JP2010018066A - Rack and pinion type steering device - Google Patents

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JP2010018066A JP2008178284A JP2008178284A JP2010018066A JP 2010018066 A JP2010018066 A JP 2010018066A JP 2008178284 A JP2008178284 A JP 2008178284A JP 2008178284 A JP2008178284 A JP 2008178284A JP 2010018066 A JP2010018066 A JP 2010018066A
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Yasuyuki Shimizu
康之 清水
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rack and pinion type steering device hardly damaging a rack even when applied with impact or stress in using. <P>SOLUTION: The rack 21 for the rack and pinion type steering device is made of steel having a carbon content of ≥0.35 mass% and ≤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 soft-annealed, and is further subjected to induction hardening. The surface of the rack 21 is formed of a hardened layer by induction hardening, and surface hardness HV of a tooth of the rack is 550 or more. Regarding a part of the hardened layer having surface hardness HV of 300 or more and 550 or less, when relationship between hardness H and depth D (unit; mm) is shown by the expression, H=aD+b, a coefficient (a) of the expression is -750 or more and -120 or less. <P>COPYRIGHT: (C)2010,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 for 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 type 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1〜6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 特開2007−105751号公報 特開2007−144433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 6). By manufacturing the rack from a tubular material, the weight of the automobile can be reduced.
JP-A-10-58081 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-79639 Japanese Patent No. 3442298 JP 2006-103644 A JP 2007-105751 A JP 2007-144433 A

近年においては自動車の使用条件は厳しくなっており、ラックアンドピニオン式ステアリング装置に求められる性能も年々高くなってきている。例えば、自動車が縁石等に乗り上げることにより衝撃や応力が入力された場合でも、破損が生じないような優れた静的強度をラックが有していることが要求されている。
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、使用時に衝撃や応力が入力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 recent years, the usage conditions of automobiles have become stricter, and the performance required for rack and pinion type steering devices has been increasing year by year. For example, it is required that the rack has an excellent static strength that does not cause damage even when an impact or stress is input when the automobile rides on a curb or the like.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a rack-and-pinion type steering apparatus that solves the problems of the prior art as described above and is unlikely to cause damage to the rack even when an impact or stress is input during use.

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4つの条件を満たしていることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. That is, the rack and pinion type steering device according to claim 1 of the present invention includes 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, and the pinion The rack and pinion type steering apparatus includes a rack that meshes with the rack and that is coupled to the wheel, wherein the rack satisfies the following four conditions.

条件A)炭素の含有量が0.35質量%以上0.55質量%以下である鋼で構成されている。
条件B)高周波焼入れにより表面に硬化層が形成されている。
条件C)歯の表面硬さHVが550以上である。
条件D)前記硬化層のうち硬さHVが300以上550以下の部分について、硬さHと深さD(単位はmm)との関係をH=aD+bなる式で表したときに、該式の係数aが−750以上−120以下である。
Condition A) It is made of steel having a carbon content of 0.35 mass% or more and 0.55 mass% or less.
Condition B) A hardened layer is formed on the surface by induction hardening.
Condition C) The tooth surface hardness HV is 550 or more.
Condition D) When the relationship between the hardness H and the depth D (unit: mm) is expressed by the formula H = aD + b for the portion of the hardened layer having a hardness HV of 300 or more and 550 or less, The coefficient a is -750 or more and -120 or less.

ラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックには大きな衝撃や応力が入力される場合があるが、上記のような構成の硬化層が形成されていれば、ラックの静的強度(特に曲げ強度)が優れているため、大きな衝撃や応力が入力されても損傷が生じにくい。
つまり、高周波焼入れを施すと、焼入れ部(すなわち硬化層)と非焼入れ部(硬化層の内側の高周波焼入れが施されていない部分)との界面において引張残留応力が発生し、この引張残留応力が大きい場合には、ラックに大きな衝撃や応力が入力された際に、表面ではなく内部(前記界面)を起点とした破壊が発生しやすくなるが、上記のような構成の硬化層が形成されていれば、前述の引張残留応力の発生が緩和されるので、内部を起点とした破壊が発生しにくくなり、ラックに大きな衝撃や応力が入力されても損傷が生じにくい(すなわち、ラックの静的強度が高い)。
Large impacts and stresses may be input to the rack of a rack and pinion type steering device, but if a hardened layer with the above configuration is formed, the static strength (especially bending strength) of the rack is excellent. Therefore, even if a large impact or stress is input, damage is unlikely to occur.
In other words, when induction hardening is performed, tensile residual stress is generated at the interface between the quenched portion (that is, the hardened layer) and the non-quenched portion (the portion that is not subjected to induction hardening inside the hardened layer). If it is large, when a large impact or stress is input to the rack, it tends to break not from the surface but from the inside (the interface), but the hardened layer having the above configuration is formed. Therefore, the occurrence of the above-described tensile residual stress is mitigated, so that it is difficult for the internal fracture to occur, and damage is not easily caused even if a large impact or stress is input to the rack (that is, the static load of the rack). Strength is high).

