JP2012214164A - ラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニット - Google Patents

Abstract

【課題】押圧ブロックの外周面とシリンダ部の内周面とが勢い良く衝突する事を防止できて、耐久性を良好にできる構造を実現する。
【解決手段】押圧ブロック２１ａの外周面のうちで前記シリンダ部２０の外端開口側の端部に小径段部２７を、全周に亙って形成する。そして、この小径段部２７に、前記押圧ブロック２１ａ及びケーシング１０を構成する材料よりも内部損失が大きな材料製で、この押圧ブロック２１ａの外径以上の外径を有する緩衝リング２８を外嵌する。動力伝達に伴ってこの押圧ブロック２１ａが前記シリンダ部２０内で揺動変位しても、この押圧ブロック２１ａの先端部外周縁とこのシリンダ部２０の内周面とが勢い良く衝突する事がなくなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車の操舵輪に舵角を付与する為のステアリング装置を構成する、ラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットの改良に関する。

ステアリングホイールから入力された回転運動を舵角付与の為の直線運動に変換する為の機構としてラックアンドピニオンを使用する、ラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットを備えたステアリング装置が、例えば特許文献１〜５に記載される等により、従来から広く知られている。又、ラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットは、小型且つ軽量に構成でき、しかも剛性が高く良好な操舵感を得られる為、実際に広く使用されている。図５〜７は、この様なラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットを組み込んだステアリング装置の１例として、特許文献４に記載された構造を示している。このステアリング装置では、ステアリングホイール１の操作に伴って回転するステアリングシャフト２の動きを、自在継手３、３及び中間シャフト４を介して、ステアリングギヤユニット５の入力軸である、ピニオン軸６に伝達する。尚、前記図６〜７の上下方向は、必ずしも使用状態での上下方向とは一致しない。上下方向は、車両への組み付け状態で適宜選択し、一般的には、前記ピニオン軸６を、鉛直方向に対し傾斜させた状態で設置する。

何れにしても、前記ステアリングギヤユニット５は、前記ピニオン軸６の軸方向の一部に設けたピニオン歯７と、ラック軸８の前面に設けたラック歯９とを噛合させて成る。尚、このうちのラック歯９は、図８に略示する様な、捩れ角θを有するものを使用し、これに合わせて前記ピニオン歯７に関しても、同様の捩れ角を有するヘリカルギヤを使用している。前記ピニオン軸６及びラック軸８は、それぞれの一部を、ケーシング１０内に収納している。このケーシング１０は、それぞれが筒状である、主収納部１１及び副収納部１２を備える。このうちの主収納部１１は、両端が開口している。又、この副収納部１２は、この主収納部１１の一部側方に設けられていて、一端が開口している。これら主収納部１１の中心軸と副収納部１２の中心軸とは、互いに捩れの位置関係にある。前記ラック軸８は、このうちの主収納部１１に軸方向の変位を可能に挿通しており、両端部をこの主収納部１１から突出させている。又、前記主収納部１１の内周面の両端寄り部分に支持した１対のラックガイド（滑り軸受）１３、１３を、前記ラック軸８の外周面に摺接させて、前記ラック軸８が前記主収納部１１に対し、がたつきなく、軸方向に変位できる様にしている。そして、このラック軸８の両端部に、それぞれ球面継手１４、１４を介して、タイロッド１５、１５の基端部を結合している。これら両タイロッド１５、１５の先端部は、それぞれ図示しないナックルアームの先端部に、枢軸により結合している。尚、前記ラック軸８は、前記ピニオン歯７と前記ラック歯９との噛合により、自身の中心軸周りで回転する事はない。

又、前記ピニオン軸６は、前記ピニオン歯７を形成した先半部を前記副収納部１２内に、回転のみ可能に支持している。この為に、前記ピニオン軸６の先端部をこの副収納部１２の奥端部に、ラジアルニードル軸受１６により支持している。又、前記ピニオン軸６の中間部を前記副収納部１２の開口寄り部分に、深溝型、３点接触型若しくは４点接触型等の単列の玉軸受１７により、ラジアル荷重及びスラスト荷重を支承可能に（軸方向の変位を阻止して回転可能に）支持している。前記玉軸受１７を前記ケーシング１０の所定位置に支持する為、このケーシング１０に抑えねじ筒１８を螺着しており、この抑えねじ筒１８の内周面と前記ピニオン軸６の外周面との間の隙間を、シールリング１９により塞いでいる。

