(57)【要約】      （修正有）【課題】ラックの製造時に損傷が生じにくいことに加えて、使用時に衝撃や応力が負荷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。前記素材は、軟化焼鈍しによって、球状化セメンタイトの最大粒径が０．５μｍ以上７μｍ以下とされているとともに、硬さがＨｖ２００以下とされている。ラック２１の表面には、高周波焼入れにより硬化された表層部が形成されているが、この表層部の内側には高周波焼入れによる焼入れが施されておらず、硬さＨｖ３５０以下の非焼入れ部となっている。【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３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％以下である鋼からなり且つ軟化焼鈍しが施された棒状素材又は管状素材を、冷間鍛造で成形して得られたものである。
条件Ｂ）前記軟化焼鈍しによって、球状化セメンタイトの最大粒径が０．５μｍ以上７μｍ以下とされているとともに、硬さがＨｖ２００以下とされている。
条件Ｃ）高周波焼入れにより焼入れが施され硬化された表層部と、焼入れが施されていない非焼入れ部とを有しており、前記非焼入れ部の硬さはＨｖ３５０以下である。
【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１〜４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
【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、ラックを冷間鍛造で成形する場合には強烈な加工がなされるため、素材の組織を最適化しなければ、冷間鍛造時に素材に割れが生じるおそれがあった。
また、ラックは、自動車の骨組み的な役割も有していることに加えて、破損するとハンドル操作が不能となることから、重要保安部品に指定されており、高い信頼性と強度とが要求されている。例えば、自動車が縁石等に乗り上げることにより衝撃を受けた場合でも破損しないような優れた耐衝撃特性と、曲げ応力が作用しても破断しない特性が要求される。
【０００５】
このような要求を満足するため、通常ラックは中炭素鋼で構成され、高周波焼入れを施すことによって表面に焼入れ硬化層を形成して、耐摩耗性を高めるとともに曲げ応力に対する強度も高めている。しかしながら、高周波焼入れによって曲げ応力に対する強度を高めたとしても、過大な負荷が作用して焼入れ硬化層に亀裂が生じると、その亀裂が内部にまで進展してラックが破断に至り、ハンドル操作が不能となるおそれがあった。
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、ラックの製造時に損傷が生じにくいことに加えて、使用時に衝撃や応力が負荷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】
【０００６】
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、素材の硬さと成形性との関係だけでなく素材の組織と成形性との関係について鋭意研究を行い、良好な成形性が得られる素材の組織状態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３つの条件を満たしていることを特徴とする。
【０００７】
条件Ａ）炭素の含有量が０．３５質量％以上０．５５質量％以下である鋼からなり且つ軟化焼鈍しが施された棒状素材又は管状素材を、冷間鍛造で成形して得られたものである。
条件Ｂ）前記軟化焼鈍しによって、球状化セメンタイトの最大粒径が０．５μｍ以上７μｍ以下とされているとともに、硬さがＨｖ２００以下とされている。
条件Ｃ）高周波焼入れにより焼入れが施され硬化された表層部と、焼入れが施されていない非焼入れ部とを有しており、前記非焼入れ部の硬さはＨｖ３５０以下である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ラックの製造時に損傷が生じにくいことに加えて、使用時に衝撃や応力が負荷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】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
この素材は、軟化焼鈍しによって硬さがＨｖ２００以下とされている。また、素材はフェライト，球状化セメンタイト，及び針状セメンタイトを含有しているが（Ｓ４５Ｃの組織図である図２を参照）、球状化セメンタイトの最大粒径は軟化焼鈍しによって０．５μｍ以上７μｍ以下とされている。さらに、ラック２１の表面には、高周波焼入れにより焼入れが施され硬化された表層部が形成されている。この表層部の内側は、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。そして、この非焼入れ部の硬さはＨｖ３５０以下である。
【００１５】
このようなラック２１は優れた強度を有しているので、大きな衝撃や荷重が負荷されても損傷が生じにくい。また、素材がフェライト，球状化セメンタイト，及び針状セメンタイトを含有していて塑性加工性に優れているため、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。
炭素は鋼に強度及び焼入れ性を付与するために必要な元素であり、ラック２１に必要な性能（例えば、衝撃を受けた場合でも破損しないような優れた耐衝撃特性や、曲げ応力が作用しても破断しない特性）を付与するためには、鋼中の含有量を０．３５質量％以上とする必要がある。ただし、含有量が０．５５質量％を超えると、鋼の加工性が低下して生産性が悪化するおそれがある。
【００１６】
また、素材を冷間鍛造で成形する前に軟化焼鈍しを施すことにより、硬さが低下して塑性加工性の向上が図られるとともに、成形加工時の損傷が抑制される。十分な塑性加工性を得るためには、軟化焼鈍しが施された素材の硬さはＨｖ２００以下である必要があるが、硬さがより低い方が塑性加工性が高まるので、硬さはＨｖ１７０以下であることが好ましい。
【００１７】
また、素材の硬さだけでなく、鋼中の炭化物の状態や大きさ（つまり組織状態）によっても塑性加工性が変化する。すなわち、軟化焼鈍しを施した際に炭化物の粒径が大きくなるほど、基地組織であるフェライト中の炭素濃度が低下して、塑性加工性が向上する。したがって、球状化セメンタイトの粒径が大きいほど、塑性加工性が向上する。軟化焼鈍しが不十分であると、球状化セメンタイトの最大粒径が０．５μｍ未満となり、変形抵抗が大きく塑性加工性が不十分となるため、素材を冷間鍛造で成形する際に割れ等の損傷が生じるおそれがある。
【００１８】
