(57)【要約】【課題】曲り直し時に割れが生じにくく、低コストで生産性の高いラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオン、及び、低コストで生産性の高いラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置を提供することを課題とする。【解決手段】本発明のピニオン２２は、有効硬化層深さを０．８ｍｍ以下とし、硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分に存在する旧オーステナイト結晶粒界の最大径を１００μｍ以下と規定している。そのため、曲り直し時に割れが生じにくく、低コストで生産性が高い。また、本発明のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置は、ピニオン２２を用いているため低コストで生産性が高い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理により形成された硬化層を有するラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオンにおいて、
有効硬化層深さが０．８ｍｍ以下であり、前記硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分に存在する旧オーステナイト結晶粒界の最大径が１００μｍ以下であることを特徴とするラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオン。
【請求項２】
前記有効硬化層深さが０．４ｍｍ以上０．８ｍｍ以下である請求項１に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオン。
【請求項３】
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たピニオンと、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、前記操舵を補助する回転力を発生させる電動モータと、を備え、前記回転力が前記ステアリング軸又は前記ピニオンに伝達されるようになっている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おいて、
前記ピニオンは熱処理により形成された硬化層を有し、有効硬化層深さが０．８ｍｍ以下であり、前記硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分に存在する旧オーステナイト結晶粒界の最大径が１００μｍ以下であることを特徴とするラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオン及び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。
一方、電動パワーステアリング装置は、電動モータから出力された回転力で操舵を補助するステアリング装置であるが、同回転力をステアリング軸に伝達するコラムアシスト式と、同回転力をピニオンに伝達するピニオンアシスト式と、同回転力をボールねじを介してラックに伝達するラックアシスト式とがある。
操舵を補助しないマニュアルステアリング装置においては、運転者がステアリングホイールに加えた回転力のみがラックアンドピニオン機構によって転舵輪の運動に変換されるので、ラック及びピニオンに負荷される応力は小さい。
【０００３】
また、操舵を補助する回転力を油圧ポンプで発生させる油圧式パワーステアリング装置においては、操舵を補助する回転力がラックアンドピニオン機構を介さずラックに伝達されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は小さい。
さらに、ラックアシスト式の電動パワーステアリング装置においても、前述したように操舵を補助する回転力がラックアンドピニオン機構を介さずボールねじを介してラックに伝達されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は油圧式パワーステアリング装置と同程度である。
【０００４】
これに対して、コラムアシスト式及びピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置においては、運転者がステアリングホイールに加えた回転力と電動モータから出力された操舵を補助する回転力との合力が、ラック及びピニオンに負荷される。よって、ラック及びピニオンに負荷される応力は、マニュアルステアリング装置や油圧式パワーステアリング装置の場合と比べて１０倍以上も大きい。そのため、相互に噛み合うラック及びピニオンの歯に摩耗が生じやすかった。
そこで、浸炭窒化処理の後に焼入れ処理を施し、さらに二次焼入れ処理を施すという熱処理をラックやピニオンに施し、且つ、鋼の組成成分の最適化及び旧オーステナイト結晶粒界の平均粒径の小径化を行うことによりラックやピニオンの耐摩耗性を向上させる技術が特許文献１に記載されている。また、一般的に摩耗を抑制するには０．４ｍｍ以上の有効硬化層深さ（ＨＶ５１３）が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−９０９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、ピニオンはラックとの歯打ち音防止、操作感向上のため、浸炭熱処理によって鋼製素材に生じた湾曲変形を矯正する曲り直しを行う必要があるが、熱処理で必要以上に硬さが向上した場合、靱性が低下して曲り直し時に微細な割れが発生する恐れがある。そのため、不良品の出荷防止のために、曲り直し後のピニオン全数に対して磁粉探傷試験等による品質確認が必要となるので、生産性の低下やコストが高くなるといった問題があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、曲り直し時に割れが生じにくく、低コストで生産性の高いラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオン、及び、低コストで生産性の高いラックアンドピニオン式電動パワー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】
【０００７】
以上の課題を解決するため、本発明の一態様に係るラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオンは、熱処理により形成された硬化層を有するラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオンにおいて、有効硬化層深さが０．８ｍｍ以下であり、前記硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分に存在する旧オーステナイト結晶粒界の最大径が１００μｍ以下であることを特徴とする。
