JP5183136B2 - ステアリングラックおよびこれを備えるステアリング装置ならびにステアリングラックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステアリングラックおよびこれを備えるステアリング装置ならびにステアリングラックの製造方法に関する。

車両用のステアリング装置等に用いられるステアリングラックの歯部形成部に高周波焼入れを施すことにより、歯部の硬さを高めることがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１１５３６号公報 特開２００６−４５６３６号公報 特開昭５７−１２０６２１号公報

ステアリングラックの歯部形成部にのみ焼入れを施すと、すなわちステアリングラックの周方向の一部にのみ焼入れを施すと、焼入れに伴う歯部形成部の寸法変化（膨張）が大きく、その結果、ステアリングラックに曲がりが生じてしまう。このため、曲がりを矯正する（ステアリングラックを真っ直ぐに戻す）工程が必要であり、手間がかかる。
本発明は、かかる背景のもとでなされたもので、製造にかかる手間を少なくすることのできるステアリングラックおよびこれを備えるステアリング装置ならびにステアリングラックの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、歯部形成部（２４）に高周波焼入れが施されたステアリングラック（１０）において、歯部（９）の頂部（２６）での有効硬化層深さａが歯部の全歯たけｈの１０５％以下とされ、歯部の頂部での有効硬化層深さａおよび歯底部（２３）での有効硬化層深さｂのそれぞれが、歯部のモジュールｍの２０％以上とされ、各上記有効硬化層深さａ，ｂは、ビッカース硬さ６００Ｈｖ以上となる硬化層の表面（２７）からの深さであることを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、有効硬化層深さａを全歯たけｈの１０５％以下とすることにより、歯部に十分な深さの硬化層を形成しつつ、歯部形成部に加える熱を必要最小限にでき、歯部形成部のマルテンサイト変態に起因する歯部形成部の膨張を十分に抑制できる。すなわち、ステアリングラックの曲がりを十分に抑制することができる。これにより、高周波焼入れの後のステアリングラックの曲げの矯正量を少なくするか、またはゼロにでき、製造にかかる手間を少なくすることができる。したがって、製造コストを低減することができる。また、各上記有効硬化層深さａ，ｂをモジュールｍの２０％以上とすることにより、歯部および歯底部の疲労強度を十分に確保でき、十分な耐久性を確保できる。

また、本発明において、上記歯部の頂部での有効硬化層深さａが歯部の全歯たけｈの８０％以下である場合がある（請求項２）。この場合、歯部に十分な深さの硬化層を形成しつつ、歯部形成部に加える熱をより少なくでき、この熱に起因するステアリングラックの曲がりを格段に抑制することができる。
また、本発明は、上記のステアリングラックを備えるステアリング装置（１）を提供するものである（請求項３）。本発明によれば、ステアリング装置の製造にかかる手間をより少なくできる。

また、本発明は、上記のステアリングラックの製造方法において、上記歯部形成部に高周波焼入れを施す工程を含み、上記工程において、周波数（ｆ１）が相対的に低く加熱時間（ｔ１）が相対的に長い第１の高周波加熱に続いて、周波数（ｆ２）が相対的に高く加熱時間（ｔ２）が相対的に短い第２の高周波加熱を実施した後、ステアリングラックの少なくとも歯部形成部を冷却して焼入れを施行することにより、上記ステアリングラックを得るステアリングラックの製造方法を提供するものである（請求項４）。この場合、第１の高周波加熱で予め歯部形成部にある程度の熱量を加えた状態から第２の高周波加熱を短く行う結果、第２の高周波加熱による加熱の際、歯部形成部の表面近傍に熱を集中させて十分に加熱しつつ、ステアリングラックの芯に近い部分に熱が伝わり過ぎることを防止できる。これにより、一般の機械装置の中では比較的小さい形状をなすステアリングラックの歯部形成部でも、その表面近傍のみを薄く焼入れすることが可能となり、焼入れに伴うマルテンサイト変態による歯部形成部の膨張量を抑制できる。

