CN109311503A - 车辆用齿轮齿条副机构 - Google Patents

Abstract

能够应用于转向装置(S)的车辆用齿轮齿条副机构(1)包括具备齿轮齿(12)且以能够绕轴旋转的方式被支承的小齿轮(11)、和具有能够与齿轮齿(12)啮合的齿条齿(22)的齿条轴(21)，在该车辆用齿轮齿条副机构(1)的齿条齿(22)的表面，形成有由硬度不同的多层覆膜层叠而成的包覆膜(31)。

Description

车辆用齿轮齿条副机构

技术领域

本发明涉及汽车等的转向装置等使用的车辆用齿轮齿条副机构。

背景技术

以往针对构成汽车等的转向装置的齿条进行淬火等热处理，从而提高刚性、韧性及强度。

例如在专利文献1中，提出了一种针对在转向齿条轴上形成的齿条齿进行高频淬火的方案。在对转向齿条轴整体进行淬火的情况下，存在发生变形、转向齿条轴弯曲为弓状的情况。但是，通过仅对齿条齿进行高频淬火，能够抑制转向轴弯曲并提高齿条齿的强度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平6-264147号公报

发明内容

然而，在专利文献1这种通过热处理提高齿条齿强度的技术的情况下，根据构成齿条齿的原材料的性质而使得上限值有限。因此，在需要更高强度的情况下，必须使齿条自身的直径更大，增大齿条齿与小齿轮的接触面积，而直径大的齿条存在重量增大的问题。

因此，本发明目的在于提供一种能够抑制齿条自身的直径增大进而抑制重量增大，并提高齿条齿的容许面压的车辆用齿轮齿条副机构。

为了实现所述目的，本发明的车辆用齿轮齿条副机构包括：小齿轮，其具备齿轮齿，并以能够绕轴旋转的方式被支承；以及齿条轴，其具备能够与该齿轮齿啮合的齿条齿，其特征在于，在所述齿条齿的表面形成有由硬度不同的多层覆膜层叠而成的包覆膜。

发明的效果

根据本发明，通过在由参数值低的原材料构成的齿轮齿条副机构的齿条齿上形成由多层覆膜层叠而成的包覆膜，从而能够抑制重量增大，并提高齿条齿的强度(容许面压)。

由此，能够提供一种能够抑制齿条自身的直径增大进而抑制重量增大，并提高齿条齿的容许面压的车辆用齿轮齿条副机构。

附图说明

图1是表示本实施方式的转向装置的示意图。

图2是构成车辆用齿轮齿条副机构的齿条齿的要部剖视图。

图3是在齿条齿上形成的包覆膜的剖视图。

图4是表示向装置内供给的原料气体组成的时间变化的时序图。

图5是表示包覆膜的硬度的示意图。

图6是表示根据包覆膜的构成而到达基材的载荷差异的说明图。

图7A是表示在包覆膜仅有一层硬质层的情况下，输入至齿条齿的载荷向基材传递的状态的示意图。

图7B是表示在层叠有三层层叠组的情况下，输入至齿条齿的载荷向基材传递的状态的示意图。

图8是表示组装了转向装置的状态下的齿条齿与齿轮齿的齿尖的状态的示意图。

图9是表示初始滑动后的齿条齿与齿轮齿的齿尖的状态的示意图。

图10是表示基于包覆膜的滑动次数与齿轮齿的磨耗间的关系的图表。

图11是在第1其他方式的齿条齿上形成的包覆膜的剖视图。

图12是表示向第1其他方式的装置内供给的原料气体组成的时间变化的时序图。

图13是在第2其他方式的齿条齿上形成的包覆膜的剖视图。

图14是表示向第2其他方式的装置内供给的原料气体组成的时间变化的时序图。

具体实施方式

参照适当附图对本发明的一实施方式进行详细说明。对同一构成要素标注同一附图标记，省略重复的说明。

如图1所示，本实施方式的车辆用齿轮齿条副机构1包括具备齿轮齿12且以能够绕轴旋转的方式被支承的小齿轮11、和具备能够与齿轮齿12啮合的齿条齿22的齿条轴21。另外，本实施方式的车辆用齿轮齿条副机构1构成车辆的转向装置S。