また、上記ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオンにおいては、前記有効硬化層深さを０．４ｍｍ以上０．８ｍｍ以下としてもよい。
【０００８】
本発明の他の態様に係るラックアンドピニオン式電動パワー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たピニオンと、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、前記操舵を補助する回転力を発生させる電動モータと、を備え、前記回転力が前記ステアリング軸又は前記ピニオンに伝達されるようになっている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おいて、前記ピニオンは熱処理により形成された硬化層を有し、有効硬化層深さが０．８ｍｍ以下であり、前記硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分に存在する旧オーステナイト結晶粒界の最大径が１００μｍ以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、上記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おいては、前記有効硬化層深さを０．４ｍｍ以上０．８ｍｍ以下としてもよい。
さらに、本発明の他の態様に係るラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオンの製造方法は、略棒状の鋼製素材に熱処理を施して硬化層を形成する熱処理工程と、前記熱処理によって前記鋼製素材に生じた湾曲変形を矯正する曲り直し工程と、を備えるラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオンの製造方法において、前記熱処理工程では、有効硬化層深さが０．８ｍｍ以下となり且つ前記硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分に存在する旧オーステナイト結晶粒界の最大径が１００μｍ以下となるように、前記熱処理を施すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオンは、熱処理により形成された硬化層を有しており、有効硬化層深さが０．８ｍｍ以下であり、前記硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分に存在する旧オーステナイト結晶粒界の最大径が１００μｍ以下となっているので、曲り直し時に割れが生じにくく、低コストで生産性が高い。また、本発明のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置は、低コストで生産性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るピニオンを備えたラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の構成を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態に係るラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオンを示す側面図である。
【図３】表面から深さ１ｍｍまでの部分に存在する旧オーステナイト結晶粒界の最大径と有効硬化層深さとの関係を示した図である。
【図４】旧オーステナイト結晶粒界の最大径の観察結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係るラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオン及びラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の実施の形態を、図１及び図２を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るピニオンを備えたラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置１の構成を説明する図である。また、図２は、本発明の実施形態に係るラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオン２２を示す側面図である。
【００１３】
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。
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２０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２０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。
【００１４】
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。
運転者によりステアリングホイールに操舵トルク（回転力）が加えられると、ステアリング軸１１が回転する。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２０によって転舵輪１５，１５を駆動する運動に変換される。
【００１５】
ここで、ピニオン２２の製造方法について説明する。まず、棒鋼を必要な長さに切断して切削加工を行い略ピニオン形状の鋼製素材を作製する。次に、該鋼製素材に熱処理を施し、硬化層を形成する。熱処理によって鋼製素材に湾曲変形が生じるので、湾曲変形を矯正するために曲り直しを行う。その後、研磨を行うことにより、ピニオン２２を得ることができる。熱処理としては、浸炭焼入れ処理、窒化処理、高周波焼入れ等が挙げられる。曲り直しは、熱処理後の鋼製素材の曲りを測定し、曲りを解消できる方向及び大きさの力を加える事によって行う。
【００１６】
ピニオン２２は、上記熱処理によりその表面に硬化層を得ることができる。この硬化層は、有効硬化層深さが０．８ｍｍ以下であり、硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分に存在する旧オーステナイト結晶粒界の最大径が１００μｍ以下となっている。