ここで、前記各条件における各数値の臨界的意義について説明する。
〔条件Aについて〕
炭素の含有量が0.35質量%未満であると、ラックに形成されている歯の表面硬さHVを550以上とすることが困難となる場合がある。一方、0.55質量%超過であると、鋼の加工性が不十分となるおそれがある。
Here, the critical significance of each numerical value under each condition will be described.
[Condition A]
If the carbon content is less than 0.35% by mass, it may be difficult to make the surface hardness HV of the teeth formed on the rack 550 or more. On the other hand, if it exceeds 0.55 mass%, the workability of steel may be insufficient.

〔条件Cについて〕
ラックにはピニオンから応力が入力されるため、ラックに形成されている歯には十分な強度が要求される。歯が十分な強度を有するためには、歯の表面硬さHVが550以上である必要がある。なお、より高い強度を歯が有するためには、歯の表面硬さHVを600以上とすることが好ましい。
[Condition C]
Since stress is input from the pinion to the rack, the teeth formed on the rack are required to have sufficient strength. In order for the teeth to have sufficient strength, the surface hardness HV of the teeth needs to be 550 or more. In addition, in order for a tooth | gear to have higher intensity | strength, it is preferable that the surface hardness HV of a tooth | gear shall be 600 or more.

〔条件Dについて〕
前記式の係数aが−750未満であると、ラックの静的強度が不十分となり、大きな衝撃や応力が入力された際にラックに損傷が生じやすくなるおそれがある。一方、係数aが−120超過であると、高周波焼入れに長時間を要したり、高周波焼入れにより変形が生じたり、結晶粒等が粗大化するおそれがある。
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ステアリング装置において、前記ラックは、前記鋼からなり且つ軟化焼鈍しが施された素材を、冷間鍛造で所定の形状に成形した後に、前記高周波焼入れを施して得られたものであることを特徴とする。
[Condition D]
When the coefficient a in the above formula is less than −750, the static strength of the rack becomes insufficient, and the rack may be easily damaged when a large impact or stress is input. On the other hand, if the coefficient a is more than −120, it may take a long time for induction hardening, deformation may occur due to induction hardening, and crystal grains may become coarse.
A rack and pinion type steering apparatus according to claim 2 of the present invention is the rack and pinion type steering apparatus according to claim 1, wherein the rack is made of the steel and is subjected to soft annealing. It is characterized by being obtained by performing the induction hardening after being formed into a predetermined shape by cold forging.

素材を冷間鍛造でラックの形状に成形するにあたっては、十分な塑性加工性が必要であるので、まず素材に軟化焼鈍しを施す必要がある。この軟化焼鈍しが施されることにより、素材中の炭化物が球状化するが、この球状化した組織に高周波焼入れを施すと、組織的な因子によって上記条件C,Dを満たすような構成の硬化層を容易に形成することができる。また、熱間鍛造,切削加工,絞り加工等が不要であるため、ラックアンドピニオン式ステアリング装置を容易に且つ低コストで製造することができる。   In forming a material into a rack shape by cold forging, sufficient plastic workability is required. Therefore, it is necessary to first soften and anneal the material. By performing this soft annealing, the carbide in the material is spheroidized. When induction hardening is performed on this spheroidized structure, the structure is cured so as to satisfy the above conditions C and D due to systematic factors. Layers can be easily formed. In addition, since hot forging, cutting, drawing, and the like are unnecessary, the rack and pinion type steering device can be manufactured easily and at low cost.

本発明のラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ラックの静的強度が優れているので、使用時に衝撃や応力が入力されてもラックに損傷が生じにくい。   Since the rack and pinion type steering device of the present invention has excellent static strength of the rack, the rack is not easily damaged even if an impact or stress is input 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させた姿勢で、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 in a posture in which the lower portion is 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 movement 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 motion.

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所定の形状に成形し、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. Then, the rack 21 is formed into a predetermined shape by cold forging after softening and annealing the rod-like material or tubular material (hereinafter sometimes referred to as a material) made of steel as described above, and further induction-hardened. It is manufactured by giving.

