ラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法
【課題】使用時に衝撃や応力が入力されてもラックに損傷が生じにくいラックアンドピニオン式ステアリング装置を製造する方法を提供する。
【解決手段】ラックアンドピニオン式ステアリング装置のラック２１は、鋼からなる素材に軟化焼鈍しを施した後に冷間鍛造により成形し、さらに調質処理，高周波焼入れ，及び焼戻しを施すことにより製造されている。軟化焼鈍しにより、冷間鍛造前の素材は、球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織を有するようになる。また、誘導加熱での調質処理により、調質組織を有し且つ硬さがＨＶ２００以上３００以下である調質部が、非焼入れ部の外層部分に形成される。この調質部の深さ方向の長さは２ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【解決手段】ラックアンドピニオン式ステアリング装置のラック２１は、鋼からなる素材に軟化焼鈍しを施した後に冷間鍛造により成形し、さらに調質処理，高周波焼入れ，及び焼戻しを施すことにより製造されている。軟化焼鈍しにより、冷間鍛造前の素材は、球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織を有するようになる。また、誘導加熱での調質処理により、調質組織を有し且つ硬さがＨＶ２００以上３００以下である調質部が、非焼入れ部の外層部分に形成される。この調質部の深さ方向の長さは２ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等に用いられるラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
乗用車においては、ステアリング軸の回転を左右の転舵輪の運動に変換する機構として、高剛性且つ軽量であることから、ラックアンドピニオン機構が主に用いられている。そして、ラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックは、中炭素鋼材（例えば日本工業規格ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定されたＳ３５〜Ｓ５５Ｃに相当する鋼材）で構成され、通常は以下のようにして製造される。すなわち、中炭素鋼材を圧延して得た棒状素材に焼入れ，焼戻しを施した後に、ピニオンの歯と噛み合う歯を切削加工により形成し、この歯に高周波焼入れ処理を施す。このようにラックは切削加工により成形されるため、製造に多くの手間や時間を要し高コストであるという難点があった。
【０００３】
そこで、ラックを冷間鍛造等の塑性加工により成形する方法がある（特許文献１を参照）。塑性加工によれば、切削加工に比べて製造に多くの手間や時間を必要としないため、製造コストが低減される。また、近年においては、棒状素材に代えてパイプのような管状素材を素材として用いて、ラックを塑性加工により成形することが提案されている。ラックを管状素材から製造することにより、自動車の軽量化が達成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１４４４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年においては自動車の使用条件は厳しくなっており、ラックアンドピニオン式ステアリング装置に求められる性能も年々高くなってきている。例えば、自動車が縁石等に乗り上げることにより衝撃や応力が入力された場合でも、破損が生じないような優れた耐衝撃性及び静的強度をラックが有していることが要求されている。
しかしながら、冷間鍛造の後に高周波焼入れが施されて製造されたラックは、非焼入れ部である芯部が冷間鍛造により加工硬化しているため、耐衝撃性が不十分である場合があった。そのため、自動車が縁石等に乗り上げることにより衝撃や応力がラックに入力されると、脆性的破壊が生じて破損するおそれがあった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、使用時に衝撃や応力が入力されてもラックに損傷が生じにくいラックアンドピニオン式ステアリング装置を製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法は、運転者の操舵により回転するステアリング軸と、前記ステアリング軸に連結され前記ステアリング軸の回転に伴って回転するピニオンと、前記ピニオンに噛み合うとともに車輪に連結されるラックと、を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置を製造するに際して、以下の５つの条件を満たすようにして前記ラックを製造することを特徴とする。
【０００７】
条件Ａ）軟化焼鈍しが施された鋼製の素材を、冷間鍛造で所定の形状に成形した後に、誘導加熱によって調質処理を施し、さらに高周波焼入れを施して前記ラックを製造する。
条件Ｂ）前記軟化焼鈍しにより、前記冷間鍛造前の前記素材が球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織を有するようにする。
【０００８】
条件Ｃ）前記高周波焼入れにより、焼入れが施され硬化された表層部が表面に形成されるとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成される。
条件Ｄ）前記調質処理により、調質組織を有し且つ硬さがＨＶ２００以上３００以下である調質部が、前記非焼入れ部の外層部分に形成される。
条件Ｅ）前記調質部の深さ方向の長さは２ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【０００９】
前記鋼は、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定されたＳ３５Ｃ〜Ｓ５５Ｃ及びＳＡＥ規格に規定された１０３５〜１０５５のうちの１種であることが好ましく、０．３５質量％以上０．５５質量％以下の炭素を含有していることが好ましい。
