JP4984607B2 - ステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステアリング装置に関し、特にラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置に関する。

車両のステアリング装置として、ステアリングホイールに付与された操舵力をピニオン軸を介してラック軸に伝達し、該ラック軸を所定範囲内で往復動作させることにより、車輪の操舵を行なうように構成した、いわゆるラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置が知られている（特許文献１参照）。
特開平１１−４３０５５号公報

ところで、従来のラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置では、ピニオン軸に対して径方向の過大な外力が作用した場合、ピニオン軸に曲げ力が作用することとなり、その結果としてピニオン軸を支持する軸受に過大なラジアル荷重が作用してしまうことになる。しかるに、ラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置では、ピニオン軸支持部で発生する異音を防止するため、軸線方向及び径方向のガタがない４点接触式の玉軸受が用いられるのが一般的であるため、許容負荷容量以上の過大なラジアル荷重が作用することにより、４点接触式の玉軸受にガタが生じた場合、異音発生等を招く恐れがある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、ピニオン軸を支持する軸受に過大な荷重が作用しないようにできるステアリング装置を提供することを目的としている。

本発明のステアリング装置は、
ハウジングと、
操舵力を入力される入力端部を備え、外周にピニオン歯を形成したピニオン軸と、
前記ピニオン歯を挟んで、前記ピニオン軸を前記ハウジングに対して回転自在に支持する一対の軸受と、
前記ピニオン歯に噛合するラック歯を有し、前記ピニオン軸の回転に応じて、前記ハウジングに対して往復移動することにより車輪を操舵するラック軸と、を有し、
前記ピニオン軸は、前記一対の軸受のうち前記入力端部に近い玉軸受よりも軸線方向前記入力端部側において、曲げ方向の外力を受けたときに最も曲がりやすい脆弱部を有し、
前記脆弱部は、前記入力端部に近い玉軸受を固定するためにカシメられた円筒部材が係合する周溝と、前記入力端部との間に設けられた、前記ピニオン軸における断面積が最も小さい部位であり、
前記周溝と前記脆弱部との間において、前記ピニオン軸に対して軸線直交方向に所定の隙間を有するサポート部材が、前記ハウジングに取り付けられており、
前記サポート部材は、前記ピニオン軸が曲げ方向の外力を受けて曲がったときに、前記ピニオン軸に接触することにより、接触点より前記周溝側におけるそれ以上の曲がりを抑制することを特徴とする。

本発明のステアリング装置によれば、前記ピニオン軸が、前記軸受よりも外方端部側において、曲げ方向の外力を受けたときに最も曲がりやすい脆弱部を有するので、そのような外力を受けたときは、最初に前記脆弱部が曲がることで、前記ピニオン軸の前記脆弱部より内方端部側における（軸受の取り付け部を含む）過大な応力の発生を抑制できる。なお、「最も曲がりやすい」とは、組み付けられた状態で、ピニオン軸が曲げ方向の外力を受けたときに、最大の曲げ角を有する部位をいうものとする。又、脆弱部とは、ここでは単に曲がりやすい部位であるという意味であり、破断等しやすい部位であることを意味しない。

前記脆弱部は、前記ピニオン軸を支持する軸受を固定するためにカシメられた円筒部材が係合する周溝と、前記ピニオン軸に操舵力を伝達するジョイント結合部（例えばピニオン軸に形成されたスプライン歯）との間に設けられた、前記ピニオン軸における断面積が最も小さい部位であると、曲げ方向の外力を受けたときに曲がりやすくなるので好ましい。

前記周溝には、ダストカバーが取り付けられていると、飛散する塵埃などの影響を抑制できるので好ましい。

前記ピニオン軸において、少なくとも前記脆弱部を除いて浸炭処理が施されていると、曲げ方向の外力を受けたときに更に曲がりやすくなるので好ましい。なお、軸受より外方端部側全てにおいて、浸炭処理が施されていない場合を含む。

