JP2008285076A - Rack-and-pinion steering device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rack-and-pinion steering device hardly damaging a rack even when applied with collision or stress in using besides little damage caused in manufacturing the rack. <P>SOLUTION: The rack 21 for this rack-and-pinion steering device is made of steel having a carbon content of 0.35-0.55 mass%. That is, the rack is manufactured in a manner that it is molded by cold forging after rod-like or tubular material made of steel is softened and annealed, and is further subjected to induction hardening. The material is softened and annealed, thereby the maximum particle diameter of spheroidized cementite is set to 0.5-7 μm and also hardness is set to Hv 200 or below. A surface layer portion cured by induction hardening is formed on the surface of the rack 21. However, since the inside of the surface layer portion is not hardened by the induction hardening, it is formed as an unhardened portion of hardness of Hv 350 or below. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

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ステアリング装置に関する。   The present invention relates to a rack and pinion type steering device used in an automobile or the like.

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。そして、ラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックは、中炭素鋼材(例えばS35〜S55Cに相当する鋼材)で構成され、通常は以下のようにして製造される。すなわち、中炭素鋼材を圧延して得た棒状素材に焼入れ,焼戻しを施した後に、ピニオンの歯と噛み合う歯を切削加工により形成し、この歯に高周波焼入れ処理を施す。このようにラックは切削加工により成形されるため、製造に多くの手間や時間を要し高コストであるという難点があった。   In passenger cars, a rack and pinion mechanism is mainly used as a mechanism for converting the rotation of the steering shaft into the motion of the left and right steered wheels because of its high rigidity and light weight. The rack of the rack-and-pinion steering device is made of a medium carbon steel material (for example, a steel material corresponding to S35 to S55C), and is usually manufactured as follows. That is, after quenching and tempering a rod-shaped material obtained by rolling a medium carbon steel material, teeth that mesh with the teeth of the pinion are formed by cutting, and induction hardening is performed on the teeth. As described above, since the rack is formed by cutting, there is a problem in that the manufacturing requires a lot of labor and time and is expensive.

そこで、ラックを塑性加工により成形する方法がある。塑性加工によれば、切削加工に比べて製造に多くの手間や時間を必要としないため、製造コストが低減される。また、近年においては、棒状素材に代えてパイプのような管状素材を素材として用いて、ラックを塑性加工により成形することが提案されている(特許文献1〜4を参照)。ラックを管状素材から製造することにより、自動車の軽量化が達成される。
特開平10−58081号公報 特開2001−79639号公報 特許第3442298号公報 特開2006−103644号公報
Therefore, there is a method of forming the rack by plastic working. According to the plastic working, the manufacturing cost is reduced because much labor and time are not required for the manufacturing as compared with the cutting. In recent years, it has been proposed to form a rack by plastic working using a tubular material such as a pipe instead of a rod-shaped material (see Patent Documents 1 to 4). By manufacturing the rack from a tubular material, the weight of the automobile can be reduced.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-58081 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-79639 Japanese Patent No. 3442298 JP 2006-103644 A

しかしながら、ラックを冷間鍛造で成形する場合には強烈な加工がなされるため、素材の組織を最適化しなければ、冷間鍛造時に素材に割れが生じるおそれがあった。
また、ラックは、自動車の骨組み的な役割も有していることに加えて、破損するとハンドル操作が不能となることから、重要保安部品に指定されており、高い信頼性と強度とが要求されている。例えば、自動車が縁石等に乗り上げることにより衝撃を受けた場合でも破損しないような優れた耐衝撃特性と、曲げ応力が作用しても破断しない特性が要求される。
However, when the rack is formed by cold forging, intense processing is performed. Therefore, if the structure of the material is not optimized, the material may be cracked during cold forging.
In addition, the rack has the role of a car frame, and if it is damaged, the steering wheel cannot be operated. Therefore, the rack is designated as an important safety part, and high reliability and strength are required. ing. For example, it is required to have an excellent impact resistance property that does not break even when an automobile receives an impact by riding on a curb or the like, and a property that does not break even when a bending stress is applied.

