(57)【要約】      （修正有）【課題】軸方向における強度、剛性の高い転舵軸及び操舵装置を提供する。【解決手段】ラック軸１Ａは、ラック軸本体１０と、中間層２１と、第１ＣＦＲＰ層３０と、を備えている。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３０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。【選択図】図２
2015151110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に移動することで車輪を転舵する転舵軸であって、
軸方向に沿って連続して延びる第１強化繊維を有する第１ＦＲＰ層を備える
ことを特徴とする転舵軸。
【請求項２】
前記第１ＦＲＰ層の径方向外側又は径方向内側に、軸方向に対して傾斜した第２強化繊維を有する第２ＦＲＰ層を備える
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。
【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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２９２１８０号公報
【特許文献２】特開２０１２−１５３３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、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ので、ラック軸の軸方向における強度、剛性は高いことが好ましい。
【０００５】
そこで、本発明は、軸方向における強度、剛性の高い転舵軸及び操舵装置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】
【０００６】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、軸方向に移動することで車輪を転舵する転舵軸であって、軸方向に沿って連続して延びる第１強化繊維を有する第１ＦＲＰ層を備えることを特徴とする転舵軸である。
【０００７】
このような構成によれば、第１ＦＲＰ層の第１強化繊維が軸方向に沿って連続して延びているので、第１ＦＲＰ層（転舵軸）の軸方向における強度、剛性が高くなる。これにより、第１ＦＲＰ層（転舵軸）に軸方向において圧縮又は引張の荷重が作用しても、第１ＦＲＰ層（転舵軸）が変形し難くなる。また、同一の目標強度、剛性とする場合において、強化繊維が軸方向に沿って延びていない構成に対して、第１ＦＲＰ層の体積及び質量を小さくできる。したがって、転舵軸を小型化し、軽量化できる。
【０００８】
ここで、軸方向は転舵軸の長手方向と一致する。第１強化繊維が軸方向に沿って延びるとは、第１強化繊維の長手方向と軸方向とのなす角度が、概ね±５°以下であり、より好ましくは±１°以下であることを意味する。連続するとは、第１ＦＲＰ層の軸方向において、第１強化繊維が途切れることなく概ね全体に延びていることを意味する。
【０００９】
また、第１ＦＲＰ層は、軸方向に沿って連続して延びる第１強化繊維のみを有することが好ましい。すなわち、第１ＦＲＰ層は、軸方向に対して傾斜して延びる強化繊維を含まないことが好ましい。なぜなら、軸方向に対して傾斜して延びる強化繊維を含むと、第１ＦＲＰ層における第１強化繊維の繊維密度が低下するからである。
【００１０】
また、転舵軸において、前記第１ＦＲＰ層の径方向外側又は径方向内側に、軸方向に対して傾斜した第２強化繊維を有する第２ＦＲＰ層を備えてもよい。
【００１１】
また、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。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、軸方向における強度、剛性の高い転舵軸及び操舵装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る操舵装置の構成図である。
【図２】第１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】第１実施形態に係るラック軸の輪切り方向における断面図であり、図２のＸ１−Ｘ１線断面に対応している。
【図４】第１実施形態に係る第１ＣＦＲＰ層を周方向に展開した図である。
【図５】第２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６】第２実施形態に係る第２ＣＦＲＰ層を周方向に展開した図である。
【図７】第３実施形態に係るラック軸の輪切り方向における断面図である。
【図８】第４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９】第５実施形態に係るラック軸の輪切り方向における断面図である。
【図１０】第６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１１】第６実施形態に係るラック軸の輪切り方向における断面図であり、図１０のＸ２−Ｘ２線断面に対応している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
≪第１実施形態≫
