WO2023026903A1 - ラック軸およびその製造方法、並びに、ラックピニオン式ステアリングギヤユニット - Google Patents

ラック軸およびその製造方法、並びに、ラックピニオン式ステアリングギヤユニット Download PDF

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WO2023026903A1
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rack
tooth
depth
hardened layer
shaft
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PCT/JP2022/030994
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Inventor
キッティポン ルンワシラア
祥史 黒川
Original Assignee
日本精工株式会社
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62DMOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D3/00Steering gears
    • B62D3/02Steering gears mechanical
    • B62D3/12Steering gears mechanical of rack-and-pinion type
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • 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
    • 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
    • C21D1/10Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation by electric induction
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • 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
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34Methods of heating
    • C21D1/42Induction heating
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
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    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/32Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for gear wheels, worm wheels, or the like
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H55/00Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02Toothed members; Worms
    • F16H55/26Racks
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 a rack shaft that constitutes a rack and pinion steering gear unit.
  • the steering gear unit is configured by combining a pinion shaft having pinion teeth on the outer peripheral surface and a rack shaft having rack teeth meshing with the pinion teeth on a part of the outer peripheral surface.
  • Patent Document 1 describes a rack shaft in which a hardened layer is formed over the entire circumference by applying induction hardening to a portion provided with rack teeth. .
  • embrittlement can be suppressed while improving bending strength and rack tooth strength (axial strength). Therefore, the weight of the rack shaft can be reduced and/or the output can be increased.
  • the rack shaft described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-169676 may increase manufacturing costs.
  • the depth (thickness) of the hardened layer is defined as: It becomes deeper (larger) in the order of the portion existing on the side opposite to the rack teeth with respect to .
  • the portion existing on the opposite side of the rack tooth in the radial direction has a smaller surface area than the portion existing radially inside the tooth bottom, it is difficult to cool. For this reason, the efficiency of the work of forming a hardened layer by induction hardening is low, and there is a possibility that the manufacturing cost of the rack shaft will increase.
  • An object of the present invention is to provide a rack shaft capable of reducing manufacturing costs while ensuring bending strength, and a manufacturing method thereof.
  • the inventors of the present invention have found that in use (while the vehicle is running), a tensile load is applied from the tie rod to the rack tooth side portion of the rack shaft, and stress is applied to the rack teeth. It has been found that under relatively severe load conditions that tend to concentrate, the load applied from the tie rod to the portion of the rack shaft on the opposite side of the rack teeth in the radial direction is a compressive load. In addition, in order to ensure the strength of the rack teeth against the tensile load applied from the tie rod during use, it is necessary to increase the hardness of the portions of the rack shaft that are present on the radially inner side of the ends on both sides of the tooth bottom in the face width direction.
  • a rack shaft includes: A rack portion having rack teeth on the outer peripheral surface, The rack portion has a hardened layer over the entire circumference in a radially outer portion (surface layer portion) including the rack teeth, The depth (thickness) of the hardened layer on the opposite side of the rack tooth in the radial direction is greater than the depth of the hardened layer on both sides of the rack tooth in the tooth width direction. shallow (small).
  • the depth of a portion of the hardened layer existing radially inward of the tooth width direction end portion of the tooth bottom existing between the axially adjacent rack teeth can be made deeper (larger) than the depth of portions of the hardened layer that are present on both sides of the rack teeth in the tooth width direction.
  • the depth of the hardened layer is set so that the depth of the hardened layer extends from the radially inner portion of the end portion of the tooth bottom in the width direction in the circumferential direction to the depth of the rack tooth in the radial direction. It can be made gradually shallower towards the part existing on the opposite side.
  • the depth of the portion of the hardened layer existing radially inward of the tooth width direction intermediate portion of the tooth bottom exists on the side opposite to the rack tooth in the radial direction. It can be shallower than the depth of the part to be
  • a method for manufacturing a rack shaft according to one aspect of the present invention is a method for manufacturing a rack shaft according to one aspect of the present invention, comprising: A step of subjecting the rack portion to heat treatment such as quenching or tempering by energizing a high-frequency induction coil arranged around the rack portion, In the step of heat-treating the rack portion, the center axis of the high-frequency induction coil is arranged in a state of being offset from the center axis of the rack portion in the radial direction opposite to the rack teeth. In other words, in the heat treatment step, the size of the gap between the high-frequency induction coil and the rack is made larger on the back side than on the rack tooth side. In this case, as the high-frequency induction coil, one having a shape similar to the contour shape of the rack portion can be used.
  • a rack and pinion steering gear unit includes: a pinion shaft having pinion teeth on its outer peripheral surface; a rack shaft having a rack portion including rack teeth meshing with the pinion teeth on a part of the outer peripheral surface in the circumferential direction,
  • the rack shaft is configured by a rack shaft according to one aspect of the present invention.
  • manufacturing costs can be reduced while ensuring bending strength.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a steering device provided with a rack and pinion steering gear unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a rack and pinion type steering gear unit according to one example of the embodiment.
  • 3 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the rack shaft taken out.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view along YY in FIG. 6A, 6B, and 6C are cross-sectional views showing a procedure for forming rack teeth in order of steps.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing how induction hardening is applied to the rack shaft.
  • FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the load applied to the rack shaft.
  • 9A and 9B are diagrams showing another two examples of the cross-sectional shape of the rack shaft.
  • FIG. 1 An example of an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7.
  • FIG. The characteristic of the rack shaft 4 of this example is that the depth (thickness) of the hardened layer 26 is regulated so that the bending strength can be secured and the manufacturing cost can be suppressed.
  • the depth of the hardened layer 26 of the rack shaft 4 will be explained, and then the method of manufacturing the rack shaft 4 will be explained.
  • the front-rear direction means the front-rear direction of the vehicle
  • the up-down direction means the up-down direction of the vehicle
  • the left-right direction means the width direction of the vehicle.
  • the steering device 1 converts the rotational motion of a steering wheel 2 operated by a driver into reciprocating linear motion by a rack and pinion type steering gear unit 5 having a pinion shaft 3 and a rack shaft 4.
  • a desired steering angle is given to left and right steering wheels (not shown).
  • the steering wheel 2 is fixed to the rear end of the steering shaft 6 .
  • the front end of the steering shaft 6 is connected to the base end of the pinion shaft 3 via a pair of universal joints 7 and an intermediate shaft 8 .
  • both ends in the axial direction of the rack shaft 4 meshing with the pinion shaft 3 are connected to a pair of tie rods 9 respectively connected to the left and right steering wheels.
  • the steering gear unit 5 includes a housing 10, a pinion shaft 3, a rack shaft 4, and a pressing mechanism 11.
  • the housing 10 includes a rack accommodating portion 12 that accommodates an axially intermediate portion of the rack shaft 4, a pinion accommodating portion 13 that accommodates the front half portion of the pinion shaft 3, a cylinder portion 14 that accommodates the pressing mechanism 11, and a vehicle body. and a pair of mounting flanges 15 for fixing.
  • the internal space of the rack accommodating portion 12, the internal space of the pinion accommodating portion 13, and the internal space of the cylinder portion 14 communicate with each other.
  • the housing 10 is integrally formed by die-casting a light alloy such as an aluminum alloy.
  • the housing 10 can also be constructed by connecting a plurality of parts by bolting, welding, or the like.
  • the rack accommodating portion 12 has a cylindrical shape extending in the left-right direction, and has openings at both ends in the axial direction (both sides in the left-right direction).
  • the rack accommodating portion 12 is arranged substantially horizontally.
  • the pinion housing portion 13 has a bottomed cylindrical shape and an opening at the upper end.
