JP2011147958A - ラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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製造する方法を提供する。
【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、鋼からなる素材に調質処理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及び焼戻しを施すことにより製造されている。この調質処理は、冷間鍛造後の素材のビッカース硬さＨＶが１８０以上３００以下となるように行った。冷間鍛造後の高周波焼入れでは歯と歯の間の谷部や芯部には焼入れは施されないので、ラック２１においては、谷部をはじめとする非焼入れ部のビッカース硬さＨＶは１８０以上３００以下となる。
【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の製造方法に関する。

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（例えば日本工業規格ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定された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、ラックを冷間鍛造等の塑性加工により成形する方法がある（特許文献１を参照）。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。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２００７−１４４４３３号公報

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耐衝撃性及び静的強度をラックが有していることが要求されている。
しかしながら、冷間鍛造の後に高周波焼入れが施されて製造されたラックは、芯部等の非焼入れ部が冷間鍛造により加工硬化しているため、耐衝撃性が不十分である場合があった。そのため、自動車が縁石等に乗り上げることにより衝撃や応力がラックに入力されると、脆性的破壊が生じて破損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、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製造する方法を提供することを課題とする。

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、本発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法は、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を製造するに際して、調質処理が施された鋼製の素材を、冷間鍛造で所定の形状に成形して、ビッカース硬さＨＶを１８０以上３００以下とした後に、該素材に高周波焼入れを施して前記ラックを製造することを特徴とする。

成形した素材に高周波焼入れを施すと、焼入れが施され硬化された表層部が素材の表面に形成され、焼入れが施されていない非焼入れ部が素材の主に芯部に形成される。そして、非焼入れ部の硬さは、成形後（高周波焼入れ前）の素材の硬さがほぼそのまま維持される。素材に調質処理が施されていないと、冷間鍛造により加工硬化した結果、非焼入れ部は靱性不十分となるが、冷間鍛造の前に調質処理を施せば素材は適度な硬さに調整されるので、冷間鍛造により加工硬化しても非焼入れ部は十分な靱性を有している。

よって、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製造方法により得られたラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックは、優れた耐衝撃性及び静的強度を有している。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、ラックの耐衝撃性及び静的強度（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ラックに損傷が生じにくい。

この調質処理は、鋼の組成や冷間鍛造の内容に応じて、冷間鍛造後の素材のビッカース硬さＨＶが１８０以上３００以下となるように行う必要がある。素材のビッカース硬さＨＶが１８０未満であるということは、調質処理により微細炭化物が球状化していることを意味するが、微細炭化物が球状化するとラックの耐衝撃性及び静的強度が不十分となるおそれがある。一方、素材のビッカース硬さＨＶが３００超過であるということは、調質処理により微細炭化物の分散状態が不十分な組織となっていることを意味するが、微細炭化物の分散状態が不十分であるとラックの耐衝撃性及び静的強度が不十分となるおそれがある。

上記のような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製造方法においては、前記ラックに形成された歯と歯の間の谷部のビッカース硬さＨＶを１８０以上３００以下に維持するように前記高周波焼入れを施すことが好ましい。
すなわち、ラックの歯には焼入れを施して前記表層部を形成し、歯と歯の間の谷部には実質的に焼入れを施さず非焼入れ部を形成することが好ましい。焼入れが施されなければビッカース硬さＨＶは高周波焼入れ前の１８０以上３００以下に維持されるから、前記谷部は十分な靱性を有している。よって、ラックは、より優れた耐衝撃性及び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より生じにくい。

また、上記のような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製造方法においては、前記鋼の炭素の含有量が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０．５質量％以下、クロムの含有量が０．２質量％以下で、残部が鉄及び不可避の不純物であることが好ましい。
調質処理が施された鋼は一般に硬く加工しにくい傾向があるため、冷間鍛造に大きな荷重が必要となる場合や、冷間鍛造で成形している際に割れが生じる場合がある。しかしながら、上記のような組成の鋼からなる素材は、調質処理を施しても冷間鍛造しにくい硬さとはなりにくいので、冷間鍛造に大きな荷重は必要としないことに加えて、冷間鍛造時に割れが生じにくい。
ここで、前記鋼に含有される各合金成分の含有量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。ラックの硬さはＨＲＣ５５以上であることが好ましいので、それを満足するためには、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調質処理後の冷間鍛造において成形性が不十分となるおそれがある。

〔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冷間鍛造における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０．５質量％超過であると、硬さが高くなりすぎて冷間鍛造における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、炭化物の析出とフェライトの固溶に関与する元素である。含有量が０．２質量％超過であると、硬さが高くなりすぎて冷間鍛造における成形性が損なわれるおそれがある。
〔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。

本発明のラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法によれば、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製造することができる。

ラックアンドピニオン式ステアリング装置の構造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。 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。

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製造方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、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製造方法により製造されたラックアンドピニオン式ステアリング装置の構造を説明する図である。
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を介して連結されている。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は鋼で構成されている。鋼の種類は特に限定されるものではないが、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０．５質量％以下、クロムの含有量が０．２質量％以下で、残部が鉄及び不可避の不純物である鋼が好ましい。

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）に調質処理を施した後に、冷間鍛造によりラック形状に成形し、さらに高周波焼入れ及び焼戻しを施すことにより製造されている。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表面に形成され、焼入れが施されていない非焼入れ部が主に芯部に形成される。

