JP5308057B2

JP5308057B2 - 中空ラックバーの製造方法及び中空ラックバー

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Publication number: JP5308057B2
Application number: JP2008112941A
Authority: JP
Inventors: 崇山脇; 拓也中溝
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: JP2009263706A

Description

本発明は、自動車のパワーステアリング装置等に使用されるラック＆ピニオンギアに用いられる中空ラックバーの製造方法及び中空ラックバーに関する。

自動車のパワーステアリング装置に使用される中空ラックバーは、中間部にピニオンギアに噛み合わされる歯部を有するとともに、その端部にボールジョイントとの接続に供されるネジ部が形成されている。

図６及び図７は、中実ラックバーに代わり近年開発された中空ラックバーの一例を示す図である。中空ラックバー１００は、中空の軸部１０１を有し、この軸部１０１の中間部には、ピニオン（不図示）に噛み合わされるラック歯を有する歯部１０２が形成されているとともに、その端部１０３にはボールジョイントとの接続に供される内周ネジ１０４とが設けられている。

近年は、ラック＆ピニオンギアへの入力荷重が大きくなる傾向がある。したがって、中空ラックバー１００に高周波でズブ焼入れをすることで強度を確保することがあった。

一方、歯部のラック歯及び主軸の外周部にあって、主軸部とラック軸部の境界付近の内周側は、焼入層が形成されていない非焼入層が設けられたものがあった。このため、焼入層により中空ラックの強度及び耐磨耗性は確保される。また、非焼入層が設けられているため、主軸部の内周面の延性が確保される。故に中空ラック軸に曲がりが生じていても矯正を良好に行うことができる。

また、
「主軸部内周側の非焼入層厚さ」＞「ラック軸部のラック歯内周側における非焼入層の厚さ」
とすることで、曲げ矯正工程の矯正量は主軸内部の非焼入層で主として確保されるため、ラック歯への負荷が軽減され、ラック歯の噛合性を良好に確保可能となった。このため、肉眼または検査装置で内周面の焼入状況の検査が簡素化または廃止することができる。

なお、主軸外周部の焼入層が厚肉焼入層と薄肉焼入層を交互に形成する場合は、通電量、周波数、導電コイルのうち少なくとも一方を変更するという技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ラックバーの歯直角モジュールが例えば２以上のものであっても、ラックバーの歯面及び背面を含めた全周面に所望の深さで、かつ、硬さが十分に確保された焼入硬化層を形成することができるようなラックバーを高周波焼入れで実現するため、２つ以上の周波数の高周波電流を加熱コイルに同時に供給して前記歯面及び背面を含めた全周面を高周波誘導加熱する工程と、１つの周波数の高周波電流を加熱コイルに供給して軸部の外周面を高周波加熱する工程とを含むようにした技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−３１２４８９号公報（段落番号０００９，００１１〜００１２，００１４，００３８）特開２００４−３１５８５１号公報（段落番号０００９〜００１０）

上述した中空ラックバーにあっては、次のような問題があった。すなわち、図６に示すように軸部１０１については高周波焼入れを行うが、軸部１０１と端部１０３との境界部分Ｐにおいては内周ネジ１０４の加工に影響しないように高周波焼入れを行わない。このため、境界部分Ｐの強度を高くすることができないという問題があった。また、端部１０３の内周ネジ１０４にかからないように、外周側にのみ高周波焼入れすることも考えられるが、全体的な強度を保てないという問題があった。

一方、歯部１０２を焼入れした後、次に軸部１０１を焼入れする処理を行うと、焼入れ範囲が重複する境界部分Ｑでは硬度が急激に低下することがあった。このため、図７に示すように、中空ラックバー１００に荷重がかけられると、軸部１０１と歯部１０２との境界部分Ｑに応力が集中し破壊される。このとき、硬度が高いため、完全分離するように破壊されてしまうという問題があった。

また、完全分離を防止するために、軸方向全体にわたって非焼入れ層を形成すると、主軸部の内周面の延性が確保されるものの、全体的な強度が弱くなってしまうという問題があった。

