JP2013023734A - ラックアンドピニオン式ステアリング装置及びピニオン - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れるとともに機械加工性に優れ製造しやすいピニオン、及び、長寿命で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ピニオン２２は、炭素の含有量が０．３８質量％以上０．７５質量％以下、ケイ素の含有量が０．１１質量％以上０．８３質量％以下、マンガンの含有量が０．５質量％以上２．０３質量％以下、クロムの含有量が０．８質量％以上１．５質量％以下、モリブデンの含有量が０．５質量％以下であり、且つ、式値が５．９以上である鋼で構成されている。また、高周波焼入れ処理により硬化され、歯面の硬さはＨｖ６００以上である。さらに、歯面の１．０ｍｍ内側の深さ位置から歯面までの間の各深さ位置における炭化物の量が面積率で０．５１％以上２．９７％以下である。さらに、非焼入れ部の組織は調質組織又は焼準組織である。
【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及びそのピニオンに関する。

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及びピニオンは、中炭素鋼材（例えばＪＩＳ Ｇ４０５１に規定されたＳ３５〜Ｓ５５Ｃに相当する鋼材）で構成され、例えばピニオンは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，焼戻し処理を施した後に、ラック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。

ラック及びピニオンには、優れた耐摩耗性が要求されると同時に、機械加工性に優れ製造しやすいことが要求される。一般に、高周波焼入れ処理及び焼戻し処理を施した後の鋼材は、炭素の含有量が多いほど硬いという傾向がある。しかしながら、Ｓ５３Ｃ等の中炭素鋼材では、熱処理を工夫することにより表面硬さをＨＲＣ５８程度にすることはできるものの、耐摩耗性が不十分である場合があった。また、鋼材の炭素の含有量が多くなると機械加工性が低下するため、生産コストが上昇する傾向があった。

そこで、鋼材にチタン炭化物，チタン炭窒化物の粒子を分散させるとともに高周波焼入れ処理を行うことにより、耐摩耗性に優れ長寿命で且つ冷間引抜き加工性に優れた転動部材が開示されている（特許文献１を参照）。

特開２０００−８０４４６号公報

しかしながら、チタン炭化物，チタン炭窒化物は硬質であるため、特許文献１に記載の転動部材は、耐摩耗性は優れているものの、機械加工性に関しては更なる改善の余地があった。また、チタンは高価であるため、鋼材のコストの点においても不利である。
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、耐摩耗性に優れるとともに機械加工性に優れ製造しやすいピニオン、及び、長寿命で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。

前記課題を解決するため、本発明の態様は、次のような構成からなる。すなわち、本発明の一態様に係るピニオンは、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のピニオンであって、以下の５つの条件を満足することを特徴とする。

条件Ａ：炭素の含有量が０．３８質量％以上０．７５質量％以下、ケイ素の含有量が０．１１質量％以上０．８３質量％以下、マンガンの含有量が０．５質量％以上２．０３質量％以下、クロムの含有量が０．８質量％以上１．５質量％以下、モリブデンの含有量が０．５質量％以下であり、且つ、前記ケイ素の含有量を［Ｓｉ］、前記マンガンの含有量を［Ｍｎ］、前記クロムの含有量を［Ｃｒ］、前記モリブデンの含有量を［Ｍｏ］として４．０×［Ｓｉ］＋２．４×［Ｍｎ］＋５．０×［Ｃｒ］＋１６．６×［Ｍｏ］なる式で算出される数値が５．９以上である鋼で構成されている。

条件Ｂ：高周波焼入れ処理により硬化された焼入れ部が表面に形成されているとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成されている。
条件Ｃ：歯面の硬さはＨｖ６００以上である。
条件Ｄ：歯面の１．０ｍｍ内側の深さ位置から歯面までの間の各深さ位置における炭化物の量が面積率で０．５１％以上２．９７％以下である。

条件Ｅ：前記非焼入れ部の組織は調質組織又は焼準組織である。
また、本発明の他の態様に係る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、このピニオンが前記態様に係るピニオンであることを特徴とする。

