JP7101092B2 - ラックバーの焼入装置及び焼入方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のステアリング装置等に使用されるラックバーの焼入装置及び焼入方法に関する。

ラックバーは、軸材の長さの一部区間にラックが形成されているものであり、軽量化のため、中空の軸材からなるものも知られている。ラックバーが加工後に焼入される場合に、ラックが形成されている一部区間の断面形状が非対称であり、且つラック加工時の残留応力が高いため、焼入に起因して曲がりが生じやすく、中空の軸材からなるものはその傾向が著しい。そこで、ラックバーを拘束した状態で焼入する焼入装置及び焼入方法が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特許文献１に記載された焼入装置は、ラックバーを上下方向及び左右方向から拘束する４つの拘束治具を備える。各拘束治具には、ラックバーに接触する複数の凸部が設けられており、これら凸部の間の凹部には、小穴の冷却液噴射口が形成されている。冷却液噴射口は、ラックバーの長さ方向に並んでいる。加熱されたラックバーが４つの拘束治具によって上下方向及び左右方向から拘束された状態で、これら冷却液噴射口から冷却液が噴射され、ラックバーが焼入される。

特許文献２に記載された焼入装置もまた、ラックバーを上下方向及び左右方向から拘束する４つの拘束治具を備えるが、４つの拘束治具のうちラックに接触する拘束治具には、小穴の冷却液噴射口に替えて、ラックの全長に亘って延びる冷却液噴射スリットが形成されている。

特開２０００－１１９７３９号公報 特開２００１－１１５３６号公報

特許文献１に記載された焼入装置では、歯によって冷却速度に差が生じてラックの歯のピッチが不整になる場合があった。歯のピッチの不整は、ラックとピニオンとの円滑な噛み合いを妨げ、ラックバーを使用した機械装置の性能を低下させる虞がある。特許文献２に記載された焼入装置では、４つの拘束治具のうちラックに接触する拘束治具において、冷却液を噴射するノズルが、小穴からラックの全長に亘って延びるスリットに替えられており、これにより、歯毎の冷却速度を均一化し、歯のピッチの不整が抑制されている。しかしながら、ラックバーを使用した機械装置の性能向上に伴い、ラックバーに対して歯精度の一層の均一化が要請されており、追加の対策が求められる。

本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、焼入歪に起因する歯のピッチの不整を抑制し、より高精度なラックバーを提供することを目的とする。

本発明の一態様のラックバーの焼入装置は、中空の軸材の長さの一部区間にラックが形成されたラックバーの焼入装置であって、加熱された前記一部区間を前記一部区間の全長にわたって複数の径方向から拘束する複数の拘束治具を備え、前記複数の拘束治具は、前記一部区間において当該拘束治具と対向する部位に冷却液を噴射する噴射部をそれぞれ有し、前記噴射部は、少なくとも前記ラックの各歯底を通って前記一部区間の外周を周回する複数の環状領域に対し、前記冷却液を一様に噴射する。

また、本発明の一態様のラックバーの焼入方法は、中空の軸材の長さの一部区間にラックが形成されたラックバーの少なくとも前記一部区間を加熱し、加熱された前記一部区間を前記一部区間の全長にわたって複数の径方向から拘束し、少なくとも前記ラックの各歯底を通って前記一部区間の外周を周回する複数の環状領域に対し、前記一部区間を拘束している複数の拘束治具から冷却液を一様に噴射する。