そこで本発明は、軸部と端部との境界部分や軸部と歯部との境界部分において、所望の強度が得られる中空ラックバーの製造方法及び中空ラックバーを提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の中空ラックバーの製造方法及び中空ラックバーは次のように構成されている。

ピニオンギアに噛み合わされる歯部を軸部に有するとともに、その端部の内周面にボールジョイントとの接続に供されるネジ部が形成された中空ラックバーの製造方法において、前記軸部に第１の周波数による高周波焼入れを行う第１焼入れ工程と、前記軸部の端部側から前記端部にかけて前記第１の周波数より高い第２の周波数による高周波焼入れを行う第２焼入れ工程とを備えていることを特徴とする。

ピニオンギアに噛み合わされる歯部を軸部に有するとともに、その端部の内周面にボールジョイントとの接続に供される内周ネジ部が形成された中空ラックバーの製造方法において、前記軸部において軸方向の第１の移動速度で高周波焼入れを行う第１焼入れ工程と、前記軸部と前記端部との境界部分にかけて前記第１の移動速度より速い第２の移動速度による高周波焼入れを行う第２焼入れ工程とを備えていることを特徴とする。

ピニオンギアに噛み合わされる歯部を有する中空状の軸部と、この軸部の少なくとも一方の端の内周面に設けられ、ボールジョイントとの接続に供されるネジ部が形成された端部とを備え、前記軸部には、その内周面側から外周面側に亘って焼入れ処理が行われた焼入れ層が形成され、前記軸部と前記端部との境界部分においてその外周面側には焼入れ処理が行われた外側焼入れ層、その内周面側には、焼入れ処理が行われていない内側未焼入層が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、軸部と端部との境界部分や軸部と歯部との境界部分において、所望の強度が得られる。

図１は本発明の一実施の形態に係る中空ラックバー１０が組み込まれたラック＆ピニオンギアの要部を示す縦断面図、図２は同中空ラックバー１０を異なる２つの周波数を利用して誘導加熱して焼入れする誘導加熱装置の構成を示す説明図である。

中空ラックバー１０は、管状の中空素材から成り、外周面が平滑状の軸部１１と、軸部１１に隣接してピニオン３０に噛み合わされる歯部１２とが形成されているとともに、両端に位置する端部１３の内周面にはボールジョイントとの接続に供されるネジ１５が設けられている。中空ラックバー１０は、例えばＳＭｎ４３３等の材料を用い、当初の硬度はＨｖ１００〜２５０である。

端部１３側には、ソケット２１を介してボールジョイント２０が取り付けられている。ソケット２１には、ネジ１５に螺合する外周ネジ２２とが設けられている。また、ソケット２１は、ボールジョイント２０を揺動自在に支持する構造となっており、樹脂シート２３が配置されている。なお、図１中４０はケーシング、５０は蛇腹式のブーツを示している。

誘導加熱装置１００は、中空ラックバー１０を誘導加熱する誘導加熱コイル１１０と、変圧器としての第１の変圧器１２０と、例えば周波数が１ｋＨｚ以上２５ｋＨｚ未満の電力を誘導加熱コイル１１０に供給して誘導加熱させる低周波出力装置１４０と、誘導加熱コイル１１０に低周波出力装置１４０の周波数より高い周波数、例えば１００ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下の高周波電力を誘導加熱コイル１１０に供給して加熱させる高周波出力装置１３０と、制御手段１５０とを備えている。

誘導加熱コイル１１０は、高周波出力装置１３０及び低周波出力装置１４０に直列に接続されている。この誘導加熱コイル１１０は、高周波出力装置１３０と低周波出力装置１４０とのそれぞれから所定周波数の電力が供給され、中空ラックバー１０を誘導加熱する。

第１の変圧器１２０は、高周波出力装置１３０及び低周波出力装置１４０に接続されるとともに誘導加熱コイル１１０に接続され、所定の周波数の交流電力を誘導加熱コイル１１０に供給する。

