JP2007224353A - Rack-and-pinion electric power steering device - Google Patents
Rack-and-pinion electric power steering device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007224353A JP2007224353A JP2006045878A JP2006045878A JP2007224353A JP 2007224353 A JP2007224353 A JP 2007224353A JP 2006045878 A JP2006045878 A JP 2006045878A JP 2006045878 A JP2006045878 A JP 2006045878A JP 2007224353 A JP2007224353 A JP 2007224353A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- rack
- pinion
- content
- less
- electric power
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Power Steering Mechanism (AREA)
- Gears, Cams (AREA)
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
Description
本発明は、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置に関する。 The present invention relates to a rack and pinion type electric power steering apparatus.
ラックアンドピニオン式ステアリング機構は、ステアリング軸に接続されたピニオン軸の有するピニオンを、車輪に接続されたラック軸の有するラックに噛合させて、ピニオンの回転力及び回転量をラックの軸方向推力及びストロークに変換することで、ステアリング軸の回転を車輪の運動に変換する構成となっている。
このラックアンドピニオン式ステアリング機構は、運転者の操舵によりステアリング軸に加えられた回転力のみを車輪の運動に変換するマニュアルステアリング装置や、操舵を補助する回転力を油圧ポンプにより発生させる油圧パワーステアリング装置や、操舵を補助する回転力を電動モータにより発生させる電動パワーステアリング装置等で使用されている。また、ラックアンドピニオン式ステアリング機構を用いた電動パワーステアリング装置としては、電動モータにより発生させた回転力をステアリング軸に伝達するコラムアシスト型や、その回転力をピニオン軸に伝達するピニオンアシスト型や、その回転力をラック軸に伝達するラックアシスト型等が挙げられる。
The rack-and-pinion type steering mechanism meshes the pinion of the pinion shaft connected to the steering shaft with the rack of the rack shaft connected to the wheel, and the rotational force and amount of rotation of the pinion and the axial thrust of the rack and By converting to a stroke, the rotation of the steering shaft is converted to the motion of the wheel.
This rack-and-pinion type steering mechanism is a manual steering device that converts only the rotational force applied to the steering shaft by the driver's steering to the movement of the wheel, or the hydraulic power steering that generates the rotational force that assists the steering by a hydraulic pump. It is used in an apparatus, an electric power steering apparatus that generates a rotational force for assisting steering by an electric motor, and the like. In addition, as an electric power steering device using a rack and pinion type steering mechanism, a column assist type that transmits the rotational force generated by the electric motor to the steering shaft, a pinion assist type that transmits the rotational force to the pinion shaft, And a rack assist type that transmits the rotational force to the rack shaft.
このようなラックアンドピニオン式ステアリング機構を用いた装置のうち、マニュアルステアリング装置では、運転者の操舵により加えられた回転力のみがラックアンドピニオン式ステアリング機構を介して車輪の運動に変換されるため、ラック及びピニオンに負荷されるトルクは小さい。また、油圧パワーステアリング装置では、操舵を補助する回転力が、ラックアンドピニオン式ステアリング機構を介さず、ラック軸に一体的に設けられた油圧シリンダーのピストンによって車輪の運動に変換されるため、ラックアンドピニオンに負荷されるトルクは小さい。さらに、ラックアシスト型の電動パワーステアリング装置では、操舵を補助する回転力が、ラックアンドピニオン式ステアリング機構を介さずに、ボールねじ等によって車輪の運動に変換されるため、ラック及びピニオンに負荷されるトルクは、油圧パワーステアリング装置と同程度である。 Of the devices using such a rack and pinion type steering mechanism, in the manual steering device, only the rotational force applied by the driver's steering is converted into wheel motion via the rack and pinion type steering mechanism. The torque applied to the rack and pinion is small. Further, in the hydraulic power steering device, the rotational force for assisting the steering is converted into the motion of the wheel by the piston of the hydraulic cylinder integrally provided on the rack shaft without using the rack and pinion type steering mechanism. The torque applied to the andpinion is small. Further, in the rack assist type electric power steering apparatus, the rotational force for assisting the steering is converted into the wheel motion by a ball screw or the like without using the rack and pinion type steering mechanism, so that the load is applied to the rack and the pinion. The torque is about the same as that of the hydraulic power steering device.
これに対して、コラムアシスト型やピニオンアシスト型の電動パワーステアリング装置では、運転者の操舵によりステアリング軸に加えられた回転力と、電動モータにより発生させた回転力とが合わさったトルクがラック及びピニオンに負荷される。よって、これらの電動パワーステアリング装置では、マニュアルステアリング装置、油圧パワーステアリング装置、及びラックアシスト型の電動パワーステアリング装置と比べて、ラック及びピニオンに負荷されるトルクが10倍以上も大きくなるため、互いに噛み合うラック及びピニオンの歯面(噛合面)に摩耗が生じ易いという問題がある。 On the other hand, in the column assist type and pinion assist type electric power steering devices, the torque that combines the rotational force applied to the steering shaft by the driver's steering and the rotational force generated by the electric motor is applied to the rack and Loaded on the pinion. Therefore, in these electric power steering devices, the torque applied to the rack and pinion is more than 10 times larger than that of the manual steering device, hydraulic power steering device, and rack assist type electric power steering device. There is a problem that the tooth surfaces (meshing surfaces) of the rack and the pinion that are meshed with each other easily wear.
