(57)【要約】【課題】製造時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、イオウの含有量が０．０３５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で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。この素材（軟化焼鈍し後で冷間鍛造前の素材）は、軟化焼鈍しによって硬さがＨＶ２００以下とされているとともに、球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織を有する。さらに、素材のビッカース硬さＨと鋼に含まれるイオウの量Ｃｓ（質量％）とが、Ｈ＋２０００×Ｃｓ≦２４０なる式を満足する。【選択図】図１
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【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５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）鋼で構成され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、さらに高周波焼入れを施して得られたものである。
条件Ｂ）前記鋼に含まれるイオウの量は０．０３５質量％以下である。
条件Ｃ）前記素材は、球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織を有する。
条件Ｄ）前記素材のビッカース硬さはＨＶ２００以下である。
条件Ｅ）前記素材のビッカース硬さＨと前記鋼に含まれるイオウの量Ｃｓ（質量％）とが、Ｈ＋２０００×Ｃｓ≦２４０なる式を満足する。
【請求項２】
前記鋼に含まれる炭素の量が０．３５質量％以上０．５５質量％以下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。
【請求項３】
前記鋼が、日本工業規格ＪＩＳ  Ｇ４０５１に規定されたＳ３５Ｃ〜Ｓ５５Ｃ及びＳＡＥ規格に規定された１０３５〜１０５５のうちの１種であることを特徴とする請求項２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】
しかしながら、一般的にラックの材料として用いられる炭素の含有量が０．３５質量％以上０．５５質量％以下である鋼は、難加工材であるため、冷間鍛造で成形する際に素材に割れ等の損傷が発生するおそれがあった。
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、製造時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】
本発明者らは、ラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックを冷間鍛造で成形する場合において、素材を構成する鋼中のイオウの含有量、素材の硬さ、及び素材の組織について検討し、これらの点と素材の成形性との関係に関する知見を得て、本発明を完成するに至った。
すなわち、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。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５つの条件を満たしていることを特徴とする。
【０００６】
条件Ａ）鋼で構成され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、さらに高周波焼入れを施して得られたものである。
条件Ｂ）前記鋼に含まれるイオウの量は０．０３５質量％以下である。
条件Ｃ）前記素材は、球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織を有する。
条件Ｄ）前記素材のビッカース硬さはＨＶ２００以下である。
条件Ｅ）前記素材のビッカース硬さＨと前記鋼に含まれるイオウの量Ｃｓ（質量％）とが、Ｈ＋２０００×Ｃｓ≦２４０なる式を満足する。
【０００７】
上記のように、素材を構成する鋼中のイオウの含有量、素材の硬さ、及び素材の組織が制御されていれば、該素材の成形性が良好となる。よって、素材を冷間鍛造で成形してラックを製造する際に、素材に割れ等の損傷が発生するおそれがほとんどない。
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、前記鋼に含まれる炭素の量が０．３５質量％以上０．５５質量％以下であることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３のラックアンドピニオン式ステアリング装置は、請求項２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、前記鋼が、日本工業規格ＪＩＳ  Ｇ４０５１に規定されたＳ３５Ｃ〜Ｓ５５Ｃ及びＳＡＥ規格に規定された１０３５〜１０５５のうちの１種であることを特徴とする。
【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。
〔イオウの含有量について〕
鋼中に非金属介在物である硫化マンガンが存在すると、冷間鍛造時に素材に割れ等の損傷が発生しやすい。よって、鋼中のイオウ（Ｓ）の含有量を少なくすれば、硫化マンガンの生成が抑えられ、冷間鍛造時に素材に損傷が発生しにくくなる。素材を冷間鍛造により成形してラックを製造する際に素材に損傷が発生することを十分に抑制するためには、鋼中のイオウの含有量を０．０３５質量％以下とする必要がある。
【０００９】
〔炭素の含有量について〕
炭素（Ｃ）は、高周波焼入れ後の鋼の強度や表面硬さを確保するために必要な元素である。ラックには静的強度，曲げ疲労強度，ピッチング疲労強度が必要であるため、炭素の含有量は０．３５質量％以上とすることが好ましい。ただし、含有量が０．５５質量％超過であると、硬さが高くなりすぎて成形性が損なわれるおそれがあるため、０．５５質量％以下とすることが好ましい。
【００１０】
〔素材のビッカース硬さについて〕
本発明における素材は、軟化焼鈍しが施されているため良好な成形性を有しているが、軟化焼鈍しが不十分であった場合には、変形抵抗が大きくなったり、割れ等の損傷が発生してしまうおそれがある。これらの原因としては、組織中にパーライトが発生していることや、炭化物の球状化が不十分であることがあげられる。軟化焼鈍しが不十分であったとしても素材が良好な成形性を有するためには、素材のビッカース硬さはＨＶ２００以下である必要がある。
【００１１】
〔素材のビッカース硬さと鋼に含まれるイオウの量との関係について〕