なお、上記において、括弧内の数字は、後述する実施の形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施の形態のステアリングラックを備えるステアリング装置としての車両用電動パワーステアリング装置１の概略構成を示す模式図である。図１を参照して、電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール等の操舵部材２と、操舵部材２に連結されているステアリングシャフト３と、ステアリングシャフト３に自在継手４を介して連結されている中間軸５と、この中間軸５に自在継手６を介して連結されているピニオン軸７と、ピニオン軸７の先端部に設けられたピニオン８に噛み合うラック歯部としての歯部９を形成して車両の左右方向に延びるステアリングラック１０とを有している。

ステアリングラック１０の両端部にはそれぞれタイロッド１１が連結されており、各タイロッド１１は、対応するナックルアーム（図示せず）を介して対応する車輪１２に連結されている。操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３が回転されると、この回転は中間軸５等を介してピニオン８に伝達され、ピニオン８および歯部９によって、車両の左右方向に沿うステアリングラック１０の直線運動に変換される。これにより車輪１２の転舵が達成される。

ステアリングシャフト３は、操舵部材２に連なる入力軸としての第１の操舵軸１３と、自在継手４に連なる出力軸としての第２の操舵軸１４とを有している。これら第１および第２の操舵軸１３，１４は、トーションバー１５を介して同軸上に互いに連結されている。
トーションバー１５の近傍には、トーションバー１５のねじれに起因する第１の操舵軸１３と第２の操舵軸１４との相対回転変位量を検出するトルクセンサ１６が設けられている。このトルクセンサ１６の検出信号は、制御部１７に与えられる。制御部１７は、トルクセンサ１６からの検出信号に基づいて操舵部材２に加えられた操舵トルクを算出する。そして、算出した操舵トルクや車速センサ１８からの車速検出信号等に基づいて、ドライバ１９を介して操舵補助用の電動モータ２０の駆動を制御する。これにより、電動モータ２０が駆動し、その出力回転（動力）が、ウォーム減速機構等の減速機２１で減速されて第２の操舵軸１４へ伝達される。第２の操舵軸１４に伝えられた動力は、さらに中間軸５等を介して、上記ステアリングラック１０等を含む舵取り機構２２に伝えられ、運転者の操舵が補助される。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う要部の断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う要部の断面図である。図１および図２を参照して、ステアリングラック１０は、ラック径ｒ（直径）が例えば２７ｍｍ程度に形成された、Ｓ４５Ｃ等の炭素鋼製の長尺の棒状部材である。ステアリングラック１０の軸方向Ｓの一端寄りに歯部形成部２４が設けられている。

歯部形成部２４は、上記の歯部９と歯底部２３とを含んでいる。歯部９と歯底部２３とは、軸方向Ｓ（図２において、紙面に垂直な方向）に交互に配置されている。ステアリングラック１０のうち、歯部形成部２４とはステアリングラック１０の径方向に対向する背面部２５が、円弧面に形成されている。なお、背面部２５は、断面Ｙ形形状等の他の形状をなしていてもよい。

図３を参照して、歯部９は、例えば、はすばまたはねじばに形成されている。歯底部２３は、概ね平坦な面をなしている。
歯部９は、歯厚方向Ｌに相対向する一対の歯面６１，６２を含んでいる。各歯面６１，６２は、それぞれ、平坦な面をなしている。
一方の歯面６１からの深さｄ（歯面６１と垂直な方向の深さ）が歯部９のモジュールｍの２０％（ｄ＝０．２ｍ）となる位置を通る第１の仮想の面６３と、歯部形成部２４の表面２７とが交差して第１の交差部６４が構成されている。

また、他方の歯面６２からの深さｄ（歯面６２と垂直な方向の深さ）が上記モジュールｍの２０％（ｄ＝０．２ｍ）となる位置を通る第２の仮想の面６５と、歯部形成部２４の表面２７とが交差して第２の交差部６６が構成されている。
歯厚方向Ｌに関する歯部９の頂部２６の一方の端部６７が第１の交差部６４と一致し、他方の端部６８が第２の交差部６６と一致している。