本発明によれば、焼入歪に起因する歯のピッチの不整を抑制し、より高精度なラックバーを提供できる。

本発明の実施形態を説明するための、ラックバーの一例の斜視図である。 図１のラックバーのラックの成形方法を示す模式図である。 図１のラックバーのラックの成形方法を示す模式図である。 本発明の実施形態を説明するための、ラックバーの焼入装置の一例の横断面図である。 図４の焼入装置の縦断面図である。 図４の焼入装置のラック拘束治具の平面図である。 図４の焼入装置のラック拘束治具以外の拘束治具の平面図である。 図６のラック拘束治具の変形例の平面図である。 ラックの歯のピッチの評価方法を示す模式図である。 図４の焼入装置によって焼入されたラックバーのラックの歯のピッチの評価結果を示すグラフである。 図６のラック拘束治具の他の変形例の断面図である。 図１１のラック拘束治具を含む焼入装置によって焼入されたラックバーのラックの歯のピッチの評価結果を示すグラフである。 ステアリング装置の模式図である。 ステアリング装置におけるラックとピニオンとの噛み合いを示す模式図である。 ステアリング装置におけるラックとピニオンとの噛み合いを示す模式図である。 本発明の実施形態を説明するための、焼入装置の他の例の横断面図である。 図１６の焼入装置の縦断面図である。 図１７の加圧機構による加圧の一例の模式図である。 図１７の加圧機構による加圧の他の例の模式図である。

図１は、本発明の実施形態を説明するための、ラックバーの一例を示す。

ラックバー１０は、断面円形状の中空の軸材１１からなるラックバーであり、軸材１１の長さの一部区間にはラック１２が形成されている。ラックバー１０は、例えば次のようにして製造される。

軸材１１は、例えばＪＩＳ－Ｓ４５Ｃ等の鋼からなる中空の軸材である。図２に示すように、軸材１１の長さの一部区間がプレス加工で平坦状に歯底高さ付近まで押し潰され、軸材１１の軸方向に延びる平潰し部１３が形成される。

次に、図３に示すように、平潰し部１３を含む軸材１１の一部が金型２０によって保持される。金型２０は上型２１と下型２２とを備える。上型２１と下型２２とは、図示しない型締め機構により開閉され、軸材１１を上下方向に挟み、軸材１１の外周を保持する。上型２１にはラック歯型２３が取外し可能に装着されており、ラック歯型２３は平潰し部１３の略平坦な外面に当接した状態で固定される。平潰し部１３の外面に接するラック歯型２３の成形面２４には、ラック１２を成形する複数の歯溝が設けられている。

ラック歯型２３が平潰し部１３に当接した状態で、芯金２５が、軸材１１の一方の端部側の開口を通して軸材１１に挿入され、押棒２６によって平潰し部１３の内部に圧入される。そして、圧入された芯金２５は、軸材１１の他方の端部側の開口から挿入される押棒２７によって押し戻され、軸材１１から排出される。芯金２５が平潰し部１３の全長に亘って往復移動される過程で、平潰し部１３の材料が芯金２５によってしごかれ、ラック歯型２３に向けて塑性流動する。芯金２５が次第に大きなものに替えられ、芯金２５の圧入が繰り返されることにより、平潰し部１３の材料がラック歯型２３の成形面２４の歯溝に次第に食い込み、成形面２４の形状が平潰し部１３に転写され、平潰し部１３にラック１２が形成される。

ラック１２が形成された軸材１１は、必要に応じて、歯の成形に伴う曲りの矯正、外周面の研削が施され、そして、ラック１２の硬度を高めるために焼入が施される。軸材１１の焼入の際の加熱は、例えば高周波誘導加熱によって行うことができるが、高周波誘導加熱に限定されない。また、軸材１１の加熱範囲は、ラック１２が形成された一部区間（以下、ラック形成区間という）を含む限りにおいて特に限定されず、ラック形成区間だけでもよいし、軸材１１の全長でもよい。

ここで、焼入によりラックの歯のピッチが不整になる要因として、焼入時の冷却速度がラックの各歯底において不均一となることが挙げられる。すなわち、各歯底が焼入の加熱温度から冷却される際に、熱膨張の分の収縮が発生するが、早く冷却された部分は他の部分に先駆けて収縮する。一方、遅く冷却された部分は、先に冷却されて強度が増した部分によって収縮が制限される。その結果、各歯底のうち冷却が早かった部分では歯のピッチが狭く、冷却が遅かった部分では歯のピッチが広くなる。さらに、ラックバーの焼入は、通常、ラックだけでなく、ラック形成区間の全周を加熱して行なわれる。したがって、各歯底を通ってラック形成区間の外周を周回する環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）（図１参照）の冷却速度の不均一もまた、ラックの歯のピッチの不整に影響する。

