WO2005017393A1 - 減速装置及び該減速装置を製造する方法及び装置、及び該減速装置を備えた電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

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reduction gear
speed reducer
gear transmission
tooth
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Takashi Koyama
Yuji Kawamura
Toshihito Endo
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Nsk Ltd.
Nsk Steering Systems Co., Ltd.
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    • B62DMOTOR VEHICLES; TRAILERS
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    • B62D5/04Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0409Electric motor acting on the steering column
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    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06Surface hardening
    • C21D1/09Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to an electric power steering device used for a vehicle, and more particularly to an improvement in a worm used for a speed reduction mechanism that transmits power from a motor.
  • an electric power steering device that electrically applies auxiliary steering force to reduce manual steering force due to steering of the steering wheel is used! / It is.
  • An electric motor is used to apply an electric assist steering force to the rack shaft.
  • the steering force from the steering wheel is assisted by an electric motor via a speed reduction mechanism, and both ends are connected to left and right wheels and transmitted to a rack shaft that moves in the axial direction.
  • a worm and a worm wheel are generally used as a speed reduction mechanism for transmitting the power of an electric motor.
  • Synthetic resin is used for the foam wheel to reduce noise when combined.
  • reinforcing fibers may be mixed in to increase the gear strength.
  • carburizing and quenching have the problems that the deformation after the treatment is large, and that the carburizing and quenching equipment is large and the processing time is long. '
  • nitriding In nitriding, the surface becomes rough after the treatment, and final polishing is required after the nitriding.
  • the nitriding treatment is a batch treatment, and the incidental equipment tends to be large-scale, and there is a problem that the processing time is further increased. Deformation after carburizing was also a problem, although smaller than carburizing and quenching.
  • the plating process Since the precision required for the worm teeth of the electric power steering device is high, the plating process has a problem that strict control of the plating thickness is required. In addition, the plating process is a batch process, and the incidental facilities tend to be large-scale, and there is a problem that the processing time is further increased.
  • an object of the present invention is to enable in-line machining while maintaining a predetermined hardness on the tooth surface, shorten the machining time, cope with small-sized processing equipment, and reduce the speed of grinding and finishing after machining. It is an object of the present invention to provide an apparatus, a method of manufacturing the reduction gear, and an electric power steering apparatus including the reduction gear.
  • a speed reducer comprising a worm wheel having at least a tooth skin portion made of a polymer-based composite material, and a worm combined with the worm wheel, wherein a tooth surface of the worm is heat-treated by induction hardening.
  • a worm wheel having at least a tooth skin portion made of a polymer-based composite material A method of manufacturing a speed reducer comprising a worm combined with a worm wheel, wherein the worm is placed vertically and a tooth surface of the worm is heat-treated by induction hardening.
  • Induction hardening of the worm tooth surface enables in-line machining on the same machining line as before and after the process, shortening the machining time. In addition, costs can be reduced. Furthermore, there is relatively little deformation after hardening, which also occurs in case of carburizing and quenching and nitriding.
  • high-frequency contour quenching can prevent overheating and reduce tooth melting and bending of the worm shaft, so that a more precise beam can be obtained. For this reason, further improvement in productivity can be expected.
  • the structure will be stabilized and the quenching hardness will be stabilized at the desired hardness, eliminating soft parts, reducing wear resistance and durability. improves.
  • the worm tooth surface is induction hardened, in-line machining on the same machining line as before and after is possible, and machining time is shortened.
  • the processing equipment is small, and grinding with a small allowance is possible after induction hardening.
  • the worm tip overheats, causing melting of the tooth tip and bending of the worm shaft.However, high-frequency contour quenching can avoid overheating, resulting in melting of the tip and worm. Shaft bending is also reduced.
  • tempered materials include those obtained by quenching and tempering medium-carbon steel (carbon content: about 0.3 to 0.6%).
  • Non-heat-treated steel includes tempering such as quenching and tempering.
  • B boron
  • alloying elements such as Si and Mn to improve cold forgeability.
  • the quenching output and the quenching time are adjusted, a worm having a desired hardness can be manufactured at low cost simply by induction hardening the raw material. Since the quenching time is made longer than in the case of contour quenching, carbon diffuses and ferrite decreases, and the amount of residual fluoride in the quenching range of the worm becomes 0 to 10%.
  • FIG. 1 is a front view (partially broken) showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of FIG.
  • FIG. 3 is a partial axial sectional view of a worm subjected to high-frequency contour hardening.
  • FIG. 4 is a partial axial sectional view of a worm subjected to induction hardening.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example using a drum-shaped ohm.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example using another drum-shaped worm.
  • FIG. 7A to 7C are schematic views showing a manufacturing apparatus of the reduction gear transmission of the present invention.
  • FIG. 7A is a top view
  • FIG. 7B is a front view
  • FIG. 7C is a side view.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a shape of a heating coil used in the manufacturing apparatus of FIGS. 7A to 7C.
  • FIG. 1 shows a front view of an electric power steering apparatus to which an embodiment of the present invention can be applied.
  • Fig. 2 is an axial sectional view of the auxiliary steering input unit.
  • a general pinion assist type electric power steering device 1 is composed of an auxiliary steering input section 10 and a cylindrical sleep section 12 through which a rack shaft 9 connected to the auxiliary steering input section 10 is interposed. Has become.
  • a steering shaft (not shown) having an upper end to which a steering wheel (not shown) is fixed is connected to an input shaft 2 of the auxiliary steering input unit 10 by a universal joint or the like.
  • the input shaft 2 is connected to a pinion shaft 8 as an output shaft via a torsion bar 3.
  • the input shaft 2 and the pinion shaft 8 are rotatably supported on the housing 7 by bearings.
  • the rack teeth of the rack shaft 9 are combined with the pinion teeth formed on the outer periphery of the pinion shaft 8.
  • the rack shaft 9 is supported by the press pad 11 so as to be movable in the axial direction.