也就是说，小齿轮11构成转向轴S1，与转向操作连动而绕轴旋转。并且，通过小齿轮11旋转而使啮合的齿条齿22滑动，使轮胎T的舵角变化。

在这种转向装置S中，在齿轮齿12与齿条齿22啮合时，要求高安静性，且通过静态转向等操作施加大载荷。因此，在车辆用齿轮齿条副机构1中，齿轮齿12和齿条齿22由斜齿(helical gear)构成。

并且，由于齿轮齿12和齿条齿22由斜齿构成，因此，齿轮齿12的与齿条齿22啮合的部位随小齿轮11的旋转一起沿齿宽方向移动。由此，载荷一边在齿宽方向上移动一边均匀地施加于齿轮齿12，因此能够在避免局部磨耗的基础上抑制磨耗。

与此相对，齿条齿22承受载荷的部位限定为一部分，因此以该部位为中心局部磨耗，在转向操作时产生晃动。

因此，在本实施方式中，如图2所示，在齿条齿22的表面形成包覆膜31，提高强度并提高容许面压，从而抑制齿条齿22的不均匀磨耗，减少齿条齿22和齿轮齿12双方的过度磨耗。

并且，小齿轮11及齿条轴21使用通过淬火等硬化处理使得维氏硬度达到Hv750左右的铁系钢材(S35C、S45C、SCM440等)。

并且，对于在齿条齿22表面形成的包覆膜31，将其硬度设定为基材23的3倍左右(相对于Hv750左右的基材23为Hv2250左右)，进一步考虑针对部件表面的表面粗糙度的硬度裕量，将包覆膜31的硬度设定为Hv2850左右。

包覆膜31如图3所示，在齿条齿22的基材23表面层叠多层覆膜。这些覆膜由最内层35、软质层32、硬质层33及初始滑动层34四种构成。

最内层35是与基材23接触的层，其组成由铬(Cr)构成。在最内层35的表面侧层叠由软质层32和硬质层33构成的层叠组36。

层叠组36的组成由氮化铬(CrN、Cr2N)构成，且其硬度对应于氮的比例而变化。从软质层32到硬质层33，氮的比例增大，其硬度增大。在本实施方式中，该层叠组36在最内层35的表面侧层叠五层。

并且，在最外表面侧的硬质层33的表面侧层叠有初始滑动层34。

初始滑动层34是构成包覆膜31表面的层，其组成由铬(Cr)和类金刚石(Diamond-Like Carbon：DLC)构成，且设定为DLC的比例高于铬。由此，初始滑动层34的硬度与软质层相比接近硬质层的硬度。

也就是说，在构成包覆膜31的覆膜中，铬的比例最高的层为最内层35。

并且，最内层35、软质层32及硬质层33的组成基于以下理由选定铬和氮化铬。

·铬的硬度与基材23为相同程度，与基材23的密合性高

·氮化铬具有满足要求硬度(对象材料的3倍左右)的硬度

·层叠时的铬与氮化铬的切换只要改变向装置内供给的原料气体中含有的氮的比例即可，因此覆膜的层叠容易

包覆膜31的成膜使用通常的PVD装置(Physical Vapor Deposition)。对于包覆膜31来说，随时间变化改变向PVD装置内供给的原料气体的组成，从而改变所形成的各被覆的组成，以一个工序进行最内层35、软质层32、硬质层33及初始滑动层34的层叠。