ラックの芯部（非焼入れ部）は冷間鍛造により加工硬化して靱性が不十分であるが、冷間鍛造の後の誘導加熱による調質処理により、調質組織を有し且つ適度な硬さの調質部が非焼入れ部の外層部分に形成されるため、本発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法により得られたラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックは、優れた耐衝撃性及び静的強度を有している。ラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックには大きな衝撃や応力が入力される場合があるが、ラックの耐衝撃性及び静的強度（特に曲げ強度）が優れているため、大きな衝撃や応力が入力されてもラックに損傷が生じにくい。
【００１０】
ここで、前記各条件について説明する。
〔条件Ｂについて〕
素材を冷間鍛造でラックの形状に成形するにあたっては、十分な塑性加工性が必要であるので、まず素材に軟化焼鈍しを施す必要がある。軟化焼鈍しが不十分であると、冷間鍛造の際に変形抵抗が大きくなったり、割れが発生するおそれがあるが、その原因としては、組織においてパーライトが発生したり、炭化物の球状化が不十分であることが考えられる。よって、冷間鍛造に供する素材の組織を、球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織を有するようにする必要がある。
【００１１】
〔条件Ｄについて〕
調質部の硬さがＨＶ２００未満であると、調質組織が不適で非焼入れ部の靱性が不十分となるため、ラックの耐衝撃性及び静的強度が不十分となる。その結果、ラックに大きな衝撃や応力が入力された場合に、ラックに損傷が生じるおそれがある。一方、調質部の硬さがＨＶ３００超過であると、硬すぎるため非焼入れ部の靱性が不十分となる。よって、ラックに大きな衝撃や応力が入力された場合に、ラックに損傷が生じるおそれがある。
【００１２】
〔条件Ｅについて〕
調質部の深さ方向の長さが２ｍｍ未満であると、曲げ応力等の負荷により発生したクラックが容易に調質部を貫通してクラックが伝播するため、ラックに大きな衝撃や応力が入力された場合に、ラックに損傷が生じるおそれがある。一方、調質部の深さ方向の長さが１０ｍｍ超過となるような調質処理を施すと、ラック全体の熱処理変形が問題となるおそれがある。
〔鋼中の炭素の含有量について〕
炭素の含有量が０．３５質量％未満であると、ラックに形成されている歯の表面硬さが不十分となるおそれがある。一方、０．５５質量％超過であると、鋼の加工性が不十分となるおそれがある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法によれば、使用時に衝撃や応力が入力されてもラックに損傷が生じにくいラックアンドピニオン式ステアリング装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ラックアンドピニオン式ステアリング装置の構造を説明する図である。
【図２】棒状素材に冷間鍛造を施してラックの形状に成形する工程を説明する図である。
【図３】管状素材に冷間鍛造を施してラックの形状に成形する工程を説明する図である。
【図４】ラックの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法により製造されたラックアンドピニオン式ステアリング装置の構造を説明する図である。
ステアリングホイール１０が上端部に固定されたステアリング軸１１が、ステアリング軸用ハウジング１２の内部に、軸心を中心に回転自在に支承されている。また、ステアリング軸用ハウジング１２は、下部を車両の前方に向けて傾斜させた姿勢で、車室内部の所定位置に固定されている。
【００１６】
ステアリング軸１１の回転を左右の転舵輪１５，１５の運動に変換するラックアンドピニオン機構は、軸方向に移動可能なラック２１と、ラック２１の軸心に対して斜めに支承されラック２１の歯に噛み合う歯を備えたピニオン２２と、ラック２１及びピニオン２２を支承する筒状のラック用ハウジング２３と、で構成されている。そして、ラックアンドピニオン機構は、その長手方向が車両の幅方向に沿うようにして、車両の前部のエンジンルーム内にほぼ水平に配置されている。
【００１７】
また、ピニオン２２の上端部とステアリング軸１１の下端部とは、２個の自在継手２５，２６を介して連結されている。さらに、ラック２１の両端部には、転舵輪１５，１５が連結されている。
運転者によってステアリングホイール１０に操舵トルク（回転力）が加えられると、ステアリング軸１１が回転し、このステアリング軸１１の回転に伴ってピニオン２２が回転する。そして、このピニオン２２の回転がラックアンドピニオン機構によってラック２１の左右方向のスライド運動に変換され、転舵輪１５，１５が駆動されて自動車が操舵される。
【００１８】
なお、本実施形態のラックアンドピニオン式ステアリング装置には、いわゆるパワーステアリング機構を設けてもよい。すなわち、前記操舵トルクは、ステアリング軸１１に取り付けられた図示しないトーションバーにより検出され、検出された操舵トルクに基づいて、電動モータ１３の出力（操舵を補助する回転力）が制御される。電動モータ１３の出力は、ステアリング軸１１の中間部分に供給され（ピニオン２２に供給されるようにしてもよい）、前記操舵トルクと合わされて、ラックアンドピニオン機構によって転舵輪１５，１５を駆動する運動に変換される。
【００１９】
このラックアンドピニオン式ステアリング装置においては、ラック２１は鋼で構成されている。鋼の種類は特に限定されるものではないが、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定されたＳ３５Ｃ〜Ｓ５５Ｃ及びＳＡＥ規格に規定された１０３５〜１０５５のうちの１種であり、０．３５質量％以上０．５５質量％以下の炭素を含有する鋼を用いることが好ましい。
【００２０】
例えば、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定されたＳ３５Ｃ，Ｓ３８Ｃ，Ｓ４０Ｃ，Ｓ４３Ｃ，Ｓ４５Ｃ，Ｓ４８Ｃ，Ｓ５０Ｃ，Ｓ５３Ｃ，Ｓ５５Ｃや、ＳＡＥ規格（Society of Automotive Engineers ）に規定された１０３５，１０３７，１０３８，１０３９，１０４０，１０４２，１０４３，１０４４，１０４５，１０４６，１０４９，１０５０，１０５３，１０５５が好ましい。