  • a pinion accommodating portion 13 is located on the front side (left side in FIG. 3) of the rack accommodating portion 12 and at a position biased to one side (left side in FIGS. 1 and 2) in the axial direction of the rack accommodating portion 12, and It is arranged in a twisted positional relationship with respect to the rack accommodating portion 12 . That is, the central axis of the pinion accommodating portion 13 and the central axis of the rack accommodating portion 12 are in a twisted positional relationship.
  • the central axis of the pinion accommodating portion 13 is not arranged in a direction orthogonal to the central axis of the rack accommodating portion 12, but is inclined with respect to the orthogonal direction. .
  • the cylinder part 14 has a substantially cylindrical shape. Such a cylinder portion 14 is arranged on the rear side of the rack accommodating portion 12 (on the right side in FIG. 3) and at a position offset to one side of the rack accommodating portion 12 in the axial direction. Specifically, the cylinder portion 14 is arranged at the same position as the pinion accommodating portion 13 in the axial direction of the rack accommodating portion 12 . In addition, the cylinder portion 14 extends in the front-rear direction of the direction perpendicular to the rack accommodating portion 12 . Therefore, the central axis of the cylinder portion 14 is arranged in a direction perpendicular to the central axis of the rack accommodating portion 12 .
  • the pair of mounting flange portions 15 are arranged on the front side of the rack accommodating portion 12 and are separated from each other in the axial direction of the rack accommodating portion 12 .
  • the housing 10 is fixed to the vehicle body using fixing members such as bolts and studs inserted through the mounting flange portion 15 .
  • the pinion shaft 3 has pinion teeth 16 on its outer peripheral surface.
  • the pinion shaft 3 has pinion teeth 16 on the outer peripheral surface near the tip.
  • the pinion shaft 3 has a front half disposed inside the pinion housing portion 13 and is rotatably supported in the pinion housing portion 13 by a pair of bearings 17a and 17b. Specifically, the tip portion of the pinion shaft 3 is rotatably supported by a slide bearing 17a with respect to the inner side portion of the pinion accommodating portion 13 .
  • the intermediate portion of the pinion shaft 3 is rotatably supported by a single-row rolling bearing (ball bearing) 17b of a deep groove type, three-point contact type, four-point contact type, or the like with respect to a portion near the opening of the pinion accommodating portion 13. are doing.
  • a holding screw cylinder 18 is screwed into the open end of the pinion accommodating portion 13 to regulate the axial position of the rolling bearing 17b.
  • a seal ring 19 closes the gap between the inner peripheral surface of the holding screw cylinder 18 and the outer peripheral surface of the pinion shaft 3 .
  • the rack shaft 4 of this embodiment is solid.
  • the rack shaft 4 also includes a rack portion 21 having rack teeth 20 on a part of the outer peripheral surface in the circumferential direction.
  • the rack shaft 4 has rack teeth 20 at a position biased to one side in the axial direction on the front surface. That is, the rack shaft 4 has the rack portion 21 at a position offset to one side in the axial direction (left side in FIG. 4) in the axially intermediate portion, and the shaft portion at a position away from the rack portion 21 in the axial direction. 22a, 22b.
  • the rack portion 21 has a substantially D-shaped (substantially arcuate) cross-sectional shape (contour shape), and the shaft portions 22a and 22b have a circular cross-sectional shape (contour shape).
  • the rack shaft 4 has threaded holes 23 that open to the end faces on both sides in the axial direction.
  • a rack shaft 4 is made of, for example, an iron-based alloy such as carbon steel (S45C to S58C, etc.) or chromium molybdenum steel (SCM415 to SCM440, etc.).
  • the rack shaft 4 is supported inside the rack accommodating portion 12 by a rack bushing 24 disposed inside the portion near the other end in the axial direction of the rack accommodating portion 12 so as to be able to reciprocate in the axial direction (horizontal direction).
  • the rack teeth 20 are meshed with the pinion teeth 16.
  • the ends of the rack shaft 4 on both sides in the axial direction protrude from the openings on both sides in the axial direction of the rack accommodating portion 12, and are connected to the base ends of the tie rods 9 via spherical joints 25 screwed and fixed to the screw holes 23. It is connected.
  • the tip portions of the tie rods 9 are connected to tip portions of knuckle arms (not shown) by pivots.
  • the rack shaft 4 does not rotate around its own central axis due to the meshing of the pinion teeth 16 and the rack teeth 20 .
  • the rack portion 21 has a hardened layer 26 over the entire circumference on a radially outer portion (surface layer portion) including the rack teeth 20 .
  • the hardened layer 26 is formed on the radially outer portion of the rack shaft 4 (rack portion 21) by heat-treating a portion of the rack shaft 4 that includes at least the rack portion 21. I have not reached the department. That is, the rack portion 21 has the non-hardening layer 27 in the central portion.
  • the hardened layer 26 is continuous in the circumferential direction of the rack portion 21 and has an annular shape (D-shaped annular shape) in a cross section orthogonal to the central axis O4 of the rack shaft 4 . The depth of the hardened layer 26 will be described later.
  • the pressing mechanism 11 presses the rack shaft 4 toward the pinion shaft 3, and includes a rack guide 28 provided in the cylinder portion 14, a cover 29 screwed to the opening of the cylinder portion 14, and a cover 29 screwed to the opening of the cylinder portion 14.
  • a coil spring 30 arranged between the rack guide 28 and the cover 29 is provided.
  • the rack guide 28 is arranged inside the cylinder portion 14 so as to be movable in the longitudinal direction, which is the axial direction of the cylinder portion 14 .
  • Such a rack guide 28 has a substantially cylindrical shape, and the front end face facing the rear surface of the rack shaft 4 has a rear surface shape of the rack shaft 4 for slidably supporting the rack shaft 4 . It has a partially cylindrically concave pressing recess 31 that matches the .
  • a synthetic resin sheet 32 having excellent slidability is attached to the surface of the pressing recess 31 .
  • the pressing mechanism 11 as described above elastically presses the rack shaft 4 toward the pinion shaft 3 to eliminate backlash at the meshing portion between the pinion teeth 16 and the rack teeth 20 . Furthermore, the meshing state of the pinion teeth 16 and the rack teeth 20 is properly maintained regardless of the force applied to the rack shaft 4 in the direction away from the pinion shaft 3 due to power transmission at the meshing portion.
  • the depth of the hardened layer 26 of the rack shaft 4 is regulated as follows.
  • the depth tb of the portion of the hardening layer 26 that exists on the opposite side of the rack tooth 20 in the radial direction, that is, on the back side (lower side in FIG. 5) is defined as It is made shallower (smaller) than the depth t s of the portions present on both sides (left-right direction in FIG. 5) (t b ⁇ t s ).
  • the depths ts of the portions of the hardened layer 26 that are present on both sides of the rack tooth 20 in the tooth width direction are the same. 26 may be different from each other as long as the size relationship with the depth tb of the portion existing on the opposite side of the rack tooth 20 in the radial direction is satisfied.
  • the depth tb of the portion of the hardened layer 26 that exists on the side opposite to the rack tooth 20 in the radial direction is the cross section perpendicular to the central axis of the rack shaft 4 (the central axis of the shaft portions 22a and 22b) O4 .
  • the depth ts of the portion of the hardened layer 26 that exists on both sides of the rack tooth 20 in the tooth width direction passes through the center of gravity G of the cross section perpendicular to the central axis O4 of the rack shaft 4, and , and the straight line perpendicular to the straight line L1 is L2 . It means the radius of the tangent circle Cs .
  • the depth td of a portion of the hardened layer 26 existing radially inside the tooth width direction end portion of the tooth bottom 33 existing between the axially adjacent rack teeth 20 is defined as the depth td of the hardened layer 26. It is deeper (larger) than the depth t s of the portions existing on both sides of the rack teeth 20 in the tooth width direction (t d >t s ).