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、高周波焼入れを施すことによって表面に焼入れ硬化層を形成して、耐摩耗性を高めるとともに曲げ応力に対する強度も高めている。しかしながら、高周波焼入れによって曲げ応力に対する強度を高めたとしても、過大な負荷が作用して焼入れ硬化層に亀裂が生じると、その亀裂が内部にまで進展してラックが破断に至り、ハンドル操作が不能となるおそれがあった。
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、ラックの製造時に損傷が生じにくいことに加えて、使用時に衝撃や応力が負荷されてもラックに損傷が生じにく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。
In order to satisfy such a requirement, the rack is usually made of medium carbon steel, and a hardened hardened layer is formed on the surface by induction hardening to enhance wear resistance and strength against bending stress. However, even if the strength against bending stress is increased by induction hardening, if an excessive load is applied and a crack occurs in the hardened hardened layer, the crack propagates to the inside and the rack breaks, making the handle operation impossible. There was a risk of becoming.
Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, and in addition to being hard to be damaged during the manufacture of the rack, the rack and rack is not easily damaged even when an impact or stress is applied during use. It is an object to provide a pinion type steering device.

本発明者らは、ラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックを冷間鍛造で成形する場合において、素材の硬さと成形性との関係だけでなく素材の組織と成形性との関係について鋭意研究を行い、良好な成形性が得られる素材の組織状態に関する知見を得て、本発明を完成するに至った。
すなわち、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。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前記ステアリング軸の回転に伴って回転するピニオンと、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、前記ラックが以下の3つの条件を満たしていることを特徴とする。
In the case where the rack of a rack-and-pinion type steering device is formed by cold forging, not only the relationship between the hardness of the material and the formability but also the relationship between the structure of the material and the formability has been earnestly studied. The present invention has been completed by obtaining knowledge about the structure state of a material from which good moldability can be obtained.
That is, in order to solve the problem, the present invention has the following configuration. A rack-and-pinion type steering device according to a first aspect of the present invention meshes with the pinion, a steering shaft that is rotated by a driver's steering, a pinion that is connected to the steering shaft and rotates as the steering shaft rotates. A rack and pinion type steering apparatus including a rack coupled to a wheel, wherein the rack satisfies the following three conditions.

条件A)炭素の含有量が0.35質量%以上0.55質量%以下である鋼からなり且つ軟化焼鈍しが施された棒状素材又は管状素材を、冷間鍛造で成形して得られたものである。
条件B)前記軟化焼鈍しによって、球状化セメンタイトの最大粒径が0.5μm以上7μm以下とされているとともに、硬さがHv200以下とされている。
条件C)高周波焼入れにより焼入れが施され硬化された表層部と、焼入れが施されていない非焼入れ部とを有しており、前記非焼入れ部の硬さはHv350以下である。
Condition A) A rod-like material or tubular material made of steel having a carbon content of 0.35 mass% or more and 0.55 mass% or less and subjected to soft annealing was obtained by forming by cold forging. Is.
Condition B) By the soft annealing, the maximum particle size of the spheroidized cementite is 0.5 μm or more and 7 μm or less, and the hardness is Hv 200 or less.
Condition C) It has a surface layer portion that has been quenched and hardened by induction hardening, and a non-quenched portion that has not been quenched, and the hardness of the non-quenched portion is Hv 350 or less.

本発明のラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ラックの製造時に損傷が生じにくいことに加えて、使用時に衝撃や応力が負荷されてもラックに損傷が生じにくい。   The rack and pinion type steering device of the present invention is less likely to be damaged during manufacturing of the rack, and is less likely to be damaged even when an impact or stress is applied during use.

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。
An embodiment of a rack and pinion type steering apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
A steering shaft 11 having a steering wheel 10 fixed to the upper end portion is supported inside a steering shaft housing 12 so as to be rotatable about an axis. Further, the steering shaft housing 12 is fixed at a predetermined position in the vehicle interior with the lower portion inclined toward the front of the vehicle.

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。   The rack and pinion mechanism that converts the rotation of the steering shaft 11 into the movements of the left and right steered wheels 15 and 15 is supported by the rack 21 that is movable in the axial direction and the rack 21 teeth that are supported obliquely with respect to the axis of the rack 21. And a pinion 22 having teeth meshing with each other, and a rack 21 and a cylindrical rack housing 23 that supports the pinion 22. The rack and pinion mechanism is arranged substantially horizontally in the engine room at the front of the vehicle so that the longitudinal direction thereof is along the width direction of the vehicle.

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。
運転者によって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が回転し、このステアリング軸11の回転に伴ってピニオン22が回転する。そして、このピニオン22の回転がラックアンドピニオン機構によってラック21の左右方向のスライド運動に変換され、転舵輪15,15が駆動されて自動車が操舵される。
Further, the upper end portion of the pinion 22 and the lower end portion of the steering shaft 11 are connected by two universal joints 25 and 26. Further, steered wheels 15 and 15 are connected to both ends of the rack 21.
When a steering torque (rotational force) is applied to the steering wheel 10 by the driver, the steering shaft 11 rotates, and the pinion 22 rotates as the steering shaft 11 rotates. Then, the rotation of the pinion 22 is converted into a slide motion in the left-right direction of the rack 21 by the rack and pinion mechanism, and the steered wheels 15 and 15 are driven to steer the automobile.

