(57)【要約】【課題】使用時に衝撃や応力が入力されてもラックに損傷が生じにくいラックアンドピニオン式ステアリング装置を提供する。【解決手段】ラックアンドピニオン式ステアリング装置のラック２１は、炭素の含有量が０．３５質量％以上０．５５質量％以下である鋼で構成されている。すなわち、上記鋼からなる棒状素材又は管状素材に軟化焼鈍しを施した後に冷間鍛造により成形し、さらに高周波焼入れを施すことにより製造されている。ラック２１の表面には、高周波焼入れにより硬化層が形成されており、ラックの歯の表面硬さＨＶは５５０以上である。また、硬化層のうち硬さＨＶが３００以上５５０以下の部分について、硬さＨと深さＤ（単位はｍｍ）との関係をＨ＝ａＤ＋ｂなる式で表したときに、該式の係数ａが−７５０以上−１２０以下である。【選択図】図１
2010018066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転者の操舵により回転するステアリング軸と、前記ステアリング軸に連結され前記ステアリング軸の回転に伴って回転するピニオンと、前記ピニオンに噛み合うとともに車輪に連結されるラックと、を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置において、前記ラックが以下の４つの条件を満たしていることを特徴とするラックアンドピニオン式ステアリング装置。
条件Ａ）炭素の含有量が０．３５質量％以上０．５５質量％以下である鋼で構成されている。
条件Ｂ）高周波焼入れにより表面に硬化層が形成されている。
条件Ｃ）歯の表面硬さＨＶが５５０以上である。
条件Ｄ）前記硬化層のうち硬さＨＶが３００以上５５０以下の部分について、硬さＨと深さＤ（単位はｍｍ）との関係をＨ＝ａＤ＋ｂなる式で表したときに、該式の係数ａが−７５０以上−１２０以下である。
【請求項２】
前記ラックは、前記鋼からなり且つ軟化焼鈍しが施された素材を、冷間鍛造で所定の形状に成形した後に、前記高周波焼入れを施して得られたものであることを特徴とする請求項１に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車等に用いられるラックアンドピニオン式ステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
乗用車においては、ステアリング軸の回転を左右の転舵輪の運動に変換する機構として、高剛性且つ軽量であることから、ラックアンドピニオン機構が主に用いられている。そして、ラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックは、中炭素鋼材（例えばＳ３５〜Ｓ５５Ｃに相当する鋼材）で構成され、通常は以下のようにして製造される。すなわち、中炭素鋼材を圧延して得た棒状素材に焼入れ，焼戻しを施した後に、ピニオンの歯と噛み合う歯を切削加工により形成し、この歯に高周波焼入れ処理を施す。このようにラックは切削加工により成形されるため、製造に多くの手間や時間を要し高コストであるという難点があった。
【０００３】
そこで、ラックを塑性加工により成形する方法がある。塑性加工によれば、切削加工に比べて製造に多くの手間や時間を必要としないため、製造コストが低減される。また、近年においては、棒状素材に代えてパイプのような管状素材を素材として用いて、ラックを塑性加工により成形することが提案されている（特許文献１〜６を参照）。ラックを管状素材から製造することにより、自動車の軽量化が達成される。
【特許文献１】特開平１０−５８０８１号公報
【特許文献２】特開２００１−７９６３９号公報
【特許文献３】特許第３４４２２９８号公報
【特許文献４】特開２００６−１０３６４４号公報
【特許文献５】特開２００７−１０５７５１号公報
