JP2010018067A - ラックアンドピニオン式ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価なラックアンドピニオン式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ステアリング装置のラック２１は、鋼からなる素材を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。この素材は、炭素の含有量が０．３５質量％以上０．５５質量％以下、ケイ素の含有量が０．１質量％以下、マンガンの含有量が０．３５質量％以下、クロムの含有量が０．５質量％以下で、残部が鉄及び不可避の不純物である鋼で構成されている。また、この冷間鍛造前の素材は、圧延ままのフェライト・パーライト組織を有し、ビッカース硬さがＨＶ１８０以下であり、且つ、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定の方法で測定された旧オーステナイト結晶粒度が、粒度番号で３以上である。
【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。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。

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

一般的にラックの材料として用いられる炭素の含有量が０．３５質量％以上０．５５質量％以下である鋼は、難加工材であるため、冷間鍛造によって成形する場合には、冷間鍛造の前に軟化焼鈍しを施す必要がある。しかしながら、軟化焼鈍しには長時間の熱処理が必要であるためコスト的に不利であり、ラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造コストが高くなってしまうという問題があった。
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、安価な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。

本発明者らは、冷間鍛造可能な良好な成形性を軟化焼鈍しを施すことなく素材に付与する方法について鋭意研究を行った。そして、素材を構成する鋼の合金成分、及び、素材の組織について検討し、軟化焼鈍しを施した場合と同等の良好な成形性を有する素材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。

条件Ａ）炭素の含有量が０．３５質量％以上０．５５質量％以下、ケイ素の含有量が０．１質量％以下、マンガンの含有量が０．３５質量％以下、クロムの含有量が０．５質量％以下で、残部が鉄及び不可避の不純物である鋼で構成されている。
条件Ｂ）前記鋼からなる素材を冷間鍛造で所定の形状に成形し、さらに高周波焼入れを施して得られたものである。
条件Ｃ）前記冷間鍛造前の素材は、圧延ままのフェライト・パーライト組織を有し、ビッカース硬さがＨＶ１８０以下であり、且つ、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定の方法で測定された旧オーステナイト結晶粒度が、粒度番号で３以上である。
上記のように、素材を構成する鋼の合金成分を制御し、且つ、素材の組織を制御すれば、該素材は、軟化焼鈍しを施した場合と同等の良好な成形性を有する。よって、素材を冷間鍛造により成形して、ラックを安価に製造することができる。

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。
〔炭素の含有量について〕
炭素（Ｃ）は、高周波焼入れ後の鋼の強度や表面硬さを確保するために必要な元素である。ラックには静的強度，曲げ疲労強度，ピッチング疲労強度が必要であるため、炭素の含有量は０．３５質量％以上である必要がある。ただし、含有量が０．５５質量％超過であると、硬さが高くなりすぎて成形性が損なわれるおそれがある。

〔ケイ素の含有量について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、製鋼時に脱酸剤として作用する元素であるが、フェライトを固溶する元素であるため、含有量が０．１質量％超過であると、硬さが高くなりすぎて成形性が損なわれるおそれがある。
〔マンガンの含有量について〕
マンガン（Ｍｎ）は、製鋼時に脱酸剤として作用する元素であるとともに、高周波焼入れ性を向上させる作用を有する元素である。ただし、フェライトを固溶する元素であるため、含有量が０．３５質量％超過であると、硬さが高くなりすぎて成形性が損なわれるおそれがある。

〔クロムの含有量について〕
クロム（Ｃｒ）は、焼入れ硬化性を向上させる作用を有する元素である。また、マンガンに比べて、固溶強化により硬さを向上させる作用は小さいため、マンガンよりも多量に添加しても成形性が損なわれにくい。しかしながら、クロムは高価でありコスト上昇を招くため、含有量は０．５質量％以下とする必要がある。
〔鋼の残部について〕
前述の合金成分以外の残部は実質的に鉄（Ｆｅ）であるが、不可避の不純物として、イオウ（Ｓ），リン（Ｐ），銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），窒素（Ｎ），酸素（Ｏ）等を含有していても差し支えない。

〔素材のビッカース硬さについて〕
本発明における素材は、素材を構成する合金成分が好適に調整されているため、フェライト・パーライト組織を有するにもかかわらず低硬度である。しかしながら、軟化焼鈍しが施されて球状化組織を有する場合と同じ硬さで比較すると、フェライト・パーライト組織を有する場合の方が成形性は低い。そのため、冷間鍛造が可能な十分な成形性とするためには、素材のビッカース硬さはＨＶ１８０以下とする必要がある。
〔旧オーステナイト結晶粒度について〕
旧オーステナイト結晶粒は鋼の延性に影響を及ぼすことが知られている。日本工業規格ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定の方法で測定された旧オーステナイト結晶粒度が、粒度番号で３未満であると、延性が不十分となって成形性が損なわれるおそれがある。