このようなピニオン２２は、靱性が高いので曲り直し時に割れが生じにくい。そのため、低コストで生産性の高いラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置用ピニオンを提供することができる。また、本実施形態のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置は、ピニオン２２を用いているため低コストで生産性が高い。
【００１７】
さらに、有効硬化層深さは、０．４ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であることが好ましい。有効硬化層深さが、０．４ｍｍ未満であると耐摩耗性が低下する恐れがあり、０．８ｍｍ超過であると曲り直し時に割れが生じる恐れがあるからである。
また、硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分に存在する旧オーステナイト結晶粒界の最大径が１００μｍ超過であると、ピニオンにおける全体的な靱性が低下する恐れがあるうえ、応力集中源となり破壊の起点となることで割れが発生する恐れがある。
なお、本実施形態のピニオン２２は、特に自動車に用いられるコラムアシスト式、及び、ピニオンアシスト式電動パワーステアリング装置に好適に使用することができる。
【００１８】
［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。ＳＣｒ４２０Ｈで構成された棒鋼を切断及び切削し略ピニオン形状の鋼製素材を得て、この鋼製素材に浸炭熱処理を行うことにより硬化層を形成した。浸炭熱処理の条件を種々変更することで、該鋼製素材の有効硬化層深さ、及び、硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分に存在する旧オーステナイト結晶粒界の粒径を変化させた。熱処理の後に該鋼製素材の曲り直しを行い、それにより、本発明の要件を満たすピニオンである実施例１〜９、及び、本発明の要件を満たさないピニオンである比較例１〜９を得た。
【００１９】
実施例１〜９及び比較例１〜９の有効硬化層深さ、硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分に存在する旧オーステナイト結晶粒界の粒径の測定、及び割れ調査を行った。有効硬化層深さ及び旧オーステナイト結晶粒界の粒径は、同一の熱処理ロットから任意に抜き取ったサンプル（ピニオン）を用いて、曲り直し時に割れが発生しやすい位置である図２に示す位置Ｘの軸方向に直交する断面について測定及び観察を行った。
有効硬化層深さの測定は、表面から芯部までの段階的な深さ位置における硬さを、ビッカース硬度計を用いて９．８Ｎの荷重をかけて測定することにより行った。これにより得られる測定値をもとに硬さプロファイルを得て、ビッカース硬さがＨＶ５１３となる位置を有効硬化層深さとした。
【００２０】
旧オーステナイト結晶粒界の粒径の観察は、位置Ｘの断面を第二塩化鉄系の腐食液に浸して腐食させた後に、位置Ｘの断面における表面から深さ１ｍｍまでの部分の全周を金属顕微鏡を用いて１００〜２００倍の倍率で行った。それにより、旧オーステナイト結晶粒界の最大径及び粒径の平均値を測定した。粒径の平均値は交差線分法による判定で算出した。
また、割れ調査は、各熱処理ロットにつき１００本を試作した後に曲り直しを行い、得られたピニオン全数を蛍光磁粉探傷試験することにより、図２に示す位置Ｘにおける割れの有無を判断した。得られた結果を表１に示す。また、硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分に存在する旧オーステナイト結晶粒界の最大径と有効硬化層深さとの関係を図３に示す。さらに、旧オーステナイト結晶粒界の最大径を観察した組織写真の一例を図４に示す。
【００２１】
【表１】
2015148283.tif 000003
【００２２】
さらに、図１とほぼ同様の構成のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置を用意して、実施例１〜９及び比較例１〜９のうち割れが生じていないピニオンを組み込んで稼働し、電動パワーステアリング装置の耐久性試験を行った。耐久性試験は以下に示す条件で行った。
【００２３】
＜試験条件＞
面圧：２．５ＧＰａ
ピニオン回転速度：６０ｍｉｎ−１
繰り返し数：１０５回
潤滑剤：モリブデン系グリース
試験温度：８０℃
上記耐久性試験後のピニオンの磨耗量を測定することで耐磨耗性を評価した。得られた結果を表1に併せて示す。試験前のピニオン表面からの磨耗量が１０μｍ未満である場合には耐摩耗性があるとして○印を表１に記載した。一方、試験前のピニオン表面からの摩耗量が１０μｍ以上である場合には耐摩耗性が不十分として×印を表１に記載した。
【００２４】
表１より、割れの有無は有効硬化層深さ及び旧オーステナイト結晶粒界の最大径と良い相関が認められる。すなわち、本実施例１〜７のように、有効硬化層深さが０．８ｍｍ以下で旧オーステナイト結晶粒界の最大径が１００μｍ以下であれば、ピニオンの靭性が確保されるため曲り直し時に割れが生じにくい。
なお、旧オーステナイト結晶粒界の平均粒径と割れには相関が見られない。このことから、１００μｍを超えるような粗大な旧オーステナイト結晶粒界が存在した場合、全体的な靭性が低下することに加え、応力集中源となり破壊の起点となることで割れが発生していることが推測される。また、実施例８及び９は、有効硬化層深さが０．４ｍｍ未満であり浅いため、割れは生じにくいものの耐摩耗性が他の実施例に比べて劣っていることがわかる。
【００２５】
比較例１〜４は、有効硬化層深さが深いため、靭性が劣ってしまい割れが発生している。比較例５〜７は、硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分に粗大な旧オーステナイト結晶粒界があるため割れが発生している。また、比較例８及び９は、有効硬化層深さ及び旧オーステナイト結晶粒界の最大径がいずれも本発明の範囲から外れており、割れが発生している。 
以上からわかるように、有効硬化層深さ及び旧オーステナイト結晶粒界の最大径を適正範囲に抑えることで、割れが生じにくく、低コストで生産性の高いピニオンを得ることができる。また、このようにして得られたピニオンを用いたラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置は低コストで生産性が高い。
【符号の説明】
【００２６】
１      ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置
１１    ステアリング軸
２０    ラックアンドピニオン機構
２１    ラック
２２    ピニオン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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