JP4168590B2

JP4168590B2 - 中空ラック軸製造方法

Info

Publication number: JP4168590B2
Application number: JP2000383268A
Authority: JP
Inventors: 啓坪内; 潔大久保; 靖渡辺
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2020-12-18
Also published as: EP1215102B1; JP2002178094A; DE60120889D1; EP1215102A2; US6763739B2; US20020073793A1; US6782772B2; EP1215102A3; US20030213321A1; DE60120889T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車の操舵装置に使用される中空のラック軸であって、特に１個のラック軸に２組のラック歯群を有する、いわゆるデュアルピニオンタイプ操舵装置のラック軸、および、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の操舵装置には、１個のラック軸に２組のラック歯群を有するラック軸を使うタイプが知られている。従来、これは、中実の棒材を使用して、この棒材の２ケ所にラック歯群を形成することにより得られる。
【０００３】
現在、環境問題等の配慮から自動車の燃料消費を低減させるために、これに使用される部品の軽量化が進められている。このような中で、これまで、上に述べた棒材から製造するデュアルピニオンタイプのラック軸では、切削加工により軸方向に穴をあけることにより軽量化がはかられているが、この方法で穴加工できるのはラック歯のない軸部、しかも軸方向から加工できるラック軸の両端の軸部に止まり、ラック歯部、及び、一つのラック歯群と他のラック歯群で挟まれた領域は、依然として、中実のままであった。
【０００４】
また、特開平１１−１８０３１８号公報あるいは特開平１１−２７８２８７号公報などに開示されるように、単一のラック歯群を備える中空ラック軸を板材から形成することも一部で提案されているが、デュアルピニオンタイプのラック軸に対しては、このような製造方法は開発されておらず、依然として中実の素材から製造されているのが実状である。
【０００５】
このように、デュアルピニオンタイプのラック軸には、中実棒材を素材として用いるため、
１．軽量化のための深穴加工工程での加工時間が長い。
２．切削加工が多いため、捨てる材料が多く、歩留まりが悪い。そのため製造コストが高い。
３．軽量化のため深穴加工できるのはラック軸両端側から加工できる範囲に限られる。
４．ラック歯部、及び中央の軸部は中実であるため、完全な中空化がなされていない。
５．そのため、重量が重い。
といった問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を解決することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、次の手段によって解決される。すなわち、第１番目の発明の中空ラック軸製造方法は、操舵装置に使用される中空ラック軸であって、その軸方向に沿って互いに隔てられた位置に、この軸中心線周りの角度に関して、互いに位相差を有する２つのラック歯群を備えた中空ラック軸を製造するための中空ラック軸製造方法であって、ラック軸軸方向沿いの領域に、各ラック歯群相互の位相差に応じてそれぞれの領域の素材中心線に段差が設けられている板状の素材を使用し、上記板状の素材に対して、その底部に上記位相差を有して互いに傾斜した２つの平坦部を有したコの字形状断面領域と円弧をなすＵ字状断面領域を成形する第一工程、上記第一工程を経た素材に対して、その２つの平坦部のそれぞれにラック歯群を成形する第二工程、及び、上記第二工程によって２つのラック歯群が成形された素材に対し、その脚部をラック歯と反対側において互いに突き合わすように曲げ加工して中空状の筒体に成形する第三工程からなることを特徴とする中空ラック軸製造方法である。
【０００８】
第２番目の発明の中空ラック軸製造方法は、第 1 番目の発明の中空ラック軸製造方法において、上記第二工程が、上記２つのラック歯群を、この２つのラック歯群に対応する歯型群の両方を備えた上下各金型一組を用いて、同時に成形する工程であることを特徴とする中空ラック軸製造方法である。
【０００９】
第３番目の発明の中空ラック軸製造方法は、第 1 番目の発明の中空ラック軸製造方法において、上記第二工程が、上記２つのラック歯群を、各ラック歯群に対応する一方の歯型群を備えた上下各金型を二組用いて、順次成形する工程であることを特徴とする中空ラック軸製造方法である。
