中空ラックバー及び中空ラックバー製造方法
【課題】中空素材の内周面に圧縮残留応力を付与することで疲労強度を高め、耐久性を向上させること。
【解決手段】鋼材製の中空ラックバー１０において、ピニオンギアに噛み合わされる歯部１２を有する中空状の軸部１１と、軸部１１の少なくとも一方の端の内周面に設けられ、ボールジョイントとの接続に供されるネジ部が形成された端部１３とを備え、軸部１１の内周面にはショットピーニングにより処理が施されて圧縮残留応力を付与されている。
【解決手段】鋼材製の中空ラックバー１０において、ピニオンギアに噛み合わされる歯部１２を有する中空状の軸部１１と、軸部１１の少なくとも一方の端の内周面に設けられ、ボールジョイントとの接続に供されるネジ部が形成された端部１３とを備え、軸部１１の内周面にはショットピーニングにより処理が施されて圧縮残留応力を付与されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のパワーステーリング装置等に使用される中空ラックバー及び中空ラックバー製造方法に関し、特に疲労強度を高め、耐久性を向上させたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車等のパワーステアリング装置のラック＆ピニオンギア機構に中実ラックバーが用いられてきた。中実ラックバーは、車体を軽量化する上で不利であるため、３０〜５０％程度の軽量化が図れる中空ラックバーの採用が進んでいる。中空ラックバーは、中間部にピニオンギアに噛み合わされる歯部を有するとともに、その端部にボールジョイントとの接続に供されるネジ部が形成されている。また、中空ラックバーの材料となる中空素材は電縫管を用いるのが一般的である。
【０００３】
近年は、ラック＆ピニオンギアへの入力荷重が大きくなる傾向がある。しかしながら中空ラックバ−は、歯成形した状態では強度が不足し使用に耐えうることはできない。そのため歯成形した中空ラックバ−に高周波焼入れを施すことで強度を確保している。このような場合であっても、両端のネジ部が形成される部分には、ネジの精度を確保するため焼入れはしていない。
【０００４】
なお、中空素材の内面にショットピーニングを施すことで耐久性と耐腐食性を向上させたトーションバーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２６１８１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した中空ラックバーでは、次のような問題があった。すなわち、歯部を高周波熱処理で全硬化焼入れすることで内径面にも引張残留応力が生じる可能性があり、この引張残応力が疲労強度を低下させる虞がある。
【０００７】
そこで本発明は、中空素材の内周面に圧縮残留応力を付与することで疲労強度を高め、耐久性に優れた中空ラックバー及び中空ラックバー製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の中空ラックバー及び中空ラックバー製造方法は次のように構成されている。
【０００９】
鋼材製の中空ラックバーにおいて、ピニオンギアに噛み合わされる歯部を有する中空状の軸部と、この軸部の少なくとも一方の端の内周面に設けられ、ボールジョイントとの接続に供されるネジ部が形成された端部とを備え、前記軸部の内周面にはショットピーニングにより処理が施されて圧縮残留応力を付与されていることを特徴とする。
【００１０】
ピニオンギアに噛み合わされる歯部を軸部に有するとともに、その端部の内周面にネジ部が形成された中空ラックバーの製造方法において、前記軸部に歯部を形成する歯部形成工程と、前記軸部の端部にネジ部を形成するネジ部形成工程と、前記軸部における前記端部以外の部位に高周波焼入れを行う焼入れ工程と、前記軸部の内周面にショットピーニングにより圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、中空素材の内周面に圧縮残留応力を付与することで疲労強度を高め、耐久性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る中空ラックバーの製造工程を示す説明図。
【図２】中空ラックバーにショットピーニングを施した試料Ａにおける表面からの距離と残留応力との関係を示す説明図。
【図３】中空ラックバーにショットピーニングを施した試料Ｂにおける表面からの距離と残留応力との関係を示す説明図。
【図４】中空ラックバーにショットピーニングを施した試料Ｃにおける表面からの距離と残留応力との関係を示す説明図。
