JP2009035171A

JP2009035171A - 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: JP2009035171A
Application number: JP2007202114A
Authority: JP
Inventors: Tomonobu Yoshikawa; 朋伸吉川
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2009-02-19

Abstract

【課題】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軸の先端部の耐摩耗性を、表面炭素含有率を特に高くすること以外の方法で向上させる。
【解決手段】ピニオン軸２２の軸方向全体に浸炭処理または浸炭窒化処理を施した後、外周面２２Ｂが内輪軌道面として機能する先端部２２ｂにのみ高周波焼入れを施す。
【選択図】図２

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関する。特に、コラムアシスト式または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。

従来より、乗用車においては、ステアリング軸の回転を左右の操舵輪の運動に変換する機構として、主にラックアンドピニオン機構が、高剛性で軽量であることから使用されている。
一方、ステアリング装置には、運転者の操舵を補助しないマニュアルステアリング装置と、運転者の操舵を補助する回転力を電動モータ（電動式）や油圧ポンプ（油圧式）で発生させるパワーステアリング装置がある。マニュアルステアリング装置では、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操舵輪の運動に変換される。また、油圧式パワーステアリング装置では、油圧ポンプによる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にラックに伝達される。

電動式パワーステアリング装置には、電動モータから出力された操舵を補助する回転力を、ステアリング軸に伝達するコアラムアシスト式と、ピニオンに伝達するピニオンアシスト式と、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がある。このうち、ラックアシスト式は、ラックアンドピニオン機構を介さずにラックに伝達されるが、コアラムアシスト式とピニオンアシスト式では、運転者の操舵による回転力と電動モータによる操舵を補助する回転力の合力が、ラックおよびピニオンに負荷される。

このように、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してラックに伝達されるか、介さずに伝達されるかの違いで、ラックおよびピニオンにかかる負荷が異なり、コアラムアシスト式とピニオンアシスト式の電動式パワーステアリング装置は、マニュアルステアリング装置、油圧式パワーステアリング装置、およびラックアシスト式の電動式パワーステアリング装置と比較して、ラックおよびピニオンにかかる負荷が１０倍以上も大きい。そのため、コアラムアシスト式とピニオンアシスト式の電動式パワーステアリング装置には、相互に噛み合うラックとピニオンの歯に摩耗が生じやすいという問題点がある。

この問題点に対しては、ラックおよびピニオンの歯とラックの背面（歯が形成されている面とは反対側の面）に浸炭焼入れ処理や高周波焼入れ処理を施して、表面硬さをＨＲＣ５５〜６３程度にするとともに、歯の折損を防止するために、歯の根元の芯部の硬さを前述の歯とラック背面の表面硬さ（ＨＲＣ５５〜６３程度）よりもＨＲＣ１０〜２０程度下げることで対応している。また、下記の特許文献１には、ラックおよびピニオンの歯とラックの背面に二重の硬化層（焼入れ硬化層と、その外表面にショットピーニングにより形成した、焼入れ硬化層より硬い第二硬化層）を設けることで、摩耗を抑制することが開示されている。
特開２００５−１２５９７２号公報

上述のように、コアラムアシスト式とピニオンアシスト式の電動式パワーステアリング装置が有する、相互に噛み合うラックとピニオン軸の歯に摩耗が生じやすいという問題点については改善されてきたが、最近では、ハウジングと針状ころとともにニードル軸受を構成するピニオン軸の先端部（外周面が内輪軌道面として機能する部分）の摩耗が問題となっている。

通常、針状ころは、高炭素クロム軸受鋼製で表面硬さがＨＲＣ６０〜６５程度とされるため、ピニオン軸の先端部より硬い。また、操舵時に、ピニオン軸は短い距離で正回転と逆回転を繰り返すために、ニードル軸受にすべりが生じやすいことから、ピニオン軸の先端部にも摩耗が生じやすい状態にある。その対策として、前述のショットピーニングによる第二硬化層の形成を行うと、摩耗は低減できても残留オーステナイト量が５体積％以下となり、軸受内に異物が混入して軌道面の剥離寿命が短くなる恐れがある。

