(57)【要約】【課題】高強度且つ高信頼性の動力伝達部材を提供する。【解決手段】本発明に係るラックは、噛み合い歯の歯幅をｂ（ｍｍ）、円ピッチをｔ（ｍｍ）、歯形係数をｙ、歯元のＲ部の曲率半径をＲ（ｍｍ）、歯厚をｓ（ｍｍ）、歯元表面のビッカース硬さをＨｖ、としたとき、  【数１】2014016000.tif 000015の関係式を満たすことを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
噛み合い歯を有する動力伝達部材であって、
前記噛み合い歯の歯幅をｂ（ｍｍ）、円ピッチをｔ（ｍｍ）、歯形係数をｙ、歯元のＲ部の曲率半径をＲ（ｍｍ）、歯厚をｓ（ｍｍ）、歯元表面のビッカース硬さをＨｖ、としたとき、
【数１】
2014016000.tif 000013
の関係式を満たすことを特徴とする動力伝達部材。
【請求項２】
前記歯元の前記Ｒ部の表面から深さ２．５ｍｍ以下の範囲に含まれる介在物の寸法を√areaとしたとき、
【数２】
2014016000.tif 000014
の関係式を満たすことを特徴とする請求項１記載の動力伝達部材。
【請求項３】
ラックアンドピニオン式ステアリング装置用ラックであることを特徴とする請求項１または２記載の動力伝達部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は噛み合い歯を有する動力伝達部材に関し、特に、ラックアンドピニオン式ステアリング装置用ラックに関する。
【背景技術】
【０００２】
噛み合い歯を有すると共に当該噛み合い歯によって動力を伝達する機械構造部材は従来種々存在し、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置に用いられるラックもその一種である。ラックは、ピニオンから伝達されるトルクを受けて車軸の操舵を可能とする部材であり、操舵部材の中で最も重要な部材の１つである。近年、車両の各部材について軽量化、小型化が要求されているが、安全性の観点から、ステアリング装置用のラックには高強度、高信頼性が優先的に強く求められている。
【０００３】
機械構造部材の高強度化のためには、一般に、材料改質によって材料自体の強度を向上することが考えられる。材料自体の強度を向上するためには、材料の清浄度を向上させ、疲労破壊の起点となる鋼中非金属介在物の量や大きさを減少させることが考えられる。従来、ステアリングラックの耐衝撃特性を向上するため、ステアリングラックの基準面積中の非金属介在物の個数を規定することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは、特に高周波熱処理が施されるラックの歯のような箇所においては、疲労強度を向上するために有効な手段である。
また、転がり軸受の軌道輪に関してではあるが、超音波探傷検査技術を利用し、被検査体積中に存在する鋼中非金属介在物の大きさを規定することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この技術においては、下記式のように材料硬さと外力による因子を規定することによって、許容可能な介在物寸法が決定されるため、適度な清浄度を有する材料を選定することができる。
【０００４】
【数１】
2014016000.tif 000002
【０００５】
ここで、√ａｒｅａｍａｘは被検査体積中に存在する最大欠陥寸法（μｍ）、（τｓｔ）ｍａｘは軌道輪に発生する最大せん断応力（ＭＰａ）、Ｈｖは超音波被検査面下における最大せん断応力発生位置のビッカース硬さである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４０２５２２９号
【特許文献２】特許第４００６９７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、機械構造部材の高強度化のためには、設計形状の変更によって作用応力を緩和することも考えられる。特に、ラックをはじめとした噛み合い歯を有する動力伝達部材の設計においては、動力伝達の要となる歯の設計が重要である。したがって、使用工具や生産能力等による制限はあるが、歯直角モジュールや歯直角圧力角、歯元のＲ部などの設計諸元を、ラックに求められる性能に応じて適切に設定することにより、強度のみならず、音、振動などの性能をも向上することが可能であると考えられる。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高強度且つ高信頼性の動力伝達部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）  噛み合い歯を有する動力伝達部材であって、
前記噛み合い歯の歯幅をｂ（ｍｍ）、円ピッチをｔ（ｍｍ）、歯形係数をｙ、歯元のＲ部の曲率半径をＲ（ｍｍ）、歯厚をｓ（ｍｍ）、歯元表面のビッカース硬さをＨｖ、としたとき、
【００１０】
【数２】
2014016000.tif 000003
【００１１】
の関係式を満たすことを特徴とする動力伝達部材。
（２）  前記歯元の前記Ｒ部の表面から深さ２．５ｍｍ以下の範囲に含まれる介在物の寸法を√areaとしたとき、
【００１２】
【数３】
2014016000.tif 000004
【００１３】
の関係式を満たすことを特徴とする（１）記載の動力伝達部材。