ここで、前記条件Ａ〜Ｅの内容、及び、前記各条件Ａ〜Ｅにおける各数値の臨界的意義について説明する。
〔高周波焼入れ処理について〕
炭素の含有量が０．７５質量％程度の中炭素鋼に焼入れ処理を施す場合には、高周波焼入れ処理を採用することが好ましい。高周波焼入れ処理は加熱時間が短いので、ピニオンの歯面の１．０ｍｍ内側の深さ位置から歯面までの間に炭化物を析出させて、耐摩耗性の優れたピニオンを得ることができる。また、高周波焼入れ処理を用いれば、加熱時間が短いことから、非平衡状態組織を容易に得ることができる。そのため、マトリックス中に必要以上の炭化物を溶かさない手法として最適である。バッチ加熱焼入れ処理（ずぶ焼入れ）を採用することも不可能ではないが、炭素の含有量が０．３８質量％以上０．７５質量％以下の亜共析鋼の場合は、炭化物の量の調整は極めて困難である。

〔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。ピニオンの歯面の硬さはＨｖ６００以上である必要があるので、それを満足するためには、炭素の含有量は０．３８質量％以上である必要がある。ただし、含有量が０．７５質量％超過であると、硬さが高くなりすぎて機械加工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、焼入れ性を向上させる元素であるとともに、製鋼時に脱酸剤として作用する元素であるが、十分な脱酸効果が奏されるためには、ケイ素の含有量は０．１１質量％以上である必要がある。ただし、０．８３質量％超過であると、硬さが高くなりすぎて機械加工性が不十分となるおそれがある。

〔マンガンの含有量について〕
マンガン（Ｍｎ）は、焼入れ性を向上させる元素であるとともに、炭化物の球状化を促進する作用を有する元素であり、マンガンの含有量は０．５質量％以上である必要がある。ただし、含有量が２．０３質量％超過であると、炭化物が粗大化して焼入れ性が低下するおそれがある。

〔クロムの含有量について〕
クロム（Ｃｒ）は、焼入れ性を向上させる作用を有する元素であるとともに、炭化物の安定化を促進する元素であり、クロムの含有量は０．８質量％以上である必要がある。ただし、含有量が１．５質量％超過であると、炭化物が粗大化して焼入れ性が低下するおそれがある。

〔モリブデンの含有量について〕
モリブデン（Ｍｏ）は、焼入れ性や靱性を向上させる元素である。ただし、多量に添加してもその効果は飽和し、コストアップの要因となるので、含有量は０．５質量％以下とする必要があり、０．２質量％以下とすることが好ましい。
〔前記式で算出される数値について〕
ケイ素，マンガン，クロム，及びモリブデンは、厳しい摩耗条件下においてはマトリックス強度を向上させる効果を有するので、耐摩耗性の向上に効果がある。すなわち、厳しい摩耗条件下においては、前記各元素が析出するとともにマトリックスを安定化させるため、マトリックス強度が向上する。

本発明者がラックアンドピニオン式ステアリング装置を用いて耐摩耗性試験を行った結果、ピニオンの耐摩耗性に対する前記各元素の寄与度の比は、Ｓｉ：Ｍｎ：Ｃｒ：Ｍｏ＝４．０：２．４：５．０：１６．６であることが明らかとなった。そして、ピニオンの耐摩耗性を優れたものとするためには、４．０×［Ｓｉ］＋２．４×［Ｍｎ］＋５．０×［Ｃｒ］＋１６．６×［Ｍｏ］なる式で算出される数値（以降においては「式値」と記すこともある）が５．９以上である必要があり、８．０以上であることがより好ましい。

〔歯面の硬さについて〕
ピニオンの歯面の硬さがＨｖ６００未満であると、相手材であるラックよりも硬さが低くなってしまう場合があるため、耐摩耗性が不十分となるおそれがある。
〔炭化物の量について〕
表面及びその近傍部分に炭化物が析出すると、炭化物はマトリックスよりも硬質であるため、摩耗が抑制される。また、炭化物により金属同士の接触が抑制されることも、摩耗が抑制される理由の一つである。ピニオンの耐摩耗性を考えると、歯面の１．０ｍｍ内側の深さ位置から歯面までの間の部分に炭化物を析出させればよく、それよりも深い部分に炭化物を析出させても無意味である。炭化物の量が面積率で０．５１％未満であると、ピニオンの耐摩耗性が不十分となるおそれがある。一方、炭化物の量が面積率で２．９７％超過であると、硬さが低下し、歯面の１．０ｍｍ内側の深さ位置よりも深い部分（この部分の炭化物の量は面積率で０．２％以下である）との硬さの差が大きくなりすぎるおそれがある。