また、ラックアンドピニオン式ステアリング機構では、ラックの歯面の背面側にラックガイドが配置され、このラックガイドがピニオンに対して押圧させた状態で支持されている。このとき、ラックガイドは、ギア精度によるラックとピニオンとの間の軸間距離の変動を許容できるように微小にストロークしながら、ラックとピニオンとの噛み合いが円滑となるように比較的小さな押圧力(例えば、200N程度)で支持されている。しかしながら、動力伝達時には、主としてギアの圧力角によって生じる離間力(例えば、最大でラック推力と同程度の10000N)が加わるため、ラックガイドは押し戻され、フルストロークまで後退する。そして、回転力の反転時には、伝達歯面の切り換えが行われ、離間力は一度ゼロになるため、離間していたラックがピニオンに勢いよく衝突し、打撃音(ラトル音)が発生する。 In the rack and pinion type steering mechanism, a rack guide is disposed on the back side of the tooth surface of the rack, and the rack guide is supported in a state of being pressed against the pinion. At this time, the rack guide has a relatively small pressing force so that the rack and the pinion can be smoothly engaged while being slightly stroked so as to allow the variation in the inter-axis distance between the rack and the pinion due to the gear accuracy. (For example, about 200N). However, at the time of power transmission, a separation force mainly generated by the gear pressure angle (for example, 10000 N, which is at most about the same as the rack thrust force) is applied, so the rack guide is pushed back and retracted to the full stroke. When the rotational force is reversed, the transmission tooth surface is switched and the separation force is once reduced to zero, so that the separated rack collides with the pinion vigorously and a striking sound (rattle sound) is generated.
ここで、離間力は、動力伝達時に限らず、路面不整やシミー等の車輪側からの入力加振によっても変動するため、ステアリング軸に慣性力のみが作用している時にもラトル音は発生する。このため、電動パワーステアリング装置では、ステアリング軸に運転者の操舵による回転力のみが加わるマニュアルステアリング装置と比べて、電動モータによる回転力も加わるため、ステアリング軸に作用する慣性力が倍以上となり、ラトル音が発生し易い。
このとき、ラック及びピニオンの噛合面に摩耗が生じていると、ラックガイドのストローク後退量が増加して、ラックとピニオンとの衝突速度が大きくなるため、ラトル音はさらに大きくなり、操舵フィーリングが悪化する。
Here, the separation force varies not only during power transmission but also due to input vibration from the wheel side such as road surface irregularities and shimmies, so rattle noise is generated even when only the inertial force is acting on the steering shaft. . For this reason, in the electric power steering device, since the rotational force by the electric motor is also applied compared to the manual steering device in which only the rotational force by the steering of the driver is applied to the steering shaft, the inertial force acting on the steering shaft is more than doubled. Sound is easily generated.
At this time, if wear occurs on the meshing surfaces of the rack and the pinion, the stroke retreat amount of the rack guide increases and the collision speed between the rack and the pinion increases, so that the rattle noise further increases and the steering feeling is increased. Gets worse.
そこで、ラック及びピニオンの噛合面に摩耗を生じ難くするために、ラック及びピニオンを、JISに規定された機械構造用合金鋼(SMnC,SCr,SCM,SNCM等)からなる素材に対して、熱間鍛造、温間鍛造、冷間鍛造等の機械加工を施して所定形状に成形した後、それらの噛合面に表面硬化処理(浸炭焼入れ、高周波焼入れ、軟窒化処理等)を施して作製し、その表面硬さをHRC55〜63とするとともに、その噛合面の根元の芯部硬さを前記表面硬さよりも10〜20%程度小さくすることが一般的に行われている。 Therefore, in order to make the rack and pinion meshing surfaces less likely to wear, the rack and pinion are heated against a material made of alloy steel for mechanical structure (SMnC, SCr, SCM, SNCM, etc.) defined in JIS. After forming into a predetermined shape by performing mechanical processing such as cold forging, warm forging, cold forging, etc., surface hardening treatment (carburizing quenching, induction hardening, soft nitriding treatment, etc.) is performed on those meshing surfaces, In general, the surface hardness is set to HRC55 to 63, and the core hardness at the base of the meshing surface is made about 10 to 20% smaller than the surface hardness.
また、特許文献1〜特許文献3では、ラック及びピニオンの噛合面に摩耗を生じ難くするために、以下に示す技術が提案されている。
特許文献1では、ラック及びピニオンの噛合面にショットピーニング処理による複数の凹部を施して、噛合面の摺動抵抗を下げることにより、耐摩耗性を向上させることが提案されている。
Moreover, in patent document 1-
In Patent Document 1, it is proposed to improve wear resistance by providing a plurality of recesses by shot peening on the meshing surfaces of the rack and the pinion to reduce the sliding resistance of the meshing surfaces.
特許文献2では、動力伝達を行う噛合面を有する動力伝達部品(ピニオン及びラック)を、浸炭鋼(SCr420H,SCM420H,SNCM220H,SNCM420H,SNCM815,SAE4320,SAE5120等)で構成し、少なくとも噛合面をなす表層部(表面から約50μmまでの部分)において、硬さをHRC63〜68とし、残留オーステナイト量を13〜30体積%とすることが提案されている。
In
特許文献3では、ラック及びピニオンの噛合面やラックの背面に、硬さがHRC68(Hv940)以上の第1硬化層を焼入れにより形成した後、この第1硬化層のさらに上に、第1硬化層よりも20%以上硬く、残留オーステナイト量が0体積%以上10体積%未満で、硬化層深さが9μm以上の第2硬化層をショットピーニング処理により形成することが提案されている。
しかしながら、近年、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の更なる高出力化に伴って、ラック及びピニオンの噛合面における耐摩耗性をより向上させることが要求されてきており、上述した従来の技術ではこの要求に対応できない場合がある。ここで、ラック及びピニオンの噛合面に摩耗を生じ難くするためには、噛み合う歯数をそのままで歯幅を増やすことにより、噛合面に加わる面圧を緩和する方法も考えられるが、この方法を採用すると、ラックの外径を大きくする必要があり、重量が増加するという新たな問題が生じる。
そこで、本発明は、コラムアシスト型やピニオンアシスト型のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置において、ラック及びピニオンの噛合面における耐摩耗性を向上させることを課題としている。
However, in recent years, with further increase in output of the rack and pinion type electric power steering device, it has been required to further improve the wear resistance on the meshing surfaces of the rack and pinion. This request may not be met. Here, in order to make it difficult to cause wear on the meshing surfaces of the rack and the pinion, a method of reducing the surface pressure applied to the meshing surface by increasing the tooth width while maintaining the number of meshing teeth can be considered. When it is adopted, it is necessary to increase the outer diameter of the rack, which causes a new problem that the weight increases.