本実施の形態の特徴の１つは、歯部形成部２４に高周波焼入れが施されており、歯部９および歯底部２３のそれぞれにおける有効硬化層深さが所定の範囲に設定されている点にある。
具体的には、（ｉ）歯部９の頂部２６（歯先）での有効硬化層深さａは頂部２６の範囲内での最小値であり、この有効硬化層深さａが歯部９の全歯たけｈの１０５％以下（ａ≦１．０５ｈ）とされ、且つ（ｉｉ）歯部９の頂部２６での有効硬化層深さａおよび歯底部２３での有効硬化層深さｂのそれぞれが、歯部９のモジュールｍの２０％以上（０．２ｍ≦ａ、０．２ｍ≦ｂ）とされている。

なお、各上記硬化層深さａ，ｂは、それぞれ、対応する頂部２６および歯底部２３の表面２７からの深さであり、ビッカース硬さＨｖ６００以上である硬化層の深さである。ビッカース硬さがＨｖ６００以上であれば、歯部形成部２４における十分な剛性を確保することが可能である。
有効硬化層深さａが全歯たけｈの１０５％を超えると、高周波焼入れのときに歯部形成部２４がマルテンサイト変態することに起因する、歯部形成部２４の寸法変化（膨張）が大きく、その結果、ステアリングラック１０のうち、歯部形成部２４を含む部分の曲がり量が大きくなる。

有効硬化層深さａが歯部９の全歯たけｈの８０％以下（ａ≦０．８ｈ）であることがより好ましい。これにより、高周波焼入れのときに歯部形成部２４がマルテンサイト変態することに起因する、歯部形成部２４の寸法変化（膨張）を格段に小さくできる。
各上記硬化層深さａ，ｂのそれぞれが、歯部９のモジュールｍの２０％未満であれば、十分な硬化層深さを形成できず、その結果、歯部９の頂部２６および根元部２８の疲労強度を向上し難い。

例えば、歯部９の全歯たけｈが４．５ｍｍであり、モジュールｍが２．１ｍｍであるとき、歯部９の頂部２６の有効硬化層深さａは、０．４２≦ａ≦４．７の範囲に設定される。また、歯底部２３での有効硬化層深さｂは、０．４２≦ｂとなる。歯部９の焼入層２９と歯底部２３の焼入層３０とは滑らかに且つ連続的に連なっている。
なお、ステアリングラック１０のうち、歯部形成部２４にのみ上記の高周波焼入れが施されており、歯部形成部２４の背面部２５等、他の箇所には高周波焼入れは施されていない。

上記のステアリングラック１０の歯部形成部２４への直接通電による高周波焼入れは、例えば、図４に示す高周波直接通電焼入装置３１を用いて行われる。高周波直接通電焼入装置３１は、電気的に絶縁するための絶縁体３２を介して重ね合わされている第１の導体３３および第２の導体３４と、絶縁体３２が介在されている位置において第１の導体３３と電気的に接続されている第１の接触電極３５と、第２の導体３４に電気的に接続されている第２の接触電極３６と、第２の導体３４に電気的に接続されている近接導体３７と、近接導体３７に形成されている冷却液噴射用の噴射孔３８と、第１および第２の導体３３，３４に接続されている電力供給装置３９と、第１の接触電極３５および第２の接触電極３６に対応する位置にそれぞれ配設されている一対のステアリングラック押圧部材４０と、を備えている。

ステアリングラック１０は、第１の接触電極３５および第２の接触電極３６の先端３５ａ，３６ａに載置された状態で、ステアリングラック押圧部材４０によって、第１の接触電極３５および第２の接触電極３６側に押圧されている。これにより、歯部形成部２４と各上記接触電極３５，３６とが電気的に接続される。
このとき、互いに対向するステアリングラック１０の歯部形成部２４と近接導体３７との間には隙間４１が形成され、歯部形成部２４が近接導体３７に近接するようになっている。

電力供給装置３９としては、例えば特開２００５−３１２１１１号公報に示される公知の電力供給装置が用いられる。具体的には、電力供給装置３９は、発振器４２と、整合器４３と、電源制御回路４４とを備えている。
発振器４２は、交流電源１００から出力された交流電力の周波数を変換して第１周波数ｆ１をもつ交流電力と、第１の周波数ｆ１よりも高い第２の周波数ｆ２をもつ交流電力とを択一的に出力可能である。