第２の本発明のステアリング装置によれば、前記ピニオン軸が曲げ方向の外力を受けて曲がったときに、前記軸受よりも外方端部側において、前記ピニオン軸に接触することにより、接触点より内方端部側におけるそれ以上の曲がりを抑制する抑制手段を設けているので、そのような外力を受けたときは、前記抑制手段が所定角度以上の曲がりを抑えることで、前記ピニオン軸の接触点より内方端部側における（軸受の取り付け部を含む）過大な応力の発生を抑制できる。

前記抑制手段は、前記ハウジングに取り付けられ、前記軸受よりも外方端部側において、前記ピニオン軸に対して軸線直交方向に所定の隙間を有するサポート部材であると好ましい。

前記所定の隙間は、応力抑制の観点から小さい方が好ましいが、あまり小さすぎると組み付けが困難となり、又摺動抵抗も増える。そこで、前記所定の隙間は、製造誤差寸法のバラツキに基づいて適切な値が決定されると好ましい。

前記ピニオン軸において、前記接触点より外方端部側において浸炭処理が施されていないと、前記ピニオン軸が曲がりやすくなるので好ましい。

以下、本発明の実施の形態に係るステアリング装置を図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施の形態にかかるラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置を車両に搭載した状態で示す概略図である。図２は、図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。

図１において、車両に固定された電動式パワーステアリング装置５０において、ステアリングシャフト５１の上端にステアリングホイール５２を取り付けている。一方、ステアリングシャフト５１の下端は、自在継手５３を介して中間シャフト５４に連結され、中間シャフト５４は、自在継手５５を介して、ステアリング装置１００のピニオン軸１１１に連結されている。

電動式パワーステアリング装置５０のコントローラ５０ａは、トルク検出器５０ｂと、バッテリ５０ｃと、速度検出器５０ｄとに連結され、後述する態様で電動モータ５０ｅを駆動制御し、適切な補助操舵トルクをステアリングシャフト５１に出力するようになっている。

図２において、ハウジング１０１内に、ピニオン軸１１１が挿通され、その下端は転がり軸受１０２によりハウジング１０１に対して回転自在に支持され、その中央は４点接触式玉軸受１０３によりハウジング１０１に対して回転自在に支持されている。

より具体的に説明すると、ハウジング１０１の内周に形成された段部１０１ａに、４点接触式玉軸受１０３の外輪が当接している。その外方（図で上方）におけるハウジング１０１に形成された雌ねじ１０１ｃに、雄ねじ１０４ｂを螺合させるようにして、円筒状のサポート部材１０４が取り付けられ、その内方端を４点接触式玉軸受１０３の外輪に当接させている。サポート部材１０４の両端内周は拡径しているが、中央部はピニオン軸１１１の外周に向かって張り出しており、その外周に対して隙間の小さいサポート部１０４ａを形成している。なお、サポート部材１０４の外方端内周には、ピニオン軸１１１の外周面に接触するシール部材１０６が配置されている。

一方、ピニオン軸１１１のフランジ部１１１ｂに、４点接触式玉軸受１０３の内輪が当接している。４点接触式玉軸受１０３を挟んでその外方側（図で上方）におけるピニオン軸１１１には、軸受取り付け用の周溝１１１ｃが形成されており、ここに一端をカシメて係合させた円筒部材１０７の他端は、４点接触式玉軸受１０３の内輪に当接している。以上の構成により、ピニオン軸１１１は、ハウジング１０１に対して、４点接触式玉軸受１０３を介して軸線方向に相対移動不能に取り付けられている。なお、ピニオン軸１１１の上端には、操舵力を伝達される自在継手５５と連結されるジョイント結合部であるスプライン歯１１１ｄが形成され、スプライン歯１１１ｄとシール部材１０６との間におけるピニオン軸１１１の外周には、脆弱部を構成する幅広の周溝１１１ｅが形成されている。周溝１１１ｅの外径（又は断面積）は、ピニオン軸１１１のピニオン歯１１１ａとスプライン歯１１１ｄの間で最も小さいと好ましい。