【００１３】
これにより、本発明の中空ラック軸又は本発明の製造方法によって、
１．軽量化のための深穴加工工程が必要とされず、加工時間が短い。
２．切削加工がないため、捨てる材料はほとんどなく、歩留まりが良い。
３．ラック軸両端側だけでなく全域にわたり中空化される。
４．そのため、重量が軽い。
５．異なる位相にラック歯群の形成が可能であるため、製品レイアウトの自由度を大きくとることができる。また、各ラック歯群は、金型により成形されるため、加工上からくる歯形形状の制約をほとんど受けないので、ＣＧＲ（Constant Gear Ratio、定ギヤ比）、ＶＧＲ（Variable Gear Ratio、可変ギヤ比）いずれのラックにも対応することができる。
６．板状の一体ブランクからの成形であることによって製造工程を短縮することができる。
７．製造コストを引き下げることができる。
等の効果を期待することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に二組のラック歯群を備えた中空ラック軸及びその製造方法に関し、本発明の好適な実施例を示す。ここで、１個のラック軸に、その軸方向に沿って互いに隔てられた位置にある二組のラック歯群を形成するに当たりその位相が異なる場合、つまり、中空ラック軸の中心線周りの角度に関して、互いに位相差を有する場合について、
（イ）位相θ差が小さい場合を第１の実施例によって、また、
（ロ）位相θ差が大きい場合を第２の実施例によって、更に、
（ハ）位相θ差の大小に関わらず位相差θを左右に振り分けた例を第３の実施例によって、それぞれ示す。なお、以下の図面における寸法関係及び角度は説明をわかりやすくするためある程度の誇張を含んでいる。
【００１５】
第１の実施例：位相差θが小さい場合
図１は本発明及び実施例に使用される板状の素材１を示しており、（ａ）は素材の正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。この素材１は、おおよそ矩形板状であり、その長さ方向に沿って、２つのラック歯群が形成されるそれぞれの領域Ａ１及び領域Ｂ１を備えている。この領域の幅方向の中心線は図１に示されるように中心線段差ｙが設けられている。領域Ａ１及び領域Ｂ１の板幅はラック歯群が形成されない部分に対して、軸直角方向でのボリューム差に応じて予め板幅が調整されたものである。
【００１６】
上記素材１は第一工程において曲げ加工される。図２は第一工程終了後の素材１の形状を示す断面図である。ここで、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図をそれぞれ示している。
【００１７】
この第一工程の成形は図１に示す素材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。この後工程においてラック歯となる領域ＡｌおよびＢｌは、（ｃ）および（ｄ）に示すように、底部に平坦部を有するコの字形状に成形される。ここで、（ｄ）に示すよう領域Ｂ１では、（ｃ）で示す領域Ａ１に対してコの字の底部が位相（角度）θだけ傾斜して成形される。また、後工程においてチューブ状となる部分は、（ｂ）および（ｅ）に示すように底部が円弧をなすＵ字状に成形される。
【００１８】
上記第一工程を終えた素材１の平らな底部に対して第二工程が実行される。この工程では、領域Ａ１及び領域Ｂ１にそれぞれラック歯群Ａ２及びラック歯群Ｂ２が形成される。図３は第二工程終了後の素材１の形状を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｃ）は（ａ）のラック歯群Ａ２のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のラック歯群Ｂ２のＤ−Ｄ断面図をそれぞれ示している。
【００１９】
２ケ所のラック歯群Ａ２及びＢ２の諸元はそれぞれ任意に設定することが可能であり、一方をＣＧＲ、他方をＶＧＲとして成形しても何ら問題を生じない。当然、２ケ所のラック歯群Ａ２およびＢ２の諸元を同じにして、２ケ所ともＣＧＲ、あるいはＶＧＲとすることも可能である。
【００２０】
ラック歯の成形は、ラック歯に相当する下型と、下型の凹凸に対応する凹凸を持つ上型を用いて、第一工程で加工されたワークを上下型の間に挟み込み、金型の凹凸をワークに転写することにより行われる。したがって、本実施の形態のラック形状は図３に示すように歯形状に沿ってチューブ内面側となる裏面まで凹凸に形成してある。
【００２１】