  • the torsion par 3 is provided with a torque sensor 40, and a steering angle by a driver's operation of the steering wheel is detected by the torque sensor 40, and power assist is performed according to the torque amount.
  • Each end of a rack shaft 9 movably arranged in the axial direction in a cylindrical sleeve 12 extending in the left-right direction of the vehicle and fixed to the vehicle is connected to a steered wheel (not (Shown).
  • Joint 13 is covered with boots 14.
  • auxiliary steering input unit 10 When there is an input from the steering shaft (not shown) to the input shaft 2 of the auxiliary steering input unit 10, power is transmitted to the pinion shaft 8 as the output shaft via the torsion par 3.
  • a metal worm wheel core 6 and a resin worm wheel 5 are provided on the outer periphery of the pivot shaft 8, and the worm wheel 5 is fixed to the rotating shaft of the electric motor 15. It conforms to the specified worm 4.
  • the electric motor 15 is connected to a vehicle CPU (not shown). Information such as the output of the torque sensor 40 and the vehicle speed is input to this CPU, and a predetermined signal is supplied to the electric motor 15 to generate an appropriate auxiliary torque.
  • the electric motor 15 is controlled by the CPU based on the information, and its rotation is decelerated via the worm 4 and the worm wheel 5, and transmitted to the pinion shaft 8 as an output shaft. The steering force is assisted by such a mechanism.
  • the worm 4 and the worm wheel 5 constitute a reduction gear.
  • the details of the heat treatment of the worm 4 will be described with reference to FIGS.
  • the material of the worm 4 As the material of the worm 4, temper-processed raw material of medium carbon steel, such as S35C to S50C, or unheated steel is used. Particularly, boron-containing steel is used. preferable.
  • the use of pre-heat treated material or non-heat treated steel as the worm has the advantage of stabilizing the structure and stabilizing the quench
  • the worm wheel 5 which is combined with the worm 4 is a polymer composite material-made worm wheel.
  • the reinforcing agent for the polymer-based composite material for example, fibrous ones (glass fibers), particulate reinforcing beads or intermediates thereof, and whiskers (whisker crystals) can also be used.
  • the surface hardness of the tooth surface of the worm 4 combined with the worm wheel 5 should be at least HRC 50 (HV 51). 3) It is necessary to do above. Particularly, the range of HRC 50 to 63 is preferable. Further, it is preferably harder than the reinforcing agent mixed in the resin worm wheel 5.
  • FIG. 4 is a partial axial sectional view of the worm 4 having a quenching pattern hardened by a normal induction hardening process. Quenching patterns can be obtained by cutting, polishing, nitric acid alcohol corrosion, etc. Generally, electric power Since the worm teeth for the water steering device are thin-walled, the quenching region 31 extends to the tooth core as shown in the figure.
  • the tip can overheat, leading to melting of the tip and large bending of the shaft.
  • Fig. 4 when tempered steel is used as the raw material, martensite "", and in the case of unheated steel, there is a non-quenched region 33 on the inner diameter side of the quenched region 31 which is ferrite and martensite.
  • the non-quenched region 3 3 is the range where the tempered steel is sorbite, and the non-quenched steel is the range where ferrite and pearlite are used. 3 is located on the inner diameter side from the tooth bottom 4b in the axial direction.
  • FIG. 3 is a partial axial sectional view of the worm 4 having a quenching pattern hardened by a high-frequency contour quenching process in which only the tooth contour is induction-hardened.
  • the heating energy is aligned with the skin, and the heating energy is input and cut instantaneously with high power.Therefore, the overheating of the tooth tip 4a of the worm 4 is small, Melting of the tooth tips and large bending of the shaft are also reduced, resulting in better results.
  • the induction hardened region 30 ′ has a substantially uniform depth from the tooth surface to the tooth bottom except for the top of the tooth tip 4a.
  • a non-quenched region 32 exists on the inner diameter side of the quenched region 30 that is ferrite / martensite.
  • the unquenched region 32 is a range where the tempered steel is sorbite, and a non-quenched steel is a range where ferrite is pearlite.
  • the tempered steel is quenched and tempered steel, which has a fine structure and high toughness.
  • the worm 4 for deceleration of the electric power steering device 1 has a smaller root width WB (tooth thickness) and a smaller tooth width WT than the tooth length H in order to secure the strength of the mating resin form wheel 5.
  • the tooth tip 4a of the worm 4 has a small width, so it can be hardened more deeply than other parts. Each dimension is measured in a section perpendicular to the tooth.
  • the relationship between the tooth height H and the root width WB may be, for example, H / WB1, which is a characteristic that the teeth are thinner in the axial direction as a whole.
  • S45C (tempered material) and S25C (tempered material) were used.
  • Cooling water volume 50 l / min (cooled from 3 directions)
  • the induction hardening shown in Fig. 3 is performed at an output of 400 Kw and a heating time of 0.34 s
  • the induction hardening shown in Fig. 4 is performed at an output of 20 O Kw and a heating time of 1.3 s-. Was.
  • High frequency contour quenching can be controlled by considering the shape of the coil used, increasing the frequency, increasing the output, and increasing the cooling rate.
  • Table 1 is a table showing the test results of the examples performed under the above test conditions.
  • the product subjected to high-frequency contour hardening using S45C raw material showed a desired surface hardness with a hardening pattern almost along the tooth shape as shown in Fig.3.
  • the surface hardness was satisfactory even with a product that was subjected to ordinary induction hardening using S45C raw material.
  • High frequency contour hardened products using S25C raw material were hardly hardened. ⁇ table 1 ⁇
  • the quenched structure was sufficiently satisfactory. The appearance was good without overheating. Furthermore, it was found that the deformation after heat treatment was smaller in the case of induction hardening than in the case of induction hardening.
  • the hardening depth is about 0.4 mm at the bottom of the tooth, about 0.4 mm at the tooth slope, about 1.8 mm at the tooth tip, and about 0.
