(57)【要約】【課題】ラックの曲げ強度が高く、しかもラックに形成された歯のピッチング強度が高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には、窒化処理が施されているとともに、ラック２１に形成された歯にはさらに高周波焼入れ処理が施されている。歯の表面には、３μｍ以上１５μｍ以下の厚さの窒化層が形成され、歯の表面硬さＨＶｓと根元中心部の硬さＨＶｃとの比ＨＶｓ／ＨＶｃが１．０５以上となっている。【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、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、
前記ラックには窒化処理が施されているとともに、前記ラックに形成された歯にはさらに高周波焼入れ処理が施されていて、３μｍ以上１５μｍ以下の厚さの窒化層が前記歯の表面に形成され、前記歯の表面硬さＨＶｓと根元中心部の硬さＨＶｃとの比ＨＶｓ／ＨＶｃが１．０５以上となっ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。
【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】
ステアリング装置は重要保安部品に指定されているが、中でもラックは骨組み的な役割も有しているため、例えば自動車が縁石に乗り上げた場合等のように過大な荷重が作用した場合でも、大きく破損しないことが望まれている。したがって、ラックには高い曲げ強度が要求されていることに加えて、ピニオンと噛み合う歯には高いピッチング強度が要求されている。
【０００３】
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る（特許文献１を参照）。すなわち、中炭素鋼を圧延して得た棒鋼に焼入れ，焼戻しを施した後に、切削加工により歯を形成し、この歯に高周波焼入れ処理を施すことによってラックを製造する。
【特許文献１】特開２０００−１５３３３６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、従来のラックにおいては、その曲げ強度及び歯のピッチング強度が十分ではない場合もあり、さらなる強度向上が求められていた。
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、ラックの曲げ強度が高く、しかもラックに形成された歯のピッチング強度が高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】
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。すなわち、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、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、前記ラックには窒化処理が施されているとともに、前記ラックに形成された歯にはさらに高周波焼入れ処理が施されていて、３μｍ以上１５μｍ以下の厚さの窒化層が前記歯の表面に形成され、前記歯の表面硬さＨＶｓと根元中心部の硬さＨＶｃとの比ＨＶｓ／ＨＶｃが１．０５以上となっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ラックの曲げ強度が高いことに加えて、ラックに形成された歯のピッチング強度が高いので、大きな荷重が作用したとしても破損が生じにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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によって転舵輪１５，１５を駆動する運動に変換される。
【００１０】
このラック２１には、以下のような熱処理が施されている。まず、棒状の鋼材を加工して歯を形成し、ラックの形状に成形する。次に、窒化処理を施して、歯の表面を含むラックの表面全体に３μｍ以上１５μｍ以下の厚さの窒化層を形成するとともに、窒素を内部に拡散させる。そして、歯の表面に、高周波焼入れ処理を施す。高周波焼入れ処理により、窒化層の窒化物がある程度分解して内部に拡散するが、高周波焼入れ処理は非常に短時間で終了するため、窒化層は十分に残存する。このような熱処理の結果、歯の表面硬さＨＶｓと根元中心部の硬さＨＶｃとの比ＨＶｓ／ＨＶｃが、１．０５以上となる。
【００１１】
このようにして得られたラックは、窒化処理が施されており、しかも窒化処理と高周波焼入れ処理とを組合せたことによって内部に窒素がより拡散しているため、高い曲げ強度を有している。また、歯に窒化層が形成されているため、高いピッチング強度を有している。
窒化層の厚さが３μｍ未満であると、窒化層の厚さが不均一になりやすく、窒化層がほとんど形成されない部分が生じるおそれがあるため、良好なピッチング強度が得られないおそれがある。一方、窒化層の厚さが１５μｍ超過となるような窒化処理を施すと、処理時間が長くなることから、窒化層の最表面にζ相が形成されて多孔質となり、ピッチング強度が著しく低くなるおそれがある。このような不都合がより生じにくくするためには、窒化層の厚さは５μｍ以上１３μｍ以下であることがより好ましく、５μｍ以上１０μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００１２】
