(57)【要約】【課題】ＦＲＰ層が剥離し難く且つ隙間が形成され難い転舵軸及び操舵装置並びに転舵軸の製造方法を提供する。【解決手段】軸方向に延びる凹部１２を有する棒状のラック軸本体１０と、凹部１２内に設けられたＦＲＰ層３１〜３３と、を備え、軸方向においてラック軸本体１０とＦＲＰ層３１〜３３との境界面４０は、径方向外側が幅広である階段状である。【選択図】図３
2015182745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延びる凹部を有する棒状の転舵軸本体と、
前記凹部内に設けられたＦＲＰ層と、
を備え、
軸方向において前記転舵軸本体と前記ＦＲＰ層との境界面は、径方向外側が幅広である階段状である
ことを特徴とする転舵軸。
【請求項２】
前記凹部は全周方向に延びており、
前記ＦＲＰ層は、前記凹部にプリプレグを巻回し硬化させたものである
ことを特徴とする請求項１に記載の転舵軸。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の転舵軸を備える
ことを特徴とする操舵装置。
【請求項４】
軸方向及び全周方向に延びる凹部を有する棒状の転舵軸本体と、前記凹部内に設けられたＦＲＰ層と、を備え、軸方向において前記転舵軸本体と前記ＦＲＰ層との境界面は、径方向外側が幅広である階段状である転舵軸の製造方法であって、
前記凹部にプリプレグを巻回し硬化させて前記ＦＲＰ層を形成する
ことを特徴とする転舵軸の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転舵軸及び操舵装置並びに転舵軸の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃費や走行性能等の向上のため、自動車用部品の軽量化が要求されている。そこで、自動車用部品である金属製のラック軸（転舵軸）を、部分的にＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastic、繊維強化プラスチック）製とする技術が知られている（特許文献１、２参照）。ここで、ラック軸には、主に軸方向（車幅方向、左右方向）に引張又は圧縮の荷重が作用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１５３３１４号公報
【特許文献２】特開２０１３−３２０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１〜２では、ラック軸の軸方向において、金属製のラック軸本体とＦＲＰ層との軸方向における境界面は径方向外側が幅広となる傾斜面（テーパ面）であるので、ラック軸に軸方向において圧縮の荷重が作用すると、前記傾斜面に沿ってせん断力が発生し、ＦＲＰ層がラック軸本体から剥離する可能性が高い。
【０００５】
また、ＦＲＰ層がプリプレグをラック軸本体に巻回することで構成される場合、プリプレグの端面がラック軸本体側の傾斜面に線接触するので、前記端面とラック軸本体側の傾斜面との間に隙間が形成されるうえ、繊維が撚れてしまう虞があり、ＦＲＰ層の強度が低下する虞がある。なお、プリプレグが厚いほど、前記隙間が形成され易くなる。
【０００６】
そこで、本発明は、ＦＲＰ層が剥離し難く且つ隙間が形成され難い転舵軸及び操舵装置並びに転舵軸の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、軸方向に延びる凹部を有する棒状の転舵軸本体と、前記凹部内に設けられたＦＲＰ層と、を備え、軸方向において前記転舵軸本体と前記ＦＲＰ層との境界面は、径方向外側が幅広である階段状であることを特徴とする転舵軸である。
【０００８】