又、前記主収納部１１の直径方向に関して、前記副収納部１２と反対側部分にシリンダ部２０を設け、このシリンダ部２０内に、押圧ブロック２１を嵌装している。そして、このシリンダ部２０の開口部に螺着した蓋体２２とこの押圧ブロック２１との間にばね２３等の弾性部材を設けて、この押圧ブロック２１を前記ラック軸８に向け押圧している。これにより、このラック軸８を前記ピニオン軸６に向け弾性的に押圧して、前記ピニオン歯７と前記ラック歯９との噛合部のバックラッシを解消している。更には、これら両歯７、９同士の噛合部での動力伝達に伴って前記ラック軸８に加わる、前記ピニオン軸６から離れる方向の力に拘らず、前記噛合部の噛合状態を適正に維持できる様にしている。尚、前記押圧ブロック２１の軸方向両端面のうち、前記ラック軸８を押圧する側の内端面は、このラック軸８の背面の形状に合わせて部分円筒状凹面としている。これに対して、前記押圧ブロック２１の外端面は、中央部に凹部２４を形成して、前記ばね２３の一端部を当接させる為のばね座とすると共に、前記押圧ブロック２１の軽量化を図っている。

更に、前記押圧ブロック２１の外周面の外端寄り部分（前記ラック軸８と反対寄り部分）に係止凹溝２５を、全周に亙って形成し、この係止凹溝２５に弾性リング２６を係止している。この弾性リング２６は、Ｏリングの如く、自由状態での断面形状が円形のもので、断面形状に関する外径は、自由状態で、前記係止凹溝２５の深さよりも大きい。この様な弾性リング２６は、この係止凹溝２５の底面と前記シリンダ部２０の内周面との間で弾性的に圧縮される。そして、このシリンダ部２０内で前記押圧ブロック２１ががたつくのを防止すると共に、これらシリンダ部２０の内周面と押圧ブロック２１の外周面との間の隙間を通じて、前記ケーシング１０内に、泥水等の異物が入り込む事を防止する。尚、前記押圧ブロック２１の外周面と前記シリンダ部２０の内周面との間には微小隙間を介在させて、この押圧ブロック２１の、軸方向の変位を可能にしている。

上述の様なステアリングギヤユニット５を組み込んだステアリング装置により、左右の前輪に舵角を付与する際には、前記ステアリングホイール１の操作により前記ピニオン軸６を回転させる。すると、前記ピニオン歯７と前記ラック歯９との噛合に基づいて、前記ラック軸８が軸方向に変位する。そして、このラック軸８の両端部に結合した、前記両タイロッド１４、１４を押し引きして、前記両前輪に所望の舵角を付与する。

上述の様な従前のステアリングギヤユニット５の場合には、前記ピニオン歯７及び前記ラック歯９にねじり角θを設けた事に伴って、前記ピニオン軸６の回転方向が逆転する際に、前記押圧ブロック２１が揺動変位する。そして、この揺動変位に伴って、この押圧ブロック２１の外周面のうちの先端部（前記ラック軸８との係合部と反対側の端部）と、前記シリンダ部２０の内周面とが勢い良く衝突し、不快な振動や騒音が発生したり、これら両周面の摩耗が著しくなる可能性がある。この様な問題を生じる理由に就いて、図７〜８に図９を加えて説明する。

前記押圧ブロック２１の中心軸と前記シリンダ部２０の中心軸とは、前記ピニオン歯７と前記ラック歯９との間で力の伝達を行わず、前記押圧ブロック２１に外力が作用していない状態では、図９の（Ａ）に示す様に、互いにほぼ一致する傾向になる。そして、仮に、前記押圧ブロック２１の中心軸と前記シリンダ部２０の中心軸とを完全に一致させた状態では、これら押圧ブロック２１の外周面とシリンダ部２０の内周面とは、全周に亙って隙間を介して対向する状態となる。実際の場合には、前記両中心軸は多少傾斜して、前記両周面は互いの一部同士で当接する場合が多いが、前記押圧ブロック２１の揺動変位は、上述の図９の（Ａ）に示した状態を基準として行われる。又、この基準状態では、前記シリンダ部２０の内周面と前記弾性リング２６の外周縁とが、全周に亙って軽く接触した状態となる。