（３）  ラックアンドピニオン式ステアリング装置用ラックであることを特徴とする（１）または（２）記載の動力伝達部材。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の動力伝達部材によれば、噛み合い歯の諸元を適切に設定することによって、強度を向上して高信頼性の動力伝達部材を得ることができる。また、介在物を所定の範囲に規制することによって、高信頼性の動力伝達部材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態にかかるラックを示す模式図である。
【図２】噛み合い歯の形状の例を示す模式図である。
【図３】実施例１において、試料の形状を示す模式図である。
【図４】実施例１において、理論値と測定値を示すグラフである。
【図５】実施例２で用いる超音波探傷検査を説明するための図である。
【図６】実施例２における検査箇所を示す図である。
【図７】実施例２において、理論値と測定値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態に係る動力伝達部材の実施形態について、図１、２を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態において、動力伝達部材は、ラックアンドピニオン式ステアリング装置１０のラック２１として構成される。図１に示すように、ラックアンドピニオン式ステアリング装置１０において、ステアリング軸１１の回転を左右の操舵輪の運動に変換するラックアンドピニオン機構２０は、軸方向に移動自在なラック２１と、ラック２１の軸芯に対して斜めに支承されてラック２１の噛み合い歯に噛み合う噛み合い歯を備えたピニオンを有するピニオン軸２２と、ラック２１及びピニオン軸２２を支承する筒状のラック用ハウジング２３と、から構成される。ステアリング軸１１は、図示しないステアリングホイールが上端部に固定された状態で回転自在に支承されており、下部においてピニオン軸２２の上端部と連結されている。
【００１７】
図２は、ラック２１の噛み合い歯の一例を示す。図２に示されるようにラック２１には複数の噛み合い歯が形成されている。図２には、噛み合い歯の歯厚ｓと歯元のＲ部が示されている。
【００１８】
本実施形態においては、この噛み合い歯の歯幅ｂ（ｍｍ）、円ピッチｔ（ｍｍ）、歯形係数ｙ、歯元のＲ部の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、歯厚ｓ（ｍｍ）、歯元表面のビッカース硬さＨｖが、下記の式（１）を満たすものとする。尚、円ピッチｔ＝πｍ（ｍはモジュール）である。
【００１９】
【数４】
2014016000.tif 000005
【００２０】
また、本実施形態においては、この噛み合い歯の歯元のＲ部の表面から深さ２．５ｍｍ以下の範囲に含まれる介在物の寸法を表すパラメータ√areaが、下記の式（２）を満たすものとする。
【００２１】
【数５】
2014016000.tif 000006
【００２２】
上記式（１）（２）について、以下説明する。まず、ラック２１をはじめとした動力伝達部材において、部材を構成する材料の疲労強度をσｗ、部材に作用する応力をσａとすると、疲労破壊を防止するためには、下記の式（３）を満たす必要がある。
【００２３】
【数６】
2014016000.tif 000007
【００２４】
ここで、ラック２１が鉄鋼材料により形成されている場合、歯元表面のビッカース硬さＨｖを４００以上とするためには、部材を構成する材料の疲労強度をσｗと、噛み合い歯の歯元のＲ部の表面から深さ２．５ｍｍ以下の範囲に含まれる介在物の寸法√areaと、が式（４）を満たす必要があることがわかっている（村上敬宜著、「金属疲労  微小欠陥と介在物の影響」、養賢堂、１９９３年、ｐｐ．２３３−２５１）。尚、「介在物」とは、鉄鋼材料中に含まれる空隙や亜酸化化合物などといった、非金属介在物（欠陥）を指す。
【００２５】
【数７】
2014016000.tif 000008
【００２６】
ここで、本発明者らは、種々のモデルの解析結果を踏まえ、ラックや噛み合い歯の形状がどんなものであっても、歯元のＲ部の表面から深さ２．５ｍｍまでに位置する領域に高い応力が作用することを見出した。したがって本発明においては、ラックの形状によらず、歯元のＲ部の表面から深さ２．５ｍｍまでの領域中に存在する介在物のみを考慮の対象とし、その他の部分に存在する介在物は、強度に影響しないため無視してよいものとする。以下、歯元のＲ部の表面から深さ２．５ｍｍまでに位置する領域を、応力体積ともよぶ。
【００２７】
鉄鋼材料中に存在する介在物は、超音波探傷検査や実態調査等によって評価することができる。例えば、介在物が大きい場合には超音波探傷検査によってその寸法と位置の情報を得ることが可能であるが、介在物が小さい場合には実態調査や極値統計などによって評価する必要がある場合もある。いずれにしても、鉄鋼材料中の非金属介在物の寸法、量等の情報を取得できる方法であれば、どのような方法を用いてもよい。
【００２８】
近年の精錬技術の向上によって、鉄鋼材料中に存在する非金属介在物は、大きさ、量共に減少しているものの、２０μｍ程度の介在物は常に存在していると推定される。噛み合い歯を有するラックの場合、安全率１．２が慣習的に必要とされるので、上記した式（４）は下記の式（５）のように硬さの関数として得ることができる。
【００２９】
【数８】
2014016000.tif 000009
【００３０】
