JP2004359009A - ラックバー並びにこれを用いるステアリング装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】安価で曲げ変形能に優れ、ステアリング装置に好適に用いることができるラックバーを提供すること。
【解決手段】焼入れ及び短時間焼戻しが施された鋼を用いて形成された直径Ｄの丸棒状の本体２０にラック歯形成部２２を加工する。鋼の炭素含有量が０．５０〜０．６０質量％である。ラック歯形成部２２に高周波焼入及び焼戻しを施して硬化層２５を設ける。ラック歯形成部２２の表面硬さが６８０〜８００ＨＶである。ラック歯形成部２２の背面部２６の表面からの深さが（３／４）Ｄの部分２７で、焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率が３０〜１００％で且つ再生パーライト組織が面積百分率で０〜５０％である。焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織及び再生パーライト組織の合計の面積百分率が５０〜１００％である。
【選択図】 図２
【解決手段】焼入れ及び短時間焼戻しが施された鋼を用いて形成された直径Ｄの丸棒状の本体２０にラック歯形成部２２を加工する。鋼の炭素含有量が０．５０〜０．６０質量％である。ラック歯形成部２２に高周波焼入及び焼戻しを施して硬化層２５を設ける。ラック歯形成部２２の表面硬さが６８０〜８００ＨＶである。ラック歯形成部２２の背面部２６の表面からの深さが（３／４）Ｄの部分２７で、焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率が３０〜１００％で且つ再生パーライト組織が面積百分率で０〜５０％である。焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織及び再生パーライト組織の合計の面積百分率が５０〜１００％である。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のステアリング用のラックバー、並びにこれを用いるステアリング装置および電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用のステアリング用のラックバーに要求される最も重要な特性は、静的または動的に過大な負荷が作用した場合にも脆性的に破損しないことであり、過大負荷が作用しても曲がり変形を生ずる（曲げ変形能）ことによって、部品が完全には破断分離しないことが要求されている。
現在のラックバーの製造は、圧延鋼材→焼入れ焼もどし処理→機械加工→高周波焼入れ焼もどし処理→仕上げ加工の工程が適用されている。上記のような脆性的な破壊を極力回避するために、圧延鋼材を直接加工・高周波焼入れ処理せず、焼入れ焼もどし処理を行うことによって素材の靱性を向上させ、その後、その部品加工と高周波焼入れ処理を施すことによって脆性的な破壊を防止している。
【０００３】
従来、ラックバー用の鋼材において、製造コストの低減を図るために、焼入れ焼もどし処理を省略しつつ脆性的な破壊を防止しようとする試みがなされている（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−８１８９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、電動パワーステアリング装置が、油圧式パワーステアリング装置と比較して燃費を３〜５％向上できることから、小型車を中心として普及してきている。
しかしながら、電動パワーステアリング装置では、自動車の左右方向に延在する転舵軸としてのラックバーとピニオンとの噛み合い部分に作用する応力が、油圧式パワーステアリング装置と比較して、大幅に（例えば６〜１０倍に）高くなる。
【０００６】
一方で、部品を共通化して量産効果によるコストダウンを図るために、電動パワーステアリング装置においても、油圧式パワーステアリング装置で用いているラックバーと共通の仕様のラックバーが用いられている。このため、高応力が作用する中型車以上では、ラックバーの耐摩耗性や強度（疲労強度を含む）の点で不利となり、その結果、電動パワーステアリング装置の採用は小型車中心にとどまっている。
【０００７】
焼入れ焼戻しを省略する特許文献１のラックバーでは、曲げ変形能のための靱性が不足するという欠点がある。
一方、通常の焼入れや焼戻しを施す場合には、焼戻し時間が長く、製造コストが高いという問題がある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、安価で曲げ変形能に優れたラックバー、ステアリング装置および電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成するため、本発明は、焼入れおよび焼戻しが施された鋼を用いて形成された直径Ｄの丸棒状の本体と、この本体の周面の一部に設けられた平坦部と、この平坦部に設けられ複数のラック歯が形成されたラック歯形成部とを備えるラックバーにおいて、上記鋼の炭素含有量が０．５０〜０．６０質量％であり、少なくともラック歯形成部に高周波焼入および焼戻しが施された硬化層が設けられ、ラック歯形成部の表面硬さがビッカース硬さで６８０〜８００ＨＶであり、ラック歯形成部の背面部の表面からの深さが（３／４）Ｄの部分で、焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率が３０〜１００％であって、再生パーライト組織が面積百分率で０〜５０％であり、且つ焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織および再生パーライト組織の合計の面積百分率が５０〜１００％であることを特徴とするラックバーを提供するものである。
【０００９】
通例、ラック歯は深さＤ／４程度に形成されるので、ラック歯形成部の背面部の表面からの深さが（３／４）Ｄの部分（以下、単に「（３／４）Ｄ部」ともいう。）は、焼入れされた部分と焼入れされなかった部分との概ね境界にあたる。万一、大荷重を受けたラックバーが過大な曲げ変形を生じてその一部にクラックが生じたとしても、上記の（３／４）Ｄ部に少なくとも３０％の面積百分率で残存している焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織がクラックの伝搬を防止することで、ラックバーが割れて２分割するような破損を防止することができる。また、上記の（３／４）Ｄ部で再生パーライト組織の面積百分率を５０％以下とするのは、靱性を低下させないためである。
【００１０】
炭素（Ｃ）含有量が０．５０〜０．６０質量％の鋼に焼入れを施すことにより、ラックバーとして必要な硬さと靱性が付与される。すなわち、炭素含有量を０．５０質量％以上とすることで、高周波焼入れによってラック歯の耐摩耗性を高めることができる一方、炭素含有量が０．６０質量％を超えると、ラックバーの耐衝撃性が低下し、また、高周波焼入れ時に焼割れを生じ易くなるので、炭素含有量を０．５０〜０．６０質量％の範囲に設定した。
【００１１】
また、ラック歯形成部の表面硬さを６８０〜８００ＨＶに限定したのは下記の理由による。すなわち、６８０ＨＶ未満であると、ラック歯形成部の表面硬さが十分でなくなり、曲げ疲労に対する疲労限界が低くなる一方、８００ＨＶを超えると、表層部の靱性が低下し、静的負荷あるいは準静的負荷に対する曲げ強度が不足するからである。そこで、ラック歯形成部の表面硬さを６８０〜８００ＨＶとすることで、曲げ疲労に対する疲労限界を高くすると共に静的又は準静的負荷に対する十分な曲げ強度を確保するようにした。
【００１２】