【００２１】
そして、ラック２１は、上記のような鋼からなる棒状素材又は管状素材（以降は素材と記すこともある）に軟化焼鈍しを施した後に、冷間鍛造によりラック形状に成形し、さらに調質処理，高周波焼入れ，及び焼戻しを該順序で施すことにより製造されている。
調質処理は、誘導加熱で焼入れ及び焼戻しすることにより行う。そして、この調質処理によって、調質組織を有する調質部が形成される。調質処理後の高周波焼入れによって、焼入れが施され硬化された表層部が表面に形成され、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成されるが、この調質部は非焼入れ部の外層部分に形成される。
【００２２】
以下に、ラック２１の製造方法について、さらに詳細に説明する。まず、鋼で構成された棒状素材又は管状素材に、軟化焼鈍しを施す。軟化焼鈍しの条件の一例を示す。素材をＡ１変態点以上の７４０〜８６０℃で０．１ｈ以上保持した後に、２０〜７０℃／ｈの冷却速度で６８０〜７２０℃に降温して該温度で１〜５ｈ保持する。続いて、１０〜１００℃／ｈの冷却速度で６２０〜６８０℃に降温し、さらに１０〜１５０℃／ｈの冷却速度で５００〜５６０℃に降温する。
【００２３】
上記のような軟化焼鈍しにより、素材のビッカース硬さは、例えばＨＶ２００以下となる。よって、素材は十分な塑性加工性を有しているので、この後の冷間鍛造を問題なく行うことができる。また、上記のような軟化焼鈍しにより、冷間鍛造に供する素材の組織を球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織としている。よって、この後の冷間鍛造において、変形抵抗が大きくなったり割れが発生することが抑制される。
【００２４】
次に、軟化焼鈍しを施した素材に、図２，３のように冷間鍛造を施し、所定の形状に成形する。まず、断面円形の中実棒状素材を冷間鍛造により成形した例について、図２を参照しながら説明する。
まず、断面円弧状の溝３２ａが形成されたダイス３２の上に中実棒状素材３１を載置する。この溝３２ａの曲率半径は中実棒状素材３１の半径よりも大として、この溝３２ａ内に中実棒状素材３１を配する（図２の（ａ）を参照）。そして、中実棒状素材３１に上方からパンチ３３を押し当て、パンチ３３を下方に押圧することにより、中実棒状素材３１を溝３２ａ内に密着させ変形させる。パンチ３３の中実棒状素材３１との接触面は平面状であるため、中実棒状素材３１に平面部３１ａが形成される（図２の（ｂ）を参照）。これにより、中実棒状素材３１は平面部３１ａと円筒面部３１ｂとを有するような形状となる。なお、パンチ３３の中実棒状素材３１との接触面は平面状に限らず、テーパを有していてもよい。
【００２５】
次に、前述の溝３２ａよりも深い溝３４ａが形成されたダイス３４を用意し、円筒面部３１ｂを下方（溝３４ａの底側）に向けて中実棒状素材３１を該溝３４ａ内に配する。この時、この溝３４ａの幅は、中実棒状素材３１の直径よりも僅かに小さく設計されているので、中実棒状素材３１は溝３４ａ内に完全には収容されない（図２の（ｃ）を参照）。そして、歯溝３５ａを有するパンチ３５を中実棒状素材３１の平面部３１ａに押し当て、パンチ３５を下方に押圧すると、中実棒状素材３１がダイス３４の溝３４ａ内に押し込められる。その際には、中実棒状素材３１の両側（ダイス３４の溝３４ａの側壁に接触する部分）がしごかれて変形し、互いに平行な平面となるとともに、歯溝３５ａに対応する歯３１ｃが中実棒状素材３１の平面部３１ａに形成される（図２の（ｄ）を参照）。そして、中実棒状素材３１の両側のしごかれた分の肉が歯３１ｃに供給され、歯３１ｃの形状がより大きくなる。
【００２６】
次に、断面略矩形の溝３６ａが形成されたダイス３６と、断面円弧状の溝３７ａが形成されたパンチ３７と、を用意する。ダイス３６に形成された溝３６ａの底面には、中実棒状素材３１の平面部３１ａに形成された歯３１ｃに対応する歯溝３６ｂが形成されている。一方、パンチ３７に形成された溝３７ａは、中実棒状素材３１の円筒面部３１ｂに対応する形状となっている。
【００２７】
ダイス３６に形成された溝３６ａ内に中実棒状素材３１を配すると、溝３６ａの幅が中実棒状素材３１の直径よりも僅かに小さいために中実棒状素材３１は溝３６ａ内に完全には収容されないが（図２の（ｅ）を参照）、中実棒状素材３１に上方からパンチ３７を押し当て下方に押圧すると、中実棒状素材３１がダイス３６の溝３６ａ内に押し込められ、中実棒状素材３１の形状が整えられる。中実棒状素材３１の両側（ダイス３６の溝３６ａの側壁に接触する部分）は平面となっているので、中実棒状素材３１をダイス３６の溝３６ａ内に押し込めた際に余肉が生じない（図２の（ｆ）を参照）。
【００２８】
次に、断面円形の管状素材４１を冷間鍛造により成形した例について、図３を参照しながら説明する。なお、図３においては、図２と同一又は相当する部分には、図２と同一の符号を付してある。成形方法は中実棒状素材３１と全く同様であるので、詳細な説明は省略するが、管状素材４１を冷間鍛造により成形する際には、その中空孔４２に、該中空孔４２の直径とほぼ同径の別部材４３を入れておくとよい。最初に変形させた段階（図３の（ｂ）を参照）で、中空孔４２内に別部材４３が充填され、管状素材４１と別部材４３とが一体化される。
【００２９】
次に、上記のようにしてラックの形状に成形された素材のうち歯が形成されている側の面に、誘導加熱によって調質処理を施す。調質処理の条件は特に限定されるものではないが、例えば、８００℃以上９００℃以下の焼入れを施した後に、６００℃以上７２０℃以下の焼戻しを施すというものがあげられる。このような調質処理により、素材の表面から所定深さ位置までの部分に熱処理が施され、該部分に、調質組織（トルースタイト又はソルバイト）を有し且つ硬さがＨＶ２００以上３００以下である調質部が形成される。
【００３０】
