JP5590566B2

JP5590566B2 - ラックピニオン式ステアリング装置

Info

Publication number: JP5590566B2
Application number: JP2011195503A
Authority: JP
Inventors: 美朗久住; 晴彦須藤; 秀樹新屋敷
Original assignee: Oiles Corp
Current assignee: Oiles Corp
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2012017102A

Description

本発明は、ハンドルの回転動作に連動してピニオンを回転させ、該ピニオンと噛合するラック歯を有したラックバーを往復移動させて操舵を行うようにした、自動車等の車両に用いられるラックピニオン式ステアリング装置に関する。

この種のラックピニオン式ステアリング装置は、図９に示すように、ギヤケース１と、このギヤケース１にピニオン軸２を介して回転自在に支持されたピニオン３と、このピニオン３に噛合うラック歯４が形成されたラックバー５と、ギヤケース１内に配されて、ラックバー５を摺動自在に支持するラックガイド６と、このラックガイド６をラックバー５に向って押圧するコイルばね７と、ギヤケース１の開口部を閉塞する蓋部材８とを具備している。

斯かるラックピニオン式ステアリング装置においては、ハンドルの回転操作と連動してラックバー５の往復移動を円滑に行わせるべく、鉄系焼結金属あるいは合成樹脂からなるラックガイド６が用いられている。

鉄系焼結金属からなるラックガイド６は、ラックバー５からの荷重に対して十分な機械的強度を有する反面、ラックバー５との間の摺動摩擦抵抗が大きいためステアリング系の効率が低下し操舵性に問題を残している。

また、合成樹脂からなるラックガイド６は、ラックバー５との間の摺動摩擦抵抗を低減させることができる反面、機械的強度に劣ること、成形収縮などによる寸法のバラツキを生じて寸法精度よく成形し難い上に、成形後の寸法精度を保持し難いこと、さらには、ギヤケース１内に組込まれた後、温度上昇による温度の影響を受けて熱膨張、収縮を来し、熱変形、クリープを生じてラックバー５を長期に亘って円滑に支承し難い、などの問題がある。

上記した問題点に鑑み、自己潤滑性を有する合成樹脂あるいは合成樹脂層を具備した複合部材を使用して摺動片９を形成し、斯かる摺動片９を図１０及び図１１に示すようにラックバー５を支承する摺動面側に配して、この摺動片９と鉄系焼結金属あるいはアルミニウム合金からなるラックガイド基体１０とを組合せてラックガイド６としたものが提案されている。

図１０及び図１１に示すラックガイド６は、ハンドルの回転操作と連動してラックバー５の往復移動を円滑に行わせることができることから、近年においては賞用されている。

ところで、上記のいずれのラックガイド６でも、ギヤケース１の円筒部１１内でのラックガイド６の摺動機能を確保する必要上、ラックガイド６の外周面１２とギヤケース１の円筒部１１の内周面１３との間に２０〜５０μｍ程度の摺動隙間（クリアランス）が設けられる。

しかしながら、ラックガイドの高さＨとラックガイドの外径Ｄとの比Ｈ／Ｄが比較的小さい場合には、斯かる摺動隙間（クリアランス）に起因して次のような問題が発生することが確認された。すなわち、ピニオン３とラック歯４との噛合で生じる歯のねじれやラックバー５両端の車輪からの作用によりラックガイド６にラジアル方向の負荷が作用すると、ラックガイド６が該ラックガイド６をラックバー５に向って押圧するコイルばね７との接触部位を支点として大きく回転（首振り）し、その際にラックガイド６がギヤケース１の円筒部１１の内周面１３に衝突して衝突音を発生すること、またラックガイド６の大きな回転により、ラックバー５のラック歯４がピニオン３から離れ、ラックガイド６が当該ラックガイド６の底面１４と蓋部材８との間の隙間分だけ移動し、ラックバー５のラック歯４とピニオン３の歯面間に隙間を生じ、ラックガイド６への負荷方向が逆転する時に、コイルばね７のばね力によってラックバー５が元の位置に戻され、その際にラックバー５のラック歯４とピニオン３の歯とが衝突して衝突音を発生すること、などである。