このようにして製造されたラック21の表面には、高周波焼入れにより図示しない硬化層が形成されているので、ラック21の歯の表面硬さHVは550以上となっている。さらに、この硬化層は以下のような構成となっている。すなわち、硬化層のうち硬さHVが300以上550以下の部分について、ビッカース硬さHと深さD(単位はmm)との関係をH=aD+bなる式で表したときに、該式の係数aが−750以上−120以下である。軟化焼鈍しによって鋼中の炭化物が球状化されているため、その後の高周波焼入れによって上記のような構成の硬化層が形成される。   Since a hardened layer (not shown) is formed on the surface of the rack 21 thus manufactured by induction hardening, the tooth surface hardness HV of the rack 21 is 550 or more. Furthermore, this hardened layer has the following configuration. That is, when the relationship between the Vickers hardness H and the depth D (unit: mm) is expressed by an equation H = aD + b for a portion of the cured layer having a hardness HV of 300 to 550, the coefficient of the equation a is -750 or more and -120 or less. Since the carbides in the steel are spheroidized by the soft annealing, a hardened layer having the above-described configuration is formed by subsequent induction hardening.

このようなラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ラック21が優れた静的強度を有しているので、大きな衝撃や応力が入力されても損傷が生じにくい。また、軟化焼鈍しが施されたことにより素材の塑性加工性が優れているため、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。さらに、このラックアンドピニオン式ステアリング装置は、熱間鍛造,切削加工,絞り加工等を行うことなく製造することができるため、容易に且つ低コストで製造することができる。   In such a rack-and-pinion steering device, the rack 21 has excellent static strength, so that it is difficult to cause damage even if a large impact or stress is input. Further, since the plastic workability of the material is excellent due to the soft annealing, damage such as cracks is hardly generated when the rack 21 is formed by cold forging. Furthermore, since this rack and pinion type steering device can be manufactured without performing hot forging, cutting, drawing, etc., it can be manufactured easily and at low cost.

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。軟化焼鈍しの条件の一例を示す。素材をA1変態点以上の740〜860℃で0.1時間以上保持した後に、20〜70℃/hの冷却速度で680〜720℃へ冷却し、1〜5時間保持する。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 the conditions of softening annealing is shown. The material is held at 740 to 860 ° C. above the A1 transformation point for 0.1 hour 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2,3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2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2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2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. 2 and 3 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 rod-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 rod-shaped material 31, and the solid rod-shaped material 31 is disposed in the groove 32a (see FIG. 2A). 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. 2B). 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2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2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) in FIG. 2). 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. 2). 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2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2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. 2E), 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. 2).

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3を参照しながら説明する。なお、図3においては、図2と同一又は相当する部分には、図2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3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. 3, the same or corresponding parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals as those 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. 3B), 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、その表面に硬化層を形成した後、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 subjected to induction hardening and tempering to form a hardened layer on its surface, 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。日本工業規格JISに規定のS35C,S45C,又はS55Cで構成された直径25mmの丸棒素材に、前述の例と同様の条件の軟化焼鈍しを施した。このような素材に、図2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、高周波焼入れを施して、その表面に硬化層を形成した後に、170℃で2時間の焼戻しを行って実施例のラックを製造した。
〔Example〕
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The round bar material having a diameter of 25 mm made of S35C, S45C, or S55C defined in Japanese Industrial Standards JIS was softened and annealed under the same conditions as in the above example. Such a material was cold forged as shown in FIG. 2 and formed into a rack shape. And after performing induction hardening and forming the hardened layer on the surface, tempering was performed at 170 degreeC for 2 hours, and the rack of the Example was manufactured.

比較例のラックの場合も、実施例のラックの場合とほぼ同様にして製造したが、従来品と同様の構成の硬化層を形成するために、冷間鍛造と高周波焼入れとの間に、真空中において1150℃で30分保持した後に空冷するという熱処理を施す工程を組み入れた。
実施例,比較例いずれのラックも、高周波焼入れにより表面に硬化層が形成されており、ラックの歯の表面硬さHVは550以上となっている。また、硬化層のうちビッカース硬さHVが300以上550以下の部分について、ビッカース硬さHと深さD(単位はmm)との関係をH=aD+bなる式で表したときに、該式の係数aは−750以上−120以下となっている。高周波焼入れの条件は、出力電流200〜270A、加熱時間3〜5秒、冷却時間10〜20秒であるが、これらの条件を変更することにより、前記係数aが種々異なる硬化層を有するラックを製造した。
In the case of the rack of the comparative example, it was manufactured in substantially the same manner as in the case of the rack of the example, but in order to form a hardened layer having the same configuration as the conventional product, a vacuum was formed between the cold forging and the induction hardening. A process of applying a heat treatment of holding at 1150 ° C. for 30 minutes and then air cooling was incorporated.
Each of the racks of Examples and Comparative Examples has a hardened layer formed on the surface by induction hardening, and the surface hardness HV of the rack teeth is 550 or more. Moreover, when the relationship between the Vickers hardness H and the depth D (unit: mm) is expressed by an equation H = aD + b for a portion of the cured layer having a Vickers hardness HV of 300 or more and 550 or less, The coefficient a is from −750 to −120. The conditions for induction hardening are an output current of 200 to 270 A, a heating time of 3 to 5 seconds, and a cooling time of 10 to 20 seconds. By changing these conditions, a rack having hardened layers having different coefficients a can be used. Manufactured.