整合器４３は、発振器４２から発振された第１の周波数ｆ１をもつ第１交流電力に対応した第１の直列共振回路４５ａと、発振器４２から発振された第２の周波数ｆ２をもつ第２交流電力に対応した第２の直列共振回路４５ｂとを含む。
電源制御回路４４は、整合器４３に入力される交流電力の電流と電圧に基づいて発振器４２が発振する交流電力の周波数が共振周波数になるように発振器４２を制御する。

各上記第１および第２の周波数ｆ１，ｆ２の交流電力を出力するときの電力供給装置３９の出力は、例えば、それぞれの最大出力を１００％とした場合、設定しうる第１の周波数ｆ１のときの電力と第２の周波数ｆ２のときの電力の電力比は、（１００％，０％）〜（１００％，１００％）〜（０％，１００％）の範囲内で任意の割合で設定される。
第１の周波数ｆ１は、相対的に低い値、例えば５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲（例えば、６０ｋＨｚ）に設定される。

第２の周波数ｆ２は、相対的に高い値、例えば２００ｋＨｚに設定されている。すなわち、第２の周波数ｆ２は、第１の周波数ｆ１の２倍以上とされている。
ステアリングラック１０の歯部形成部２４の高周波焼入れは、以下のようにして行われる。すなわち、まず、第１の周波数ｆ１の交流電力を出力して、第１の高周波加熱を行う。このとき、高周波電流が矢印で示すように第２の導体３４から近接導体３７および第２の接触電極３６に流れ、ステアリングラック１０内を通り、第１の接触電極３５を通り、第１の導体３３を通り、電力供給装置３９に戻るように流れるか、またはその逆の経路で交互に流れる。

これにより、ステアリングラック１０に高周波電流が流れると共に、近接導体３７に流れる電流の誘導作用にて誘導電流（うず電流）が流れ、従ってステアリングラック１０の歯部形成部２４の表面２７には高周波電流および誘導電流が流れる。
その結果、ステアリングラック１０の歯部形成部２４の表面２７は、相対的に低い所定の焼入温度（例えば、８００℃程度）まで加熱される。この焼入れ温度は、例えば、母材のオーステナイト化温度（Ａ３変態点）付近に設定される。

第１の周波数ｆ１の交流電力を出力してから相対的に長い時間ｔ１（例えば、６秒〜１０秒の範囲、例えば６．９秒）経過後に、第２の周波数ｆ２の交流電力の出力に切り換え、第２の周波数ｆ２の交流電力を供給する。すなわち、第１の高周波加熱とは連続して、第２の高周波加熱（２周波加熱）を行う。
第２の周波数ｆ２の交流電力が出力されると、第１の周波数ｆ１の交流電力が出力されたときと同様にして、ステアリングラック１０が加熱され、ステアリングラック１０の歯部形成部２４の表面２７が、相対的に高い所定の焼入温度（例えば、１２００℃程度）まで加熱される。

第２の周波数ｆ２の交流電力の出力に切り換えてから相対的に短い時間ｔ２（ｔ１＞ｔ２。例えば、０．３秒以下（ゼロを含まず。）好ましくは０．２秒〜０．３秒）経過後に、電力供給をオフにする。
第２の高周波加熱の後に、噴射孔３８から冷却液をステアリングラック１０の少なくとも歯部形成部２４に噴射し、ステアリングラック１０を冷却する。この冷却は、例えば水冷であり、水量密度３０００ｌ／（ｍ２・ｍｉｎ）の冷却である。これにより、ステアリングラック１０の歯部形成部２４に、直接通電および誘導加熱による高周波焼入れが施される。

高周波焼入れが施されたステアリングラック１０は、所定の焼戻し工程が施されることにより、十分な靭性が付与される。
以上の次第で、本実施の形態によれば、歯部９の頂部２６の有効硬化層深さａを全歯たけｈの１０５％以下とすることにより、歯部９に十分な深さの硬化層２９を形成しつつ、歯部形成部２４に加える熱を必要最小限にでき、歯部形成部２４のマルテンサイト変態に起因する歯部形成部２４の膨張を十分に抑制できる。すなわち、ステアリングラック１０の曲がりを十分に抑制することができる。