上記したラックガイド６がギヤケース１の円筒部１１の内周面１３に衝突して発生する衝突音及びラックバー５のラック歯４とピニオン３の歯とが衝突して発生する衝突音は、自動車を運転する者に不快感を与えることになる。

本発明は、斯かる事情に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、ラックガイドにラジアル方向の負荷が作用した場合でも、ラックガイドのギアケースの円筒部の内周面への衝突による衝突音及びラックバーのラック歯とピニオンの歯との衝突による衝突音の発生を極力小さくすることを可能とし、運転者に不快感を与えることのないラックピニオン式ステアリング装置を提供することにある。

本発明の第一の態様のラックピニオン式ステアリング装置は、ギヤケースと、このギヤケースに回転自在に支持されたピニオンと、このピニオンに噛合するラック歯が形成されたラックバーと、このラックバーを摺動自在に支承するラックガイドと、このラックガイドをラックバーに向って押圧するばねとを具備しており、ここで、ラックガイドは、ラックバーの外周面に摺動自在に当接してラックバーを摺動自在に支持する凹面と、該凹面を挟んで相対向する立壁部とを有しており、ラックガイドの外周面は、ギヤケースの筒状の内周面に摺動自在に接するようになっており、ラックガイドの高さＨとラックガイドの外径Ｄとの比Ｈ／Ｄは０．６以上であることを特徴とする。

第一の態様のラックピニオン式ステアリング装置によれば、外周面でギヤケースの筒状の内周面に摺動自在に接するようになっているラックガイドの高さＨとラックガイドの外径Ｄとの比Ｈ／Ｄが０．６以上であるので、ラックガイドにラジアル方向の負荷が作用してラックガイドが該ラックガイドをラックバーに向って押圧するばねとの接触部位を支点として回転（首振り）しても、その回転角度（首振り角度）を小さくすることができるので、衝突音の発生を極力小さくすることができる。

また、ラックガイドの回転角度（首振り角度）を小さくして、ラックバーから離れる方向のラックガイドの移動量（沈み込み量）を小さくすることができるので、ラックバーのラック歯とピニオンの歯との衝突による衝突音を極力小さくすることができ、運転者に不快感を与えることはない。

なお、ラックガイドの高さＨとラックガイドの外径Ｄとの比Ｈ／Ｄが０．６よりも小さい場合には、上記効果が生じ難いことが確かめられた。

ラックガイドの高さＨとラックガイドの外径Ｄとの比Ｈ／Ｄは、好ましい例では、本発明の第二の態様の装置のように、０．７以上であり、また回転角度（首振り角度）をより小さくする観点からは、比Ｈ／Ｄは、大きければ大きいほど好ましいのであるが、装置の小型化の観点等から、好ましくは、本発明の第三の態様の装置のように、２．０以下であり、より好ましくは、本発明の第四の態様の装置のように、１．５以下である。

本発明の第五の態様のラックピニオン式ステアリング装置では、第一から第四のいずれかの態様の装置において、ラックガイドの立壁部の夫々は、少なくともラックバーの軸心を通ると共にラックガイドの摺動方向に直交する平面の部位まで延設されている。

第五の態様のラックピニオン式ステアリング装置によれば、ラックガイドをラックバーに向って押圧するばねとの接触部位を支点とするラックガイドの回転（首振り）を生じ難くできる。

本発明の第六の態様のラックピニオン式ステアリング装置では、第一から第五のいずれかの態様のその装置において、ラックガイドは、ギヤケースの筒状の内周面の両端間に位置している。

第六の態様のラックピニオン式ステアリング装置によれば、ラックガイドの高さＨとラックガイドの外径Ｄとの上記の特定の比Ｈ／Ｄによる効果を更に確実に得ることができる。

本発明の第七の態様のラックピニオン式ステアリング装置では、第一から第六のいずれかの態様のその装置において、ラックガイドは、一方の端部に凹面座を有するラックガイド基体と、このラックガイド基体の凹面座に嵌着された摺動片とを具備しており、ラックバーを摺動自在に支持する凹面は、摺動片に設けられており、立壁部は、ラックガイド基体に設けられている。