さらに、調質処理を施した素材のうち歯が形成されている側の面及びその反対側の面に高周波焼入れを施すと、焼入れが施され硬化された表層部が表面に形成され、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成される。高周波焼入れの条件は特に限定されるものではないが、例えば、出力電流２２０〜２７０Ａ、周波数１００ｋＨｚ、加熱時間３〜５秒、冷却時間１０〜１５秒のような条件があげられる。
【００３１】
この高周波焼入れにより、素材の表面に形成されていた調質部のうち表面側部分には焼入れが施され、焼入れにより調質組織は変性するので、調質部の表面側部分は前記表層部となる。一方、前記調質部のうち内側部分には焼入れは施されず調質組織や硬さは維持されるので、調質部の内側部分は非焼入れ部となる。よって、非焼入れ部の外層部分に調質部が形成されている構造となる（図４を参照）。この調質部の深さ方向の長さＤｃは、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下とされている。
【００３２】
そして、最後に焼戻しを施したら、研削仕上げや超仕上げを施して、ラック２１を完成した。調質処理の後に高周波焼入れ及び焼戻しが施されるが、調質部のうち前記内側部分については、前記組織及びビッカース硬さは高周波焼入れ及び焼戻しの前の状態が維持される。
このようにして製造されたラック２１を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ラック２１が優れた耐衝撃性及び静的強度を有しているので、使用時に大きな衝撃や応力が入力されてもラック２１に損傷が生じにくい。
【００３３】
〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。日本工業規格ＪＩＳに規定のＳ３５Ｃ，Ｓ４５Ｃ，又はＳ５５Ｃで構成された直径２６．５ｍｍの丸棒素材に、前述の例と同様の条件の軟化焼鈍しを施した。そして、この軟化焼鈍しにより、素材の組織を球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織とした。
このような素材に、図２に示したような冷間鍛造を施して、ラックの形状に成形した。そして、素材のうち歯が形成されている側の面に、調質処理を施した。なお、調質処理は以下のようにして行った。まず、リング状コイルに素材を挿通し、誘導加熱により８００℃以上９００℃以下に加熱した後に、水溶液を用いて冷却することにより焼入れを施し、次に、誘導加熱により６００℃以上７２０℃以下の焼戻しを施した。
【００３４】
次に、素材のうち歯が形成されている側の面及びその反対側の面に高周波焼入れを施した。この高周波焼入れにより、焼入れが施され硬化された表層部が表面に形成されるとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成される。その結果、図４に示すように、非焼入れ部の外層部分に、調質組織を有する調質部が形成されている構造となる。高周波焼入れの条件は、以下の通りである。
【００３５】
焼入れ方法：通電加熱法
出力電流 ：２５０Ａ
周波数 ：１００ｋＨｚ
加熱時間 ：４．５秒
冷却時間 ：１０秒
冷媒 ：ソリュブル油と水の混合溶媒
最後に焼戻しを行って、ラックを完成した。
【００３６】
調質部の深さ方向の長さと、調質部のビッカース硬さＨＶとを、表１〜６に示す。調質部の深さ方向の長さは、歯と歯の間の谷部でラックを切断して切断面を鏡面仕上げし、５％ナイタルで腐食した後に金属顕微鏡で観察することにより測定した。また、調質部のビッカース硬さＨＶは、歯と歯の間の谷部でラックを切断して切断面に調質部を露出させて測定した。測定箇所は、調質部の深さ方向中央部とした。なお、これらの測定は高周波焼入れ後に行った。
【００３７】
【表１】
【００３８】
【表２】
【００３９】
【表３】
【００４０】
【表４】
【００４１】
【表５】
【００４２】
【表６】
【００４３】
このようにして得られたラックに曲げ応力を負荷し、脆性破壊が生じるか否かを試験した。すなわち、ラックをラックアンドピニオン式ステアリング装置に組み込んで、ステアリングホイールを回転させてラックをフルストロークまで移動させ、ラックの支持部材から最も離れたラックの端部に曲げ荷重を負荷した。
結果を表１〜６に示す。なお、表１〜６においては、表層部で発生した亀裂が内部にまで進展しラックが破断した場合は×印で示し、亀裂が途中で止まり破断に至らなかった場合は○印で示してある。
表１〜６からわかるように、実施例のラックは、調質部の深さ方向の長さが２ｍｍ以上１０ｍｍ以下で、且つ、調質部のビッカース硬さＨＶが２００以上３００以下であるため、優れた耐衝撃性及び静的強度を有していて破断に至らなかった。
【符号の説明】
【００４４】
１１ ステアリング軸
２１ ラック
２２ ピニオン
３１ 棒状素材
４１ 管状素材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等に用いられるラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
乗用車においては、ステアリング軸の回転を左右の転舵輪の運動に変換する機構として、高剛性且つ軽量であることから、ラックアンドピニオン機構が主に用いられている。そして、ラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックは、中炭素鋼材（例えば日本工業規格ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定されたＳ３５〜Ｓ５５Ｃに相当する鋼材）で構成され、通常は以下のようにして製造される。すなわち、中炭素鋼材を圧延して得た棒状素材に焼入れ，焼戻しを施した後に、ピニオンの歯と噛み合う歯を切削加工により形成し、この歯に高周波焼入れ処理を施す。このようにラックは切削加工により成形されるため、製造に多くの手間や時間を要し高コストであるという難点があった。
【０００３】