なお、このとき２ケ所のラック歯群Ａ２およびＢ２を、それぞれに対応する歯型を備えた一組の上下金型によって同時に成形することが加工時間の点で最も好ましい。しかしながら、プレス機の荷重等に制約がある場合には、一組あるいは異なる二組の上下金型により、１ケ所ずつ成形しても何ら問題を生じない。
【００２２】
また、形状的な制約により一工程で図３の形状が得られない場合には、複数工程かけて成形しても何ら問題を生じない。こうしてラック歯群が形成された素材１に対して第三工程が実行され、２つの脚部すなわち開口部がラック歯と反対側において突き合わされるように曲げ加工され、中空状の筒体に成形される。
【００２３】
図４は第三工程終了後の形状を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図をそれぞれ示している。このとき突き合わせ部が（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）の点線囲いで示されるようにラック歯群Ａ２およびＢ２の丁度背面に来るように調整するのが好ましい。図１における中心線段差ｙはこれを調整するために設けられた段差である。
【００２４】
この第１実施例では、二組のラック歯群の位相差θが小さいため、二つの脚部間に形成されている空間から二組のラック歯群を成形するための金型を挿入することができ、また、金型にかかる曲げ力が比較的小さいので、最も好ましくは一度のプレスストロークによって二つのラック歯群を同時に成形するようにすることができる。
【００２５】
第２実施例：位相差θが大きい場合：
ラック歯群の位相差θが大きい場合、上記第１実施例の成形方法によると、ラック歯群Ｂ２を成形するための金型に極めて大きな曲げ力が働く。このため、金型強度の観点から、位相差θの増加とともに一方のラック歯群の成形が困難になってくる。第２実施例には、位相差θが大きく、金型のワンストロークによって加工することが困難な場合の加工手順を示す。
【００２６】
使用する素材１は、第１実施例の図１に示されるものと同様であるが、中心線段差ｙの大きさは位相差θに合わせて異なるものとなる。板状の素材１に曲げ加工されるが、第２実施例ではこの第一工程の曲げ加工の程度が異なる。図５は第一工程終了後の形状を示す断面図である。ここで、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図をそれぞれ示している。
【００２７】
第２実施例において、第一工程の成形は、開口部を図５のように広く成形する点において、二つの脚部がほぼ並行に曲げられる第１実施例の方法とは異なる。１回の成形で図５の形状に成形するのが困難であれば、複数回かけて成形しても何ら問題を生じない。この成形が終了した素材１には、第二工程が施される。第二工程では、一方のラック歯群Ａ２のみが成形される。図６は第二工程終了後の素材１の断面形状を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。ラック歯群Ａ２の成形に金型が使用される点は第１実施例と同様である。なお、図６（ｃ）にはこのときのラック歯群Ａ２の加工に用いられる金型の向きも示されている。
【００２８】
このように一方のラック歯群Ａ２が成形された素材１に対して、第三工程が施される。この第三工程では残りのラック歯群Ｂ２が成形される。図７は第三工程終了後の断面形状を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図にＣ−Ｃ断面図（点線）が重ねて示されている。
【００２９】
位相差θが大きい場合の特徴としては、ラック歯群Ａ２およびＢ２のどちらの成形の際にも、ラック歯群Ａ２およびＢ２に対して垂直方向に金型Ｍ１、Ｍ２を挿入した時に脚部（側壁）Ｐが干渉しない形状とすることである。こうすることによりラック歯群Ａ２およびＢ２のどちらに対しても垂直方向で金型Ｍ１、Ｍ２が荷重を受けられるので、金型強度に関して有利となる。
【００３０】
また、ラック歯群Ｂ２の成形時にラック群Ａ２が成形された素材１つまりワーク側をθだけ回転し、常に鉛直方向に金型がセットされるようにすれば金型設計が容易になる。こうしてラック歯群Ａ２及びラック歯群Ｂ２が成形された後、第４工程においてＵ字状およびコの字状断面の開口部を突き合わせるように曲げて筒状に成形する。この工程については第１実施例の第三工程の方法と同様であるので説明を省略する。
【００３１】
第２実施例では、ラック歯群の位相差θが小さなものから大きくずれたものまで広い範囲のラック軸に対しても対応することができるというメリットが得られる。
【００３２】
第３実施例：位相差θを左右に振り分ける例：