〔非焼入れ部の組織について〕
高周波焼入れ処理を施す際に炭化物が球状化しすぎると、炭化物を溶かすのに必要な時間や熱量が多くなるので、焼入れ時の組織を調整することが難しくなる。よって、高周波焼入れ処理を施す前の鋼材の組織は、調質組織又は焼準組織である必要がある。このような組織を有する鋼材に高周波焼入れ処理を施せば、非焼入れ部の組織は調質組織又は焼準組織となる。

本発明のピニオンは、耐摩耗性に優れるとともに機械加工性に優れ製造しやすい。また、本発明のラックアンドピニオン式ステアリング装置は、耐摩耗性に優れ長寿命であるとともに製造しやすく安価である。

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。 ピニオンの歯及びその周辺部分を示す部分拡大図である。 炭化物の量とピニオンの摩耗量との相関を示すグラフである。 式値とピニオンの摩耗量との相関を示すグラフである。

本発明に係るピニオン及び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。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、ピニオン２２は下記のような鋼で構成されている。すなわち、炭素の含有量が０．３８質量％以上０．７５質量％以下、ケイ素の含有量が０．１１質量％以上０．８３質量％以下、マンガンの含有量が０．５質量％以上２．０３質量％以下、クロムの含有量が０．８質量％以上１．５質量％以下、モリブデンの含有量が０．５質量％以下で、残部が鉄及び不可避的不純物であり、且つ、ケイ素の含有量を［Ｓｉ］、マンガンの含有量を［Ｍｎ］、クロムの含有量を［Ｃｒ］、モリブデンの含有量を［Ｍｏ］として４．０×［Ｓｉ］＋２．４×［Ｍｎ］＋５．０×［Ｃｒ］＋１６．６×［Ｍｏ］なる式で算出される数値が５．９以上である鋼で構成されている。なお、ラック２１についても、ピニオン２２と同様の鋼で構成してもよい。

そして、ピニオン２２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）に調質処理又は焼準処理を施した後に、例えば鍛造により所定の形状（ピニオン形状）に成形し、さらに高周波焼入れ処理及び焼戻し処理を施すことにより製造されている。高周波焼入れ処理により、焼入れが施され硬化された焼入れ部３１が表面に形成され、焼入れが施されていない非焼入れ部３２が主に芯部に形成される（図２を参照）。

さらに、高周波焼入れ処理により、表面及びその近傍部分に微細な炭化物が析出する。そして、歯面の１．０ｍｍ内側の深さ位置から歯面までの間の部分３３の各深さ位置における炭化物の量は、面積率で０．５１％以上２．９７％以下となっている。また、焼入れにより硬化された歯面の硬さは、Ｈｖ６００以上となっている。すなわち、高周波焼入れ処理によってピニオン２２の歯面及びその近傍部分の炭化物の量及び硬さが調整される。さらに、非焼入れ部３２の組織は、高周波焼入れ処理の前に施した熱処理の種類によって決まり、調質組織又は焼準組織となる。

以下に、ピニオン２２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、調質処理又は焼準処理を施す。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℃以下の焼戻し処理を施すというものである。また、焼準処理の内容は、例えば、８４０℃以上８８０℃以下の温度で加熱した後に放冷処理するというものである。このような調質処理又は焼準処理により、素材は適度な硬さに調整される。

次に、調質処理又は焼準処理を施した素材に、例えば鍛造を施し、所定の形状に成形する。
次に、成形した素材に高周波焼入れ処理を施すと、焼入れが施され硬化された焼入れ部３１が表面に形成され、焼入れが施されていない非焼入れ部３２が主に芯部に形成される。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、最後に焼戻し処理を施したら、研削仕上げや超仕上げを施して、ピニオン２２を完成した。

このようにして得られたピニオン２２は、前記のような条件を満たす鋼で構成されており、且つ、歯面の１．０ｍｍ内側の深さ位置から歯面までの間の各深さ位置における炭化物の量が面積率で０．５１％以上２．９７％以下である。また、ピニオン２２の歯面の硬さはＨｖ６００以上である。よって、ピニオン２２は、耐摩耗性に優れる。また、ピニオン２２を構成する前記鋼は中炭素鋼に相当し機械加工性に優れるため、ピニオン２２は、製造が容易であり製造コストが安価である。さらに、ピニオン２２を構成する前記鋼は、高価なチタン等を含有しない汎用鋼に該当するため、ピニオン２２の製造コストが安価である。したがって、ピニオン２２を備える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は、耐摩耗性に優れ長寿命であるとともに製造しやすく安価である。