なお、本実施形態のラックアンドピニオン式ステアリング装置には、いわゆるパワーステアリング機構を設けてもよい。すなわち、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。   The rack and pinion type steering device of the present embodiment may be provided with a so-called power steering mechanism. That is, the steering torque is detected by a torsion bar (not shown) attached to the steering shaft 11, and the output of the electric motor 13 (rotational force assisting steering) is controlled based on the detected steering torque. The output of the electric motor 13 is supplied to an intermediate portion of the steering shaft 11 (may be supplied to the pinion 22), and is combined with the steering torque to drive the steered wheels 15 and 15 by a rack and pinion mechanism. Converted into movement.

このラックアンドピニオン式ステアリング装置においては、ラック21は、炭素の含有量が0.35質量%以上0.55質量%以下である鋼で構成されている。そして、ラック21は、上記のような鋼からなる棒状素材又は管状素材(以降は素材と記すこともある)に軟化焼鈍しを施した後に冷間鍛造により成形し、さらに高周波焼入れを施すことにより製造されている。   In this rack and pinion type steering apparatus, the rack 21 is made of steel having a carbon content of 0.35 mass% or more and 0.55 mass% or less. The rack 21 is formed by cold forging after soft annealing on a rod-like material or tubular material (hereinafter also referred to as a material) made of steel as described above, and further by induction hardening. It is manufactured.

この素材は、軟化焼鈍しによって硬さがHv200以下とされている。また、素材はフェライト,球状化セメンタイト,及び針状セメンタイトを含有しているが(S45Cの組織図である図2を参照)、球状化セメンタイトの最大粒径は軟化焼鈍しによって0.5μm以上7μm以下とされている。さらに、ラック21の表面には、高周波焼入れにより焼入れが施され硬化された表層部が形成されている。この表層部の内側は、高周波焼入れにより焼入れが施されておらず、非焼入れ部となっている。そして、この非焼入れ部の硬さはHv350以下である。   This material has a hardness of Hv200 or less by soft annealing. The material contains ferrite, spheroidized cementite, and acicular cementite (see FIG. 2 which is a structure diagram of S45C). The maximum particle size of spheroidized cementite is 0.5 μm to 7 μm by softening annealing. It is as follows. Furthermore, a surface layer portion that is quenched and hardened by induction hardening is formed on the surface of the rack 21. The inside of the surface layer portion is not quenched by induction hardening and is a non-quenched portion. And the hardness of this non-hardened part is Hv350 or less.

このようなラック21は優れた強度を有しているので、大きな衝撃や荷重が負荷されても損傷が生じにくい。また、素材がフェライト,球状化セメンタイト,及び針状セメンタイトを含有していて塑性加工性に優れているため、冷間鍛造で成形してラック21とする際に割れ等の損傷が生じにくい。
炭素は鋼に強度及び焼入れ性を付与するために必要な元素であり、ラック21に必要な性能(例えば、衝撃を受けた場合でも破損しないような優れた耐衝撃特性や、曲げ応力が作用しても破断しない特性)を付与するためには、鋼中の含有量を0.35質量%以上とする必要がある。ただし、含有量が0.55質量%を超えると、鋼の加工性が低下して生産性が悪化するおそれがある。
Since such a rack 21 has excellent strength, it is difficult to cause damage even when a large impact or load is applied. In addition, since the material contains ferrite, spheroidized cementite, and acicular cementite and is excellent in plastic workability, damage such as cracking hardly occurs when forming the rack 21 by cold forging.
Carbon is an element necessary for imparting strength and hardenability to steel, and is required for the performance required for the rack 21 (for example, excellent impact resistance characteristics that do not break even when subjected to an impact, or bending stress). However, in order to impart the property of not breaking, the content in the steel needs to be 0.35% by mass or more. However, if the content exceeds 0.55% by mass, the workability of the steel is lowered and the productivity may be deteriorated.

また、素材を冷間鍛造で成形する前に軟化焼鈍しを施すことにより、硬さが低下して塑性加工性の向上が図られるとともに、成形加工時の損傷が抑制される。十分な塑性加工性を得るためには、軟化焼鈍しが施された素材の硬さはHv200以下である必要があるが、硬さがより低い方が塑性加工性が高まるので、硬さはHv170以下であることが好ましい。   Moreover, by softening and annealing before forming the material by cold forging, the hardness is reduced and plastic workability is improved, and damage during forming is suppressed. In order to obtain sufficient plastic workability, the hardness of the material subjected to soft annealing needs to be Hv200 or less, but the lower the hardness, the higher the plastic workability, so the hardness is Hv170. The following is preferable.