  • the depth td of the portion of the hardened layer 26 existing radially inward of the tooth width direction end portion of the tooth bottom 33 existing between the axially adjacent rack teeth 20 is equal to the depth td of the rack shaft 4. It is the radius of a circle Cd centered on the end of the tooth bottom 33 in the width direction and in contact with the boundary between the hardened layer 26 and the non-hardened layer 27 in a cross section perpendicular to the central axis O4 .
  • the depth of the hardened layer 26 is defined by the radially inner portion of the tooth bottom 33 at the end in the face width direction, the portion present on both sides of the rack tooth 20 in the face width direction, and the depth of the rack tooth 26 in the radial direction. It becomes shallower in the order of the portion existing on the opposite side (back side) of the tooth 20 (t d >t s >t b ). More specifically, in the present example, the depth of the hardening layer 26 extends from the radially inner side of the end of the tooth bottom 33 in the width direction to the side opposite to the rack tooth 20 in the circumferential direction.
  • the depth of the hardened layer 26 is measured in the circumferential direction from the center of gravity G and the central axis O4 from the portion (the portion of depth td ) existing radially inward of the end portion of the tooth bottom 33 in the width direction. It gradually becomes shallower as it approaches a portion (portion of depth tb ) on a straight line L1 passing through .
  • the depth of the hardened layer 26 in the portion other than the depth t d of the circle centered at a point on the contour (peripheral surface) of the rack shaft 4 and in contact with the boundary between the hardened layer 26 and the non-hardened layer 27 Say the radius.
  • the rack portion 21 has a substantially D-shaped (substantially arcuate) cross-sectional shape (contour shape). It is easy to make the depth of 26 gradually shallower. If the portion of the rack portion 21 other than the rack teeth 20 has corners, it is not preferable because it is difficult to control the heat treatment, structure, and hardness. In particular, since heat is easily transferred to and from the corners, the hardened layer tends to be thickened by the heat treatment.
  • the depth tf of the portion of the hardened layer 26 located radially inside the tooth width direction intermediate portion (central portion) of the tooth bottom 33 is on the side opposite to the rack tooth 20 in the radial direction. (t f ⁇ t b ) .
  • the Young Experiments by the inventors have revealed that the increase in strain rate makes it difficult for the strain to reach the rack teeth 20 , thereby making it difficult to reach the breaking limit of the rack shaft 4 .
  • the depth tf of the portion of the hardened layer 26 located radially inward of the intermediate portion in the face width direction of the tooth bottom 33 is is not particularly limited as long as a sufficient depth td can be secured, and the depth can be deeper than the depth tb .
  • the hardened layer 26 is a portion hardened by induction hardening and having a Vickers hardness (Hv) of 450 or higher, preferably 550 or higher, more preferably 600 or higher.
  • Hv Vickers hardness
  • the depth of the hardened layer 26 is appropriately determined depending on the metal material forming the rack shaft 4, the outer diameter (the outer diameter of the shaft portions 22a and 22b), and the like. Specifically, for example, when the rack shaft 4 is made of medium carbon steel (S48C) containing 0.45% to 0.51% carbon, the end of the hardened layer 26 in the face width direction of the root 33
  • the depth td of the portion existing radially inward of the portion can be 6% or more and 35% or less of the outer diameter D of the rack shaft 4 (shaft portions 22a, 22b).
  • the outer diameter D of the rack shaft 4 is equal to the outer diameter (material diameter) of the spare material 34 described later.
  • the depth tb of the portion of the hardened layer 26 that exists on the opposite side of the rack tooth 20 in the radial direction is the depth t It can be 40% or more and 70% or less, preferably 50% or more and 60% or less of the depth td of the portion.
  • the rack shaft 4 as described above can be manufactured as follows.
  • a metal bar having a circular cross-sectional shape is cut to a predetermined length to obtain a columnar preliminary material 34 whose outer diameter does not change over the axial direction, as shown in FIG. 6(A).
  • the hardness of the preliminary material 34 is set to Vickers hardness (Hv) of about 180 to 320 by subjecting the preliminary material to tempering treatment.
  • the flat surface portion 35 is formed by pressing the portion of the preliminary material 34 where the rack portion 21 is to be formed with a punch while the rear surface of the preliminary material 34 is restrained by the mold. Therefore, the back surface of the intermediate material 36 is configured by a cylindrical surface whose diameter is approximately the same as the diameter of the material.
  • the surfaces of the intermediate material 36 on both sides in the width direction are configured by convex curved surfaces having a diameter larger than the diameter of the material.
  • the flat surface portion 35 of the intermediate material 36 is subjected to tooth forming processing such as pressing and/or cutting to form the rack teeth 20 . Furthermore, the end faces on both sides in the axial direction are drilled to form screw holes 23 . Thus, as shown in FIG. 6C, a rack shaft 4z before heat treatment is obtained. It should be noted that the order of obtaining the rack shaft 4z from the metal bar may be changed or carried out at the same time as long as there is no contradiction.
  • the rack shaft 4 is obtained by heat-treating the portion of the rack shaft 4z before the heat treatment where the rack portion 21 is to be formed and forming the hardened layer 26 .
  • the rack shaft 4z before the heat treatment is subjected to induction hardening and then to tempering to form a hardened layer 26, whereby the rack shaft 4 is obtained.
  • a method of performing induction hardening will be described with reference to FIG.
  • the high-frequency hardening process is performed using an annular high-frequency induction coil 37.
  • the high-frequency induction coil 37 has a similar shape (including a substantially similar shape) that is larger than the contour shape of the rack portion 21 . That is, the high-frequency induction coil 37 has a substantially arc-shaped curved portion 37a and straight portions 37b that connect both ends of the curved portion 37a in the circumferential direction.
  • the high-frequency induction coil 37 is placed around the rack shaft 4z, the central axis of the high-frequency induction coil 37 (the central axis of the curved portion 37a) O 37 , the central axis of the rack shaft 4z (the partial cylindrical surface forming the back surface of the rack shaft 4z) center axis) O4 of the rack axis 4z on the rear side (lower side in FIG. 7) of the rack axis 4z. That is, the distance between the inner peripheral surface of the high-frequency induction coil 37 and the outer peripheral surface of the rack shaft 4z is located on the opposite side of the rack tooth 20 in the circumferential direction from both ends of the tooth bottom 33 in the tooth width direction.
  • the high-frequency induction coil 37 is arranged so that it becomes gradually deeper as it goes to the part where it touches. In this state, the high-frequency induction coil 37 is energized to heat the radially outer portion (surface layer portion) of the rack shaft 4z, and then the rack shaft 4z is cooled, so that the rack shaft 4z is subjected to high-frequency hardening.
  • a hardened layer 26 is formed by further performing a tempering process, and the rack shaft 4 is obtained.
  • the tempering treatment can be performed using the high-frequency induction coil 37 as described above or another coil having the same shape as this, or can be performed by another method. Further, the shaft portions 22a and 22b axially deviated from the rack portion 21 may or may not be subjected to heat treatment.
  • the depth tb of the portion of the hardened layer 26, which has a small surface area and is difficult to cool and which exists on the opposite side (rear side) of the rack tooth 20 in the radial direction, is the depth of the portion which exists on both sides in the tooth width direction. It is shallower than the depth ts (t b ⁇ t s ). Therefore, since the amount of heat treatment can be reduced, the efficiency of the work for forming the hardened layer 26 can be improved, and the manufacturing cost of the rack shaft 4 can be suppressed.
  • the back side of the rack portion 21 (the side opposite to the rack teeth 20) mainly receives a compressive load, and has a simpler shape than the rack teeth 20, so that stress concentration does not occur, so it is relatively strong. expensive.
  • the back side of the rack portion 21 has a simple shape and does not come into contact with the edge portion, so cooling tends to be relatively slow. Therefore, if the heat input is increased, the crystal grain size of the surface and core structure will increase, and there is a possibility that the strength and toughness will decrease. Therefore, if the depth tb of the hardened layer on the back side of the rack portion 21 is made shallow as described above, a sound structure can be obtained and sufficient strength can be imparted.