  • the tooth root was approximately 0.1 mm, and no quenching was performed on the tooth slope and the tooth tip.
  • the tooth length is the same for 5.5 mm from 1 to 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example using a drum shape.
  • a worm wheel 25 made of a polymer-based composite material and fitted on the outer periphery of the pinion shaft 31 is provided in the case 30, and the worm wheel 25 is combined with the hourglass worm 24.
  • the “module” used in the present specification is, for example, a “tooth right angle module” described in “KHK General Power Catalog, Gear Technical Data 3008 vol. 6” by Ohara Gear Industry Co., Ltd. Is JIS B1 723.
  • the hourglass worm 24 is formed on a worm shaft 27 supported by a bearing 28 and has teeth 26 having the largest diameter at both axial ends and the smallest diameter at the center.
  • the worm shaft 27 is fixed to the rotating shaft 29 of the electric motor 15.
  • the use of a drum-shaped ohm has the advantage of allowing more load capacity, that is, being advantageous for transmitting large power.
  • the drum-shaped worm 24 since all the teeth of the worm effectively mesh with the worm wheel 25, the number of meshing teeth becomes extremely large, and the surface pressure of the mating surface becomes low. is there.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example using another drum-shaped worm.
  • a worm wheel 35 made of a polymer-based composite material fitted on the outer periphery of the pinion shaft 3.1 is provided, and the worm wheel 35 is combined with the hourglass worm 34.
  • the hourglass worm 34 is formed on a worm shaft 37 supported by bearings 28, and the outer diameters of the worm teeth 36 are equal, but the diameter is the largest at both axial ends and the smallest at the center. Having a tooth bottom.
  • the worm shaft 37 is fixed to the rotating shaft 29 of the electric motor 15.
  • the difference from the normal worm is that the root diameter of the hourglass worm 34 is smaller in the axial center than in the normal case. This corresponds to an increase in the outer diameter of the worm wheel 35.
  • the advantage is almost the same as that of FIG. 5, but the form shown in FIG. 6 is easier to process than that of FIG.
  • a speed reducer including at least a worm wheel having at least a tooth skin portion made of a polymer composite material and a worm combined with the worm wheel is manufactured. Place the worm vertically and heat-treat the ohm tooth surface by induction hardening.
  • the worm is placed vertically to prevent the worm shaft from bending under its own weight and to prevent the cooling of the tree from becoming uniform.
  • the heating energy output is 550-600 Kw, and in this embodiment, the heating time is 600 Kw.
  • high-frequency contour hardening is performed for 0.35 seconds to 0.30 seconds in 0.50 seconds. As a result, a worm having a surface hardness of Hv 550 (see FIG. 3) was obtained.
  • the worm is made of unheated steel, the desired hardness cannot be obtained under the above conditions. Therefore, when the module is 2.65, the heating energy output is 250-30 OKw, and in this embodiment, the heating time is 30 OKw. Induction hardening is performed for 0.60 to 1.0 seconds, and in this embodiment for 0.60 seconds. In general, the lower the module value, the lower the output and the shorter the time. Conversely, the higher the module value, the higher the output and the longer the time. As a result, a worm having a surface hardness of Hv 550 or more with an allowable deformation and having no contour of the quenching pattern was obtained (see Fig. 4).
  • non-contour quenching This is referred to as non-contour quenching, and the non-quenched region 33 is located on the inner diameter side from the tooth bottom 4 in the axial direction.
  • the heating energy output can be small, so that the equipment can be small, and the production cost is low because the material is inexpensive.
  • the value obtained by multiplying the output (Kw) by the time (second) is set to 150-300.
  • Carbon content of worm material 0.42-0.48% (equivalent to S45C) '' (obtained by measuring raw material by combustion-infrared absorption method)
  • Ferrite content of worm material 10-40% (Obtained by image analysis of a micrograph of the core of the worm (outside the quenching range) after heat treatment)
  • the ferrite content was relatively low at 0 to 10% because the quenching time was longer than in the case of contour quenching, so that carbon diffused and ferrite decreased. It was done.
  • the value of Hv 550-770 is set to Hv 550-770 if it is not Hv 550 or more, it will be worn due to the glass fiber in the resin on the worm wheel tooth surface, and if it is less than Hv 770, it will be 3 To prevent cracking.
  • the quenching output and the quenching time are adjusted without performing high-frequency contour quenching, a worm having a desired hardness can be manufactured at low cost only by induction hardening the raw material.
  • FIGS. 7A to 7C and FIG. 7A to 7C are schematic diagrams showing a manufacturing apparatus for a reduction gear device according to the present invention.
  • FIG. 7A is a top view
  • FIG. 7B is a front view
  • FIG. 7C is a side view.
  • FIG. 8 is a perspective view showing the shape of a heating coil used in the manufacturing apparatus shown in FIGS. 7.A-7C.
  • the quenching device 50 supports the work 71 to which the worm 70 is fixed by the centers 80 and 81 from above and below.
  • the work 71 that is, the worm 70, is placed in parallel with the vertical direction, and is in a vertically placed state.
  • the heating coil 60 is arranged so as to sandwich the worm 70 in the circumferential direction.
  • the heating coil 60 is a clad coil as shown in FIG. 8, and is composed of U-shaped vertical portions 61 and 62 and a connecting portion 63 for integrally connecting the vertical portions.
  • three cooling jackets 51, 52 and 53 are arranged at predetermined intervals.
  • the axial length of the cooling jacket 51-53 is almost the same as the vertical part 61 and 62 of the heating coil as shown in Figs. 7B and 7C, but it is not necessarily the same. There is no.
  • the vertical portions 61 and 62 of the heating coil 60 only need to have an axial length at least longer than the quenching range Y of the worm shown in FIG. 7B.