この第１の変圧器１２０は、例えば自己インダクタンスが小さいもの、すなわち空芯結合形のもので、２次側となる２次巻線１２２及び３次巻線１２３が１回巻きで、これら２次巻線１２２及び３次巻線１２３のインダクタンスの値と、誘導加熱コイル１１０のインダクタンスの値とが略同一となる状態に設定されたものである。そして、第１の変圧器１２０は、２次巻線１２２の一端側と、３次巻線１２３の他端側との間に、誘導加熱コイル１１０が接続されている。

高周波出力装置１３０は、第１の発振手段１３１と、第２の変圧器１３２と、第１のコンデンサＣ１と、を備えている。また、第１の発振手段１３１は、第１のコンバータ１３１Ａと、第１の平滑コンデンサＣｆ１と、第１のインバータ１３１Ｂと、を備えている。第１のコンバータ１３１Ａは、例えば各種のブリッジ整流回路が用いられる順変換回路で、商用交流電源ｅに接続されて商用交流電源ｅの交流を直流に変換する。この変換した直流電流は、第１の平滑コンデンサＣｆ１を介して適宜平滑され、第１のインバータ１３１Ｂへ出力される。

第１のインバータ１３１Ｂは、例えば電圧形インバータで、第１の平滑コンデンサＣｆ１を介して入力される直流電流を所定の周波数である上述した高周波の交流電流に変換する。また、第１のインバータ１３１Ｂの出力端子間には、第２の変圧器１３２の１次巻線１３２Ａが直列に接続されている。

そして、高周波出力装置１３０は、第２の変圧器１３２の２次巻線１３２Ｂの出力端子間に、第１のコンデンサＣ１及び第１の変圧器１２０の１次巻線１２１の直列回路が直列に接続されて構成される。

すなわち、第１のコンデンサＣ１は、第１のインバータ１３１Ｂから出力され第２の変圧器１３２を介して供給される高周波電力により直列共振状態となり、誘導加熱コイル１１０にて中空ラックバー１０を誘導加熱させる。

また、第１のコンデンサＣ１は、第１の変圧器１２０及び誘導加熱コイル１１０の無効電力を補償するとともに、第１の変圧器１２０で低周波出力装置１４０から帰還される交流電力の低周波成分を減衰する。

そして、高周波出力装置１３０は、上述したように、周波数が１００ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下の高周波電力を第１の変圧器１２０を介して誘導加熱コイル１１０に供給し、第１のコンデンサＣ１で直列共振により、中空ラックバー１０を誘導加熱させる。

ここで、高周波出力装置１３０が供給する高周波電力の周波数が１００ｋＨｚより低くなると、特に中空ラックバー１０の所望の焼入れ品質が得られなくなるおそれがある。一方、３００ｋＨｚより高くなると、良好な誘導加熱が得られにくくなるおそれがある。このため、高周波出力装置１３０で供給する周波数は、１００ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下の範囲に設定することが好ましい。

低周波出力装置１４０は、第２の発振手段１４１と、リアクトルＬ１と、第２のコンデンサＣ２と、第３の変圧器１４２と、第３のコンデンサＣ３と、第４のコンデンサＣ４と、を備えている。

第２の発振手段１４１は、高周波出力装置１３０と同様に、第２のコンバータ１４１Ａと、第２の平滑コンデンサＣｆ２と、第２のインバータ１４１Ｂと、を備えている。また、第２のコンバータ１４１Ａは、例えば各種のブリッジ整流回路が用いられる順変換回路で、商用交流電源ｅに接続されて商用交流電源ｅの交流を直流に変換する。この変換した直流電流は、第２の平滑コンデンサＣｆ２を介して適宜平滑され、第２のインバータ１４１Ｂへ出力される。第２のインバータ１４１Ｂは、例えば電圧形インバータで、第２の平滑コンデンサＣｆ２を介して入力される直流電流を上述した低周波の交流電流に変換する。

そして、低周波出力装置１４０は、第２のインバータ１４１Ｂの出力端子間に、リアクトルＬ１と、第２のコンデンサＣ２と、第３の変圧器１４２の１次巻線１４２Ａとの直列回路が接続されている。また、低周波出力装置１４０は、第３の変圧器１４２の２次巻線１４２Ｂ間に、第３のコンデンサＣ３及び第４のコンデンサＣ４の直列回路が接続されている。この第３のコンデンサＣ３及び第４のコンデンサＣ４の接続点は、グラウンドに接続されている。