  • the tilt angle of the tie rod 9 in the front-rear direction with respect to the rack shaft 4 changes.
  • the rack shaft 4 moves toward one side in the axial direction (left side in FIG. 8) and pushes the tie rod 9 on the one side in the axial direction.
  • a reaction force is applied to the rack shaft 4 in the direction indicated by the arrow ⁇ in FIG.
  • a tensile load is applied to the rack tooth 20 side portion of the rack shaft 4, and a compressive load is applied to the portion existing on the opposite side (back side) of the rack tooth 20 in the radial direction. . That is, in a state where a tensile load is applied to the rack tooth 20 side portion of the rack shaft 4 and stress is likely to concentrate on the rack tooth 20, a compressive load is applied to the portion on the opposite side of the rack tooth 20 in the radial direction. Join. Moreover, the portion of the rack shaft 4 located on the opposite side of the rack tooth 20 in the radial direction has a simple shape, and stress concentration is less likely to occur.
  • the rack shaft 4 should be designed so as to ensure sufficient bending strength under relatively severe conditions in which a tensile load is applied to the rack tooth 20 side portion.
  • the depth td of a portion of the hardened layer 26 existing radially inward of the tooth width direction end portion of the tooth bottom 33 existing between the axially adjacent rack teeth 20 is defined as hardened It is made deeper than the depth t s of the portions existing on both sides of the rack teeth 20 in the tooth width direction in the layer 26 (t d >t s ). Therefore, it is possible to sufficiently ensure the strength of the rack teeth 20 against the tensile load applied from the tie rod 9 in use.
  • the high-frequency induction coil 37 is arranged around the rack shaft 4z, and the central axis O37 of the high-frequency induction coil 37 is arranged on the rear side of the rack shaft 4z with respect to the central axis O4 of the rack shaft 4z.
  • the high-frequency induction hardening process is performed by energizing the high-frequency induction coil 37 in the state of being offset. For this reason, the portions existing radially inward of the end portions in the tooth width direction of the tooth bottom 33, the portions existing on both sides of the rack teeth 20 in the tooth width direction, and the portions existing on the opposite sides of the rack teeth 20 in the radial direction are arranged in this order.
  • a stiffening layer 26 having a shallower depth can be easily formed.
  • the flat surface portion 35 is formed by pressing the cylindrical preliminary material 34 , and then the rack teeth 20 are formed on the flat surface portion 35 . Therefore, compared to the case where the rack teeth are formed directly on the partial cylindrical surface without forming the flat surface portion 35, the tooth width of the rack teeth 20 can be easily increased.
  • the present invention can also be applied to a rack shaft 4a in which rack teeth 20 are formed directly on a partial cylindrical surface, as shown in FIG. 9(A).
  • the present invention can also be applied to a rack shaft 4b having a substantially trapezoidal cross-sectional shape, as shown in FIG. 9(B).
  • the rack shaft 4a shown in FIG. 9(A) and the rack shaft 4b shown in FIG. 9(B) are solid.
  • the rack shaft 4a shown in FIG. 9A and the rack shaft 4b shown in FIG. on both sides of the rack tooth 20 in the tooth width direction, and on the opposite side (back side) of the rack tooth 20 in the radial direction (t d >t s >t b ).
  • the depth of the hardened layer 26 in the circumferential direction is the same as that of the rack tooth in the radial direction from the radially inner portion of the end of the tooth bottom 33 in the tooth width direction. It gradually becomes shallower toward the part existing on the opposite side of 20 .
  • the depth of the hardened layer 26 in the circumferential direction is the same as that of the rack teeth in the radial direction from the radially inner portion of the end portion of the tooth bottom 33 in the tooth width direction. It does not gradually become shallow toward the portion existing on the opposite side of 20 .
  • the depth of the hardened layer 26 in the circumferential direction is the same as that of the rack teeth in the radial direction from the radially inner portion of the end portion in the tooth width direction of the tooth bottom 33. It is also possible to make the depth gradually shallower toward the portion existing on the opposite side of 20 .
  • the present invention is a rear-pull type steering gear unit in which the pinion shaft 3 is arranged on the front side of the rack shaft 4 and the rack shaft is arranged on the rear side of the central axis of the axle of the steered wheels (front wheels).
  • the present invention is a front-pull type steering gear unit in which the pinion shaft is arranged rearward of the rack shaft and the rack shaft is arranged forward of the central axis of the axle of the steered wheels.
  • the present invention is not limited to a rack shaft having only one rack portion in the axial direction, but can also be applied to a rack shaft for a dual pinion electric power steering device having two rack portions in the axial direction.
  • the depth of the portion existing on the opposite side of the rack tooth in the radial direction is the depth of the portion existing on both sides of the rack tooth in the face width direction. It is also possible to make the depth of the hardening layer provided on both rack portions shallower than the depth of the portion that exists on the opposite side of the rack tooth in the radial direction. It can also be shallower than the depth of the portion present in the .
  • the cross-sectional shape of the rack shaft 4 and the depth of the hardened layer 26 are symmetrical with respect to the tooth width direction of the rack teeth 20 in the cross section perpendicular to the central axis O4 of the rack shaft 4 .
  • the depth of the portion of the hardened layer that exists on the opposite side of the rack tooth in the radial direction is shallower than the depth of the portion of the hardened layer that exists on both sides of the rack tooth in the tooth width direction.
  • the depth of a portion of the hardened layer existing radially inward of the tooth width direction end portion of the tooth bottom existing between the axially adjacent rack teeth is
  • the cross-sectional shape of the rack shaft and/or the depth of the hardened layer may be asymmetrical with respect to the tooth width direction, as long as the depth of the hardened layer is greater than the depth of the portions present on both sides of the rack tooth with respect to the tooth width direction.