  • the workpiece 71 that is, the worm 70
  • a drive device not shown

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Abstract

少なくとも歯表皮部が高分子系複合材料製のウォームホイールと、該ウォームホイールと噛合するウォームとからなる減速装置であって、ウォームの歯面は、高周波焼入れにより熱処理されている。

Description

減速装置及び該減速装置を製造する方法及び装置、
及ぴ該減速装置を備えた電動式パワーステアリング装置 技術分野
本発明は、 車両に用いられる電動式パワーステアリング装置、 特にモータ からの動力を伝達する減速機構に用いられるウォームの改良に関する。 背景技術
自動車等の車両においては、 ハンドルの操舵による手動操舵力を軽減する ために電気的に補助操舵力を加える電動式パワーステアリング装置が用!/ヽら れている。 ラック軸に電動補助操舵力を加えるためには、 電動モータが用い られている。 ステアリングホイールからの操舵力を減速機構を介して電動モ ータによつて補助し、 両端が左右の車輪に連結されて軸方向に移動するラッ ク軸に伝達している。
また、 電動式パワーステアリング装置では電動モータの動力を伝える減速 機構として、 一般にウォームとウォームホイールとが用いられている。 ゥォ ームホイールには、 嚙合時の騒音対策のため合成樹脂が使用されているが、 電動モータの高出力化に伴い強化繊維を混入させギア強度をあげる場合があ る。
ウォームホイール中の強化繊維がウォームを攻撃してしまうことがあるた め、 少なくともウォームホイールと嚙み合う歯面の硬度を上げる必要がある。 このため、 従来、 歯面に浸炭焼入れ処理、 窒化処理またはメツキ処理などが 行われていた。 これらの例としては、 特開 2 0 0 1— 1 2 2 1 3 5号公報及 ぴ特開 2 0 0 2— 2 1 3 5 7 6号公報が知られている。 また、 高周波焼入れ については、 特許第 2 7 7 9 7 6 0号が知られている。
しかしながら、 浸炭焼入れ処理では、 処理後の変形が大きく、 また浸炭焼 入れ装置は大型で加工時間も長いという問題がある。 '
窒化処理では、 処理後に表面が粗くなり、 窒化処理後に仕上げ研磨が必要 となる。 また.、 窒化処理はバッチ処理であり、 付帯設備も大掛かりなものと なりがちで、 更に加工時間も長くなるという問題がある。 また、 浸炭焼入れ 処理よりは小さいが処理後の変形も問題であった。
電動式パワーステアリング装置のウォーム歯に求められる精度は高いため、 メツキ処理はメツキ厚の厳密な管理が必要であるという問題がある。 また、 メツキ処理はバッチ処理であり、 付帯設備も大掛かりなものとなりがちで、 更に加工時間も長くなるという問題がある。
また、 上述の浸炭焼入れ処理、 窒化処理、 メツキ処理ともに、 インライン 加工には適しておらず、 そのため生産性の向上が見込めないという問題もあ る。 発明の開示
そこで、 本発明の目的は、 歯面に所定の硬度を維持しつつ、 インライン加 ェが可能となり、,加工時間も短くなり、 小型の処理設備で対応でき、 処理後 に研削仕上げ加工ができる減速装置及ぴ該減速装置を製造する方法、 及ぴ該 減速装置を備えた電動式パワーステアリング装置を提供することである。
上記目的を達成するために、 本発明の減速装置は、
少なくとも歯表皮部が高分子系複合材料製のウォームホイールと、 該ゥォ ームホイールと嚙合するウォームとからなる減速装置であって、 前記ウォー ムの歯面は、 高周波焼入れにより熱処理されていることを特徴としている。 上記目的を達成するために、 本発明の減速装置の製造方法は、
. 少なくとも歯表皮部が高分子系複合材料製のウォームホイールと、 該ゥォ ームホイールと嚙合するウォームとからなる減速装置を製造する方法であつ て、 前記ウォームを縦置きにして前記ウォームの歯面を、 高周波焼入; によ り熱処理することを特徴としている。
. ウォームの歯面を高周波焼入れ処理すると、 前後工程と同じ機械加工ライ ンへのインライン加工が可能となり、 加工時間が短くなる。 また、 コス トを 抑えることができる。 更に、 浸炭焼入れ処理ゃ窒化処理の場合にも生じる、 硬化処理後の変形が比較的少ない。
更に、 高周波輪郭焼入れ処理にすると、 オーバーヒートを避けることがで き、 歯先溶けやウォーム軸の曲がりも小さくなるため、 更に精度の高いゥォ ームが得られる。 このため、 一層の生産性向上が見込める。
また、 ウォームを予め調質処理した材料、 または非調質鋼を使用すると、 組織が安定化し焼入れ硬度が望ましい硬度で安定化するので、 軟質部が無く な,り、 耐摩耗性及び耐久性が向上する。
ウォームの歯面を高周波焼入れ処理すると、 前後工程と同じ機械加工ライ ンへのインライン加工が可能となり、 加工時間が短くなる。 また、 処理設備 が小型ですみ、 高周波焼入れ処理後に取代の少ない研削加工が可能となる。 通常の高周波焼入れ処理では、 ウォームの歯先はオーバーヒートを起こし、 歯先溶けやウォーム軸の曲がりが大きくなるが、 高周波輪郭焼入れ処理にす ると、 オーバーヒートを避けることができ、 歯先溶けやウォーム軸の曲がり も小さくなる。