ラック歯群の位相差θの増加とともに一方のラック歯群の成形が困難になってくることは既に説明した。第３実施例は、このような金型のワンストロークによって加工することが困難な場合だけでなく、限界はあるけれど位相差θの大小に関わらず適用できるものである。
【００３３】
使用する素材１は、第１実施例の図１に示されるものとほぼ同様であるが、中心線段差ｙが両方のラック歯群となる部分に位相差θの半分づつ振り分けて設けられている。図８は第３実施例において第一工程を終了した後の形状を示す断面図である。ここで、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図をそれぞれ示している。
【００３４】
第一工程において、板状の素材１に曲げ加工されるが、第３実施例では開口部は第２実施例と比べて狭く、側壁（脚部）が第１実施例と同様に略平行に加工される。このとき、この後工程においてラック歯となる領域ＡｌおよびＢｌは、（ｃ）および（ｄ）に示すように、底部に平坦部を有するコの字形状に成形される。ここで、（ｃ）で示す領域Ａ１及び（ｄ）に示す領域Ｂ１は、コの字の底部が位相（角度）θ／２だけ互いに逆方向に傾斜して成形される。また、後工程においてチューブ状となる部分は、（ｂ）および（ｅ）に示すように底部が円弧をなすＵ字状に成形される。
【００３５】
上記第一工程を終えた素材１の平らな底部に対して第二工程が実行される。この工程では、領域Ａ１及び領域Ｂ１にそれぞれラック歯群Ａ２及びラック歯群Ｂ２が形成される。図９は第二工程終了後の素材１の形状を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｃ）は（ａ）のラック歯群Ａ２のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のラック歯群Ｂ２のＤ−Ｄ断面図をそれぞれ示している。
【００３６】
ラック歯の成形は、ラック歯に相当する下型と、下型の凹凸に対応する凹凸を持つ上型を用いて、第一工程で加工されたワークを上下型の間に挟み込み、金型の凹凸をワークに転写することにより行われる。このとき、ラック歯群Ａ２とラック歯群Ｂ２とは互いに角度θ／２だけ逆方向に傾斜しており、ラック形状は図９に示すように歯形状に沿ってチューブ内面側となる裏面まで凹凸に形成してある。
【００３７】
第１実施例と同様、このときニケ所のラック歯群Ａ２およびＢ２を、それぞれに対応する歯型を備えた一組の上下金型によって同時に成形することが加工時間の点で最も好ましい。しかしながら、プレス機の荷重等に制約がある場合には、一組あるいは異なる二組の上下金型により、１ケ所ずつ成形しても何ら問題を生じない。
【００３８】
また、形状的な制約により一工程で図９の形状が得られない場合には、複数工程かけて成形しても何ら問題を生じない。こうしてラック歯群が形成された素材１に対して次の第三工程が実行され、２つの脚部すなわち開口部がラック歯と反対側において突き合わされるように曲げ加工され、中空状の筒体に成形される。
【００３９】
こうしてラック歯群が形成された素材１に対して第三工程が実行され、２つの脚部すなわち開口部がラック歯と反対側において突き合わされるように曲げ加工され、中空状の筒体に成形される。図１０は第三工程終了後の形状を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図をそれぞれ示している。このとき突き合わせ部が（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）の点線囲いで示されるようにラック歯群Ａ２およびＢ２の丁度背面に来るように段差を角度θ（θ／２）の大きさに応じて調整するのが好ましい。
【００４０】
この第３実施例では、二組のラック歯群の逆方向にθ／２だけ傾斜しているそれぞれの角度が小さいため、二つの脚部間に形成されている空間から二組のラック歯群を成形するための金型を挿入することができ、また、金型にかかる曲げ力が比較的小さくできるので、最も好ましくは一度のプレスストロークによって二つのラック歯群を同時に成形するようにすることができる。更に、こうすることにより、横方向からかかる力が相殺され、金型の負荷が軽減される。
【００４１】
第１、第２、第３実施例に開示した中空ラック軸は、軸端部等の切削加工を、あるいは、必要に応じて突き合わせ部の溶接、曲がり直し等の矯正加工、熱処理などを施した後に製品とされる。
【００４２】
なお、これらの実施例ではニケ所のラック歯群に位相差θがある場合について説明したが、位相差を付ける必要がない中空ラック軸の場合には、図１における中心線段差ｙ＝０、図２から図１０における位相差θ＝０とするだけでこれらの実施例と同様に成形することが可能である。
【００４３】
【発明の効果】