【図５】中空ラックバーにショットピーニングを施さない試料Ｄにおける表面からの距離と残留応力との関係を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明の一実施の形態に係る中空ラックバー１０の製造工程を示す説明図、図２〜図５は中空ラックバー１０にショットピーニングを施した場合における深さと残留応力との関係を示すグラフである。
【００１４】
中空ラックバー１０は、管状の中空素材から成り、外周面が平滑状の軸部１１と、軸部１１に隣接してピニオンに噛み合わされる歯部１２とが形成されているとともに、両端に位置する端部１３の内周面にはボールジョイント（不図示）との接続に供されるネジ１５が設けられている。
【００１５】
中空ラックバー１０は、図１の（ａ）〜（ｈ）に示す工程により製造される。
【００１６】
（ａ）中空ラックバー１０の素材となる管状のパイプ材（中空素材）Ｐを用意する。パイプ材Ｐは、炭素を０．２７〜０．３８ｗ％を含有した鋼材から形成されている。さらにホウ素及びチタンを含む場合もある。また、パイプ材Ｐの硬度はＨｖ１００〜３００のものを用いた。
【００１７】
（ｂ）パイプ材Ｐを冷間鍛造金型によって加圧することにより軸部１１の所定位置に平坦面Ｈに形成する。
【００１８】
（ｃ）平坦面Ｈに冷間の転写鍛造にて歯部１２を形成する（歯部形成工程）。具体的には、パイプ材Ｐの空洞に芯金が圧入される。芯金は棒状に形成されるとともに、パイプ材Ｐの平坦部側にテーパ状の突起部を有しており、突起部がパイプ材Ｐの平坦部Ｈに内周側において係合することにより平坦部の肉が成形型の歯列に向けて塑性変形的に流動することにより張出され、パイプ材Ｐの平坦部Ｈに成形型の歯列に対応した形状の直線方向の歯部１２が転写方式にて付与される。
【００１９】
（ｄ）端部１３にネジ１５を形成する（ネジ部形成工程）。
【００２０】
（ｅ）軸部１１における端部１３以外の部位に高周波焼入れを行う（焼入れ工程）。
【００２１】
（ｆ）歯部１２の裏側を研磨する。
【００２２】
（ｇ）ショットピーニング処理により圧縮残留応力を付与する（ショットピーニング工程）。具体的には、パイプ材Ｐの一方の端部１３側からショット供給装置（不図示）によって多数の研磨剤が供給され（図１中矢印Ｓ）、ショットを空気流と共に内部に向かって噴出するようになっている。なお、パイプ材Ｐの他方の端部１３側には、ショット回収装置（不図示）が接続され、投射後の研磨剤を回収して（図１中矢印Ｋ）、再びショット供給装置に送り込むようになっている。
【００２３】
研磨剤は、パイプ材Ｐの内周面に高速で打付けられることにより、内周面の表層部に圧縮残留応力を生じさせる。圧縮残留応力は、ショットピーニングの加工方法、加工時間、加工圧力、ノズル径等によって変化する。図２〜図５は、加工方法と加工時間を変化させた場合の、表面からの距離（μｍ）と残留応力（ＭＰａ）との関係を示すグラフである。なお、試料Ａ〜Ｄの加工方法・加工時間・加工圧力を示す。ここで、ノズル径はφ５〜１５ｍｍ（より好ましくはφ９〜１０ｍｍ）、粒径３０μｍ〜８００μｍ（より好ましくは３０〜２００μｍ）のスチ−ル製の球状の研磨剤を用いている。
【表１】
【００２４】
図２に示すように、試料Ａでは、その表面の残留応力は−８２０ＭＰａである。また、後述するようにショットピーニング処理を施さない試料Ｄでは残留応力が−２００ＭＰａ前後であることから深さ約５０μｍまで処理の効果があることが明らかである。
【００２５】
図３に示すように、試料Ｂでは、その表面の残留応力は−５４８ＭＰａである。また、試料Ｄと対比すると深さ約４０μｍまで処理の効果があることが明らかである。
【００２６】
図４に示すように、試料Ｃでは、その表面の残留応力は−７０４ＭＰａである。また、試料Ｄと対比すると深さ約４０μｍまで処理の効果があることが明らかである。
【００２７】
図５に示すように、試料Ｄでは、残留応力が−２００ＭＰａ前後であり、十分な圧縮残留応力が生じていない。
【００２８】
（ｈ）仕上げを行って製造工程が終了し、中空ラックバー１０が形成される。
【００２９】
したがって、軸部１１は、ショットピーニングにより、素材の硬さに対し最表面（深さ２０μｍ〜４０μｍ）で１０％〜２０％硬さが向上している。
【００３０】
上述したように、本実施の形態の中空ラックバー１０の製造方法によれば、内面ショットピーニングを行うことにより、内周面に圧縮残留応力が付与され、疲労強度を高め、耐久性及び信頼性の高い中空ラックバー１０が得られる。
【００３１】
また、ホウ素を含有することにより焼入れ性が向上する。但し、窒化により表面が硬化し、割れの原因となるため、チタンを添加することにより防止されている。
【００３２】
さらに、内周面の歯部１２に対応する部位では、転写鍛造にて引張残留応力が形成されているため、ショットピーニング処理により圧縮残留応力を付与することで、品質が安定する。さらにまた、内周面の異物の除去及び面粗度改善もできるとともに、耐食性も向上する。