また、 予め調質処理した材料、 または非調質鋼を使用すると、 組織が安定 化し焼入れ硬度が安定する。 ここで、 調質処理した材料には、 中炭素鋼 (炭 素含有率約 0.3〜0.6%) を焼入れ、 焼戻し処理したものがあり、 また、 非調 質鋼とは、 焼入れ、 焼戻しといった調質工程を省略して、 従来鋼と同等の特 性をもたせた鋼で、 B (ボロン) を添加して焼入性を改善し、 Si, Mn などの 合金元素を低減させ冷間鍛造性を改善したものがある。 また、 焼入れ出力や焼入れ時間等を調整すれば生材に高周波焼入れするだ けで、 低コストで所望の硬度を有するウォームが製造できる。 輪郭焼入れの 場合に比べて焼入れ時間を長くしたので、 炭素が拡散しフェライトが減少し、 ウォームの焼入範囲における残留フヱライト量が 0 _ 1 0 %となる。
ウォームを縦置きにして製造するので、 ウォームの軸が自重で曲がること が防止でき、 冷却が不均一になるのを防げる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の第 1実施例を示す正面図 (一部破断) である。
図 2は、 図 1の要部断面図である。
図 3は、 高周波輪郭焼入れ処理を施したウォームの軸方向部分断面図であ る。
図 4は、 高周波焼入れ処理を施したウォームの軸方向部分断面図である。 図 5は、 鼓形ゥオームを用いた例を示す断面図である。
図 6は、 他の鼓形ウォームを用いた例を示す断面図である。
図 7A—7 C は、 本発明の減速装置の製造装置を示す模式図であり、 それぞ れ図 7 Aは上面図、 図 7 Bは正面図、 図 7 Cは側面図である。
図 8は、 図 7A-7C の製造装置に用いられる加熱コイルの形状を示す斜視図 である。 発明の実施の形態
以下、 添付図面を参照して、 本発明の実施例を詳細に説明する。 尚、 図面 において同一部分は同一符号で示している。 また、 以下の実施例は本発明を 例示的に説明するものであり、 いかなる意味でも限定するものでないことは 言うまでもない。
図 1は、 本発明の実施例が適用可能な電動式パワーステアリング装置の正 '面図 (一部破断) であり、 図 2は、 補助操舵入力部の軸方向断面図である。 一般的なピニオンアシスト式の電動式パワーステアリング装置 1は、 補助操 舵入力部 1 0と、 補助操舵入力部 1 0と連結したラック軸 9が介揷された円 筒形のスリープ 1 2とからなっている。
図 2 を参照すると、 補助操舵入力部 1 0の入力軸 2には、 上端にステアリ ングホイール (不図示) が固定されたステアリング軸 (不図示) が自在継手 等により結合されている。 入力軸 2はトーシヨンバー 3を介して出力軸であ るピユオン軸 8に連結している。 入力軸 2及ぴピ-オン軸 8は軸受によりハ ウジング 7に回転可能に支持されている。 ピユオン軸 8の外周に形成された ピユオン歯にラック軸 9のラック歯が嚙合している。 ラック軸 9は、 プレツ シヤーパッド 1 1により軸方向に移動自在に支持されている。
トーシヨンパー 3には、 トルクセンサ 4 0が設けられ、 運転者のハンドル 操作による舵角が、 トルクセンサ 4 0に検知され、 そのトルク量に応じてパ ヮーアシストする。
車両の左右方向に延びて車両に固定された円筒状のスリーブ 1 2内に軸方 向に移動自在に配置されたラック軸 9の各端部はボールジョイント 1 3を介 して転舵輪 (不図示) に連結されている。 ジョイント 1 3はブーツ 1 4で覆 われている。
以上の構成により、 不図示のステアリングホイールの転舵によりピニオン 軸 8を回転することにより、 ラック ·ピ-オン機構で運動方向が変換され、 ラック軸 9が軸方向で左右方向に移動する。
ここで、 補助操舵入力部 1 0の作動を図 2により説明する。 補助操舵入力 部 1 0の入力軸 2にステアリング軸 (不図示) からの入力があると、 トーシ ョンパー 3を介して出力軸であるピニオン軸 8に動力が伝達される。'ピ-ォ ン軸 8の外周には金属製のウォームホイール芯金 6と樹脂製のウォームホイ ール 5とが設けられ、 ウォームホイール 5は、 電動モータ 1 5の回転軸に固 定されたウォーム 4に嚙合している。
電動モータ 1 5は、 不図示の車载 CPUに接続されている。 この CPUには、 トルクセンサ 4 0の出力や車速等の情報を入力し、 所定の信号を電動モータ 1 5に供給して、 適切な補助トルクを発生させる。 電動モータ 1 5は、 これ らの情報に基づき CPUに制御され、 その回転がウォーム 4及ぴウォームホイ ール 5を介して減速され、 出力軸であるピユオン軸 8に伝達される。 このよ うな機構で操舵力が補助される。 ウォーム 4とウォームホイール 5とで減速 装置を構成している。 次に、 図 3及ぴ図 4を用いて、 ウォーム 4の熱処理の詳細を説明する。 先 ず、 ウォーム 4の材質としては、 S 3 5 Cから S 5 0 Cなどの中炭素鋼の生 材を調質処理したもの、 または未調質の鋼を用いるが、 特に、 含ボロン鋼が 好ましい。 ウォームとして予め調質処稗した材料、 または前述の非調質鋼を 使用すると、 組織が安定化し焼入れ硬度が安定化する利点がある。
ウォーム 4と嚙合するウォームホイール 5は、 高分子系複合材料製のゥォ ームホイールである。 高分子系複合材料の強化剤としては、 例えば、 繊維状 のもの (ガラス繊維)、 または粒子状の強化ビーズやその中間体、 更にウイス カー (ひげ結晶) なども用いることができる。 しかし、 ウォームホイール 5 中の硬度の高い強化剤がウォーム 4を攻撃して摩耗させてしまうため、 ゥォ ームホイール 5と嚙合するウォーム 4の歯面の表面硬さを少なくとも HRC 5 0 (H V 5 1 3 ) 以上にする必要がある。 特に、 HRC 5 0から 6 3の範囲が 好適である。 更に、 樹脂製のウォームホイール 5に混入された強化剤より硬 いことが好ましい。