本発明の第１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１Ａ（転舵軸）の軸方向（長手方向）を意味し、径方向はラック軸１Ａ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。
【００１５】
≪操舵装置の構成≫
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。
【００１６】
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、ラック軸１Ａと、を備えている。
【００１７】
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。
【００１８】
ピニオン軸１０４のピニオン歯１０４ａは、ラック軸１Ａのラック歯１１に噛合している。そして、ピニオン軸１０４が回転すると、ラック軸１Ａ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）が転舵されるようになっている。
【００１９】
そして、ラック軸１Ａ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、操舵による荷重、モータのアシストによる荷重が入力される。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１Ａには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かかり、内側では軸方向の圧縮荷重がかかる。
【００２０】
また、操舵装置１００は、ラック軸１Ａを収容するハウジング１１０を備えている。
【００２１】
≪ラック軸の構成≫
ラック軸１Ａは、ラック軸本体１０と、中間層２１と、第１ＣＦＲＰ層３０と、を備えている。ただし、その他の層を備えてもよい。
【００２２】
＜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３０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。
【００２３】
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。ラック軸本体１０の左側には、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。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。
【００２４】
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、第１ＣＦＲＰ層３０が形成される内筒部１３、ラック歯１１の位置関係は限定されない。
【００２５】
＜中間層＞
中間層２１は、内筒部１３と第１ＣＦＲＰ層３０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３０とを接着する層とすることができる。これにより、内筒部１３と第１ＣＦＲＰ層３０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。なお、中間層２１は、内筒部１３と後述する第２ＣＦＲＰ層４０との間、又は、第１ＣＦＲＰ層３０と第２ＣＦＲＰ層４０との間に設けてもよい。
【００２６】
＜第１ＣＦＲＰ層＞
第１ＣＦＲＰ層３０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り、その厚さは例えば３〜６ｍｍである。第１ＣＦＲＰ層３０は、樹脂製の母体３１（ベース、マトリックス、図４参照）内を、複数の第１強化繊維３２が配列することで構成されている。母体３１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。
【００２７】
＜第１ＣＦＲＰ層−第１強化繊維＞
第１強化繊維３２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。第１強化繊維３２は、軸方向（左右方向）に沿って連続して延びている。すなわち、第１強化繊維３２と軸方向とのなす角度は、±５°以下、好ましくは±１°以下である。
【００２８】
第１強化繊維３２は、第１ＣＦＲＰ層３０に４０〜９０質量％含有されている。
【００２９】
このようにして、第１強化繊維３２が軸方向に沿って連続して延びているので、第１ＣＦＲＰ層３０の軸方向における強度、剛性は高くなっている。これにより、第１ＣＦＲＰ層３０（ラック軸１Ａ）に軸方向において圧縮又は引張の荷重が作用しても、第１ＣＦＲＰ層３０（ラック軸１Ａ）が変形し難くなる。また、同一の目標強度、剛性とする場合において、強化繊維が軸方向に沿って延びていない構成に対して、第１ＣＦＲＰ層３０の体積及び質量を小さくできる。したがって、ラック軸１Ａを小型化し、軽量化できる。
【００３０】
≪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１Ａの一製造方法を説明する。
硬化前のシート状のプリプレグを準備する。このプリプレグには、一方向に引き揃えられた第１強化繊維３２が含浸されている。
【００３１】
