(57)【要約】      （修正有）【課題】従来の鉄系材料のみを用いたラックに対して、同等以上のラック歯部と軸方向端部ねじ部の強度と、抗曲性を備え、大幅に軽量化された信頼性の高いラックアンドピニオン式ステアリング装置用ラックを提供する。【解決手段】鋼製の芯金１１に、炭素繊維の一方向プリプレグ又は織物プリプレグの少なくとも一つを巻きつけた、積層体からなる炭素繊維強化プラスチックが形成された円柱状素材１２を成形した後、円柱状素材１２を切削加工し、ラック歯部１３を形成する。ラック歯部１３と軸方向端面ねじ部１４，１５は少なくとも芯金１１に形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転者の操舵によって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るピニオンと、前記ピニオンに噛合すると共に車輪に連結されるラックと、を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置に使用されるラックであり、前記ラックが、鋼製の芯金の外周面に、炭素繊維の一方向プリプレグ又は織物プリプレグの少なくとも一つを巻きつけた、積層体からなる炭素繊維強化プラスチックが形成された円柱状素材を成形した後、円柱状素材を切削加工し、ラック歯部を形成して得られるものであり、
且つ、前記ラック歯部は、少なくとも鋼製の芯金に形成されていることを特徴とする、ラックアンドピニオン式ステアリング装置用ラック。
【請求項２】
請求項１に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置用のラックにおいて、
前記鋼製の芯金はＨＲＣ３５以上の硬度を持つことを特徴とするラックアンドピニオン式ステアリング装置用ラック。
【請求項３】
前記鋼製の芯金の軸方向両端面に、雌ねじが形成されていることを特徴とする、請求項１、請求項２に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置用ラック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラックアンドピニオン式ステアリング装置に関し、より詳細には、コラムアシスト式及び、ピニオンアシスト式の、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置に用いられるラックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
乗用車においては、ステアリング軸の回転を左右の転舵輪の運動に変換する機構として、高剛性且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、電動モータの出力によって操舵を補助する電動パワーステアリング装置は、モータの回転力をステリング軸に伝達するコラムアシスト式、回転力をピニオンに伝達するピニオンアシスト式、及び回転力をボールねじを介してラックに伝達するラックアシスト式が知られている。
【０００３】
操舵の補助を行わ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−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転舵輪の運動に変換されるので、ラック及びピニオンに負荷される応力は小さい。また、油圧によって操舵を補助する油圧式パワーステアリング装置においては、操舵を補助する力がラックアンドピニオン機構を介さず直接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。さらに、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、前述したように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。
【０００４】
これに対して、コラムアシスト式及びピニオンアシスト式の電動パワー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、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の応力と比較すると１０倍以上にもなり、相互に噛み合うラック及びピニオンの歯部に摩耗が生じる可能性があるという問題点があった。
【０００５】
通常、このラック及びピニオンの歯部の摩耗を抑制するため、ラック及びピニオンの歯部と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、表面硬さをＨＲＣ５５〜６３程度とすると共に、歯の根元芯部の硬さを上記表面硬さよりも１０〜２０ポイント程度低い硬さとしている。また、ラック及びピニオンの歯部とラックの背面に、焼入れ処理による第１硬化層と、第１硬化層にショットピーニング処理を施し、焼き入れ硬化層よりも硬い第２硬化層と、の２重の硬化層を設け、ラック及びピニオンの歯部の摩耗を抑制する技術が開示されている（例えば、先行技術文献１参照）。
【０００６】