【００３３】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、内面ショットピーニングは、鋼製ショットを使用した通常のピーニング処理以外に、非金属粒子を用いたサンドブラストやガラスビーズを用いた液体ホーニング等であってもよい。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
中空素材の内周面に圧縮残留応力を付与することで疲労強度を高め、耐久性に優れた中空ラックバー及び中空ラックバー製造方法が得られる。
【符号の説明】
【００３５】
１０…中空ラックバー、１１…軸部、１２…歯部、１３…端部、１５…ネジ部、パイプ材Ｐ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のパワーステーリング装置等に使用される中空ラックバー及び中空ラックバー製造方法に関し、特に疲労強度を高め、耐久性を向上させたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車等のパワーステアリング装置のラック＆ピニオンギア機構に中実ラックバーが用いられてきた。中実ラックバーは、車体を軽量化する上で不利であるため、３０〜５０％程度の軽量化が図れる中空ラックバーの採用が進んでいる。中空ラックバーは、中間部にピニオンギアに噛み合わされる歯部を有するとともに、その端部にボールジョイントとの接続に供されるネジ部が形成されている。また、中空ラックバーの材料となる中空素材は電縫管を用いるのが一般的である。
【０００３】
近年は、ラック＆ピニオンギアへの入力荷重が大きくなる傾向がある。しかしながら中空ラックバ−は、歯成形した状態では強度が不足し使用に耐えうることはできない。そのため歯成形した中空ラックバ−に高周波焼入れを施すことで強度を確保している。このような場合であっても、両端のネジ部が形成される部分には、ネジの精度を確保するため焼入れはしていない。
【０００４】
なお、中空素材の内面にショットピーニングを施すことで耐久性と耐腐食性を向上させたトーションバーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２６１８１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した中空ラックバーでは、次のような問題があった。すなわち、歯部を高周波熱処理で全硬化焼入れすることで内径面にも引張残留応力が生じる可能性があり、この引張残応力が疲労強度を低下させる虞がある。
【０００７】
そこで本発明は、中空素材の内周面に圧縮残留応力を付与することで疲労強度を高め、耐久性に優れた中空ラックバー及び中空ラックバー製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の中空ラックバー及び中空ラックバー製造方法は次のように構成されている。
【０００９】
鋼材製の中空ラックバーにおいて、ピニオンギアに噛み合わされる歯部を有する中空状の軸部と、この軸部の少なくとも一方の端の内周面に設けられ、ボールジョイントとの接続に供されるネジ部が形成された端部とを備え、前記軸部の内周面にはショットピーニングにより処理が施されて圧縮残留応力を付与されていることを特徴とする。
【００１０】
ピニオンギアに噛み合わされる歯部を軸部に有するとともに、その端部の内周面にネジ部が形成された中空ラックバーの製造方法において、前記軸部に歯部を形成する歯部形成工程と、前記軸部の端部にネジ部を形成するネジ部形成工程と、前記軸部における前記端部以外の部位に高周波焼入れを行う焼入れ工程と、前記軸部の内周面にショットピーニングにより圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、中空素材の内周面に圧縮残留応力を付与することで疲労強度を高め、耐久性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る中空ラックバーの製造工程を示す説明図。
【図２】中空ラックバーにショットピーニングを施した試料Ａにおける表面からの距離と残留応力との関係を示す説明図。
【図３】中空ラックバーにショットピーニングを施した試料Ｂにおける表面からの距離と残留応力との関係を示す説明図。
【図４】中空ラックバーにショットピーニングを施した試料Ｃにおける表面からの距離と残留応力との関係を示す説明図。