そこで、ラックを冷間鍛造等の塑性加工により成形する方法がある（特許文献１を参照）。塑性加工によれば、切削加工に比べて製造に多くの手間や時間を必要としないため、製造コストが低減される。また、近年においては、棒状素材に代えてパイプのような管状素材を素材として用いて、ラックを塑性加工により成形することが提案されている。ラックを管状素材から製造することにより、自動車の軽量化が達成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１４４４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年においては自動車の使用条件は厳しくなっており、ラックアンドピニオン式ステアリング装置に求められる性能も年々高くなってきている。例えば、自動車が縁石等に乗り上げることにより衝撃や応力が入力された場合でも、破損が生じないような優れた耐衝撃性及び静的強度をラックが有していることが要求されている。
しかしながら、冷間鍛造の後に高周波焼入れが施されて製造されたラックは、非焼入れ部である芯部が冷間鍛造により加工硬化しているため、耐衝撃性が不十分である場合があった。そのため、自動車が縁石等に乗り上げることにより衝撃や応力がラックに入力されると、脆性的破壊が生じて破損するおそれがあった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、使用時に衝撃や応力が入力されてもラックに損傷が生じにくいラックアンドピニオン式ステアリング装置を製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法は、運転者の操舵により回転するステアリング軸と、前記ステアリング軸に連結され前記ステアリング軸の回転に伴って回転するピニオンと、前記ピニオンに噛み合うとともに車輪に連結されるラックと、を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置を製造するに際して、以下の５つの条件を満たすようにして前記ラックを製造することを特徴とする。
【０００７】
条件Ａ）軟化焼鈍しが施された鋼製の素材を、冷間鍛造で所定の形状に成形した後に、誘導加熱によって調質処理を施し、さらに高周波焼入れを施して前記ラックを製造する。
条件Ｂ）前記軟化焼鈍しにより、前記冷間鍛造前の前記素材が球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織を有するようにする。
【０００８】
条件Ｃ）前記高周波焼入れにより、焼入れが施され硬化された表層部が表面に形成されるとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成される。
条件Ｄ）前記調質処理により、調質組織を有し且つ硬さがＨＶ２００以上３００以下である調質部が、前記非焼入れ部の外層部分に形成される。
条件Ｅ）前記調質部の深さ方向の長さは２ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【０００９】
前記鋼は、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定されたＳ３５Ｃ〜Ｓ５５Ｃ及びＳＡＥ規格に規定された１０３５〜１０５５のうちの１種であることが好ましく、０．３５質量％以上０．５５質量％以下の炭素を含有していることが好ましい。
ラックの芯部（非焼入れ部）は冷間鍛造により加工硬化して靱性が不十分であるが、冷間鍛造の後の誘導加熱による調質処理により、調質組織を有し且つ適度な硬さの調質部が非焼入れ部の外層部分に形成されるため、本発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法により得られたラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックは、優れた耐衝撃性及び静的強度を有している。ラックアンドピニオン式ステアリング装置のラックには大きな衝撃や応力が入力される場合があるが、ラックの耐衝撃性及び静的強度（特に曲げ強度）が優れているため、大きな衝撃や応力が入力されてもラックに損傷が生じにくい。
【００１０】
ここで、前記各条件について説明する。
〔条件Ｂについて〕
素材を冷間鍛造でラックの形状に成形するにあたっては、十分な塑性加工性が必要であるので、まず素材に軟化焼鈍しを施す必要がある。軟化焼鈍しが不十分であると、冷間鍛造の際に変形抵抗が大きくなったり、割れが発生するおそれがあるが、その原因としては、組織においてパーライトが発生したり、炭化物の球状化が不十分であることが考えられる。よって、冷間鍛造に供する素材の組織を、球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織を有するようにする必要がある。
【００１１】
〔条件Ｄについて〕
調質部の硬さがＨＶ２００未満であると、調質組織が不適で非焼入れ部の靱性が不十分となるため、ラックの耐衝撃性及び静的強度が不十分となる。その結果、ラックに大きな衝撃や応力が入力された場合に、ラックに損傷が生じるおそれがある。一方、調質部の硬さがＨＶ３００超過であると、硬すぎるため非焼入れ部の靱性が不十分となる。よって、ラックに大きな衝撃や応力が入力された場合に、ラックに損傷が生じるおそれがある。
【００１２】
〔条件Ｅについて〕
調質部の深さ方向の長さが２ｍｍ未満であると、曲げ応力等の負荷により発生したクラックが容易に調質部を貫通してクラックが伝播するため、ラックに大きな衝撃や応力が入力された場合に、ラックに損傷が生じるおそれがある。一方、調質部の深さ方向の長さが１０ｍｍ超過となるような調質処理を施すと、ラック全体の熱処理変形が問題となるおそれがある。
〔鋼中の炭素の含有量について〕
炭素の含有量が０．３５質量％未満であると、ラックに形成されている歯の表面硬さが不十分となるおそれがある。一方、０．５５質量％超過であると、鋼の加工性が不十分となるおそれがある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法によれば、使用時に衝撃や応力が入力されてもラックに損傷が生じにくいラックアンドピニオン式ステアリング装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ラックアンドピニオン式ステアリング装置の構造を説明する図である。
【図２】棒状素材に冷間鍛造を施してラックの形状に成形する工程を説明する図である。