また、素材の硬さだけでなく、鋼中の炭化物の状態や大きさ(つまり組織状態)によっても塑性加工性が変化する。すなわち、軟化焼鈍しを施した際に炭化物の粒径が大きくなるほど、基地組織であるフェライト中の炭素濃度が低下して、塑性加工性が向上する。したがって、球状化セメンタイトの粒径が大きいほど、塑性加工性が向上する。軟化焼鈍しが不十分であると、球状化セメンタイトの最大粒径が0.5μm未満となり、変形抵抗が大きく塑性加工性が不十分となるため、素材を冷間鍛造で成形する際に割れ等の損傷が生じるおそれがある。   In addition, not only the hardness of the material, but also the plastic workability varies depending on the state and size of carbides in the steel (that is, the structure state). That is, as the particle size of the carbide increases when soft annealing is performed, the carbon concentration in the ferrite, which is the base structure, decreases, and the plastic workability improves. Accordingly, the larger the particle size of the spheroidized cementite, the better the plastic workability. If the soft annealing is insufficient, the maximum particle size of the spheroidized cementite will be less than 0.5μm, the deformation resistance will be large and the plastic workability will be insufficient, so cracking will occur when the material is formed by cold forging. Damage may occur.

ただし、球状化セメンタイトの粒径が大き過ぎると、冷間鍛造で成形する際に球状化セメンタイト自身において損傷が発生したり、粗大なセメンタイトとフェライトとの界面が歪みの集中源となってボイドが形成され破断が発生したりしやすくなる。さらに、成形後には、ラックの歯に高周波焼入れが施されて硬化層(表層部)が形成されるが、球状化セメンタイトの粒径が大き過ぎると、高周波焼入れのような短時間の加熱ではセメンタイトが基地組織に溶け込みにくくなり、十分な硬さが得られないおそれがある。このような理由から、球状化セメンタイトの最大粒径は7μm以下であることが好ましい。   However, if the particle size of the spheroidized cementite is too large, damage will occur in the spheroidized cementite itself when forming by cold forging, or the coarse cementite-ferrite interface will be the source of strain concentration and voids. It is easy to form and break. Furthermore, after the molding, induction hardening is applied to the teeth of the rack to form a hardened layer (surface layer part). However, it may be difficult to dissolve into the base tissue, and sufficient hardness may not be obtained. For these reasons, the maximum particle size of the spheroidized cementite is preferably 7 μm or less.

さらに、ラック21の非焼入れ部は冷間鍛造により加工硬化するが、加工硬化しすぎて非焼入れ部の硬さがHv350超過となると、靱性が不十分となり、衝撃的な荷重が負荷された場合にラック21が破損するおそれがある。よって、非焼入れ部の硬さはHv350以下とする必要がある。ラック21の破損がより生じにくくするためには、非焼入れ部の硬さはHv250以下とすることが好ましい。   Furthermore, although the non-quenched portion of the rack 21 is work-hardened by cold forging, when the work hardening is too high and the hardness of the non-quenched portion exceeds Hv 350, the toughness becomes insufficient and an impact load is applied. In addition, the rack 21 may be damaged. Therefore, the hardness of the non-quenched portion needs to be Hv 350 or less. In order to make the rack 21 more difficult to break, the hardness of the non-quenched portion is preferably Hv 250 or less.

以下に、ラック21の製造方法の一例を説明する。まず、炭素の含有量が0.35質量%以上0.55質量%以下である鋼で構成された棒状素材又は管状素材に、軟化焼鈍しを施す。軟化焼鈍し条件の一例を示す。素材をA1変態点以上の740〜860℃で0.1h以上保持した後に、20〜70℃/hの冷却速度で680〜720℃へ冷却し、1〜5h保持する。続いて、10〜100℃/hの冷却速度で620〜680℃へ冷却し、さらに、10〜150℃/hの冷却速度で500〜560℃へ冷却する。このような軟化焼鈍しにより、鋼はフェライト,球状化セメンタイト,及び針状セメンタイトを含有する組織となる。   Below, an example of the manufacturing method of the rack 21 is demonstrated. First, soft annealing is performed on a rod-like material or a tubular material made of steel having a carbon content of 0.35 mass% or more and 0.55 mass% or less. An example of soft annealing conditions is shown. The material is held at 740 to 860 ° C. above the A1 transformation point for 0.1 h or more, then cooled to 680 to 720 ° C. at a cooling rate of 20 to 70 ° C./h, and held for 1 to 5 hours. Then, it cools to 620-680 degreeC with the cooling rate of 10-100 degreeC / h, and also cools to 500-560 degreeC with the cooling rate of 10-150 degreeC / h. By such soft annealing, the steel becomes a structure containing ferrite, spheroidized cementite, and acicular cementite.