例如，如图4所示，开始向由氩气等非活性气体充满的装置内供给原料气体。在该时刻，所供给的原料气体的组成仅为铬。

在形成了由铬构成的最内层35时，以规定的比例向原料气体添加氮(N)。从而，铬与氮化合成为氮化铬，在覆膜的组成中氮化铬逐渐增加。由此形成的覆膜成为由铬和氮化铬构成的软质层32，通过使氮的比例进一步增加，所形成的覆膜成为硬质层33。也就是说，形成一层层叠组36。

若停止氮的供给，则氮化铬的合成停止，所形成的覆膜的组成中的铬相对增加，成为构成下一层叠组36的软质层32。

在重复五次进行了层叠组36的形成时，停止氮的供给，开始碳(C)的供给。也就是说，原料气体的组成为铬和碳，所形成的覆膜成为由铬和DLC构成的初始滑动层34。

通过以上步骤，在基材23的表面形成一层最内层35、五层层叠组36及一层初始滑动层34。

另外，由于覆膜的组成沿膜厚方向逐渐变化，因此如图5所示，硬度也沿膜厚方向逐渐变化。由此，即使在齿条齿22输入有冲击载荷的情况下，也能够抑制覆膜间的剥离。

例如，如图6所示，在基材23表面作为包覆膜31形成了一层硬质层33的情况下，输入载荷大致保持不变地到达基材23表面。但是，可知若作为包覆膜31层叠三次以上层叠组36，则到达基材23表面的载荷减小。

这是由于，如图7A、图7B所示，从齿轮齿12向齿条齿22输入的载荷，由于硬质层33挠曲而朝向沿硬质层33表面的方向分散。通过将软质层32与硬质层33交替重复层叠，从而输入的载荷在各硬质层33的作用下反复分散。因此，与硬质层33为一层的情况相比，在重复层叠的情况下，由于分散的程度增加，因此能够减小到达基材23表面的载荷。

并且，通过将层叠组36层叠五层以上，能够使到达基材23表面的载荷减小至低于输入载荷的5％的程度(参照图6)。但是，若成为五层以上，则即使层叠的次数增加载荷分散的效果也降低，因此停止在与五层大致相同的效果。

并且，在本实施方式中，在齿条齿22上形成包覆膜31时，在齿条轴21整体形成包覆膜31。

将具有形成有包覆膜31的齿条齿22的齿条轴21和小齿轮11组装在转向装置S上的状态下，齿条齿22与齿轮齿12的齿尖状态如图8所示。齿条齿22的表面由于包覆膜31而形成一定程度的平滑度，但齿轮齿12的表面为切削加工后的粗糙状态。并且，在图8中，为了便于说明，将软质层32和硬质层33以一层绘出，但如前所述，软质层32与硬质层33交替层叠。

另外，转向装置S的转舵反复进行约两万次，经过初始滑动配合(初始滑动)后的齿条齿22与齿轮齿12的齿尖状态在图9中示出。并且，在图9中，为了便于说明，也将软质层32和硬质层33以一层绘出，但如前所述，软质层32与硬质层33交替层叠。在经过初始滑动后，小齿轮11侧的齿轮齿12的表面与齿条齿22的初始滑动层34彼此磨耗而平滑化。也就是说，齿条齿22的初始滑动层34将齿轮齿12表面的粗糙部位磨削掉使之平滑化，且初始滑动层34自身也磨耗。

另外，构成初始滑动层34的DLC的硬度设定为软质层32的硬度与硬质层33的硬度之间，由于对齿轮齿12表面的粗糙部位一点一点进行磨削，因此磨耗粉末的粒子变得更细。并且，由于粒子变细，磨耗粉末进入齿轮齿12表面的微小间隙，使平滑度进一步提高。

此外，通过由DLC形成初始滑动层34，从而在磨削时产生的磨耗粉末再次附着于齿轮齿12或齿条齿22，使对方材料磨耗的现象得到抑制。由此，能够抑制滑动部位的过度磨耗。