【図３】管状素材に冷間鍛造を施してラックの形状に成形する工程を説明する図である。
【図４】ラックの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係るラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法により製造されたラックアンドピニオン式ステアリング装置の構造を説明する図である。
ステアリングホイール１０が上端部に固定されたステアリング軸１１が、ステアリング軸用ハウジング１２の内部に、軸心を中心に回転自在に支承されている。また、ステアリング軸用ハウジング１２は、下部を車両の前方に向けて傾斜させた姿勢で、車室内部の所定位置に固定されている。
【００１６】
ステアリング軸１１の回転を左右の転舵輪１５，１５の運動に変換するラックアンドピニオン機構は、軸方向に移動可能なラック２１と、ラック２１の軸心に対して斜めに支承されラック２１の歯に噛み合う歯を備えたピニオン２２と、ラック２１及びピニオン２２を支承する筒状のラック用ハウジング２３と、で構成されている。そして、ラックアンドピニオン機構は、その長手方向が車両の幅方向に沿うようにして、車両の前部のエンジンルーム内にほぼ水平に配置されている。
【００１７】
また、ピニオン２２の上端部とステアリング軸１１の下端部とは、２個の自在継手２５，２６を介して連結されている。さらに、ラック２１の両端部には、転舵輪１５，１５が連結されている。
運転者によってステアリングホイール１０に操舵トルク（回転力）が加えられると、ステアリング軸１１が回転し、このステアリング軸１１の回転に伴ってピニオン２２が回転する。そして、このピニオン２２の回転がラックアンドピニオン機構によってラック２１の左右方向のスライド運動に変換され、転舵輪１５，１５が駆動されて自動車が操舵される。
【００１８】
なお、本実施形態のラックアンドピニオン式ステアリング装置には、いわゆるパワーステアリング機構を設けてもよい。すなわち、前記操舵トルクは、ステアリング軸１１に取り付けられた図示しないトーションバーにより検出され、検出された操舵トルクに基づいて、電動モータ１３の出力（操舵を補助する回転力）が制御される。電動モータ１３の出力は、ステアリング軸１１の中間部分に供給され（ピニオン２２に供給されるようにしてもよい）、前記操舵トルクと合わされて、ラックアンドピニオン機構によって転舵輪１５，１５を駆動する運動に変換される。
【００１９】
このラックアンドピニオン式ステアリング装置においては、ラック２１は鋼で構成されている。鋼の種類は特に限定されるものではないが、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定されたＳ３５Ｃ〜Ｓ５５Ｃ及びＳＡＥ規格に規定された１０３５〜１０５５のうちの１種であり、０．３５質量％以上０．５５質量％以下の炭素を含有する鋼を用いることが好ましい。
【００２０】
例えば、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定されたＳ３５Ｃ，Ｓ３８Ｃ，Ｓ４０Ｃ，Ｓ４３Ｃ，Ｓ４５Ｃ，Ｓ４８Ｃ，Ｓ５０Ｃ，Ｓ５３Ｃ，Ｓ５５Ｃや、ＳＡＥ規格（Society of Automotive Engineers ）に規定された１０３５，１０３７，１０３８，１０３９，１０４０，１０４２，１０４３，１０４４，１０４５，１０４６，１０４９，１０５０，１０５３，１０５５が好ましい。
【００２１】
そして、ラック２１は、上記のような鋼からなる棒状素材又は管状素材（以降は素材と記すこともある）に軟化焼鈍しを施した後に、冷間鍛造によりラック形状に成形し、さらに調質処理，高周波焼入れ，及び焼戻しを該順序で施すことにより製造されている。
調質処理は、誘導加熱で焼入れ及び焼戻しすることにより行う。そして、この調質処理によって、調質組織を有する調質部が形成される。調質処理後の高周波焼入れによって、焼入れが施され硬化された表層部が表面に形成され、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成されるが、この調質部は非焼入れ部の外層部分に形成される。
【００２２】
以下に、ラック２１の製造方法について、さらに詳細に説明する。まず、鋼で構成された棒状素材又は管状素材に、軟化焼鈍しを施す。軟化焼鈍しの条件の一例を示す。素材をＡ１変態点以上の７４０〜８６０℃で０．１ｈ以上保持した後に、２０〜７０℃／ｈの冷却速度で６８０〜７２０℃に降温して該温度で１〜５ｈ保持する。続いて、１０〜１００℃／ｈの冷却速度で６２０〜６８０℃に降温し、さらに１０〜１５０℃／ｈの冷却速度で５００〜５６０℃に降温する。
【００２３】
上記のような軟化焼鈍しにより、素材のビッカース硬さは、例えばＨＶ２００以下となる。よって、素材は十分な塑性加工性を有しているので、この後の冷間鍛造を問題なく行うことができる。また、上記のような軟化焼鈍しにより、冷間鍛造に供する素材の組織を球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織としている。よって、この後の冷間鍛造において、変形抵抗が大きくなったり割れが発生することが抑制される。
【００２４】
次に、軟化焼鈍しを施した素材に、図２，３のように冷間鍛造を施し、所定の形状に成形する。まず、断面円形の中実棒状素材を冷間鍛造により成形した例について、図２を参照しながら説明する。
まず、断面円弧状の溝３２ａが形成されたダイス３２の上に中実棒状素材３１を載置する。この溝３２ａの曲率半径は中実棒状素材３１の半径よりも大として、この溝３２ａ内に中実棒状素材３１を配する（図２の（ａ）を参照）。そして、中実棒状素材３１に上方からパンチ３３を押し当て、パンチ３３を下方に押圧することにより、中実棒状素材３１を溝３２ａ内に密着させ変形させる。パンチ３３の中実棒状素材３１との接触面は平面状であるため、中実棒状素材３１に平面部３１ａが形成される（図２の（ｂ）を参照）。これにより、中実棒状素材３１は平面部３１ａと円筒面部３１ｂとを有するような形状となる。なお、パンチ３３の中実棒状素材３１との接触面は平面状に限らず、テーパを有していてもよい。
【００２５】