これにより、高周波焼入れの後のステアリングラック１０の曲げの矯正量を少なくするか、またはゼロにでき、製造にかかる手間を少なくすることができる。したがって、製造コストを低減することができる。また、歯部９の頂部２６の有効硬化層深さａおよび歯底部２３の有効硬化層深さｂを、それぞれ、歯部９のモジュールｍの２０％以上とすることにより、歯部９および歯底部２３の疲労強度を十分に確保でき、十分な耐久性を確保できる。

また、歯部９の頂部２６での有効硬化層深さａを歯部９の全歯たけｈの８０％以下とすることにより、歯部９に十分な深さの硬化層２９を形成しつつ、歯部形成部２４に加える熱をより少なくでき、この熱に起因するステアリングラック１０の曲がりを格段に抑制することができる。
さらに、歯厚方向Ｌに関する歯部９の頂部２６の一方の端部６７が第１の交差部６４と一致し、他方の端部６８が第２の交差部６６と一致するようにしている。歯厚方向Ｌに関する頂部２６の一対の端部６６，６７をこのように規定することにより、頂部２６を十分な範囲に形成することができる。

以上により、電動パワーステアリング装置１の製造にかかる手間をより少なくできる。
また、ステアリングラック１０の歯部形成部２４に高周波焼入れを施す工程において、第１の高周波加熱に続いて第２の高周波加熱を実施した後、ステアリングラック１０の少なくとも歯部形成部２４を冷却して焼入れを施行している。
このように、第１の高周波加熱で予め歯部形成部２４にある程度の熱量を加えた状態から第２の高周波加熱を短く行う結果、第２の高周波加熱による加熱の際、歯部形成部２４の表面２７近傍に熱を集中させて十分に加熱しつつ、ステアリングラック１０の芯に近い部分に熱が伝わり過ぎることを防止できる。これにより、一般の機械部品の中では比較的小さい形状をなすステアリングラック１０の歯部形成部２４でも、その表面２７近傍のみを薄く焼入れすることが可能となり、焼入れに伴うマルテンサイト変態による歯部形成部２４の膨張量を抑制できる。

なお、歯部形成部２４の表面２７のみを効果的に加熱（輪郭加熱）するためには、第１の高周波加熱の際にオーステナイト化温度（Ａ３変態点）付近まで加熱した後、第２の高周波加熱の第２の周波数ｆ２を可能な限り大きくし、第２の高周波加熱の時間ｔ２を短くすることが重要である。
このうち、第２の高周波加熱の加熱時間ｔ２を短くする意義は、歯部形成部２４の表面２７の加熱（輪郭加熱）のときの当該表面２７の加熱を均一化することにある。また、第２の高周波加熱の第２の周波数ｆ２を可能な限り大きくする意義は、表面２７からの透過電流深度δを浅くし、表面２７に発熱を集中させることにある。

なお、透過電流深度δ（ｍ）は、下記式で表される。

但し、σ：ステアリングラック１０の材料の電気伝導率（Ｓ／ｍ）、μ：ステアリングラック１０の材料の比透磁率、ｆ２：第２の周波数（Ｈｚ）。
なお、第１の高周波加熱を省略して第２の高周波加熱のみで輪郭加熱をすることは、歯部９の頂部２６の温度が高くなり過ぎてしまうこととなり、成立しない。

本発明は、以上の実施の形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
例えば、図５に示す高周波誘導加熱焼入装置８０を用いて、ステアリングラック１０の歯部形成部２４に高周波焼入れを施してもよい。誘導加熱装置８０は、第１〜第５の絶縁体８１，８２，８３，８４，８５と、近接導体３７と、電力供給装置３９と、を備えている。なお、以下では、図４の高周波直接通電焼入装置３１と同様の構成については図に同一の符号を付して説明を省略する。