このような構成によれば、軸方向において転舵軸本体とＦＲＰ層との境界面は、径方向外側が幅広である階段状（段差状）であるので、軸方向において転舵軸本体とＦＲＰ層との間の境界面は、径方向に延びる、つまり、軸方向と直交する転舵軸本体の輪切り断面方向に延びることになる。すなわち、階段状の境界面は、軸方向に延びる軸方向境界面と、径方向に延びる径方向境界面とを備えている。
【０００９】
これにより、転舵軸に軸方向において圧縮荷重が作用した場合、転舵軸本体とＦＲＰ層とは、軸方向と直交する径方向境界面を介して、相互に密着することになる。このように、圧縮荷重の作用する軸方向と、転舵軸本体及びＦＲＰ層の接触する径方向境界面とが直交しているので、転舵軸本体とＦＲＰ層とがずれ難くなり、ＦＲＰ層が転舵軸本体から剥離し難くなる。
【００１０】
また、境界面は階段状であるので、ラック軸本体とＦＲＰ層との間には隙間が形成され難くなる。すなわち、プリプレグを積層することでＦＲＰ層が構成される場合、プリプレグの端面を、ラック本体側の階段状の境界面に合わせることができ、隙間が形成され難くなる。これにより、ラック軸全体の強度が高くなる。
【００１１】
さらに、軸方向境界面は周方向にも延びるので、ＦＲＰ層内を延びる繊維と、軸方向境界面とは平行となる。このように、ＦＲＰ層内を延びる繊維と、軸方向境界面とは平行であるので、ＦＲＰ層と転舵軸本体との間において荷重が良好に伝達できる。
【００１２】
また、転舵軸において、前記凹部は全周方向に延びており、前記ＦＲＰ層は、前記凹部にプリプレグを巻回し硬化させたものである構成としてもよい。
【００１３】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、前記転舵軸を備えることを特徴とする操舵装置である。
【００１４】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、軸方向及び全周方向に延びる凹部を有する棒状の転舵軸本体と、前記凹部内に設けられたＦＲＰ層と、を備え、軸方向において前記転舵軸本体と前記ＦＲＰ層との境界面は、径方向外側が幅広である階段状である転舵軸の製造方法であって、前記凹部にプリプレグを巻回し硬化させて前記ＦＲＰ層を形成することを特徴とする転舵軸の製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ＦＲＰ層が剥離し難く且つ隙間が形成され難い転舵軸及び操舵装置並びに転舵軸の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る操舵装置の構成図である。
【図２】本実施形態に係るラック軸の軸方向における断面図である。
【図３】本実施形態に係るラック軸の軸方向における拡大断面図である。
【図４】本実施形態に係るラック軸の軸方向における拡大断面図であり、ＣＦＲＰ層を省略したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の一実施形態について図１〜図４を参照して説明する。
なお、以下の説明において、軸方向は棒状のラック軸１（転舵軸）の軸方向（長手方向）を意味し、径方向はラック軸１の径方向を意味する。車幅方向外側は車幅方向（左右方向）において車外に近づく側を意味し、車幅方向内側は車幅方向において車両中央に近づく側を意味する。
【００１８】
≪操舵装置≫
操舵装置１００は、ラックピニオン式の電動パワーステアリング装置であって、電動モータの発生するアシスト力がピニオン軸１０４に入力されるピニオンアシスト型である。ただし、コラムアシスト型、ラックアシスト型でもよい。また、油圧モータでアシスト力を発生させる油圧パワーステアリング装置でもよい。
【００１９】
操舵装置１００は、運転者が操作するステアリングホイール１０１と、ステアリングホイール１０１と一体で回転するステアリング軸１０２（ステアリングコラム）と、ステアリング軸１０２の下端に連結されたトーションバー１０３と、トーションバー１０３の下端に連結されたピニオン軸１０４と、車幅方向（左右方向）に延びるラック軸１（転舵軸）と、を備えている。