一方、前記ピニオン歯７及び前記ラック歯９にねじり角θを設けた事に伴って、前記ピニオン軸６を回転させる事に伴う、前記ピニオン歯７と前記ラック歯９との間での力の伝達時には、前記ラック軸８に、図７に矢印αで示す様に、このピニオン軸６の軸方向の力が加わる。この力の作用方向は、このピニオン軸６の回転方向が逆転すると逆転する。前記ラック軸８は、全長が４００〜８００mm程度と長く、両端部近傍のみを前記ラックガイド１３、１３により支えられている為、前記ピニオン軸７の軸方向の力により、多少なりとも（例えば図９の左右方向に）弾性的に撓み、場合によっては、僅かとは言え、捻れる事もある。この様な、前記ラック軸８の弾性変形は、前記ラック歯９のうちで前記ピニオン歯７と噛合している部分の変位に結び付き、更にこの変位は、前記ラック軸８を押圧している、前記押圧ブロック２１の、前記矢印α方向の変位に結び付く。そして、この変位に伴ってこの押圧ブロック２１が、図９の（Ｂ）に誇張して示す様に、このラック軸８の変位方向に対応して揺動変位する。

そして、この揺動変位に伴って、前記押圧ブロック２１の先端部外周縁と前記シリンダ部２０の内周面とが勢い良く衝突し、前記不快な振動や騒音、摩耗の原因となる。特に、前記押圧ブロック２１の先端部外周縁部分（前記ラック軸８と反対寄りの端縁部分）は、前記弾性リング２６からの距離が短く、梃子の原理により力が増幅された状態で、前記両周面同士の衝突部に加わり、この衝突部の面圧が高くなる。そして、この状態で、前記押圧ブロック２１が軸方向に変位すると、前記両周面の摩耗が進み易い。

特開昭５５−６８４７２号公報 特開平１０−２１７９８５号公報 特開２００７−１８６１８５号公報 特開２００９−１８４５９１号公報 特開２００９−１９０４２６号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、押圧ブロックの外周面の先端部外周縁とシリンダ部の内周面とが、高い面圧で勢い良く衝突する事を防止できて、耐久性を良好にできるステアリングギヤユニットの構造を実現すべく発明したものである。

本発明のラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットは、前述した従来から知られているラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットと同様に、ケーシングと、ラック軸と、ピニオン軸と、押圧ブロックと、弾性部材とを備える。
このうちのケーシングは、両端が開口した筒状の主収納部、及び、この主収納部に対し捩れの位置関係で設けられて一端が開口した筒状の副収納部、及び、この主収納部の内外を連通させる状態でこの主収納部に対し直交する方向に設けられたシリンダ部を有する。
又、前記ラック軸は、前面にラック歯を設けており、前記ケーシングの主収納部内に、軸方向の変位を可能に設置されている。
又、前記ピニオン軸は、軸方向の先半部に形成したピニオン歯を前記ラック歯と噛合させると共に、軸方向の基半部を前記ケーシングの副収納部の開口部から外に突出させた状態でこの副収納部内に、回転可能に配置されている。
又、前記押圧ブロックは、前記シリンダ部内に、前記ラック軸に対する遠近動を可能に嵌装されている。
又、前記弾性部材は、例えば圧縮コイルばねであり、前記押圧ブロックと、前記シリンダ部の外端開口部に固設された蓋体との間に設けられている。そして、この押圧ブロックを前記ラック軸の背面に向けて押圧する。

特に、本発明のラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットに於いては、前記押圧ブロックの外周面のうちで前記シリンダ部の外端開口側の端部（先端部外周縁）に、この外端開口側の端面側及び外周面側が開口した小径段部を全周に亙って形成している。即ち、この小径段部が形成された前記押圧ブロックの端部の外径を、この小径段部よりも内端寄りの外径よりも小さくしている。そして、この小径段部に、前記押圧ブロック及び前記ケーシングを構成する材料よりも内部損失が大きな材料製で、この押圧ブロックの外径以上の外径を有する緩衝リングを外嵌している。この緩衝リングを構成する材料としては、ゴム、ビニルの如きエラストマー或いは合成樹脂の如き高分子材料のうち、比較的軟質のものが採用可能である。又、前記シリンダ部を備えたケーシングの材質によっては（例えば、このケーシングが鉄系合金の如き硬質金属製である場合には）、鉛、アルミニウム系合金、マグネシウム系合金の如き軟質金属等を採用する事もできる。要するに、前記押圧ブロック及び前記ケーシングを構成する材料よりも明らかに内部損失が大きい（軟らかい）材料であれば、採用可能である。
この様な本発明を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した発明の様に、前記緩衝リングを前記小径段部に締り嵌めで外嵌固定する。