従来のラックバーの焼入装置では、ラックバーの長さ方向に並ぶ複数の小穴から冷却液が噴射されているが、小穴とラックの歯との対応関係、換言すれば小穴と歯底を通る環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）との対応関係が一定にはなっていない。冷却液は、いずれ全ての環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）を流れるが、仔細に見ると、各環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）に対する冷却液の当たり方が均一ではない。例えば、一部の環状領域では冷却液が直接当たり、一部の環状領域では、他の環状領域に当たった冷却液が回り込む。このような冷却液の当たり方の不均一が焼入時の冷却速度の不均一を招き、ラックの歯のピッチが不均一になると考えられる。そこで、以下に説明するラックバーの焼入装置は、各環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）に対して冷却液を一様に噴射し、ラックの歯のピッチの不整を抑制するものである。

また、ラック形成区間の断面形状が非対称のため、ラックバーは焼入によって曲がりが生じやすい。特に中空の軸材からなるラックバーは、中実の軸材からなるものと違って曲げ力に対する材料内部の拘束力が弱いため、曲がりが発生し易い。したがって、冷却時にラックバーを拘束することが好ましい。以下に説明するラックバーの焼入装置は、このような拘束手段を併せて有し、ラックバーの曲りを抑制するものである。

図４及び図５は、ラックバー１０の焼入装置を示す。

焼入装置１００は、ラックバー１０のラック形成区間の全長にわたり、ラック形成区間を複数の径方向から拘束する複数の拘束治具を備える。図４に示す例では、ラックバー１０の中心軸まわりに９０°間隔で配置される４つの拘束治具１０１～１０４を備えるが、拘束治具の数は特に限定されず、例えば、３つの拘束治具が、ラックバー１０の中心軸まわりに１２０°間隔で配置されてもよい。

拘束治具１０１は、ラック１２を下方に向けて配置されたラックバー１０の下方に配置され、ラック１２に接触する。以下、拘束治具１０１を特にラック拘束治具と称する。拘束治具１０２はラックバー１０の上方に配置されており、拘束治具１０３，１０４はラックバー１０の左右に配置されている。上下方向に対をなすラック拘束治具１０１及び拘束治具１０２のうち少なくとも一方の拘束治具は、図示しない油圧シリンダ等の加圧装置に取り付けられている。また、水平方向に対をなす拘束治具１０３，１０４のうち少なくとも一方の拘束治具もまた、図示しない油圧シリンダ等の加圧装置に取り付けられている。ラックバー１０のラック形成区間は、ラック拘束治具１０１及び拘束治具１０２～１０４によって、上下方向及び水平方向に加圧された状態で拘束される。

ラック拘束治具１０１は、冷却液供給室１１１を内部に有し、冷却液供給室１１１に供給される冷却液をラック１２に噴射する噴射部１１２を有する。他の拘束治具１０２～１０４もまた、冷却液供給室１１３を内部にそれぞれ有し、ラックバー１０のラック形成区間において各拘束治具と対向する部位に冷却液を噴射する噴射部１１４をそれぞれ有する。なお、図４に示す例では、ラック形成区間に冷却液を噴射する４つのジャケット１０５がさらに設けられており、ジャケット１０５は、４つの拘束治具１０１～１０４のうち隣り合う２つの拘束治具の間にそれぞれ配置されている。このように、ラック形成区間の冷却を補助するジャケット１０５を別途追加することは自由である。