鋼中のイオウの含有量が多いほど硫化マンガンの量が増加し、この硫化マンガンが冷間鍛造の際に割れ等の損傷の起点となるが、鋼中のイオウの含有量を少なくしただけでは、損傷の発生を十分に抑えることができない。冷間鍛造時の損傷の原因としては、硫化マンガンのような介在物とともに、素材の組織状態もあげられ、両者が好適でなければ損傷の発生を十分に抑えることができない。冷間鍛造時の素材の損傷を十分に抑えるためには、素材のビッカース硬さＨと鋼に含まれるイオウの量Ｃｓとが、Ｈ＋２０００×Ｃｓ≦２４０なる式を満足する必要がある。
【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、製造時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した姿勢で、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、イオウの含有量が０．０３５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で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】
この素材（軟化焼鈍し後で冷間鍛造前の素材）は、軟化焼鈍しによって硬さがＨＶ２００以下とされている。また、この素材（軟化焼鈍し後で冷間鍛造前の素材）は、球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織を有する。さらに、素材（軟化焼鈍し後で冷間鍛造前の素材）のビッカース硬さＨと鋼に含まれるイオウの量Ｃｓ（質量％）とが、Ｈ＋２０００×Ｃｓ≦２４０なる式を満足する。さらに、ラック２１の表面には、高周波焼入れによって焼入れが施され硬化された硬化層が形成されている。この硬化層の内側は、高周波焼入れにより焼入れが施されておらず、非焼入れ部となっている。
【００１９】
このように、素材を構成する鋼中のイオウの含有量、素材の硬さ、及び素材の組織が制御されているので、該素材の成形性は良好である。よって、素材を冷間鍛造により成形してラック２１を製造する際に、素材に割れ等の損傷が発生するおそれがほとんどない。
なお、素材を構成する鋼としては、日本工業規格ＪＩＳ  Ｇ４０５１に規定されたＳ３５Ｃ，Ｓ３８Ｃ，Ｓ４０Ｃ，Ｓ４３Ｃ，Ｓ４５Ｃ，Ｓ４８Ｃ，Ｓ５０Ｃ，Ｓ５３Ｃ，Ｓ５５Ｃや、ＳＡＥ規格に規定された１０３５，１０３７，１０３８，１０３９，１０４０，１０４２，１０４３，１０４４，１０４５，１０４６，１０４９，１０５０，１０５３，１０５５が好ましい。
【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、イオウの含有量が０．０３５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。軟化焼鈍し条件の一例を示す。素材をＡ１変態点以上の７４０〜８６０℃で０．１ｈ以上保持した後に、２０〜７０℃／ｈの冷却速度で６８０〜７２０℃へ冷却し、１〜５ｈ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、鋼の組織は、球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェラ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、その表面に硬化された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。素材に冷間鍛造を施した際の割れ発生率と、素材のビッカース硬さ及び鋼中のイオウの含有量と、の関係を調査した。
表１〜６に示すような合金成分を有する鋼（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の丸棒素材又は管状素材に、前述の例と同様の条件の軟化焼鈍しを施して、球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織とした。
このような素材に、図２，３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、最も割れが発生しやすい歯の先端にマイクロクラックが発生しているか否かを、顕微鏡観察により確認した。
【００２８】
【表１】
2010018068.tif 000003
【００２９】
【表２】
2010018068.tif 000004
【００３０】
【表３】
2010018068.tif 000005
【００３１】
【表４】
2010018068.tif 000006
【００３２】
【表５】
2010018068.tif 000007
【００３３】
【表６】
2010018068.tif 000008
【００３４】
素材のビッカース硬さ及び鋼中のイオウの含有量が同一の素材をそれぞれ１００個用意して冷間鍛造を施し、マイクロクラックの発生率（割れ発生率）を算出した。素材が丸棒素材である場合の結果を表１〜３に示し、素材が管状素材である場合の結果を表４〜６に示す。また、素材のビッカース硬さＨと鋼中のイオウの含有量Ｃｓ（質量％）とから、Ｈ＋２０００×Ｃｓなる値（以降は式値と記す）を算出し、この式値と割れ発生率との関係を図４，５のグラフに示す。図４は、素材が丸棒素材である場合のグラフであり、図５は、素材が管状素材である場合のグラフである。
【００３５】
なお、表１〜６に示したビッカース硬さは、冷間鍛造を施す直前の段階における素材の硬さである。また、鋼には、表１〜６に示した合金成分（炭素，ケイ素，マンガン）と不純物であるイオウとの他に、クロム及び通常の鋼に含まれる不可避の不純物が含まれている。この不純物は、リン，銅，ニッケル，窒素，及び酸素であり、その含有量は、リンは０．０３質量％以下、銅は０．３質量％以下、ニッケルは０．２質量％以下、窒素は０．０３質量％以下、酸素は０．００３質量％以下である。
図４，５のグラフから分かるように、前記式値が２４０超過であると、冷間鍛造を施した際に割れが発生した。鋼中のイオウの含有量が多いと硫化マンガンの量が著しく多くなるため、この硫化マンガンが割れの起点となったと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【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】素材が丸棒素材である場合の式値（Ｈ＋２０００×Ｃｓ）と割れ発生率との関係を示すグラフである。
【図５】素材が管状素材である場合の式値（Ｈ＋２０００×Ｃｓ）と割れ発生率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
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】
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【図２】
2010018068.tif 000010
【図３】
2010018068.tif 000011
【図４】
2010018068.tif 000012
【図５】
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