ウォーム 4の歯先 4 aを含む外周を硬化させるため、 高周波焼入れにより 熱処理する。 図 4は、 通常の高周波焼入れ工程によって硬化させた焼入れパ ターンを有するウォーム 4の軸方向部分断面図である。 焼入れパターンは、 切断、 研磨、 硝酸アルコール腐食などによって得られる。 一般に、 電動式パ ワーステアリング装置用のウォームの歯が薄肉形状であるということもあつ て、 図示のように、 焼入れ領域 3 1が歯の芯部まで入っている。
歯先がオーバーヒートを起こし、 歯先溶けや軸の大きな曲がりにつながる ことがある。 図 4において、 素材として調質鋼を使用した場合、 マルテン^" イト、 未調質の鋼の場合、 フェライト ·マルテンサイトである焼入れ領域 3 1の内径側には非焼入れ領域 3 3が存在する。 この非焼入れ領域 3 3は、 調 質鋼の場合、 ソルバイトとなっている範囲であり、 未調質の鋼の場合、 フエ ライト 'パーライトとなっている範囲である。 尚、 非焼入れ領域 3 3は、 軸 方向に渡って歯底 4 bより内径側に納まっている。
図 3は、 歯の輪郭部のみを高周波焼入れする高周波輪郭焼入れ工程によつ て硬化させた焼入れパターンを有するウォーム 4の軸方向部分断面図である。 図 3に示すように、 高周波輪郭焼入れとすると、 加熱エネルギーが表皮に沿 レ、、 また高出力で加熱エネルギーの投入、 切断を瞬時に行うため、 ウォーム 4の歯先 4 aのオーバーヒートは少なく、 歯先溶けや軸の大きな曲がりも小 さくなり、 より良い結果が得られる。 上述の理由によって、 図に示したよう に、 高周波焼入れ領域 3 0'は、 歯先 4 aの頂部を除いて、 歯面から歯底まで ほぼ均等な深さを有する。
図 3において、 素材として調質鋼を使用した場合、 マルテンサイト、 未調 質の鋼の場合、 フェライト ·マルテンサイトである焼入れ領域 3 0の内径側 には非焼入れ領域 3 2が存在する。 この非焼入れ領域 3 2は、 調質鋼の場合、 ソルバイトとなっている範囲であり、 未調質の鋼の場合、 フェライト 'パー ライトとなっている範囲である。 尚、 調質鋼は焼入れ焼き戻しをした鋼のこ とであり、 組織は細かく、 靱性が高い。
電動式パワーステアリング装置 1の減速用ウォーム 4は、 相手樹脂製ゥォ ームホイール 5の強度を確保するため、 歯丈 Hに比べて歯元幅 WB (歯厚) や歯先幅 WTが小さい。 また、 図 3に示すように、 ウォーム 4の歯先 4 aの 項部は幅が小さいため、 他の部分に比べて焼入れが深く入りやすい。 尚、 各 寸法は歯直角断面での測定である。
電動式パワーステアリング装置では、 歯丈 Hと歯元幅 WB との関係は、 例 えば、 H/WB 1となる場合もあり、 全体として軸方向に肉薄の歯である ことが特徴である。
次に、 本発明に基づく高周波輪郭焼入れの試験条件とその結果について説 明する。
Ί . 材料
S 4 5 C (調質材) 及び S 2 5 C (調質材) を用いた。
2 . 熱処理条件
設備:出力 1 0 0 O K w、 周波数 2 0 O K H z トランジスタ式高周波焼入 加熱コイル形状:クラ型コイル
冷却水量: 5 0リツトル/分 ( 3方向より冷却)
図 3に示す高周波輪郭焼入れは、 出力 4 0 0 Kw及び加熱時間 0 . 3 4 sで、 また図 4に示す高周波焼入れは、 出力 2 0 O Kw及ぴ加熱時間 1 . 3 s-で行つ た。 用いるコイルの形状を考慮する、 周波数を上げる、 出力を上げる、 冷却 速度を上げるなどにより、 高周波輪郭焼入れを制御することができる。
表 1は、 実施例の上記試験条件で行われた試験結果を示す表である。 S 4 5 C生材を用いて、 高周波輪郭焼入れを行つだ製品は、 図 3に示すようなほ ぼ歯形に沿った焼入れパターンで所望の表面硬さが得られた。 また、 S 4 5 C生材を用レ、て通常の高周波焼入れを行つた製品でも表面硬さは満足できる ものであった。 S 2 5 C生材を用いて、 高周波輪郭焼入れを行った製品は、 ほとんど焼入れされなかつた。 【表 1】
Figure imgf000011_0001
高周波輪郭焼入れの場合、 フェライトの残留があり、 硬さに若干バラツキ があるものの、 焼入れ組織については充分満足できるものであった。 また、 外観はオーバーヒートなどもなく良好であった。 更に、 高周波輪郭焼入れの 場合、 高周波焼入れの場合より、 熱処理後の変形量が小さいことがわかった。 焼入れ深さは、 表 1で、 ①の場合、 歯底で約 0. 4mm、 歯斜面部で約 0. 4mm、 歯先端部で約 1. 8mm、 また②の場合、 歯底で約 0. 6 mm、 歯 先端部から約 4. 3 mm, ③の場合、 歯底で約 0. 1 mm、 歯斜面部及び歯 先端部では焼入れ無しであった。 尚、 歯丈は、 ①〜③まで 5. 5 mmで共通 である。
以上説明した本発明は鼓形ウォームに採用することもできる。 また、 モジ ユールが 3以下のウォームに採用すると更に好適である。 図 5は、 鼓形ゥォ ームを用いた例を示す断面図である。 ケース 30内に、 ピニオン軸 31の外 周に嵌合した高分子系複合材料製のウォームホイール 25が設けられ、 ゥォ ームホイール 25は、 鼓形ウォーム 24に嚙合している。
