JP2010018068A - Rack and pinion type steering device - Google Patents

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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 being damaged in manufacturing. <P>SOLUTION: A rack 21 for the rack and pinion type steering device is made of steel having a carbon content of 0.35 mass% or more and 0.55 mass% or less and a sulfur content of 0.035 mass% or less. That is, the rack is manufactured in such a manner that it is molded into a prescribed shape by cold forging after rod-like or tubular material made of the steel is softened and annealed, and is further subjected to induction hardening. The material (the material after dehardening and annealing and before cold forging) has hardness of HV200 or less by dehardening and annealing, and has a structure containing spheroidal cementite, acicular cementite, and ferrite. Further, the relationship between Vickers hardness H of the material and an amount Cs (mass%) of sulfur contained in the steel satisfies the expression; H+2,000×Cs≤240. <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

しかしながら、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、冷間鍛造で成形する際に素材に割れ等の損傷が発生するおそれがあった。
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、製造時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。
However, steel with a carbon content of 0.35 mass% or more and 0.55 mass% or less that is generally used as a rack material is a difficult-to-process material. There was a risk of damage such as cracking.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a rack and pinion type steering device that solves the above-described problems of the prior art and is less likely to be damaged during manufacture.

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、素材を構成する鋼中のイオウの含有量、素材の硬さ、及び素材の組織について検討し、これらの点と素材の成形性との関係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5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 the rack-and-pinion type steering device is formed by cold forging, the present inventors have studied the sulfur content in the steel constituting the material, the hardness of the material, and the structure of the material. The present invention has been completed by obtaining knowledge about the relationship between this point and the moldability of the material.
That is, in order to solve the problem, the present invention has the following configuration. The rack and pinion type steering device according to claim 1 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 five conditions.

条件A)鋼で構成され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、さらに高周波焼入れを施して得られたものである。
条件B)前記鋼に含まれるイオウの量は0.035質量%以下である。
条件C)前記素材は、球状セメンタイト,針状セメンタイト,及びフェライトを含有する組織を有する。
条件D)前記素材のビッカース硬さはHV200以下である。
条件E)前記素材のビッカース硬さHと前記鋼に含まれるイオウの量Cs(質量%)とが、H+2000×Cs≦240なる式を満足する。
Condition A) A material made of steel and subjected to soft annealing is formed into a predetermined shape by cold forging and further subjected to induction hardening.
Condition B) The amount of sulfur contained in the steel is 0.035% by mass or less.
Condition C) The material has a structure containing spherical cementite, acicular cementite, and ferrite.
Condition D) The Vickers hardness of the material is HV200 or less.
Condition E) The Vickers hardness H of the material and the amount Cs (mass%) of sulfur contained in the steel satisfy the formula H + 2000 × Cs ≦ 240.

上記のように、素材を構成する鋼中のイオウの含有量、素材の硬さ、及び素材の組織が制御されていれば、該素材の成形性が良好となる。よって、素材を冷間鍛造で成形してラックを製造する際に、素材に割れ等の損傷が発生するおそれがほとんどない。
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、前記鋼に含まれる炭素の量が0.35質量%以上0.55質量%以下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ステアリング装置は、請求項2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、前記鋼が、日本工業規格JIS G4051に規定されたS35C〜S55C及びSAE規格に規定された1035〜1055のうちの1種であることを特徴とする。
As described above, if the content of sulfur in the steel constituting the material, the hardness of the material, and the structure of the material are controlled, the formability of the material is improved. Therefore, when manufacturing a rack by forming the material by cold forging, there is almost no risk of damage such as cracking in the material.
The 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 amount of carbon contained in the steel is 0.35 mass% or more and 0.55. It is characterized by being not more than mass%.
Furthermore, the rack and pinion type steering apparatus according to claim 3 of the present invention is the rack and pinion type steering apparatus according to claim 2, wherein the steel is S35C to S55C and SAE defined in Japanese Industrial Standard JIS G4051. It is one of 1035 to 1055 defined in the standard.