図６はラック拘束治具１０１を示し、図７は拘束治具１０２を示す。

図５及び図６に示すように、ラック拘束治具１０１は、ラック１２と接触する先端面１２０を有し、先端面１２０は、ラックバー１０のラック形成区間以上の長さに形成されている。そして、先端面１２０は、その全長に亘って平面状に形成されており、ラック１２の全ての歯の歯先に接触する。ラック拘束治具１０１の噴射部１１２は、先端面１２０に開口する冷却液噴射スリット１２１を有する。冷却液噴射スリット１２１は、先端面１２０の幅方向中央部をラックバー１０の長さ方向に延びており、ラック形成区間以上の長さに形成されている。ラック拘束治具１０１内部の冷却液供給室１１１もまた、ラックバー１０のラック形成区間以上の長さに形成されており、冷却液噴射スリット１２１は、略全長に亘って冷却液供給室１１１に連通している。

冷却液噴射スリット１２１から噴射される冷却液は、カーテン状となり、ラック１２の全ての歯と交差しつつ、ラックバー１０のラック形成区間に当たる。すなわち、冷却液噴射スリット１２１から噴射される冷却液がラック１２の全ての歯底に直接当たり、全ての歯底が同じ条件で冷却される。冷却液は、各歯底に沿って両側に流れ、各歯底は、全幅に亘って均等に冷却される。したがって、１つの冷却液噴射スリット１２１が、歯底の幅方向中央部に対向するように設けられていれば足りるが、２つ以上の冷却液噴射スリット１２１が互いに平行に設けられてもよい。

図５及び図７に示すように、拘束治具１０２は、ラックバー１０のラック１２を除くラック形成区間の外周面に接触する先端面１３０を有し、先端面１３０は、ラックバー１０のラック形成区間以上の長さに形成されている。拘束治具１０２の噴射部１１４は、先端面１３０に開口する冷却液噴射スリット１３１と、複数の凹溝１３２とを有する。冷却液噴射スリット１３１は、先端面１３０の幅方向中央部をラックバー１０の長さ方向に延びており、ラック形成区間以上の長さに形成されている。拘束治具１０２内部の冷却液供給室１１３もまた、ラックバー１０のラック形成区間以上の長さに形成されており、冷却液噴射スリット１３１は、その全長に亘って冷却液供給室１１３に連通している。複数の凹溝１３２は、先端面１３０の長さ方向に間隔をあけて設けられており、冷却液噴射スリット１３１と交差するように先端面１３０の幅方向に延びている。

冷却液噴射スリット１３１から噴射される冷却液は、カーテン状となり、全ての環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）と交差しつつ、ラックバー１０のラック形成区間に当たる。すなわち、冷却液噴射スリット１３１から噴射される冷却液が全ての環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）に直接当たり、全ての環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）が同じ条件で冷却される。冷却液は、各凹溝１３２に沿って両側に流れ、排出される。好ましくは、複数の凹溝１３２のピッチは、環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）のピッチ、すなわちラック１２の歯のピッチと同一であり、各凹溝１３２は、各環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）に沿って配置される。これにより、各環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）の冷却条件をさらに均一化できる。

拘束治具１０３及び拘束治具１０４それぞれの冷却液供給室１１３及び噴射部１１４は、拘束治具１０２の冷却液供給室１１３及び噴射部１１４と同様に構成されている。拘束治具１０３及び拘束治具１０４それぞれの冷却液噴射スリット１３１から噴射された冷却液もまた、全ての環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）と交差しつつ、ラック形成区間の全長に亘ってラックバー１０に当たり、全ての環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）が同じ条件で冷却される。なお、拘束治具１０２～１０４それぞれの冷却液噴射スリット１３１は、１つでもよいし、２つ以上でもよい。

このように、冷却液が、ラック拘束治具１０１及び他の拘束治具１０２～１０４から、ラック１２の各歯底をとおる環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）に対して一様に噴射されることにより、環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）の冷却速度が均一化され、ラック１２の歯のピッチの不整が抑制される。また、ラック拘束治具１０１及び他の拘束治具１０２～１０４によってラック形成区間が複数の径方向から拘束された状態でラックバー１０は焼入されるので、焼入に伴う曲りも抑制される。