斯かる第七の態様のラックピニオン式ステアリング装置によれば、摺動片はラックガイド基体の凹面座に嵌着されて、その耐圧強度が高められているので、ラックバーを長期に亘って円滑に支承でき、ラックバーの外周面との摺動においては摩擦抵抗が大幅に低減され、ラックバーの往復移動を円滑に行わせることができる。

本発明の第八の態様のラックピニオン式ステアリング装置では、第七の態様のその装置において、ラックガイド基体はアルミニウム合金又は鉄系焼結金属から形成されている。

第八の態様のラックピニオン式ステアリング装置によれば、特に、アルミニウム合金は、軽量であること、加工が容易であることに加えて安価であることから、ラックガイド自体の大幅なコストダウンを図ることができる。

本発明の第九の態様のラックピニオン式ステアリング装置では、第七又は第八の態様のその装置において、摺動片は、薄鋼板と該薄鋼板上に一体に被着形成された多孔質金属焼結層と該金属焼結層に含浸被覆されていると共に自己潤滑性及び耐摩耗性を有する合成樹脂層とからなり、合成樹脂層は、ラックバーを摺動自在に支持する凹面を形成している。

第九の態様のラックピニオン式ステアリング装置によれば、摺動片に設けられた凹面は、自己潤滑性及び耐摩耗性を有した合成樹脂層で形成されているので、ラックバーの外周面との摺動においては摩擦抵抗が大幅に低減され、ラックバーの往復移動を更に円滑に行わせることができ、しかも、合成樹脂層に摩耗が生じた場合でも、凹面には多孔質金属焼結層中に含浸された合成樹脂が露出するため、摺動摩擦抵抗の低減は長期に亘って維持される。

多孔質金属焼結層に含浸被覆される合成樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂又はこれに鉛、ポリイミド樹脂などの充填材を含有したポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリアセタール樹脂又はこれに潤滑油剤を含有させた含油ポリアセタール樹脂等の自己潤滑性、耐摩耗性に優れた合成樹脂を使用し得る。

本発明の第十の態様のラックピニオン式ステアリング装置では、第七又は第八の態様の装置において、摺動片は、ラックガイド基体の凹面座に着座する凸面及びラックバーを摺動自在に支持する凹面の夫々が自己潤滑性及び耐摩耗性を有する合成樹脂からなる。

第十の態様のラックピニオン式ステアリング装置において、合成樹脂としては、例えば、ポリアセタール樹脂又はこれに潤滑油剤を含有させた含油ポリアセタール樹脂等の自己潤滑性、耐摩耗性に優れた合成樹脂を挙げることができる。

本発明によれば、ラックガイドにラジアル方向の負荷が作用した場合でも、ラックガイドのギアケースの円筒部内周面への衝突による衝突音及びラックバーのラック歯とピニオンの歯との衝突による衝突音の発生を極力小さくすることを可能とし、運転者に不快感を与えることのないラックピニオン式ステアリング装置を提供することができる。

図１は、本発明のラックピニオン式ステアリング装置の好ましい実施の態様の一例の断面図である。図２は、図１に示す例のラックガイドの平面図である。図３は、図２に示す例のラックガイドのＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。図４は、図２に示す例のラックガイドのＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。図５は、ラックガイドの他の態様の断面図である。図６は、ラックガイドの他の態様の平面図である。図７は、摺動片の他の態様の断面図である。図８は、図７に示す摺動片の背面図である。図９は、従来技術のラックピニオン式ステアリング装置を示す断面図である。図１０は、他の従来技術のラックピニオン式ステアリング装置を示す断面図である。図１１は、図１０に示す従来技術のラックガイドの平面図である。

