(57)【要約】【課題】  ピニオン、ラック歯面およびラック背面の硬度を著しく向上して、歯面硬度を向上させて耐磨耗性を向上し、摩耗等を改善すること。【解決手段】  電動式パワーステアリング装置を備えたラックアンドピニオン式ステアリング装置において、ピニオン１とラック２との表面に、第１硬化層３が形成してあり、この第１硬化層３の外表面に、第２硬化層４が形成してある。この第１硬化層３は、例えば、通常の焼入れ硬化層などである。第２硬化層４は、ピニオン１、ラック２の歯面およびラック２の背面の少なくとも一方を、ショットピーニングによって通常の焼入れ処理による第１硬化層の表面硬さに対しショット処理部分での硬さの増加の割合を２０％以上とし、残留オーステナイト０〜１０％未満、硬化深さ９μｍ以上としたマルテンサイト焼入れ硬化層である。また、ショットピーニングは、ショット粒径４０〜２００μｍの鋼球、噴射速度１００ｍ/sec以上としてある。【選択図】  図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリング軸を電動モータの回転力でステアリング軸もしくはピニオン軸を動力付勢する電動式パワーステアリング装置に使用するラックアンドピニオン式ステアリング装置において、
ピニオン及びラック背面を熱処理によって硬化させた第１の硬化層と、ピニオン、ラック歯面およびラック背面の少なくとも一方を、ショットピーニングによって通常の焼入れ処理による第１硬化層の表面硬さに対し、ショット処理部分での硬さの増加の割合が２０％以上とし、残留オーステナイト０〜１０％未満、硬化深さ９μｍ以上とした第２の硬化層とした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。
【請求項２】
前記ピニオンと前記ラックの圧力角は、２０ｄｅｇ以上とした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】
前記ショットピーニングは、ショット粒径４０〜２００μｍの鋼球、噴射速度１００ｍ/sec以上としたことを特徴とする請求項１又は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、テアリング軸を電動モータの回転力で動力付勢する電動式パワーステアリング装置を備えた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】
ステアリング軸の回転を、左右転舵輪を連結軸の軸方向運動への変換には、ラックアンドピニオン式ステアリング装置が広く用いられている。
【０００３】
動力付勢のないマニュアルステアリングにおいては、ドライバーのステアリングホイールの回転力がラックアンドピニオン式ステアリング装置によって、ラック軸力に変換されるので、ラックアンドピニオン式ステアリング装置での伝達力は、人間が発生するトルクのみであるので小さな物となる。
【０００４】
また、操舵仕事を軽減する為に、油圧式パワーステアリング装置も広く用いられているが、油圧による付勢力は、ラックアンドピニオン式ステアリング装置を介せず、ラック軸に一体的に設けられた油圧シリンダーのピストンに与えられる為、ラックアンドピニオン式ステアリング装置に作用する定常的な力は、油圧コントロールバルブのトーションバーを捻るトルクのみであり非常に小さい。モータの回転力をボールネジなどによってラック軸に推力とするラックアシスト式ＥＰＳについても、ラックアンドピニオン式ステアリング装置に作用する力は油圧パワーステアリングと同様である。
【０００５】
ステアリング軸に動力付勢するコラムアシスト式ＥＰＳやピニオンアシスト式ＥＰＳにおいては、ドライバーのステアリングホイールの回転力と電動モータからの動力付勢力とが合わさったトルクが、ラックアンドピニオン式ステアリング装置を介して、ラック軸力に変換される。
【０００６】
通常、ピニオン歯、及びラック歯とラック歯背面は、磨耗防止強度向上のために、浸炭焼入れ、高周波焼入れなどにより表面硬さでＨＲＣ５５〜６３程度に焼入れ硬化され、歯の折損を防ぐ為、歯元中央部は、それより１０〜２０ポイント程度低い硬さとされている。
【０００７】
ラックアンドピニオン式ステアリング装置で定常的に伝達するトルクがマニュアルステアリングや油圧パワーステアリングなどに比較して１０倍以上も大きく、応力的に非常に厳しく、歯面の磨耗が多くなってしまう。
【０００８】
ラック軸は、ラック歯の背面側をラックガイドで、ピニオン軸に向けて弾性力で押圧支持している。ラックガイドは、ギヤ精度による両軸間距離の変動を許容できる様、微少ストロークしながら、円滑な噛合いとする為に比較的小さな押圧力２００Ｎ程度で押圧されている。
【０００９】
