(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向の中央部にラック歯を、また、両端近傍に円筒部を有するとともに、その軸の内部に長さ方向に沿った中空孔を有するステアリング装置用の中空ラック軸を製造する中空ラック軸製造方法であって、
後にラック歯が形成される部分の幅が幅広に形成された略短冊状の板材を、その長さ方向に沿って折り曲げるに際し、両側壁をつなげる底部分を、長手方向両端近傍においては半円形部を有するＵ字状に、また、この間においては、このＵ字状に形成される部分の半円の直径よりも幅が大きいコの字状に形成する第１の工程と、
上記第１の工程を経たものに対し、上記コの字状底部分の底部の材料とその側壁の材料の一部を塑性流動させることにより、表側にラック歯と裏側に表側の歯面の形状を倣う形状とを形成する第２の工程と、
上記第２の工程を経たものを、その両側壁を曲げて縁部を突き合わせることにより、中空状内面を有するチューブ状に形成する第３の工程と、
上記第３の工程において突き合わされた両側壁の縁部を、その一部又は全部にわたり互いに溶接する第４の工程と、をこの順番で行うこと
を特徴とする中空ラック軸製造方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は中空ラック軸に関し、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ィ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】
上記ラックは棒状の素材を歯切りすることによって得られていたが、近年ではラックの製造において切削加工をできるだけ廃するため可能な限り塑性加工の技術が取り入れられ、また、これに伴いラックが中空とされるようになってきている。特開平６−２４６３７９号公報、特公平４−２８５８２号公報、及び、特開平１１−１８０３１８号公報は、このような塑性加工技術を取り入れたラック製造方法の例が開示されている。
【０００４】
特開平６−２４６３７９号公報に開示された製造方法は、第一成形割り型にチューブ材を挿入し、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、ラック歯を成形するものである。
【０００５】
また、特公平４−２８５８２号公報に開示された製造方法は、チューブ材の内部に心金を挿入し、チューブ周りを固定金型で取り囲んだ状態で、ラック歯に対応する歯を有する金型をチューブ外形に押し込んでラック歯を成形するものである。
【０００６】
また、特開平１１−１８０３１８号公報に開示された製造方法は、本発明の発明者の一人である大久保によりなされたものであって、略短冊状の板材の略中央部分に、ラック歯を塑性加工によって成形し、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が形成されるものである。はじめの２つの公報では、チューブ材が原材料として使用されているが、この技術ではチューブ材は使用せず板材を使用しているので、材料費、運搬費、保管の費用の点で有利なだけでなく、歯底部の肉厚を確保するために他の部分に駄肉を付ける必要がなく、十分な軽量効果が得られるというメリットがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
自動車用ステアリングのラック（ラック軸）は近年、燃費向上のため軽量化及びコンパクト化が求められている。ラック軸にはコンパクトであってもより大きい負荷容量を有するものが要求されている。この要求はラック軸の大きさは変えずに、ラックの歯幅のみをできるだけ大きくすることによりかなえられる。つまり、歯幅のみを大きくすることにより、ラックにかかる負荷容量を大きくできるにもかかわらず、全体が大きくならないで済むはずである。
【０００８】
しかしながら、従来の方法ではチューブ材を使用するため、原理的に歯幅の大きさがチューブ材（素材）の外周を横切る弦の大きさを超えるように製作することは実質的に不可能であった。
【０００９】
上記特開平６−２４６３７９号公報の方法においては、ラック歯に対応する金型にマンドレルの作用により材料を押し込んでゆく際、狭いチューブの内面に細いマンドレルを圧入するという方法になってしまうため、マンドレルの大きさが制限されラックの歯幅の大きいものは成形できない。
【００１０】
また、特公平４−２８５８２号公報に示される方法では、ラック歯に対応する歯を持った金型をチューブ外形に押し込んで鍛造する際に、ワークが中心軸方向に据え込まれる加工であるため歯幅を大きくすることはほとんど不可能である。
【００１１】