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Abstract

ラック部(21)は、ラック歯(20)を含む径方向外側部分に、硬化層(26)を全周にわたり有する。硬化層(26)のうち、径方向に関してラック歯(20)と反対側に存在する部分の深さ(tb)を、硬化層(26)のうち、ラック歯(20)の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さ(ts)よりも浅くする。

Description

ラック軸およびその製造方法、並びに、ラックピニオン式ステアリングギヤユニット
 本発明は、ラックピニオン式ステアリングギヤユニットを構成するラック軸に関する。
 自動車用のステアリング装置では、運転者がステアリングホイールを操作する(回転させる)と、ステアリングホイールの回転は、ステアリングシャフトや中間シャフトを介して、ステアリングギヤユニットのピニオン軸に伝達される。ピニオン軸が回転することにより、ステアリングギヤユニットのラック軸が車両の幅方向に変位すると、1対のタイロッドが押し引きされて、操舵輪に舵角が付与される。
 ステアリングギヤユニットは、外周面にピニオン歯を有するピニオン軸と、外周面の一部に、ピニオン歯と噛合するラック歯を有するラック軸とを組み合わせることにより構成されている。
 近年、ラックピニオン式ステアリングギヤユニットには、さらなる軽量化と高出力化への対応が求められている。日本国特開2020-169676号公報(特許文献1)には、ラック歯が備えられた部分に、高周波焼き入れ処理を施すことによって、硬化層を全周にわたって形成したラック軸が記載されている。日本国特開2020-169676号公報に記載のラック軸によれば、曲げ強度およびラック歯の強度(軸方向強度)を向上しつつ、脆化を抑制することができる。このため、ラック軸を、軽量化および/または高出力化することができる。
日本国特開2020-169676号公報
 日本国特開2020-169676号公報に記載のラック軸は、製造コストが増大してしまう可能性がある。
 日本国特開2020-169676号公報に記載のラック軸では、硬化層の深さ(厚さ)は、歯底の径方向内側に存在する部分、歯幅方向に関して両側に存在する部分、径方向に関してラック歯と反対側に存在する部分の順に深く(大きく)なっている。ここで、径方向に関してラック歯と反対側に存在する部分は、歯底の径方向内側に存在する部分よりも表面積が小さいため、冷却されにくい。このため、高周波焼き入れ処理によって硬化層を形成する作業の効率が低く、ラック軸の製造コストが増大してしまう可能性がある。
 本発明の目的は、曲げ強度を確保しつつ、製造コストを抑えることができるラック軸、並びに、その製造方法を提供することにある。
 本発明者等は、上記課題を解決する手段について鋭意検討した結果、使用状態(車両の走行中)において、タイロッドからラック軸のうちのラック歯側部分に引っ張り荷重が加わり、ラック歯に応力が集中しやすい比較的厳しい荷重条件では、タイロッドからラック軸のうちの径方向に関してラック歯と反対側に存在する部分に加わる荷重は、圧縮荷重であるとの知見を得た。また、使用状態において、タイロッドから加わる引張荷重に対するラック歯の強度を確保するためには、ラック軸のうち、歯底の歯幅方向両側の端部の径方向内側に存在する部分の硬さを確保することが重要であるとの知見を得た。また、金属材料は、硬度が高いとヤング率が低くなり、硬度が低いと高くなることが知られている。このため、径方向に関してラック歯と反対側(背面側)に存在する部分の硬化層の深さを他の部分よりも深くした場合、ラック軸のうち、背面側部分の剛性が低くなり、ラック軸に曲げ荷重が加わったときの変形が大きくなって、結果的にラック歯の歯面に生じる応力が大きくなるとの知見を得た。本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。
 本発明の一態様にかかるラック軸は、
 外周面にラック歯を有するラック部を備え、
 前記ラック部は、前記ラック歯を含む径方向外側部分(表層部)に、硬化層を全周にわたり有しており、
 前記硬化層のうち、径方向に関して前記ラック歯と反対側に存在する部分の深さ(厚さ)が、前記硬化層のうち、前記ラック歯の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さよりも浅い(小さい)。
 本発明の一態様にかかるラック軸では、前記硬化層のうち、軸方向に隣り合う前記ラック歯同士の間に存在する歯底の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分の深さを、前記硬化層のうち、前記ラック歯の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さよりも深く(大きく)することができる。
 本発明の一態様にかかるラック軸では、前記硬化層の深さを、円周方向に関して、前記歯底の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分から、径方向に関して前記ラック歯と反対側に存在する部分へ向かうにしたがって漸次浅くすることができる。
 本発明の一態様にかかるラック軸では、前記硬化層のうち、前記歯底の歯幅方向中間部の径方向内側に存在する部分の深さは、径方向に関して前記ラック歯と反対側に存在する部分の深さよりも浅くすることができる。
 本発明の一態様にかかるラック軸の製造方法は、本発明の一態様にかかるラック軸を製造するための方法であって、
 前記ラック部の周囲に配置した高周波誘導コイルに通電することで、前記ラック部に、焼き入れや焼き戻し等の熱処理を施す工程を備え、
 前記ラック部に熱処理を施す工程において、前記高周波誘導コイルの中心軸を、前記ラック部の中心軸に対して、径方向に関して前記ラック歯と反対側にオフセットした状態で配置する。別の言い方をすれば、前記熱処理を施す工程において、前記高周波誘導コイルと前記ラック部との間の隙間の大きさを、前記ラック歯側よりも背面側で大きくする。
 この場合には、前記高周波誘導コイルとして、前記ラック部の輪郭形状と相似形状を有するものを使用することができる。
 本発明の一態様にかかるラックピニオン式ステアリングギヤユニットは、
 外周面にピニオン歯を有するピニオン軸と、
 外周面の円周方向一部に、前記ピニオン歯と噛合するラック歯を含むラック部を有するラック軸と、を備え、
 前記ラック軸が、本発明の一態様にかかるラック軸により構成される。
 本発明の一態様にかかるラック軸によれば、曲げ強度を確保しつつ、製造コストを抑えることができる。
図1は、本発明の実施の形態の1例にかかるラックピニオン式ステアリングギヤユニットを備えるステアリング装置を示す、斜視図である。 図2は、実施の形態の1例にかかるラックピニオン式ステアリングギヤユニットを示す、部分断面図である。 図3は、図2のX-X断面図である。 図4は、ラック軸を取り出して示す斜視図である。 図5は、図4のY-Y断面図である。 図6(A)、図6(B)及び図6(C)は、ラック歯を形成する手順を工程順に示す断面図である。 図7は、ラック軸に高周波焼き入れ処理を施す様子を示す、断面図である。 図8は、ラック軸に加わる荷重を説明するための模式図である。 図9(A)及び図9(B)は、ラック軸の断面形状の別の2例を示す図である。
 本発明の実施の形態の1例について、図1~図7を用いて説明する。本例のラック軸4の特徴は、硬化層26の深さ(厚さ)を規制することにより、曲げ強度を確保しつつ、製造コストを抑えることができる構造にある。以下、まず、ステアリング装置1の全体構造およびステアリングギヤユニット5の構造を説明した後、ラック軸4の硬化層26の深さについて説明し、さらに、ラック軸4の製造方法について説明する。なお、以下の説明において、前後方向は、車両の前後方向を意味し、上下方向は、車両の上下方向を意味し、左右方向は、車両の幅方向を意味する。
 ステアリング装置1は、図1に全体構成を示すように、運転者が操作するステアリングホイール2の回転運動を、ピニオン軸3とラック軸4とを有するラックピニオン式のステアリングギヤユニット5により往復直線運動に変換することで、図示しない左右の操舵輪に対し所望の舵角を付与する。このために、ステアリングホイール2を、ステアリングシャフト6の後端部に固定している。また、ステアリングシャフト6の前端部を、1対の自在継手7および中間シャフト8を介して、ピニオン軸3の基端部に接続している。さらに、ピニオン軸3と噛合するラック軸4の軸方向両側の端部を、それぞれが左右の操舵輪に連結された1対のタイロッド9に接続している。
 ステアリングギヤユニット5は、ハウジング10と、ピニオン軸3と、ラック軸4と、押圧機構11と、を備えている。
 ハウジング10は、ラック軸4の軸方向中間部を収容するラック収容部12と、ピニオン軸3の先半部を収容するピニオン収容部13と、押圧機構11を収容するシリンダ部14と、車体に固定するための1対の取付フランジ部15と、を備える。ラック収容部12の内部空間と、ピニオン収容部13の内部空間と、シリンダ部14の内部空間とは、互いに連通している。