次に本発明及びその実施の形態の例を、図を参照して更に詳細に説明する。なお、本発明はこれら例に何等限定されないのである。

図１から図４において、本例のラックピニオン式ステアリング装置Ｓは、円筒部２０及び中空部２１を有したアルミニウム合金製のギヤケース２２と、ギヤケース２２に転がり軸受２３及び２４を介して回転自在に支承されたステアリング軸２５と、中空部２１に配されて、ステアリング軸２５の軸端部（ピニオン軸）に一体に設けられたピニオン２６と、ピニオン２６に噛合するラック歯２７を有するラックバー２８と、ギヤケース２２の中空部２１に配されて、ラックバー２８を摺動支持するラックガイド２９と、ラックガイド２９をラックバー２８に向かって押圧するコイルばね３０と、ギヤケース２２の円筒部２０の開口部を閉塞する蓋部材３２とを具備している。

ラックバー２８は、ステアリング軸２５の軸心に対して直角な方向においてギヤケース２２を貫通して当該直角な方向に移動自在に配されており、ラック歯２７が形成された面に対向する裏面側に円弧状の外周面３４を有している。

ラックガイド２９は、アルミニウム合金からなるラックガイド基体３５と、摺動片３６とを具備している。

ラックガイド基体３５は、円筒部２０の円筒状の内周面４１に摺動自在に接するようになった円筒状の外周面４２と、一方の端部に配されている円弧状の凹面座４３と、凹面座４３を挟んで相対向して一方の端部に配されている立壁部４４、４４と、該凹面座４３の底部周縁に該凹面座４３に沿って相対向して形成された突条部４５、４５と、他方の端部に配されている凹部４６と、他方の端部に配されていると共に、凹部４６に連通して凹面座４３に開口する貫通円孔４７とを有している。

薄鋼板と該薄鋼板上に一体に被着形成された多孔質金属焼結層と該金属焼結層に含浸被覆されていると共に自己潤滑性及び耐摩耗性を有する合成樹脂層とからなる摺動片３６は、ラックバー２８の外周面３４に摺動自在に当接してラックバー２８を摺動自在に支持すると共に、合成樹脂層によって形成された円弧状の凹面５１と、補強部としての先端閉塞部５２が一体に形成された中空の円筒状の突起部５３とを有しており、当該突起部５３が貫通円孔４７に嵌着されて、円弧状の凹面座４３に密に着座するようにラックガイド基体３５に当該突起部５３を介して固着されている。

該円弧状の凹面座４３に固着された摺動片３６は、その底部側が円弧状の凹面座４３の底部周縁に形成された突条部４５、４５によって該円弧状の凹面座４３上で回転しないように拘束されている。

ラックガイド２９は、円筒部２０の内周面４１の環状の両端４８及び４９間に位置して、而してその全体がギヤケース２２の円筒部２０内に該円筒部２０の内周面４１との間に摺動隙間を保持して配され、ラックガイド基体３５の凹部４６において一端がラックガイド基体３５に当接し、他端がギヤケース２２の円筒部２０の端部に螺合固定され、該円筒部２０の開口部を閉塞する蓋部材３２に当接して配されたコイルばね３０によって、ラックガイド基体３５を介して摺動片３６をラックバー２８に向かって押圧するようになっている。

円筒部２０の内周面４１との間に摺動隙間を保持して全体がギヤケース２２の円筒部２０内に配されたラックガイド基体３５を有した以上のラックガイド２９において、ラックガイド基体３５の一方の端部に形成された円弧状の凹面座４３を挟んで相対向する立壁部４４、４４の夫々は、ラックガイド２９の円弧状の凹面座４３に嵌着された摺動片３６に摺動自在に支承されたラックバー２８の軸心Ｏを通ると共に、ラックガイド２９の摺動方向に直交する平面Ａの部位まで延設されており、ラックガイド２９の高さＨとラックガイド２２の外径Ｄとの比Ｈ／Ｄ、本例では、ラックガイド基体３５の高さＨとラックガイド基体３５の外径Ｄとの比Ｈ／Ｄは、略０．８である。

ラックガイド２９は、ステアリング軸２５の回転において、ラック歯２７のピニオン２６への噛合を確保して、しかも、当該噛合によるステアリング軸２５の軸心に対して直角な方向のラックバー２８の移動を案内する。