また、ピニオンの浸炭焼入れ処理を炭素含有率がより高くなるようにすることにより、ピニオン軸の表面硬さを針状ころと同程度にして摩耗を防ぐ方法もあるが、この方法では、ピニオン歯先部においては、浸炭が歯先と歯の横との両方から行われるため、炭素含有率が高くなり、塊状炭化物、網状炭化物が生成し、その部分が脆くなる恐れがある。よって、ピニオン軸の先端部の表面炭素含有率を高くすることで、耐摩耗性を向上させることには限界がある。

本発明の課題は、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基端部が連結されたピニオン軸と、前記ピニオン軸の歯車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または前記ピニオンに伝達されるようになっており、前記ピニオン軸の先端部の外周面が内輪軌道面として機能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において、前記ピニオン軸の先端部の耐摩耗性を表面炭素含有率を特に高くすること以外の方法で向上させることである。

上記課題を解決するために、本発明は、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基端部が連結されたピニオン軸と、前記ピニオン軸の歯車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または前記ピニオンに伝達されるようになっており、前記ピニオン軸の先端部の外周面が内輪軌道面として機能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において、前記ピニオン軸は浸炭鋼からなり、軸方向全体に浸炭処理または浸炭窒化処理が施された後、前記先端部にのみ高周波焼入れが施されてい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を提供する。

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、ピニオン軸が、軸方向全体に浸炭処理または浸炭窒化処理が施された後、外周面が内輪軌道面として機能する先端部にのみ高周波焼入れが施されて得られたものであるため、前記先端部の耐摩耗性が、表面炭素含有率を高くする方法以外で向上される。よって、ピニオン歯の角部に前述のような問題が生じない。

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によれば、ピニオン軸の先端部の耐摩耗性が向上し、耐久性に優れたものになる。また、高周波焼入れを施すことで安価に製造することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、この実施形態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示す概略構成図である。図２は、ラックアンドピニオン機構を示す断面図である。
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。

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２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２１ａに噛み合う歯２２ａを備えたピニオン軸２２と、ラック２１及びピニオン軸２２を支承する筒状部２３Ａおよびこれに直交する筒状部２３Ｂを有するラック用ハウジング２３と、で構成されている。ピニオン軸２２は、ラック用ハウジング２３の筒状部２３Ａに対して、先端部のニードル軸受３と中間部の玉軸受４により回転自在に配置されている。

ピニオン軸２２は、歯２２ａが形成されている部分（ピニオン部）２２Ａと、外周面２２Ｂがニードル軸受３の内輪軌道面をなす先端部２２ｂと、玉軸受４が配置される軸受部２２ｃと、ラック用ハウジング２３の外側に延びる軸部２２ｄと、自在継手２６に連結される連結部２２ｅとからなる。ピニオン軸２２の先端部２２ｂの外周面２２Ｂと、ラック用ハウジング２３の筒状部２３Ａの内周面２３ａと、針状ころ６とで、ニードル軸受３が構成されている。
先端部２２ｂと軸受部２２ｃの直径Ｄ１，Ｄ２は、いずれもピニオン部２２Ａの外径寸法Ｄよりも小さく、先端部２２ｂの直径Ｄ１はピニオン部２２Ａの歯底面直径Ｄ４よりも小さい。

また、ラック２１は、ラックガイド５をラック用ハウジング２３の筒状部２３Ｂに嵌め入れることによって、ピニオン軸２２のピニオン部（歯２２ａが形成されている部分）２２Ａに押し付けられ、ラック２１の歯２１ａとピニオン軸２２の歯２２ａが噛み合わされている。
そして、ラックアンドピニオン機構２は、ラック２１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（連結部２２ｅ）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。
ここで、ピニオン軸２２は浸炭鋼からなり、軸方向全体に浸炭処理または浸炭窒化処理が施されて、表面硬さがＨＲＣ５５〜６３となっている。また、先端部２２ｂにのみ高周波焼入れと焼戻しが施されることで、硬さがＨＲＣ６０〜６５に、残留オーステナイト量は２０〜４０体積％となっている。