これにより、本発明の中空ラック軸又は本発明の製造方法によって、軽量化のための深穴加工工程が必要とされず、加工時間が短い、また、切削加工がないため、捨てる材料はほとんどなく、歩留まりが良い、ラック軸両端側だけでなく全域にわたり中空化される、そのため、重量が軽い、異なる位相にラック歯群の形成が可能であるため、製品レイアウトの自由度を大きくとることができる、また、各ラック歯群は、金型により成形されるため、加工上からくる歯形形状の制約をほとんど受けないので、ＣＧＲ、ＶＧＲいずれのラックにも対応することができる、板状の一体ブランクからの成形であることによって製造工程を短縮することができる、製造コストを引き下げ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、実施例に使用される板状の素材１を示しており、（ａ）は素材の正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図２】第１の実施例の第一工程終了後の素材１の形状を示す断面図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図を示す。
【図３】第１の実施例の第二工程終了後の素材１の形状を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｃ）は（ａ）のラック歯群Ａ２のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のラック歯群Ｂ２のＤ−Ｄ断面図を示す。
【図４】第１の実施例（及び第２実施例）の第三（第四）工程終了後の素材形状を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図を示す。
【図５】第２の実施例の第一工程終了後の形状を示す断面図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図を示す。
【図６】第２の実施例の第二工程終了後の素材１の断面形状を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図７】第２の実施例の第三工程終了後の断面形状を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図にＣ−Ｃ断面図（点線）が重ねて示されている。
【図８】第３実施例において第一工程を終了した後の形状を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。
【図９】第二工程終了後の素材１の形状を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｃ）は（ａ）のラック歯群Ａ２のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のラック歯群Ｂ２のＤ−Ｄ断面図である。
【図１０】第三工程終了後の形状を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。
【符号の説明】
１素材
ｙ中心線段差
Ａ１、Ｂ１領域
Ａ２、Ｂ２ラック歯群
Ｍ１、Ｍ２金型
Ｐ脚部

Claims

操舵装置に使用される中空ラック軸であって、その軸方向に沿って互いに隔てられた位置に、この軸中心線周りの角度に関して、互いに位相差を有する２つのラック歯群を備えた中空ラック軸を製造するための中空ラック軸製造方法であって、
ラック軸軸方向沿いの領域に、各ラック歯群相互の位相差に応じてそれぞれの領域の素材中心線に段差が設けられている板状の素材を使用し、
上記板状の素材に対して、その底部に上記位相差を有して互いに傾斜した２つの平坦部を有したコの字形状断面領域と円弧をなすＵ字状断面領域を成形する第一工程、
上記第一工程を経た素材に対して、その２つの平坦部のそれぞれにラック歯群を成形する第二工程、及び、
上記第二工程によって２つのラック歯群が成形された素材に対し、その脚部をラック歯と反対側において互いに突き合わすように曲げ加工して中空状の筒体に成形する第三工程
からなることを特徴とする中空ラック軸製造方法。
請求項１に記載された中空ラック軸製造方法において、
上記第二工程は、上記２つのラック歯群を、この２つのラック歯群に対応する歯型群の両方を備えた上下各金型一組を用いて、同時に成形する工程であること
を特徴とする中空ラック軸製造方法。
請求項１に記載された中空ラック軸製造方法において、
上記第二工程は、上記２つのラック歯群を、各ラック歯群に対応する一方の歯型群を備えた上下各金型を二組用いて、順次成形する工程であること
を特徴とする中空ラック軸製造方法。