また、上記鋼のボロン含有量が５〜３０ｐｐｍであれば好ましい。このような微量のボロンの添加により、高周波焼入れ性を向上させることができる。すなわち、高周波焼入れされた部分の粒界を強化することができ、靱性を増加させて曲げ変形能（耐割れ性）を格段に向上させることができる。このような効果を得るためのボロン含有量としては、少なくとも５ｐｐｍ以上必要である一方、３０ｐｐｍを超えるボロンを含有させても、その効果が飽和するので、５〜３０ｐｐｍの範囲に設定することが好ましい。
【００１３】
また、上記ラック歯形成部の歯底部における硬化層の有効深さ（有効硬化層深さに相当）が歯底部の表面から０．１〜１．５ｍｍであれば好ましい。有効深さが１．５ｍｍを超える場合には、高い衝撃を受けたときに、ラックバーの長手方向の中間部の１箇所で局部的に屈曲して「く」の字状に曲がる傾向にあり、その結果、ラックバー上をピニオンが移動できなくなるおそれがある。一方、有効深さが０．１ｍｍ未満では、ラック歯の歯元付近の曲げ強度が不足するおそれがある。そこで、有効深さを０．１〜１．５ｍｍの範囲とすることで、歯元曲げ強度を確保しつつ大荷重負荷時にラックバー全体が緩やかに曲がるようにし、非常時のステアリング性能を確保することが可能となる。さらに好ましい有効深さは、０．３〜１．２ｍｍである。
【００１４】
上記のラックバーであれば、ステアリング装置に好適に用いることができ、さらには、電動パワーステアリング装置に好適に用いることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい態様を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の一実施の形態のステアリングラックが用いられる電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。図１を参照して、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ） １は、ステアリングホイール等の操舵部材２に連結しているステアリングシャフト３と、ステアリングシャフト３に自在継手４を介して連結される中間軸５と、中間軸５に自在継手６を介して連結されるピニオン軸７と、ピニオン軸７の先端部に設けられたピニオン７ａに噛み合うラック歯８ａを有して自動車の左右方向に延びる転舵軸としてのラックバー８とを有している。
【００１６】
ラックバー８は車体に固定されるハウジング１７内に図示しない複数の軸受を介して直線往復動自在に支持されている。ラックバー８の両端部はハウジング１７の両側へ突出し、各端部にはそれぞれタイロッド９が結合されている。各タイロッド９は対応するナックルアーム（図示せず）を介して対応する操向用の車輪１０に連結されている。
操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３が回転されると、この回転がピニオン７ａおよびラック歯８ａによって、自動車の左右方向に沿ってのラックバー８の直線運動に変換される。これにより、操向用の車輪１０の転舵が達成される。
【００１７】
ステアリングシャフト３は、操舵部材２に連なる入力軸３ａと、ピニオン軸７に連なる出力軸３ｂとに分割されており、これら入、出力軸３ａ，３ｂはトーションバー１１を介して同一の軸線上で相対回転可能に互いに連結されている。
トーションバー１１を介する入、出力軸３ａ，３ｂ間の相対回転変位量により操舵トルクを検出するトルクセンサ１２が設けられており、このトルクセンサ１２のトルク検出結果は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ ：電子制御ユニット）１３に与えられる。ＥＣＵ１３では、トルク検出結果や図示しない車速センサから与えられる車速検出結果等に基づいて、駆動回路１４を介して操舵補助用の電動モータ１５への印加電圧を制御する。電動モータ１５の出力回転が減速機構１６を介して減速されて、出力軸３ｂ、中間軸５を介してピニオン軸７に伝達され、ラックバー８の直線運動に変換されて、操舵が補助される。
【００１８】
減速機構としては、電動モータ１５の図示しない回転軸に一体回転可能に連結されるウォーム軸等の小歯車１６ａと、この小歯車１６ａに噛み合うと共に出力軸１６ｂに一体回転可能に連結されるウォームホイール等の大歯車１６ｂとを備えるギヤ機構を例示することができる。
図２（ａ）はラックバー８の部分断面側面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。ラックバー８は、直径Ｄの丸棒状の本体２０と、この本体２０の周面２０ａの一部に設けられた平坦部２１と、この平坦部２１に設けられラック歯形成部２２とを備える。
【００１９】
平坦部２１は、本体２０の軸線２３に平行に所定長さで延び所定幅を有している。ラック歯形成部２２は、複数設けられる上記のラック歯８ａと、隣接するラック歯８ａ間に設けられる歯底部２４とを含む。
上記本体２０は、後述する高周波焼入れおよび短時間焼戻しが施された棒鋼を用いて形成される。本体２０を形成する鋼の炭素含有量は０．５０〜０．６０質量％である。炭素含有量を０．５０質量％とするのは、鋼材に後述する高周波焼入れを施すことにより、ラック歯８ａの耐摩耗性を高めるためである。ただし、炭素含有量が０．６０質量％を超えると、ラックバー８の耐衝撃特性が低下し、また、高周波熱処理時に焼割れを生じ易くなる。そのために、炭素含有量は、０．６０質量％以下、好ましくは０．５６質量％以下にする。
【００２０】
また、本体２０を構成する上記の鋼には、ボロン（Ｂ）が５〜３０ｐｐｍ含有されていることが好ましい。５ｐｐｍ以上のボロンの添加により高周波焼入れされた部分の粒界を強化し、靱性を増加させて曲げ変形能（耐割れ性）を格段に向上させることができる一方、３０ｐｐｍを超えるボロンを含有させても、その効果が飽和するので、５〜３０ｐｐｍの範囲に設定されることが好ましい。
鋼の他の成分としては、Ｓｉ含有量０．０５〜０．５質量％、Ｍｎ含有量０．２〜１．５質量％、Ｓ含有量０．０６質量％以下、Ｃｒ含有量１．５質量％以下（０質量％を含まず）を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。
【００２１】
ラックバー８の少なくともラック歯形成部２２には、ラック歯８ａ形成後に施された高周波焼入および焼戻しによって硬化層２５が設けられている。ラック歯形成部２２の表面硬さがビッカース硬さで６８０〜８００ＨＶに設定されている。６８０ＨＶ未満であると、ラック歯形成部２２の表面硬さが十分でなくなり、曲げ疲労に対する疲労限界が低くなる一方、８００ＨＶを超えると、表層部の靱性が低下し、静的負荷あるいは準静的負荷に対する曲げ強度が不足するからである。
【００２２】
また、ラック歯形成部２２において、ラック歯８ａ間の歯底部２４での硬化層２５の有効深さｄは、歯底部２４の表面から０．１〜１．５ｍｍの範囲にあることが好ましい。ここで、硬化層２５の有効深さｄは、表面から４５０ＨＶの硬さの位置までの距離で定義され、有効硬化層深さに相当する。
歯底部２４における硬化層２５の有効深さｄが１．５ｍｍを超える場合には、高い衝撃を受けたときに、ラックバー８の長手方向の中間部の１箇所で局部的に屈曲して「く」の字状に曲がる傾向にあり、その結果、ラックバー８上をピニオン７ａが移動できなくなるおそれがある。一方、硬化層２５の有効深さｄが０．１ｍｍ未満では、ラック歯８ａの歯元付近の曲げ強度が不足するおそれがある。
【００２３】
そこで、歯底部２４での硬化層２５の有効深さｄを０．１〜１．５ｍｍの範囲とすることで、ラック歯８ａの歯元曲げ強度を確保しつつ大荷重負荷時にラックバー８全体が緩やかに曲がるようにし、非常時のステアリング性能を確保するようにしている。歯底部２４での硬化層２５の有効深さｄは、より好ましくは０．３〜１．２ｍｍである。