また、樹脂化により軽量化を図ったウォームギヤ減速機構として、アラミド繊維連続シートを複数層重ねて巻き付けた後、マトリックス樹脂組成物液を含浸して環状形状体を成形し、更に切削加工を施した樹脂製歯車が開示されている（例えば、先行技術文献２参照）。さらに、ウォームギヤ減速機が、熱可塑性樹脂とポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維（ＰＢＯ繊維）を成分とする材料にて形成されたウォームホイールを備える電動パワーステアリング装置が知られている（例えば、先行技術文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１２５９７２号公報
【特許文献２】特開２００６-７７８０９号公報
【特許文献３】再公表特許ＷＯ２００６−１２６６２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、地球温暖化対策として、炭酸ガス排出量の低減や、自動車の低燃費化を達成するため、各部品の軽量化が強く求められている。しかしながら、上記先行技術文献１に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置は、全鋼製のラック及びピニオンの歯部摩耗を抑制する技術であり、部品の軽量化に対する寄与率は大きくない。また、電動パワーステアリング装置に用いられるラックアンドピニオン機構においても、中空構造とすることによって軽量化を図ったラックもあるが、全鋼製である限り、一定以上の強度を維持しつつ、更なる軽量化をすることには限界がある。
また、上記先行技術文献２及び３に記載の電動パワーステアリング装置は、部品を樹脂化することによって軽量化を図っているが、ウォームギヤ減速機構を対象とした技術であり、ラックアンドピニオン式ステアリング装置の軽量化を目的としたものではなく、ラックに適用するには強度が不十分である。
そこで、本発明は、炭素繊維強化プラスチック及び鋼の組合わせでラックを形成し、全鋼製のラック並みの強度を及び抗曲性を維持しながら、大幅に軽量化することにより、更なる高信頼性を有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を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題を解決するために、請求項１に記載の発明は、運転者の操舵によって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るピニオンと、前記ピニオンに噛合すると共に車輪に連結されるラックと、を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置に使用されるラックであり、前記ラックが、鋼製の芯金の外周面に、炭素繊維の一方向プリプレグ又は織物プリプレグの少なくとも一つを巻きつけた、積層体からなる炭素繊維強化プラスチックが形成された円柱状素材を成形した後、円柱状素材を切削加工し、ラック歯部を形成して得られるものであり、
且つ、前記ラック歯部は、少なくとも鋼製の芯金に形成されていることを特徴とする、ラックアンドピニオン式ステアリング装置用ラックであり、
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置用のラックにおいて、
前記鋼製の芯金はＨＲＣ３５以上の硬度を持つことを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１、請求項２に記載されたラックアンドピニオン式ステアリング装置用のラックにおいて、
前記鋼製の芯金の軸方向両端面に、雌ねじが形成されていることを特徴としている。
【００１０】
すなわち、ステアリング用ラックと成る円柱状素材を、一方向炭素繊維から成るプリプレグを鋼製の芯金に巻きつけることによって積層することによって形成した。このプリプレグはエポキシ樹脂に代表される熱硬化性樹脂を２２〜５０質量％、より好ましくは２５〜４０質量％含有している。熱硬化性樹脂の量が２２質量％を下回ると、繊維間に樹脂が十分にないため、プリプレグ同士の接着性が低下する或いはボイドの発生を抑制できない。また、５０質量％を超えると、繊維数が減少するため、強度や剛性の低下の原因と成る。
また、円柱状素材表面に切削加工を行い、ラック歯部を鋼製の芯金に形成することにより、ラック歯部に充分な強度を有することができる。
本発明で使用されるプリプレグは、炭素繊維が一方向に配向した一方向プリプレグの他、炭素繊維を織り込んだ織物プリプレグを用いることができる。
また、構成する炭素繊維は直径７〜１３μｍの範囲にあり、引張り強度が３〜８．５ＧＰａ、引張り弾性率が２２０〜７００ＧＰａ、伸度が１．０〜２．２％の範囲に入るものが望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は以上のような構成を有しており、従来の全鋼製のラックに対して同等以上の抗曲性や強度を有しつつ、大幅に軽量化できる。また、ラック歯部とラック軸方向端面の雌ねじ部は鋼製の芯金に形成される為、信頼性を確保できるという効果が有る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による第一の実施例を示す図である。
