(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車用操舵装置等に用いられる中空ラック軸において、
この中空ラック軸の中空内面には、ラック歯の歯面に沿った凹凸形状が設けられており、
ラック歯付け根の点とラック歯内面におけるラック歯底部中央直下の点とを結ぶ長さが、ラック歯付け根とラック部内面の凹凸形状の凹部中央と結ぶ線の長さとが実質的にほぼ同等であって、
上記凹凸形状の凹部を形成するカーブは、上記長さを半径とする円が、上記凹凸形状の凸部の平坦部をなす線と交差する２つの点のうちの一方の点の近傍において、この線と滑らかに接続して始まり、この点からラック歯歯頂部の中央直下の内面の点に至るまでの間のほぼ直線状をなす中間部において上記ラック歯付け根の点を中心とする円に接するカーブであることにより、上記凹凸形状が負荷時にラック歯の歯部にかかる応力が実質的に均一になる歯部の厚さを形成すること
を特徴とする中空ラック軸。
【請求項２】
請求項１に記載された中空ラック軸において、
ラック歯付け根の点とラック歯内面におけるラック歯底部中央直下の点とを結ぶ長さが、ラック歯付け根とラック部内面の凹凸形状の凹部中央とを結ぶ線の長さの０．９倍から１．１倍の範囲に入ること
を特徴とする中空ラック軸。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は中空ラック軸、特に自動車に使用されるステアリング装置用中空ラック軸に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のステアリング装置には、ラックピニオン方式が多用される。この方式ではドライバーが操作したステアリングホイールの回転はピニオンに伝達される。このピニオンの回転がこれに噛み合うラックに伝達され、横方向（ラックの長さ方向）の運動に変換される。ラックはステアリングロッドに結合されているので、横方向運動によって前車輪の向きが変更される。このような操舵機構は周知のものであるから更なる説明は省略する。
【０００３】
従来、ラック軸は棒鋼から切削によって作成されていたが、近年軽量化の要求に応えるため、鋼管を材料として中心部に軸方向孔を有するラック軸が製造されるようになってきた。
【０００４】
特開平５−３４５２３１号公報はこのような中空ラック軸の製造方法の一例を示している。この公報の製造方法では、ラック歯は切削により形成され、切削可能な肉厚を有する鋼管の一部をラック歯切削高さまで平坦状に塑性加工した後、その平坦部にラック歯が切削される。
【０００５】
また、特開平６−２４６３７９号公報には、別な製造方法が示されている。この製造方法では、中空ラック軸のラック歯は塑性加工により形成される。すなわち、第一成形割り型にチューブ材（鋼管）を挿入し、プレス型により一次成形を行い、次いで内面の一部にラック歯に対応する歯を有する第二次成形割り型に一次成形材を挿入し、一端から半円形のマンドレルを圧入し、ラック歯が成形される。
【０００６】
後者の製造方法では、前者のようにラック歯が切削加工されないので、ラック歯のメタルフローが分断されることがなく、ラック歯の強度を向上するというメリットがある。
【０００７】
図８は、上記特開平６−２４６３７９号公報開示の製造方法によって得られるラック歯の断面を示している。かかる従来の工法で得られた中空ラック軸は、図８に示すようにラック歯内面（ラック歯の裏面）が平坦形状となっている。この従来の形状の中空ラック軸は、板厚の薄い部分と厚い部分があるため、その使用時、例えばステアリング操舵時において、ラック部内面の応力分布が後述するように不均一となる。そのため板厚が薄い部分の応力が高くなり、そこからクラック（ひび割れ）が入るなどの強度的な問題があった。
【０００８】
また、このようなラック歯内面形状が平坦形状である中空ラック軸において十分な強度を確保しようとする場合には、ラック歯底部の板厚を厚くしなければならず、それに伴い他の部分に余分な駄肉を付けることになり、重量が増大するため十分な軽量効果が得られないという欠点があった。
【０００９】
特開平１１−１８０３１８号公報には、本発明の発明者の一人である大久保によりなされた中空ラック軸の製造方法が開示されている。この製造方法は、略短冊状の板材の略中央部分に、ラック歯を塑性加工（プレスフォーミング）によって成形し、または、略短冊状の板材の長手中心に沿って半円形断面を有するＵ字状に曲げたあと、半円形状部分の中央近辺に塑性加工によりラック歯を成形し、その後残部の板部を曲げてチューブ状にしてラック軸を形成するものである。