内筒部１３の外周面に接着剤を塗布した後、前記第１強化繊維３２の長手方向とラック軸本体１０の軸方向とを一致させながら、プリプレグを内筒部１３に巻き付ける。なお、プリプレグの巻き付け数は、プリプレグの厚さ、第１ＣＦＲＰ層３０の厚さに基づいて適宜に設定すればよい。
【００３２】
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１Ａを得る。
【００３３】
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１Ａの品質安定性が高くなる。
【００３４】
≪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。
【００３５】
前記した実施形態では、第１強化繊維３２が炭素繊維である構成を例示したが、その他に例えば、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。後記する第２強化繊維４２、４３についても同様である。
【００３６】
≪変形例２≫
前記した実施形態では、ラック軸１Ａが芯材として機能する内筒部１３を備える構成を例示したが、その他に例えば、芯材である内筒部１３を備えない構成でもよい。この構成の場合、軸方向において、第１ＣＦＲＰ層３０の部分において、円筒状の第１ＣＦＲＰ層３０が芯材としても機能することになる。
【００３７】
≪変形例３≫
前記した実施形態では、シートワインディング方法によるラック軸１Ａの製造方法を例示したが、その他に例えば、プルトルージョン方法を使用してもよい。すなわち、プルトルージョン方法（連続引抜成形方法）によって第１ＣＦＲＰ層３０となる円筒体を形成し、この円筒体にラック軸本体１０を圧入する方法としてもよい。その他、ＲＴＭ成形（Resin Transfer Molding）によって、第１ＣＦＲＰ層３０となる円筒体を形成してもよい。
【００３８】
≪変形例４≫
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１Ａ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。
【００３９】
≪第２実施形態≫
本発明の第２実施形態について、図５〜図６を参照して説明する。なお、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。
【００４０】
第２実施形態に係るラック軸１Ｂは、ラック軸１Ａの構成に加えて、第１ＣＦＲＰ層３０の径方向外側に積層した第２ＣＦＲＰ層４０を備えている。すなわち、第２ＣＦＲＰ層４０は、第１ＣＦＲＰ層３０の径方向外側に配置されており、ラック軸１Ｂの最外層を構成している。このように、第２ＣＦＲＰ層４０がラック軸１Ｂの最外層を構成することにより、傾斜方向、言い換えると捩り方向におけるラック軸１Ｂの強度、剛性は非常に大きくなる。そのため、ラック軸１Ｂを操舵装置１００に組み付ける際等、ラック軸１Ｂを取扱う際に生じ得る捩り応力によって、ラック軸１Ｂの破損が発生することを抑制できる。
【００４１】
＜第２ＣＦＲＰ層＞
第２ＣＦＲＰ層４０は、第１ＣＦＲＰ層３０と同様に、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り、その厚さは例えば１〜３ｍｍである。すなわち、第２ＣＦＲＰ層４０は、第１ＣＦＲＰ層３０よりも薄くできる。
【００４２】
第２ＣＦＲＰ層４０は、樹脂製の母体４１（ベース、マトリックス）内を、複数の第２強化繊維４２、４３が配列することで構成されている。母体４１を形成する樹脂は、例えば熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂等）である。
【００４３】
＜第２ＣＦＲＰ層−第２強化繊維＞
第２強化繊維４２、４３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。
第２強化繊維４２は、軸方向（左右方向）に対して傾斜しており、第２強化繊維４２と軸方向とのなす角度θ１は、＋４５°に設計されている。なお、角度θ１は、＋４５°±５°であることが好ましく、さらに、＋４５°±１°であることが好ましい。
【００４４】
第２強化繊維４３は、軸方向（左右方向）に対して傾斜しており、第２強化繊維４３と軸方向とのなす角度θ２は、−４５°に設計されている。なお、角度θ２は、−４５°±５°であることが好ましく、さらに、−４５°±１°であることが好ましい。
すなわち、第２強化繊維４２と第２強化繊維４３とは、９０°で交差（クロス）していることが好ましいが、第２強化繊維４２と第２強化繊維４３と交差角度は９０°に限定されず、例えば３０°〜１５０°程度の任意の角度とすることができる。
【００４５】
第２強化繊維４２、４３は、織物でもよいし、第２強化繊維４２、４３は、周方向において所定間隔で均等に配置されていてもよい。また、第２強化繊維４２、４３が、径方向において多段で配列した構成でもよい。すなわち、第２強化繊維４２、４３の配列状態は、第２強化繊維４２、４３の太さ、第２ＣＦＲＰ層４０の厚さに基づいて、適宜変更自由である。
【００４６】
このようにして、第２強化繊維４２、４３が軸方向に対して傾斜した方向で延びているので、傾斜した方向における第２ＣＦＲＰ層４０の強度、剛性は高くなっている。これにより、例えば、組み付け時等における取り回し時、ラック軸１Ｂに、傾斜した方向、つまり、捩り方向（ひねり方向）において、圧縮又は引張の荷重が作用しても、第２ＣＦＲＰ層４０（ラック軸１Ｂ）が圧縮変形、引張変形せず、破損しないようになっている。