通例、ラック歯８ａはＤ／４程度の深さに形成されている。また、本体２１の周面２０ａにおいて、ラック歯形成部２２と直径方向の反対側にある背面部２６の表面からの深さが（３／４）Ｄの部分２７〔（３／４）Ｄ部２７ともいう）で、焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率が３０〜１００％であって、再生パーライト組織が面積百分率で０〜５０％であり、且つ焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織および再生パーライト組織の合計の面積百分率が５０〜１００％であるように設定されている。これは、ラックバー８の切断面の電子顕微鏡写真により観察することができる。なお、上記の丸棒の直径Ｄは、２０〜４０ｍｍ程度、好ましくは２０〜３８ｍｍ、さらに好ましくは２０〜３６ｍｍ程度である。
【００２４】
また、上記歯底部２４の表面から０．１ｍｍ深さまで残留フェライトが発生していないことが好ましい。残留フェライトが発生していると、局部的に強度を低下させるおそれがあるので、これを排除するためである。
次いで、本ラックバー８の製造方法について説明する。まず、炭素含有量が０．５０〜０．６０質量％の鋼からなる中実（場合によって中空）の丸棒を、図３に示すように、７８０°Ｃ以上の加熱温度Ｔ１に加熱し、水冷にて室温まで制御冷却することによって、焼入れする。加熱温度Ｔ１を７８０°Ｃ以上とするのは、残留フェライトを抑制するためである。加熱温度Ｔ１としては、好ましくは８００°Ｃ以上である。なお、加熱温度Ｔ１の上限は、通常８６０°Ｃ、好ましくは８５０°Ｃ程度である。
【００２５】
上記の制御冷却では、上記の（３／４）Ｄ部２７でのベイナイト組織およびマルテンサイト組織の合計が３０％（面積百分率）以上、好ましくは４０％（面積百分率）以上、さらに好ましくは５０％（面積百分率）以上になるように行う必要がある。このような制御冷却の条件は、鋼の組成などに応じて適宜設定できるが、例えは、温度８００〜３００°Ｃ（好ましくは７５０〜３５０°Ｃ）程度の領域を、冷却速度３０〜８０°Ｃ／秒（好ましくは４０〜７０°Ｃ／秒）で冷却するのが好ましい。
【００２６】
このようして得られたベイナイト組織やマルテンサイト組織が導入された一次中間体は、昇温過程を含めて２０分以下の処理時間ｔで焼戻し処理を実施し、室温まで空冷する。焼戻し処理に使用する炉の雰囲気温度Ｔ２は６６０°Ｃ以上とされる。炉の雰囲気温度Ｔ２を６６０°Ｃ以上とすれば、２０分以下の短時間の焼戻しであっても、焼戻しされた二次中間体のビッカース硬さを低減でき（例えば３２０ＨＶ以下にすることができ）、後に平坦部２１やラック歯形成部２２を加工するときの切削加工性を高めることができる。なお、炉の雰囲気温度Ｔ２は好ましくは６８０〜７００°Ｃである。
【００２７】
焼戻しの処理時間ｔを２０分以下とするのは、製造コストを低減するためである。焼戻しの処理時間ｔとしては、好ましくは１５分以下に設定される。
上記の（３／４）Ｄ部２７で、焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率が３０〜１００％であって、再生パーライト組織が面積百分率で０〜５０％であり、且つ焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織および再生パーライト組織の合計の面積百分率が５０〜１００％となるように、焼き戻後の組織を制御するためには、上記の焼戻し条件（６６０°Ｃ以上、２０分以内）の範囲内で、焼戻し温度が高過ぎたり焼戻し時間が長過ぎたりしないことが好ましい。焼戻し温度が高過ぎたり焼戻し時間が長過ぎたりすると、制御冷却によって導入したベイナイト組織およびマルテンサイト組織の面積百分率が低減し易くなり、かつパーライト組織が再生し易くなり、曲げ特性が低下してしまうからである。
【００２８】
このように焼戻し処理により得られた二次中間体に引抜き加工、その後、当該二次中間体の周面の一部にフライス加工を施すことにより、平坦部２１を形成し、この平坦部２１にブローチ加工を施すことにより、複数のラック歯８ａを含むラック歯形成部２２を形成する。次いで、ラック歯形成部２２に、例えば加熱時間５．５秒、水冷による冷却時間１０秒の高周波焼入れを施した後、例えば１７０°Ｃで１．５時間の条件で焼戻し処理を実施し、ラック歯形成部２２の表面でビッカース硬さで６８０〜８００ＨＶを達成し、ラックバー８を形成する。
【００２９】
このようにして得られラックバー８では、上記した如く、ラック歯８ａとして必要な耐摩耗性と必要な曲げ強度を確保することができる。また、（３／４）Ｄ部２７に残存する焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織がクラックの内部への伝搬を防止することで、ラックバー８が２分割して割れるような破損を防止することができる。
しかも、歯底部２４の硬化層２５の有効深さｄを歯底部２４の表面から０．１〜１．５ｍｍとすることで、歯元曲げ強度を確保しつつ大荷重負荷時にラックバー８全体が緩やかに曲がるようにし、非常時のステアリング性能を確保することが可能となる。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
実施例
Ｃ含有量０．５３質量％、Ｓｉ含有量０．２３質量％、Ｍｎ含有量０．８質量％、Ｓ含有量０．０１８質量％、Ｃｒ含有量０．３０％、Ｂ含有量０．０１５％である鋼材を用いて、圧延によって直径３０ｍｍの棒鋼にした後、加熱温度７８０°Ｃに加熱し、次いで室温まで制御冷却した。冷却した棒鋼は、雰囲気温度６６０°Ｃに加熱した炉に１５分滞留させることによって焼戻しした。焼戻し後の棒鋼は放冷した。より好ましくは、上記加熱温度は８２０°Ｃであり、焼戻し時の雰囲気温度は６９０°Ｃである。
【００３１】
このようにして得られた棒鋼を引抜き加工して直径２７．５ｍｍにした後、切削加工により平坦部２１を形成し、該平坦部２１にラック歯８ａを形成してラック歯形成部２２とした。次いで、ラック歯形成部２２に加熱時間５．５秒、水冷による冷却時間１０秒の高周波焼入れを施した後、１７０°Ｃで１．５時間の条件で焼戻し処理を実施し、ラック歯形成部２２に硬化層２５を設けて、実施例のラックバーを製造した。
【００３２】
実施例では、ラック歯形成部２２の表面硬さが７１０ＨＶである。ラック歯形成部２２の背面部２６の表面からの深さ（３／４）Ｄ部２７で、焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率が９０％であって且つ再生パーライト組織が面積百分率で０％である。ラック歯形成部２２の歯底部２４の硬化層２５の有効深さｄが歯底部２４の表面から０．７ｍｍである。
比較例
Ｃ含有量０．４６質量％、Ｓｉ含有量０．１９質量％、Ｍｎ含有量０．８６質量％、Ｓ含有量０．０５３質量％、Ｃｒ含有量０．１３質量％であって、Ｂを含有しない鋼材を用いて、圧延によって棒鋼に形成した後、加熱温度８５０°Ｃに加熱し、次いで室温まで冷却した。冷却した棒鋼は、雰囲気温度６１０°Ｃに加熱した炉に３０分以上滞留させることによって焼戻しした。焼戻し後の棒鋼は放冷した。このようにして得られた棒鋼を用い、以後は実施例と同様にして、比較例のラックバーを製造した。
【００３３】
比較例では、ラック歯形成部に通常の高周波焼入れ、焼戻しが施される。ラック歯の表面硬さが６５０ＨＶである。（３／４）Ｄ部で焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率が７０％であって且つ再生パーライト組織が面積百分率で２０％である。歯底部の硬化層の有効深さが歯底部の表面から０．３ｍｍである。