本発明のラックアンドピニオン式ステアリング装置は安価である。

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。

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。

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。

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。

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、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）を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。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。
この素材は、炭素の含有量が０．３５質量％以上０．５５質量％以下、ケイ素の含有量が０．１質量％以下、マンガンの含有量が０．３５質量％以下、クロムの含有量が０．５質量％以下で、残部が鉄及び不可避の不純物である鋼で構成されている。また、この素材（冷間鍛造前の素材）は、圧延ままのフェライト・パーライト組織を有し、ビッカース硬さがＨＶ１８０以下であり、且つ、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定の方法で測定された旧オーステナイト結晶粒度が、粒度番号で３以上である。

上記のような合金成分，ビッカース硬さ，及び組織を有する素材は、優れた成形性を有しており、その成形性の程度は軟化焼鈍しを施した場合と同等であるので、製造コストの上昇に繋がる軟化焼鈍しを行うことなく冷間鍛造により成形することができる。よって、ラックを安価に製造することができるので、ラックアンドピニオン式ステアリング装置は安価である。

以下に、ラック２１の製造方法の一例を説明する。前述のような合金成分を有する鋼材を、８５０℃以上１２００℃以下の温度条件で圧延した後に放冷して、断面円形の中実棒状素材を得る。この棒状素材は、圧延ままのフェライト・パーライト組織を有しており、ビッカース硬さがＨＶ１８０以下である。また、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定の方法で測定された旧オーステナイト結晶粒度が、粒度番号で３以上である。
この棒状素材に冷間鍛造を施し、所定の形状に成形する。冷間鍛造の詳細を、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。

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。

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。

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）。

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。
〔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。素材に冷間鍛造を施した際の割れ発生率と、素材を構成する鋼のビッカース硬さ及び旧オーステナイト結晶粒度との関係を調査した。

表１，２に示すような合金成分を有する鋼で構成された直径２５ｍｍの丸棒素材に、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、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。この時、鋼材を圧延して丸棒素材を製造する際の圧延条件（温度，冷却速度等）を種々変更することにより、ビッカース硬さ及び旧オーステナイト結晶粒度が種々異なる丸棒素材を製造した。
ビッカース硬さ及び旧オーステナイト結晶粒度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１，２に示す。

なお、表１，２に示したビッカース硬さは、冷間鍛造を施す前の段階における素材の硬さである。また、旧オーステナイト結晶粒度の測定方法は、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定の方法である。さらに、鋼には、表１，２に示した合金成分の他に、通常の鋼に含まれる不可避の不純物が含まれている。この不純物は、リン，銅，ニッケル，窒素，及び酸素であり、その含有量は、リンは０．０３質量％以下、銅は０．３質量％以下、ニッケルは０．２質量％以下、窒素は０．０３質量％以下、酸素は０．００３質量％以下である。

素材のビッカース硬さと割れ発生率との関係を図３のグラフに示す。図３のグラフは、素材の旧オーステナイト結晶粒度が粒度番号で３以上のものについて、試験結果をプロットしたものであるが、素材のビッカース硬さがＨＶ１８０超過であると、冷間鍛造を施した際に割れが発生していることが分かる。
また、素材の旧オーステナイト結晶粒度（粒度番号）と割れ発生率との関係を図４のグラフに示す。図４のグラフは、素材のビッカース硬さがＨＶ１８０以下のものについて、試験結果をプロットしたものであるが、素材の旧オーステナイト結晶粒度が粒度番号で３未満であると、冷間鍛造を施した際に割れが発生していることが分かる。

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。 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。 素材のビッカース硬さと割れ発生率との関係を示すグラフである。 素材の旧オーステナイト結晶粒度（粒度番号）と割れ発生率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１１ ステアリング軸
２１ ラック
２２ ピニオン
３１ 棒状素材

Claims (1)

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、ケイ素の含有量が０．１質量％以下、マンガンの含有量が０．３５質量％以下、クロムの含有量が０．５質量％以下で、残部が鉄及び不可避の不純物である鋼で構成されている。
   条件Ｂ）前記鋼からなる素材を冷間鍛造で所定の形状に成形し、さらに高周波焼入れを施して得られたものである。
   条件Ｃ）前記冷間鍛造前の素材は、圧延ままのフェライト・パーライト組織を有し、ビッカース硬さがＨＶ１８０以下であり、且つ、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定の方法で測定された旧オーステナイト結晶粒度が、粒度番号で３以上である。

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