記複数のラック歯のピッチ面を焼入れによって捩り戻す焼入れステップと、
    を備え、
    前記歯形成ステップでは、前記複数のラック歯の歯先面及び歯底面の少なくとも一方が前記軸材の中心軸に対して平行な同一平面上に設けられるように、前記複数のラック歯を前記軸材に形成するラックバーの製造方法。
  5. 請求項４記載のラックバーの製造方法であって、
    前記歯形成ステップでは、前記ピッチ面がピッチを広げる方向に捩れるように、前記複数のラック歯を前記軸材に形成するラックバーの製造方法。
  6. 請求項４又は５記載のラックバーの製造方法であって、
    前記軸材は中空軸材であるラックバーの製造方法。
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