ここで、 本明細書で採用する 「モジュール」 は、 例えば、 小原歯車工業株 式会社の 『KHK総合力タログ.歯車技術資料 3008 v o l . 6』 に記載 の 「歯直角モジュール」 であり、 円筒ウォームの歯形は JIS B1 723であ る。
鼓形ウォーム 24は、 軸受 28に支持されたウォーム軸 27に形成され、 軸方向の両端で最も径が大きく、 中央で最も径が小さくなる歯 26を有する。 ウォーム軸 2 7は、 電動モータ 1 5の回転軸 2 9に固定されている。 鼓形ゥ オームを使用すると、 負荷能力に余裕が出る、 すなわち大きな動力の伝達に 有利などの利点がある。 これ 、 鼓形ウォーム 2 4は、 ウォームの全歯 がウォームホイール 2 5 に対して有効に嚙み合う ので、 嚙み合い 歯数がきわめて多く なり、 嚙み合い面の面圧が低く なるためであ る。
図 6は、 他の鼓形ウォームを用いた例を示す断面図である。 ケース 3 0内 に、 ピユオン軸 3· 1の外周に嵌合した高分子系複合材料製のウォームホイ一 ル 3 5が設けられ、 ウォームホイール 3 5は、 鼓形ウォーム 3 4に嚙合して いる。
鼓形ウォーム 3 4は、 軸受 2 8に支持されたウォーム軸 3 7に形成され、 ウォームの歯 3 6の外径は等しいが、 軸方向の両端で最も径が大きく、 中央 で最も径が小さくなる歯底を有する。 ウォーム軸 3 7は、 電動モータ 1 5の 回転軸 2 9に固定されている。 ここで、 通常のウォームと異なるのは、 鼓形 ウォーム 3 4の歯底径が通常の場合より軸方向中央で小さくなっていること である。 これは、 ウォームホイール 3 5の外径が大きくなつていることに対 応している。 その利点は図 5の場合とほぼ同じであるが、 図 6に示すゥォ一 ムのほうが図 5に比べて加工が容易である。
次に、 本発明にかかる減速装置の製造する方法を説明する。 少なくとも歯 表皮部が高分子系複合材料製のウォームホイールと、 ウォームホイールと嚙 合するウォームとからなる減速装置を製造する。 ウォームを縦置きにしてゥ オームの歯面を、 高周波焼入れにより熱処理する。
ウォームを縦置きにするのは、 ウォームの軸が自重で曲がることを防ぐた めと、 冷却が木均一になるのを防ぐためである。
ウォームが、 調質処理した材料または非調質鋼からなる場合は、 加熱エネ ルギー出力 5 5 0— 6 0 0 Kwで本実施例では 6 0 0 K w、 加熱時間 0. 30— 0. 50秒で本実施例では 0. 35秒間、 高周波輪郭焼入れする。 これにより、 Hv 550の表面硬さを有するウォーム (図 3参照) が得られ た。
しかしながら、 ウォームが未調質の鋼からなる場合は、 上記条件では所望 の硬度が出せないため、 モジュールが 2. 65の場合、 加熱エネルギー出力 250— 30 OKw、 本実施例では 30 OKwで加熱時間 0. 60—1. 0 0秒、 本実施例では 0. 60秒間、 高周波焼入れする。 一般に、 モジュール の数値が小さくなれば、 出力は小さく、 時間は短くなる。 反対に、 モジユー ルの数値が大きくなれば、 出力は大きく、 時間は長くなる。 これにより、 許 容範囲の変形で Hv 550以上の表面硬さを有し、 焼入れパターンが輪郭と なっていないウォーム (図 4参照) が得られた。 これを非輪郭焼入れと称す ることとし、 非焼入領域 33は軸方向にわたって歯底 4 より内径側に納ま つている。 このように、 未調質の鋼を用いた場合、 加熱エネルギー出力が小 さくて済むため、 設備が小さいものでよく、 また材料も安価なため製造コス トも低くなる。 上記高周波輪郭焼入れ、 高周波焼入れとも、 出力 (Kw) に 時間 (秒) を乗じた値が 150— 300となるようにしている。
以下、 前記製造方法により、 非調質鋼ではなく予め調質処理していない材 料、 すなわち未調質の鋼としての生材を用いて製造されたウォームの基本的 な特徴を数値データで説明する。
(1) 残留フヱライト量: 0— 10%
(高周波焼入れ ·高周波焼戻し後における焼入れ範囲の数値であり、 顕微 鏡写真を画像解析して得た。 研磨前の PCD上表面から 0. 25 mmの深さで 測定。 研磨後では表面から 0. 20 mmに相当)
(2) ウォーム素材の炭素量: 0. 42— 0. 48% (S45C相当) ' (生材を燃焼一赤外線吸収法で測定して得た)
(3) ウォーム素材のフェライト量: 10— 40% (熱処理後において、 ウォームの芯部 (焼入れ範囲外) の顕微鏡写真を画 像解析して得た)
(4) 高周波焼入れ ·高周波焼戻し後におけるウォームの表面硬度: Hv 5 50-770
(ビッカース硬度計 5 Kgにて測定して得た。 研磨前の表面から 0. 25 mmの深さで測定。 研磨後では表面から 0. 2 Ommに相当)
(5) ウォームの芯部硬度 (素材硬度に相当) : HRC 22— 28
(口ックウエル硬度計 Cスケールにて測定して得た)
ここで、 (1)に示すように、 フェライト量が 0— 10%と比較的低い値にな つたのは、 輪郭焼入れの場合に比べて焼入れ時間を長くしたので、 炭素が拡 散しフェライトが減少したものである。
また、 (4)に示すように Hv 550— 770としたのは、 H v 550以上で ないと、 ウォームホイール歯面の樹脂中にあるグラスファイバーのため摩耗 し、 Hv 770以下とすれば3性をもたせ、 割れを防止できるからである。 以上説明したように、 高周波輪郭焼入れせずに、 焼入れ出力や焼入れ時間 等を調整すれば生材に高周波焼入れするだけでも、 低コストで所望の硬度を 有するウォームが製造できる。