并且，在通过初始滑动平滑化后，滑动稳定，齿条齿22与齿轮齿12双方的磨耗被抑制(参照图10)。

可见，即使是将软质层32与硬质层33交替层叠的包覆膜31，与未形成包覆膜31的以往制品相比，小齿轮11的磨耗也充分减少，但通过在最外表面层叠初始滑动层34，能够进一步抑制磨耗。

在车辆的转向装置S中，对于车辆用齿轮齿条副机构1，要求不需要维修检测的免维护，而通过如前所述抑制磨耗能够实现这一点。

另外，在本实施方式中，通过在齿条齿22形成前述构成及硬度的包覆膜31，能够实现齿条轴21的小径化和中空化，实现转向装置S整体的轻量化。

下面，对本实施方式的车辆用齿轮齿条副机构1的作用效果进行说明。

通过在由参数值低的低价原材料构成的车辆用齿轮齿条副机构1的齿条齿22形成由多层覆膜层叠形成的包覆膜31，从而无需使用高价的原材料，能够抑制制造成本升高并提高齿条齿22的强度(容许面压)。

通过将软质层32与硬质层33交替重复层叠，能够将从齿轮齿12向齿条齿22输入的载荷沿各硬质层33的面的方向分散。由此，能够缓和对基材23的应力，抑制包覆膜31的剥离。

由于铬相对于铁系钢材和氮化铬具有高密合性，因此通过由铬和氮化铬构成软质层32和硬质层33，能够在齿条齿22的表面形成不易剥离的强韧的包覆膜31。由此，能够进一步提高齿条齿22的强度(容许面压)。

另外，在将软质层32与硬质层33交替重复层叠的工序中，通过改变向层叠装置内供给的铬与氮的比例来切换软质层32的成膜与硬质层33的成膜，因此能够简化步骤。

此外，能够针对润滑脂(Mo添加型)具有良好的吸附层。

通过将由软质层32和硬质层33构成的层叠组36层叠三层以上，能够更有效地发挥使从小齿轮11的齿轮齿12向齿条齿22输入的载荷朝向沿各硬质层33表面的方向分散的功能。

另外，通过在最外表面侧的硬质层33的表面侧形成初始滑动层34，从而能够抑制齿条齿22自身的磨耗，使小齿轮11的齿轮齿12的表面平滑化，并抑制平滑化后的磨耗。

通过将初始滑动层34的硬度设定为与软质层32相比接近硬质层33，从而能够进一步抑制齿条齿22自身的磨耗。

通过由DLC的覆膜构成初始滑动层34，从而能够抑制磨耗粉末向齿条齿22的再附着，进一步抑制齿轮齿12的表面平滑化后的磨耗。

通过将相对于铁系钢材具有高密合性的铬的比例高的最内层35配置于基材23的表面，从而能够提高包覆膜31相对于基材23的密合度。由此，能够进一步抑制由所输入的载荷导致的剥离。

在构成包覆膜31的各层的边界部分，通过使膜的组成沿膜厚方向逐渐变化，从而能够抑制在各层边界处的剥离，能够形成更加牢固且更加强韧的包覆膜31。

另外，作为安装有转向装置S的车辆的一般特性，具有齿条齿22的齿条轴向两端附近的输入载荷比齿条齿22的中央附近大的倾向。由此，也可以使齿条齿22两端附近的包覆膜31的层叠组36的数量比齿条齿22的中央附近多。另外，层叠组36的数量能够在齿条齿22的中央附近实施掩膜等进行调整。

通过与齿条齿22一起，在齿条轴21整体形成包覆膜31，从而能够以在齿条齿22形成包覆膜31的工序，进行齿条轴21整体的防锈处理。

此外，本实施方式的初始滑动层34由DLC构成，但不限定于此。例如，也可以在初始滑动层中采用硫化钼。在由硫化钼的覆膜构成初始滑动层的情况下，根据硫化钼具有的自润滑特性，能够进一步抑制经过初始滑动配合(初始滑动)后的磨耗。

