(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
全長にわたって中空であり、その長さの一部分についてラックが形成されたステアリングラック軸において、一端からラックが形成されている部分を含みこれに続く円筒断面部の一部分からなるラック形成部と、残りの長さ部分であるラック非形成部とからなり、前記ラック形成部とラック非形成部とは炭素含有量がラック形成部に対してラック非形成部の方が高い異種の鋼材が接合されてなるものであることを特徴とする中空なステアリングラック軸。
【請求項２】
ラック非形成部の厚さがラック形成部の円筒断面部分の厚さより薄いものであることを特徴とする請求項１記載の中空なステアリングラック軸。
【請求項３】
ラック非形成部の鋼材の成分は、Ｃ：０．３５〜０．６０％、Ｓｉ：０．１０〜０．４０％、Ｍｎ：０．５〜１．０％を含有し、残りは不可避的不純物以外はＦｅであることを特徴とする請求項１または２記載の中空なステアリングラック軸。
【請求項４】
ラック非形成部の外径とラック形成部の円筒断面部分の外径とが異なっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の中空なステアリングラック軸。
【請求項５】
ラック非形成部の長さの一部分にはボールねじ用のねじ溝が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の中空なステアリングラック軸。
【請求項６】
ラック形成部の少なくともラックの歯底の部分は、厚さ全体にわたって焼入れされた組織になっていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の中空なステアリングラック軸。
【請求項７】
第１の鋼管を素材として、その少なくとも一方の端部を残して塑性加工によりラックを形成させ、前記第１の鋼管よりも炭素含有量が高い鋼材からなる第２の鋼管を、前記ラックを形成させた第１の鋼管の前記一方の端部と突き合わせ接合することを特徴とする中空なステアリングラック軸の製造方法。
【請求項８】
第２の鋼管の厚さが、第１の鋼管の厚さより薄いことを特徴とする請求項７記載の中空なステアリングラック軸の製造方法。
【請求項９】
第１の鋼管と第２の鋼管とは外径が異なることを特徴とする請求項７または８記載の中空なステアリングラック軸の製造方法。
【請求項１０】
第２の鋼管の長さの一部分にボールねじ用のねじ溝を形成した後、前記接合を行なうことを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の中空なステアリングラック軸の製造方法。
【請求項１１】
塑性加工によりラックを形成させる方法は、素材の第１の鋼管の少なくとも一方の端部以外の部分を押圧して外面円周の一部を平面状とし、前記平面状にする加工をした鋼管をラック形成型を内面に有する割型内に収容し、前記ラック形成型を前記平面状にされた部分に接触させた状態でマンドレルを鋼管の内部に押込み、前記平面状にされた部分の内面を順次しごき加工をして前記ラック形成型に従ってラックを形成するものであることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載の中空なステアリングラック軸の製造方法。
【請求項１２】
ラック形成後の工程のいずれかの段階において、少なくともラックの歯の部分に対して、材料の厚さ全体を焼入れ温度に加熱する焼入れを行なうことを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載の中空なステアリングラック軸の製造方法。
【請求項１３】