【００２０】
ピニオン軸１０４のピニオン歯１０４ａは、ラック軸１のラック歯１１と噛合している。そして、ピニオン軸１０４が回転すると、ラック軸１が車幅方向において移動し、タイロッド１０５を介して連結された操舵輪１０６（車輪）が転舵されるようなっている。なお、ラック軸１は、筒状のハウジング１０７にブッシュ等を介して収容されている。
【００２１】
ピニオン軸１０４には、ウォームホイール（図示しない）が同軸で固定されている。そして、トーションバー１０３で発生した捩れトルクに応じて、電動モータ（図示しない）からウォームホイール（ピニオン軸１０４）にアシスト力が入力されるようになっている。
【００２２】
そして、ラック軸には、操舵輪１０６及びタイロッド１０５を介して路面からの荷重が入力される。この荷重は、軸方向の引張、圧縮成分又は軸方向に対してある角度を持った方向の引張、圧縮成分を有する。軸方向に対してある角度を持った方向から入力される場合、ラック軸１に曲げ成分の力も加わる。この曲げによる力の外側では軸方向の引張荷重が作用し、内側では軸方向の圧縮荷重が作用する。
【００２３】
≪ラック軸の構成≫
ラック軸１は、図２に示すように、ラック軸本体１０と、中間層２１と、ＦＲＰ層として第１ＣＦＲＰ層３１、第２ＣＦＲＰ層３２、第３ＣＦＲＰ層３３の複数層（ここでは３層）を有するＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic、炭素繊維強化プラスチック）層と、を備えている。
【００２４】
＜ラック軸本体＞
ラック軸本体１０は、棒状の部品であって、左右方向に延びている。ラック軸本体１０は、金属製であり、例えば、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ等）、アルミニウム合金で形成されている。ただし、ラック軸本体１０は、樹脂製、ＦＲＰ製である構成でもよい。この構成の場合、例えば、円筒状の第１ＣＦＲＰ層３１内部に樹脂を充填することで、ラック軸本体１０を形成できる。
【００２５】
ラック軸本体１０の右側には、ラック歯１１が形成されている。
【００２６】
＜ラック軸本体−凹部＞
ラック軸本体１０の左側には、軸方向に延びると共に全周方向において径方向内側に凹んでいる凹部１２が形成されている（図４参照）。すなわち、ラック軸本体１０は、左側において小径である内筒部１３を備えている。内筒部１３の中心軸線上には左右方向に延び、左側で外部に開口する中空部１４が形成されている。すなわち、内筒部１３は円筒状であり、周壁の厚さは例えば１〜２ｍｍである。
【００２７】
ただし、内筒部１３が中実である構成でもよい。なお、本実施形態では、右側にラック歯１１が形成され、左側に内筒部１３を備えているが、左右が反転している場合や左右両側にラック歯１１が形成される場合等、ＣＦＲＰ層が形成される内筒部、ラック歯１１の位置関係は限定されない。
【００２８】
凹部１２の軸方向両側は、径方向外側が幅広となる階段状となっており、ここでは、３段で形成されている。すなわち、凹部１２は、径方向内側（中心軸線Ｏ１側）の第１段部１５と、第１段部１５の径方向外側の第２段部１６と、第２段部１６の径方向外側の第３段部１７とで構成されている（図４参照）。第１段部１５の軸方向長さＬ１５、第２段部１６の軸方向長さＬ１６、第３段部１７の軸方向長さＬ１７は、「Ｌ１５＜Ｌ１６＜Ｌ１７」となっている。なお、段差の数は限定されず、任意の段差の階段状とすることができる。
【００２９】
第１段部１５の厚さＴ１５、第２段部１６の厚さＴ１６、第３段部１７の厚さＴ１７は、略同一であり（Ｔ１５≒Ｔ１６≒Ｔ１７）、例えば、０．２〜２ｍｍに設計されている（図４参照）。そして、凹部１２の全体厚さは、例えば３〜６ｍｍに設計されている。