次に、前述の溝３２ａよりも深い溝３４ａが形成されたダイス３４を用意し、円筒面部３１ｂを下方（溝３４ａの底側）に向けて中実棒状素材３１を該溝３４ａ内に配する。この時、この溝３４ａの幅は、中実棒状素材３１の直径よりも僅かに小さく設計されているので、中実棒状素材３１は溝３４ａ内に完全には収容されない（図２の（ｃ）を参照）。そして、歯溝３５ａを有するパンチ３５を中実棒状素材３１の平面部３１ａに押し当て、パンチ３５を下方に押圧すると、中実棒状素材３１がダイス３４の溝３４ａ内に押し込められる。その際には、中実棒状素材３１の両側（ダイス３４の溝３４ａの側壁に接触する部分）がしごかれて変形し、互いに平行な平面となるとともに、歯溝３５ａに対応する歯３１ｃが中実棒状素材３１の平面部３１ａに形成される（図２の（ｄ）を参照）。そして、中実棒状素材３１の両側のしごかれた分の肉が歯３１ｃに供給され、歯３１ｃの形状がより大きくなる。
【００２６】
次に、断面略矩形の溝３６ａが形成されたダイス３６と、断面円弧状の溝３７ａが形成されたパンチ３７と、を用意する。ダイス３６に形成された溝３６ａの底面には、中実棒状素材３１の平面部３１ａに形成された歯３１ｃに対応する歯溝３６ｂが形成されている。一方、パンチ３７に形成された溝３７ａは、中実棒状素材３１の円筒面部３１ｂに対応する形状となっている。
【００２７】
ダイス３６に形成された溝３６ａ内に中実棒状素材３１を配すると、溝３６ａの幅が中実棒状素材３１の直径よりも僅かに小さいために中実棒状素材３１は溝３６ａ内に完全には収容されないが（図２の（ｅ）を参照）、中実棒状素材３１に上方からパンチ３７を押し当て下方に押圧すると、中実棒状素材３１がダイス３６の溝３６ａ内に押し込められ、中実棒状素材３１の形状が整えられる。中実棒状素材３１の両側（ダイス３６の溝３６ａの側壁に接触する部分）は平面となっているので、中実棒状素材３１をダイス３６の溝３６ａ内に押し込めた際に余肉が生じない（図２の（ｆ）を参照）。
【００２８】
次に、断面円形の管状素材４１を冷間鍛造により成形した例について、図３を参照しながら説明する。なお、図３においては、図２と同一又は相当する部分には、図２と同一の符号を付してある。成形方法は中実棒状素材３１と全く同様であるので、詳細な説明は省略するが、管状素材４１を冷間鍛造により成形する際には、その中空孔４２に、該中空孔４２の直径とほぼ同径の別部材４３を入れておくとよい。最初に変形させた段階（図３の（ｂ）を参照）で、中空孔４２内に別部材４３が充填され、管状素材４１と別部材４３とが一体化される。
【００２９】
次に、上記のようにしてラックの形状に成形された素材のうち歯が形成されている側の面に、誘導加熱によって調質処理を施す。調質処理の条件は特に限定されるものではないが、例えば、８００℃以上９００℃以下の焼入れを施した後に、６００℃以上７２０℃以下の焼戻しを施すというものがあげられる。このような調質処理により、素材の表面から所定深さ位置までの部分に熱処理が施され、該部分に、調質組織（トルースタイト又はソルバイト）を有し且つ硬さがＨＶ２００以上３００以下である調質部が形成される。
【００３０】
さらに、調質処理を施した素材のうち歯が形成されている側の面及びその反対側の面に高周波焼入れを施すと、焼入れが施され硬化された表層部が表面に形成され、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成される。高周波焼入れの条件は特に限定されるものではないが、例えば、出力電流２２０〜２７０Ａ、周波数１００ｋＨｚ、加熱時間３〜５秒、冷却時間１０〜１５秒のような条件があげられる。
【００３１】
この高周波焼入れにより、素材の表面に形成されていた調質部のうち表面側部分には焼入れが施され、焼入れにより調質組織は変性するので、調質部の表面側部分は前記表層部となる。一方、前記調質部のうち内側部分には焼入れは施されず調質組織や硬さは維持されるので、調質部の内側部分は非焼入れ部となる。よって、非焼入れ部の外層部分に調質部が形成されている構造となる（図４を参照）。この調質部の深さ方向の長さＤｃは、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下とされている。
【００３２】
そして、最後に焼戻しを施したら、研削仕上げや超仕上げを施して、ラック２１を完成した。調質処理の後に高周波焼入れ及び焼戻しが施されるが、調質部のうち前記内側部分については、前記組織及びビッカース硬さは高周波焼入れ及び焼戻しの前の状態が維持される。
このようにして製造されたラック２１を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置は、ラック２１が優れた耐衝撃性及び静的強度を有しているので、使用時に大きな衝撃や応力が入力されてもラック２１に損傷が生じにくい。
【００３３】
〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。日本工業規格ＪＩＳに規定のＳ３５Ｃ，Ｓ４５Ｃ，又はＳ５５Ｃで構成された直径２６．５ｍｍの丸棒素材に、前述の例と同様の条件の軟化焼鈍しを施した。そして、この軟化焼鈍しにより、素材の組織を球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織とした。
このような素材に、図２に示したような冷間鍛造を施して、ラックの形状に成形した。そして、素材のうち歯が形成されている側の面に、調質処理を施した。なお、調質処理は以下のようにして行った。まず、リング状コイルに素材を挿通し、誘導加熱により８００℃以上９００℃以下に加熱した後に、水溶液を用いて冷却することにより焼入れを施し、次に、誘導加熱により６００℃以上７２０℃以下の焼戻しを施した。
【００３４】
次に、素材のうち歯が形成されている側の面及びその反対側の面に高周波焼入れを施した。この高周波焼入れにより、焼入れが施され硬化された表層部が表面に形成されるとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成される。その結果、図４に示すように、非焼入れ部の外層部分に、調質組織を有する調質部が形成されている構造となる。高周波焼入れの条件は、以下の通りである。
【００３５】