接合は摩擦溶接で行なうことを特徴とする請求項７ないし１２のいずれかに記載の中空なステアリングラック軸の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車の操舵装置の部品であるステアリングラック軸およびその製造方法に関する。近年、自動車の軽量化を目的として従来中実であった軸などを中空にすることが図られているが、本発明が対象とするのはこのような中空なステアリングラック軸である。本発明は中空なステアリングラック軸であって、優れた材質強度を有するものを低コストで提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリングラック軸は円形断面の軸の長さの一部、たとえば半分程度にラックが形成されているものである。このようなラック軸を軽量化のため中空にするには、棒材にラック部を切削加工により形成した後に穴をあける方法が行なわれていた。素材として中空なもの、すなわち鋼管を使用し、ラックを切削加工することも考えられるが、実際にはラックを形成した部分の肉厚が薄くなって必要な強度を確保するのが困難である。一方、ラックが形成された部分を中空にすることは断念し、全長のうちでラックが形成された以外の部分だけを中空にすることも提案されている。特開平９−５８４８９号はこのような技術であって、中実の棒材にラックを切削形成したものと鋼管とをかしめて接合してステアリングラック軸とするものである。
【０００３】
また一方、素材に鋼管を使用して塑性加工によりラック部を形成し、全長が中空なステアリングラック軸とする方法が特公平３−５８９２号公報において提案され、さらに改良した方法も考えられて急速に生産が拡大しつつある。この特公平３−５８９２号公報に開示された方法は、まず鋼管のラックを形成すべき部分をつぶして平面にし、次にこの部分にラックを形成するという２段階の工程からなる。このためにまず左右に開くことができる第１次成形用割型を設けて素材の鋼管の加工すべき部分を収容するが、この型は合わせた状態において上部のラックを形成すべき部分に貫通穴が設けられている。そして先が平面になったプレス型を上からこの貫通穴に挿入して鋼管のその部分を平面に加工し、これを第１次成形体とする。次に内面形状がラックバーの完成品の外形形状と一致し、左右に開くことができる第２次成形用割型に上記第１次成形体を収容する。すなわちこの第２次成形用割型は左右の型を合わせたとき、上部にラックの歯の雌型が構成されるようになっている。そしてマンドレルを鋼管内に挿入して、先に平面にされた部分を内部からしごき加工をする。これにより第１次成形体の外部においては材料が盛り上がり、上記第２次成形用割型の形状に従ってラックが成形されるというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の塑性加工によってラックを形成する方法は切削加工と異なり材料の無駄がなく、また塑性加工による材質向上も期待できるので優れた方法である。しかしながら素材の鋼管の材質に対して要求が厳しいため材料コストが高くなる。すなわち鋼管の内部にマンドレルを押し込んでしごいて、内部から材料を盛り上げてラックを形成させるためには、材料は流動してラック形成型に沿った形に変形する必要がある。このため冷間加工における塑性流動性が良好な素材が要求される。一方、ラックの歯底の部分は素材の鋼管の厚みに比べてかなり薄くなるので、製品においては材質強度が大きくなければならない。このようなことから本発明は、塑性加工によりラックを形成する方法の利点を有したまま、より低コストで中空なステアリングラック軸を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するものであって、全長にわたって中空であり、その長さの一部分についてラックが形成されたステアリングラック軸において、一端からラックが形成されている部分を含みこれに続く円筒断面部の一部分からなるラック形成部と、残りの長さ部分であるラック非形成部とからなり、前記ラック形成部とラック非形成部とは炭素含有量がラック形成部に対してラック非形成部の方が高い異種の鋼材が接合されてなるものであることを特徴とする中空なステアリングラック軸である。ここにおいて前記ラック形成部とラック非形成部とはラック非形成部の厚さがラック形成部の円筒断面部分の厚さより薄いものである材料が接合されてなるものであることも特徴とする。
【０００６】
ここにおいて、ラック非形成部の鋼材の成分は、Ｃ：０．３５〜０．６０％、Ｓｉ：０．１０〜０．４０％、Ｍｎ：０．５〜１．０％を含有し、残りは不可避的不純物以外はＦｅであることも特徴とする。またさらに、ラック非形成部の外径とラック形成部の円筒断面部分の外径とが異なっていること、ラック非形成部の長さの一部分にはボールねじ用のねじ溝が形成されていること、ラック形成部の少なくともラックの歯底の部分は、厚さ全体にわたって焼入れされた組織になっていることも特徴とする。
【０００７】