ここで、環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）の冷却速度を均一化するうえで、冷却液噴射スリット１２１，１３１から噴射される冷却液の噴射量をスリットの全長に亘って均一化することが肝要である。冷却液の噴射量がスリットの全長に亘って均一化されるために、図５に示した例では、複数の冷却液導入口１１５が冷却液供給室１１１，１１３に設けられており、また、整流板１１６が冷却液供給室１１１，１１３内部に設けられている。

例えばラック拘束治具１０１において、冷却液供給室１１１の内部は、整流板１１６によって２つの空間に仕切られている。冷却液噴射スリット１２１は、整流板１１６によって仕切られた２つの空間のうち一方の空間に連通しており、複数の冷却液導入口１１５は、他方の空間に連通している。整流板１１６は、例えば多数の小穴が全面に均等に分散して設けられているものであり、冷却液導入口１１５から導入された冷却液が整流板１１６を通過する際に、流体抵抗が冷却液に作用する。これにより、冷却液供給室１１１内部における流速の低下及び圧力の均一化が図られ、冷却液噴射スリット１２１から噴射される冷却液の噴射量がスリットの全長に亘って均一化される。

なお、冷却液の噴射量をスリットの全長に亘って均一化するための手段は、複数の冷却液導入口１１５の設置、整流板１１６の設置に限定されない。例えば、冷却液供給室１１１，１１３の内容積がなるべく大きくされてもよく、これにより、冷却液供給室１１１，１１３内部における流速の低下及び圧力の均一化が図られる。

また、冷却液の噴射量がスリットの全長に亘って均一化されるには、冷却液噴射スリット１２１，１３１のスリット幅ｗが重要である。スリット幅ｗが過大であると、冷却液の分流が不十分となり、冷却液の噴射量が不均一となる虞がある。冷却液供給室１１１，１１３内部においける冷却液の圧力にも関係するが、スリット幅ｗは、好ましくは０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

図８は、上述したラック拘束治具１０１の変形例を示す。

図８に示すラック拘束治具２０１と、上述したラック拘束治具１０１とは、冷却液をラック１２に噴射する噴射部の構成において異なる。ラック拘束治具２０１の噴射部２１２は、ラック１２に接触する先端面２２０に開口する複数の冷却液噴射口２２１を有する。先端面２２０は、ラックバー１０のラック形成区間以上の長さに形成されており、複数の冷却液噴射口２２１は、先端面２２０の長さ方向に一定間隔をあけて、先端面２２０の全長に亘って設けられている。複数の冷却液噴射口２２１のピッチは、ラック１２の歯のピッチと同一であり、各冷却液噴射口２２１は、ラック１２の各歯底に重なって配置される。各冷却液噴射口２２１から噴射された冷却液は、ラック１２の各歯底に直接当たり、各歯底が同じ条件で冷却される。なお、複数の冷却液噴射口２２１は、一列に配置されてもよいし、複数列に配置されてもよい。

図示は省略するが、上述した拘束治具１０２～１０４それぞれの噴射部１１４においても、冷却液を噴射するノズルは、スリットに替えて、複数の噴射口によって構成され得る。この場合に、複数の噴射口のピッチは、ラック１２の歯のピッチと同一とされる。各噴射口から噴射された冷却液は、各環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）に直接当たり、各環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）が同じ条件で冷却される。

本例でも、冷却液が、ラック１２の各歯底をとおる環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）に対して一様に噴射される。これにより、環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）の冷却速度が均一化され、ラック１２の歯のピッチの不整が抑制される。

図９は、ラック１２の歯のオーバーピン寸法の評価方法を示し、図１０は、ラック１２の歯のオーバーピン寸法の評価結果の一例を示す。図１０において、一点鎖線は、焼入前の評価結果を示し、実線は、図４及び図５に示した焼入装置１００によって焼入した場合の焼入後の評価結果を示し、破線は、従来の焼入装置によって焼入した場合の焼入後の評価結果を示す。