Therefore, an object of the present invention is to improve the wear resistance of the meshing surfaces of the rack and the pinion in the column and pinion assist type rack and pinion type electric power steering apparatus.
このような課題を解決するために、運転者の操舵により回転するステアリング軸と、このステアリング軸に接続され、ピニオンを有するピニオン軸と、車輪に接続され、前記ピニオンと噛み合うラックを有するラック軸と、前記操舵を補助する回転力を発生させる電動モータと、を備え、前記回転力が前記ステアリング軸又は前記ピニオン軸に伝達されるようになっているラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置において、前記ラック及び前記ピニオンのうち少なくとも一方は、質量比で、C含有率が0.20%以上0.6%以下、Cr含有率が2.5%以上4.5%以下、Mn含有率が0.5%以上1.5%以下、Si含有率が0.10%以上1.5%以下、Mo含有率0.5%以上1.5%以下、O含有率が12ppm以下、Ti含有率が50ppm以下、Al含有率が0.020%以上0.06%以下、N含有率が100ppm以上300ppm以下、残部がFe及び不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭又は浸炭窒化処理、焼入れ処理、及び焼戻し処理を含む熱処理が施されて得られ、その噛合面から0.10mmの深さまでの表層部の硬さがHv600以上となっていることを特徴とするラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置を提供する。 In order to solve such a problem, a steering shaft that is rotated by a driver's steering, a pinion shaft that is connected to the steering shaft and has a pinion, a rack shaft that is connected to a wheel and has a rack that meshes with the pinion, A rack-and-pinion type electric power steering apparatus, wherein the rack and the pinion type electric power steering apparatus are configured to transmit the rotational force to the steering shaft or the pinion shaft. And at least one of the pinions in terms of mass ratio, the C content is 0.20% to 0.6%, the Cr content is 2.5% to 4.5%, and the Mn content is 0.5. % 1.5% or less, Si content 0.10% or more 1.5% or less, Mo content 0.5% or more 1.5% or less, O content 12ppm or less After processing a material made of steel having a Ti content of 50 ppm or less, an Al content of 0.020% or more and 0.06% or less, an N content of 100 ppm or more and 300 ppm or less, and the balance being Fe and inevitable impurities into a predetermined shape Obtained by heat treatment including carburizing or carbonitriding treatment, quenching treatment, and tempering treatment, and the hardness of the surface layer portion from the meshing surface to a depth of 0.10 mm is Hv600 or more. Provided is a rack and pinion type electric power steering apparatus.
これによれば、ラック及びピニオンのうち少なくとも一方を、耐摩耗性向上作用を有するCrやMoを多く含んだ表面硬化鋼からなる素材を用いて、浸炭又は浸炭窒化処理、焼入れ処理及び焼戻し処理を含む表面硬化熱処理を施して作製し、その噛合面(ラックの歯面やピニオンの歯面)をなす表層部を従来よりも深い部分(表面から0.10mmまでの部分)まで硬化させることにより、ラック及びピニオンの噛合面における耐摩耗性を向上できる。
すなわち、本発明のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置では、ラック及びピニオンのうち少なくとも一方を、以下に示す特定の鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭又は浸炭窒化処理、焼入れ処理、及び焼戻し処理を含む熱処理を施して作製し、その噛合面をなす表層部を以下のようにした。
According to this, at least one of the rack and the pinion is subjected to carburizing or carbonitriding treatment, quenching treatment and tempering treatment using a material made of surface hardened steel containing a lot of Cr and Mo having an effect of improving wear resistance. By performing surface hardening heat treatment including, by curing the surface layer part forming the meshing surface (rack tooth surface and pinion tooth surface) to a deeper part than the conventional (part from the surface to 0.10 mm), The wear resistance on the meshing surfaces of the rack and the pinion can be improved.
That is, in the rack and pinion type electric power steering device of the present invention, after processing a material made of the following specific steel into a predetermined shape at least one of the rack and the pinion, carburizing or carbonitriding, quenching, And a heat treatment including a tempering treatment, and the surface layer portion forming the meshing surface was as follows.
[鋼について]
<C含有率:0.20〜0.6質量%>
C(炭素)は、基地に固溶して焼入れ及び焼戻し後の硬さを向上させるとともに、Fe(鉄),Cr(クロム),Mo(モリブデン),V(バナジウム)等の炭化物形成元素と結合して炭化物を形成することにより耐摩耗性を向上させる作用を有する。素材をなす鋼のC含有率が少なすぎると、これらの作用が得られなくなるとともに、必要な硬化層深さを得るために浸炭又は浸炭窒化に要する時間が長くなり、コストの上昇を招いたり、δフェライトが生じて靱性が低下したりする場合がある。一方、C含有率が多すぎると、製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成し易くなり、必要な転がり疲れ寿命や強度が得られなくなったり、鍛造性、冷間加工性、被削性が低下して、コストの上昇を招いたりする場合がある。よって、素材をなす鋼のC含有率は、0.20質量%以上0.6質量%以下とし、好ましくは、0.20質量%以上0.5質量%以下とする。
[About steel]
<C content: 0.20 to 0.6 mass%>
C (carbon) is dissolved in the base to improve the hardness after quenching and tempering, and bonds with carbide forming elements such as Fe (iron), Cr (chromium), Mo (molybdenum), V (vanadium), etc. Thus, it has the effect of improving wear resistance by forming carbides. If the C content of the steel constituting the material is too small, these effects cannot be obtained, and the time required for carburizing or carbonitriding to obtain the required hardened layer depth is increased, leading to an increase in cost, In some cases, δ ferrite is generated and the toughness is lowered. On the other hand, if the C content is too high, coarse eutectic carbides are likely to be produced during steelmaking, and the necessary rolling fatigue life and strength cannot be obtained, and forgeability, cold workability, and machinability are reduced. The cost may increase. Therefore, the C content of the steel constituting the material is 0.20 mass% or more and 0.6 mass% or less, and preferably 0.20 mass% or more and 0.5 mass% or less.