また本発明は、第１の鋼管を素材として、その少なくとも一方の端部を残して塑性加工によりラックを形成させ、前記第１の鋼管よりも炭素含有量が高い鋼材からなる第２の鋼管を、前記ラックを形成させた第１の鋼管の前記一方の端部と突き合わせ接合することを特徴とする中空なステアリングラック軸の製造方法である。また上記の中空なステアリングラック軸の製造方法において、第１の鋼管よりも厚さが薄い第２の鋼管であること、または第１の鋼管と外径が異なる第２の鋼管であることも特徴とする。また上記それぞれの中空なステアリングラック軸の製造方法において、第２の鋼管の長さの一部分にボールねじ用のねじ溝を形成した後、前記接合を行なうことも特徴とする。
【０００８】
また前記それぞれの中空なステアリングラック軸の製造方法において、塑性加工によりラックを形成させる方法は、素材の第１の鋼管の少なくとも一方の端部以外の部分を押圧して外面円周の一部を平面状とし、前記平面状にする加工をした鋼管をラック形成型を内面に有する割型内に収容し、前記ラック形成型を前記平面状にされた部分に接触させた状態でマンドレルを鋼管の内部に押込み、前記平面状にされた部分の内面を順次しごき加工をして前記ラック形成型に従ってラックを形成するものであることも特徴とする。またさらに、ラック形成後の工程のいずれかの段階において、少なくともラックの歯の部分に対して、材料の厚さ全体を焼入れ温度に加熱する焼入れを行なうこと、また、接合は摩擦溶接で行なうことも特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図２は本発明で製造される中空なステアリングラック軸１の例を示す斜視図であり、図中２はラックの歯である。ここにおいて本発明が特徴とするのは、図１のステアリングラック軸の断面図に示すように、全長のうちでラックが形成されている部分と残りの部分とが異種の鋼材よりなり、これらが接合部５で接合されて１本のステアリングラック軸となっている点である。本発明においては上記ラックが形成されている部分をラック形成部、残りの部分をラック非形成部と称する。
【００１０】
ラック形成部３の範囲は正確にいうと、図１に示すようにラック軸の一端６からラックの歯２が形成されている部分を含みこれに続く円筒部分７（本発明において円筒というのは実質的に真円かそれに近い断面を意味し、円周の一部が潰れたようなものは含まない）に少し入った位置までになる。なお図１おいてはラック軸の一端６は円筒になっているが（図２も同様）、自動車の設計によってはラック軸の一端がラックが延長された形状、すなわち円周の一部が平面になった欠円断面の形状の場合もある。したがってラック形成部３の形状は両端が円筒になっている場合と、一方の端だけが円筒になっている場合とがある。一方、ラック非形成部４はラック形成部３の残りの長さ部分であって通常は全長が円筒形状であるが、後に説明するように場合によっては端部以外の長さの一部分にボールねじ用のねじ溝が形成されていることがある。上記のようにラック形成部とラック非形成部との接合は円筒同士の端面を突き合わせれば良いので、円滑に行なえることになる。
【００１１】
このようにラック形成部とラック非形成部との接合は円筒同士で行なうことを前提としていることでもわかるように、本発明においてはラック形成部は鋼管を素材として塑性加工によって製造する。塑性加工によれば切削加工と異なり鋼管を素材としてもラック部の肉厚を確保できる。ラックを形成するための塑性加工はラック非形成部との接合前に行なうのが好ましい。ラックを形成する素材に余分な長さが無い方が後に述べる加工のためのマンドレルが短くて済み、また燐酸塩などによる加工のための潤滑処理を余分の範囲にする必要がない等の利点がある一方、接合してから塑性加工をするについては特に利点がないからである。なお焼入れ等の熱処理は接合前後いずれに行なっても良く、たとえば接合後においてもラック形成部のみについて熱処理を行なうことは可能である。
【００１２】