焼入れ方法：通電加熱法
出力電流 ：２５０Ａ
周波数 ：１００ｋＨｚ
加熱時間 ：４．５秒
冷却時間 ：１０秒
冷媒 ：ソリュブル油と水の混合溶媒
最後に焼戻しを行って、ラックを完成した。
【００３６】
調質部の深さ方向の長さと、調質部のビッカース硬さＨＶとを、表１〜６に示す。調質部の深さ方向の長さは、歯と歯の間の谷部でラックを切断して切断面を鏡面仕上げし、５％ナイタルで腐食した後に金属顕微鏡で観察することにより測定した。また、調質部のビッカース硬さＨＶは、歯と歯の間の谷部でラックを切断して切断面に調質部を露出させて測定した。測定箇所は、調質部の深さ方向中央部とした。なお、これらの測定は高周波焼入れ後に行った。
【００３７】
【表１】
【００３８】
【表２】
【００３９】
【表３】
【００４０】
【表４】
【００４１】
【表５】
【００４２】
【表６】
【００４３】
このようにして得られたラックに曲げ応力を負荷し、脆性破壊が生じるか否かを試験した。すなわち、ラックをラックアンドピニオン式ステアリング装置に組み込んで、ステアリングホイールを回転させてラックをフルストロークまで移動させ、ラックの支持部材から最も離れたラックの端部に曲げ荷重を負荷した。
結果を表１〜６に示す。なお、表１〜６においては、表層部で発生した亀裂が内部にまで進展しラックが破断した場合は×印で示し、亀裂が途中で止まり破断に至らなかった場合は○印で示してある。
表１〜６からわかるように、実施例のラックは、調質部の深さ方向の長さが２ｍｍ以上１０ｍｍ以下で、且つ、調質部のビッカース硬さＨＶが２００以上３００以下であるため、優れた耐衝撃性及び静的強度を有していて破断に至らなかった。
【符号の説明】
【００４４】
１１ ステアリング軸
２１ ラック
２２ ピニオン
３１ 棒状素材
４１ 管状素材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転者の操舵により回転するステアリング軸と、前記ステアリング軸に連結され前記ステアリング軸の回転に伴って回転するピニオンと、前記ピニオンに噛み合うとともに車輪に連結されるラックと、を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置を製造するに際して、以下の５つの条件を満たすようにして前記ラックを製造することを特徴とするラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法。
条件Ａ）軟化焼鈍しが施された鋼製の素材を、冷間鍛造で所定の形状に成形した後に、誘導加熱によって調質処理を施し、さらに高周波焼入れを施して前記ラックを製造する。
条件Ｂ）前記軟化焼鈍しにより、前記冷間鍛造前の前記素材が球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織を有するようにする。
条件Ｃ）前記高周波焼入れにより、焼入れが施され硬化された表層部が表面に形成されるとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成される。
条件Ｄ）前記調質処理により、調質組織を有し且つ硬さがＨＶ２００以上３００以下である調質部が、前記非焼入れ部の外層部分に形成される。
条件Ｅ）前記調質部の深さ方向の長さは２ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【請求項２】
前記鋼は、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定されたＳ３５Ｃ〜Ｓ５５Ｃ及びＳＡＥ規格に規定された１０３５〜１０５５のうちの１種であり、０．３５質量％以上０．５５質量％以下の炭素を含有することを特徴とする請求項１に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法。
【請求項１】
運転者の操舵により回転するステアリング軸と、前記ステアリング軸に連結され前記ステアリング軸の回転に伴って回転するピニオンと、前記ピニオンに噛み合うとともに車輪に連結されるラックと、を備えるラックアンドピニオン式ステアリング装置を製造するに際して、以下の５つの条件を満たすようにして前記ラックを製造することを特徴とするラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法。
条件Ａ）軟化焼鈍しが施された鋼製の素材を、冷間鍛造で所定の形状に成形した後に、誘導加熱によって調質処理を施し、さらに高周波焼入れを施して前記ラックを製造する。
条件Ｂ）前記軟化焼鈍しにより、前記冷間鍛造前の前記素材が球状セメンタイト，針状セメンタイト，及びフェライトを含有する組織を有するようにする。
条件Ｃ）前記高周波焼入れにより、焼入れが施され硬化された表層部が表面に形成されるとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成される。
条件Ｄ）前記調質処理により、調質組織を有し且つ硬さがＨＶ２００以上３００以下である調質部が、前記非焼入れ部の外層部分に形成される。
条件Ｅ）前記調質部の深さ方向の長さは２ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【請求項２】
前記鋼は、日本工業規格ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定されたＳ３５Ｃ〜Ｓ５５Ｃ及びＳＡＥ規格に規定された１０３５〜１０５５のうちの１種であり、０．３５質量％以上０．５５質量％以下の炭素を含有することを特徴とする請求項１に記載のラックアンドピニオン式ステアリング装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１４８４０３（Ｐ２０１１−１４８４０３Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１２９４（Ｐ２０１０−１１２９４）
【出願日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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