另外，在本实施方式中，在齿条轴21整体形成有包覆膜31，但不限定于这种方式。

例如，也可以构成为，仅在齿条齿22形成包覆膜31，在齿条轴21中的齿条齿22的背面侧(齿条齿22以外的部分)不形成包覆膜31。

由此，能够降低包覆膜31的形成成本，并抑制由于包覆膜的形成而产生的与齿条引导部的摩擦及磨耗增大。

下面对本实施方式的第1其他方式进行说明。

在上述实施方式中，如图3所示，在从软质层32变为硬质层33的边界(层叠组内边界部37)，氮的比例沿膜厚方向逐渐增加，边界线模糊。另外，在从硬质层33变为软质层32的边界部即相邻的层叠组36间的边界(层叠组间边界部38)，氮的比例突然变化，边界线清晰。

与此相对，在本方式中，如图11所示，不仅是层叠组内边界部37逐渐变化，在层叠组间边界部38，氮化铬的比例也沿膜厚方向逐渐减小。

也就是说，在本方式中，在相邻的层叠组36的边界，氮的比例沿膜厚方向逐渐变化，因此相邻的层叠组36间的边界线变得模糊。

并且，对于最内层35及初始滑动层34，由与上述实施方式相同的组成构成。

如本方式所示，为了形成软质层32与硬质层33逐渐切换的构成的包覆膜31，按照图12所示的时序图向装置内供给铬、氮、碳。

在上述实施方式的时序图中，如图4所示，氮的供给模式设定为矩形波状，而在本方式中，如图12所示，氮的供给模式设定为正弦波状。另外，对于铬和碳的供给模式，与上述实施方式同样地设定。

通过采用这种供给模式，能够平滑地进行软质层32与硬质层33的切换。

并且，在形成包覆膜31时的供给模式不限定于图12所示的时序图的模式。能够对应于硬质层33与软质层32的切换方式，与PVD装置内的温度、压力、供给气体的流速等一起，变更为更加恰当的供给模式。

下面对本方式的作用效果进行说明。

在本方式中，如图11所示，在层叠组内边界部37及层叠组间边界部38，氮化铬的比例沿膜厚方向逐渐增减。

通过采用这种构造，软质层32与硬质层33间的边界处的膜厚方向的硬度变化比例减小，能够进一步抑制由所输入的载荷引起的在各层的边界处的剥离。

由此，能够形成更牢固且更强韧的包覆膜31。

下面对本实施方式的第2其他方式进行说明。

在本方式中，如图13所示，层叠组内边界部37处的氮化铬的比例突然变化。另外，在层叠组间边界部38，氮化铬的比例沿膜厚方向逐渐减小。

也就是说，与上述实施方式不同，在各层叠组36内形成清晰的边界，而相邻的层叠组36间的边界变得模糊。

为了形成本方式的包覆膜31，按照图14所示的时序图，向装置内供给铬、氮、碳。

并且，最内层35及初始滑动层34由与上述实施方式相同的组成构成。

下面对本方式的作用效果进行说明。

如图13所示，在本方式的层叠组间边界部38，氮化铬的比例沿膜厚方向逐渐增加。

由此，能够与上述实施方式同样地，形成牢固且强韧的包覆膜31。另外，氮化铬的比例逐渐变化的边界的数量可以比上述第1其他方式少，因此能够以短时间形成包覆膜31，并减小包覆膜31的膜厚。

此外，在上述实施方式、第1其他方式及第2其他方式中，软质层32和硬质层33的成分由铬和氮构成，但不限定于此。

例如，也能够由钨和氮的组合或钛和氮的组合形成软质层32和硬质层33。

并且，在钨和氮的组合的情况下，软质层32、硬质层33的组成由钨和氮化钨构成，并且，其硬度对应于氮化钨的比例而变化。硬质层33与软质层32相比，氮化钨的比例大、硬度高。