ラックを塑性加工により形成する方法は以下のような方法により行なうのが好ましい。まず図３の縦断面図、図４の横断面図に示すように、鋼管１１の全周を取り囲む割型１２、１３に収容する。この割型は合わせた状態において鋼管の加工すべき部分に対応した個所に貫通した縦穴１４が形成されている。この状態で縦穴１４にポンチ１５を挿入してこの部分の鋼管１１を押圧して平面にする。このように平面にするのは鋼管１１の長さのうち少なくとも一方の端部以外の部分である。すなわち先に述べたように、ラック形成部３の形状は図１のように両端が円筒になっている場合と一方の端だけが円筒になっている場合とがあるので、これに応じて両端を残して平面にするか一端だけを残して平面にするかが変わる（図３、図４では両端を残して平面にするのを示している）。
【００１３】
なお鋼管の円周の一部を平面にするだけなら鋼管の周囲が開放された状態でも加工可能である。しかし上記のように鋼管の全周を取り囲む割型に収容した状態でポンチを押圧するのが好ましく、これにより平面にされた部分以外において鋼管の外形が変形するのを防止できる。また、上記の平面にする加工は完全な平面でなく、たとえば幅中央部がわずかに高い山形などにすることもある。本発明の要旨等において平面状というのはこのような場合も含むことを意味している。
【００１４】
次いで図５の縦断面図、図６の横断面図に示すように、平面が形成された鋼管１１の全周を取り囲む別の割型１７、１８に収容する。この割型の内部にはラック形成型１９が設けられ、鋼管の平面にされた部分に接触するようになっている。この状態で鋼管の内部にマンドレル２０を押し込み、平面にされた部分を順次しごいて内部から材料を盛り上げ、ラック形成型１９に従ってラックを形成させる。マンドレルは少しずつ寸法の異なるものを使用して複数回のストロークにより加工を行なうことになるが、全長の複数個所にしごき加工個所である突起２１を有するマンドレルを使用すればストローク数を減らすことができる。また複数のマンドレルは両側から交互に挿入するのが能率上好ましい。なおこれらの塑性加工はすべて冷間で行なわれる。なお、ラック形成型１９の部分は上側の割型１７と一体にしても原理的には差し支えないが、大きな力を受けるため比較的寿命が短いので、ラック形成型の部分だけ独立させて割型に取付けて使用するようにするのが好ましい。
【００１５】
上記のような塑性加工によってラックを形成する方法は、マンドレルによって材料の裏面をしごいてラック形成型内に材料を充填するという激しい加工のため塑性流動性が優れた素材が要求される。一方において製品のラック部においては特に大きな材料強度が要求される。すなわち図７は本発明の製造方法によるステアリングラック軸をラックの歯底で切断した断面図であるが、ラックの歯底の部分２５の厚さは素材の鋼管の厚さに比較してかなり薄くなっている。これは塑性加工によるラック形成における材料の収支から止むを得ないことであるが、この部分の強度を確保することが重要となる。このようにラック形成部の材料は素材の状態では塑性加工が容易で、製品になってからは大きな強度を発揮できる材料が要求されるため、コストもある程度高くなる。一方、ラック非形成部においては塑性加工の加工性が要求されないので、安価に強度を確保できる成分である炭素の量が多い一方、高価な合金元素を含有しない材料を使用できる。これが本発明においてラック形成部とラック非形成部とは炭素含有量がラック形成部に対してラック非形成部の方が高い異種の鋼材が接合されたものとする主な理由である。
【００１６】
ラック形成部の素材としては塑性加工の加工性を害するＣ量を制限するとともに製品の強度との兼ね合いを考慮し、例えばＣ量を０．１５〜０．３４％とする。一方塑性加工が終了後、焼入れにより強度を確保することが必要になるので、質量効果の影響を受けることなく材料厚さの中心部でも焼入れ組織を確保し、また焼入れ後の強度を高めることができる組成にする。このため前記Ｃ量と通常含有させるＳｉ量の０．１０〜０．４０％に加えて、Ｍｎをたとえば１．２〜１．８％含有させる。場合によってはさらにＣｒを０．３０〜０．８０％などの合金元素を含有させるとよい。
【００１７】
一方、ラック非形成部は塑性加工を受けることなく素材の鋼管のままであるか、後に述べるようにボールねじのねじ溝の加工をすることがあるが、いずれにしてもラックを形成するような激しい塑性加工を受けることは無い。したがってラック非形成部の材料成分としてはＣ量を０．３５％以上、好ましくは０．４０％以上で十分な強度を確保すると良い。Ｃ量の上限は靱性の点から０．６０％とする。またラック形成部の材料のＣ量より０．１％以上多いことが両方の材料の特徴点を発揮できて好ましい。またその他の成分としては、Ｓｉ：０．１０〜０．４０％、Ｍｎ：０．５〜１．０％を含有し、残りは不可避的不純物以外はＦｅである。Ｍｎは材質上からは上記の範囲より多くたとえば１．８％まででもよいが、コストの面から上記の範囲が適当である。