第３および第４の絶縁体８３，８４によって、ステアリングラック１０の軸方向に関する歯部形成部２４の一対の端部がそれぞれ支持されている。第１および第２の絶縁体８１，８２によって、ステアリングラック１０が第３および第４の絶縁体８３，８４側に押圧されており、ステアリングラック１０が第１〜第４の絶縁体８１〜８４によって挟持されている。

第３および第４の絶縁体８３，８４の間に配置された第５の絶縁体８５上に、近接導体３７が載置されている。近接導体３７は、ステアリングラック１０の歯部形成部２４と所定の隙間４１を隔てて近接している。電力供給装置３９と近接導体３７とは電気的に接続されている。
ステアリングラック１０の歯部形成部２４の焼入れの際には、電力供給装置３９から交流電力を出力して、第１および第２の高周波加熱を行う。このとき、高周波電流が矢印で示すように近接導体３７に流れるか、その逆の方向に流れる。

その結果、近接導体３７に流れる電流の誘導作用にてステアリングラック１０の歯部形成部２４の表面２７に誘導電流（うず電流）が流れ、この表面２７が所定の温度に加熱される。
このときの加熱の態様（加熱温度、加熱時間等）は、図４の高周波直接通電焼入装置３１における加熱の態様と同様である。

第２の高周波加熱の後に、噴射孔３８から冷却液をステアリングラック１０の少なくとも歯部形成部２４に噴射してステアリングラック１０を冷却することで、ステアリングラック１０の歯部形成部２４に、誘導加熱による高周波焼入れが施される。
高周波焼入れが施されたステアリングラック１０は、所定の焼戻し工程が施されることにより、十分な靭性が付与される。

また、本発明は、電動パワーステアリング装置に限らず、油圧パワーステアリング装置やマニュアルステアリング装置に適用することができる。

比較例１，２および実施例１，２，３，４
図１〜図３に示す実施の形態のステアリングラックと同様の形状のステアリングラックを用いて、比較例１，２および実施例１，２，３，４を作製した。これらの比較例１，２および実施例１，２，３，４の形状は互いに等しくされており、表１のラック形状の欄に示す諸元を有していた。

比較例１，２と実施例１，２，３，４との相違点は、直接通電および誘導加熱による高周波焼入れを行った際の加熱条件にある。具体的には、表１に示すように、比較例１，２については、第１の高周波加熱の後に十分な水冷を行い、第２の高周波加熱を行わなかった。これに対し、実施例１，２，３，４については、第１の高周波加熱の後に第２の高周波加熱を行い、その後十分な水冷を行った。具体的な電源周波数ｆ１，ｆ２および加熱時間ｔ１，ｔ２は、表１に示す通りである。なお、第１および第２の高周波加熱のときの電源出力は、互いに同じとされていた。

上記の加熱条件で高周波加熱を行ったことにより、比較例２および実施例４の各部における温度履歴は、概ね図６に示すようになった。
なお、比較例１の各部の温度履歴については、比較例２と同様の傾向を示すと考えられ、実施例１，２，３の各部の温度履歴については、実施例４と同様の傾向を示すと考えられる。

図６に示すように、比較例２の高周波加熱の時には、歯部の頂部およびステアリングラックの径方向の中心の温度が全体的に上昇していた。実施例４の第１の高周波加熱の時には、比較例２の場合と同様に歯部の頂部およびステアリングラックの径方向の中心の温度が全体的に上昇した。一方、第２の高周波加熱の時には、径方向の中心が緩やかに温度上昇したのに対し、歯部の頂部の温度が急峻に上昇した。

これは、第１の高周波加熱に比べて第２の高周波加熱の周波数が高い結果、表皮効果（周波数が高くなるにしたがい、高周波電流が導体の表面寄りに集中して流れる性質）に起因して、歯部形成部が集中的に加熱されたことによる。
比較例２の歯部の頂部の温度履歴と、実施例４の歯部の頂部の温度履歴とを比較すると、それぞれの最高温度Ｔｍａｘ２，Ｔｍａｘ４が概ね２００℃程度異なっており、実施例４の最高温度Ｔｍａｘ４が極めて高かった。