【図５】中空ラックバーにショットピーニングを施さない試料Ｄにおける表面からの距離と残留応力との関係を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明の一実施の形態に係る中空ラックバー１０の製造工程を示す説明図、図２〜図５は中空ラックバー１０にショットピーニングを施した場合における深さと残留応力との関係を示すグラフである。
【００１４】
中空ラックバー１０は、管状の中空素材から成り、外周面が平滑状の軸部１１と、軸部１１に隣接してピニオンに噛み合わされる歯部１２とが形成されているとともに、両端に位置する端部１３の内周面にはボールジョイント（不図示）との接続に供されるネジ１５が設けられている。
【００１５】
中空ラックバー１０は、図１の（ａ）〜（ｈ）に示す工程により製造される。
【００１６】
（ａ）中空ラックバー１０の素材となる管状のパイプ材（中空素材）Ｐを用意する。パイプ材Ｐは、炭素を０．２７〜０．３８ｗ％を含有した鋼材から形成されている。さらにホウ素及びチタンを含む場合もある。また、パイプ材Ｐの硬度はＨｖ１００〜３００のものを用いた。
【００１７】
（ｂ）パイプ材Ｐを冷間鍛造金型によって加圧することにより軸部１１の所定位置に平坦面Ｈに形成する。
【００１８】
（ｃ）平坦面Ｈに冷間の転写鍛造にて歯部１２を形成する（歯部形成工程）。具体的には、パイプ材Ｐの空洞に芯金が圧入される。芯金は棒状に形成されるとともに、パイプ材Ｐの平坦部側にテーパ状の突起部を有しており、突起部がパイプ材Ｐの平坦部Ｈに内周側において係合することにより平坦部の肉が成形型の歯列に向けて塑性変形的に流動することにより張出され、パイプ材Ｐの平坦部Ｈに成形型の歯列に対応した形状の直線方向の歯部１２が転写方式にて付与される。
【００１９】
（ｄ）端部１３にネジ１５を形成する（ネジ部形成工程）。
【００２０】
（ｅ）軸部１１における端部１３以外の部位に高周波焼入れを行う（焼入れ工程）。
【００２１】
（ｆ）歯部１２の裏側を研磨する。
【００２２】
（ｇ）ショットピーニング処理により圧縮残留応力を付与する（ショットピーニング工程）。具体的には、パイプ材Ｐの一方の端部１３側からショット供給装置（不図示）によって多数の研磨剤が供給され（図１中矢印Ｓ）、ショットを空気流と共に内部に向かって噴出するようになっている。なお、パイプ材Ｐの他方の端部１３側には、ショット回収装置（不図示）が接続され、投射後の研磨剤を回収して（図１中矢印Ｋ）、再びショット供給装置に送り込むようになっている。
【００２３】
研磨剤は、パイプ材Ｐの内周面に高速で打付けられることにより、内周面の表層部に圧縮残留応力を生じさせる。圧縮残留応力は、ショットピーニングの加工方法、加工時間、加工圧力、ノズル径等によって変化する。図２〜図５は、加工方法と加工時間を変化させた場合の、表面からの距離（μｍ）と残留応力（ＭＰａ）との関係を示すグラフである。なお、試料Ａ〜Ｄの加工方法・加工時間・加工圧力を示す。ここで、ノズル径はφ５〜１５ｍｍ（より好ましくはφ９〜１０ｍｍ）、粒径３０μｍ〜８００μｍ（より好ましくは３０〜２００μｍ）のスチ−ル製の球状の研磨剤を用いている。
【表１】
【００２４】
図２に示すように、試料Ａでは、その表面の残留応力は−８２０ＭＰａである。また、後述するようにショットピーニング処理を施さない試料Ｄでは残留応力が−２００ＭＰａ前後であることから深さ約５０μｍまで処理の効果があることが明らかである。
【００２５】
図３に示すように、試料Ｂでは、その表面の残留応力は−５４８ＭＰａである。また、試料Ｄと対比すると深さ約４０μｍまで処理の効果があることが明らかである。
【００２６】
図４に示すように、試料Ｃでは、その表面の残留応力は−７０４ＭＰａである。また、試料Ｄと対比すると深さ約４０μｍまで処理の効果があることが明らかである。
【００２７】
図５に示すように、試料Ｄでは、残留応力が−２００ＭＰａ前後であり、十分な圧縮残留応力が生じていない。
【００２８】
（ｈ）仕上げを行って製造工程が終了し、中空ラックバー１０が形成される。
【００２９】
したがって、軸部１１は、ショットピーニングにより、素材の硬さに対し最表面（深さ２０μｍ〜４０μｍ）で１０％〜２０％硬さが向上している。
【００３０】
上述したように、本実施の形態の中空ラックバー１０の製造方法によれば、内面ショットピーニングを行うことにより、内周面に圧縮残留応力が付与され、疲労強度を高め、耐久性及び信頼性の高い中空ラックバー１０が得られる。
【００３１】
また、ホウ素を含有することにより焼入れ性が向上する。但し、窒化により表面が硬化し、割れの原因となるため、チタンを添加することにより防止されている。
【００３２】
さらに、内周面の歯部１２に対応する部位では、転写鍛造にて引張残留応力が形成されているため、ショットピーニング処理により圧縮残留応力を付与することで、品質が安定する。さらにまた、内周面の異物の除去及び面粗度改善もできるとともに、耐食性も向上する。