そして、ラックピニオン式ステアリング装置Ｓによれば、ラックガイド基体３５の高さＨとラックガイド基体３５の外径Ｄとの比Ｈ／Ｄが略０．８であるので、ラックガイド２９にラジアル方向の負荷が作用してラックガイド２９が該ラックガイド２９をラックバー２８に向って押圧するコイルばね３０との接触部位を支点として回転（首振り）しても、その回転角度（首振り角度）を小さくすることができ、衝突音の発生を極力小さくすることができる。

また、ラックガイド２９の回転角度（首振り角度）を小さくし、ラックガイド２９の蓋部材３２側への移動量（沈み込み量）を小さくすることができるので、ラックバー２８のラック歯２７とピニオン２６の歯との衝突による衝突音を極力小さくすることができ、しかも、これら衝突音の発生を極力少なくすることができるので、運転者に不快感を与えることはない。

更に、ラックピニオン式ステアリング装置Ｓによれば、円弧状の凹面座４３に湾曲状の摺動片３６を固着したラックガイド基体３５の立壁部４４、４４がそれぞれ湾曲状の摺動片３６に摺動自在に支承されたラックバー２８の軸心Ｏを含む平面Ａの部位まで延設されているので、ラックガイド２２をラックバー２８に向って押圧するコイルばね３０との接触部位を支点とするラックガイド２２の回転（首振り）を生じ難くできる。

図５は、湾曲状の摺動片３６の他の実施例を示すもので、摺動片３６は、二つの円弧状の凹面６１及び６２からなる円弧状の凹面６３を具備しており、円弧状凹面６１及び６２でラックバー２８の円弧状の外周面３４に部分的に摺動自在に接してラックバー２８を摺動自在に支承している。二つの円弧状の凹面６１及び６２からなる円弧状凹面６３の裏側の面である摺動片３６の円弧状の凸面６４及び６５はラックガイド基体３５の円弧状の凹面座４３に密に接触している。

円弧状の凹面６１は、ラックバー２８の円弧状の外周面３４の曲率中心Ｏを通る中心線６６の一方側における角度範囲α°（但し、０°＜α°＜９０°）内の部位で、本例では、角度α１°＝４０°の部位６７でラックバー２８の円弧状の外周面３４に外接し、ラックバー２８の円弧状の外周面３４の曲率中心Ｏに対して偏心した曲率中心Ｏ１をもつと共に、ラックバー２８の円弧状の外周面３４の曲率半径よりも大きな曲率半径をもった円弧状凹面からなり、円弧状の凹面６２は、ラックバー２８の円弧状の外周面３４の曲率中心Ｏを通る中心線６６の他方側における角度範囲α°（但し、０°＜α°＜９０°）内の部位で、本例では、角度α１°＝４０°の部位６８でラックバー２８の円弧状の外周面３４に外接し、ラックバー２８の円弧状の外周面３４の曲率中心Ｏに対して偏心した曲率中心Ｏ２をもつと共に、ラックバー２８の円弧状の外周面３４の曲率半径よりも大きな曲率半径であって、円弧状凹面６１の曲率半径と同一の曲率半径をもった円弧状凹面からなり、二つの円弧状凹面６１及び６２は、中心線６６に関して対称に形成されている。

このように二つの円弧状凹面６１及び６２からなる円弧状凹面６３を具備する摺動片３６は、ラックバー２８の円弧状の外周面３４との摺接が線または狭い帯状接触となるため、ラックバー２８との摺動摩擦抵抗をより小さくすることができる。

図６は、湾曲状の摺動片３６の他の実施例を示すもので、摺動片３６を短冊状に形成したものである。この短冊状の摺動片３６を、薄鋼板と該薄鋼板上に一体に被着形成された多孔質金属焼結層と該金属焼結層に含浸被覆された合成樹脂層とからなる複層材料で形成する場合において、材料歩留まりの点で有効である。