焼入したラックバー１０のラック形成区間の外径は２６ｍｍ、内径は１７ｍｍ、長さは１８０ｍｍである。このラック形成区間を高周波誘導加熱によって約９５０℃に加熱し、加熱したラックバー１０を焼入装置１００及び従来の焼入装置によって焼入した。なお、従来の焼入装置は、図４及び図５に示した焼入装置１００において、冷却液を噴射するノズルがスリットによって構成された４つの拘束治具１０１～１０４を、冷却液を噴射するノズルが複数の小穴によって構成された４つの拘束治具に替えたものであり、小穴のピッチはラック１２の歯のピッチとは異なる。

ラック１２の歯のピッチの評価は、図９に示すようにロッド（ピン）３０を歯と歯の間の溝にはめ込むように置き、ロッド３０の外周面の頂部の高さ位置ｈを測定する、いわゆるオーバーピン測定により行なった。歯と歯の間隔が大きくなるとロッド３０は溝に深く嵌り込み、ロッド３０の高さ位置ｈ、すなわちオーバーピン寸法は低くなる。

図１０に示すように、焼入前において、ラック１２の歯のオーバーピン寸法は均一である。焼入装置１００によって焼入されたラックバー１０では、従来の焼入装置によって焼入されたラックバー１０に比べて、ラック１２の歯のピッチの不整が抑制されていることがわかる。

図１１は、上述したラック拘束治具１０１の変形例を示す。

図１１に示すラック拘束治具３０１と、上述したラック拘束治具１０１とは、ラック１２に接触する先端面の構成において異なる。ラック拘束治具３０１の先端面３２０は、ラックバー１０のラック形成区間以上の長さに形成されている。そして、先端面３２０の長さ方向中央部には凹部３２２が設けられており、先端面３２０は、凹部３２２を除いて平面状に形成されている。なお、ラック拘束治具３０１の噴射部３１２は、図６に示したラック拘束治具１０１の噴射部１１２と同様に、冷却液噴射スリット３２１を有するが、図８に示したラック拘束治具２０１の噴射部２１２と同様に、ラック１２の歯のピッチと同一のピッチで配置される複数の冷却液噴射口を有してもよい。

ラック拘束治具３０１は、凹部３２２においてラック１２の中央部の歯の歯先と非接触である。この場合に、ラック１２の中央部の歯がラック拘束治具３０１と拘束治具１０２との間で上下方向に加圧されていない状態で、ラックバー１０は焼入される。その結果、図１２に二点鎖線で示すように、ラック１２は、中央部のオーバーピン寸法が相対的に大きい、所謂クラウン状に形成される。なお、図１２は、図１０と同様のラック１２の歯のピッチの評価結果を示し、図１２において、一点鎖線は、焼入前の評価結果を示し、実線は、図４及び図５に示した焼入装置１００によって焼入した場合の焼入後の評価結果を示している。

ここで、クラウン形状のラックの機能について説明する。図１３は、車両のステアリング装置の概略構成を示し、図１４及び図１５は、ラックと噛み合うピニオンの動作を示す。

図１３に示すように、車両のステアリング装置において、ピニオン１は、一対の軸受２，３によって回転可能に支持されており、また、図示しない車両の操舵軸に連結されている。通常、車両の舵角が０°、すなわち直進状態においてピニオン１がラック１２の中央部の歯と噛み合うように、ラックバー１０はステアリング装置に組み込まれている。ステアリングホイールの操作に応じてピニオン１が回転され、ラック１２にてピニオン１と噛み合っているラックバー１０は、ピニオン１の回転に伴って軸方向に移動される。