【特許文献６】特開２００７−１４４４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年においては自動車の使用条件は厳しくなっており、ラックアンドピニオン式ステアリング装置に求められる性能も年々高くなってきている。例えば、自動車が縁石等に乗り上げることにより衝撃や応力が入力された場合でも、破損が生じないような優れた静的強度をラックが有していることが要求されている。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、使用時に衝撃や応力が入力されてもラックに損傷が生じにくいラックアンドピニオン式ステアリング装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１のラックアンドピニオン式ステアリング装置は、運転者の操舵により回転するステアリング軸と、前記ステアリング軸に連結され前記ステアリング軸の回転に伴って回転するピニオンと、前記ピニオンに噛み合うとともに車輪に連結されるラックと、を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置において、前記ラックが以下の４つの条件を満たしていることを特徴とする。
【０００６】
条件Ａ）炭素の含有量が０．３５質量％以上０．５５質量％以下である鋼で構成されている。
条件Ｂ）高周波焼入れにより表面に硬化層が形成されている。
条件Ｃ）歯の表面硬さＨＶが５５０以上である。
条件Ｄ）前記硬化層のうち硬さＨＶが３００以上５５０以下の部分について、硬さＨと深さＤ（単位はｍｍ）との関係をＨ＝ａＤ＋ｂなる式で表したときに、該式の係数ａが−７５０以上−１２０以下である。
【０００７】
ラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックには大きな衝撃や応力が入力される場合があるが、上記のような構成の硬化層が形成されていれば、ラックの静的強度（特に曲げ強度）が優れているため、大きな衝撃や応力が入力されても損傷が生じにくい。
つまり、高周波焼入れを施すと、焼入れ部（すなわち硬化層）と非焼入れ部（硬化層の内側の高周波焼入れが施されていない部分）との界面において引張残留応力が発生し、この引張残留応力が大きい場合には、ラックに大きな衝撃や応力が入力された際に、表面ではなく内部（前記界面）を起点とした破壊が発生しやすくなるが、上記のような構成の硬化層が形成されていれば、前述の引張残留応力の発生が緩和されるので、内部を起点とした破壊が発生しにくくなり、ラックに大きな衝撃や応力が入力されても損傷が生じにくい（すなわち、ラックの静的強度が高い）。
【０００８】
ここで、前記各条件における各数値の臨界的意義について説明する。
〔条件Ａについて〕
炭素の含有量が０．３５質量％未満であると、ラックに形成されている歯の表面硬さＨＶを５５０以上とすることが困難となる場合がある。一方、０．５５質量％超過であると、鋼の加工性が不十分となるおそれがある。
【０００９】
〔条件Ｃについて〕
ラックにはピニオンから応力が入力されるため、ラックに形成されている歯には十分な強度が要求される。歯が十分な強度を有するためには、歯の表面硬さＨＶが５５０以上である必要がある。なお、より高い強度を歯が有するためには、歯の表面硬さＨＶを６００以上とすることが好ましい。
【００１０】
〔条件Ｄについて〕
前記式の係数ａが−７５０未満であると、ラックの静的強度が不十分となり、大きな衝撃や応力が入力された際にラックに損傷が生じやすくなるおそれがある。一方、係数ａが−１２０超過であると、高周波焼入れに長時間を要したり、高周波焼入れにより変形が生じたり、結晶粒等が粗大化するおそれがある。
また、本発明に係る請求項２のラックアンドピニオン式ステアリング装置は、請求項１に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置において、前記ラックは、前記鋼からなり且つ軟化焼鈍しが施された素材を、冷間鍛造で所定の形状に成形した後に、前記高周波焼入れを施して得られたものであることを特徴とする。
【００１１】
素材を冷間鍛造でラックの形状に成形するにあたっては、十分な塑性加工性が必要であるので、まず素材に軟化焼鈍しを施す必要がある。この軟化焼鈍しが施されることにより、素材中の炭化物が球状化するが、この球状化した組織に高周波焼入れを施すと、組織的な因子によって上記条件Ｃ，Ｄを満たすような構成の硬化層を容易に形成することができる。また、熱間鍛造，切削加工，絞り加工等が不要であるため、ラックアンドピニオン式ステアリング装置を容易に且つ低コストで製造することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ラックの静的強度が優れているので、使用時に衝撃や応力が入力されてもラックに損傷が生じにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置の実施の形態を、図１を参照しながら詳細に説明する。