さらに、低周波出力装置１４０は、第３の変圧器１４２の２次巻線１４２Ｂの出力端子が、第１の変圧器１２０の２次巻線１２２の他方及び３次巻線１２３の一方に接続されている。そして、低周波出力装置１４０は、リアクトルＬ１が高周波出力装置１３０の高周波の帰還成分を減衰し、直列共振回路を構成する。

また、第３のコンデンサＣ３及び第４のコンデンサＣ４は、低周波の交流電流をバイパスするために第１の変圧器１２０の２次側を低いインダクタンスとした第１の変圧器１２０の無効電力を補償する。

そして、低周波出力装置１４０は、上述したように、周波数が１０ｋＨｚ以上２５ｋＨｚ未満の低周波電力を誘導加熱コイル１１０に供給し、リアクトルＬ１及び第２のコンデンサＣ２の直列共振により、中空ラックバー１０を誘導加熱させる。

ここで、低周波出力装置１４０が供給する低周波電力の周波数が１０ｋＨｚより低くなると、良好な誘導加熱が得られにくくなるおそれがある。一方、２５ｋＨｚ以上に高くなると、中空ラックバー１０表面から内部に至る良好な誘導加熱が得られなくなるおそれがある。このことから、低周波出力装置１４０にて供給する周波数は、１０ｋＨｚ以上２５ｋＨｚ未満が好ましい。

制御手段１５０は、高周波出力装置１３０及び低周波出力装置１４０の動作を制御する。この制御手段１５０は、高周波出力装置１３０及び低周波出力装置１４０から誘導加熱コイル１１０に供給する交流電力の大きさを、作業者による入力操作にて設定する図示しない操作手段を備えている。具体的には、操作手段は、例えば作業者が入力操作可能な操作つまみを有する操作手段を備え、高周波出力装置１３０及び低周波出力装置１４０の最大出力をそれぞれ１００％として、０％以上１００％以下の範囲で操作つまみが入力操作されることで、高周波出力装置１３０及び低周波出力装置１４０を電流一定制御にて、それぞれ入力操作された設定値に対応する電流値となる交流電力をそれぞれ設定入力する。

そして、制御手段１５０は、高周波出力装置１３０による交流電力を、設定された出力割合で電流値が一定となる状態に電流一定制御で誘導加熱コイル１１０に供給させる。さらに、制御手段１５０は、低周波出力装置１４０による交流電力を、同様に電流一定制御で設定された出力割合で誘導加熱コイル１１０に供給させる。

これら高周波の交流電力及び低周波の交流電力は、それぞれ単独で供給可能であるとともに、高周波及び低周波を適宜合成して供給可能となっている。そして、制御手段１５０は、高周波及び低周波を合成して交流電力を供給させる際、所定の式に基づいて、高周波出力装置１３０の設定値を補正し、一定の交流電力を供給する状態に制御する。なお、電流一定制御であることから、設定値と供給される電流値とは正比例する関係、例えば最大規格値が１００００Ａである場合、設定値が９％であれば約９００Ａ、５０％であればま約５０００Ａ、１００％であれば約１００００Ａとなる。

すなわち、制御手段１５０は、プログラムとしての、図示しない変換値取得手段と、処理手段と、などを備えている。高周波及び低周波が合成される状態で交流電力を高周波出力装置１３０及び低周波出力装置１４０から供給することにより、中空ラックバー１０の透磁率が変化し、この変化する透磁率に対応して高い周波数側となる高周波出力装置１３０におけるインピーダンスが低下し、高周波出力装置１３０から供給する交流電力が低下する。

このことにより、変換値取得手段は、低下する電力分を、重畳する前の状態に補正するための変換値としての補正値を演算し、この変換値取得手段で演算した補正値に基づいて、処理手段が高周波出力装置１３０を制御し、変換した補正後の設定による電流値の交流電力を供給させる。