これら実施例および比較例を各々２個用いて以下の試験を実施した。
正入力静的破壊試験
図４に示すような試験装置を用いた。実施例のラックバー８ないし比較例のラックバーをハウジング１７に組み込み、ハウジング１７の両端をそれぞれ固定支柱３１に固定した。中立位置にてラックバー８を固定し、ピニオン軸７に連結したロータリーアクチュエータ３２からピニオン軸７に駆動トルクを与えた。駆動トルクを増大させていき、破壊に至らせた。
【００３４】
ラックバーに亀裂が発生するときの荷重は実施例が３０５Ｊであるのに対して、比較例が１８８Ｊであり、実施例の破壊強度が比較例の破壊強度と比較して、約６２％増であることが判明した。
逆入力静的破壊試験
図５に示すような試験装置を用いた。実施例のラックバー８ないし比較例のラックバーをハウジング１７に組み込み、ハウジング１７の両端をそれぞれ固定支柱３１にマウントラバー３３を介して固定した。ピニオン軸７をジョイント３４を介して中立位置に固定し、ラックバー８の端部を負荷シリンダ３５によりロードセル３６を介して押し、亀裂発生音を確認するまで荷重を負荷した。ロードセル３６に接続された動歪み計３７の出力をレコーダ３８に記録した。
【００３５】
その結果、実施例の亀裂発生荷重が平均で９２Ｎ・ｍであるの対して、比較例の亀裂発生荷重が平均で５１Ｎ・ｍであり、実施例の破壊強度が比較例の破壊強度と比較して、約８０％増であることが判明した。
逆入力衝撃破壊試験
図６に示すような試験装置を用いた。実施例のラックバー８ないし比較例のラックバーをハウジング１７に組み込み、ハウジング１７の両端を固定支柱３９に固定された一対の固定アーム４０に固定した。ハウジング１７はピニオン軸７に近い側の端部が上になるように立てて配置する。ピニオン軸７は中立位置で固定支柱４１ に固定する。ピニオン軸７に近い側のラックバー８の端部に受け部材４２を固定した。
【００３６】
受け部材４２の上方には、ガイドバー４３により上下動自在に支持された重錘４４が設けられ、この重錘４４の下部にはロードセル４５が固定されている。ロードセル４５を固定した重錘４４の重さは１００Ｋｇであり、ロードセル４５と受け部材４２との距離を２０ｃｍとして、重錘４４およびロードセル４５を落下させて受け部材４２に衝突させ、破損に至るまでの落下回数を調べた。
ロードセル４５に動歪み計４６を接続し、動歪み計４６の出力を電磁オシロスコープ４７に記録した。
【００３７】
試験の結果、比較例が平均で３回で破壊に至ったのに対して、実施例は平均で１５回で破壊に至った。実施例の逆入力衝撃強度が比較例よりも格段に優れていることが実証された。
曲げ強度試験
図７に示すような試験装置を用いた。実施例のラックバー８ないし比較例のラックバーをハウジング１７に組み込み、ハウジング１７の両端をそれぞれ固定支柱４８に固定した。ラックバー８をピニオン軸に近い側のハウジング１７の端部から最大限突出させた状態で、ラックバー８の先端に固定した受け部材４９を負荷シリンダ５０によりロードセル５１を介して押し、ラックバー８に最大負荷が得られるまで曲げ荷重を負荷した。
【００３８】
ロードセル５１に接続された動歪み計５２の出力を荷重計５３に導き、荷重を測定した。その結果、最大負荷荷重は、実施例が８．６ＫＮであり、比較例は７．４ＫＮであった。これにより、実施例は比較例として比較して約１６％増の曲げ強度を持つことが確認された。また、双方とも、破断することなく「曲がる」ことが確認された。
正入力耐久試験
図８に示すような試験装置を用いた。実施例のラックバー８ないし比較例のラックバーをハウジング１７に組み込み、ハウジング１７の両端をそれぞれ固定支柱５４に固定した。ラックバー８の両端にそれぞれサーボアクチュエータ５５を連結した。ピニオン軸７にジョイント５６およびトルクメータ５７を介してロータリーアクチュエータ５８を接続し、該ロータリーアクチュエータ５８によりピニオン軸７に駆動トルクを与える。駆動トルクは５０Ｎ・ｍとし、周波数０．１〜０．２Ｈｚにて繰り返し回数を３万回とした。
【００３９】
試験終了後、ピニオンへの噛み合い部分の摩耗量を測定したところ、実施例が平均８．７μｍであるのに対して、比較例が平均２７．８μｍであり、実施例は比較例よりも約７０％摩耗量が減少することが実証された。
逆入力耐久試験
図９に示すような試験装置を用いた。実施例のラックバー８ないし比較例のラックバーをハウジング１７に組み込み、ハウジング１７の両端をそれぞれ固定支柱５９に固定した。ピニオン軸７をジョイント６０を介して中立位置に固定し、ピニオン軸７に近い側のラックバー８の端部に連なるタイロッド９を介して、サーボアクチュエータ６１からのラックバー８に軸力を負荷した。ラックバー８に負荷される軸力を９．８ｋＮとし、周波数５Ｈｚにて破損に至るまで実施した。
【００４０】
その結果、比較例は３５万回で破損に至ったのに対して、実施例は７０万回にても破損に至らなかった。
曲げ疲労試験
実施例と同様の素材にて図１０（ａ）に示す試験片６２を作成した。試験片６２は、全長Ｌが９０ｍｍのほぼ丸型の軸である。試験片６２の一端６２ａから距離Ｎが４０ｍｍの位置を中心として、くびれ部６５をＲ５の断面湾曲を持って形成する。くびれ部６５の最小直径Ｒは８ｍｍである。くびれ部６５を挟んで一端６２ａ側が直径Ｐが１２ｍｍである円柱部６３となっている。また、くびれ部６５を挟んで他端６２ｂ側が他端６２ｂ側にいくに従って次第に拡径する１／２０テーパのテーパ部６４となっている。テーパ部６４の最大直径Ｑは１４ｍｍである。比較例についても同様の比較片を作成した。
【００４１】
試験片６２ないし比較片の曲げ疲労試験を、図１０（ｂ）に示す試験装置を用いて実施した。試験片６２の一端６２ａから距離Ｍが５０ｍｍまでの部分を片持ち状に突出させる状態にて、残りのテーパ部６４を固定支柱６６のテーパ状の支持孔６７に固定した。固定された試験片６２の一端６２ａ付近に転動ローラ６８を介して負荷シリンダ６９によって周波数２０Ｈｚで曲げ荷重を繰り返し負荷し、応力と繰り返し回数を測定して、Ｓ−Ｎ曲線を求めた。
【００４２】
試験の結果、Ｓ−Ｎ曲線の平滑化部分（応力が収束する部分）において、比較片の応力が１２７０ＭＰａであるのに対して、試験片６２の応力が１４５０ＭＰａであり、疲労強度が約１５％向上することが実証された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のラックバーを含む電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）は、ラックバーの一部破断側面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。
【図３】熱処理時の時間と温度の関係を示すグラフ図である。
【図４】正入力静的破壊試験の試験装置の概略図である。
【図５】逆入力静的破壊試験の試験装置の概略図である。
【図６】逆入力衝撃試験の試験装置の概略図である。
【図７】曲げ強度試験の試験装置の概略図である。
【図８】正入力耐久試験の試験装置の概略図である。
【図９】逆入力耐久試験の試験装置の概略図である。
【図１０】図１０（ａ）は試験片の概略側面図であり、図１０（ｂ）は曲げ疲労試験の試験装置の概略図である。
【符号の説明】
１ 電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）
２ 操舵部材
３ ステアリングシャフト
３ａ 入力軸
３ｂ 出力軸
５ 中間軸
７ ピニオン軸
７ａ ピニオン
８ ラックバー
８ａ ラック歯
１１ トーションバー
１２ トルクセンサ
１３ ＥＣＵ
１５ 電動モータ
１６ 減速機構
２０ 本体
２０ａ 周面
２１ 平坦部
２２ ラック歯形成部