【００３３】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、内面ショットピーニングは、鋼製ショットを使用した通常のピーニング処理以外に、非金属粒子を用いたサンドブラストやガラスビーズを用いた液体ホーニング等であってもよい。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
中空素材の内周面に圧縮残留応力を付与することで疲労強度を高め、耐久性に優れた中空ラックバー及び中空ラックバー製造方法が得られる。
【符号の説明】
【００３５】
１０…中空ラックバー、１１…軸部、１２…歯部、１３…端部、１５…ネジ部、パイプ材Ｐ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材製の中空ラックバーにおいて、
ピニオンギアに噛み合わされる歯部を有する中空状の軸部と、
この軸部の少なくとも一方の端の内周面に設けられ、ボールジョイントとの接続に供されるネジ部が形成された端部とを備え、
前記軸部の内周面にはショットピーニングにより処理が施されて圧縮残留応力を付与されていることを特徴とする中空ラックバー。
【請求項２】
前記鋼材は、炭素０．２５〜０．５ｗ％を含有し、さらにホウ素及びチタンを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の中空ラックバー。
【請求項３】
前記軸部は、ショットピーニングにより、素材の硬さに対し最表面（深さ２０μｍ〜４０μｍ）で１０％〜２０％硬さが向上していることを特徴とする請求項１に記載の中空ラックバー。
【請求項４】
ピニオンギアに噛み合わされる歯部を軸部に有するとともに、その端部の内周面にネジ部が形成された中空ラックバーの製造方法において、
前記軸部に歯部を形成する歯部形成工程と、
前記軸部の端部にネジ部を形成するネジ部形成工程と、
前記軸部における前記端部以外の部位に高周波焼入れを行う焼入れ工程と、
前記軸部の内周面にショットピーニングにより圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程とを備えていることを特徴とする中空ラックバーの製造方法。
【請求項１】
鋼材製の中空ラックバーにおいて、
ピニオンギアに噛み合わされる歯部を有する中空状の軸部と、
この軸部の少なくとも一方の端の内周面に設けられ、ボールジョイントとの接続に供されるネジ部が形成された端部とを備え、
前記軸部の内周面にはショットピーニングにより処理が施されて圧縮残留応力を付与されていることを特徴とする中空ラックバー。
【請求項２】
前記鋼材は、炭素０．２５〜０．５ｗ％を含有し、さらにホウ素及びチタンを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の中空ラックバー。
【請求項３】
前記軸部は、ショットピーニングにより、素材の硬さに対し最表面（深さ２０μｍ〜４０μｍ）で１０％〜２０％硬さが向上していることを特徴とする請求項１に記載の中空ラックバー。
【請求項４】
ピニオンギアに噛み合わされる歯部を軸部に有するとともに、その端部の内周面にネジ部が形成された中空ラックバーの製造方法において、
前記軸部に歯部を形成する歯部形成工程と、
前記軸部の端部にネジ部を形成するネジ部形成工程と、
前記軸部における前記端部以外の部位に高周波焼入れを行う焼入れ工程と、
前記軸部の内周面にショットピーニングにより圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程とを備えていることを特徴とする中空ラックバーの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１４４９０２（Ｐ２０１１−１４４９０２Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７３２８（Ｐ２０１０−７３２８）
【出願日】平成２２年１月１５日（２０１０．１．１５）
【出願人】（３９００２９０８９）高周波熱錬株式会社 (288)
【出願人】（０００１５４０８２）株式会社不二機販 (25)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１５日（２０１０．１．１５）
【出願人】（３９００２９０８９）高周波熱錬株式会社 (288)
【出願人】（０００１５４０８２）株式会社不二機販 (25)
【Ｆターム（参考）】
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