そして、これらの方法においては、ラック歯の裏面は平坦な形状になるため、必然的に歯底部の肉厚が薄くなり、この部分が弱くなるという欠点があった。歯底の肉厚を確保しようとするとそのほかの部分に駄肉を付けることになり、十分な軽量効果が得られないという欠点があった。
【００１２】
本発明は、特開平１１−１８０３１８号公報に開示の技術をさらに発展させたものであって、上述のような欠点を解決し、小さいサイズのチューブ部を有し、なおかつ歯幅の広いラック部を有する強度の高い中空ラック軸を提供することを課題とする。
【００１３】
更に本発明は、ラック部の裏面にラックに沿った凹凸を有し、強度の高い中空ラック軸を提供することを課題とするものである。
【００１４】
また、更に本発明はこのような中空ラック軸を製造するための製造方法を提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題は以下に示すような解決手段により解決される。
【００１６】
【００１７】
本発明は、軸方向の中央部にラック歯を、また、両端近傍に円筒部を有するとともに、その軸の内部に長さ方向に沿った中空孔を有するステアリング装置用の中空ラック軸を製造する中空ラック軸製造方法であって、後にラック歯が形成される部分の幅が幅広に形成された略短冊状の板材を、その長さ方向に沿って折り曲げるに際し、両側壁をつなげる底部分を、長手方向両端近傍においては半円形部を有するＵ字状に、また、この間においては、このＵ字状に形成される部分の半円の直径よりも幅が大きいコの字状に形成する第１の工程と、上記第１の工程を経たものに対し、上記コの字状底部分の底部の材料とその側壁の材料の一部を塑性流動させることにより、表側にラック歯と裏側に表側の歯面の形状を倣う形状とを形成する第２の工程と、上記第２の工程を経たものを、その両側壁を曲げて縁部を突き合わせることにより、中空状内面を有するチューブ状に形成する第３の工程と、上記第３の工程において突き合わされた両側壁の縁部を、その一部又は全部にわたり互いに溶接する第４の工程と、をこの順番で行うことを特徴とする中空ラック軸製造方法である。
【００１８】
【００１９】
【００２０】
上記のように構成することにより、これらの発明は、以下のような優れた点を有する。
【００２１】
歯幅の大きさをチューブ外周を横切る弦の長さより大きくとることができるので、歯部の負荷を大きくすることができる。歯形を表裏とも凹凸に成形可能であり、歯底部が薄くならないし、歯部の板厚を比較的自由に設定できる。板材を使用するため製造コストを低減できる。チューブの突き合わせ部は溶接が任意に設定でき、必要な部分のみ溶接を行うことができる。表裏金型を使用するためラック歯の形状の選択が自由にでき、所望の歯形状に見合った金型を自由に選択できるので、ＶＧＲのような歯形にも対応することができる。金型は表裏とも十分な強度を付与できるように設計可能である。歯部は全面同時成形のほか、転造や揺動鍛造などの各種成形方法を選択できる。チューブ状にした後、軸の曲がり矯正を施して真直度を出すことが可能である。
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下図１〜図６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。
【００２５】
図１は本発明の一実施の形態に使用される素材を示し、（ａ）は素材の正面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図を示す。
【００２６】
図１（ａ）に示すように、中空ラック軸は、略短冊状の板状素材（板材）１を用いて製造される。この略短冊状の板材はコイル状素材などからプレス打ち抜きやレーザーカット等により切り出される。材質は浸炭焼入れ可能なＳＣｒ、ＳＣＭなど、または高周波焼入れに適した炭素鋼等が使用される。なお、この板材は図１（ａ）の矢印部Ｘ，Ｘにおいて板幅が広くなっている。この板幅の広い部分１ａはラック歯を形成する領域（範囲）であり、後述するように完成したラック軸のラック歯歯幅を広くすることが可能なように、ボリュームを考慮してバランスを保つために板幅を広くしている。
【００２７】
図２は上記素材１が以下の第１の工程で成形された状態を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図、（ｃ）は（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図、（ｄ）は（ａ）の下面図（下から見た図）を表す。
【００２８】
第１の工程の成形は図１に示す板材１をプレスなどにより曲げ加工することにより行われる。図２から分かるように、後にラック歯を形成しない部分１ｂは図２（ｃ）のようにＵ字型断面になっており、上半分が半円形に成形されているのに対し、ラック歯に対応する部分１ｃは図２（ｂ）に示すようにコの字状の形状になっており、上面に平坦部を有する形状になっている。