２３ 軸線
２４ 歯底部
２５ 硬化層
２６ 背面部
２７ （３／４）Ｄの部分〔（３／４）Ｄ部〕
６２ 試験片
Ｄ 直径
ｄ 有効深さ
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のステアリング用のラックバー、並びにこれを用いるステアリング装置および電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用のステアリング用のラックバーに要求される最も重要な特性は、静的または動的に過大な負荷が作用した場合にも脆性的に破損しないことであり、過大負荷が作用しても曲がり変形を生ずる（曲げ変形能）ことによって、部品が完全には破断分離しないことが要求されている。
現在のラックバーの製造は、圧延鋼材→焼入れ焼もどし処理→機械加工→高周波焼入れ焼もどし処理→仕上げ加工の工程が適用されている。上記のような脆性的な破壊を極力回避するために、圧延鋼材を直接加工・高周波焼入れ処理せず、焼入れ焼もどし処理を行うことによって素材の靱性を向上させ、その後、その部品加工と高周波焼入れ処理を施すことによって脆性的な破壊を防止している。
【０００３】
従来、ラックバー用の鋼材において、製造コストの低減を図るために、焼入れ焼もどし処理を省略しつつ脆性的な破壊を防止しようとする試みがなされている（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−８１８９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、電動パワーステアリング装置が、油圧式パワーステアリング装置と比較して燃費を３〜５％向上できることから、小型車を中心として普及してきている。
しかしながら、電動パワーステアリング装置では、自動車の左右方向に延在する転舵軸としてのラックバーとピニオンとの噛み合い部分に作用する応力が、油圧式パワーステアリング装置と比較して、大幅に（例えば６〜１０倍に）高くなる。
【０００６】
一方で、部品を共通化して量産効果によるコストダウンを図るために、電動パワーステアリング装置においても、油圧式パワーステアリング装置で用いているラックバーと共通の仕様のラックバーが用いられている。このため、高応力が作用する中型車以上では、ラックバーの耐摩耗性や強度（疲労強度を含む）の点で不利となり、その結果、電動パワーステアリング装置の採用は小型車中心にとどまっている。
【０００７】
焼入れ焼戻しを省略する特許文献１のラックバーでは、曲げ変形能のための靱性が不足するという欠点がある。
一方、通常の焼入れや焼戻しを施す場合には、焼戻し時間が長く、製造コストが高いという問題がある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、安価で曲げ変形能に優れたラックバー、ステアリング装置および電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成するため、本発明は、焼入れおよび焼戻しが施された鋼を用いて形成された直径Ｄの丸棒状の本体と、この本体の周面の一部に設けられた平坦部と、この平坦部に設けられ複数のラック歯が形成されたラック歯形成部とを備えるラックバーにおいて、上記鋼の炭素含有量が０．５０〜０．６０質量％であり、少なくともラック歯形成部に高周波焼入および焼戻しが施された硬化層が設けられ、ラック歯形成部の表面硬さがビッカース硬さで６８０〜８００ＨＶであり、ラック歯形成部の背面部の表面からの深さが（３／４）Ｄの部分で、焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率が３０〜１００％であって、再生パーライト組織が面積百分率で０〜５０％であり、且つ焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織および再生パーライト組織の合計の面積百分率が５０〜１００％であることを特徴とするラックバーを提供するものである。
【０００９】
通例、ラック歯は深さＤ／４程度に形成されるので、ラック歯形成部の背面部の表面からの深さが（３／４）Ｄの部分（以下、単に「（３／４）Ｄ部」ともいう。）は、焼入れされた部分と焼入れされなかった部分との概ね境界にあたる。万一、大荷重を受けたラックバーが過大な曲げ変形を生じてその一部にクラックが生じたとしても、上記の（３／４）Ｄ部に少なくとも３０％の面積百分率で残存している焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織がクラックの伝搬を防止することで、ラックバーが割れて２分割するような破損を防止することができる。また、上記の（３／４）Ｄ部で再生パーライト組織の面積百分率を５０％以下とするのは、靱性を低下させないためである。
【００１０】
炭素（Ｃ）含有量が０．５０〜０．６０質量％の鋼に焼入れを施すことにより、ラックバーとして必要な硬さと靱性が付与される。すなわち、炭素含有量を０．５０質量％以上とすることで、高周波焼入れによってラック歯の耐摩耗性を高めることができる一方、炭素含有量が０．６０質量％を超えると、ラックバーの耐衝撃性が低下し、また、高周波焼入れ時に焼割れを生じ易くなるので、炭素含有量を０．５０〜０．６０質量％の範囲に設定した。
【００１１】
また、ラック歯形成部の表面硬さを６８０〜８００ＨＶに限定したのは下記の理由による。すなわち、６８０ＨＶ未満であると、ラック歯形成部の表面硬さが十分でなくなり、曲げ疲労に対する疲労限界が低くなる一方、８００ＨＶを超えると、表層部の靱性が低下し、静的負荷あるいは準静的負荷に対する曲げ強度が不足するからである。そこで、ラック歯形成部の表面硬さを６８０〜８００ＨＶとすることで、曲げ疲労に対する疲労限界を高くすると共に静的又は準静的負荷に対する十分な曲げ強度を確保するようにした。
【００１２】
また、上記鋼のボロン含有量が５〜３０ｐｐｍであれば好ましい。このような微量のボロンの添加により、高周波焼入れ性を向上させることができる。すなわち、高周波焼入れされた部分の粒界を強化することができ、靱性を増加させて曲げ変形能（耐割れ性）を格段に向上させることができる。このような効果を得るためのボロン含有量としては、少なくとも５ｐｐｍ以上必要である一方、３０ｐｐｍを超えるボロンを含有させても、その効果が飽和するので、５〜３０ｐｐｍの範囲に設定することが好ましい。
【００１３】
また、上記ラック歯形成部の歯底部における硬化層の有効深さ（有効硬化層深さに相当）が歯底部の表面から０．１〜１．５ｍｍであれば好ましい。有効深さが１．５ｍｍを超える場合には、高い衝撃を受けたときに、ラックバーの長手方向の中間部の１箇所で局部的に屈曲して「く」の字状に曲がる傾向にあり、その結果、ラックバー上をピニオンが移動できなくなるおそれがある。一方、有効深さが０．１ｍｍ未満では、ラック歯の歯元付近の曲げ強度が不足するおそれがある。そこで、有効深さを０．１〜１．５ｍｍの範囲とすることで、歯元曲げ強度を確保しつつ大荷重負荷時にラックバー全体が緩やかに曲がるようにし、非常時のステアリング性能を確保することが可能となる。さらに好ましい有効深さは、０．３〜１．２ｍｍである。
【００１４】