【図２】本発明による第二の実施例を示すものである。
【図３】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示すものである。
【図４】本発明の第一の実施例の歯部周辺の拡大斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図1に、本発明による第一の実施例を示す。
ラック１０は、芯金１１にプリプレグを巻きつけて積層し、炭素繊維強化プラスチック外殻１２を形成し、次に、炭素繊維強化プラスチック外殻１２の外径面を切削加工により所定の外径寸法に形成すると共に、炭素繊維強化プラスチック外殻１２の両端面で、芯金１１の軸方向端面よりもはみ出た部分を切削加工で削除し、さらに、切削加工により、芯金１１にラック歯部１３を形成することにより得られる。
また、芯金１１の軸方向両端面には雌ねじ１４、１５が形成される。
芯金１１は、ラック歯部１３と、雌ねじ１４、１５が形成される箇所以外の部分の径を小さくし、軸方向断面積における芯金１１の断面積の割合を少なく、炭素繊維強化プラスチック外殻１２の断面積の割合を多くすることで、強度を維持しつつ軽量化を行っている。
図４にラック歯部１３とその周辺の拡大斜視図を示す。ラック歯部１３は、切削加工により形成される。ラック歯部１３の歯幅方向中央部は芯金に形成され、歯幅方向両端部に炭素繊維強化プラスチック外殻１２が残っている。
【００１４】
図２に、本発明による第二の実施例を示す。
ラック２０は、芯金２１にプリプレグを巻きつけて積層し、炭素繊維強化プラスチック外殻２２を形成し、次に、炭素繊維強化プラスチック外殻２２の外径面を切削加工により所定の外径寸法に形成すると共に、炭素繊維強化プラスチック外殻２２の両端面で、芯金２１の軸方向端面よりもはみ出た部分を切削加工で削除し、さらに、切削加工により、芯金２１にラック歯部２３を形成することにより得られる。
また、芯金２１の軸方向両端面には雌ねじ２４、２５が形成される。
構成は実施例１と同様であるが、芯金２１のラック歯部２３と、雌ねじ２４、２５が形成される箇所以外の部分の径を小さくせず、強度の向上を重視した構成となっている。
その他の構成は、本発明による第一の実施例と同様である。
【００１５】
上記２つの実施例と、従来の全鋼製ラックについて、重量と耐久性の比較を行った結果を以下に示す。
第一の実施例、第二の実施例共に、芯金に熱硬化性樹脂量２５質量％のプリプレグを巻き付けて積層し、１３０℃で２時間保持して樹脂を硬化させた後、ラック歯部を切削加工により形成した。
比較例のラックは上記実施例のラックと同じ外形寸法の全鋼製ラックを用いた。
また、比較例のラック及び、第一、第二の実施例の芯金はＳ４５Ｃを冷間鍛造、熱処理したものを用いた。
耐久性の評価は、ラックを図３に示すようなラックアンドピニオン式パワーステアリングユニット３０のラックアンドピニオン機構４０のラック３６として組み込み、ラック端部３８、３９に不図示の負荷装置を、ステアリング軸３１に運転時の操舵を模擬した動作を行う為の不図示のモータを取り付け、所定の繰り返し数まで操舵動作を繰り返し、ラックアンドピニオン機構４０を繰り返し動作させることにより行った。
【００１６】
表１に、比較例のラックの重量、耐久性を１００とした時の、第一の実施例（実施例１）、第二の実施例（実施例２）のラックの重量、耐久性を比較した結果を示す。
【００１７】
表１に示すように、第一の実施例、第二の実施例によるラックは、比較例のラックに対して同等の耐久性を有しながら、大幅な軽量化が実現されている。
【００１８】
なお、本発明は、前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
【００１９】
（表１）
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【産業上の利用可能性】
【００２０】
コラムアシストタイプ及びピニオンアシストタイプのラックアンドピニオン式パワーステアリング装置用ラックとして利用できる。
【符号の説明】
【００２１】
１０    ラック（第一の実施例）
１１    芯金
１２    炭素繊維強化プラスチック外殻
１３    ラック歯部
１４    雌ねじ
１５    雌ねじ
２０    ラック（第二の実施例）
２１    芯金
２２    炭素繊維強化プラスチック外殻
２３    ラック歯部
２４    雌ねじ
２５    雌ねじ
３０    ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置
３１    ハンドル軸
３２    電動モータ
３５    ラックアンドピニオン機構
３６    ラック
３７    ピニオン
３８    ラック端部
３９    ラック端部
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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