ピニオン１の中心軸と一対の軸受２，３の回転軸とが一致している場合には、ピニオン１の回転にかかわらず、ピニオン１の中心軸とラックバー１０の中心軸との距離は一定である。しかし、ピニオン１の成形誤差等に起因して、ピニオン１の中心軸と一対の軸受２，３の回転軸とはズレており、図１４に示すように、ピニオン１の回転に伴い、ピニオン１の中心軸とラック１２の中心軸との距離Ｄは変化する。ピニオン１とラック１２の軸間距離Ｄは、ステアリングホイールの操作に要する力に影響し、一般に、軸間距離が大きくなると、ステアリングホイールの操作に要する力が大きくなり、応答性が低下する。ラック１２がクラウン状に形成されることにより、図１５に示すように、舵角０°及びその近傍において軸間距離Ｄが縮小される。これにより、直進状態からの操舵の応答性が高まる。

本例では、冷却液が、ラック拘束治具３０１及び他の拘束治具１０２～１０４から、ラック１２の各歯底をとおる環状領域Ａ_ｉ（ｉ＝１～ｎ）に対して一様に噴射され、これにより、ラック１２の歯のピッチの不整が抑制される。そのうえで、ラック拘束治具３０１と、ラック１２の中央部の歯の歯先とを非接触として、ラック１２をクラウン状に形成することにより、ラック１２を所望の形状に精度よく形成することができる。

なお、ラック１２の形状は、ラックバー１０が組み込まれるステアリング装置の仕様に応じて変更可能であり、クラウン状に限定されない。ラック１２は、例えば両端部のオーバーピン寸法が相対的に大きい逆クラウン状に形成されてもよい。ラック１２が逆クラウン状に形成される場合に、凹部３２２は、ラック拘束治具３０１の先端面３２０の長さ方向両端部に設けられる。

図１６及び図１７は、本発明の実施形態を説明するための、焼入装置の他の例を示す。

上述した焼入装置１００によれば、ラックバー１０は４つの拘束治具によって拘束された状態で焼入されるので、焼入に伴う曲りが抑制されるが、図１６及び図１７に示す焼入装置４００は、焼入に伴う曲りをさらに抑制するものである。この焼入装置４００は、上述した焼入装置１００と同様に、ラックバー１０の中心軸まわりに９０°間隔で配置された４つの拘束治具４０１～４０４を備え、これら４つの拘束治具４０１～４０４によって、ラック形成区間の全長にわたり、ラック形成区間を複数の径方向から拘束する。

ラック拘束治具４０１は、ラック１２に冷却液を噴射する噴射部４１２を有する。噴射部４１２は、ラックバー１０のラック形成区間以上の長さに形成された冷却液噴射スリット４２１を有するが、ラック１２の歯のピッチと同一のピッチで配置される複数の冷却液噴射口を有してもよい。拘束治具４０２は、ラックバー１０のラック形成区間において拘束治具４０２と対向する部位に冷却液を噴射する噴射部４１４を有する。噴射部４１４は、ラックバー１０のラック形成区間以上の長さに形成された冷却液噴射スリット４３１を有するが、ラック１２の歯のピッチと同一のピッチで配置される複数の冷却液噴射口を有してもよい。残る２つの拘束治具４０３，４０４は、拘束治具４０２と同一であるので説明を省略する。

焼入装置４００は、加圧機構４４０をさらに備え、加圧機構４４０は、ラックバー１０のラック形成区間の両側又は片側に隣り合う部位を、ラックバー１０の長さ方向に対して垂直な方向に押圧する。本例では、ラックバー１０は、ラック１２を下方に向けて配置され、ラック形成区間の断面形状の非対称に起因する焼入歪は、主としてラックバー１０の上下方向の曲りとなって表れる。そこで、加圧機構４４０は、上下方向に対をなすラック拘束治具４０１及び拘束治具４０２の長さ方向両側の端部にそれぞれ設けられた押圧部材４４１を有する。ラック拘束治具１０１及び拘束治具１０２が、油圧シリンダ等の加圧装置によって駆動され、ラック形成区間を上下方向に拘束する際に、ラック拘束治具４０１及び拘束治具４０２の押圧部材４４１は、ラック拘束治具４０１及び拘束治具４０２に連動し、被押圧部位Ｂを上下方向に押圧する。