次に、軟化焼鈍しを施した素材に、図3,4のように冷間鍛造を施し、所定の形状に成形する。まず、断面円形の中実棒状素材を冷間鍛造により成形した例について、図3を参照しながら説明する。
まず、断面円弧状の溝32aが形成されたダイス32の上に中実棒状素材31を載置する。この溝32aの曲率半径は中実棒状素材31の半径よりも大として、この溝32a内に中実棒状素材31を配する(図3の(a)を参照)。そして、中実棒状素材31に上方からパンチ33を押し当て、パンチ33を下方に押圧することにより、中実棒状素材31を溝32a内に密着させ変形させる。パンチ33の中実棒状素材31との接触面は平面状であるため、中実棒状素材31に平面部31aが形成される(図3の(b)を参照)。これにより、中実棒状素材31は平面部31aと円筒面部31bとを有するような形状となる。なお、パンチ33の中実棒状素材31との接触面は平面状に限らず、テーパを有していてもよい。
Next, the material subjected to soft annealing is subjected to cold forging as shown in FIGS. 3 and 4 and formed into a predetermined shape. First, an example in which a solid bar material having a circular cross section is formed by cold forging will be described with reference to FIG.
First, the solid bar-shaped material 31 is placed on the die 32 in which the groove 32a having an arcuate cross section is formed. The curvature radius of the groove 32a is set larger than the radius of the solid bar-shaped material 31, and the solid bar-shaped material 31 is disposed in the groove 32a (see FIG. 3A). Then, by pressing the punch 33 against the solid rod-shaped material 31 from above and pressing the punch 33 downward, the solid rod-shaped material 31 is brought into close contact with the groove 32a and deformed. Since the contact surface of the punch 33 with the solid rod-shaped material 31 is flat, a flat portion 31a is formed on the solid rod-shaped material 31 (see FIG. 3B). Thereby, the solid rod-shaped material 31 becomes a shape having the flat surface portion 31a and the cylindrical surface portion 31b. In addition, the contact surface with the solid rod-shaped material 31 of the punch 33 is not limited to a planar shape, and may have a taper.

次に、前述の溝32aよりも深い溝34aが形成されたダイス34を用意し、円筒面部31bを下方(溝34aの底側)に向けて中実棒状素材31を該溝34a内に配する。この時、この溝34aの幅は、中実棒状素材31の直径よりも僅かに小さく設計されているので、中実棒状素材31は溝34a内に完全には収容されない(図3の(c)を参照)。そして、歯溝35aを有するパンチ35を中実棒状素材31の平面部31aに押し当て、パンチ35を下方に押圧すると、中実棒状素材31がダイス34の溝34a内に押し込められる。その際には、中実棒状素材31の両側(ダイス34の溝34aの側壁に接触する部分)がしごかれて変形し、互いに平行な平面となるとともに、歯溝35aに対応する歯31cが中実棒状素材31の平面部31aに形成される(図3の(d)を参照)。そして、中実棒状素材31の両側のしごかれた分の肉が歯31cに供給され、歯31cの形状がより大きくなる。   Next, a die 34 having a groove 34a deeper than the above-described groove 32a is prepared, and the solid bar-shaped material 31 is disposed in the groove 34a with the cylindrical surface portion 31b facing downward (bottom side of the groove 34a). . At this time, since the width of the groove 34a is designed to be slightly smaller than the diameter of the solid rod-shaped material 31, the solid rod-shaped material 31 is not completely accommodated in the groove 34a ((c) of FIG. 3). See). Then, when the punch 35 having the tooth groove 35 a is pressed against the flat portion 31 a of the solid bar-shaped material 31 and the punch 35 is pressed downward, the solid bar-shaped material 31 is pushed into the groove 34 a of the die 34. At that time, both sides of the solid bar-shaped material 31 (the portions contacting the side walls of the grooves 34a of the die 34) are squeezed and deformed to become parallel planes, and the teeth 31c corresponding to the tooth grooves 35a are formed. It is formed on the flat portion 31a of the solid rod-shaped material 31 (see (d) of FIG. 3). And the meat for the squeezed portions on both sides of the solid rod-shaped material 31 is supplied to the teeth 31c, and the shape of the teeth 31c becomes larger.