本実施形態において、部材に作用する応力σａは、ラックの歯元のＲ部に作用する曲げ応力である。ラックの歯元のＲ部に作用する曲げ応力は、噛み合い歯の様々な形状因子と、負荷される外力の影響によって定まる。応力の求め方としては、ＪＧＭＡ４０１−０１：１９７４（日本歯車工業会）など、さまざまな計算式が提案されているが、筆者らは独自の研究に努めた結果、下記の式（６）によって応力σａが求められることを見出した。
【００３１】
【数９】
2014016000.tif 000010
【００３２】
上記した式（５）、（６）より、式（１）が導かれる。
【００３３】
【数１０】
2014016000.tif 000011
【００３４】
比較的精錬技術の高い工程を経た清浄度のよい鉄鋼材料により形成されたラックについては、上記した式（１）を満たすことにより高強度且つ高信頼性のラックを得ることができる。しかしながら、例えば超音波探傷検査などによって大きな非金属介在物が検出されるような清浄度の悪い材料によりラックが形成される場合は、応力体積中に含まれる介在物の寸法√areaが上記した式（４）、（６）より導かれる式（２）を満たすように加工する必要がある。
【００３５】
【数１１】
2014016000.tif 000012
【００３６】
このように、本実施形態によれば、噛み合い歯の形状に関する設計諸元が上記した式（１）を満たすことによって、高強度且つ高信頼性のラックを得ることができる。さらに、本実施形態によれば、破壊の起点となる応力体積中の非金属介在物に着目し、応力体積中の非金属介在物の寸法が上記した式（２）をさらに満たすことによって、必要十分な強度と高信頼性のラックを得ることができる。
【００３７】
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更、改良等が可能である。本発明は、ラックアンドピニオン式ステアリング装置用ラックのほか、噛み合い歯を有する他の動力伝達部材にも好適に利用することができる。
【実施例１】
【００３８】
以下に示す実施例１においては、曲率半径の異なるＲ部を有する片持ち梁の疲労破壊試験を行った。実施例１では、図３に示したような形状を有すると共に、噛み合い歯の歯元のＲ部に対応するＲ部の曲率半径が０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、３．０ｍｍの３種類である試料を用意して、疲労破壊試験を行った。各試料を形成する材料としてはＳ４８Ｃを用いており、予め超音波探傷検査を行うことによって、噛み合い歯の歯元のＲ部に対応するＲ部に大きな非金属介在物がないことを確認している。各試料には高周波焼入れを施しており、ビッカース硬さＨｖは全て６５０である。
【００３９】
各試料について、１０７サイクル疲労荷重を求めた。図４は、疲労破壊試験によって得られた１０７サイクル疲労荷重と、Ｒ部の曲率半径の値から理論的に計算される疲労限荷重と、を、曲率半径３．０ｍｍの場合の値に対する比として示している。図４より、理論値と実験値はよく一致しており、本発明で採用した諸式が妥当であることがわかる。
【実施例２】
【００４０】
以下に示す実施例２においては、Ｒ部に大型の介在物を有する片持ち梁の疲労破壊試験を行った。実施例２では、実施例１と同様に図３に示したような形状を有すると共に、噛み合い歯の歯元のＲ部に対応するＲ部の曲率半径が３．０ｍｍの試料を用意した。各試料を形成する材料としてはＳ４８Ｃを用いた。また、各試料には高周波焼入れを施しており、ビッカース硬さＨｖは全て６５０である。そして、各試料について、図５に示すような態様で実施される超音波探傷検査によって検出された介在物が、図６に示すように試料のＲ部中央に存在するように、試料を加工した。図５に示すように、超音波探傷検査としては、２〜３０ＭＨｚの周波数を用いた斜角探傷法を採用し、図５の矢印の方向に素材を回転させながら超音波探触子を素材の軸方向に移動して、介在物の存在、寸法、量を評価した。尚、斜角探傷法とは、試料の探傷面に対して斜めに進行する超音波を用いて探傷する方法のことである。各試料における介在物の寸法は、（１）８０＜√area＜１００（μｍ）、（２）１８０＜√area＜２００（μｍ）、（３）２８０＜√area＜３００（μｍ）である。
【００４１】
各試料について、１０７サイクル疲労荷重を求めた。図７は、疲労試験によって得られた１０７サイクル疲労荷重と、介在物の寸法値から理論的に計算される疲労限荷重と、を（３）の試料の値に対する比として示している。尚、理論値は、それぞれの介在物の寸法範囲の中央値を代表値として計算することにより求められる。図７より、理論値と実験値は一致しており、本発明考案で採用した諸式が妥当であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、噛み合い歯を有すると共に動力伝達を主用途とする機械構造部材全般に好適に利用される。
【符号の説明】
【００４３】
１０    ラックアンドピニオン式ステアリング装置
２１    ラック
【図１】
2014016000.tif 000016
【図２】
2014016000.tif 000017
【図３】
2014016000.tif 000018
【図４】
2014016000.tif 000019
【図５】
2014016000.tif 000020
【図６】
2014016000.tif 000021
【図７】
2014016000.tif 000022