主としてギヤの圧力角によって生じる噛合いの分力である離間力（ギヤ諸元にもよるが、最大でラック推力と同程度１００００Ｎ）によって、動力伝達時は、ラックガイドは押し戻され、ストローク一杯まで後退する。回転力の反転時、伝達歯面の切り替えが行われるので、離間力は一度ゼロとなり、離間していたラック歯はピニオン歯に勢い良く当たり打撃音（ラトル音）が発生する。
【００１０】
路面不整やシミーなど車輪側から入力加振によっても、離間力が変動するのでラックアンドピニオン装置はラトル音を生じる。この場合負荷となるのは、マニュアルステアリングなどでは通常ステアリングホイール慣性だけであるが、ステアリング軸にアシスト力を付勢する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）では、減速機とモータがステアリング軸上の慣性として働くので、慣性は倍以上となり、ラトル音が生じやすい特性がある。
【００１１】
さらに歯面が磨耗すると、ラックガイドの後退量が増加し、歯面の打撃速度が大きくなるので、表１に記載のように、打撃音は急激に大きくなり操舵フィーリングが悪化させるという問題があった。
【００１２】
【表１】
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磨耗抑制の為に、歯面の面圧を緩和する手段として、歯幅を増やす方法があるが、ラック軸を太くせざるを得ず、重量が増加するという問題が起こってしまう。
【００１３】
このようなことから、電動パワーステアリング装置を備えたラックアンドピニオン式ステアリング装置の高出力化において、歯面硬度を向上させて耐磨耗性を向上したいといった要望がある。
【００１４】
また、ショットピーニングに関するＥＰＳの特許文献１には、ギヤ歯面をショットピーニングするものとして、ショットピーニングで表面に凹部を設けて、摺動抵抗を下げる構成が開示してあり、さらに、この構成をラック軸受摺動部に適用するようにした構成が開示してある。
【００１５】
さらに、特許文献２には、機械摺動部品全般対象で同目的でショットピーニングを行う構成が開示してある。
【００１６】
さらに、特許文献３には、浸炭鋼で、表面硬さがＨＲＣ６３〜６８で表面残留オーステナイト量１３〜３０％なる動力伝達部品が開示されており、また、ギヤ歯面のショットピーニングによる硬化方法が開示されている。
【特許文献１】特開平２００１−２７８０７４号公報
【特許文献２】特開平５−８４６６２号公報
【特許文献３】特開平７−５４０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかし、上述した種々の特許文献に開示されたショットピーニング等によっても、電動パワーステアリング装置を備えたラックアンドピニオン式ステアリング装置に於いては、ピニオン、ラック歯面およびラック背面は、必ずしも十分な硬度を得ることができず、摩耗等に付随してラトル音等の問題が生じるといったことがある。
【００１８】
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、ピニオン、ラック歯面およびラック背面の硬度を著しく向上して、歯面硬度を向上させて耐磨耗性を向上し、摩耗等を改善することができる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目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ステアリング軸を電動モータの回転力で動力付勢する電動式パワーステアリング装置を備えたラックアンドピニオン式ステアリング装置において、
ピニオン、ラック及びラック背面を浸炭焼入れ又は高周波焼入れによって硬化された第１の硬化層と、ピニオン、ラック歯面およびラック背面の少なくとも一方を、ショットピーニングによって通常の焼入れ処理による第１硬化層の表面硬さに対し、ショット処理部分での硬さの増加の割合が２０％以上とし、残留オーステナイト０〜１０％未満、硬化深さ９μｍ以上とした第２の硬化層とを設けたことを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項２に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置は、前記ピニオンと前記ラックの圧力角は、２０ｄｅｇ以上としたことを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項３に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置は、前記ショットピーニングは、ショット粒径４０〜２００μｍ、噴射速度１００ｍ/sec以上としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、通常の熱処理（浸炭焼入れ、高周波焼入れ）によって得られる第１硬化層の硬度上限はＨＲＣ６８（＝ＨＶ９４０）程度となるが、ピニオン、ラック歯面およびラック背面の少なくとも一方を、ショットピーニングによって通常の焼入れ処理による第１硬化層の表面硬さに対し、ショット処理部分での硬さの増加の割合が２０％以上とし、残留オーステナイト０〜１０％未満、硬化深さ９μｍ以上とした第２の硬化層を設けたことから、靭性を損なうことなしに、ピニオン、ラック歯面およびラック背面の硬度を著しく向上させ、耐磨耗性を向上し、摩耗等を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置を図面を参照しつつ説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオンとラックの噛合状態での断面図である。
【００２５】
図２は、オーバーピン高さ修正量と、ラック歯溝位置との関係を示すグラフである。
【００２６】
図１に示すように、本実施の形態では、ステアリング軸を電動モータの回転力で動力付勢する電動式パワーステアリング装置を備えたラックアンドピニオン式ステアリング装置において、ピニオン１とラック２との表面に、第１硬化層３が形成してあり、この第１硬化層３の外表面に、第２硬化層４が形成してある。
【００２７】
この第１硬化層３は、例えば、通常の焼入れ硬化層などであり、その他のものであってもよい。
【００２８】
第２硬化層４は、ピニオン１、ラック２の歯面およびラック２の背面の少なくとも一方を、ショットピーニングによって表面硬度９４０Ｈｖ以上、残留オーステナイト０〜１０％未満、硬化深さ９μｍ以上とした硬化層である。この際、ピニオン１とラック２の圧力角は、２０ｄｅｇ以上としてある。また、ショットピーニングは、ショット粒径４０〜２００μｍの鋼球、噴射速度１００ｍ/sec以上としてある。これにより、ピニオン１、ラック２の歯面およびラック２の背面の硬度を著しく向上して、歯面硬度を向上させて耐磨耗性を向上し、摩耗等を改善することができる。
【００２９】
ところで、ラックガイドの後退量とラトル音との関係では、０.１ｍｍを超えると急激に悪化する。
【００３０】
また、ステアリングホイール中央部付近の操舵力が軽すぎると、僅かな操舵力でも走向輪が転舵されてしまい、直進安定性が損なわれるので、通常ラック歯は、図２に示すように、中央付近歯を高く、両側を低くして、中央付近の押し付け力を大きくしている。
【００３１】
ピニオン１とラック２の組立距離は、中央部が広く、両側で近くなっている。ラックガイドは、この分の後退量を許容し、さらにギヤ精度による芯間距離の多少のバラツキを吸収できるように、最小設定値として０.０５ｍｍが必要となる。
【００３２】
よって、ラックガイドの後退量の増加を０.０５ｍｍ以下とする必要がある。
【００３３】
両歯面の磨耗量の合計をδとし、ラックガイドの後退量をｌとすれば、δ＝ｌ×Ｓｉｎαであり、磨耗によるラックガイドの後退量への影響は、圧力角αが小さいほど顕著となるので、α＝２０゜、ｌ＝０.０５ｍｍとすれば、δ＝０.０１７ｍｍである。
【００３４】
よって、片歯面の磨耗限界は、０.００８５ｍｍとなる。少なくともこの範囲は表面硬度をアップして、磨耗を抑制する必要があることになる。
【００３５】
一方、特許文献４に開示してあるように、残留オーステナイトが、使用過程中にマルテンサイト変態して、膨張し、面租度が悪化することが知られている。
【００３６】
このため、使用過程中の局所的な膨張による面租度の悪化を防止するため、予め表面をショット粒の衝突エネルギーにてＡ３変態点以上に過熱急冷し、マルテンサイトを析出させて表面硬度をアップさせることが有効となる。
【００３７】
また、通常のショットピーニングでは、残留圧縮応力は付与できるが、残留オーステナイトの減少には至らない。
【００３８】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、種々変形可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオンとラックの噛合状態での断面図である。
【図２】オーバーピン高さ修正量と、ラック歯溝位置との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１  ピニオン
２  ラック
３  第１硬化層
４  第２硬化層
【図１】
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【図２】
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