図３は、ピニオン軸１１１の端部を拡大して示す図である。ピニオン軸１１１の製造時には、その全体を浸炭焼き入れ処理を施した後、図３において、ダブルハッチングで示す部位のみ切削加工で削除することで、周溝１１１ｅを形成することができる。このようにすれば、ピニオン軸１１１の表面に形成された浸炭硬化層のうち、周溝１１１ｅの表面の浸炭硬化層のみが切削により除去され、外力を受けたときに周溝１１１ｅにおいて、更に曲がりやすくなる。なお、周溝１１１ｅに相当する加工前の部位は、なるべく外径を大きくすることが望ましく、削除量は軸線方向に一定とするのが好ましい。又、予め周溝１１１ｅを形成した上で防炭剤を周溝１１１ｅ内に塗布した後、全体的に浸炭処理を行うことで同様の効果が得られる。周溝１１１ｅを形成せず、非浸炭処理部だけとしても良い。

図２において、ピニオン軸１１１において、転がり軸受１０２と４点接触式玉軸受１０３との間には、ピニオン歯１１１ａが形成されている。ハウジング１０１内には、ピニオン軸１１１と交差する方向（紙面垂直方向）に延在するようにしてラック軸１１２が挿通されている。ラック軸１１２は、断面が略半月状となっており、その弦側（平面側）にラック歯１１２ａを形成している。ラック軸１１２におけるラック歯１１２ａの背面側は円筒状となっている。ラック歯１１２ａはピニオン歯１１１ａと噛合している。ピニオン軸１１１の回転により、ラック軸１１２はその長手方向に移動するようになっている。

ハウジング１０１に設けられた小円筒部１０１ｂは、ラック軸１１２の背面から外方へと垂直に延在している。小円筒部１０１ｂの内部には、中空円筒状のラックサポート１１４が配置されている。ラックサポート１１４は、内方端側に溝１１４ａを形成しており、この溝１１４ａ内には、軸１１５が固定配置されている。軸１１５の周囲には、ころがり軸受１１６を介して、断面が鼓状のローラ１１７が回転自在に支持されており、ラック軸１１２の円筒面に沿って転動自在に配置されている。

小円筒部１０１ｂの端部内周には、ねじ部材１１８が螺合されている。又、ねじ部材１１８とラックサポート１１４との間には、ばね部材１１９が配置され、ねじ部材１１８のねじ込み量に応じて、ばね部材１１９は所定の付勢力を発揮するようになっている。更に、小円筒部１０１ｂより、ねじ部材１１８がゆるむことを防止するロックナット１２０が設けられている。

次に、本実施の形態における電動式パワーステアリング装置の動作につき図１を参照して以下に説明する。運転者がステアリングホイール５２を回転させると、ステアリングシャフト５１，自在継手５３，中間シャフト５４，自在継手５５及びピニオン軸１１１が回転し、ラック軸１１２を所定の方向に移動させる。それにより、ラック軸１１２の両端に連結されたタイロッド１０８，１０８を介して不図示の操舵機構に操舵力が伝達され、車輪が操舵されるようになる。ラックサポート１１４は、ストロークエンドなどにおいて、ピニオン歯１１１ａとラック歯１１２ａとの間に発生する衝撃力に抗することで、ピニオン軸１１１とラック軸１１２の離間を抑制するように作用する。

この場合において、トルク検出装置５０ｂで検出されたトルクの値は、コントローラ５０ａに送られ、そこで速度検出器５０ｄ等の出力を考慮して決められた所定値と比較される。かかるトルクが所定値を超えた場合には、補助操舵力を必要とする場合であるので、電動モータ５０ｅを駆動すべくバッテリ５０ｃの電力を電動モータ５０ｅに供給する。駆動された電動モータ５０ｅは、ステアリングシャフト５１に補助トルクを出力し、ラック軸１１２を軸線方向に移動させる。トルク検出装置５０ｂで検出されたトルクの値が所定値より低い場合には、補助操舵力は不要であるので、電動モータ５０ｅは駆動されないこととなる。