【００２９】
さらに図２（ｄ）に示すように、ラック歯に対応する部分の側壁１ｅ間の幅は、図２（ｄ）の矢印部Ｙ、Ｙにおける幅Ａが、後にラック歯を形成しない部分の幅Ｂより広くなっている。この曲げ幅の広い部分はラック歯の歯幅を広くとるために大きめ（Ａ＞Ｂ）に設定されている。
【００３０】
第１の工程は、通常のプレス曲げ成形で一遍に行うことも可能であるし、設備の都合により分割して行うことも可能である。曲げ加工としては特別な加工技術を利用することなく、ごく普通の加工技術で対応することができる。
【００３１】
図３は、以下の第２工程を経てラック歯が成形された状態を示しており、（ａ）はラック歯成形後の正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＶ−ＩＶ断面図を示す。
【００３２】
第２工程は特開平１１−１８０３１８号公報と近似しているが以下の点で異なる。この工程においてラック歯を成形するために使用される上型と下型については、それぞれ、その歯幅が、完成品の歯幅に匹敵するだけの広い歯幅を有する金型が使用される。また、図２（ａ）の幅広部を構成する側壁１ｅは図３のラック歯１ｄの形成過程でラック歯を形成しない部分１ｂの半円の直径と等しい幅に変形されている。これは、成型時に側壁１ｅをなす材料の一部がラック歯１ｄの部分に流動して、材料を補ったからである。
【００３３】
すなわち、この第２工程においてラック歯は、ラック歯に相当する広い歯幅を持つ上型と、上型の凹凸に対応する凹凸を持つ広幅の下型を用いて、第１工程で加工されたワークを上型、下型の間に挟み込んでこれらを接近させて押し込み成形が行なわれる。このとき元の側壁１ｅの材料の一部がラック歯の部分１ｄに移動する。これにより各金型の凹凸がワーク（第１の工程を経た板材）に転写される。この工程では、使用される金型の組み合わせを徐々に変え、最終的に図３に示される形状を得るように多段の工程を含むようにすることも可能である。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、ラック歯の断面形状は表側の歯面の形状に倣うように裏面までもが下型によって凹凸に成形されている。さらに図３（ｂ）に示すように、ラック歯の歯幅Ｄは、後の工程で形成されるラック軸の両端部近傍のチューブ状部分の外形を横切る弦の長さＣより大きくされている（図５参照）。すなわち、ラック歯の各歯底を含む平面がラック軸両端近傍の円筒状部分（後の第３の工程で形成される）の外形円と交差して形成される弦よりも、ラック歯の歯幅が大きくされている。
【００３５】
このようにすることが可能な理由は、第１の工程を経たワーク形状がコの字状なっており、図３のように下方が開口していること、およびこのため、ラックの裏側成形型（下型）を側壁に干渉されずにワークの歯面に対し垂直に押し込むことができるからである。
【００３６】
さらに、材料にチューブ材を使用するときのような上下方向でのスペースの制限がないため、表裏成形金型（上型と下型）に十分な強度を与えることができるというメリットがある。また、歯成形部以外は、拘束度合いを軽くでき、形状が単純であるため、金型構造を単純にでき、ワークの保持精度を良好に保つことができる。
【００３７】
ラック歯成形のためには、金型自体にラック歯に対応する形状を彫り込む必要があるが、本実施の形態ではワークの下方が開口している形状であるため十分なスペースをとることができることから、金型の構造を比較的自由に設計することが可能なため、金型寿命が長いものとすることができる。
【００３８】
例えばラック歯に対応する歯については割れを防止するために、分割した金型にすることも可能である。裏面の金型については、製品のラック形状が出やすいように凹凸を任意に設定することができるという利点もある。
【００３９】
さらにラック成形は総型により全歯同時成形で加工することが可能である。他の方法として、部分的に順次ラック歯を成形することも可能である。例えば上下にラック歯に対応する凹凸を持ったロールを配置し転がしながら成形する方法（転造成形）も可能であるし、上下の型を揺動させながら成形する方法（揺動鍛造）でも可能である。このように、第２工程におけるラック歯の成形は様々の方法が採用可能であり、本発明では、以上のようにラック歯の成形には特定の方法に限定されることなく適宜の加工方法が採用可能である。
【００４０】