另外，在钛和氮的组合的情况下，软质层32、硬质层33的组成由钛和氮化钛构成，并且其硬度对应于氮化钛的比例而变化。硬质层33与钨的情况同样地，与软质层32相比，氮化钛的比例大、硬度高。

如上所述，软质层32和硬质层33的成分可以从多个中选择，能够对应于所要求的包覆膜31的强度、成膜速度、形成成本等采用更恰当的成分。另外，即使是由所选择的成分形成的软质层32及硬质层33，也能够获得与上述实施方式相同的作用效果。

附图标记说明

1 齿轮齿条副机构

11 小齿轮

12 齿轮齿

21 齿条轴

22 齿条齿

23 基材

31 包覆膜

32 软质层

33 硬质层

34 初始滑动层

35 最内层

36 层叠组

38 层叠组间边界部

Claims (13)

1.一种车辆用齿轮齿条副机构，其包括：

小齿轮，其具备齿轮齿，并以能够绕轴旋转的方式被支承；以及

齿条轴，其具备能够与该齿轮齿啮合的齿条齿，

该车辆用齿轮齿条副机构的特征在于，

在所述齿条齿的表面形成有由硬度不同的多层覆膜层叠而成的包覆膜。

2.根据权利要求1所述的车辆用齿轮齿条副机构，其特征在于，

所述包覆膜具备软质层和与该软质层相比设定为硬质的硬质层这两种覆膜，在所述齿条齿的基材表面依次交替重复层叠该软质层、该硬质层，使该硬质层位于最外表面侧。

3.根据权利要求2所述的车辆用齿轮齿条副机构，其特征在于，

所述软质层和所述硬质层的各组成由铬和氮、钨和氮、钛和氮中的某一组合构成，

该软质层将铬、钨、钛中的任一种的比例设定为高于氮，

该硬质层将氮的比例设定为高于铬、钨、钛中的任一种。

4.根据权利要求3所述的车辆用齿轮齿条副机构，其特征在于，

所述包覆膜将由所述软质层和所述硬质层构成的层叠组合计层叠三层以上。

5.根据权利要求3所述的车辆用齿轮齿条副机构，其特征在于，

所述包覆膜将由所述软质层和所述硬质层构成的层叠组合计层叠五层以上。

6.根据权利要求4所述的车辆用齿轮齿条副机构，其特征在于，

所述层叠组使氮的比例从所述软质层朝向所述硬质层沿膜厚方向逐渐变化。

7.根据权利要求4所述的车辆用齿轮齿条副机构，其特征在于，

在相邻的所述层叠组的边界，氮的比例沿膜厚方向逐渐变化。

8.根据权利要求4所述的车辆用齿轮齿条副机构，其特征在于，

所述包覆膜对应于所述齿条齿的齿宽方向的位置及所述齿条轴的轴向的位置设定所述层叠组的层叠数。

9.根据权利要求2所述的车辆用齿轮齿条副机构，其特征在于，

所述包覆膜在位于最外表面侧的所述硬质层的表面侧具备初始滑动层。

10.根据权利要求9所述的车辆用齿轮齿条副机构，其特征在于，

所述初始滑动层的硬度设定为与所述软质层相比接近所述硬质层。

11.根据权利要求9所述的车辆用齿轮齿条副机构，其特征在于，

所述初始滑动层由类金刚石或硫化钼的覆膜构成。

12.根据权利要求3所述的车辆用齿轮齿条副机构，其特征在于，

在与所述齿条齿的基材表面最接近的所述软质层和该基材表面之间具备最内层，在构成所述包覆膜的覆膜中，该最内层将铬、钨、钛中的某一种的比例设定为最高。

13.根据权利要求1所述的车辆用齿轮齿条副机构，其特征在于，

所述包覆膜形成在所述齿条轴整体上。