ここで、例えば車両の衝突時などにおいて、ピニオン軸１１１に曲げ方向のモーメントが生じた場合、脆弱部である周溝１１１ｅが最も大きく曲がるので、応力がここに集中し、転がり軸受１０２とサポート部材１０４との間には、大きな曲げ応力が生じることがない。従って、４点接触式玉軸受１０３に過大な力は伝達されないこととなる。なお、外力を受けたとき、軸受取り付け用の周溝１１１ｃにおいても曲がりは発生するが、ある程度曲がると、ピニオン軸１１１にサポート部材１０４のサポート部１０４ａが当接し、それ以上の周溝１１１ｃにおける曲がりは阻止されることとなる。

図４は、第２の実施の形態に係るステアリング装置の図２と同様な断面図である。本実施の形態においては、ピニオン軸１１１に脆弱部としての周溝を設けていない。その代わりに、サポート部材１０４のサポート部１０４ａの内周面と、それに対向するピニオン軸１１１の外周面との隙間Ｃを、製造誤差寸法のバラツキ等を勘案して所定の値にしている。それ以外の構成については、上述した実施の形態と同様であるので、同じ符号を付して説明を省略する。

より具体的に異なる点を説明すると、４点接触式玉軸受１０３の中心から、抑制手段を構成するサポート部１０４ａまでの距離をｈとしたときに、以下の式が成立するように各部位の寸法を決めている。
０．１°≦ｔａｎ^-1（Ｃ／ｈ）≦１．２°

即ち、本実施の形態によれば、例えば車両の衝突時などにおいて、ピニオン軸１１１に曲げ方向のモーメントが生じた場合、サポート部材１０４のサポート部１０４ａの内周面と、それに対向するピニオン軸１１１の外周面とが接触した後は、ピニオン軸１１１に作用する曲げ力の支点が、４点接触式玉軸受１０３からサポート部１０４ａと移動するので、ピニオン軸１１１に生ずる応力は、サポート部材１０４の外方側において高くなり、それにより転がり軸受１０２とサポート部材１０４との間には、大きな曲げ応力が生じることがない。このとき、４点接触式玉軸受１０３を中心としたピニオン軸１１１の曲がり角θは、最大で１．２°以下に抑えることができる。従って、４点接触式玉軸受１０３に過大な力は伝達されないこととなる。

図５は、第３の実施の形態に係るラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置の図２と同様な断面図である。本実施の形態においては、ピニオン軸１１１に形成した脆弱部としての周溝に、ダストカバー１３０を取り付けている。それ以外の構成については、上述した実施の形態と同様であるので、同じ符号を付して説明を省略する。

ゴムなどからなるダストカバー１３０は、自由状態では周溝１１１ｅの外径より小さい内径を有し周溝１１１ｅの周囲に取り付けられる中空円筒状の係合部１３０ａと、係合部１３０ａから半径方向外方に延在し、ハウジング１０１の上部近傍を覆う傘部１３０ｂとを有している。

特に、ラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置を車室外に配置する搭載例においては、外部から飛散する塵埃等が、シール部材が摺動するシール面に付着・堆積などすると、シール部材の性能を低下させる恐れがある。本実施の形態によれば、傘部１３０ｂによりシール部材１０６を覆うようにして、カバー部材１３０を設けているので、シール面に塵埃や水分等が飛散して付着することを抑制でき、それにより長期間にわたってシール部材１０６のシール性能を安定して発揮できる。又、カバー部材１３０の組み付けに際しては、ピニオン軸１１１の上端から係合部１３０ａを弾性変形させつつ挿通させ、縮径した周溝１１１ｅにはめ込むようにするだけで足りる。更に、係合部１３０ａの弾性力を利用してピニオン軸１１１に固定できることから、別個に固定具などを用いることなく振動などによるズレ防止を図れるため、部品点数を削減できる。