ステアリングホイール１０が上端部に固定されたステアリング軸１１が、ステアリング軸用ハウジング１２の内部に、軸心を中心に回転自在に支承されている。また、ステアリング軸用ハウジング１２は、下部を車両の前方に向けて傾斜させた姿勢で、車室内部の所定位置に固定されている。
【００１４】
ステアリング軸１１の回転を左右の転舵輪１５，１５の運動に変換するラックアンドピニオン機構は、軸方向に移動可能なラック２１と、ラック２１の軸心に対して斜めに支承されラック２１の歯に噛み合う歯を備えたピニオン２２と、ラック２１及びピニオン２２を支承する筒状のラック用ハウジング２３と、で構成されている。そして、ラックアンドピニオン機構は、その長手方向が車両の幅方向に沿うようにして、車両の前部のエンジンルーム内にほぼ水平に配置されている。
【００１５】
また、ピニオン２２の上端部とステアリング軸１１の下端部とは、２個の自在継手２５，２６で連結されている。さらに、ラック２１の両端部には、転舵輪１５，１５が連結されている。
運転者によってステアリングホイール１０に操舵トルク（回転力）が加えられると、ステアリング軸１１が回転し、このステアリング軸１１の回転に伴ってピニオン２２が回転する。そして、このピニオン２２の回転がラックアンドピニオン機構によってラック２１の左右方向のスライド運動に変換され、転舵輪１５，１５が駆動されて自動車が操舵される。
【００１６】
なお、本実施形態のラックアンドピニオン式ステアリング装置には、いわゆるパワーステアリング機構を設けてもよい。すなわち、前記操舵トルクは、ステアリング軸１１に取り付けられた図示しないトーションバーにより検出され、検出された操舵トルクに基づいて、電動モータ１３の出力（操舵を補助する回転力）が制御される。電動モータ１３の出力は、ステアリング軸１１の中間部分に供給され（ピニオン２２に供給されるようにしてもよい）、前記操舵トルクと合わされて、ラックアンドピニオン機構によって転舵輪１５，１５を駆動する運動に変換される。
【００１７】
このラックアンドピニオン式ステアリング装置においては、ラック２１は、炭素の含有量が０．３５質量％以上０．５５質量％以下である鋼で構成されている。そして、ラック２１は、上記のような鋼からなる棒状素材又は管状素材（以降は素材と記すこともある）に軟化焼鈍しを施した後に冷間鍛造により所定の形状に成形し、さらに高周波焼入れを施すことにより製造されている。
【００１８】
このようにして製造されたラック２１の表面には、高周波焼入れにより図示しない硬化層が形成されているので、ラック２１の歯の表面硬さＨＶは５５０以上となっている。さらに、この硬化層は以下のような構成となっている。すなわち、硬化層のうち硬さＨＶが３００以上５５０以下の部分について、ビッカース硬さＨと深さＤ（単位はｍｍ）との関係をＨ＝ａＤ＋ｂなる式で表したときに、該式の係数ａが−７５０以上−１２０以下である。軟化焼鈍しによって鋼中の炭化物が球状化されているため、その後の高周波焼入れによって上記のような構成の硬化層が形成される。
【００１９】
このようなラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ラック２１が優れた静的強度を有しているので、大きな衝撃や応力が入力されても損傷が生じにくい。また、軟化焼鈍しが施されたことにより素材の塑性加工性が優れているため、冷間鍛造で成形してラック２１とする際に割れ等の損傷が生じにくい。さらに、このラックアンドピニオン式ステアリング装置は、熱間鍛造，切削加工，絞り加工等を行うことなく製造することができるため、容易に且つ低コストで製造することができる。
【００２０】
