JP2007090968A

JP2007090968A - ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2007090968A
Application number: JP2005280645A
Authority: JP
Inventors: Tomonobu Yoshikawa; 朋伸吉川
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】摩耗が生じにくく耐久性に優れるとともに安価なラックアンドピニオン式電動パワー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電動パワーステアリング装置のピニオン及びラックの少なくとも一方は、浸炭窒化処理の後に焼入れ処理を施し、さらに二次焼入れ処理を施すという熱処理が施されている。そして、表面の炭素濃度が０．６質量％以上１．６質量％以下、表面の窒素濃度が０．０５質量％以上０．６質量％以下、表面の残留オーステナイト量が１５体積％以上４０体積％以下、表面硬さがＨｖ７００以上、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が２０μｍ以下とされている。
【選択図】図１

Description

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電動パワーステアリング装置に係り、特にコラムアシスト式，ピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置に関する。

乗用車においては、ステアリング軸の回転を左右の転舵輪の運動に変換する機構として、高剛性且つ軽量であることから、ラックアンドピニオン機構が主に用いられている。
一方、電動パワーステアリング装置は、電動モータから出力された回転力で操舵を補助するステアリング装置であるが、同回転力をステアリング軸に伝達するコラムアシスト式と、同回転力をピニオンに伝達するピニオンアシスト式と、同回転力をボールねじを介してラックに伝達するラックアシスト式とがある。

操舵を補助しないマニュアルステアリング装置においては、運転者がステアリングホイールに加えた回転力のみがラックアンドピニオン機構によって転舵輪の運動に変換されるので、ラック及びピニオンに負荷される応力は小さい。
また、操舵を補助する回転力を油圧ポンプで発生させる油圧式パワーステアリング装置においては、操舵を補助する回転力がラックアンドピニオン機構を介さずラックに伝達されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は小さい。

さらに、ラックアシスト式の電動パワーステアリング装置においても、前述したように操舵を補助する回転力がラックアンドピニオン機構を介さずボールねじを介してラックに伝達されるため、ラック及びピニオンに負荷される応力は油圧式パワーステアリング装置と同程度である。
これに対して、コラムアシスト式及びピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置においては、運転者がステアリングホイールに加えた回転力と電動モータから出力された操舵を補助する回転力との合力が、ラック及びピニオンに負荷される。よって、ラック及びピニオンに負荷される応力は、マニュアルステアリング装置や油圧式パワーステアリング装置の場合と比べて１０倍以上も大きい。そのため、相互に噛み合うラック及びピニオンの歯に摩耗が生じやすかった。

そこで、摩耗を抑制するために、ラック及びピニオンの歯並びにラックの背面に浸炭焼入れ処理や高周波焼入れ処理を施して、それらの表面硬さをＨＲＣ５５〜６３程度とするとともに、歯の折損を防止するために、歯の根元の芯部の硬さを前記表面硬さよりも１０〜２０程度低い硬さとしていた。
また、摩耗を抑制するために、ラック及びピニオンの歯並びにラックの背面に、２重の硬化層を設ける技術が特許文献１に開示されている。すなわち、焼入れ硬化層を設けた後に、さらにその外表面に焼入れ硬化層よりも硬い第２硬化層をショットピーニングによって設けるというものである。
特開２００５−１２５９７２号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術においては、熱処理後のショットピーニングがコストアップの要因となっていた。
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、摩耗が生じにくく耐久性に優れるとともに安価なラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置を提供することを課題とする。

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電動パワー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、前記操舵を補助する回転力を発生させる電動モータと、を備え、前記回転力が前記ステアリング軸又は前記ピニオンに伝達されるようになっているラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置において、前記ピニオン及び前記ラックの少なくとも一方は、浸炭窒化処理を含む熱処理が施されていて、表面の炭素濃度が０．６質量％以上１．６質量％以下、表面の窒素濃度が０．０５質量％以上０．６質量％以下、表面の残留オーステナイト量が１５体積％以上４０体積％以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る請求項２のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置は、請求項１に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置において、前記ピニオン及び前記ラックの少なくとも一方は、表面硬さがＨｖ７００以上であることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置は、請求項１又は請求項２に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置において、前記熱処理は、浸炭窒化処理の後に焼入れ処理を施し、さらに二次焼入れ処理を施すという処理であることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項４のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置は、請求項３に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置において、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が２０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置は、摩耗が生じにくく耐久性に優れるとともに安価である。

本発明に係るラックアンドピニオン式電動パワー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。
図示しないステアリングホイール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。

ステアリング軸１１の回転を左右の転舵輪の運動に変換するラックアンドピニオン機構２０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を有するピニオン軸２２と、ラック２１及びピニオン軸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２０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。

また、ピニオン軸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、図示しない転舵輪が連結されている。
運転者によりステアリングホイールに操舵トルク（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（ピニオン軸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２０によって転舵輪を駆動する運動に変換される。