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。
〔イオウの含有量について〕
鋼中に非金属介在物である硫化マンガンが存在すると、冷間鍛造時に素材に割れ等の損傷が発生しやすい。よって、鋼中のイオウ(S)の含有量を少なくすれば、硫化マンガンの生成が抑えられ、冷間鍛造時に素材に損傷が発生しにくくなる。素材を冷間鍛造により成形してラックを製造する際に素材に損傷が発生することを十分に抑制するためには、鋼中のイオウの含有量を0.035質量%以下とする必要がある。
Here, the critical significance of each numerical value under each condition will be described.
[Sulfur content]
When manganese sulfide, which is a non-metallic inclusion, is present in steel, damage such as cracking is likely to occur in the material during cold forging. Therefore, if the content of sulfur (S) in the steel is reduced, the production of manganese sulfide is suppressed, and the material is less likely to be damaged during cold forging. In order to sufficiently suppress the occurrence of damage to the material when forming the rack by cold forging the material, the sulfur content in the steel needs to be 0.035% by mass or less. .

〔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%以上とすることが好ましい。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ため、0.55質量%以下とすることが好ましい。
[Carbon content]
Carbon (C) is an element necessary for ensuring the strength and surface hardness of steel after induction hardening. Since the rack requires static strength, bending fatigue strength, and pitching fatigue strength, the carbon content is preferably 0.35 mass% or more. However, if the content is more than 0.55% by mass, the hardness becomes too high and the moldability may be impaired, so 0.55% by mass or less is preferable.

〔素材のビッカース硬さについて〕
本発明における素材は、軟化焼鈍しが施されているため良好な成形性を有しているが、軟化焼鈍しが不十分であった場合には、変形抵抗が大きくなったり、割れ等の損傷が発生してしまうおそれがある。これらの原因としては、組織中にパーライトが発生していることや、炭化物の球状化が不十分であることがあげられる。軟化焼鈍しが不十分であったとしても素材が良好な成形性を有するためには、素材のビッカース硬さはHV200以下である必要がある。
[About Vickers hardness of material]
The material in the present invention has good formability because it has been subjected to soft annealing, but when soft annealing is insufficient, deformation resistance increases, damage such as cracking May occur. These causes include the occurrence of pearlite in the structure and insufficient spheroidization of carbides. In order for the material to have good moldability even if the soft annealing is insufficient, the Vickers hardness of the material needs to be HV200 or less.

〔素材のビッカース硬さと鋼に含まれるイオウの量との関係について〕
鋼中のイオウの含有量が多いほど硫化マンガンの量が増加し、この硫化マンガンが冷間鍛造の際に割れ等の損傷の起点となるが、鋼中のイオウの含有量を少なくしただけでは、損傷の発生を十分に抑えることができない。冷間鍛造時の損傷の原因としては、硫化マンガンのような介在物とともに、素材の組織状態もあげられ、両者が好適でなければ損傷の発生を十分に抑えることができない。冷間鍛造時の素材の損傷を十分に抑えるためには、素材のビッカース硬さHと鋼に含まれるイオウの量Csとが、H+2000×Cs≦240なる式を満足する必要がある。
[Relationship between Vickers hardness of material and amount of sulfur contained in steel]
As the sulfur content in steel increases, the amount of manganese sulfide increases, and this manganese sulfide becomes the starting point of damage such as cracking during cold forging, but just by reducing the sulfur content in steel. The occurrence of damage cannot be suppressed sufficiently. Causes of damage during cold forging include inclusions such as manganese sulfide as well as the structure of the material. If both are not suitable, the occurrence of damage cannot be sufficiently suppressed. In order to sufficiently suppress the damage of the raw material during cold forging, it is necessary that the Vickers hardness H of the raw material and the amount Cs of sulfur contained in the steel satisfy the expression H + 2000 × Cs ≦ 240.

本発明のラックアンドピニオン式ステアリング装置は、製造時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 manufacture.

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 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、イオウの含有量が0.035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で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 device, the rack 21 is made of steel having a carbon content of 0.35 mass% to 0.55 mass% and a sulfur content of 0.035 mass%. ing. Then, the rack 21 is softened and annealed to a rod-like material or tubular material (hereinafter also referred to as a material) made of steel as described above, and then formed into a predetermined shape by cold forging, and further induction-hardened. It is manufactured by giving.