次に、 本発明にかかるウォームの焼入れ方法に使用される焼入装置につい て、 図 7A-7C及び図 8を用いて説明する。 図 7A— 7C は、 本発明の減速装 置の製造装置を示す模式図であり、 それぞれ図 7 Aは上面図、 図 7Bは正面図、 図 7Cは側面図である。 また、 図 8は、 図 7.A-7Cの製造装置に用いられる加 熱コイルの形状を示す斜視図である。
.図 7A-7C に示すように、 焼入装置 50は、 ウォーム 70を固定したワーク 71 をセンター 80及ぴ 81により上下から支持する。 ワーク 71、 すなわち ウォーム 70は、 鉛直方向に平行に載置され、 縦置き状態となっている。
ウォーム 70を周方向で挟むように、 加熱コイル 60が配置されている。 加熱コイル 6 0は、 図 8に示すようにクラ型コイルであり、 コの字型の垂直 部 6 1及び 6 2と、 垂直部を一体に連結する連結部 6 3からなつている。 · また、 加熱コイル 6 0の外側には、 所定の間隔で 3つの冷却ジャケット 5 1、 5 2及び 5 3が配置されている。 冷却ジャケット 5 1— 5 3の軸方向長 さは、 図 7B及ぴ 7 Cに示すように、 加熱コイルの垂直部 6 1及ぴ 6 2とほぼ 同じであるが、 必ずしも同じ長さである必要はない。 例えば、 加熱コイル 6 0の垂直部 6 1及ぴ 6 2は、 図 7 B に示したウォームの焼入れ範囲 Y より少 なくとも長い軸方向長を有するものであればよい。
以上のような構成の焼入装置 5 0において、 ワーク 7 1、 すなわちウォー ム 7 0は、 不図示の駆動装置により所定の回転数で回転させながら、 焼入れ が行われる。

Claims

請求の範囲
1 . 少なくとも歯表皮部が高分子系複合材料製のウォームホイールと、 該ウォームホイールと嚙合するウォームとからなる減速装置であって、
前記ウォームの歯面は、 高周波焼入れにより熱処理されているこ.とを特徴 とする減速装置。
2 . 前記高周波焼入れは、 輪郭焼入れであることを特徴とする請求項 1に記載の減速装置。
3 . 前記ウォームは、 調質処理した材料または非調質鋼からなること を特¾¾とする請求項 1または 2に記載の減速装置。
4 . 前記ウォームの表面硬さは、 H v 5 5 0〜7 7 0であることを特 徴とする請求項 1乃至 3のいずれか 1項に記載の減速装置。
5 . 前記ウォームの焼入範囲における残留フェライ ト量が、 0— 1 0 %であることを特 i敷とする請求項 1乃至 4のいずれか 1項に記載の減速装
6 . 前記ウォームは鼓形ウォームであることを特徴とする請求項 1乃 至 5のいずれか 1項に記載の減速装置。
7 . 前記ウォームのモジュールが 3以下であることを特徴とする請求 項 1乃至 6のいずれか 1項に記載の減速装置。
8. 請求項 1乃至 7のいずれか 1項に記載の減速装置を備えたことを 特徴とする電動式パワーステアリング装置。
9. 前記ウォームは、 未調質の鋼からなることを特徴とする請求項 1 に記載の減速装置。
10. 前記高周波焼入れは、 非輪郭焼入れであることを特徴とする請 求項 9に記載の減速装置。
11. 前記ウォームの表面硬さは、 Hv 550〜770であることを 特徴とする請求項 9または 10のいずれかに記載の減速装置。
12. 前記ウォームの焼入範囲における残留フヱライ ト量が、 0— 1 0%であることを特徴とする請求項 9乃至 11のいずれか 1項に記載の減速 装置。
13. 前記ウォームは鼓形ウォームであることを特徴とする請求項 9 乃至 12のいずれか 1項に記載の減速装置。
14. 前記ウォームのモジュールが 3以下であることを特徴とする請 求項 9乃至 13のいずれか 1項に記載の減速装置。
15. 請求項 9乃至 14のいずれか 1項に記載の減速装置を備えたこ とを特徴とする電動式パワーステアリング装置。
16. 少なくとも歯表皮部が高分子系複合材料製のウォームホイール と、 該ウォームホイールと嚙合するウォームとからなる減速装置を製造する 方法であって、
前記ウォームを縦置きにして前記ウォームの歯面を、 高周波焼入れにより 熱処理することを特徴とする減速装置の製造方法。
1 7 . 前記ウォームは、 調質処理した材料または非調質鋼からなり、 出力約 5 5 0— 6 0 0 K wで約 0 . 3 0— 0 . 5 0秒間、 高周波輪郭焼入れ することを特徴とする請求項 1 6に記載の減速装置の製造方法。
1 8 . 前記ウォームは、 未調質の鋼からなり、 出力約 2 5 0— 3 0 0 K wで約 0 . 6 0— 1 . 0 0秒間、 高周波焼入れまたは高周波輪郭焼入れす ることを特徴とする請求項 1 6に記載の減速装置の製造方法。
• 1 9 . 請求項 1 6乃至 1 8のいずれか 1項に記載の製造方法で作られ た減速装置を備えたことを特徴とする電動式パワーステアリング装置。
2 0 . 少なくとも歯表皮部が高分子系複合材料製のウォームホイール と、 該ウォームホイールと嚙合するウォームとからなる減速装置を製造する 装置であって、
' 前記ウォームを縦置きに支持するセンターと、
前記ウォームを囲繞する加熱コイルと、
前記ウォームを囲繞する冷却ジャケットと、
からなり、 前記ウォームを縦置きにした状態で前記ウォームを回転させな がら、 前記ウォームの歯面を高周波焼入れにより熱処理することを特徴とす
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