<Cr含有率:2.5〜4.5質量%>
Cr(クロム)は、基地に固溶して焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性、耐食性、及び転がり疲れ寿命を向上させる作用を有する。また、CやN(窒素)等の侵入型固溶元素を動き難くして基地組織を安定させることにより、水素侵入時の寿命低下を大幅に抑制する作用を有する。さらに、鋼中に微細に分布する炭化物が、高硬度の(Fe,Cr)3Cや(Fe,Cr)7C3等の炭化物になるため、耐摩耗性を向上させる作用も有する。これらの作用を得るために、素材をなす鋼のCr含有率は2.5質量%以上とする。
一方、素材をなす鋼のCr含有率が多すぎると、冷間加工性、被削性、及び浸炭処理性が低下して、コストの上昇を招いたり、粗大な共晶炭化物が生成して、必要な転がり疲れ寿命や強度が得られなくなったりする場合がある。よって、素材をなす鋼のCr含有率は、4.5質量%以下とし、好ましくは、3.5質量%以下とする。
<Cr content: 2.5 to 4.5 mass%>
Cr (chromium) has a function of improving the hardenability, temper softening resistance, corrosion resistance, and rolling fatigue life by solid solution in the base. In addition, the interstitial solid solution elements such as C and N (nitrogen) are made difficult to move and the base structure is stabilized, so that it has an effect of greatly suppressing a decrease in life when hydrogen enters. Furthermore, since the carbide finely distributed in the steel becomes a carbide such as (Fe, Cr) 3 C or (Fe, Cr) 7 C 3 having high hardness, it also has an effect of improving wear resistance. In order to obtain these effects, the Cr content of the material steel is 2.5 mass% or more.
On the other hand, if the Cr content of the steel constituting the material is too large, cold workability, machinability, and carburization processability are reduced, leading to an increase in cost, or coarse eutectic carbide is generated, The required rolling fatigue life and strength may not be obtained. Therefore, the Cr content of the steel constituting the material is 4.5% by mass or less, and preferably 3.5% by mass or less.
<Mn含有率:0.5質量%以上1.5質量%以下>
Mn(マンガン)は、製鋼時に脱酸剤としての作用を有するとともに、Crと同様に基地に固溶してMs点を降下させることにより必要な残留オーステナイト量を確保したり、焼入れ性を向上させたりする作用を有する。これらの作用を得るために、素材をなす鋼のMn含有率は0.5質量%以上とし、好ましくは0.8質量%以上とする。
一方、Mn含有率が多すぎると、冷間加工性や被削性を低下させるだけでなく、Ms点が著しく低下することにより多量の残留オーステナイト量が残存して、必要な硬さが得られなくなる場合がある。よって、素材をなす鋼のMn含有率は、1.5質量%以下とし、好ましくは1.2質量%以下とする。
<Mn content: 0.5% by mass or more and 1.5% by mass or less>
Mn (manganese) acts as a deoxidizing agent during steelmaking, and in the same way as Cr, it dissolves in the matrix and lowers the Ms point to ensure the necessary amount of retained austenite and improve hardenability. Have the effect of In order to obtain these effects, the Mn content of the steel constituting the material is 0.5% by mass or more, preferably 0.8% by mass or more.
On the other hand, if the Mn content is too high, not only cold workability and machinability are lowered, but also the Ms point is significantly lowered, so that a large amount of retained austenite remains and the necessary hardness is obtained. It may disappear. Therefore, the Mn content of the steel constituting the material is 1.5% by mass or less, preferably 1.2% by mass or less.
<Si含有率:0.10質量%以上1.5質量%以下>
Si(ケイ素)は、Mnと同様に、製鋼時の脱酸剤としての作用を有するとともに、CrやMnと同様に、基地のマルテンサイトを強化させることにより、焼入れ性、転がり疲れ寿命、及び焼戻し軟化抵抗性を向上させる作用を有する。これらの作用を得るために、素材をなす鋼のSi含有率は0.10質量%以上とする。
一方、Si含有率が多すぎると、被削性、鍛造性、冷間加工性、及び浸炭処理性を低下させる場合がある。よって、素材をなす鋼のSi含有率は、1.5質量%以下とし、好ましくは0.7質量%以下とし、さらに好ましくは0.5質量%以下とする。
<Si content: 0.10% by mass or more and 1.5% by mass or less>
Si (Silicon), like Mn, acts as a deoxidizer during steelmaking, and, like Cr and Mn, strengthens the base martensite, thereby improving hardenability, rolling fatigue life, and tempering. Has the effect of improving softening resistance. In order to obtain these effects, the Si content of the material steel is set to 0.10% by mass or more.
On the other hand, if the Si content is too high, the machinability, forgeability, cold workability, and carburization processability may be reduced. Therefore, the Si content of the steel constituting the material is 1.5% by mass or less, preferably 0.7% by mass or less, and more preferably 0.5% by mass or less.