上記のラックバーであれば、ステアリング装置に好適に用いることができ、さらには、電動パワーステアリング装置に好適に用いることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい態様を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の一実施の形態のステアリングラックが用いられる電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。図１を参照して、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ） １は、ステアリングホイール等の操舵部材２に連結しているステアリングシャフト３と、ステアリングシャフト３に自在継手４を介して連結される中間軸５と、中間軸５に自在継手６を介して連結されるピニオン軸７と、ピニオン軸７の先端部に設けられたピニオン７ａに噛み合うラック歯８ａを有して自動車の左右方向に延びる転舵軸としてのラックバー８とを有している。
【００１６】
ラックバー８は車体に固定されるハウジング１７内に図示しない複数の軸受を介して直線往復動自在に支持されている。ラックバー８の両端部はハウジング１７の両側へ突出し、各端部にはそれぞれタイロッド９が結合されている。各タイロッド９は対応するナックルアーム（図示せず）を介して対応する操向用の車輪１０に連結されている。
操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３が回転されると、この回転がピニオン７ａおよびラック歯８ａによって、自動車の左右方向に沿ってのラックバー８の直線運動に変換される。これにより、操向用の車輪１０の転舵が達成される。
【００１７】
ステアリングシャフト３は、操舵部材２に連なる入力軸３ａと、ピニオン軸７に連なる出力軸３ｂとに分割されており、これら入、出力軸３ａ，３ｂはトーションバー１１を介して同一の軸線上で相対回転可能に互いに連結されている。
トーションバー１１を介する入、出力軸３ａ，３ｂ間の相対回転変位量により操舵トルクを検出するトルクセンサ１２が設けられており、このトルクセンサ１２のトルク検出結果は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ ：電子制御ユニット）１３に与えられる。ＥＣＵ１３では、トルク検出結果や図示しない車速センサから与えられる車速検出結果等に基づいて、駆動回路１４を介して操舵補助用の電動モータ１５への印加電圧を制御する。電動モータ１５の出力回転が減速機構１６を介して減速されて、出力軸３ｂ、中間軸５を介してピニオン軸７に伝達され、ラックバー８の直線運動に変換されて、操舵が補助される。
【００１８】
減速機構としては、電動モータ１５の図示しない回転軸に一体回転可能に連結されるウォーム軸等の小歯車１６ａと、この小歯車１６ａに噛み合うと共に出力軸１６ｂに一体回転可能に連結されるウォームホイール等の大歯車１６ｂとを備えるギヤ機構を例示することができる。
図２（ａ）はラックバー８の部分断面側面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。ラックバー８は、直径Ｄの丸棒状の本体２０と、この本体２０の周面２０ａの一部に設けられた平坦部２１と、この平坦部２１に設けられラック歯形成部２２とを備える。
【００１９】
平坦部２１は、本体２０の軸線２３に平行に所定長さで延び所定幅を有している。ラック歯形成部２２は、複数設けられる上記のラック歯８ａと、隣接するラック歯８ａ間に設けられる歯底部２４とを含む。
上記本体２０は、後述する高周波焼入れおよび短時間焼戻しが施された棒鋼を用いて形成される。本体２０を形成する鋼の炭素含有量は０．５０〜０．６０質量％である。炭素含有量を０．５０質量％とするのは、鋼材に後述する高周波焼入れを施すことにより、ラック歯８ａの耐摩耗性を高めるためである。ただし、炭素含有量が０．６０質量％を超えると、ラックバー８の耐衝撃特性が低下し、また、高周波熱処理時に焼割れを生じ易くなる。そのために、炭素含有量は、０．６０質量％以下、好ましくは０．５６質量％以下にする。
【００２０】
また、本体２０を構成する上記の鋼には、ボロン（Ｂ）が５〜３０ｐｐｍ含有されていることが好ましい。５ｐｐｍ以上のボロンの添加により高周波焼入れされた部分の粒界を強化し、靱性を増加させて曲げ変形能（耐割れ性）を格段に向上させることができる一方、３０ｐｐｍを超えるボロンを含有させても、その効果が飽和するので、５〜３０ｐｐｍの範囲に設定されることが好ましい。
鋼の他の成分としては、Ｓｉ含有量０．０５〜０．５質量％、Ｍｎ含有量０．２〜１．５質量％、Ｓ含有量０．０６質量％以下、Ｃｒ含有量１．５質量％以下（０質量％を含まず）を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。
【００２１】
ラックバー８の少なくともラック歯形成部２２には、ラック歯８ａ形成後に施された高周波焼入および焼戻しによって硬化層２５が設けられている。ラック歯形成部２２の表面硬さがビッカース硬さで６８０〜８００ＨＶに設定されている。６８０ＨＶ未満であると、ラック歯形成部２２の表面硬さが十分でなくなり、曲げ疲労に対する疲労限界が低くなる一方、８００ＨＶを超えると、表層部の靱性が低下し、静的負荷あるいは準静的負荷に対する曲げ強度が不足するからである。
【００２２】
また、ラック歯形成部２２において、ラック歯８ａ間の歯底部２４での硬化層２５の有効深さｄは、歯底部２４の表面から０．１〜１．５ｍｍの範囲にあることが好ましい。ここで、硬化層２５の有効深さｄは、表面から４５０ＨＶの硬さの位置までの距離で定義され、有効硬化層深さに相当する。
歯底部２４における硬化層２５の有効深さｄが１．５ｍｍを超える場合には、高い衝撃を受けたときに、ラックバー８の長手方向の中間部の１箇所で局部的に屈曲して「く」の字状に曲がる傾向にあり、その結果、ラックバー８上をピニオン７ａが移動できなくなるおそれがある。一方、硬化層２５の有効深さｄが０．１ｍｍ未満では、ラック歯８ａの歯元付近の曲げ強度が不足するおそれがある。
【００２３】
そこで、歯底部２４での硬化層２５の有効深さｄを０．１〜１．５ｍｍの範囲とすることで、ラック歯８ａの歯元曲げ強度を確保しつつ大荷重負荷時にラックバー８全体が緩やかに曲がるようにし、非常時のステアリング性能を確保するようにしている。歯底部２４での硬化層２５の有効深さｄは、より好ましくは０．３〜１．２ｍｍである。
通例、ラック歯８ａはＤ／４程度の深さに形成されている。また、本体２１の周面２０ａにおいて、ラック歯形成部２２と直径方向の反対側にある背面部２６の表面からの深さが（３／４）Ｄの部分２７〔（３／４）Ｄ部２７ともいう）で、焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率が３０〜１００％であって、再生パーライト組織が面積百分率で０〜５０％であり、且つ焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織および再生パーライト組織の合計の面積百分率が５０〜１００％であるように設定されている。これは、ラックバー８の切断面の電子顕微鏡写真により観察することができる。なお、上記の丸棒の直径Ｄは、２０〜４０ｍｍ程度、好ましくは２０〜３８ｍｍ、さらに好ましくは２０〜３６ｍｍ程度である。
【００２４】
また、上記歯底部２４の表面から０．１ｍｍ深さまで残留フェライトが発生していないことが好ましい。残留フェライトが発生していると、局部的に強度を低下させるおそれがあるので、これを排除するためである。
次いで、本ラックバー８の製造方法について説明する。まず、炭素含有量が０．５０〜０．６０質量％の鋼からなる中実（場合によって中空）の丸棒を、図３に示すように、７８０°Ｃ以上の加熱温度Ｔ１に加熱し、水冷にて室温まで制御冷却することによって、焼入れする。加熱温度Ｔ１を７８０°Ｃ以上とするのは、残留フェライトを抑制するためである。加熱温度Ｔ１としては、好ましくは８００°Ｃ以上である。なお、加熱温度Ｔ１の上限は、通常８６０°Ｃ、好ましくは８５０°Ｃ程度である。
【００２５】