ただし、球状化セメンタイトの粒径が大き過ぎると、冷間鍛造で成形する際に球状化セメンタイト自身において損傷が発生したり、粗大なセメンタイトとフェライトとの界面が歪みの集中源となってボイドが形成され破断が発生したりしやすくなる。さらに、成形後には、ラックの歯に高周波焼入れが施されて硬化層（表層部）が形成されるが、球状化セメンタイトの粒径が大き過ぎると、高周波焼入れのような短時間の加熱ではセメンタイトが基地組織に溶け込みにくくなり、十分な硬さが得られないおそれがある。このような理由から、球状化セメンタイトの最大粒径は７μｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
さらに、ラック２１の非焼入れ部は冷間鍛造により加工硬化するが、加工硬化しすぎて非焼入れ部の硬さがＨｖ３５０超過となると、靱性が不十分となり、衝撃的な荷重が負荷された場合にラック２１が破損するおそれがある。よって、非焼入れ部の硬さはＨｖ３５０以下とする必要がある。ラック２１の破損がより生じにくくするためには、非焼入れ部の硬さはＨｖ２５０以下とすることが好ましい。
【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３，４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３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３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３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３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３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３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３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４を参照しながら説明する。なお、図４においては、図３と同一又は相当する部分には、図３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４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表層部を形成した後、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。まず、素材に冷間鍛造を施した際の割れ発生率と、素材を構成する鋼が含有する球状化セメンタイトの最大粒径との関係を調査した。
日本工業規格ＪＩＳに規定のＳ４５Ｃに相当する鋼（炭素の含有量は０．４５質量％）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、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した。さらに、軟化焼鈍しの条件を若干変更することにより、球状化セメンタイトの最大粒径及び硬さが種々異なるものを製造した（表１を参照）。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
このような素材に、図３，４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。球状化セメンタイトの最大粒径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。結果を表１に示す。また、球状化セメンタイトの最大粒径と割れ発生率との関係を、図５のグラフに示す。
【００３０】
なお、表１に示した硬さは、軟化焼鈍しを施した後の段階における素材の硬さである。また、球状化セメンタイトの最大粒径の測定方法は、以下の通りである。軟化焼鈍しを施した素材を破断し、その断面を研磨した後にナイタール腐食液でエッチングした。エッチングした断面を光学顕微鏡で倍率１０００倍に拡大し、５箇所について写真を撮り、球状化セメンタイトの粒径を測定した。なお、様々な形状のセメンタイトのうち、アスペクト比（長径／短径）が２．０以下のものを球状化セメンタイトと定義した。
表１及び図４のグラフから分かるように、球状化セメンタイトの最大粒径が０．５μｍ以上であると、冷間鍛造によるマイクロクラックの発生はなかった。
【００３１】
次に、下記のようにしてラックの非焼入れ部の硬さと靱性との関係を調査した。日本工業規格ＪＩＳに規定のＳ４５Ｃに相当する鋼（炭素の含有量は０．４５質量％）で構成された鋼材に、前述の例と同様の条件の軟化焼鈍しを施した。そして、種々の加工率で冷間鍛造を施して成形し、硬さが種々異なるシャルピー衝撃試験用試験片を得た（表２を参照）。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
なお、硬さの測定方法は、以下の通りである。ラックを破断し、その断面を研磨して鏡面とした。そして、この鏡面のうち１０箇所の硬さをビッカース硬度計で測定し、平均値を求めた。また、比較例５は、上記と同様の鋼材に調質処理（８５０℃で３０分間保持した後に水冷し、７００℃で２０分間焼戻しを施すという処理）を施して得た調質材からなるシャルピー衝撃試験用試験片であり、冷間鍛造は施していない。このような調質材は、現在多くのラックアンドピニオン式ステアリング装置で採用されている歯切りラック（歯を切削加工により形成したラック）の素材として用いられているものである。
【００３４】
得られたシャルピー衝撃試験用試験片のシャルピー衝撃強度を、シャルピー衝撃強度測定装置を用いて測定した。結果を表２に示す。なお、表２のシャルピー衝撃強度は、比較例５のシャルピー衝撃強度を１とした場合の相対値で示してある。
表２から分かるように、硬さが３５０超過であると、現行の調質材よりもシャルピー衝撃強度が低かった。この試験片には高周波焼入れが施されていないので、この結果から、非焼入れ部の硬さが３５０超過であると素材の靱性が不十分となることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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】素材が含有するフェライト，球状化セメンタイト，及び針状セメンタイトの組織図である。
【図３】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４】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５】球状化セメンタイトの最大粒径と割れ発生率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
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３】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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