<Mo含有率:0.5質量%以上1.5質量%以下>
Mo(モリブデン)は、Crと同様に、基地に固溶して焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性、耐食性、及び転がり疲れ寿命を向上させる作用を有するとともに、CやN等の侵入型固溶元素を動き難くして組織を安定させ、水素侵入時の寿命低下を大幅に抑制する作用を有する。また、Moは、Mo2C等の微細炭化物を形成して、耐摩耗性を向上させる作用も有する。これらの作用を得るために、素材をなす鋼のMoは、0.5質量%以上とする。
一方、Mo含有率が多すぎると、冷間加工性や被削性が低下してコストの上昇を招いたり、粗大な共晶炭化物が生成して、必要な転がり疲れ寿命や強度が得られなくなる場合がある。よって、素材をなす鋼のMo含有率は、1.5質量%以下とする。
<Mo content: 0.5 mass% or more and 1.5 mass% or less>
Similar to Cr, Mo (molybdenum) has the effect of improving the hardenability, temper softening resistance, corrosion resistance, and rolling fatigue life by solid solution in the base, and interstitial solid solution elements such as C and N. It has the effect of stabilizing the tissue by making it difficult to move, and greatly suppressing the decrease in life when hydrogen enters. Mo also has the effect of improving wear resistance by forming fine carbides such as Mo 2 C. In order to obtain these effects, the Mo of the material steel is 0.5 mass% or more.
On the other hand, if the Mo content is too high, the cold workability and machinability will decrease, leading to an increase in cost, and coarse eutectic carbides will be generated, making it impossible to obtain the necessary rolling fatigue life and strength. There is a case. Therefore, the Mo content of the steel constituting the material is 1.5% by mass or less.
<O含有率:12ppm以下>
O(酸素)は、酸化物系非金属介在物(Al2O3)を生成し、転がり疲れ寿命を著しく低下させる。このため、素材をなす鋼のO含有率は出来る限り小さくすることが好ましいが、12ppm以下であれば許容できる。
<Ti含有率:50ppm以下>
Ti(チタン)は、高硬度で塑性変形能の小さいTiN系非金属介在物を生成する。このTiN系非金属介在物は、応力集中源となり転がり疲れ寿命を低下させる。このため、素材をなす鋼のTi含有率は出来る限り小さくすることが好ましいが、50ppm以下であれば許容できる。
<O content: 12 ppm or less>
O (oxygen) produces oxide-based non-metallic inclusions (Al 2 O 3 ) and significantly reduces the rolling fatigue life. For this reason, although it is preferable to make O content rate of the steel which makes a raw material as small as possible, if it is 12 ppm or less, it is permissible.
<Ti content: 50 ppm or less>
Ti (titanium) produces TiN-based nonmetallic inclusions with high hardness and small plastic deformability. This TiN-based non-metallic inclusion becomes a stress concentration source and reduces the rolling fatigue life. For this reason, although it is preferable to make Ti content rate of steel which makes a raw material as small as possible, if it is 50 ppm or less, it is permissible.
<Al含有率:0.020質量%以上0.06質量%以下>
Al(アルミニウム)は、AlNとして鋼中に微細に分散し、熱処理(特に、浸炭又は浸炭窒化処理)時にオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用を有する。この作用を得るために、素材をなす鋼のAl含有率は0.020質量%以上とする。
一方、Al含有率が多すぎると、酸化物系介在物(Al2O3)が大量に生成されて、転がり疲れ寿命が低下する。よって、素材をなす鋼のAl含有率は0.06質量%以下とする。
<Al content: 0.020 mass% or more and 0.06 mass% or less>
Al (aluminum) is finely dispersed in the steel as AlN, and has an action of preventing austenite crystal grains from coarsening during heat treatment (particularly carburizing or carbonitriding). In order to obtain this effect, the Al content of the material steel is set to 0.020% by mass or more.
On the other hand, if the Al content is too high, a large amount of oxide inclusions (Al 2 O 3 ) are generated, and the rolling fatigue life is reduced. Therefore, the Al content of the steel constituting the material is 0.06% by mass or less.
<N含有率:100ppm以上300ppm以下>
Nは、Alと窒化物を形成することにより、オーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用を有する。この作用を得るために、素材をなす鋼のN含有率は100ppm以上とする。
一方、N含有率が多すぎると、その効果が飽和するとともに、製鋼が困難になる。よって、素材をなす鋼のN含有率は300ppm以下とする。
<N content: 100 ppm or more and 300 ppm or less>
N has an effect of preventing austenite crystal grains from coarsening by forming Al and nitride. In order to obtain this effect, the N content of the steel constituting the material is set to 100 ppm or more.
On the other hand, when there is too much N content rate, the effect will be saturated and steel manufacture will become difficult. Therefore, the N content of the steel constituting the material is set to 300 ppm or less.
[噛合面をなす表層部について]
ラック及びピニオンの噛合面における耐摩耗性を向上させるためには、噛合面から0.10mmの深さまでの表層部の硬さをHv600以上とする。また、ラック及びピニオンの噛合面における耐摩耗性をより向上させるためには、熱処理が施された後の噛合面にショットピーニング処理を施して、その噛合面から0.05mmの深さまでの表層部の硬さをHv800以上とすることが好ましい。さらに、ラック及びピニオンの噛合面における耐摩耗性をより向上させるためには、噛合面から0.05mmの深さまでの表層部の残留オーステナイト量を20体積%以下とすることが好ましい。
[About the surface layer forming the meshing surface]
In order to improve the wear resistance on the meshing surfaces of the rack and pinion, the hardness of the surface layer portion from the meshing surface to a depth of 0.10 mm is set to Hv 600 or more. Further, in order to further improve the wear resistance on the meshing surfaces of the rack and the pinion, the surface layer portion from the meshing surface to a depth of 0.05 mm is subjected to shot peening treatment on the meshing surface after the heat treatment. The hardness is preferably Hv 800 or more. Furthermore, in order to further improve the wear resistance on the meshing surfaces of the rack and the pinion, the amount of retained austenite in the surface layer portion from the meshing surface to a depth of 0.05 mm is preferably 20% by volume or less.