上記の制御冷却では、上記の（３／４）Ｄ部２７でのベイナイト組織およびマルテンサイト組織の合計が３０％（面積百分率）以上、好ましくは４０％（面積百分率）以上、さらに好ましくは５０％（面積百分率）以上になるように行う必要がある。このような制御冷却の条件は、鋼の組成などに応じて適宜設定できるが、例えは、温度８００〜３００°Ｃ（好ましくは７５０〜３５０°Ｃ）程度の領域を、冷却速度３０〜８０°Ｃ／秒（好ましくは４０〜７０°Ｃ／秒）で冷却するのが好ましい。
【００２６】
このようして得られたベイナイト組織やマルテンサイト組織が導入された一次中間体は、昇温過程を含めて２０分以下の処理時間ｔで焼戻し処理を実施し、室温まで空冷する。焼戻し処理に使用する炉の雰囲気温度Ｔ２は６６０°Ｃ以上とされる。炉の雰囲気温度Ｔ２を６６０°Ｃ以上とすれば、２０分以下の短時間の焼戻しであっても、焼戻しされた二次中間体のビッカース硬さを低減でき（例えば３２０ＨＶ以下にすることができ）、後に平坦部２１やラック歯形成部２２を加工するときの切削加工性を高めることができる。なお、炉の雰囲気温度Ｔ２は好ましくは６８０〜７００°Ｃである。
【００２７】
焼戻しの処理時間ｔを２０分以下とするのは、製造コストを低減するためである。焼戻しの処理時間ｔとしては、好ましくは１５分以下に設定される。
上記の（３／４）Ｄ部２７で、焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率が３０〜１００％であって、再生パーライト組織が面積百分率で０〜５０％であり、且つ焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織および再生パーライト組織の合計の面積百分率が５０〜１００％となるように、焼き戻後の組織を制御するためには、上記の焼戻し条件（６６０°Ｃ以上、２０分以内）の範囲内で、焼戻し温度が高過ぎたり焼戻し時間が長過ぎたりしないことが好ましい。焼戻し温度が高過ぎたり焼戻し時間が長過ぎたりすると、制御冷却によって導入したベイナイト組織およびマルテンサイト組織の面積百分率が低減し易くなり、かつパーライト組織が再生し易くなり、曲げ特性が低下してしまうからである。
【００２８】
このように焼戻し処理により得られた二次中間体に引抜き加工、その後、当該二次中間体の周面の一部にフライス加工を施すことにより、平坦部２１を形成し、この平坦部２１にブローチ加工を施すことにより、複数のラック歯８ａを含むラック歯形成部２２を形成する。次いで、ラック歯形成部２２に、例えば加熱時間５．５秒、水冷による冷却時間１０秒の高周波焼入れを施した後、例えば１７０°Ｃで１．５時間の条件で焼戻し処理を実施し、ラック歯形成部２２の表面でビッカース硬さで６８０〜８００ＨＶを達成し、ラックバー８を形成する。
【００２９】
このようにして得られラックバー８では、上記した如く、ラック歯８ａとして必要な耐摩耗性と必要な曲げ強度を確保することができる。また、（３／４）Ｄ部２７に残存する焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織がクラックの内部への伝搬を防止することで、ラックバー８が２分割して割れるような破損を防止することができる。
しかも、歯底部２４の硬化層２５の有効深さｄを歯底部２４の表面から０．１〜１．５ｍｍとすることで、歯元曲げ強度を確保しつつ大荷重負荷時にラックバー８全体が緩やかに曲がるようにし、非常時のステアリング性能を確保することが可能となる。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
実施例
Ｃ含有量０．５３質量％、Ｓｉ含有量０．２３質量％、Ｍｎ含有量０．８質量％、Ｓ含有量０．０１８質量％、Ｃｒ含有量０．３０％、Ｂ含有量０．０１５％である鋼材を用いて、圧延によって直径３０ｍｍの棒鋼にした後、加熱温度７８０°Ｃに加熱し、次いで室温まで制御冷却した。冷却した棒鋼は、雰囲気温度６６０°Ｃに加熱した炉に１５分滞留させることによって焼戻しした。焼戻し後の棒鋼は放冷した。より好ましくは、上記加熱温度は８２０°Ｃであり、焼戻し時の雰囲気温度は６９０°Ｃである。
【００３１】
このようにして得られた棒鋼を引抜き加工して直径２７．５ｍｍにした後、切削加工により平坦部２１を形成し、該平坦部２１にラック歯８ａを形成してラック歯形成部２２とした。次いで、ラック歯形成部２２に加熱時間５．５秒、水冷による冷却時間１０秒の高周波焼入れを施した後、１７０°Ｃで１．５時間の条件で焼戻し処理を実施し、ラック歯形成部２２に硬化層２５を設けて、実施例のラックバーを製造した。
【００３２】
実施例では、ラック歯形成部２２の表面硬さが７１０ＨＶである。ラック歯形成部２２の背面部２６の表面からの深さ（３／４）Ｄ部２７で、焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率が９０％であって且つ再生パーライト組織が面積百分率で０％である。ラック歯形成部２２の歯底部２４の硬化層２５の有効深さｄが歯底部２４の表面から０．７ｍｍである。
比較例
Ｃ含有量０．４６質量％、Ｓｉ含有量０．１９質量％、Ｍｎ含有量０．８６質量％、Ｓ含有量０．０５３質量％、Ｃｒ含有量０．１３質量％であって、Ｂを含有しない鋼材を用いて、圧延によって棒鋼に形成した後、加熱温度８５０°Ｃに加熱し、次いで室温まで冷却した。冷却した棒鋼は、雰囲気温度６１０°Ｃに加熱した炉に３０分以上滞留させることによって焼戻しした。焼戻し後の棒鋼は放冷した。このようにして得られた棒鋼を用い、以後は実施例と同様にして、比較例のラックバーを製造した。
【００３３】
比較例では、ラック歯形成部に通常の高周波焼入れ、焼戻しが施される。ラック歯の表面硬さが６５０ＨＶである。（３／４）Ｄ部で焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率が７０％であって且つ再生パーライト組織が面積百分率で２０％である。歯底部の硬化層の有効深さが歯底部の表面から０．３ｍｍである。
これら実施例および比較例を各々２個用いて以下の試験を実施した。
正入力静的破壊試験
図４に示すような試験装置を用いた。実施例のラックバー８ないし比較例のラックバーをハウジング１７に組み込み、ハウジング１７の両端をそれぞれ固定支柱３１に固定した。中立位置にてラックバー８を固定し、ピニオン軸７に連結したロータリーアクチュエータ３２からピニオン軸７に駆動トルクを与えた。駆動トルクを増大させていき、破壊に至らせた。
【００３４】
ラックバーに亀裂が発生するときの荷重は実施例が３０５Ｊであるのに対して、比較例が１８８Ｊであり、実施例の破壊強度が比較例の破壊強度と比較して、約６２％増であることが判明した。
逆入力静的破壊試験
図５に示すような試験装置を用いた。実施例のラックバー８ないし比較例のラックバーをハウジング１７に組み込み、ハウジング１７の両端をそれぞれ固定支柱３１にマウントラバー３３を介して固定した。ピニオン軸７をジョイント３４を介して中立位置に固定し、ラックバー８の端部を負荷シリンダ３５によりロードセル３６を介して押し、亀裂発生音を確認するまで荷重を負荷した。ロードセル３６に接続された動歪み計３７の出力をレコーダ３８に記録した。
【００３５】
その結果、実施例の亀裂発生荷重が平均で９２Ｎ・ｍであるの対して、比較例の亀裂発生荷重が平均で５１Ｎ・ｍであり、実施例の破壊強度が比較例の破壊強度と比較して、約８０％増であることが判明した。
逆入力衝撃破壊試験
図６に示すような試験装置を用いた。実施例のラックバー８ないし比較例のラックバーをハウジング１７に組み込み、ハウジング１７の両端を固定支柱３９に固定された一対の固定アーム４０に固定した。ハウジング１７はピニオン軸７に近い側の端部が上になるように立てて配置する。ピニオン軸７は中立位置で固定支柱４１ に固定する。ピニオン軸７に近い側のラックバー８の端部に受け部材４２を固定した。