ここで、誘導加熱に用いる周波数の選定宜行うことができる。この周波数選定に用いられる一般式を示す。

δ＝５．０３×１０^３×√（ρ／[μ・ｆ]）
δ：うず電流の浸透深さ（電流密度が表面の３６．８％の位置）（ｃｍ）
ρ：中空ラックバーの抵抗率（Ω・ｃｍ）
μ：中空ラックバーの比透磁率（磁性材：μ＞１、非磁性材：μ＝１）
ｆ：周波数（Ｈｚ）
上述した中空ラックバー１０は、次のようにして形成される。すなわち、軸部１１に冷間の転写鍛造にて歯部１２を形成する。具体的には、パイプ材を冷間鍛造金型によって加圧することにより歯形一次成形と共に上面が平坦に形成され、次なる工程でパイプ材の空洞に芯金が圧入される。芯金は棒状に形成されるとともに、パイプ材の平坦部側にテーパ状の突起部を有しており、突起部がパイプ材の平坦部に内周側において係合することにより平坦部の肉が成形型の歯列に向けて塑性変形的に流動することにより張出され、パイプ材の外周平坦部に成形型の歯列に対応した形状の直線方向の歯部１２が転写方式にて付与される。

図３に示すように、軸部１１には、その内周面側から外周面側に亘って焼入れ処理が行われた焼入れ層Ｋが形成されている。また、軸部１１と端部１３の境界部分Ｐには、外周面側には焼入れ処理が行われた外側焼入れ層Ｌａ、内周面側には、焼入れ処理が行われていない内側未焼入層Ｌｂが形成されている。軸部１１と歯部１２の境界部分Ｐについても同様である。このような焼入れ層Ｋ、外側焼入れ層Ｌａ、内側未焼入層Ｌｂは誘導加熱装置１００を用いて次のようにして形成される。

すなわち、軸部１１に低周波による高周波焼入れを行う（第１焼入れ工程）。次に、軸部１１と端部１３と境界部分Ｐ及び軸部１１と歯部１２との境界部分Ｐのいずれにも第１の周波数より高い高周波による高周波焼入れを行う（第２焼入れ工程）。

このように異なる周波数により高周波焼入れを行うことで、図３に示すように、焼入れ深度の異なる焼入れ層Ｋ、外側焼入れ層Ｌａ、内側未焼入層Ｌｂが形成される。なお、焼入れ層Ｋ、外側焼入れ層Ｌａは、内側未焼入層Ｌｂよりも硬度が高くなる。なお、図３に示す例では、連続的に焼入れ深さを変化させるようにしている。

焼入れ層Ｋ、外側焼入れ層Ｌａが内側未焼入層Ｌｂよりも硬度が高く形成されていると、図４に示すように、外部から荷重を受けた際に、硬度は低いが靭性の高い内側未焼入れ層Ｌｂがあるために分離しない。このため、中空ラックバー１０が外力により破壊された場合であっても、その部品が飛散することを防止することができる。

なお、上述した説明では、軸部１１・歯部１２と端部１３との境界部分Ｐについて説明したが、軸部１１と歯部１２との境界部分Ｑにおいても同様の処理を行うようにしてもよい。

上述したように、本実施の形態の中空ラックバーの製造方法によれば、軸部１１・歯部１２と端部１３との境界部分Ｐや軸部１１と歯部１２との境界部分Ｑにおいて、所望の強度が得られる中空ラックバー１０が得られる。

なお、図５に示す例では、外側焼入れ層Ｌａと内側未焼入層Ｌｂとの厚さが一定長さで均等となるように形成されている。例えば、領域Ｒ１は高周波による焼入れ、領域Ｒ２は低周波による焼入れを行うことで、焼入れ層の深さを制御することができる。このような中空ラックバーの製造方法であっても、同様の効果を有する中空ラックバーを得ることができる。