【００４７】
＜第２ＣＦＲＰ層の形成方法＞
シートワインディング方法による第２ＣＦＲＰ層４０の一形成方法を説明する。
第２強化繊維４２、第２強化繊維４３が直交して延びるプリプレグを、第１ＣＦＲＰ層３０の上に巻き付ける。この場合において、第２強化繊維４２を軸方向に対して＋４５°、第２強化繊維４３を−４５°で傾斜させる。
次いで、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。
【００４８】
この他、フィラメントワインディング方法によって第２ＣＦＲＰ層４０を形成することもできる。すなわち、第１ＣＦＲＰ層３０の上に、第２強化繊維４２、第２強化繊維４３を傾斜させながら巻き付けた後、熱硬化性樹脂を含浸させ、その後、熱硬化性樹脂を硬化させる方法でもよい。
【００４９】
≪第３実施形態≫
本発明の第３実施形態について、図７を参照して説明する。なお、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。
【００５０】
第３実施形態に係るラック軸１Ｃは、内筒部１３に代えて外筒部１５を備えている。外筒部１５は、ラック軸本体１０に大径の中空部１４が形成された部分である。そして、第３実施形態では、外筒部１５の径方向内側に、中間層２１、第１ＣＦＲＰ層３０が順に積層されている。
【００５１】
すなわち、第３実施形態に係るラック軸１Ｃは、第１ＣＦＲＰ層３０と、筒状の外筒部１５を有するラック軸本体１０とを備え、外筒部１５の径方向内側に第１ＣＦＲＰ層３０を配置するものである。このような構成によれば、外筒部１５によって、捩り方向（傾斜方向）におけるラック軸１Ｃの強度、剛性を確保することができる。なお、第１ＣＦＲＰ層３０の径方向内側又は外側に第２ＣＦＲＰ層４０を備えてもよい。
【００５２】
≪第４実施形態≫
本発明の第４実施形態について、図８を参照して説明する。なお、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。
【００５３】
第４実施形態に係るラック軸１Ｄは、軸方向において、中間層２１及び第１ＣＦＲＰ層３０を２段で備えている。すなわち、ラック軸本体１０は、軸方向において、２つの内筒部１３を備えており、各内筒部１３の径方向外側には、中間層２１、第１ＣＦＲＰ層３０が積層されている。すなわち、第４実施形態に係るラック軸１Ｄは、軸方向に複数の第１ＣＦＲＰ層３０を備えるものである。
【００５４】
≪第５実施形態≫
本発明の第５実施形態について、図９を参照して説明する。なお、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。
【００５５】
第５実施形態に係るラック軸１Ｅは、４つの中間層２１と、４つの第１ＣＦＲＰ層３０と、を備えている。４つの中間層２１及び４つの第１ＣＦＲＰ層３０は周方向において等間隔で配置されており連続してない。第１ＣＦＲＰ層３０及び中間層２１が積層したものは、軸方向視において、１／４円弧状を呈している。すなわち、第５実施形態に係るラック軸１Ｅは、周方向に分割された第１ＣＦＲＰ層３０を備えるものである。
【００５６】
≪第６実施形態≫
本発明の第６実施形態について、図１０〜図１１を参照して説明する。なお、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。
【００５７】
第６実施形態に係るラック軸１Ｆは、ラック歯１１と反対側に中間層２１及び第１ＣＦＲＰ層３０を備えている。すなわち、ラック軸本体１０は、ラック歯１１の反対側が凹み、軸方向視で１／２円弧状の凹部１２が形成されており、１／２円弧状の内筒部１３が形成されている。
なお、内筒部１３の径方向外側には、１／２円弧状の中間層２１、１／２円弧状の第１ＣＦＲＰ層３０が積層されている。
【００５８】
すなわち、第６実施形態に係るラック軸１Ｆは、周方向の一部に形成された第１ＣＦＲＰ層３０を備えるものである。また、好ましくは、第６実施形態に係るラック軸１Ｆは、第１ＣＦＲＰ層３０と、ラック歯１１が形成されたラック軸本体１０とを備え、第１ＣＦＲＰ層３０は、ラック軸本体１０におけるラック歯１１の反対側に形成されるものである。
【符号の説明】
【００５９】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ  ラック軸（操舵軸）
１０    ラック軸本体
１１    ラック歯
３０    第１ＣＦＲＰ層
３２    第１強化繊維
４０    第２ＣＦＲＰ層
４２、４３  第２強化繊維
１００  操舵装置
１０６  操舵輪（車輪）
【図１】
2015151110.tif 000003
【図２】
2015151110.tif 000004
【図３】
2015151110.tif 000005
【図４】
2015151110.tif 000006
【図５】
2015151110.tif 000007
【図６】
2015151110.tif 000008
【図７】
2015151110.tif 000009
【図８】
2015151110.tif 000010
【図９】
2015151110.tif 000011
【図１０】
2015151110.tif 000012
【図１１】
2015151110.tif 000013