【００１０】
この公報に開示の製造方法によれば、ラック歯の裏面には、ラック歯（のおもて面）に対応する凹凸が形成され、結果的に、上に説明した応力の集中がある程度緩和されるが、応力集中を回避するという観点から、ラック歯裏面にどのような凹凸を付ければ最適だろうかという点についてまではこの公報は開示していない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記特開平１１−１８０３１８号公報に開示の発明を更に発展させ、中空ラック軸において上述の応力集中の回避を最適に行うことができる形状を与えることを課題とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の中空ラック軸は、以下のような構成を有する。すなわち、
第１番目の発明では、自動車用操舵装置等に用いられる中空ラック軸において、この中空ラック軸の中空内面には、ラック歯の歯面に沿った凹凸形状が設けられており、ラック歯付け根の点とラック歯内面におけるラック歯底部中央直下の点とを結ぶ長さが、ラック歯付け根とラック部内面の凹凸形状の凹部中央と結ぶ線の長さとが実質的にほぼ同等であって、上記凹凸形状の凹部を形成するカーブは、上記長さを半径とする円が、上記凹凸形状の凸部の平坦部をなす線と交差する２つの点のうちの一方の点の近傍において、この線と滑らかに接続して始まり、この点からラック歯歯頂部の中央直下の内面の点に至るまでの間のほぼ直線状をなす中間部において上記ラック歯付け根の点を中心とする円に接するカーブであることにより、上記凹凸形状は、負荷時にラック歯の歯部にかかる応力が実質的に均一になる歯部の厚さを形成する凹凸形状となっている。
【００１３】
【００１４】
更に、第２番目の発明では、第１番目の発明の中空ラック軸において、ラック歯付け根の点とラック歯内面におけるラック歯底部中央直下の点とを結ぶ長さが、ラック歯付け根とラック部内面の凹凸形状の凹部中央とを結ぶ線の長さの０．９倍から１．１倍の範囲に入るようにされている。
【００１５】
この構成により、これらの発明は、ラック軸を中空にすることによる軽量効果を損なうことなく、ラック歯部全体に分布する応力の変化を低減することができ、また、従来形状の中空ラック軸と比較して、いたずらに素材板厚を増やすことなく、ラック部の耐久性を向上させることができるという効果を奏する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図９を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明と従来の中空ラック軸１の全体を示す全体図である。図８は、従来の中空ラック軸１におけるラック歯内面（裏面）を表す断面図であって、（ａ）はその含軸断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。図９は図８（ａ）における従来の中空ラック軸１におけるラック歯部２の拡大図である。
【００１８】
以下、ラック歯付け根部（ラック歯歯底の端部）の点をＸ、中空ラック軸の中空内面の各点であって、ラック歯の付け根部の点Ｘの直下の点をａ、ラック歯歯頂部の中心の直下の点をｂ、ラック歯歯底部の中心の直下の点をｃ、ラック歯歯底での板厚をｔとし、サフィックスはそれが後述のどの例における点を示すかを示す（なお、サフィックスの１は従来のものとしての比較例、サフィックス２は本発明の実施例、サフィックスの３は過剰な肉の移動を行ったときの比較例を示す。他の記号に付されたサフィックスについても同様とする。）。
【００１９】
従来の中空ラック軸１においては、ラックの使用によりラック歯部２に負荷がかかる時、すなわちラック歯の噛み合い面であるｆに荷重Ｆが働いた場合、ラック外面の最大応力点はラック歯の付け根部の点Ｘとなる。この点における応力をσＸとする。なお、この最大応力点の場所は中空ラック軸の製法を問わず、ラック歯の付け根となる。
【００２０】