【００３０】
＜中間層＞
中間層２１は、内筒部１３と第１ＣＦＲＰ層３１との間に設けられるが、必須ではない。中間層２１は、内筒部１３と第１ＣＦＲＰ層３１とを接着する層である。これにより、内筒部１３と第１ＣＦＲＰ層３１とが周方向及び軸方向においてずれないようになっている。また、中間層２１は、中間層２１を介して隣り合う２つの層の熱膨張係数の差を緩和する機能を有してもよい。中間層２１は、例えば、エポキシ系の接着剤が硬化してなる層等の樹脂層又は、両面テープ等で形成される。また、中間層２１は、内筒部１３と第２ＣＦＲＰ層３２との間、内筒部１３と第３ＣＦＲＰ層３３との間、に設けてもよい。なお、中間層２１は、第１ＣＦＲＰ層３１と第２ＣＦＲＰ層３２との間、第２ＣＦＲＰ層３２と第３ＣＦＲＰ層３３との間、に設けてもよい。
【００３１】
＜ＣＦＲＰ層＞
第１ＣＦＲＰ層３１、第２ＣＦＲＰ層３２、第３ＣＦＲＰ層３３は、軽量かつ高強度である炭素繊維強化プラスチック層である。中間層２１の径方向外側において、径方向外側に向かって、第１ＣＦＲＰ層３１、第２ＣＦＲＰ層３２、第３ＣＦＲＰ層３３の順で積層している。
【００３２】
第１ＣＦＲＰ層３１の厚さＴ３１、第２ＣＦＲＰ層３２の厚さＴ３２、第３ＣＦＲＰ層３３の厚さＴ３３は、略同一であり（Ｔ３１≒Ｔ３２≒Ｔ３３）、例えば、０．２〜２ｍｍに設計されている（図３参照）。そして、第１ＣＦＲＰ層３１、第２ＣＦＲＰ層３２、第３ＣＦＲＰ層３３が積層したものの全体厚さは、例えば３〜６ｍｍに設計されている。
【００３３】
第１ＣＦＲＰ層３１の軸方向長さＬ３１、第２ＣＦＲＰ層３２の軸方向長さＬ３２、第３ＣＦＲＰ層３３の軸方向長さＬ３３は、「Ｌ３１＜Ｌ３２＜Ｌ３３」となっている。
【００３４】
第１ＣＦＲＰ層３１、第２ＣＦＲＰ層３２、第３ＣＦＲＰ層３３は、樹脂製の母体（ベース、マトリックス）内を、複数の強化繊維が配列することで構成されている。母体を形成する樹脂は、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂から選択することができるが、強度や成形性の点から熱硬化性樹脂が好ましい。
【００３５】
強化繊維は、炭素繊維で形成されており、例えば、複数の炭素繊維を撚ってなるストランド状である。強化繊維は、各ＣＦＲＰ層に４０〜９０質量％で含有されている。
【００３６】
＜ラック軸本体とＣＦＲＰ層との境界面＞
軸方向において、ラック軸本体１０と第１ＣＦＲＰ層３１、第２ＣＦＲＰ層３２、第３ＣＦＲＰ層３３との境界面４０は、径方向外側が幅広である階段状であり、本実施形態では３段で構成されている。ただし、段数はこれに限定されない。また、段差の高さ（各ＣＦＲＰ層の厚さ）、段差の軸方向幅（各ＣＦＲＰ層の軸方向長さ）は、適宜に変更可能である。
【００３７】
境界面４０は、軸方向に延びる軸方向境界面４１と、径方向に延びる径方向境界面４２と、を備えており、軸方向境界面４１と径方向境界面４２とは交互に連なっている。すなわち、軸方向境界面４１と径方向境界面４２とは直交しており、径方向境界面４２は軸方向に対しても直交している。
【００３８】
≪ラック軸、操舵装置の作用効果≫
ラック軸１、操舵装置１００の作用効果を説明する。
ラック軸本体１０と第１ＣＦＲＰ層３１、第２ＣＦＲＰ層３２、第３ＣＦＲＰ層３３との境界面４０は、径方向外側が幅広である階段状であるので、すなわち、ラック軸本体１０と、第１ＣＦＲＰ層３１、第２ＣＦＲＰ層３２、第３ＣＦＲＰ層３３との間に形成される径方向境界面４２は、軸方向に対して直交しているので、ラック軸１に軸方向の圧縮荷重が入力された場合、ラック軸本体１０と、第１ＣＦＲＰ層３１、第２ＣＦＲＰ層３２、第３ＣＦＲＰ層３３とは、径方向境界面４２を介して相互に密着することになる。
【００３９】