本発明のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置によれば、ラック及びピニオンのうち少なくとも一方を、特定の鋼からなる素材を所定形状に加工した後に、浸炭又は浸炭窒化処理、焼入れ処理、及び焼戻し処理を含む熱処理を施して作製し、その噛合面から0.10mmの深さまでの表層部の硬さをHv600以上としたことにより、ラック及びピニオンの噛合面における耐摩耗性を向上できる。よって、コラムアシスト型やピニオンアシスト型のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置を高出力化させた場合であっても、ラック及びピニオンの噛合面に摩耗が生じ難くできるとともに、ラトル音を生じ難くできる。 According to the rack and pinion type electric power steering apparatus of the present invention, after processing a material made of a specific steel into a predetermined shape, at least one of the rack and the pinion is subjected to carburizing or carbonitriding, quenching, and tempering. When the hardness of the surface layer portion from the meshing surface to a depth of 0.10 mm is set to Hv 600 or more, the wear resistance on the meshing surfaces of the rack and pinion can be improved. Therefore, even when the column assist type and pinion assist type rack-and-pinion type electric power steering device is increased in output, it is possible to prevent wear on the meshing surfaces of the rack and pinion, and to prevent rattling noise. .
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の一例として、コラムアシスト型のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置を示す縦断面図である。
このラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置は、図1に示すように、車輪に接続され、軸方向に移動可能なラック軸1と、このラック軸1の軸心に対して斜めに支持されて、ステアリング軸に接続されたピニオン軸2と、ラック軸1及びピニオン軸2を支持する筒状のハウジング3と、を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a column assist type rack and pinion type electric power steering apparatus as an example of the rack and pinion type electric power steering apparatus of the present invention.
As shown in FIG. 1, the rack and pinion type electric power steering device is connected to a wheel and supported in an oblique direction with respect to an axial center of the rack shaft 1 and a rack shaft 1 that is movable in the axial direction. A
ラック軸1には、その軸方向一端側に歯面(噛合面)を有するラック11が設けられており、その軸方向他端側にタイロッドを介して車輪が接続されている。また、ラック軸1は、ラック11の歯面がラックガイド4によってピニオン2軸に対して押圧された状態で、ハウジング3に支持されている。
ラックガイド4は、ニードル軸受41によってピン42に回転可能に支持されたローラ43と、ピン42をラックガイド4内に保持する円筒状のホルダ44と、皿バネ45を介してローラ43をラック1の背面に押圧するアジャストカバー46と、を備えている。
The rack shaft 1 is provided with a
The
ピニオン軸2には、その軸方向一端側(図1における左側)にラック11の歯面に噛み合う歯面(噛合面)を有するピニオン21が設けられている。また、ピニオン軸2は、ピニオン21の軸方向両端面を挟むように設けられたニードル軸受5及び玉軸受6により、ハウジング3に支持されている。
ニードル軸受5は、ハウジング3に形成された軸受孔31の内周面と、ピニオン軸2の外周面22と、これらの間に転動自在に配置された複数のニードル51と、からなる。また、玉軸受6は、内輪61と、外輪62と、玉63と、からなる。玉軸受6の内輪61は、ピニオン軸2の外周面23に嵌合されて、その外周面23に装着してかしめられたリング7とピニオン21の軸方向一端面との間で固定されている。玉軸受6の外輪62は、ハウジング3に形成された軸受孔32の開口側の雄ねじに螺合されたリングナット33で押圧された状態で固定されている。
The
The needle bearing 5 includes an inner peripheral surface of a
一方、ピニオン軸2の軸方向他端側(図1における右側)には、ユニバーサルジョイントを介して、ステアリングホイールに接続されたステアリング軸と連結させる連結孔24が形成されている。また、ピニオン軸2の軸方向他端側には、図示しない電動モータが接続されている。
本構成のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置においては、運転者がステアリングホイールを操舵してステアリング軸に回転力を付与すると、付与された回転力が図示しないトーションバーを介して、ピニオン軸2に伝達される。このとき、車輪側の抵抗によって、トーションバーに捩れが生じるため、この捩れを検出した電動モータの出力が制御される。よって、運転者がステアリングホイールを操舵すると、ステアリング軸に付与された回転力が、電動モータに発生させた回転力とともにピニオン軸2及びピニオン21を介してラック11に伝達されて、車輪の向きを変更できる。
On the other hand, a connecting
In the rack-and-pinion type electric power steering apparatus of this configuration, when the driver steers the steering wheel and applies a rotational force to the steering shaft, the applied rotational force is applied to the
本実施形態では、ラック11及びピニオン21を、以下に示す手順で作製した。
まず、表1に示す各組成の鋼からなる素材を所定形状に加工した後、表1に示す方法で焼入れ処理を施した後、160〜270℃で1〜2時間加熱保持することによる焼戻し処理を施して、ラック11の歯面やピニオン21の歯面に表面硬化層Xを形成した。
なお、表1に示す「浸炭焼入れ」では、混合ガス(RXガス+エンリッチガス)が導入された炉内において、表1に示す所定温度で所定時間加熱保持した後に油焼入れを行った。また、表1に示す「浸炭窒化焼入れ」では、混合ガス(RXガス+エンリッチガス+アンモニアガス)が導入された炉内において、表1に示す所定温度で所定時間加熱保持した後に油焼入れを行った。さらに、表1に示す「焼入れ」では、表1に示す所定温度で所定時間加熱保持した後に油焼入れを行った。
In the present embodiment, the
First, after processing the raw material which consists of steel of each composition shown in Table 1 into a predetermined shape, after performing the quenching process by the method shown in Table 1, the tempering process by heat-maintaining at 160-270 degreeC for 1-2 hours Then, a hardened surface layer X was formed on the tooth surface of the
In “carburization quenching” shown in Table 1, oil quenching was performed after heating and holding at a predetermined temperature shown in Table 1 for a predetermined time in a furnace in which a mixed gas (RX gas + enriched gas) was introduced. Further, in the “carbonitriding quenching” shown in Table 1, oil quenching is performed after heating and holding at a predetermined temperature shown in Table 1 for a predetermined time in a furnace in which a mixed gas (RX gas + enrich gas + ammonia gas) is introduced. It was. Furthermore, in the “quenching” shown in Table 1, oil quenching was performed after heating and holding at the predetermined temperature shown in Table 1 for a predetermined time.