ピニオン軸２２のピニオンとラック２１とには、以下のような熱処理が施されている。すなわち、まず浸炭窒化処理を施した後に焼入れ処理を施し、さらに二次焼入れ処理を施すという処理である。このような熱処理により、ピニオン軸２２のピニオンとラック２１の表面、特に両者の有する歯の表面は、炭素濃度が０．６質量％以上１．６質量％以下、窒素濃度が０．０５質量％以上０．６質量％以下、残留オーステナイト量が１５体積％以上４０体積％以下となっている。また、表面硬さはＨｖ７００以上となっている。さらに、二次焼入れ処理によりミクロ組織の再結晶化が生じ、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が２０μｍ以下となっている。

このようなラック２１及びピニオンは、前記歯の表面に摩耗が生じにくいので、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の耐久性が優れている。また、ショットピーニングを用いることなく熱処理のみで製造できるので、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置を安価に製造することができる。
歯の表面の炭素濃度が０．６質量％未満であると、十分な強度を得るために必要な硬さが得られにくく、１．６質量％超過であると、初析炭化物が析出して耐摩耗性が不十分となるおそれがある。また、歯の表面の窒素濃度が０．０５質量％未満であると、十分な耐摩耗性を得るための窒素の添加効果が不十分となるおそれがあり、０．６質量％超過であると、研削性が著しく低下して加工が困難となるおそれがある。さらに、歯の表面の残留オーステナイト量を１５体積％以上とすれば、歯の表面のピッチング寿命を向上させることができるが、４０体積％を超えると、硬さの低下のためピッチング寿命が不十分となるおそれがある。

さらに、歯の表面硬さをＨｖ７００以上とすれば、歯の表面の耐摩耗性とピッチング寿命を向上させることができる。さらに、浸炭窒化処理を施した後に二次焼入れ処理を施すことにより、旧オーステナイト結晶粒が微細化されるが、このようなミクロ組織によりピッチング寿命が向上する。十分なピッチング寿命向上効果を得るためには、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が２０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましい。

〔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。図１とほぼ同様の構成のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置を用意して、電動パワーステアリング装置の耐久性試験装置により耐久性試験を行った。なお、ラック及びピニオンは、ＳＣｒ４２０又はＳ４５Ｃで構成され、下記の２つの条件Ａ，Ｂのいずれかの熱処理を施して製造したものである。
条件Ａ：９２０〜９８０℃で２〜６時間浸炭窒化処理を施した後に、その温度から油冷して焼入れ処理を施す。そして、１６０〜２００℃で２時間焼戻し処理を施す。
条件Ｂ：条件Ａと同様に浸炭窒化処理，焼入れ処理を施した後に、８２０〜８６０℃で０．５〜１時間加熱し油冷することにより二次焼入れ処理を施す。そして、１６０〜２００℃で２時間焼戻し処理を施す。

なお、ラック及びピニオンの表面について、炭素濃度，窒素濃度，残留オーステナイト量，硬さ，旧オーステナイト結晶粒の平均粒径を測定した結果を表１，２に示す。表１，２に示した炭素濃度及び窒素濃度は、切断面を研磨して鏡面仕上げしたものをサンプルとし、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）により研磨面の炭素濃度及び窒素濃度を深さ方向に沿って測定した後に、表面の炭素濃度及び窒素濃度を読み取った値である。また、残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法により測定した値である。さらに、硬さは、切断面を研磨して鏡面仕上げしたものをサンプルとし、ビッカース硬さ試験機により測定した値である。さらに、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径は、切断面を研磨して鏡面仕上げしたものをサンプルとし、日本工業規格ＪＩＳＧ０５５１に規定された方法により求めた値である。

次に、耐久性試験について説明する。ラック，ピニオンの歯の表面にピッチングが発生するまで、９０Ｎｍのトルクをピニオンへ繰り返し入力した。そして、ピッチングが発生するまでにトルクを入力した回数をピッチング寿命とした。また、寿命に至った時点で、ラックの歯の表面に生じた摩耗の量を測定した。耐久性試験の結果を表１，２に併せて示す。なお、表１，２のピッチング寿命は、比較例１のピッチング寿命を１とした場合の相対値で示してある。
表１，２から分かるように、実施例１〜１３は、比較例１〜５に比べて、摩耗が少ない上に長寿命であった。

本発明に係るラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の構成を説明する図である。

符号の説明

１０ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置
１１ステアリング軸
１３電動モータ
２０ラックアンドピニオン機構
２１ラック
２２ピニオン軸

Claims

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、前記操舵を補助する回転力を発生させる電動モータと、を備え、前記回転力が前記ステアリング軸又は前記ピニオンに伝達されるようになっているラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置において、
前記ピニオン及び前記ラックの少なくとも一方は、浸炭窒化処理を含む熱処理が施されていて、表面の炭素濃度が０．６質量％以上１．６質量％以下、表面の窒素濃度が０．０５質量％以上０．６質量％以下、表面の残留オーステナイト量が１５体積％以上４０体積％以下であることを特徴とするラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置。
前記ピニオン及び前記ラックの少なくとも一方は、表面硬さがＨｖ７００以上である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電動パワーステアリング装置。
前記熱処理は、浸炭窒化処理の後に焼入れ処理を施し、さらに二次焼入れ処理を施すという処理であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置。
旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が２０μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置。