 なお、ハウジング10は、アルミニウム系合金等の軽合金をダイキャスト成形することにより一体的に造られている。あるいは、ハウジング10は、複数の部品を、ボルト止め若しくは溶接等により結合することで構成することもできる。
 ラック収容部12は、左右方向に伸長する円筒形状を有し、かつ、軸方向両側(左右方向両側)の端部に開口を有する。ラック収容部12は、略水平に配置されている。
 ピニオン収容部13は、有底円筒形状を有し、かつ、上側の端部に開口を有する。このようなピニオン収容部13は、ラック収容部12の前側(図3の左側)で、かつ、ラック収容部12の軸方向片側(図1および図2の左側)に偏った位置で、かつ、ラック収容部12に対しねじれの位置関係に配置されている。すなわち、ピニオン収容部13の中心軸とラック収容部12の中心軸とは、ねじれの位置関係にある。また、前後方向から見て、ピニオン収容部13の中心軸は、ラック収容部12の中心軸に対して直交する方向には配置されておらず、直交する方向に対し傾斜して配置されている。
 シリンダ部14は、略円筒形状を有する。このようなシリンダ部14は、ラック収容部12の後側(図3の右側)で、かつ、ラック収容部12の軸方向片側に偏った位置に配置されている。具体的には、シリンダ部14は、ラック収容部12の軸方向に関して、ピニオン収容部13と同じ位置に配置されている。また、シリンダ部14は、ラック収容部12に対し直交する方向のうち前後方向に伸長している。このため、シリンダ部14の中心軸は、ラック収容部12の中心軸に対して直交する方向に配置されている。
 1対の取付フランジ部15は、ラック収容部12の前側に、ラック収容部12の軸方向に離隔して配置されている。ハウジング10は、取付フランジ部15を挿通したボルトやスタッド等の固定部材を用いて、車体に対して固定される。
 ピニオン軸3は、外周面にピニオン歯16を有する。本例では、ピニオン軸3は、外周面の先端寄り部分にピニオン歯16を有する。ピニオン軸3は、先半部をピニオン収容部13の内側に配置し、ピニオン収容部13に対して、1対の軸受17a、17bにより回転のみ可能に支持されている。具体的には、ピニオン軸3の先端部を、ピニオン収容部13の奥側部に対し、滑り軸受17aにより回転自在に支持している。また、ピニオン軸3の中間部を、ピニオン収容部13の開口寄り部分に対し、深溝型、3点接触型または4点接触型等の単列の転がり軸受(玉軸受)17bにより回転自在に支持している。また、ピニオン収容部13の開口端に抑えねじ筒18を螺着して、転がり軸受17bの軸方向位置を規制している。さらに、抑えねじ筒18の内周面とピニオン軸3の外周面との間の隙間を、シールリング19により塞いでいる。
 本実施形態のラック軸4は、中実である。また、ラック軸4は、外周面の円周方向一部にラック歯20を有するラック部21を備える。本例では、ラック軸4は、前面の軸方向片側に偏った位置にラック歯20を有する。すなわち、ラック軸4は、軸方向中間部のうち、軸方向片側(図4の左側)に偏った位置にラック部21を有し、かつ、ラック部21から軸方向に外れた位置に軸部22a、22bを有する。ラック部21は、略D字形(略弓形)の断面形状(輪郭形状)を有し、かつ、軸部22a、22bは、円形の断面形状(輪郭形状)を有する。また、ラック軸4は、軸方向両側の端面に開口するねじ孔23を有する。このようなラック軸4は、たとえば、炭素鋼(S45C~S58C等)やクロムモリブデン鋼(SCM415~SCM440等)等の鉄系合金により構成されている。
 ラック軸4は、ラック収容部12の軸方向他端寄り部分の内側に配置されたラックブッシュ24により、ラック収容部12の内側に、軸方向(左右方向)に関する往復移動を可能に支持され、ラック歯20をピニオン歯16に噛合させている。ラック軸4の軸方向両側の端部は、ラック収容部12の軸方向両側の開口から突出しており、ねじ孔23にねじ止め固定された球面継手25を介して、タイロッド9の基端部に接続されている。タイロッド9の先端部は、それぞれ図示しないナックルアームの先端部に、枢軸により結合している。なお、ラック軸4は、ピニオン歯16とラック歯20との噛合により、自身の中心軸周りで回転することはない。
 ラック部21は、ラック歯20を含む径方向外側部分(表層部)に、硬化層26を全周にわたって有する。硬化層26は、後述するように、ラック軸4のうち、少なくともラック部21を含む部分に熱処理を施すことで、ラック軸4(ラック部21)の径方向外側部分に形成されており、中心部までは達していない。すなわち、ラック部21は、中心部に、非硬化層27を有する。また、硬化層26は、ラック部21の円周方向に連続しており、ラック軸4の中心軸Oに直交する断面において環状(D字環状)である。なお、硬化層26の深さについては後述する。
 押圧機構11は、ラック軸4をピニオン軸3に向けて押圧するものであり、シリンダ部14内に設けられたラックガイド28と、シリンダ部14の開口部に螺着されたカバー29と、これらラックガイド28とカバー29との間に配置されたコイルばね30とを備えている。ラックガイド28は、シリンダ部14の内側に、シリンダ部14の軸方向である前後方向に関する移動を可能に配置されている。このようなラックガイド28は、略円柱形状を有しており、ラック軸4の背面に対向する前側の端面には、ラック軸4を摺動可能に支持するために、ラック軸4の背面形状に合った部分円筒状凹面の押圧凹部31を有する。押圧凹部31の表面には、摺動性に優れた合成樹脂製のシート32が添設されている。
 以上のような押圧機構11は、ラック軸4をピニオン軸3に向けて弾性的に押圧することで、ピニオン歯16とラック歯20との噛合部のバックラッシュを解消する。さらには、噛合部での動力伝達に伴ってラック軸4に加わるピニオン軸3から離れる方向の力にかかわらず、ピニオン歯16とラック歯20との噛合状態を適正に維持する。
 本例では、ラック軸4の硬化層26の深さを、次のように規制している。
 硬化層26のうちで径方向に関してラック歯20と反対側、すなわち背面側(図5の下側)に存在する部分の深さtを、硬化層26のうちでラック歯20の歯幅方向(図5の左右方向)に関して両側に存在する部分の深さtよりも浅く(小さく)している(t<t)。なお、図示の例では、硬化層26のうちでラック歯20の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さtを、互いに同じとしているが、本発明を実施する場合には、硬化層26のうちで径方向に関してラック歯20と反対側に存在する部分の深さtとの大小関係を満たす限り、互いに異ならせることもできる。
 なお、硬化層26のうちで径方向に関してラック歯20と反対側に存在する部分の深さtは、ラック軸4の中心軸(軸部22a、22bの中心軸)Oに直交する断面内で、該断面の重心Gと、ラック軸4の中心軸Oとを通る直線L上であって、径方向に関してラック歯20と反対側に存在する硬化層26の深さをいう。硬化層26のうちでラック歯20の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さtは、ラック軸4の中心軸Oに直交する断面内で、該断面の重心Gを通り、かつ、直線Lに直交する直線をLとした場合、直線Lとラック軸4の輪郭(外周面)との交点Pを中心とし、かつ、硬化層26と非硬化層27との境界に接する円Cの半径をいう。
 また、硬化層26のうちで軸方向に隣り合うラック歯20同士の間に存在する歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分の深さtを、硬化層26のうちでラック歯20の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さtよりも深く(大きく)している(t>t)。
 なお、硬化層26のうちで軸方向に隣り合うラック歯20同士の間に存在する歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分の深さtは、ラック軸4の中心軸Oに直交する断面内において、歯底33の歯幅方向端部を中心とし、かつ、硬化層26と非硬化層27との境界に接する円Cの半径をいう。
 要するに、本例では、硬化層26の深さは、歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分、ラック歯20の歯幅方向に関して両側に存在する部分、径方向に関してラック歯20と反対側(背面側)に存在する部分の順に浅くなっている(t>t>t)。より具体的には、本例では、硬化層26の深さは、円周方向に関して、歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分から径方向に関してラック歯20と反対側に存在する部分へ向かうにしたがって漸次浅くなっている。すなわち、硬化層26の深さは、円周方向に関して、歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分(深さtの部分)から、重心Gと中心軸Oとを通る直線L上の部分(深さtの部分)に近づくにしたがって、徐々に浅くなっている。なお、背面側に存在する部分の深さt、ラック歯20の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さtおよび歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分の深さt以外の部分の硬化層26の深さは、ラック軸4の輪郭(外周面)上の点を中心とし、かつ、硬化層26と非硬化層27との境界に接する円の半径をいう。