なお、焼入れ層Ｋ、外側焼入れ層Ｌａ、内側未焼入層Ｌｂを形成するために、異なる２周波数を用いる場合の他、高周波焼入れの速度を変化させる方法を用いても良い。すなわち、軸部１１及び歯部１２に軸方向における第１の移動速度（１５ｍｍ／ｓ）による高周波焼入れを行う（第１焼入れ工程）。次に、軸部１１・歯部１２と端部１３と境界部分Ｐ及び軸部１１と歯部１２との境界部分Ｑのいずれにも第１の移動速度より速い第２の移動速度（３０ｍｍ／ｓ）による高周波焼入れを行う（第２焼入れ工程）。

このように異なる移動速度により高周波焼入れを行うことで、焼入れ深度の異なる焼入れ層Ｋ、外側焼入れ層Ｌａ、内側未焼入層Ｌｂが形成される。なお、焼入れ層Ｋ、外側焼入れ層Ｌａは、内側未焼入層Ｌｂよりも硬度が高くなる。したがって、上述した周波数を異ならせて高周波焼入れを行った場合と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、材料、熱処理条件（焼入れ温度・焼戻し温度）、形状等は、適宜変更可能である。また、誘導加熱コイルに供給する低周波数及び高周波数は、前述した例に限らず、中空ラックバーの形状や寸法、材質等に応じて適宜設定できる。また、定置加熱時間や、冷却開始のタイミング、誘導加熱コイルと中空ラックバーとの相対移動速度、移動速度切換えのタイミング、低周波と高周波とを合成するタイミング、低周波単独加熱時間、低周波・高周波合成加熱時間、コイルの幅、冷却水噴射角度、などについても勿論、前述した例に限らず、中空ラックバーの形状や寸法、材質等に応じて適宜設定できる。

さらに、低周波、高周波の２周波に加え、これら２周波とは周波数が異なる他の周波数を用いてもよい。これら複数の周波数をそれぞれ単独で、あるいは２つ以上を合成して誘導加熱を行うことも検討できる。

この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

本発明の一実施の形態に係る中空ラックバーが組み込まれたラック＆ピニオンギアの要部を示す縦断面図。同中空ラックバーを焼入れする誘導加熱装置の構成を示す説明図。同中空ラックバーの要部を示す縦断面図。同中空ラックバーの改善点を示す説明図。同中空ラックバーの要部の別の例を示す縦断面図。従来の中空ラックバーの軸側端部の熱処理範囲を示す縦断面図。従来の中空ラックバーの問題点を示す説明図。

符号の説明

１０…中空ラックバー、１１…軸部、１２…歯部、１３…端部、１５…ネジ。

Claims

ピニオンギアに噛み合わされる歯部を軸部に有するとともに、その端部の内周面にボールジョイントとの接続に供されるネジ部が形成された中空ラックバーの製造方法において、
前記軸部に第１の周波数による高周波焼入れを行う第１焼入れ工程と、
前記軸部と前記端部と境界部分又は前記軸部と前記歯部との境界部分の少なくとも一方にかけて前記第１の周波数より高い第２の周波数による高周波焼入れを行う第２焼入れ工程とを備えていることを特徴とする中空ラックバーの製造方法。
ピニオンギアに噛み合わされる歯部を軸部に有するとともに、その端部の内周面にボールジョイントとの接続に供される内周ネジ部が形成された中空ラックバーの製造方法において、
前記軸部において軸方向の第１の移動速度で高周波焼入れを行う第１焼入れ工程と、
前記軸部と前記端部との境界部分にかけて前記第１の移動速度より速い第２の移動速度による高周波焼入れを行う第２焼入れ工程とを備えていることを特徴とする中空ラックバーの製造方法。
ピニオンギアに噛み合わされる歯部を有する中空状の軸部と、
この軸部の少なくとも一方の端の内周面に設けられ、ボールジョイントとの接続に供されるネジ部が形成された端部とを備え、
前記軸部には、その内周面側から外周面側に亘って焼入れ処理が行われた焼入れ層が形成され、
前記軸部と前記端部との境界部分においてその外周面側には焼入れ処理が行われた外側焼入れ層、その内周面側には、焼入れ処理が行われていない内側未焼入層が形成されていることを特徴とする中空ラックバー。
前記軸部及び前記端部は、請求項１又は２の中空ラックバーの製造方法を用いて形成されていることを特徴とする請求項３に記載の中空ラックバー。