上述の様に構成する本発明のラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットによれば、押圧ブロックの先端部外周縁とシリンダ部の内周面とが勢い良く衝突する事を防止できて、耐久性を良好にできる。
即ち、前記押圧ブロックが揺動変位した場合でも、この押圧ブロックの外周面の先端部に関しては、緩衝リングの外周面と前記シリンダ部の内周面とが衝突するのみで、この内周面と前記押圧ブロックの本体部分とが衝突する事はない。前記緩衝リングは、内部損失の大きな材料により造られている為、この緩衝リングの外周面と前記シリンダ部の内周面とが衝突しても、衝突エネルギはこの緩衝リングを構成する材料の変形（内部損失）により吸収され、大きな振動や異音の発生に結び付く事はない。又、前記内周面に大きな衝撃が加わる事はない。この結果、前述した様な不快な振動や騒音を抑えられる事に加え、前記押圧ブロックの外周面及び前記シリンダ部の内周面の摩耗を抑えられて、ラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットの耐久性の向上を図れる。
更に、請求項２に記載した発明の構成によれば、組み立て途中で、前記緩衝リングが、前記押圧ブロックの小径段部から脱落する事を防止できる。

本発明の実施の形態の第１例を示す、図７の左部に相当する部分断面図。 図１のＸ部拡大図。 押圧ブロックが揺動変位した状態を示す、図９の（Ｂ）と同様の図。 本発明の実施の形態の第２例を示す、図２と同様の図。 ラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットを組み込んだ自動車用操舵装置の１例を示す部分切断側面図。 図５のＹ−Ｙ断面図。 図６の拡大Ｚ−Ｚ断面図。 ラック軸を取り出して図６の上方から見た状態で示す略図。 ラック歯とピニオン歯との間での動力伝達に伴って押圧ブロックが揺動変位する状態を、中立状態（Ａ）と傾斜状態（Ｂ）とで示す模式図。

［実施の形態の第１例］
図１〜３は、請求項１〜２に対応する、本発明の実施の形態の第１例を示している。尚、本例を含めて本発明の特徴は、押圧ブロック２１ａの揺動変位に拘らず、この押圧ブロック２１ａの先端部外周縁と、ケーシング１０のシリンダ部２０の内周面とが勢い良く衝突するのを防止する為の構造にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図７に示した従来構造と同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は、省略若しくは簡略にし、以下、本発明の特徴部分を中心に説明する。

本例のラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットに於いては、前記押圧ブロック２１ａの先端部（図１〜３の下端部）外周面、即ち、この外周面のうちで前記シリンダ部２０の外端開口側の端部に、小径段部２７を、全周に亙って形成している。この小径段部２７は、この外端開口側の端面側及び外周面側が開口している。そして、この小径段部２７に、緩衝リング２８を外嵌している。本例の場合にこの緩衝リング２８は、合成樹脂或いはゴム等の高分子材料製で、前記小径段部２７に、締り嵌めで外嵌固定している。前記緩衝リング２８の外径は、この小径段部２７に外嵌した状態で、前記押圧ブロック２１ａのうちで、この小径段部２７よりも内端寄り（図１〜３の上側）部分の外径以上、確保している。

尚、前記押圧ブロック２１ａは、鉄系合金若しくはアルミニウム系合金等の金属製、或いはポリアミド樹脂、ポリ四フッ化エチレン樹脂等の合成樹脂製である。金属製の場合には、前記ラック軸８の背面と摺接する面に、合成樹脂、含油メタル等の低摩擦材を添着する。何れにしても、前記押圧ブロック２１ａの外周面のうち、前記ラック軸８側の端部である内端部外周縁には面取りを施して、前記シリンダ部２０内に前記押圧ブロック２１ａを、容易に挿入できる様にしている。尚、前記押圧ブロック２１ａを合成樹脂製とする場合に、前記緩衝リング２８を構成する合成樹脂は、この押圧ブロック２１ａを構成する合成樹脂よりも内部損失が大きい（軟らかい）材質のものを採用する。