また、前述の硬さの比ＨＶｓ／ＨＶｃが１．０５以上であれば、窒素の拡散が十分に進行し強度の向上が図られていると言えるので、ラックの曲げ強度が高い。前述の硬さの比ＨＶｓ／ＨＶｃが１．０５未満であると、窒素の拡散が不十分であるため、強度の向上がほとんど図られない。ラックの曲げ強度をより高くするためには、前述の硬さの比ＨＶｓ／ＨＶｃは１．１以上とすることが好ましい。
【００１３】
さらに、ラックの歯の表面硬さＨＶｓは、ピニオンを傷付けないために、ＨＶ８００未満とすることが好ましく、ＨＶ７７０以下とすることがより好ましい。また、ラックのピッチング寿命を優れたものとするためには、ラックの歯の表面硬さＨＶｓをＨＶ６５０以上とすることが好ましい。
さらに、ラックの歯の根元中心部の硬さＨＶｃは、ラックの曲げ強度をより高くするために、ＨＶ６２０以上とすることが好ましく、ＨＶ６５０以上とすることがより好ましい。
【００１４】
さらに、焼戻し後の歯の根元中心部の強度を十分なものとするためには、０．４質量％以上の炭素を含有する鋼でラックを構成することが好ましい。ただし、加工コストを抑制するためには、前記鋼の炭素の含有量を０．６質量％以下とすることが好ましい。
なお、ラックに施す窒化処理の種類は特に限定されるものではないが、例えば下記に示す４つの窒化処理が好適である。
【００１５】
（１）窒素ガス，ＲＸガス，アンモニアガスの混合ガス中に、４００〜６００℃で２〜３時間保持する方法（ガス軟窒化法）
（２）三フッ化窒素等のフッ素系化合物のガスを用いて２００〜４００℃程度でフッ化処理を行った後に、アンモニアガス中に４００〜６００℃で１〜３時間保持する方法（エアウォータ株式会社の商品名ＮＶ窒化プロセス）
（３）塩浴中に浸漬して４００〜６００℃で１〜３時間保持する方法（タフトライド法）
（４）窒素と水素の混合ガス雰囲気中で、保持器を陰極、処理炉の内壁を陽極として、４００〜６００℃程度で１０時間程度グロー放電する方法（イオン窒化法）
【００１６】
〔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。日本工業規格ＪＩＳに規定のＳ４５Ｃ製の丸棒に、切削加工により歯を形成し、上記（１）とほぼ同様のガス軟窒化処理（ただし処理条件は表１に記載の通りである）を施した。そして、歯の表面に高周波焼入れ処理を施した後に、１７０℃で２時間の焼戻しを施してラックを得た。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
そして、得られたラックについて、歯の表面硬さＨＶｓ、歯の根元中心部の硬さＨＶｃ、両硬さの比ＨＶｓ／ＨＶｃ、及び曲げ強度をそれぞれ測定した。
なお、歯の表面硬さＨＶｓは、表面から０．０５ｍｍ内側の部分の硬さを測定した値である。また、歯の根元中心部の硬さＨＶｃは、歯を切断して切断面を研磨し鏡面仕上げした後に、ラックの基部と歯との境界部分の中心部（図２を参照）の硬さを測定した値である。
【００１９】
さらに、ラックの曲げ強度は、支点間距離１００ｍｍの３点曲げ試験により測定した。歯が形成されている側を下向きにして曲げ試験機に設置し、歯が形成されている側の反対側を押圧して、歯と歯の間の谷部に最大の引張応力が発生する条件で破損（クラック発生）するまで試験を行い、最大荷重をラックの曲げ強度とした。
各測定結果を表１に示す。また、歯の表面硬さＨＶｓと根元中心部の硬さＨＶｃとの比ＨＶｓ／ＨＶｃとラックの曲げ強度との関係を、図３のグラフに示す。なお、表１及び図３のグラフに記載の曲げ強度は、比較例１の曲げ強度を１とした場合の相対値で示してある。表１及び図３のグラフから分かるように、歯の表面硬さＨＶｓと根元中心部の硬さＨＶｃとの比ＨＶｓ／ＨＶｃが１．０５以上であると、ラックの曲げ強度が高かった。
【００２０】
次に、ラックの歯のピッチング強度（歯面強度）を評価するために、以下のような耐久試験を行った。すなわち、ラックをラックアンドピニオン式ステアリング装置に組み込んで、下記のような条件で駆動し、ラックの寿命を測定した。
ピニオン：ＪＩＳ  ＳＣｒ４２０材で構成され、浸炭焼入れ及び焼戻しが施されたもの。
面圧    ：２．５ＧＰａ
ピニオン入力：６０ｍｉｎ-1
潤滑剤  ：モリブデン系グリース
試験温度：８０℃
【００２１】
また、同時に窒化層の厚さを測定して、窒化層の厚さとラックの寿命との関係を評価した。なお、窒化層の厚さは、歯の根元中心部の硬さＨＶｃの場合と同様にして切断面を鏡面仕上げした後にナイタルで腐食し、光学顕微鏡で観察することにより測定した。その際には、５つの視野において窒化層の厚さをそれぞれ測定し、それらの平均値を「窒化層の厚さ」とした。
結果を表２及び図４のグラフに示す。なお、表２及び図４のグラフに記載の寿命は、比較例４の寿命を１とした場合の相対値で示してある。表２及び図４のグラフから分かるように、窒化層の厚さが３μｍ以上１５μｍ以下であると、ラックの寿命が優れていた。
【００２２】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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】歯の根元中心部を説明する図である。
【図３】歯の表面硬さＨＶｓと根元中心部の硬さＨＶｃとの比ＨＶｓ／ＨＶｃとラックの曲げ強度との関係を示すグラフである。
【図４】窒化層の厚さとラックの寿命との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２４】
１１      ステアリング軸
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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