 ここで、ラック部21は略D字形(略弓形)の断面形状(輪郭形状)を有し、ラック部21のうちラック歯20以外の部分が曲線であり角がないので、上記の通り硬化層26の深さを漸次浅くしやすい。仮に、ラック部21のうちラック歯20以外の部分が角部を有する場合、熱処理や、組織、硬さのコントールが難しく好ましくない。特に、角部は熱の出入りがしやすいので、熱処理により硬化層が厚くなりやすい。
 なお、図示の例では、硬化層26のうち、歯底33の歯幅方向中間部(中央部)の径方向内側に存在する部分の深さtは、径方向に関してラック歯20と反対側に存在する部分の深さtよりも浅くなっている(t<t)。上述の条件t>t>tに加えて深さtを薄くしてt<tを満たすことで(t>t>t>t)、ラック部21のヤング率が高くなり、ラック歯20へ歪みが到達し難くなることで、ラック軸4が破壊される限界に達し難いことが、発明者らの実験により明らかとなっている。
 ただし、硬化層26のうち、歯底33の歯幅方向中間部の径方向内側に存在する部分の深さtについては、歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分の深さtを十分に確保できる限り、特に限定されず、深さtよりも深くすることもできる。
 また、硬化層26は、高周波焼き入れ処理により硬化した部分であって、ビッカース硬さ(Hv)が450以上、好ましくは550以上、より好ましくは600以上の部分をいう。
 硬化層26の深さは、ラック軸4を構成する金属材料や外径(軸部22a、22bの外径)等によって適宜決定される。具体的には、たとえば、ラック軸4を、炭素を0.45%~0.51%含有する中炭素鋼(S48C)により構成した場合、硬化層26のうちで歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分の深さtを、ラック軸4(軸部22a、22b)の外径Dの6%以上35%以下とすることができる。なお、ラック軸4の外径Dは、後述する予備素材34の外径(素材径)と等しい。また、硬化層26のうち、径方向に関してラック歯20と反対側に存在する部分の深さtを、硬化層26のうち、歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分の深さtの40%以上70%以下、好ましくは50%以上60%以下とすることができる。
 上述のようなラック軸4は、たとえば、次のようにして造ることができる。
 まず、円形の断面形状を有する金属製の棒材を、所定長さに切断して、図6(A)に示すような、外径が軸方向にわたって変化しない円柱状の予備素材34を得る。この予備素材に調質処理を施すことにより、予備素材34の硬さを、ビッカース硬さ(Hv)180~320程度にする。
 次に、予備素材34のうち、ラック部21を形成すべき部分にのみ、プレス加工(平押し加工)を施すことにより、完成後に前面となる部分に平坦面部35を形成して、図6(B)に示すような、略D字形の断面形状を有する中間素材36を得る。本例では、予備素材34の背面を金型により拘束した状態で、予備素材34のうち、ラック部21を形成すべき部分をパンチにより押圧して、平坦面部35を形成する。したがって、中間素材36の背面は、直径が、素材径とほぼ同じ円筒面により構成される。一方、中間素材36のうち、幅方向両側(図6(B)の左右両側)に存在する面は、直径が、素材径よりも大きい凸曲面により構成される。
 次に、中間素材36の平坦面部35に、プレスおよび/または切削等の歯成形加工を施して、ラック歯20を形成する。さらに、軸方向両側の端面に穿孔加工を施してねじ孔23を形成する。これにより、図6(C)に示すように、熱処理を施す前のラック軸4zを得る。なお、金属製の棒材からラック軸4zを得る手順については、矛盾を生じない限り、順番を入れ替えたり、同時に実施したりすることができる。
 そして、熱処理を施す前のラック軸4zのうち、ラック部21を形成すべき部分に熱処理を施して、硬化層26を形成することにより、ラック軸4を得る。本例では、熱処理を施す前のラック軸4zに、高周波焼き入れ処理を施した後、さらに焼き戻し処理を施すことで硬化層26を形成して、ラック軸4を得る。高周波焼き入れ処理を施す方法について、図7を用いて説明する。
 高周波焼き入れ処理は、環状の高周波誘導コイル37を用いて行う。高周波誘導コイル37は、ラック部21の輪郭形状よりも大きい相似形状(略相似形状を含む)を有する。すなわち、高周波誘導コイル37は、略円弧形の曲線部37aと、該曲線部37aの円周方向両側の端部同士を接続する直線部37bとを有する。
 高周波誘導コイル37をラック軸4zの周囲に、該高周波誘導コイル37の中心軸(曲線部37aの中心軸)O37を、ラック軸4zの中心軸(ラック軸4zの背面を構成する部分円筒面の中心軸)Oに対して、該ラック軸4zの背面側(図7の下側)にオフセットさせた状態で配置する。すなわち、高周波誘導コイル37の内周面と、ラック軸4zの外周面との間隔が、円周方向に関して、歯底33の歯幅方向両側の端部からラック歯20と径方向反対側に位置する部分に向かうにしたがって漸次深くなるように、高周波誘導コイル37を配置する。この状態で、高周波誘導コイル37に通電してラック軸4zの径方向外側部分(表層部)を加熱し、その後冷却することで、ラック軸4zに高周波焼き入れ処理を施す。
 その後、さらに焼き戻し処理を施すことで、硬化層26を形成してラック軸4を得る。なお、焼き戻し処理は、上述のような高周波誘導コイル37またはこれと同じ形状を有する別のコイルを使用して行うこともできるし、別の方法により行うこともできる。また、ラック部21から軸方向に外れた軸部22a、22bには、熱処理を施すこともできるし、施さないこともできる。
 本例のラック軸4によれば、曲げ強度を確保しつつ、製造コストを抑えることができる。
 すなわち、硬化層26のうち、表面積が小さく冷却されにくい、径方向に関してラック歯20と反対側(背面側)に存在する部分の深さtを、歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さtsよりも浅くしている(t<t)。このため、熱処理量が削減できるので、硬化層26を形成する作業の効率を向上させることができ、ラック軸4の製造コストを抑えることができる。
 また、ラック部21のうち背面側(ラック歯20と反対側)は、主に圧縮の荷重を受け、また、ラック歯20よりも単純な形状であり応力集中を生じないため、比較的強度が高い。熱処理を考慮した場合、ラック部21の背面側は単純形状であり、エッジ部に当たらないため、冷却が比較的遅くなる傾向がある。したがって、入熱を大きくすると表面と芯部組織が結晶粒度が大きくなり、強度や靭性が低下する可能性がある。したがって、ラック部21の背面側の硬化層の深さtを上記のように浅くした方が、健全な組織が得られ十分に強度を持たせることができる。
 ステアリングギヤユニット5の使用時(ステアリング装置1を搭載した車両の走行中)に、タイロッドか9から加わる荷重に対するラック軸4の曲げ強度を十分に確保することができる理由について、図8を用いて説明する。
 ステアリングホイール2の操作に伴い、操舵輪に舵角を付与すると、ラック軸4に対するタイロッド9の前後方向に関する傾斜角度(上下方向から見た傾斜角度)が変化する。図示の例において、ステアリングホイール2を右に切る(回す)と、ラック軸4は、軸方向片側(図8の左側)に向けて移動し、軸方向片側のタイロッド9を押す。このとき、ラック軸4には、図8に矢印αで示す方向の反力が加わる。この反力に基づいて、ラック軸4のうち、ラック歯20側部分には引っ張り荷重が加わり、かつ、径方向に関してラック歯20と反対側(背面側)に存在する部分には圧縮荷重が加わる。すなわち、ラック軸4のうち、ラック歯20側部分に引っ張り荷重が加わり、ラック歯20に応力が集中しやすい状態においては、径方向に関してラック歯20と反対側に存在する部分には圧縮荷重が加わる。また、ラック軸4のうち、径方向に関してラック歯20と反対側に存在する部分は、形状が単純で、応力集中が生じにくい。このため、硬化層26のうち、径方向に関してラック歯20と反対側に存在する部分の深さtを浅くしても、ラック軸4のうち、ラック歯20側部分に引っ張り荷重が加わり、ラック歯20に応力が集中しやすい比較的厳しい荷重条件において、タイロッド9から加わる荷重に対するラック軸4の曲げ強度を十分に確保することができる。そして、ラック軸4の曲げ強度を確保できるので、ラック軸4の小型化や軽量化も可能となり、材料費の削減にも繋がる。