一方、比較例２および実施例４のそれぞれの加熱時において、所定の温度以上、例えば、Ａ３変態点（約７８０℃）以上にされている時間ΔＳ２，ΔＳ４は、実施例４のほうが比較例２とくらべて格段に短かった（ΔＳ４＜ΔＳ２）。すなわち、実施例４について、最高温度Ｔｍａｘ４が十分に高く、且つ第２の高周波加熱のときに歯部形成部以外の箇所に熱が不必要に伝わらないようになっていた。

また、比較例２の径方向の中心の温度履歴と実施例４の径方向の中心の温度履歴とを比較すると、比較例２の最高温度Ｔｍａｘ２’が、比較例４の最高温度Ｔｍａｘ４’を２００℃程度上回っていた。すなわち、比較例２は内部にまで多量の熱が伝わっていたのに対し、比較例４では内部に伝わる熱量が格段に少なかった。
以上の温度履歴で高周波焼入れが施された比較例１，２および実施例１，２，３，４のそれぞれについて、歯部の頂部の有効硬化層深さａと、歯底部の有効硬化層深さｂをそれぞれ測定した。結果を表１に示す。

なお、表１のａ欄の括弧内の値は、歯部の歯たけｈに対する割合を示しており、ｂ欄の括弧内の値は、歯部のモジュールｍに対する割合を示している。ａ欄の各数値は、何れも、モジュールｍの２０％（２．１ｍｍ×０．２＝０．４２ｍｍ）以上となっている。
また、比較例１，２および実施例１，２，３，４のそれぞれについて、曲がり量を測定した。曲がり量は、図７に示すように、ステアリングラックの歯部形成部での曲がり量をいう。結果を表１に示す。

表１を参照して、比較例１，２および実施例１，２，３，４のそれぞれについて、曲がりについて評価した。評価の基準は、曲がり量が０．５ｍｍより大きいものを×、曲がり量が０．５ｍｍ以下のものを○とし、特に曲がり量が０．３ｍｍ以下のものを◎とした。曲がり量が０．５ｍｍ以下であれば、第１の高周波加熱のみを行っていた従来の製法と比較して、曲がりの矯正工程にかかる手間を半分以下にできる。特に、曲がり量が０．３ｍｍ以下であれば、曲がりの矯正工程が不要となり、製造にかかる手間を格段に低減できる。

また、比較例１，２および実施例１，２，３，４のそれぞれについて、歯元の疲労強度について評価した。具体的には、歯底部の有効硬化層深さｂがモジュールｍの２０％以上であれば、歯元部について実用上の十分な疲労強度を確保できることが知られているので、有効硬化層深さｂがモジュールｍの２０％以上であるものを○とし、それ以外のものを×とした。

以上より、比較例１は曲がり量は◎であるものの、有効硬化層深さｂがゼロ、すなわち歯底部にビッカース硬さＨｖ６００以上となる層が存在せず、歯元強度については×の評価となっている。
また、比較例２では、歯元強度は○であるものの、曲がり量が×の評価となっている。
一方、実施例１，２，３，４は、それぞれ、曲がり量、および歯元強度の双方について、○または◎の評価となっている。特に、実施例３，４については、比較例２の曲がり量（０．７６ｍｍ）の５０％以下となっており、曲がり量を格段に低くできる効果が実証された。すなわち、実施例３，４のように、歯部の頂部の硬化層深さａを歯たけｈの８０％以下（ａ≦０．８ｈ）とすることにより、曲がり量を、曲がり量の最も大きい比較例２の５０％以下にすることができた。

図８を参照して、比較例２および実施例１，２，３，４のそれぞれについて、歯部の頂部の有効硬化層深さａと曲がり量との関係は、以下のように示される。図８に示されているように、第１および第２の高周波加熱を施行した実施例１，２，３，４については、有効硬化層深さａと曲がり量との関係は概ね線形的なものとなることが分かった。
比較例３および実施例５
図１〜図３に示す実施の形態のステアリングラックと同様の形状のステアリングラックを用いて、比較例３および実施例５を作製した。これらの比較例３および実施例５の形状は互いに等しくされており、表２のラック形状の欄に示す諸元を有していた。