従来の中空ラック軸においては、点ａ１における応力をσａ１、点ｂ１における応力をσｂ１、点ｃ１における応力をσｃ１とすると、３点における応力はσｃ１＞σａ１＞σｂ１となる。つまり従来の形状の中空ラック軸１では、ラック歯部２の裏面において、最も応力が高い点ｃ１が最弱部ということになる。これは点ｃ１での板厚ｔ１が薄いために、この点の応力が高くなったためと考えられる。
【００２１】
応力というのはある点における単位面積当たりに働く力であり、ある点における応力を下げるためにはその付近全体の材料の量すなわち肉を増やせばよい。よって、本発明では、強度に寄与しない応力の低い部分の肉を応力の高い部分に移動させて、強度の向上が図られる。具体的には図９における点ｂ１付近の肉（材料）を点ｃ１および点ａ１付近にバランス良く移動する。
【００２２】
図２は、本発明実施例の中空ラック軸１のラック歯部２を拡大した拡大断面図である。本発明では、図２のように、従来例（図９）の板厚ｔ１をｔ２のように厚くすることで、応力σＸ１および応力σｃ１の値を下げ、点ｃ１および点ａ１の近傍における強度の向上を図ろうとするものである。
【００２３】
図２に示されるようにラック歯部は凹凸形状を示しており、従来例で説明したように噛み合い面に荷重Ｆが働いた場合、ラック外面の最大応力点は点Ｘ２に現れる。この点における応力をσＸ２とする。
【００２４】
ラック外面における点Ｘ２から、前記点ａ２、点ｂ２、点ｃ２までの距離をそれぞれΔａ２、Δｂ２、Δｃ２とすると、本発明で提案する凹凸形状は、
Δｂ２≒Δｃ２
とするものである。ただし、ここで、板厚に関しｔ２＞ｔ１  を前提とし、更に、上記凹凸形状の凹部を形成するカーブが、図７に示されるように、点Ｘと点ｂ２までの距離Δｂを半径とする円（上に述べたことから、点ｃかその近傍を通る）と上記凹凸形状の凸面（下の面）の平坦部をなす線Ｈとが交差する点ｇ近傍において線Ｈと滑らかに接続して始まり、点ｇから点ｂ２に至るまでの間のほぼ直線部において半径ΔＴの円と接する滑らかなカーブである。
【００２５】
前記点ａ２、点ｂ２、点ｃ２における応力をσａ２、σｂ２およびσｃ２とすると、上記条件を満足することにより、従来の形状と比較して応力状態は、
σＸ２＜σＸ１  および
σａ２≒σｂ２≒σｃ２＜σｃ１
を達成する。
【００２６】
これは従来の形状での最弱部ｃ１における板厚ｔ１を、ｂ１付近の肉を移動させることにより、本発明による形状ではｔ２と厚くしたためである。
【００２７】
本発明における特徴は、ラック歯底部での板厚ｔ２と、ラック部内面の凹部のΔｂ２を意図的にほぼ同等にし、ラック部内面における応力差を少なくし応力を均一に近くなるようにしたことである。
【００２８】
具体的な外形寸法の一例は図３に記したとおりであって改めてここに記載しない（単位はｍｍ）。
【００２９】
先に示めした従来の製造方法により、外径φ２７ｍｍ、板厚３ｍｍのチューブ材より、図９に示されるような形状のラック歯を形成した場合、図９の板厚ｔ１はｔ１＝１．５２ｍｍとなる。
【００３０】
図４は前記寸法の従来の形状の中空ラック軸使用時、すなわちステアリング操舵時に、ラック歯噛み合い面ｆに荷重Ｆ（＝３ｋｇｆ／ｍｍ２）が働いた場合について解析により求めた応力分布を示す応力分布図である。ここで４は応力分布線であって、一つの応力分布線４上の点は互いに等しい応力が発生していることを示しており、応力分布線４が密集した箇所ほど高い応力がかかっていることを示している（他の図でも同様である）。
【００３１】
このとき、ラック部外面側ではラック歯付け根部（図４中の点Ｘ１）に最大応力１０．２ｋｇｆ／ｍｍ２が働く。また、ラック部内面側では点ｃ１に最大応力４．６７ｋｇｆ／ｍｍ２が働く。また、点ｂ１付近の応力は１．４５ｋｇｆ／ｍｍ２であり、ｃ１と比較して低くなっているので、点ｂ１付近の肉は強度に寄与することが少ない駄肉である。
【００３２】
そこで、駄肉の多い点ｂ１付近の肉（材料）を応力の高い他の部分、点ａ１，点ｃ１近傍に配分してラック歯内面３を本発明の実施例である図２に示されるような凹凸形状とした。なお、このときの各寸法はΔａ２＝１．８０ｍｍ、Δｂ２＝１．８３ｍｍ、Δｃ２＝１．８３ｍｍ、ｔ２＝１．８０ｍｍである。
【００３３】
図５は前記の本発明の実施例の形状に関して、図４と同様の解析を行った場合の解析結果である。この図に示すように、本発明の形状の中空ラック軸において、ラック部外面側ではラック歯付け根部（図中の点Ｘ２）に最大応力８．０ｋｇｆ／ｍｍ２が、また、ラック部内面側では点ｂ２に最大応力３．６２ｋｇｆ／ｍｍ２が働く。