次に、断面略矩形の溝36aが形成されたダイス36と、断面円弧状の溝37aが形成されたパンチ37と、を用意する。ダイス36に形成された溝36aの底面には、中実棒状素材31の平面部31aに形成された歯31cに対応する歯溝36bが形成されている。一方、パンチ37に形成された溝37aは、中実棒状素材31の円筒面部31bに対応する形状となっている。   Next, a die 36 in which a groove 36a having a substantially rectangular cross section is formed and a punch 37 in which a groove 37a having a circular arc cross section is prepared. On the bottom surface of the groove 36a formed in the die 36, a tooth groove 36b corresponding to the tooth 31c formed in the flat portion 31a of the solid rod-shaped material 31 is formed. On the other hand, the groove 37 a formed in the punch 37 has a shape corresponding to the cylindrical surface portion 31 b of the solid rod-shaped material 31.

ダイス36に形成された溝36a内に中実棒状素材31を配すると、溝36aの幅が中実棒状素材31の直径よりも僅かに小さいために中実棒状素材31は溝36a内に完全には収容されないが(図3の(e)を参照)、中実棒状素材31に上方からパンチ37を押し当て下方に押圧すると、中実棒状素材31がダイス36の溝36a内に押し込められ、中実棒状素材31の形状が整えられる。中実棒状素材31の両側(ダイス36の溝36aの側壁に接触する部分)は平面となっているので、中実棒状素材31をダイス36の溝36a内に押し込めた際に余肉が生じない(図3の(f)を参照)。   When the solid rod-shaped material 31 is disposed in the groove 36a formed in the die 36, the width of the groove 36a is slightly smaller than the diameter of the solid rod-shaped material 31, so that the solid rod-shaped material 31 is completely in the groove 36a. Is not accommodated (see FIG. 3E), but when the punch 37 is pressed against the solid bar material 31 from above and pressed downward, the solid bar material 31 is pushed into the groove 36a of the die 36, The shape of the actual bar-shaped material 31 is adjusted. Since both sides of the solid bar-shaped material 31 (parts contacting the side wall of the groove 36a of the die 36) are flat, no surplus is produced when the solid bar-shaped material 31 is pushed into the groove 36a of the die 36. (See (f) in FIG. 3).

次に、断面円形の管状素材41を冷間鍛造により成形した例について、図4を参照しながら説明する。なお、図4においては、図3と同一又は相当する部分には、図3と同一の符号を付してある。成形方法は中実棒状素材31と全く同様であるので、詳細な説明は省略するが、管状素材41を冷間鍛造により成形する際には、その中空孔42に、該中空孔42の直径とほぼ同径の別部材43を入れておくとよい。最初に変形させた段階(図4の(b)を参照)で、中空孔42内に別部材43が充填され、管状素材41と別部材43とが一体化される。   Next, an example in which a tubular material 41 having a circular cross section is formed by cold forging will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the same reference numerals as those in FIG. 3 are assigned to the same or corresponding parts as in FIG. Since the forming method is exactly the same as that of the solid rod-shaped material 31, detailed description is omitted. However, when the tubular material 41 is formed by cold forging, the diameter of the hollow hole 42 is set in the hollow hole 42. It is preferable to put another member 43 having substantially the same diameter. At the stage of first deformation (see FIG. 4B), the hollow member 42 is filled with the separate member 43, and the tubular material 41 and the separate member 43 are integrated.

このようにしてラックの形状に成形された素材に高周波焼入れ及び焼戻しを施して、その表面に硬化された表層部を形成した後、研削仕上げや超仕上げを施して、ラック21を完成した。高周波焼入れの条件は特に限定されるものではないが、例えば、出力電流220〜270A、周波数100kHz、加熱時間3〜5秒、冷却時間10〜15秒のような条件があげられる。   The material formed into the shape of the rack in this way was induction-hardened and tempered to form a hardened surface layer portion, and then subjected to grinding and superfinishing to complete the rack 21. The conditions for induction hardening are not particularly limited, and examples include conditions such as an output current of 220 to 270 A, a frequency of 100 kHz, a heating time of 3 to 5 seconds, and a cooling time of 10 to 15 seconds.