【００１８】
ラックを形成した後には焼入れを行なって必要な強度を確保するが、少なくともラックの歯の部分においては材料の厚さ全体を焼入れ温度に加熱する焼入れを行なう必要がある。すなわち強度を確保するためには表面硬化の焼入れでは不足であって、少なくともラックの歯底の部分は、厚さ全体にわたって焼入れされた組織になっている必要がある。このことから質量効果の影響を受けることなく冷却速度の遅い厚さの中心部でも焼入れ組織を確保するため、ラック形成部の成分としては前記のようなものが好ましい。なお焼入れして強度を確保する必要性が大きいのは上記のようにラックの歯の部分だけであるが、軸に対して非対称の加熱による焼入れ歪の発生を考慮して、ラック部の鋼管の全周を加熱して焼入れすることは差し支えない。また焼入れは接合前後いずれに行なっても良いことは前記したとおりである。
【００１９】
なおラック形成部に対する上記焼入れ以外の熱処理としては、ラック形成の中間段階で加工硬化により加工の続行が困難な場合に、中間焼鈍を行なって再結晶により軟化させることがある。またラック形成の加工に先立って炭化物を球状化して加工性を向上させる球状化焼鈍を行なうこともある。ただし球状化焼鈍は長時間を要しコストが高いので、ラック形成部とラック非形成部とで理想の材料を選択できるという本発明の利点を生かし、球状化焼鈍を要しない材料を選択するのが好ましい。一方ラック非形成部の熱処理は、ラックの歯底のような特に厚みが薄くなる部分も無いので焼入れは表面焼入れで済む。したがって焼入れ深さに影響する質量効果を考慮する必要がないので、前記のような特に合金元素を含まない材料でも差し支えないことになる。ラック非形成部の焼入れも接合前後いずれに行なっても良いことは当然である。
【００２０】
なお、一般的なステアリングラック軸は油圧式のパワーステアリングに対応したものであって、この場合は先の各図に示したようにラック非形成部の外形は単純な円筒になっている。しかしながらパワーステアリングの動力源として電動力を利用することにより機構を簡素化することが最近行なわれつつある。図８は電動パワーステアリングの機構を説明する概念図である。図８に示すようにステアリングラック軸のラック非形成部２８の一部分にボールねじ用のねじ溝２９が設けられており、これによりボールねじを形成する。このときボールねじの外側部分、すなわちナット側部分３０は軸方向の位置が固定されており、図示しないモータにより回転される。したがってモータの回転力はボールねじによりラック軸のスラスト力に変換され、パワーステアリングの作用を生ずる。
【００２１】
本発明の中空なステアリングラック軸には図８に示したようなラック非形成部２８の長さの一部分にボールねじ用のねじ溝２９が形成されている場合も含まれる。このような場合ステアリングラック軸の製造工程としては、ラック非形成部の素材の鋼管に対してボールねじのねじ溝を形成する加工を行なった後、別の鋼管にラックを形成させたラック形成部２７とを接合すれば良い。これによりラック形成とねじ溝形成とは加工した部分がお互いに邪魔にならずに行なえることになり、本発明の利点が発揮できる。
【００２２】
本発明においてラック形成部とラック非形成部との接合方法は特に限定するものではない。適用可能な接合方法としては摩擦溶接、突合わせ抵抗溶接、フラッシュバット溶接、さらにはＴＩＧ溶接などのアーク溶接も可能である。この中でも接合する端面同士を回転摩擦した後止めて押し付ける摩擦溶接が、高能率で信頼性が高くまた接合部に膨らみやばりなどの出っ張りがほとんど無いので特に好ましい。なお接合部の膨らみやばりは継手特性上は問題ないので、ステアリング装置全体の設計において使用上邪魔にならなければ研削などで除去する必要はない。
【００２３】