上述の様に本例のラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットの場合には、前記押圧ブロック２１ａの先端部に前記緩衝リング２７を外嵌支持している為、ピニオン軸６と前記ラック軸８との間の動力伝達に伴って、前記押圧ブロック２１ａが揺動変位しても、前記押圧ブロック２１ａの先端部外周縁と前記シリンダ部２０ａの内周面とが衝突する事はなくなる。前記緩衝リング２８はこの内周面に衝突する場合があるが、この緩衝リング２８は内部損失が大きい材料製である為、衝突エネルギは、この緩衝リング２８が変形する事で消費され、衝突部での振動や騒音の発生を抑えられる。この結果、前記動力伝達に伴う、前記押圧ブロック２１ａの揺動変位に拘らず、前述した様な、不快な振動や騒音、或いは著しい摩耗が生じる事を防止できる。

更に、本例の構造の場合には、前記緩衝リング２８を前記小径段部２７に、締り嵌めで外嵌している為、ステアリングギヤユニットの組立時に、この小径段部２７から前記緩衝リング２８が脱落する事を防止できる。即ち、前記ステアリングギヤユニットの組立を完了した状態で前記緩衝リング２８は、蓋体２２により抑えられて、前記小径段部２７から抜け出る事はなくなる。従って、機能上は、前記緩衝リング２８をこの小径段部２７に隙間嵌で外嵌しても構わないが、その場合には、組立作業の過程で、この小径段部２７から前記緩衝リング２８が脱落し易い。これに対して本例の場合には、この緩衝リング２８の脱落を防止して、組立作業の容易化を図れる。

［実施の形態の第２例］
図４も、請求項１〜２に対応する、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例の場合には、押圧部材２１ａの小径段部２７に外嵌する緩衝部材２８ａとして、ゴム製のＯリングを採用している。この緩衝部材２８ａを前記小径段部２７に、締り嵌めで外嵌した状態で、この緩衝部材２８ａの最大径が前記押圧部材２１ａの基端寄り部分の外径以上になる様にしている。従って、この押圧部材２１ａが揺動変位すると、この押圧部材２１ａの外周面の先端部外周縁がシリンダ部２０の内周面に衝突する以前に、前記緩衝部材２８ａの最大径部分がこの内周面に当接し、当接部で振動や騒音の発生を抑える。
その他の部分の構成及び作用は、上述した実施の形態の第１例と同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は省略する。

１ ステアリングホイール
２ ステアリングシャフト
３ 自在継手
４ 中間シャフト
５ ステアリングギヤユニット
６ ピニオン軸
７ ピニオン歯
８ ラック軸
９ ラック歯
１０ ケーシング
１１ 主収納部
１２ 副収納部
１３ ラックガイド
１４ 球面継手
１５ タイロッド
１６ ラジアルニードル軸受
１７ 玉軸受
１８ 抑えねじ筒
１９ シールリング
２０ シリンダ部
２１、２１ａ 押圧ブロック
２２ 蓋体
２３ ばね
２４ 凹部
２５ 係止凹溝
２６ 弾性リング
２７ 小径段部
２８、２８ａ 緩衝リング

Claims (2)

1. 両端が開口した筒状の主収納部、及び、この主収納部に対し捩れの位置関係で設けられて一端が開口した筒状の副収納部、及び、この主収納部の内外を連通させる状態でこの主収納部に対し直交する方向に設けられたシリンダ部を有するケーシングと、前面にラック歯を設け、このケーシングの主収納部内に軸方向の変位を可能に設置されたラック軸と、軸方向の先半部に形成したピニオン歯を前記ラック歯と噛合させると共に軸方向の基半部を前記ケーシングの副収納部の開口部から外に突出させた状態でこの副収納部内に、回転可能に配置されたピニオン軸と、前記シリンダ部内に、前記ラック軸に対する遠近動を可能に嵌装された押圧ブロックと、この押圧ブロックと前記シリンダ部の外端開口部に固設された蓋体との間に設けられ、この押圧ブロックを前記ラック軸の背面に向けて押圧する弾性部材とを備えたラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニットに於いて、前記押圧ブロックの外周面のうちで前記シリンダ部の外端開口側の端部に、この外端開口側の端面側及び外周面側が開口した小径段部を全周に亙って形成すると共に、この小径段部に、前記押圧ブロック及び前記ケーシングを構成する材料よりも内部損失が大きな材料製で、前記押圧ブロックの外径以上の外径を有する緩衝リングを外嵌した事を特徴とするラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニット。
2. 前記緩衝リングを前記小径段部に締り嵌めで外嵌固定している、請求項１に記載したラックアンドピニオン式ステアリングギヤユニット。

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