以下に、ラック２１の製造方法の一例を説明する。まず、炭素の含有量が０．３５質量％以上０．５５質量％以下である鋼で構成された棒状素材又は管状素材に、軟化焼鈍しを施す。軟化焼鈍しの条件の一例を示す。素材をＡ１変態点以上の７４０〜８６０℃で０．１時間以上保持した後に、２０〜７０℃／ｈの冷却速度で６８０〜７２０℃へ冷却し、１〜５時間保持する。続いて、１０〜１００℃／ｈの冷却速度で６２０〜６８０℃へ冷却し、さらに、１０〜１５０℃／ｈの冷却速度で５００〜５６０℃へ冷却する。このような軟化焼鈍しにより、鋼はフェライト，球状化セメンタイト，及び針状セメンタイトを含有する組織となる。
【００２１】
次に、軟化焼鈍しを施した素材に、図２，３のように冷間鍛造を施し、所定の形状に成形する。まず、断面円形の中実棒状素材を冷間鍛造により成形した例について、図２を参照しながら説明する。
まず、断面円弧状の溝３２ａが形成されたダイス３２の上に中実棒状素材３１を載置する。この溝３２ａの曲率半径は中実棒状素材３１の半径よりも大として、この溝３２ａ内に中実棒状素材３１を配する（図２の（ａ）を参照）。そして、中実棒状素材３１に上方からパンチ３３を押し当て、パンチ３３を下方に押圧することにより、中実棒状素材３１を溝３２ａ内に密着させ変形させる。パンチ３３の中実棒状素材３１との接触面は平面状であるため、中実棒状素材３１に平面部３１ａが形成される（図２の（ｂ）を参照）。これにより、中実棒状素材３１は平面部３１ａと円筒面部３１ｂとを有するような形状となる。なお、パンチ３３の中実棒状素材３１との接触面は平面状に限らず、テーパを有していてもよい。
【００２２】
次に、前述の溝３２ａよりも深い溝３４ａが形成されたダイス３４を用意し、円筒面部３１ｂを下方（溝３４ａの底側）に向けて中実棒状素材３１を該溝３４ａ内に配する。この時、この溝３４ａの幅は、中実棒状素材３１の直径よりも僅かに小さく設計されているので、中実棒状素材３１は溝３４ａ内に完全には収容されない（図２の（ｃ）を参照）。そして、歯溝３５ａを有するパンチ３５を中実棒状素材３１の平面部３１ａに押し当て、パンチ３５を下方に押圧すると、中実棒状素材３１がダイス３４の溝３４ａ内に押し込められる。その際には、中実棒状素材３１の両側（ダイス３４の溝３４ａの側壁に接触する部分）がしごかれて変形し、互いに平行な平面となるとともに、歯溝３５ａに対応する歯３１ｃが中実棒状素材３１の平面部３１ａに形成される（図２の（ｄ）を参照）。そして、中実棒状素材３１の両側のしごかれた分の肉が歯３１ｃに供給され、歯３１ｃの形状がより大きくなる。
【００２３】
次に、断面略矩形の溝３６ａが形成されたダイス３６と、断面円弧状の溝３７ａが形成されたパンチ３７と、を用意する。ダイス３６に形成された溝３６ａの底面には、中実棒状素材３１の平面部３１ａに形成された歯３１ｃに対応する歯溝３６ｂが形成されている。一方、パンチ３７に形成された溝３７ａは、中実棒状素材３１の円筒面部３１ｂに対応する形状となっている。
【００２４】
ダイス３６に形成された溝３６ａ内に中実棒状素材３１を配すると、溝３６ａの幅が中実棒状素材３１の直径よりも僅かに小さいために中実棒状素材３１は溝３６ａ内に完全には収容されないが（図２の（ｅ）を参照）、中実棒状素材３１に上方からパンチ３７を押し当て下方に押圧すると、中実棒状素材３１がダイス３６の溝３６ａ内に押し込められ、中実棒状素材３１の形状が整えられる。中実棒状素材３１の両側（ダイス３６の溝３６ａの側壁に接触する部分）は平面となっているので、中実棒状素材３１をダイス３６の溝３６ａ内に押し込めた際に余肉が生じない（図２の（ｆ）を参照）。
【００２５】
次に、断面円形の管状素材４１を冷間鍛造により成形した例について、図３を参照しながら説明する。なお、図３においては、図２と同一又は相当する部分には、図２と同一の符号を付してある。成形方法は中実棒状素材３１と全く同様であるので、詳細な説明は省略するが、管状素材４１を冷間鍛造により成形する際には、その中空孔４２に、該中空孔４２の直径とほぼ同径の別部材４３を入れておくとよい。最初に変形させた段階（図３の（ｂ）を参照）で、中空孔４２内に別部材４３が充填され、管状素材４１と別部材４３とが一体化される。
【００２６】
このようにしてラックの形状に成形された素材に高周波焼入れ及び焼戻しを施して、その表面に硬化層を形成した後、研削仕上げや超仕上げを施して、ラック２１を完成した。高周波焼入れの条件は特に限定されるものではないが、例えば、出力電流２２０〜２７０Ａ、周波数１００ｋＨｚ、加熱時間３〜５秒、冷却時間１０〜１５秒のような条件があげられる。