〔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。まず、素材に冷間鍛造を施した際の割れ発生率と、素材を構成する鋼が含有する球状化セメンタイトの最大粒径との関係を調査した。
日本工業規格JISに規定のS45Cに相当する鋼(炭素の含有量は0.45質量%)で構成された直径25mmの丸棒素材又は管状素材に、前述の例と同様の条件の軟化焼鈍しを施して、フェライト,球状化セメンタイト,及び針状セメンタイトを含有する組織とした。さらに、軟化焼鈍しの条件を若干変更することにより、球状化セメンタイトの最大粒径及び硬さが種々異なるものを製造した(表1を参照)。
〔Example〕
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. First, the relationship between the crack occurrence rate when cold forging the material and the maximum particle size of spheroidized cementite contained in the steel constituting the material was investigated.
Soft annealing of 25mm diameter round bar material or tubular material made of steel equivalent to S45C specified in Japanese Industrial Standards JIS (carbon content is 0.45 mass%) under the same conditions as in the previous example To obtain a structure containing ferrite, spheroidized cementite, and acicular cementite. Furthermore, the softening annealing conditions were slightly changed to produce spheroidized cementite having different maximum particle sizes and hardnesses (see Table 1).

このような素材に、図3,4に示したような冷間鍛造を施して、ラックの形状に成形した。そして、最も割れが発生しやすい歯の先端にマイクロクラックが発生しているか否かを顕微鏡観察により確認した。球状化セメンタイトの最大粒径が同一の素材をそれぞれ100個用意して冷間鍛造を施し、マイクロクラックの発生率(割れ発生率)を算出した。結果を表1に示す。また、球状化セメンタイトの最大粒径と割れ発生率との関係を、図5のグラフに示す。   Such a material was cold forged as shown in FIGS. 3 and 4 and formed into a rack shape. And it was confirmed by microscopic observation whether the microcrack had generate | occur | produced in the front-end | tip of the tooth | gear which is easy to generate | occur | produce a crack. 100 materials each having the same maximum particle size of spheroidized cementite were prepared and subjected to cold forging, and the occurrence rate of microcracks (breakage rate) was calculated. The results are shown in Table 1. Moreover, the graph of FIG. 5 shows the relationship between the maximum particle diameter of spheroidized cementite and the crack generation rate.

なお、表1に示した硬さは、軟化焼鈍しを施した後の段階における素材の硬さである。また、球状化セメンタイトの最大粒径の測定方法は、以下の通りである。軟化焼鈍しを施した素材を破断し、その断面を研磨した後にナイタール腐食液でエッチングした。エッチングした断面を光学顕微鏡で倍率1000倍に拡大し、5箇所について写真を撮り、球状化セメンタイトの粒径を測定した。なお、様々な形状のセメンタイトのうち、アスペクト比(長径/短径)が2.0以下のものを球状化セメンタイトと定義した。
表1及び図4のグラフから分かるように、球状化セメンタイトの最大粒径が0.5μm以上であると、冷間鍛造によるマイクロクラックの発生はなかった。
In addition, the hardness shown in Table 1 is the hardness of the raw material in the stage after performing softening annealing. Moreover, the measuring method of the maximum particle diameter of spheroidized cementite is as follows. The material that had been softened and annealed was broken, and the cross section was polished and then etched with a nital etchant. The etched cross section was magnified 1000 times with an optical microscope, photographs were taken at five locations, and the particle size of the spheroidized cementite was measured. Of the various shapes of cementite, those having an aspect ratio (major axis / minor axis) of 2.0 or less were defined as spheroidized cementite.
As can be seen from the graphs in Table 1 and FIG. 4, when the maximum particle size of the spheroidized cementite was 0.5 μm or more, microcracks were not generated by cold forging.

次に、下記のようにしてラックの非焼入れ部の硬さと靱性との関係を調査した。日本工業規格JISに規定のS45Cに相当する鋼(炭素の含有量は0.45質量%)で構成された鋼材に、前述の例と同様の条件の軟化焼鈍しを施した。そして、種々の加工率で冷間鍛造を施して成形し、硬さが種々異なるシャルピー衝撃試験用試験片を得た(表2を参照)。   Next, the relationship between the hardness and toughness of the non-quenched portion of the rack was investigated as follows. A steel material made of steel corresponding to S45C defined in Japanese Industrial Standards JIS (carbon content is 0.45 mass%) was softened and annealed under the same conditions as in the above example. Then, cold forging was performed at various processing rates to form Charpy impact test specimens having different hardnesses (see Table 2).