 なお、タイロッド9からラック軸4に、図8の矢印βの方向の力が加わった場合には、ラック軸4のうち、径方向に関してラック歯20と反対側(背面側)に存在する部分に引っ張り荷重が加わり、かつ、ラック歯20側部分に圧縮荷重が加わる。このため、ラック歯20への応力集中が生じにくく、荷重条件は比較的緩くなる。要するに、ラック軸4は、ラック歯20側部分に引っ張り荷重が加わる比較的厳しい条件において、十分な曲げ強度を確保できるように設計すれば良い。
 さらに本例では、硬化層26のうちで軸方向に隣り合うラック歯20同士の間に存在する歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分の深さtを、硬化層26のうちでラック歯20の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さtよりも深くしている(t>t)。このため、使用状態において、タイロッド9から加わる引張荷重に対するラック歯20の強度を十分に確保することができる。
 本例の製造方法では、高周波誘導コイル37をラック軸4zの周囲に、該高周波誘導コイル37の中心軸O37をラック軸4zの中心軸Oに対して、該ラック軸4zの背面側にオフセットさせて配置した状態で、高周波誘導コイル37に通電することで高周波焼き入れ処理を施すようにしている。このため、歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分、ラック歯20の歯幅方向に関して両側に存在する部分、径方向に関してラック歯20と反対側に存在する部分の順に浅くなる深さを有する硬化層26を、容易に形成することができる。
 また、本例では、円柱状の予備素材34にプレス加工を施して、平坦面部35を形成した後、該平坦面部35にラック歯20を形成するようにしている。このため、平坦面部35を形成することなく、部分円筒面に直接ラック歯を形成する場合と比較して、ラック歯20の歯幅を大きくしやすい。
 ただし、本発明は、図9(A)に示すように、部分円筒面に直接ラック歯20を形成したラック軸4aに適用することもできる。また、本発明は、図9(B)に示すように、略台形の断面形状を有するラック軸4bに適用することもできる。図9(A)に示すラック軸4aおよび図9(B)に示すラック軸4bは、中実である。図9(A)に示すラック軸4aおよび図9(B)に示すラック軸4bの場合も、硬化層26の深さは、歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分、ラック歯20の歯幅方向に関して両側に存在する部分、径方向に関してラック歯20と反対側(背面側)に存在する部分の順に浅くなっている(t>t>t)。また、図9(A)に示すラック軸4aでは、硬化層26の深さは、円周方向に関して、歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分から径方向に関してラック歯20と反対側に存在する部分へ向かうにしたがって漸次浅くなっている。一方、図9(B)に示すラック軸4bでは、硬化層26の深さは、円周方向に関して、歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分から径方向に関してラック歯20と反対側に存在する部分へ向かうにしたがって漸次浅くなっていない。ただし、図9(B)に示すラック軸4bにおいて、硬化層26の深さを、円周方向に関して、歯底33の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分から径方向に関してラック歯20と反対側に存在する部分へ向かうにしたがって漸次浅くすることもできる。
 本例では、本発明を、ピニオン軸3をラック軸4よりも前側に配置して、操舵輪(前輪)の車軸の中心軸よりもラック軸を後側に配置した後ろ引き式のステアリングギヤユニットに適用した例について説明したが、本発明は、ピニオン軸をラック軸よりも後側に配置して、操舵輪の車軸の中心軸よりもラック軸を前側に配置した前引き式のステアリングギヤユニットに適用することもできる。
 また、本発明は、軸方向1箇所にのみラック部を有するラック軸に限らず、軸方向2箇所にラック部を有する、デュアルピニオン式電動パワーステアリング装置用のラック軸に適用することもできる。この場合、2つのラック部のうち、一方のラック部に備えられた硬化層についてのみ、径方向に関してラック歯と反対側に存在する部分の深さを、ラック歯の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さよりも浅くすることもできるし、両方のラック部に備えられた硬化層について、径方向に関してラック歯と反対側に存在する部分の深さを、ラック歯の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さよりも浅くすることもできる。
 また、本例では、ラック軸4の中心軸Oに直交する断面内において、ラック軸4の断面形状および硬化層26の深さは、ラック歯20の歯幅方向に関して対称である。ただし、硬化層のうち、径方向に関してラック歯と反対側に存在する部分の深さが、前記硬化層のうち、前記ラック歯の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さよりも浅いといった関係、好ましくはこれに加えて、前記硬化層のうち、軸方向に隣り合う前記ラック歯同士の間に存在する歯底の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分の深さが、前記硬化層のうち、前記ラック歯の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さよりも深いといった関係を満たす限り、ラック軸の断面形状および/または硬化層の深さを、歯幅方向に関して非対称とすることもできる。
 なお、本出願は、2021年8月23日出願の日本特許出願(特願2021-135439)に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。
1 ステアリング装置
2 ステアリングホイール
3 ピニオン軸
4、4a、4b、4z ラック軸
5 ステアリングギヤユニット
6 ステアリングシャフト
7 自在継手
8 中間シャフト
9 タイロッド
10 ハウジング
11 押圧機構
12 ラック収容部
13 ピニオン収容部
14 シリンダ部
15 取付フランジ部
16 ピニオン歯
17a、17b 軸受
18 抑えねじ筒
19 シールリング
20 ラック歯
21 ラック部
22a、22b 軸部
23 ねじ孔
24 ラックブッシュ
25 球面継手
26 硬化層
27 非硬化層
28 ラックガイド
29 カバー
30 コイルばね
31 押圧凹部
32 シート
33 歯底
34 予備素材
35 平坦面部
36 中間素材
37 高周波誘導コイル
37a 曲線部
37b 直線部

Claims (6)

  1.  外周面にラック歯を有するラック部を備え、
     前記ラック部は、前記ラック歯を含む径方向外側部分に、硬化層を全周にわたり有しており、
     前記硬化層のうち、径方向に関して前記ラック歯と反対側に存在する部分の深さが、前記硬化層のうち、前記ラック歯の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さよりも浅い、
     ラック軸。
  2.  前記硬化層のうち、軸方向に隣り合う前記ラック歯同士の間に存在する歯底の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分の深さが、前記硬化層のうち、前記ラック歯の歯幅方向に関して両側に存在する部分の深さよりも深い、
     請求項1に記載のラック軸。
  3.  前記硬化層の深さが、円周方向に関して、前記歯底の歯幅方向端部の径方向内側に存在する部分から、径方向に関して前記ラック歯と反対側に存在する部分へ向かうにしたがって漸次浅くなっている、
     請求項2に記載のラック軸。
  4.  前記硬化層のうち、前記歯底の歯幅方向中間部の径方向内側に存在する部分の深さは、径方向に関して前記ラック歯と反対側に存在する部分の深さよりも浅い、
     請求項3に記載のラック軸。
  5.  請求項3又は4に記載のラック軸の製造方法であって、
     前記ラック部の周囲に配置した高周波誘導コイルに通電することで、前記ラック部に熱処理を施す工程を備え、
     前記ラック部に熱処理を施す工程において、前記高周波誘導コイルの中心軸を、前記ラック部の中心軸に対して、径方向に関して前記ラック歯と反対側にオフセットした状態で配置する、
     ラック軸の製造方法。
  6.  外周面にピニオン歯を有するピニオン軸と、
     外周面の円周方向一部に、前記ピニオン歯と噛合するラック歯を含むラック部を有するラック軸と、を備え、
     前記ラック軸が、請求項1~4のいずれか1項に記載のラック軸により構成されている、
     ラックピニオン式ステアリングギヤユニット。
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