ステアリングラック
ステアリングラックは、ハンドルの回転運動を左右方向の直線運動に変換し、タイロッドを介して前輪の舵角（トー角）を生成する中核機構である。一般的にはラックアンドピニオン方式を採用し、円筒状のピニオンギヤがステアリングラック（歯付棒）と噛み合うことで、操舵角に応じたラックのストロークを得る。コンパクトで機械効率が高く、オンセンターの操舵感やフィードバックの伝達性に優れるため、乗用車を中心に広く普及している。近年は油圧式や電動式のアシスト機構と一体化したステアリングラックが主流であり、燃費やNVH、パッケージングの面から最適化が進む。
構造と動作原理
ステアリングラックは、インボリュート歯形のラックとピニオン、ピニオン軸受、ラックガイド（プリロード機構）、タイロッド連結部、ダストブーツ、潤滑系から構成される。操舵トルクはトーションバーを介してピニオンに伝達され、ピニオンの回転がラックの直線運動に変換される。ラックガイドはばね力やシムで押し付けプリロードを付与し、バックラッシュを低減する。ダストブーツは水や塵埃の侵入を防ぎ、グリース保持と寿命確保に寄与する。適正な歯面接触、歯当たり、歯面粗さを確保することがステアリングラックの操舵感と耐久の基盤となる。
種類（手動・油圧・電動）
- 手動式：最もシンプルで軽量。アシストが無く、ステアリングラックの機械効率とギヤ比に操舵力が依存する。
- 油圧式（HPS）：ポンプ圧をスプールバルブで制御し、ピニオン近傍やラック筒内のシリンダでアシスト。ステアリングラックへのアシスト力が大きく、重車両にも適するが、ポンプ損失が燃費に不利。
- 電動式（EPS）：モータと減速機でラック（ラックアシスト）またはピニオン／コラムを駆動。ステアリングラックのストロークや路面反力に応じて制御し、アイドル時損失が少なく省燃費・制御自由度が高い。
EPSではトルクセンサと車速情報からアシスト量を決定し、ステアリングラックの戻り性やオンセンター特性をソフトウェアで整える。一方HPSは油温・圧力の影響を受けやすく、シール部からの漏れ対策が重要である。
主要設計パラメータ
- ギヤ比・有効ストローク：ハンドル1回転当たりのラック移動量（mm/rev）を決め、ステアリングラックの切れ角と操舵力のバランスを定める。可変ギヤ比（VGR）で中心付近の安定と大舵角時のクイック性を両立する設計もある。
- 歯形・モジュール・ピッチ：インボリュート歯形の精度（歯形偏差・ピッチ偏差）が操舵トルクの脈動やノイズを支配し、ステアリングラックのNVHを左右する。
- プリロード・バックラッシュ：ラックガイドや偏心機構でクリアランスを管理。大きすぎれば摺動抵抗が増え、少なすぎればガタ・ノック音が発生する。
- 支持・取付剛性：サブフレームへの固定条件やブッシュ硬度がコンプライアンスステアを決め、ステアリングラックの応答性・直進性に影響する。
さらに、ブーツ容積や通気、グリース粘度、シール接触圧は、ステアリングラックの摩擦係数や低温時の操舵力に直結する。衝突時の荷重伝達とエネルギー吸収も考慮すべき要件である。
材料・製造と表面処理
ステアリングラックのラックバーは中炭素鋼や合金鋼を素材とし、切削・歯切り・高周波焼入れ後に研削で歯面精度を仕上げる。ピニオンは浸炭焼入れやシュープ加工で耐ピッチング・耐摩耗性を確保する。ハウジングはアルミダイカストや鋼管が用いられ、軽量化と剛性の両立を図る。リン酸塩皮膜や防錆油で腐食を抑え、シール材は耐油・耐寒熱のエラストマーを選定する。これらの工程管理がステアリングラックの寿命と操舵フィールの再現性に直結する。
評価・試験と品質管理
- トルクトゥターン・フリクション測定：ステアリングラックの摺動抵抗と波形（スティックスリップ）を解析。
- バックラッシュ・剛性試験：往復微小操舵でヒステリシスと応答性を評価。
- 耐久・衝撃：段差（カーブストライク）、悪路、塩害、浸水を模擬した長期評価。
- EPS固有：熱容量・デレーティング、センサオフセット、EMC、機能安全（ISO 26262観点）。
品質面では、歯面粗さ・歯形偏差の計測、ブーツ気密、シール漏れ、グリース汚染の管理が不可欠である。これらはステアリングラックの異音・ビビリ・振動（NVH）低減に直結する。
設計・レイアウト上の留意点
ステアリングラックの取付位置やタイロッドの高さは、サスペンションのジオメトリと連動してバンプステアを左右する。サブフレーム剛性やブッシュ硬度は路面反力の伝達経路を規定し、操舵戻りや直進安定性を支配する。EPSラックではモータ・減速機の配置がクラッシャブルゾーンやサービス性に影響し、熱対策や防水設計が必須である。サービス面では、ステアリングラックのセンタリング、ラックストッパのクリアランス、アライメント（トー）の再調整が重要となる。
トラブル症状と対応
- ガタ・遊び：ラックガイドの磨耗やバックラッシュ過大。ステアリングラックのプリロード調整や部品交換で是正。
- 異音：歯面粗さ不良、ブッシュ劣化、ブーツ破損による異物混入。グリース入替や歯当たりの見直し。
- 重ステ：シール抵抗増大、グリース硬化、EPSの熱デレート。温度域を考慮した潤滑・制御最適化。
- オイル漏れ（HPS）：シール摩耗やシャフト偏心。ステアリングラックのオーバーホールやシール交換が必要。
原因究明には、ステアリングラック単体計測と車両搭載状態の両面評価が有効である。入力トルク波形、周波数応答、位相遅れを併用して操舵フィールの定量化を進めることが望ましい。