このように、圧縮荷重の入力される軸方向と、ラック軸本体１０と第１ＣＦＲＰ層３１等とが挟む径方向境界面４２とが、直交しているので、ラック軸本体１０と、第１ＣＦＲＰ層３１等が、ずれ難くなる。したがって、第１ＣＦＲＰ層３１等が、ラック軸本体１０から剥離し難くなる。
【００４０】
≪ラック軸の製造方法≫
シートワインディング方法によるラック軸１の一製造方法を説明する。
第１ＣＦＲＰ層３１、第２ＣＦＲＰ層３２、第３ＣＦＲＰ層３３に対応した第１〜第３プリプレグを準備する。ただし、１枚のプリプレグを複数回にて巻回し、巻き太らせる方法でもよい。また、各ＣＦＲＰ層をそれぞれ複数のプリグレグを用いて形成してもよい。
【００４１】
内筒部１３の外周面に接着剤を塗布した後、第１ＣＦＲＰ層３１となる第１プリプレグを第１段部１５に位置合わせしながら、内筒部１３に巻き付ける。次いで、第２ＣＦＲＰ層３２となる第２プリプレグを第２段部１６に位置合わせしながら、第１プリプレグの上に巻き付ける。次いで、第３ＣＦＲＰ層３３となる第３プリプレグを第３段部１７に位置合わせしながら、第２プリプレグの上に巻き付ける。
【００４２】
ここで、凹部１２の軸方向両側は、径方向外側が幅広となる階段状であり、第１段部１５の軸方向内壁面１５ａ（図４参照）は径方向に延びているので、第１プリプレグと第１段部１５との間に隙間が形成されることはない。これと同様に、第２段部１６の軸方向内壁面１６ａ、第３段部１７の軸方向内壁面１７ａも径方向に延びているので、第２プリプレグと第２段部１６との間、第３プリプレグと第３段部１７との間に隙間が形成されることはない。
【００４３】
次いで、適宜な加圧装置及び加熱装置を使用して、プリプレグに含まれる熱硬化性樹脂の種類に対応して圧力・温度を設定し、熱硬化性樹脂を硬化させる。
そうすると、ラック軸１を得る。
【００４４】
このようなプリプレグを芯材である内筒部１３に巻き付けるシートワインディング方法は、安定して製造可能であるため、ラック軸１の品質安定性が高くなる。
【００４５】
≪変形例１≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更してもよい。
【００４６】
前記した実施形態では、強化繊維が炭素繊維である構成を例示したが、その他に例えば、強化繊維がガラス繊維やＳｉＣ繊維、アラミド等の有機繊維である構成でもよい。すなわち、ＦＲＰがＧＦＲＰ等である構成でもよい。
【００４７】
≪変形例２≫
前記した実施形態では、シートワインディング方法によって第１ＣＦＲＰ層３１等を形成する方法を例示したが、その他に例えば、フィラメントワインディング方法によって第１ＣＦＲＰ層３１等を形成することもできる。すなわち、ラック軸本体１０に熱硬化性樹脂を含浸させたフィラメント（強化繊維）を巻き付け、その後、硬化させる方法でもよい。
【００４８】
≪変形例３≫
前記した実施形態では、操舵装置１００がラックピニオン式であり、転舵軸がラック軸１である構成を例示したが、その他に例えば、操舵装置１００がボールナット式であり、転舵軸がナットの回転によって往復するねじ棒である構成でもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１      ラック軸（転舵軸）
１０    ラック軸本体（転舵軸本体）
１２    凹部
１５    第１段部
１６    第２段部
１７    第３段部
３１    第１ＣＦＲＰ層
３２    第２ＣＦＲＰ層
３３    第３ＣＦＲＰ層
４０    境界面
４１    軸方向境界面
４２    径方向境界面
１００  操舵装置
【図１】
2015182745.tif 000003
【図２】
2015182745.tif 000004
【図３】
2015182745.tif 000005
【図４】
2015182745.tif 000006