運転者により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。

そして、前述のように、ピニオン軸２２の先端部２２ｂは、硬さがＨＲＣ６０〜６５になり、残留オーステナイト量が２０〜４０体積％となっているため、先端部２２ｂに対して前述のような処理を施さない場合と比較して、耐摩耗性に優れ、剥離寿命も良好になっている。また、先端部２２ｂの耐摩耗性の向上を、表面炭素含有率を高くする方法で行った場合と比較して、ピニオン歯２２ａの先端部が脆くなるような問題が生じない。

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に示すラックアンドピニオン式電動ステアリング装置を用いて、ピニオン軸２２の先端部２２ｂの耐久性を調べる試験を行った。
先ず、ラック２１を以下の方法で得た。Ｓ４５Ｃ製の丸棒に、切削加工により歯を形成し、歯の表面および背面側に高周波焼入れ処理を施した後に、１７０℃で２時間の焼戻しを施した。高周波焼入れ条件は、周波数が３０ｋＨｚで、ポリマー１０％水溶液による冷却を行った。

ピニオン軸２２としては、ＳＣｒ４２０の丸棒を図２に示す形状に加工し、全面に浸炭処理または浸炭窒化処理を行った後に、下記の表１に示すように、先端部２２ｂに高周波焼入れを施したもの（No. １〜４）と、施さないもの（No. ５〜８）を作製した。
＜浸炭処理条件＞
９３０℃で５時間保持した後、焼入れを行い、次いで１７０℃で２時間の焼戻しを行った。
＜浸炭窒化処理条件＞
９５０℃で３５時間保持した後、焼入れを行い、次いで１７０℃で２時間の焼戻しを行った。
＜高周波焼入れ条件＞
出力１５０ｋＷ、周波数３０ｋＨ

これらのピニオン軸２２とラック２１を用いて図２に示すラックアンドピニオン機構を形成し、図１に示すラックアンドピニオン式電動ステアリング装置に組み込んで駆動し、ピニオン軸２２の先端部２２ｂの耐久試験を行った。
具体的には、試験温度を４０℃とし、潤滑剤としてグリースを用い、９０Ｎｍのトルクを、ピニオン軸２２へ、正回転と逆回転を１サイクルとして繰り返し入力し、１サイクルにかける時間を５秒とし、一定サイクル毎に試験を停止して、ピニオン軸２２の先端部２２ｂに摩耗や剥離が生じているかどうかを確認し、摩耗や剥離が生じるまでのサイクル数（耐久性）を調べた。なお、この試験は１×１０⁶サイクルまで行った。その結果を下記の表１に示す。

この結果より、本末明の実施例に相当するNo. １〜４では、１×１０⁶サイクルまでの試験において、ピニオン軸２２の先端部２２ｂに摩耗や剥離は見られなかったのに対して、比較例に相当するNo. ５〜８では、１×１０⁶サイクルに至る前に３０μｍ以上の摩耗や剥離が生じた。

実施形態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示す概略構成図である。実施形態のラックアンドピニオン機構を示す断面図である。

符号の説明

１０ステアリングホイール
１１ステアリング軸
１２ステアリング軸用ハウジング
１３電動モータ
１５転舵輪
２ラックアンドピニオン機構
２１ラック
２１ａラックの歯
２２ピニオン軸
２２Ａピニオン部
２２ａピニオン軸の歯
２２Ｂピニオン軸の先端部の外周面
２２ｂピニオン軸の先端部
２２ｃ軸受部
２２ｄ軸部
２２ｅ連結部
２３ラック用ハウジング
２３Ａ筒状部
２３Ｂ筒状部
２５，２６自在継手
３ニードル軸受
４玉軸受
５ラックガイド
６針状ころ

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基端部が連結されたピニオン軸と、前記ピニオン軸の歯車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または前記ピニオンに伝達されるようになっており、前記ピニオン軸の先端部の外周面が内輪軌道面として機能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において、
前記ピニオン軸は浸炭鋼からなり、軸方向全体に浸炭処理または浸炭窒化処理が施された後、前記先端部にのみ高周波焼入れが施されてい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。