この素材(軟化焼鈍し後で冷間鍛造前の素材)は、軟化焼鈍しによって硬さがHV200以下とされている。また、この素材(軟化焼鈍し後で冷間鍛造前の素材)は、球状セメンタイト,針状セメンタイト,及びフェライトを含有する組織を有する。さらに、素材(軟化焼鈍し後で冷間鍛造前の素材)のビッカース硬さHと鋼に含まれるイオウの量Cs(質量%)とが、H+2000×Cs≦240なる式を満足する。さらに、ラック21の表面には、高周波焼入れによって焼入れが施され硬化された硬化層が形成されている。この硬化層の内側は、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。   This material (the material after soft annealing and before cold forging) has a hardness of HV200 or less by soft annealing. Further, this material (a material after soft annealing and before cold forging) has a structure containing spherical cementite, acicular cementite, and ferrite. Furthermore, the Vickers hardness H of the material (the material after soft annealing and before cold forging) and the amount Cs (mass%) of sulfur contained in the steel satisfy the formula H + 2000 × Cs ≦ 240. Furthermore, a hardened layer that has been hardened by induction hardening is formed on the surface of the rack 21. The inside of the hardened layer is not quenched by induction hardening and is a non-quenched portion.

このように、素材を構成する鋼中のイオウの含有量、素材の硬さ、及び素材の組織が制御されているので、該素材の成形性は良好である。よって、素材を冷間鍛造により成形してラック21を製造する際に、素材に割れ等の損傷が発生するおそれがほとんどない。
なお、素材を構成する鋼としては、日本工業規格JIS G4051に規定されたS35C,S38C,S40C,S43C,S45C,S48C,S50C,S53C,S55Cや、SAE規格に規定された1035,1037,1038,1039,1040,1042,1043,1044,1045,1046,1049,1050,1053,1055が好ましい。
Thus, since the content of sulfur in the steel constituting the material, the hardness of the material, and the structure of the material are controlled, the formability of the material is good. Therefore, when the rack 21 is manufactured by forming the material by cold forging, there is almost no possibility that damage such as cracking occurs in the material.
In addition, as steel constituting the material, S35C, S38C, S40C, S43C, S45C, S48C, S50C, S53C, S55C defined in Japanese Industrial Standard JIS G4051, and 1035, 1037, 1038, defined in SAE standard, 1039, 1040, 1042, 1043, 1044, 1045, 1046, 1049, 1050, 1053, 1055 are preferable.

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、イオウの含有量が0.035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、鋼の組織は、球状セメンタイト,針状セメンタイト,及びフェラ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 applied to a rod-like material or tubular material made of steel having a carbon content of 0.35% by mass to 0.55% by mass and a sulfur content of 0.035% by mass or less. Apply. 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 structure becomes a structure containing spherical cementite, acicular cementite, and ferrite.

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、その表面に硬化された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 the 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。素材に冷間鍛造を施した際の割れ発生率と、素材のビッカース硬さ及び鋼中のイオウの含有量と、の関係を調査した。
表1〜6に示すような合金成分を有する鋼(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、球状セメンタイト,針状セメンタイト,及びフェライトを含有する組織とした。
このような素材に、図2,3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。
〔Example〕
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The relationship between the crack occurrence rate when cold forging the material, the Vickers hardness of the material and the sulfur content in the steel was investigated.
Conditions similar to the above-mentioned example are applied to a round bar material or a tubular material having a diameter of 25 mm made of steel (S35C, S45C, or S55C defined in Japanese Industrial Standards JIS) having alloy components as shown in Tables 1-6. To give a structure containing spherical cementite, acicular cementite, and ferrite.
Such a material was cold forged as shown in FIGS. 2 and 3 and formed into a rack shape. And it was confirmed by microscopic observation whether the microcrack has generate | occur | produced in the front-end | tip of the tooth | gear which is easy to generate | occur | produce a crack.