次に、ラック11の歯面及びピニオン21の歯面に研磨加工を施した。
次に、表1に示す「ショットピーニング有」の実施例において、ラック11の歯面及びピニオン21の歯面にショットピーニング処理を施して、硬化層Xの上面に硬化層Yを形成した。このショットピーニング処理は、平均粒径75μmの鋼球(ショット材)を噴射圧力0.4MPaで噴射させた後に、平均粒径5μmのSiC(ショット材)を同様の噴射圧力で噴射させることで行った。
Next, the tooth surface of the
Next, in the examples of “with shot peening” shown in Table 1, shot peening was applied to the tooth surfaces of the
すなわち、ラック11の歯面及びピニオン21の歯面に、浸炭又は浸炭窒化処理、焼入れ処理、及び焼戻し処理からなる硬化熱処理と、ショットピーニング処理との両方を施した場合、図2に示すように、ラック11の歯面及びピニオン21の歯面には、熱処理による硬化層Xと、ショットピーニング処理による硬化層Yとが形成される。
このようにして得られたラック11の破壊検査用サンプルを用いて、歯面から0.10mmの深さまでの表層部Aの硬さと、歯面から0.05mmの深さまでの表層部Bの硬さを、JIS Z 2241に規定されたビッカース硬さ試験法で測定した。この結果を、表1に併せて示した。
That is, when both the hardening heat treatment consisting of carburizing or carbonitriding treatment, quenching treatment, and tempering treatment and shot peening treatment are performed on the tooth surface of the
Using the sample for destructive inspection of the
また、得られたラック11の破壊検査用サンプルを用いて、歯面から0.05mmの深さまでの表層部Bに存在する残留オーステナイト量を、公知のX線回折装置で測定した。この結果を、表1に併せて示した。
さらに、得られたラック11のうち、歯面にショットピーニング処理が施されたラック11の破壊検査用サンプルを用いて、歯面から0.05mm位置における残留圧縮応力を、X線回折装置で測定した。この結果、いずれも1000MPa以上であった。
なお、得られたピニオン21の破壊検査用サンプルでは、ラック11の破壊検査用サンプルと同様の鋼を用いて同様の硬化熱処理やショットピーニング処理を施した場合と同じ結果が得られた。
Further, the amount of retained austenite present in the surface layer portion B from the tooth surface to a depth of 0.05 mm was measured with a known X-ray diffractometer using the obtained
Further, among the obtained racks 11, the residual compressive stress at a position of 0.05 mm from the tooth surface is measured with an X-ray diffractometer using a sample for destructive inspection of the
In addition, in the obtained sample for destructive inspection of the
また、得られたラック11の寿命用サンプルとピニオン21の寿命試験用サンプルを、上述した図1に示すラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置に組み込んだ後、以下に示す条件で寿命試験を行った。この寿命試験では、2000時間を上限として、20〜30時間毎に潤滑剤(グリース)中の鉄粉量を測定し、グリース全体に対して鉄粉量が0.3質量%以上となるまでのピニオン21の回転時間を寿命として算出した。また、この寿命試験は、各サンプルで10回ずつ行った。そして、この結果を、ワイブル分布曲線に基づくL10寿命で表1に併せて示した。
<寿命試験条件>
ピニオンの回転速度:300min-1
面圧:2.3MPa
試験温度:室温(約28℃)
In addition, after the obtained
<Life test conditions>
Pinion rotation speed: 300 min -1
Surface pressure: 2.3 MPa
Test temperature: Room temperature (about 28 ° C)
表1に示すように、本発明範囲の鋼を用いてラック11及びピニオン21を作製し、ラック11の歯面及びピニオン21の歯面から0.10mmの深さまでの表層部Aの硬さを、Hv600以上としたNo.1〜No.14では、それ以外のNo.15〜No.34と比べて、長寿命となっていた。
また、No.1〜No.14のうち、ラック11の歯面及びピニオン21の歯面から0.05mmの深さまでの表層部Bにおいて、硬さをHv800以上とした実施例や、残留オーステナイト量を20体積%以下とした実施例では、より長寿命となっていた。
さらに、No.1とNo.13の結果や、No.12とNo.14の結果から、浸炭処理よりも浸炭窒化を施したほうがより長寿命となることが分かる。
As shown in Table 1, the
No. 1-No. 14, the surface layer portion B from the tooth surface of the
Furthermore, no. 1 and No. No. 13 result, No. 13 12 and No. From the result of 14, it can be seen that the carbonitriding has a longer life than the carburizing treatment.
以上の結果から、ラック11及びピニオン21を本発明の鋼を用いて作製し、それらの歯面から0.10mmの深さまでの部分の硬さをHv600以上とすることにより、ラック11及びピニオン21の歯面に摩耗が生じ難くなり、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置に長寿命が得られることを確認できた。
From the above results, the
1 ラック軸
11 ラック
2 ピニオン軸
21 ピニオン
3 ハウジング
4 ラックガイド
1
Claims (3)
前記ラック及び前記ピニオンのうち少なくとも一方は、質量比で、C含有率が0.20%以上0.6%以下、Cr含有率が2.5%以上4.5%以下、Mn含有率が0.5%以上1.5%以下、Si含有率が0.10%以上1.5%以下、Mo含有率0.5%以上1.5%以下、O含有率が12ppm以下、Ti含有率が50ppm以下、Al含有率が0.020%以上0.06%以下、N含有率が100ppm以上300ppm以下、残部がFe及び不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭又は浸炭窒化処理、焼入れ処理、及び焼戻し処理を含む熱処理が施されて得られ、その噛合面から0.10mmの深さまでの表層部の硬さがHv600以上となっていることを特徴とするラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置。 A steering shaft that is rotated by a driver's steering, a pinion shaft that is connected to the steering shaft and has a pinion, a rack shaft that is connected to a wheel and meshes with the pinion, and a rotational force that assists the steering is generated. A rack-and-pinion type electric power steering apparatus, wherein the rotational force is transmitted to the steering shaft or the pinion shaft.
