(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電動パワー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にラック歯部１３を加工し、高周波焼入れを行った後にラック歯部１３を充填材で覆い、次いで芯材の外周面全体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１２が形成された棒状体を形成した後、切削加工により、芯金１１に形成されたラック歯部を露出させる。【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、前記ステアリング軸又は前記ピニオンに伝達されて前記操舵を補助する回転力を発生させる電動モータと、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に使用されるラックの製造方法であって、
前記ラックは、棒状鋼材からなる芯金の、軸方向の一部且つ径方向片側面に、切削加工又は塑性加工のいずれかによりラック歯を形成した後、少なくとも前記ラック歯部に高周波焼入処理を行い、
次いで、前記芯金のラック歯部の加工を行った部位を充填材で覆い、芯金の外径を棒状に形成した後、前記芯金の外径面全体に、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て積層体を形成し、前記積層体を硬化させて炭素繊維強化プラスチック層を形成して複合構造棒状体とし、
前記複合構造棒状体の、前記芯金のラック歯部が形成された部位の充填材及び炭素繊維強化プラスチック層を切削加工により除去し、前記芯金に形成されたラック歯部を露出させることにより製造されることを特徴とする、
ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置に使用されるラックの製造方法。
【請求項２】
請求項１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用のラックにおいて、
前記鋼製の芯金はＨＲＣ５０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電動パワー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電動パワー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電動パワーステアリング装置に関し、より詳細には、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倍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侵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。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、鉄系材料からなる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、鉄系材料を使っている限り、一定以上の強度を維持しつつ、更なる軽量化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かった。
そこで、本発明は、ラックを従来の鉄系材料並みの強度を維持し、鉄系材料を超える抗曲性を得ることの出来る、炭素繊維強化プラスチック及び鋼で形成することで、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、前記ステアリング軸又は前記ピニオンに伝達されて前記操舵を補助する回転力を発生させる電動モータと、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に使用されるラックの製造方法であって、
前記ラックは、棒状鋼材からなる芯金の、軸方向の一部且つ径方向片側面に、切削加工又は塑性加工のいずれかによりラック歯を形成した後、少なくとも前記ラック歯部に高周波焼入処理を行い、
次いで、前記芯金のラック歯部の加工を行った部位を充填材で覆い、芯金の外径を棒状に形成した後、前記芯金の外径面全体に、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て積層体を形成し、前記積層体を硬化させて炭素繊維強化プラスチック層を形成して複合構造円柱材とし、
前記複合構造棒状体の、前記芯金のラック歯部が形成された部位の充填材及び炭素繊維強化プラスチック層を切削加工により除去し、前記芯金に形成されたラック歯部を露出させることにより製造されることを特徴としている。
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電動パワー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ＨＲＣ５０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電動パワー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。
前記芯金は、棒鋼材にラック歯部を形成した後、高周波熱処理を施して得られる。
その後、ラック歯部を覆うように充填材が塗布される。充填材には、例えばエポキシ樹脂やフェノール樹脂に代表される熱硬化性樹脂からなる接着剤を用いるのが好ましい。上記に挙げた材質の他にも、例えば石膏等の、芯金との密着性が良く、硬化後に変形しにくく、１３０℃以上の耐熱性を有する材質であれば使用が可能である。
前記複合構造棒状体は、一方向炭素繊維から成るプリプレグを前記芯金に巻きつけて積層することにより、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重量％、より好ましくは２５〜４０重量％含有している。熱硬化性樹脂の量が２２重量％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重量％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。
その後、複合構造棒状体の芯金に形成されたラック歯部を覆う充填材と炭素繊維プラスチックを切削加工により除去してラック歯部を露出させる。
これにより、ラック歯部の強度を十分に確保し、ラック歯部以外の部位を炭素繊維強化プラスチックとして軽量化を行ったラックが得られる。
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】
【００１０】
本発明は以上のような構成を有しており、従来の鋼製ラックに対して同等以上の抗曲性を有しつつ、大幅に軽量できる。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】
【００１１】
【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】本発明による第一の実施例の工程を示す図である。（表１）第一の実施例、第二の実施例、によるラックと、比較例によるラックとの重量及び耐久性の比較結果を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１及び図４に、本発明による第一の実施例を示す。
図４の（ａ）において、鋼製の芯金１１に切削加工又は塑性加工の何れかによりラック歯部１３が形成される。また、芯金の軸方向両端には雌ネジ１４、１５が形成される。ラック歯部１３は高周波焼入れによって硬度をＨＲＣ５０以上に硬化される。
次いで、図４の（ｂ）において、次工程で芯金１１の表面にプリプレグを巻く際、ラック歯部１３でプリプレグの巻き方が不均一になるのを防ぐ為、ラック歯部１３をエポキシ樹脂からなる充填材１６で覆う。
そして図４の（ｃ）で、芯金１１の表面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の外殻１２を形成する。その後、切削加工によりラック歯部１３を覆う充填材１６及び炭素繊維強化プラスチック外殻１２の一部を除去し、ラック歯部１３を露出させる。
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鋼製芯金１１の断面積の割合を少なく、炭素繊維強化プラスチックの断面積の割合を多くすることで、軽量化を行っている。
【００１３】
図２に、本発明による第二の実施例を示す。
ラック２０は、鋼製芯金２１に切削加工又は塑性加工の何れかによりラック歯部１３が形成される。また、芯金の軸方向両端には雌ネジ１４、１５が形成される。ラック歯部１３は高周波焼入れによって硬度をＨＲＣ５０以上に硬化される。その後、ラック歯部をエポキシ樹脂からなる充填材で覆い、芯金表面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の外殻２２を形成する。その後、切削加工によりラック歯部２３を覆う充填材及び炭素繊維強化プラスチックを除去し、ラック歯部２３を露出させる。
構成は実施例１と同様であるが、鋼製芯金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、強度を重視した構成となっている。
【００１４】
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、鋼製芯金に切削加工にてラック歯を形成後、高周波焼入れし、硬度をＨＲＣ５０以上とした。その後、ラック歯部をエポキシ樹脂系充填材で覆い、外形をラック歯部の形成前と同様の形状にした。この芯金に熱硬化性樹脂量２５ｗｔ％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て炭素繊維強化プラスチック外殻を形成後、ラック歯部が形成されている部位の充填材及び炭素繊維プラスチック外殻を切削加工により除去し、ラック歯部を露出させた。
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ものを用いた。
また、比較用ラック及び、第一、第二の実施例の鋼製芯金は（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３５に組み込み（図３の３６）、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３５を繰り返し動作させることにより行う。
【００１５】
表１に、比較例の重量、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）の重量、耐久性を比較結果を示す。
【００１６】
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。
（表１）
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【産業上の利用可能性】
【００１７】
ラックアンドピニオン式電動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】
【００１８】
１０    ラック（第一の実施例）
１１    鋼製芯金
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
１６    充填材
２０    ラック（第二の実施例）
２１    鋼製芯金
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３】
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【図４】
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