調質処理及び冷間鍛造により高周波焼入れ前の素材のビッカース硬さＨＶは１８０以上３００以下とされているので、完成品ラックの非焼入れ部のビッカース硬さＨＶは１８０以上３００以下となる。ラックの歯には焼入れを施して表層部を形成し、歯と歯の間の谷部には実質的に焼入れを施さず非焼入れ部を形成するとよい。その場合には、谷部のビッカース硬さＨＶは１８０以上３００以下となる。

以下に、ラック２１の製造方法について、さらに詳細に説明する。まず、鋼で構成された棒状素材又は管状素材に、調質処理を施す。調質処理の内容は、例えば、８００℃以上９００℃以下の焼入れを施した後に、６００℃以上７２０℃以下の焼戻しを施すというものである。このような調質処理により、素材は適度な硬さに調整される。この素材は十分な塑性加工性を有しているので、この後の冷間鍛造において変形抵抗が大きくなったり割れが発生することはほとんどない。

次に、調質処理を施した素材に、図２，３のように冷間鍛造を施し、所定の形状に成形する。これら調質処理及び冷間鍛造により、素材のビッカース硬さＨＶは１８０以上３００以下となる。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。

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）。

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。

次に、成形した素材に高周波焼入れを施すと、焼入れが施され硬化された表層部が表面に形成され、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成される。このとき、ラックの歯には焼入れを施して表層部を形成し、歯と歯の間の谷部には実質的に焼入れを施さず非焼入れ部を形成する。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。そして、最後に焼戻しを施したら、研削仕上げや超仕上げを施して、ラック２１を完成した。

調質処理及び冷間鍛造により高周波焼入れ前の素材のビッカース硬さＨＶは１８０以上３００以下とされており、その後の高周波焼入れでは歯と歯の間の谷部や芯部には焼入れは施されないので、完成品ラックにおいては、谷部をはじめとする非焼入れ部のビッカース硬さＨＶは１８０以上３００以下となる。その結果、谷部をはじめとする非焼入れ部が十分な靱性を有するので、ラック２１は優れた耐衝撃性及び静的強度を有している。よって、使用時に大きな衝撃や応力が入力されてもラックに損傷が生じにくい。

〔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。種々の組成を有する鋼で構成された直径２６．５ｍｍの丸棒素材に、調質処理を施した。鋼の組成を表１に示す。なお、表１に記載の４種の合金元素以外の成分（残部）は、鉄及び不可避の不純物である。また、調質処理の条件は、８００〜９００℃で０．１〜１．５ｈ保持することにより焼入れを施した後に、６００〜７２０℃で２〜３ｈ保持することにより焼戻しを施すというものである。なお、比較例１〜３の場合は、調質処理の代わりに球状化処理を施した。

球状化処理の条件は、以下の通りである。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℃に降温して該温度で１〜５ｈ保持する。続いて、１０〜１００℃／ｈの冷却速度で６２０〜６８０℃に降温し、さらに１０〜１５０℃／ｈの冷却速度で５００〜５６０℃に降温する。このような処理により、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。

調質処理又は球状化処理を施した素材に、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。冷間鍛造後の素材のビッカース硬さＨＶを、表２，３に示す。素材のビッカース硬さＨＶは、ラックの歯と歯の間の谷部から数ｍｍ内方の部分について測定し、複数回測定して得た測定値のうち最高値を採用した。この谷部には、この後の高周波焼入れにより焼入れが施されることはないので、高周波焼入れ及び焼戻しが施されても谷部のビッカース硬さはほとんど変化しない。よって、この谷部のビッカース硬さＨＶは、完成品ラックの非焼入れ部のビッカース硬さでもある。

次に、成形した素材に高周波焼入れを施した。この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素材の表面（主に歯の表面）に形成されるとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が主に芯部に形成される。高周波焼入れの条件は、以下の通りである。
焼入れ方法：通電加熱法
出力電流 ：２５０Ａ
周波数 ：１００ｋＨｚ
加熱時間 ：４．５秒
冷却時間 ：１０秒
冷媒 ：ソリュブル油と水の混合溶媒
最後に焼戻しを行って、ラックを完成した。

このようにして得られたラックに曲げ応力を負荷し、脆性破壊が生じるか否かを試験した。すなわち、ラックをラックアンドピニオン式ステアリング装置に組み込んで、ステアリングホイールを回転させてラックをフルストロークまで移動させ、ラックの支持部材から最も離れたラックの端部に曲げ荷重を負荷した。
曲げ試験の結果を表２，３に示す。なお、表２，３においては、表層部で発生した亀裂が内部にまで進展しラックが破断した場合は×印で示し、亀裂が途中で止まり破断に至らなかった場合は○印で示してある。
表２，３からわかるように、実施例のラックは、冷間鍛造後の素材の硬さＨＶが１８０以上３００以下であるため、すなわち、完成品ラックの非焼入れ部の硬さが適切であり十分な靱性を有しているため、ラックは破断に至らなかった。

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

Claims (3)

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を製造するに際して、調質処理が施された鋼製の素材を、冷間鍛造で所定の形状に成形して、ビッカース硬さＨＶを１８０以上３００以下とした後に、該素材に高周波焼入れを施して前記ラックを製造す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の製造方法。
2. 前記ラックに形成された歯と歯の間の谷部のビッカース硬さＨＶを１８０以上３００以下に維持するように前記高周波焼入れを施す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の製造方法。
3. 前記鋼の炭素の含有量が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０．５質量％以下、クロムの含有量が０．２質量％以下で、残部が鉄及び不可避の不純物であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法。

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