図７及び図８は、ラックガイド基体３５の凹面座４３に着座する凸面７１及びラックバー２８を摺動自在に支持する円弧状の凹面７２の夫々が自己潤滑性及び耐摩耗性を有する合成樹脂からなる湾曲状の摺動片３６を示すもので、摺動片３６の凸面７１には、方形状の中空部７３を規定し、相対向する平面部７４、７４と該平面部７４、７４の端部に相対向する凸曲面部７５、７５とを有する係合突出部７６が一体に形成されている。この摺動片３６を使用したラックガイド２９においては、ラックガイド基体３５に該係合突出部７６に相補的な形状の貫通孔が設けられる。

上記図６並びに図７及び図８に示した湾曲状の摺動片３６においても、その円弧状の凹面５１及び７２を前記図５に示す二つの円弧状の凹面６１及び６２からなる円弧状凹面６３としてもよい。また、上記の好ましい例では、立壁部４４、４４の夫々を平面Ａの部位まで延設したが、これに代えて、平面Ａの部位以上に立壁部４４、４４の夫々を延設してもよい。

Ｓラックピニオン式ステアリング装置
２２ギヤケース
２６ピニオン
２７ラック歯
２８ラックバー
２９ラックガイド
３０コイルばね
４１内周面
４２外周面
４４立壁部
５１、６３、７２凹面

Claims

円筒部及び中空部を有したアルミニウム合金製のギヤケースと、このギヤケースの中空部に配されていると共に当該ギヤケースに回転自在に支持されたピニオンと、このピニオンに噛合するラック歯が形成されたラックバーと、ギヤケースの円筒部の筒状の内周面の両端間に配されていると共にラックバーを摺動自在に支承するラックガイドと、このラックガイドをラックバーに向って押圧するコイルばねとを具備しており、ラックガイドは、ラックバーの外周面に摺動自在に当接してラックバーを摺動自在に支持する凹面と、該凹面を挟んで相対向する立壁部とを有しており、ラックガイドの外周面は、ギヤケースの円筒部の筒状の内周面に摺動自在に接するようになっており、ラックガイドの高さＨとラックガイドの外径Ｄとの比Ｈ／Ｄは、ラックバーからラックガイドへのラジアル方向の負荷の作用でのラックガイドのコイルばねの一端との接触部を支点とする首振り角度を小さくするべく、０．６以上であって０．８までであり、ラックガイドは、一方の端部に配された円弧状の凹面座、この凹面座の底部周縁に当該凹面座に沿って相対向して形成された突条部及び前記立壁部を有するアルミニウム合金製のラックガイド基体と、このラックガイド基体の凹面座に着座する凸面及びラックバーを摺動自在に支持する前記凹面を有すると共にラックガイド基体の凹面座に嵌着された摺動片とを具備しており、前記凸面でラックガイド基体の凹面座に着座された摺動片は、その底部側が円弧状の凹面座の底部周縁に形成された前記突条部によって該凹面座上で回転しないように拘束されていることを特徴とするラックピニオン式ステアリング装置。
比Ｈ／Ｄが０．７以上である請求項１に記載のラックピニオン式ステアリング装置。
ラックガイドの立壁部の夫々は、少なくともラックバーの軸心を通ると共にラックガイドの摺動方向に直交する平面の部位まで延設されている請求項１又は２に記載のラックピニオン式ステアリング装置。
ラックガイドは、ギヤケースの筒状の内周面の両端間に位置している請求項１から３のいずれか一項に記載のラックピニオン式ステアリング装置。
摺動片は、薄鋼板と該薄鋼板上に一体に被着形成された多孔質金属焼結層と該金属焼結層に含浸被覆されていると共に自己潤滑性及び耐摩耗性を有する合成樹脂層とからなり、合成樹脂層は、ラックバーを摺動自在に支持する凹面を形成している請求項１から４のいずれか一項に記載のラックピニオン式ステアリング装置。
摺動片は、ラックガイド基体の凹面座に着座する凸面及びラックバーを摺動自在に支持する凹面の夫々が自己潤滑性及び耐摩耗性を有する合成樹脂からなっている請求項１から４のいずれか一項に記載のラックピニオン式ステアリング装置。