【００３６】
受け部材４２の上方には、ガイドバー４３により上下動自在に支持された重錘４４が設けられ、この重錘４４の下部にはロードセル４５が固定されている。ロードセル４５を固定した重錘４４の重さは１００Ｋｇであり、ロードセル４５と受け部材４２との距離を２０ｃｍとして、重錘４４およびロードセル４５を落下させて受け部材４２に衝突させ、破損に至るまでの落下回数を調べた。
ロードセル４５に動歪み計４６を接続し、動歪み計４６の出力を電磁オシロスコープ４７に記録した。
【００３７】
試験の結果、比較例が平均で３回で破壊に至ったのに対して、実施例は平均で１５回で破壊に至った。実施例の逆入力衝撃強度が比較例よりも格段に優れていることが実証された。
曲げ強度試験
図７に示すような試験装置を用いた。実施例のラックバー８ないし比較例のラックバーをハウジング１７に組み込み、ハウジング１７の両端をそれぞれ固定支柱４８に固定した。ラックバー８をピニオン軸に近い側のハウジング１７の端部から最大限突出させた状態で、ラックバー８の先端に固定した受け部材４９を負荷シリンダ５０によりロードセル５１を介して押し、ラックバー８に最大負荷が得られるまで曲げ荷重を負荷した。
【００３８】
ロードセル５１に接続された動歪み計５２の出力を荷重計５３に導き、荷重を測定した。その結果、最大負荷荷重は、実施例が８．６ＫＮであり、比較例は７．４ＫＮであった。これにより、実施例は比較例として比較して約１６％増の曲げ強度を持つことが確認された。また、双方とも、破断することなく「曲がる」ことが確認された。
正入力耐久試験
図８に示すような試験装置を用いた。実施例のラックバー８ないし比較例のラックバーをハウジング１７に組み込み、ハウジング１７の両端をそれぞれ固定支柱５４に固定した。ラックバー８の両端にそれぞれサーボアクチュエータ５５を連結した。ピニオン軸７にジョイント５６およびトルクメータ５７を介してロータリーアクチュエータ５８を接続し、該ロータリーアクチュエータ５８によりピニオン軸７に駆動トルクを与える。駆動トルクは５０Ｎ・ｍとし、周波数０．１〜０．２Ｈｚにて繰り返し回数を３万回とした。
【００３９】
試験終了後、ピニオンへの噛み合い部分の摩耗量を測定したところ、実施例が平均８．７μｍであるのに対して、比較例が平均２７．８μｍであり、実施例は比較例よりも約７０％摩耗量が減少することが実証された。
逆入力耐久試験
図９に示すような試験装置を用いた。実施例のラックバー８ないし比較例のラックバーをハウジング１７に組み込み、ハウジング１７の両端をそれぞれ固定支柱５９に固定した。ピニオン軸７をジョイント６０を介して中立位置に固定し、ピニオン軸７に近い側のラックバー８の端部に連なるタイロッド９を介して、サーボアクチュエータ６１からのラックバー８に軸力を負荷した。ラックバー８に負荷される軸力を９．８ｋＮとし、周波数５Ｈｚにて破損に至るまで実施した。
【００４０】
その結果、比較例は３５万回で破損に至ったのに対して、実施例は７０万回にても破損に至らなかった。
曲げ疲労試験
実施例と同様の素材にて図１０（ａ）に示す試験片６２を作成した。試験片６２は、全長Ｌが９０ｍｍのほぼ丸型の軸である。試験片６２の一端６２ａから距離Ｎが４０ｍｍの位置を中心として、くびれ部６５をＲ５の断面湾曲を持って形成する。くびれ部６５の最小直径Ｒは８ｍｍである。くびれ部６５を挟んで一端６２ａ側が直径Ｐが１２ｍｍである円柱部６３となっている。また、くびれ部６５を挟んで他端６２ｂ側が他端６２ｂ側にいくに従って次第に拡径する１／２０テーパのテーパ部６４となっている。テーパ部６４の最大直径Ｑは１４ｍｍである。比較例についても同様の比較片を作成した。
【００４１】
試験片６２ないし比較片の曲げ疲労試験を、図１０（ｂ）に示す試験装置を用いて実施した。試験片６２の一端６２ａから距離Ｍが５０ｍｍまでの部分を片持ち状に突出させる状態にて、残りのテーパ部６４を固定支柱６６のテーパ状の支持孔６７に固定した。固定された試験片６２の一端６２ａ付近に転動ローラ６８を介して負荷シリンダ６９によって周波数２０Ｈｚで曲げ荷重を繰り返し負荷し、応力と繰り返し回数を測定して、Ｓ−Ｎ曲線を求めた。
【００４２】
試験の結果、Ｓ−Ｎ曲線の平滑化部分（応力が収束する部分）において、比較片の応力が１２７０ＭＰａであるのに対して、試験片６２の応力が１４５０ＭＰａであり、疲労強度が約１５％向上することが実証された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のラックバーを含む電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）は、ラックバーの一部破断側面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。
【図３】熱処理時の時間と温度の関係を示すグラフ図である。
【図４】正入力静的破壊試験の試験装置の概略図である。
【図５】逆入力静的破壊試験の試験装置の概略図である。
【図６】逆入力衝撃試験の試験装置の概略図である。
【図７】曲げ強度試験の試験装置の概略図である。
【図８】正入力耐久試験の試験装置の概略図である。
【図９】逆入力耐久試験の試験装置の概略図である。
【図１０】図１０（ａ）は試験片の概略側面図であり、図１０（ｂ）は曲げ疲労試験の試験装置の概略図である。
【符号の説明】
１ 電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）
２ 操舵部材
３ ステアリングシャフト
３ａ 入力軸
３ｂ 出力軸
５ 中間軸
７ ピニオン軸
７ａ ピニオン
８ ラックバー
８ａ ラック歯
１１ トーションバー
１２ トルクセンサ
１３ ＥＣＵ
１５ 電動モータ
１６ 減速機構
２０ 本体
２０ａ 周面
２１ 平坦部
２２ ラック歯形成部
２３ 軸線
２４ 歯底部
２５ 硬化層
２６ 背面部
２７ （３／４）Ｄの部分〔（３／４）Ｄ部〕
６２ 試験片
Ｄ 直径
ｄ 有効深さ
Claims (5)
- 焼入れおよび焼戻しが施された鋼を用いて形成された直径Ｄの丸棒状の本体と、この本体の周面の一部に設けられた平坦部と、この平坦部に設けられ複数のラック歯が形成されたラック歯形成部とを備えるラックバーにおいて、
上記鋼の炭素含有量が０．５０〜０．６０質量％であり、
少なくともラック歯形成部に高周波焼入および焼戻しが施された硬化層が設けられ、
ラック歯形成部の表面硬さがビッカース硬さで６８０〜８００ＨＶであり、
ラック歯形成部の背面部の表面からの深さが（３／４）Ｄの部分で、焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率が３０〜１００％であって、再生パーライト組織が面積百分率で０〜５０％であり、且つ焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織および再生パーライト組織の合計の面積百分率が５０〜１００％であることを特徴とするラックバー。 - 請求項１において、上記鋼のボロン含有量が５〜３０ｐｐｍであることを特徴とするラックバー。
- 請求項１又は２において、上記ラック歯形成部の歯底部における硬化層の有効深さが歯底部の表面から０．１〜１．５ｍｍであることを特徴とするラックバー。
- 請求項１，２又は３に係るラックバーを用いることを特徴とするステアリング装置。
- 請求項１，２又は３に係るラックバーを用いることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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