Figure 2010018068
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素材のビッカース硬さ及び鋼中のイオウの含有量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。素材が丸棒素材である場合の結果を表1〜3に示し、素材が管状素材である場合の結果を表4〜6に示す。また、素材のビッカース硬さHと鋼中のイオウの含有量Cs(質量%)とから、H+2000×Csなる値(以降は式値と記す)を算出し、この式値と割れ発生率との関係を図4,5のグラフに示す。図4は、素材が丸棒素材である場合のグラフであり、図5は、素材が管状素材である場合のグラフである。   100 materials each having the same Vickers hardness and the same sulfur content in the steel were prepared and subjected to cold forging, and the occurrence rate of microcracks (breakage rate) was calculated. The results when the material is a round bar material are shown in Tables 1 to 3, and the results when the material is a tubular material are shown in Tables 4 to 6. Further, from the Vickers hardness H of the material and the sulfur content Cs (mass%) in the steel, a value of H + 2000 × Cs (hereinafter referred to as a formula value) is calculated, and the formula value and the crack occurrence rate The relationship is shown in the graphs of FIGS. FIG. 4 is a graph when the material is a round bar material, and FIG. 5 is a graph when the material is a tubular material.

なお、表1〜6に示したビッカース硬さは、冷間鍛造を施す直前の段階における素材の硬さである。また、鋼には、表1〜6に示した合金成分(炭素,ケイ素,マンガン)と不純物であるイオウとの他に、クロム及び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。
図4,5のグラフから分かるように、前記式値が240超過であると、冷間鍛造を施した際に割れが発生した。鋼中のイオウの含有量が多いと硫化マンガンの量が著しく多くなるため、この硫化マンガンが割れの起点となったと考えられる。
In addition, the Vickers hardness shown to Tables 1-6 is the hardness of the raw material in the stage just before performing cold forging. In addition to the alloy components (carbon, silicon, manganese) shown in Tables 1 to 6 and sulfur which is an impurity, steel contains chromium and inevitable impurities contained in ordinary steel. The impurities are phosphorus, copper, nickel, nitrogen, and oxygen. The contents thereof are 0.03% by mass or less for phosphorus, 0.3% by mass or less for copper, 0.2% by mass or less for nickel, and nitrogen. Is 0.03% by mass or less, and oxygen is 0.003% by mass or less.
As can be seen from the graphs of FIGS. 4 and 5, if the formula value exceeds 240, cracking occurred when cold forging was performed. If the sulfur content in the steel is high, the amount of manganese sulfide increases remarkably, so this manganese sulfide is considered to be the starting point of cracking.

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. 素材が丸棒素材である場合の式値(H+2000×Cs)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 formula value (H + 2000 * Cs) in case a raw material is a round bar raw material, and a crack generation rate. 素材が管状素材である場合の式値(H+2000×Cs)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 a formula value (H + 2000xCs) in case a raw material is a tubular raw material, 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 (3)

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5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)鋼で構成され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、さらに高周波焼入れを施して得られたものである。
条件B)前記鋼に含まれるイオウの量は0.035質量%以下である。
条件C)前記素材は、球状セメンタイト,針状セメンタイト,及びフェライトを含有する組織を有する。
条件D)前記素材のビッカース硬さはHV200以下である。
条件E)前記素材のビッカース硬さHと前記鋼に含まれるイオウの量Cs(質量%)とが、H+2000×Cs≦240なる式を満足する。
A rack-and-pinion type steering comprising: a steering shaft that is rotated by a driver's steering; a pinion that is coupled to the steering shaft and that rotates as the steering shaft rotates; and a rack that meshes with the pinion and is coupled to a wheel. The rack and pinion type steering apparatus, wherein the rack satisfies the following five conditions.
Condition A) A material made of steel and subjected to soft annealing is formed into a predetermined shape by cold forging and further subjected to induction hardening.
Condition B) The amount of sulfur contained in the steel is 0.035% by mass or less.
Condition C) The material has a structure containing spherical cementite, acicular cementite, and ferrite.
Condition D) The Vickers hardness of the material is HV200 or less.
Condition E) The Vickers hardness H of the material and the amount Cs (mass%) of sulfur contained in the steel satisfy the formula H + 2000 × Cs ≦ 240.
前記鋼に含まれる炭素の量が0.35質量%以上0.55質量%以下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 and pinion type steering device according to claim 1, wherein the amount of carbon contained in the steel is 0.35 mass% or more and 0.55 mass% or less. 前記鋼が、日本工業規格JIS G4051に規定されたS35C〜S55C及びSAE規格に規定された1035〜1055のうちの1種であることを特徴とする請求項2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 and pinion type steering device according to claim 2, wherein the steel is one of S35C to S55C defined in Japanese Industrial Standard JIS G4051 and 1035 to 1055 defined in SAE Standard. .
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