【００３４】
図４および図５の結果を比較すると従来の形状における最大応力１０．２ｋｇｆ／ｍｍ２が本発明実施例の形状では８．０ｋｇｆ／ｍｍ２となり、２０％程度低下しており、おおよそ２０％程度の強度の向上が認められることがわかる。
【００３５】
図６は駄肉の移動を更に多くした場合（この例では、Δａ３＝２．５０ｍｍ、Δｂ３＝１．７８ｍｍ、Δｃ３＝２．６４ｍｍ、ｔ３＝２．５０ｍｍ）のラック歯にかかる応力分布を示す。この例は過剰な肉の移動によって、図５のような滑らかな応力分布が得られなくなったものである。これまでの例ではみられない応力集中点ｄ３（最大応力６．５３Ｋｇｆ／ｍｍ２）が点ａ３と点ｂ３の間に出現し、また、ラック歯付け根部の点Ｘ３における最大応力１０．９Ｋｇｆ／ｍｍ２が働き、等応力線の密度も高まり応力の集中が再び高まっているので、これは適切なものとはいえない。このような現象はΔｃがΔｂの０．９倍より下回ると発生しやすいことがわかった。
【００３６】
以上述べたように、中空ラック軸において同一の材料から同一のラック歯を形成する場合でも、ラック部内面の形状により応力分布に差違が生じることがわかる。
【００３７】
種々の試行の結果、ΔｃとΔｂの関係が
０．９＊Δｂ  ＝＜  Δｃ  ＝＜  １．１＊Δｂ
の範囲にあるとき、歯底直下の点ｃに応力が集中せず、且つ歯頂部の裏面の凹部側面に上記新たな応力集中点ｄが現れないことがわかった。
【００３８】
そして、この応力分布の比較から、その内面の形状は従来に比して本発明により提供される形状が応力集中が軽減されていることがわかる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、以上に述べたように、ある板厚の材料を使用して中空ラック軸を形成する際に、その材料がラック部内面の応力が均一に近くなるように、バランス良く配置されるため、
イ  中空とすることによる軽量効果を損なうことなく、ラック歯部の応力を低減できる、
ロ  従来形状の中空ラック軸と比較して、素材板厚を増やすことなく、ラック部の耐久性を向上させることができる、
という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明、及び、従来の中空ラック軸１の全体を示す全体図である。
【図２】  本発明実施例の中空ラック軸１のラック歯部２を拡大した拡大断面図である。
【図３】  ラック歯部の具体的な外形寸法の一例を示す説明図である。
【図４】  従来の形状の中空ラック軸において、ラック歯噛み合い面に荷重Ｆが働いた場合の応力分布を示す応力分布図である。
【図５】  本発明実施例の形状の中空ラック軸において、ラック歯噛み合い面に荷重Ｆが働いた場合の応力分布を示す応力分布図である。
【図６】  過剰な肉の移動をした中空ラック軸において、ラック歯噛み合い面に荷重Ｆが働いた場合の応力分布を示す応力分布図である。
【図７】  ラック歯裏面の凹凸形状を説明するための説明図である。
【図８】  従来の中空ラック軸１におけるラック歯内面（裏面）を表す断面図であって、（ａ）はその含軸断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
【図９】  図８（ａ）における従来のラック軸１におけるラック歯部２の拡大図である。
【符号の説明】
１  中空ラック軸
２  ラック歯部
３  ラック歯内面
ｆ  噛み合い面
Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３  ラック部外面におけるラック歯付け根部の点（最大応力点）
ａ１、ａ２、ａ３  ラック部内面におけるラック歯付け根部の直下の点
ｂ１、ｂ２、ｂ３  ラック部内面におけるラック歯歯頂部中心直下の点
ｃ１、ｃ２、ｃ３  ラック部内面におけるラック歯底部の中点の直下の点
ｄ３  点ａ３と点ｂ３の間にできた新たな応力集中点
ｔ１、ｔ２、ｔ３  ラック歯底部の板厚
△ａ１〜３  点Ｘ１〜３と点ａ１〜３との距離
△ｂ１〜３  点Ｘ１〜３と点ｂ１〜３との距離
△ｃ１〜３  点Ｘ１〜３と点ｃ１〜３との距離
【図１】
0003835119.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0003835119.tif 000010