図９は本発明で製造される中空なステアリングラック軸の図２とは別の形態の例を示す斜視図である。すなわちステアリングラック軸は自動車の設計により、図２に示したような円筒部分の外径がすべて同じ場合と、図９に示すようにラック２の近傍の円筒部分３５の外径がラック非形成部３６の円筒の外径より小さいというように異なっている場合とがある。このようにラック非形成部の外径とラック形成部の円筒断面部分の外径とが異なっている場合、従来からの鋼管の塑性加工によるラック形成方法では外径を小さくすべき部分の鋼管の外径を絞るか、外径を大きくすべき部分の鋼管をマンドレル挿入などで拡管していた。本発明においてはラック形成部とラック非形成部とで異なる外径の鋼管を素材として使用し、これらを段差３７となる個所で接合することで外径が異なるものを製作できるので、上記のような鋼管の外径を変える加工は不要になる。なお外径が接合部において急激な段差になるのを避けたい場合には、外径が小さい方の鋼管の端部を広げるか、外径が大きい方の鋼管の端部を絞って両方を同じ外径にして接合すれば良い。
【００２４】
また本発明においてはラック形成部とラック非形成部とで厚さが異なる素材の鋼管を使用することも可能である。したがって外径は同じでラック非形成部だけ内径を大きくして、ラック非形成部の厚さをラック形成部の円筒断面部分の厚さより薄くできる。また前記のような外径がラック形成部とラック非形成部と異なる場合に、併せてラック非形成部の厚さを薄くすることも可能である。このように強度に余裕があるラック非形成部の厚さを薄くして部品としてのステアリングラック軸の重量をさらに低減でき、材料の節減ができる。なお接合部分で急激な段差が生ずるのを避けたい場合には、厚い側の端部を潰す加工をして薄い側の厚みに合わせ、この部分を接合すれば良い。また素材の鋼管の厚さをラック形成部に対してラック非形成部の方を薄くするのは、先に述べたラック形成部に対してラック非形成部の方が炭素含有量が高い鋼材を使用するのと併用しても良いし、併用せずにこれだけを実施しても上記の効果を発揮できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は全長にわたって中空なステアリングラック軸において、塑性加工によるラック形成のため材料に対する要求の厳しいラック形成部と、材料に対する要求が緩いラック非形成部とで異なる材質の素材鋼管を使用し、接合して一つのステアリングラック軸にするので低コストで理想的な材質特性の製品が得られる。また強度に余裕があるラック非形成部の厚さをラック形成部の素材の厚さより薄くして部品としてのステアリングラック軸の重量をさらに低減でき、材料の節減ができる。またボールねじのねじ溝がラック非形成部に設けられた電動パワーステアリング用のステアリングラック軸においては、ラック形成とねじ溝形成とは加工した部分がお互いに邪魔にならずに行なえるとともに、材料に関してラックに対する要求仕様とボールねじに対する要求仕様とを両立させるという煩わしさから解放される。なお本発明は上記の実施形態に限定されず、その発明の範囲内で種々の変形が可能である。各図に示したような実施形態から変形されていても本発明の精神から逸脱しない限り本発明の範囲内のものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のステアリングラック軸の断面図
【図２】本発明で製造されるステアリングラック軸の例を示す斜視図
【図３】ラックを塑性加工により形成する方法を説明する縦断面図
【図４】ラックを塑性加工により形成する方法を説明する横断面図
【図５】ラックを塑性加工により形成する方法の図３、図４の次の工程を説明する縦断面図
【図６】ラックを塑性加工により形成する方法の図３、図４の次の工程を説明する横断面図
【図７】本発明の製造方法によるステアリングラック軸をラックの歯底で切断した断面図
【図８】電動パワーステアリングの機構を説明する概念図
【図９】本発明で製造されるステアリングラック軸の例を示す斜視図
【符号の説明】
１  ステアリングラック軸
２  ラックの歯
３  ラック形成部
４  ラック非形成部
５  接合部
６  ラック軸の一端
７  円筒部分
１１  鋼管
１２、１３  割型
１４  縦穴
１５  ポンチ
１７、１８  割型
１９  ラック形成型
２０  マンドレル
２１  突起
２５  ラックの歯底の部分
２７  ラック形成部
２８  ラック非形成部
２９  ねじ溝
３０  ナット側部分
３５  円筒部分
３６  ラック非形成部
３７  段差
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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