At least one of the rack and the pinion is a mass ratio, the C content is 0.20% to 0.6%, the Cr content is 2.5% to 4.5%, and the Mn content is 0. 0.5% or more and 1.5% or less, Si content is 0.10% or more and 1.5% or less, Mo content is 0.5% or more and 1.5% or less, O content is 12 ppm or less, Ti content is 50ppm or less, Al content is 0.020% or more and 0.06% or less, N content is 100ppm or more and 300ppm or less, the material made of steel with the balance being Fe and inevitable impurities is processed into a predetermined shape, then carburized or carburized A rack-and-pinion obtained by performing heat treatment including nitriding treatment, quenching treatment, and tempering treatment, and the hardness of the surface layer portion from the meshing surface to a depth of 0.10 mm is Hv600 or more Electric power Tearing device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006045878A JP2007224353A (en) | 2006-02-22 | 2006-02-22 | Rack-and-pinion electric power steering device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006045878A JP2007224353A (en) | 2006-02-22 | 2006-02-22 | Rack-and-pinion electric power steering device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007224353A true JP2007224353A (en) | 2007-09-06 |
Family
ID=38546428
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006045878A Pending JP2007224353A (en) | 2006-02-22 | 2006-02-22 | Rack-and-pinion electric power steering device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007224353A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010001521A (en) * | 2008-06-19 | 2010-01-07 | Nsk Ltd | Shaft and pinion shaft |
WO2019026909A1 (en) * | 2017-08-03 | 2019-02-07 | アイシン精機株式会社 | Method for manufacturing steel component, and steel component |
KR20190077447A (en) * | 2016-10-28 | 2019-07-03 | 엠브이오 게엠베하 메탈베르아바이퉁 오스탈브 | A rack machining method and a rack |
-
2006
- 2006-02-22 JP JP2006045878A patent/JP2007224353A/en active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010001521A (en) * | 2008-06-19 | 2010-01-07 | Nsk Ltd | Shaft and pinion shaft |
KR20190077447A (en) * | 2016-10-28 | 2019-07-03 | 엠브이오 게엠베하 메탈베르아바이퉁 오스탈브 | A rack machining method and a rack |
JP2020504026A (en) * | 2016-10-28 | 2020-02-06 | エムファウオー ゲーエムベーハー メタルフェルアルバイトゥング オスタルブMvo Gmbh Metallverarbeitung Ostalb | Rack processing method and rack processed according to the method |
US11090742B2 (en) | 2016-10-28 | 2021-08-17 | Mvo Gmbh Metallverarbeitung Ostalb | Method for machining a rack and rack machined according to said method |
KR102333584B1 (en) | 2016-10-28 | 2021-11-30 | 엠브이오 게엠베하 메탈베르아바이퉁 오스탈브 | The rack processing method and the rack processed according to the method |
WO2019026909A1 (en) * | 2017-08-03 | 2019-02-07 | アイシン精機株式会社 | Method for manufacturing steel component, and steel component |
JPWO2019026909A1 (en) * | 2017-08-03 | 2020-06-25 | アイシン精機株式会社 | Steel part manufacturing method and steel part |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3308377B2 (en) | Gear with excellent tooth surface strength and method of manufacturing the same | |
EP2218799B1 (en) | Carbonitrided induction-hardened steel part with excellent rolling contact fatigue strength at high temperature and process for producing the same | |
WO2014192117A1 (en) | Soft-nitrided induction-quenched steel component | |
WO2010116670A1 (en) | Carburized steel part | |
KR101127909B1 (en) | Gear part and method of producing thereof | |
EP1215292B1 (en) | High-strength race and method of producing the same | |
JP4964001B2 (en) | Gears with excellent low cycle fatigue strength | |
KR20040088016A (en) | Carburized and quenched member and method for production thereof | |
JP4970811B2 (en) | High surface pressure parts and manufacturing method thereof | |
US20170081738A1 (en) | Method & metal component | |
JP2010053429A (en) | Gear excellent in high surface-pressure resistance | |
JP2007224353A (en) | Rack-and-pinion electric power steering device | |
JP5100433B2 (en) | Carburized parts with excellent low cycle fatigue characteristics | |
JP6601358B2 (en) | Carburized parts and manufacturing method thereof | |
US9267195B2 (en) | Tempered steel | |
JP4618189B2 (en) | High strength case hardening steel pipe for ball cage | |
JPH09296250A (en) | Steel for gear excellent in face fatigue strength | |
WO2017170540A1 (en) | Carbonitrided component having excellent surface fatigue strength and bending fatigue strength, and method for manufacturing same | |
JPH0643604B2 (en) | Manufacturing method for machine structural parts | |
JP5077814B2 (en) | Shaft and manufacturing method thereof | |
JP2006131986A (en) | Rolling bearing, and worm gear pair with motor | |
JP3967503B2 (en) | High strength gear | |
WO2017170435A1 (en) | Environment-resistant bearing steel excellent in producibility and resistance to hydrogen embrittlement | |
JP2005125972A (en) | Rack and pinion type steering device | |
JP2007090968A (en) | Rack and pinion type electric power steering device |