これらのラックについて、硬化層の種々の深さ位置におけるビッカース硬さHVを測定した。ビッカース硬さHVの測定は、ビッカース硬度計(負荷荷重9.8N)により行った。
ビッカース硬さと深さとの関係の一例を、図4のグラフに示す。このグラフから分かるように、実施例と比較例とでは硬化層の構成が異なっている。そして、このグラフから、ビッカース硬さHと深さD(mm)との関係をH=aD+bなる式で表したときの、係数aを求めることができる。図4のグラフの実施例1のプロットについて、最小二乗法によって係数aを求める方法を示したものが、図5のグラフである。図5のグラフのようにして各ラックの係数aを求めた結果を、表1にまとめて示す。なお、係数aを求める方法は、最小二乗法に限定されるものではない。
For these racks, Vickers hardness HV at various depth positions of the cured layer was measured. The Vickers hardness HV was measured with a Vickers hardness meter (load load 9.8 N).
An example of the relationship between Vickers hardness and depth is shown in the graph of FIG. As can be seen from this graph, the configuration of the hardened layer is different between the example and the comparative example. Then, from this graph, the coefficient a can be obtained when the relationship between the Vickers hardness H and the depth D (mm) is expressed by the equation H = aD + b. FIG. 5 is a graph showing a method for obtaining the coefficient a by the least square method with respect to the plot of Example 1 of the graph of FIG. The results of obtaining the coefficient a of each rack as shown in the graph of FIG. Note that the method for obtaining the coefficient a is not limited to the least square method.

Figure 2010018066
Figure 2010018066

これらのラックを、ラックアンドピニオン式ステアリング装置に類似の構造を有する試験装置(図6を参照)に装着し、ラックが破損するまで荷重を入力して静的強度を測定した。結果を表1及び図7のグラフにまとめて示す。なお、表1及び図7のグラフの静的強度の数値は、実施例1〜4については比較例1の静的強度を1とした場合の相対値で示してある。また、実施例5〜8については比較例2の静的強度、実施例9〜12については比較例3の静的強度をそれぞれ1とした場合の相対値で示してある。
図7のグラフから、前記係数aが−750以上であると、ラックの静的強度が高いことが分かる。
These racks were mounted on a test apparatus (see FIG. 6) having a structure similar to a rack and pinion type steering apparatus, and the static strength was measured by inputting a load until the rack broke. The results are summarized in Table 1 and the graph of FIG. In addition, the numerical value of the static strength of the graph of Table 1 and FIG. 7 is shown by the relative value when the static strength of the comparative example 1 is set to 1 about Examples 1-4. The static strength of Comparative Example 2 is shown for Examples 5 to 8, and the static strength of Comparative Example 3 is shown as 1 for Examples 9 to 12, respectively.
From the graph of FIG. 7, it can be seen that the static strength of the rack is high when the coefficient a is −750 or more.

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. 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. ラックの硬化層のビッカース硬さと深さとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the Vickers hardness and the depth of the hardened layer of a rack. 係数aを求める方法を説明する図である。It is a figure explaining the method of calculating | requiring the coefficient a. 静的強度試験装置の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of a static strength test apparatus. ラックの静的強度と係数aとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the static strength of a rack, and the coefficient a.

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 (2)

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4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%以下である鋼で構成されている。
条件B)高周波焼入れにより表面に硬化層が形成されている。
条件C)歯の表面硬さHVが550以上である。
条件D)前記硬化層のうち硬さHVが300以上550以下の部分について、硬さHと深さD(単位はmm)との関係をH=aD+bなる式で表したときに、該式の係数aが−750以上−120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 four conditions:
Condition A) It is made of steel having a carbon content of 0.35 mass% or more and 0.55 mass% or less.
Condition B) A hardened layer is formed on the surface by induction hardening.
Condition C) The tooth surface hardness HV is 550 or more.
Condition D) When the relationship between the hardness H and the depth D (unit: mm) is expressed by the formula H = aD + b for the portion of the hardened layer having a hardness HV of 300 or more and 550 or less, The coefficient a is -750 or more and -120 or less.
前記ラックは、前記鋼からなり且つ軟化焼鈍しが施された素材を、冷間鍛造で所定の形状に成形した後に、前記高周波焼入れを施して得られたもの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ステアリング装置。   The rack is obtained by forming the material made of the steel and subjected to soft annealing into a predetermined shape by cold forging and then performing the induction hardening. The rack and pinion type steering device according to claim 1.
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