更に本発明は、ＶＧＲ（可変変速比）のラック軸の製造についても適用可能である。ＶＧＲの場合、ラック歯の形状が軸心方向に変化しており、歯部の体積も軸心方向に変化している。従って従来の方法によれば、歯部の体積の異なるものを成形するとき、体積の小さい部分では余肉が発生し、体積の大きい部分では欠肉が生じるという現象が起こり、成形困難であったが、本発明によると、裏面の金型で体積の調整が出来るため、ＶＧＲ歯形でも何ら差し支えなく成形できる。
【００４１】
図４は第３工程を経た状態を示す図であり、それぞれ（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ断面図、（ｃ）は（ａ）のＶＩ−ＶＩ断面図を表す。
【００４２】
第３工程ではＵ字型およびコの字型の断面の開口部を曲げて、チューブ状に成形する。この際ラック歯を有する部分の背面部は円弧状に曲げられ、その円弧の大きさはラック歯を有しないチューブ部の円弧の大きさ（チューブの半径）と同一になるように曲げる。チューブ状に曲げられた突き合わせ部Ｅ、Ｆ部はぴったりくっつくようにあらかじめ素材の板幅を調整しておく。チューブの突き合わせ部Ｅ、Ｆをレーザー溶接等の結合方法を用いて突き合わせに沿って一部又は全部を結合すれば、完成した中空ラック軸１０（図６）の強度を大幅に強化することができる。
【００４３】
このようにして得られた中空ラック軸１０は、上述のように必要に応じて突き合わせ部Ｅ、Ｆを溶接した後、ラック部以外の切削加工が行われる。後加工において、ラック部およびその他の部分の浸炭焼き入れまたは高周波焼き入れにより必要な強度を付与した後、軸部を研削にて仕上げて製品になる。なお、途中工程で適宜必要に応じて曲がり直し矯正を行うことを妨げない。
【００４４】
図６にはこのようにして製造された中空ラック軸１０を示す。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は、以上に述べた通り製造されるため、以下に示すような効果があり、安価で且つ性能の良い中空ラック軸、特にステアリング装置用中空ラック軸を容易に製造することができる。
【００４６】
（１）歯幅の大きさをチューブ外周を横切る弦の長さより大きくすることができるので、歯部の負荷容量が大きくなる。
【００４７】
（２）歯形を表裏とも凹凸に成形可能であり、歯底部が薄くならないし、歯部の板厚を比較的自由に設定できる。
【００４８】
（３）板材を使用するため製造コストを低減できる。
【００４９】
（４）チューブの突き合わせ部は溶接が任意に設定でき、必要な部分のみ溶接を行うことが出来る。
【００５０】
（５）表裏金型を使用するためラック歯の形状の選択が自由にでき、所望の歯形状に見合った金型を自由に選択できるので、ＶＧＲのような歯形にも対応できる。
【００５１】
（６）金型は表裏とも十分な強度を付与できる。
【００５２】
（７）歯部は全面同時成形のほか、転造や揺動鍛造などの各種成形方法を選択できる。
【００５３】
（８）チューブ状にした後、軸の曲がり矯正を施して真直度を出すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明において使用される素材１の一例を説明するものであって、それぞれ（ａ）は素材の正面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
【図２】  上記素材１が第１工程で成形された状態を示しており、それぞれ（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図、（ｃ）は（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図、（ｄ）は（ａ）の下面図である。
【図３】  第２工程を経た素材形状を示しており、それぞれ（ａ）はラック成形後の正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図４】  第３工程を経た素材形状を示す図であり、それぞれ（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ断面図、（ｃ）は（ａ）のＶＩ−ＶＩ断面図である。
【図５】  図４（ｂ）の拡大図である。
【図６】  製造された中空ラック軸の斜視図である。
【符号の説明】
１  板状素材
１ａ  板状素材１の板幅の広い部分
１ｂ  板状素材１のラック歯を形成しない部分
１ｃ  板状素材１のラック歯に対応する部分
１ｄ  ラック歯
１ｅ  側壁
１０  中空ラック軸
【図１】
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【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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