〔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。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処理を施すというものである。

調質処理を施した素材に冷間鍛造を施して、ピニオンの形状に成形した。そして、成形した素材に高周波焼入れ処理を施し、それに続いて焼戻し処理を施して、ピニオンを完成した。この高周波焼入れ処理により、焼入れが施され硬化された焼入れ部が素材の表面（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た。また、高周波焼入れ処理及び焼戻し処理の条件を適宜設定することにより、歯面の炭化物の量（面積率）と歯面の硬さを所望の値とした。得られた各ピニオンの鋼種、歯面の炭化物の量、及び歯面の硬さを表２，３に示す。また、表４には、得られた各ピニオンの鋼種、歯面の硬さ、及び式値を示す。

なお、歯面の炭化物の量の測定方法は以下の通りである。炭化物の量は、電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用いて測定した。すなわち、加圧電圧１０ｋＶでピニオンの歯面を観察し、３０００倍に拡大した写真を少なくとも１０視野撮影し、その写真を２値化してから画像解析装置にて炭化物の量を面積率で算出した。なお、１種のピニオンにつき１０個のピニオンの炭化物の量を測定し、その平均値をその種のピニオンの炭化物の量とした。

このようにして得られたピニオンを、図１と同様の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、耐久性試験を行った。すなわち、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、元の位置に戻すという操作を１０万回行った後に、ピニオンを取り外して、ピニオンの摩耗量を測定した。なお、ラックは、ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定されたＳ４５Ｃで構成され、高周波焼入れ処理及び焼戻し処理により歯面の硬さがＨｖ６５３に調整されたものである。

耐久性試験の結果（ピニオンの摩耗量）を表２〜４に示す。なお、表２，３に記載した摩耗量の数値は、所定の対照例のピニオンの摩耗量との比（［対照例のピニオンの摩耗量］／［試験したピニオンの摩耗量］）で示してある。よって、摩耗量の数値が１よりも大きいと、対照例よりも耐摩耗性が高いことを示す。何を対照例としたかは、表２，３の場合は「対照とする比較例」の欄に記してある。また、表４の場合は、実施例１のピニオンを対照例とした。

表２，３及び図３のグラフから分かるように、歯面の炭化物の量が面積率で０．５１〜２．９７％の範囲内であれば、ピニオンの摩耗量は少なかった。炭化物の量が面積率で２．９７％超過であると、炭化物の析出量が多量であるためマトリックスの硬さが低下して、かえって耐摩耗性が低下した。
また、表４及び図４のグラフから分かるように、鋼の式値が５．９未満であると耐摩耗性が低かった。なお、表４に記載した各実施例及び各比較例の炭化物の量は、面積率で１〜１．５％の範囲内である。

１１ ステアリング軸
２１ ラック
２２ ピニオン
３１ 焼入れ部
３２ 非焼入れ部
３３ 歯面の１．０ｍｍ内側の深さ位置から歯面までの間の部分

Claims (2)

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のピニオンであって、以下の５つの条件を満足することを特徴とするピニオン。
   条件Ａ：炭素の含有量が０．３８質量％以上０．７５質量％以下、ケイ素の含有量が０．１１質量％以上０．８３質量％以下、マンガンの含有量が０．５質量％以上２．０３質量％以下、クロムの含有量が０．８質量％以上１．５質量％以下、モリブデンの含有量が０．５質量％以下であり、且つ、前記ケイ素の含有量を［Ｓｉ］、前記マンガンの含有量を［Ｍｎ］、前記クロムの含有量を［Ｃｒ］、前記モリブデンの含有量を［Ｍｏ］として４．０×［Ｓｉ］＋２．４×［Ｍｎ］＋５．０×［Ｃｒ］＋１６．６×［Ｍｏ］なる式で算出される数値が５．９以上である鋼で構成されている。
   条件Ｂ：高周波焼入れ処理により硬化された焼入れ部が表面に形成されているとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成されている。
   条件Ｃ：歯面の硬さはＨｖ６００以上である。
   条件Ｄ：歯面の１．０ｍｍ内側の深さ位置から歯面までの間の各深さ位置における炭化物の量が面積率で０．５１％以上２．９７％以下である。
   条件Ｅ：前記非焼入れ部の組織は調質組織又は焼準組織である。
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、前記ピニオンが請求項１に記載のピニオンであ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。

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