以上、実施の形態を参照して本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、その趣旨を損ねない範囲で適宜変更、改良可能であることはもちろんである。例えば、本発明のラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置は、必ずしも電動式パワーステアリング装置と組み合わせる必要はなく、油圧式パワーステアリング装置と組み合わせても良く、或いはパワーステアリング装置と組み合わせることなく単独で用いても良い。

本実施の形態にかかるラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置を車両に搭載した状態で示す概略図である。 図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。 ピニオン軸１１１の端部を拡大して示す図である。 第２の実施の形態に係るラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置の図２と同様な断面図である。 第３の実施の形態に係るラック・アンド・ピニオン式ステアリング装置の図２と同様な断面図である。

符号の説明

５０ 電動式パワーステアリング装置
５０ａ コントローラ
５０ｂ トルク検出器
５０ｃ バッテリ
５０ｄ 速度検出器
５０ｅ 電動モータ
５１ ステアリングシャフト
５２ ステアリングホイール
５３ 自在継手
５４ 中間シャフト
５５ 自在継手
１００ ステアリング装置
１０１ ハウジング
１０１ａ 段部
１０１ｂ 小円筒部
１０１ｃ 雌ねじ
１０２ 転がり軸受
１０３ ４点接触式玉軸受
１０４ サポート部材
１０４ａ サポート部
１０６ シール部材
１０７ 円筒部材
１０８，１０８ タイロッド
１１１ ピニオン軸
１１１ａ ピニオン歯
１１１ｂ フランジ部
１１１ｃ 周溝
１１１ｄ スプライン歯
１１１ｅ 周溝
１１２ ラック軸
１１２ａ ラック歯
１１４ ラックサポート
１１４ａ 溝
１１５ 軸
１１６ ころがり軸受
１１７ ローラ
１１８ ねじ部材
１１９ ばね部材
１２０ ロックナット
１３０ カバー部材
１３０ａ 係合部
１３０ｂ 傘部

Claims (6)

1. ハウジングと、
   操舵力を入力される入力端部を備え、外周にピニオン歯を形成したピニオン軸と、
   前記ピニオン歯を挟んで、前記ピニオン軸を前記ハウジングに対して回転自在に支持する一対の軸受と、
   前記ピニオン歯に噛合するラック歯を有し、前記ピニオン軸の回転に応じて、前記ハウジングに対して往復移動することにより車輪を操舵するラック軸と、を有し、
   前記ピニオン軸は、前記一対の軸受のうち前記入力端部に近い玉軸受よりも軸線方向前記入力端部側において、曲げ方向の外力を受けたときに最も曲がりやすい脆弱部を有し、
   前記脆弱部は、前記入力端部に近い玉軸受を固定するためにカシメられた円筒部材が係合する周溝と、前記入力端部との間に設けられた、前記ピニオン軸における断面積が最も小さい部位であり、
   前記周溝と前記脆弱部との間において、前記ピニオン軸に対して軸線直交方向に所定の隙間を有するサポート部材が、前記ハウジングに取り付けられており、
   前記サポート部材は、前記ピニオン軸が曲げ方向の外力を受けて曲がったときに、前記ピニオン軸に接触することにより、接触点より前記周溝側におけるそれ以上の曲がりを抑制することを特徴とするステアリング装置。
2. 前記ピニオン軸において、少なくとも前記脆弱部を除いて浸炭処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載のステアリング装置。
3. 前記所定の隙間は、製造誤差寸法のバラツキに基づいて決定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のステアリング装置。
4. 前記ピニオン軸の全体に浸炭焼き入れ処理を施した後、前記接触点より前記入力端部側において前記脆弱部を切削加工することにより、表面の浸炭硬化層を除去したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のステアリング装置。
5. 前記サポート部材は、前記ピニオン軸の外周に接するシール部材を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のステアリング装置。
6. 前記断面積が最も小さい部位には、ダストカバーが取り付けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のステアリング装置。

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