比較例３と実施例５との相違点は、直接通電および誘導加熱による高周波焼入れを行った際の加熱条件にある。具体的には、表２に示すように、比較例３については、第１の高周波加熱の後に十分な水冷を行い、第２の高周波加熱を行わなかった。これに対し、実施例５については、第１の高周波加熱の後に第２の高周波加熱を行い、その後十分な水冷を行った。具体的な電源周波数ｆ１，ｆ２および加熱時間ｔ１，ｔ２は、表２に示す通りである。

なお、第１および第２の高周波加熱のときの電源出力は、互いに同じとされていた。
比較例３および実施例５のそれぞれについて、歯部の頂部の有効硬化層深さａと、歯底部の有効硬化層深さｂをそれぞれ測定した。結果を表２に示す。なお、表２のａ欄の括弧内の値は、歯部の歯たけｈに対する割合を示しており、ｂ欄の括弧内の値は、歯部のモジュールｍに対する割合を示している。ａ欄の各数値は、何れも、モジュールｍの２０％（１．９ｍｍ×０．２＝０．３８ｍｍ）以上となっている。

また、比較例３および実施例５のそれぞれについて、曲がり量を測定した。結果を表２に示す。
表２を参照して、比較例３および実施例５のそれぞれについて、歯元強度および曲がりについて評価した。評価の基準は、比較例１，２および実施例１，２，３，４の場合と同様である。

以上より、比較例３では、歯元強度は○であるものの、曲がり量が×の評価となっている。
一方、実施例５は、曲がり量が◎、歯元強度が○の評価となっている。特に、曲がり量については、比較例３の曲がり量の５０％以下となっており、曲がり量を格段に低くできる効果が実証された。

本発明の一実施の形態のステアリングラックを備えるステアリング装置としての車両用電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う要部の断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う要部の断面図である。 高周波直接通電焼入装置の概略構成を示す模式的な断面図である。 高周波誘導加熱焼入装置の概略構成を示す模式的な断面図である。 比較例２および実施例４の高周波焼入れのときの温度履歴を示すグラフ図である。 ステアリングラックの曲がり量について説明するための図である。 歯部の頂部の硬化層深さａと曲がり量との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１…電動パワーステアリング装置、９…（ステアリングラックの）歯部、１０…ステアリングラック、２３…歯底部、２４…歯部形成部、２６…（歯部の）頂部、２７…（歯部形成部の）表面（硬化層の表面）、ａ…歯部の頂部の有効硬化層深さ、ｂ…歯底部での有効硬化層深さ、ｄ…深さ、ｆ１、ｆ２…周波数、ｈ…歯部の全歯たけ、Ｌ…歯厚方向、ｍ…歯部のモジュール、ｔ１，ｔ２…加熱時間。

Claims (4)

1. 歯部形成部に高周波焼入れが施されたステアリングラックにおいて、
   歯部の頂部での有効硬化層深さａが歯部の全歯たけｈの１０５％以下とされ、
   歯部の頂部での有効硬化層深さａおよび歯底部での有効硬化層深さｂのそれぞれが、歯部のモジュールｍの２０％以上とされ、
   各上記有効硬化層深さａ，ｂは、ビッカース硬さ６００Ｈｖ以上となる硬化層の表面からの深さであることを特徴とするステアリングラック。
2. 請求項１において、上記歯部の頂部での有効硬化層深さａが歯部の全歯たけｈの８０％以下であるステアリングラック。
3. 請求項１または２に記載のステアリングラックを備えるステアリング装置。
4. 請求項１または２に記載のステアリングラックの製造方法において、
   上記歯部形成部に高周波焼入れを施す工程を含み、
   上記工程において、周波数が相対的に低く加熱時間が相対的に長い第１の高周波加熱に続いて、周波数が相対的に高く加熱時間が相対的に短い第２の高周波加熱を実施した後、ステアリングラックの少なくとも歯部形成部を冷却して焼入れを施行することにより、上記ステアリングラックを得るステアリングラックの製造方法。

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