なお、硬さの測定方法は、以下の通りである。ラックを破断し、その断面を研磨して鏡面とした。そして、この鏡面のうち10箇所の硬さをビッカース硬度計で測定し、平均値を求めた。また、比較例5は、上記と同様の鋼材に調質処理(850℃で30分間保持した後に水冷し、700℃で20分間焼戻しを施すという処理)を施して得た調質材からなるシャルピー衝撃試験用試験片であり、冷間鍛造は施していない。このような調質材は、現在多くのラックアンドピニオン式ステアリング装置で採用されている歯切りラック(歯を切削加工により形成したラック)の素材として用いられているものである。   In addition, the measuring method of hardness is as follows. The rack was broken and the cross section was polished to give a mirror surface. And the hardness of ten places among this mirror surface was measured with the Vickers hardness meter, and the average value was calculated | required. Further, Comparative Example 5 is a Charpy made of a tempered material obtained by subjecting a steel material similar to the above to a tempering treatment (treatment of holding at 850 ° C. for 30 minutes followed by water cooling and tempering at 700 ° C. for 20 minutes). It is a test piece for impact test and is not cold forged. Such a tempered material is used as a material for a gear cutting rack (a rack formed by cutting teeth) that is currently used in many rack and pinion type steering devices.

得られたシャルピー衝撃試験用試験片のシャルピー衝撃強度を、シャルピー衝撃強度測定装置を用いて測定した。結果を表2に示す。なお、表2のシャルピー衝撃強度は、比較例5のシャルピー衝撃強度を1とした場合の相対値で示してある。
表2から分かるように、硬さが350超過であると、現行の調質材よりもシャルピー衝撃強度が低かった。この試験片には高周波焼入れが施されていないので、この結果から、非焼入れ部の硬さが350超過であると素材の靱性が不十分となることが分かる。
The Charpy impact strength of the obtained specimen for Charpy impact test was measured using a Charpy impact strength measuring device. The results are shown in Table 2. The Charpy impact strength in Table 2 is shown as a relative value when the Charpy impact strength of Comparative Example 5 is 1.
As can be seen from Table 2, when the hardness exceeded 350, the Charpy impact strength was lower than that of the current tempered material. Since this test piece has not been induction-hardened, it can be seen from this result that the toughness of the material is insufficient when the hardness of the non-quenched portion is more than 350.

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。It is a figure explaining the composition of the rack and pinion type steering device concerning the present invention. 素材が含有するフェライト,球状化セメンタイト,及び針状セメンタイトの組織図である。It is a structure chart of ferrite, spheroidized cementite, and acicular cementite contained in the material. 棒状素材に冷間鍛造を施してラックの形状に成形する工程を説明する図である。It is a figure explaining the process of giving cold forging to a rod-shaped raw material, and shape | molding in the shape of a rack. 管状素材に冷間鍛造を施してラックの形状に成形する工程を説明する図である。It is a figure explaining the process of giving cold forging to a tubular raw material and shape | molding in the shape of a rack. 球状化セメンタイトの最大粒径と割れ発生率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the largest particle size of spheroidization cementite, and a crack generation rate.

符号の説明Explanation of symbols

11 ステアリング軸
21 ラック
22 ピニオン
31 棒状素材
41 管状素材
11 Steering shaft 21 Rack 22 Pinion 31 Bar material 41 Tubular material

Claims (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前記ステアリング軸の回転に伴って回転するピニオンと、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、前記ラックが以下の3つの条件を満たし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。
条件A)炭素の含有量が0.35質量%以上0.55質量%以下である鋼からなり且つ軟化焼鈍しが施された棒状素材又は管状素材を、冷間鍛造で成形して得られたものである。
条件B)前記軟化焼鈍しによって、球状化セメンタイトの最大粒径が0.5μm以上7μm以下とされているとともに、硬さがHv200以下とされている。
条件C)高周波焼入れにより焼入れが施され硬化された表層部と、焼入れが施されていない非焼入れ部とを有しており、前記非焼入れ部の硬さはHv350以下である。
A rack-and-pinion type steering including: a steering shaft that is rotated by a driver's steering; a pinion that is connected to the steering shaft and that rotates as the steering shaft rotates; and a rack that meshes with the pinion and is connected to a wheel. A rack and pinion type steering device, wherein the rack satisfies the following three conditions:
Condition A) A rod-like material or tubular material made of steel having a carbon content of 0.35 mass% or more and 0.55 mass% or less and subjected to soft annealing was obtained by forming by cold forging. Is.
Condition B) By the soft annealing, the maximum particle size of the spheroidized cementite is 0.5 μm or more and 7 μm or less, and the hardness is Hv 200 or less.
Condition C) It has a surface layer portion that has been quenched and hardened by induction hardening, and a non-quenched portion that has not been quenched, and the hardness of the non-quenched portion is Hv 350 or less.
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