【００２７】
〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。日本工業規格ＪＩＳに規定のＳ３５Ｃ，Ｓ４５Ｃ，又はＳ５５Ｃで構成された直径２５ｍｍの丸棒素材に、前述の例と同様の条件の軟化焼鈍しを施した。このような素材に、図２に示したような冷間鍛造を施して、ラックの形状に成形した。そして、高周波焼入れを施して、その表面に硬化層を形成した後に、１７０℃で２時間の焼戻しを行って実施例のラックを製造した。
【００２８】
比較例のラックの場合も、実施例のラックの場合とほぼ同様にして製造したが、従来品と同様の構成の硬化層を形成するために、冷間鍛造と高周波焼入れとの間に、真空中において１１５０℃で３０分保持した後に空冷するという熱処理を施す工程を組み入れた。
実施例，比較例いずれのラックも、高周波焼入れにより表面に硬化層が形成されており、ラックの歯の表面硬さＨＶは５５０以上となっている。また、硬化層のうちビッカース硬さＨＶが３００以上５５０以下の部分について、ビッカース硬さＨと深さＤ（単位はｍｍ）との関係をＨ＝ａＤ＋ｂなる式で表したときに、該式の係数ａは−７５０以上−１２０以下となっている。高周波焼入れの条件は、出力電流２００〜２７０Ａ、加熱時間３〜５秒、冷却時間１０〜２０秒であるが、これらの条件を変更することにより、前記係数ａが種々異なる硬化層を有するラックを製造した。
【００２９】
これらのラックについて、硬化層の種々の深さ位置におけるビッカース硬さＨＶを測定した。ビッカース硬さＨＶの測定は、ビッカース硬度計（負荷荷重９．８Ｎ）により行った。
ビッカース硬さと深さとの関係の一例を、図４のグラフに示す。このグラフから分かるように、実施例と比較例とでは硬化層の構成が異なっている。そして、このグラフから、ビッカース硬さＨと深さＤ（ｍｍ）との関係をＨ＝ａＤ＋ｂなる式で表したときの、係数ａを求めることができる。図４のグラフの実施例１のプロットについて、最小二乗法によって係数ａを求める方法を示したものが、図５のグラフである。図５のグラフのようにして各ラックの係数ａを求めた結果を、表１にまとめて示す。なお、係数ａを求める方法は、最小二乗法に限定されるものではない。
【００３０】
【表１】
2010018066.tif 000003
【００３１】
これらのラックを、ラックアンドピニオン式ステアリング装置に類似の構造を有する試験装置（図６を参照）に装着し、ラックが破損するまで荷重を入力して静的強度を測定した。結果を表１及び図７のグラフにまとめて示す。なお、表１及び図７のグラフの静的強度の数値は、実施例１〜４については比較例１の静的強度を１とした場合の相対値で示してある。また、実施例５〜８については比較例２の静的強度、実施例９〜１２については比較例３の静的強度をそれぞれ１とした場合の相対値で示してある。
図７のグラフから、前記係数ａが−７５０以上であると、ラックの静的強度が高いことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置の構成を説明する図である。
【図２】棒状素材に冷間鍛造を施してラックの形状に成形する工程を説明する図である。
【図３】管状素材に冷間鍛造を施してラックの形状に成形する工程を説明する図である。
【図４】ラックの硬化層のビッカース硬さと深さとの関係を示すグラフである。
【図５】係数ａを求める方法を説明する図である。
【図６】静的強度試験装置の構造を示す図である。
【図７】ラックの静的強度と係数ａとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１１      ステアリング軸
２１      ラック
２２      ピニオン
３１      棒状素材
４１      管状素材
【図１】
2010018066.tif 000004
【図２】
2010018066.tif 000005
【図３】
2010018066.tif 000006
【図４】
2010018066.tif 000007
【図５】
2010018066.tif 000008
【図６】
2010018066.tif 000009
【図７】
2010018066.tif 000010