加圧機構４４０の加圧力は、ラック拘束治具１０１及び拘束治具１０２の加圧力とは別個に調節可能である。ラック拘束治具４０１の押圧部材４４１は、ラック拘束治具４０１とラック１２との接触方向（上下方向）に沿って押圧部材４４１の位置を調節する位置調節部４４２を有し、拘束治具４０２の押圧部材４４１もまた、拘束治具４０２とラックバー１０のラック形成区間との接触方向（上下方向）に沿って押圧部材４４１の位置を調節する位置調節部４４２を有する。位置調節部４４２は、押圧部材４４１に形成されたネジ部４４３と、ロックナット４４４とによって構成されている。ラック拘束治具４０１の押圧部材４４１は、回転されることによってラック拘束治具４０１に対して進退され、ラック拘束治具４０１の先端面（ラック１２との接触面）４２０から適宜突出し又は後退して配置される。同様に、拘束治具４０２の押圧部材４４１は、回転されることによって拘束治具４０２に対して進退され、拘束治具４０２の先端面（ラック形成区間との接触面）４３０から適宜突出し又は後退して配置される。押圧部材４４１の突出量が変更されることにより、加圧機構４４０の加圧力は、ラック拘束治具１０１及び拘束治具１０２の加圧力とは別個に調節される。

加圧機構４４０は、ラックバー１０に発生する焼入歪みを打ち消すような加圧力をラックバー１０に与え、これにより、焼入に伴うラックバー１０の曲りを抑制する。例えば、押圧部材４４１の先端が、完全に真直ぐなラックバー１０にちょうど接触する位置に配置され、ラックバー１０が押圧部材４４１に接触する方向に曲がる場合に、加圧機構４４０は加圧力をラックバー１０に作用させる。

図１８及び図１９は、加圧機構４４０を用いたラックバー１０の加圧例を示す。

図１８は、ラック拘束治具４０１の両側の押圧部材４４１によって、上向きの加圧力をラックバー１０の両側の被押圧部位Ｂに作用させた場合を示しており、この場合に、ラックバー１０には、図中矢印で示すような撓み力が働くことになる。もちろん、拘束治具４０２の両側の押圧部材４４１を使用して加圧力の作用方向を逆にすれば、撓みの向きは逆になる。ラックバー１０は一方に湾曲するような変形の傾向があるので、図１８に示す態様の加圧が有効である。

なお、図１９に示すように、ラック拘束治具４０１の片側の押圧部材４４１によって、上向きの加圧力を一方の被押圧部位Ｂに作用させ、拘束治具４０２の片側の押圧部材４４１によって、下向きの加圧力を他方の被押圧部位Ｂに作用させることもできる。この場合に、ラックバー１０には、図中矢印で示すような撓み力が働く。また、ラック拘束治具４０１又は拘束治具４０２の片側の押圧部材４４１によって、一方の被押圧部位Ｂにのみ加圧力を作用させることもできる。

このように、加圧機構４４０は、ラックバー１０の焼入歪みの発生傾向に応じて、加圧の態様及び加圧力を調整できるものである。実際の焼入においては、例えば、加圧の態様及び加圧力の設定を変えて焼入れを繰り返し行ない、試行錯誤的に、製品の曲りが最小になる条件を見出すことができる。また、加圧機構４４０を使用せずに、ラック拘束治具４０１及び他の拘束治具４０２～４０４によってラックバー１０を拘束して試験焼入し、次に試験焼入において発生した曲がりを矯正するように加圧機構４４０の加圧の態様および加圧力を設定して本焼入をしてもよい。

なお、押圧部材４４１は、上下方向に対をなすラック拘束治具４０１及び拘束治具４０２に替えて又はラック拘束治具４０１及び拘束治具４０２に加えて、水平方向に対をなす拘束治具４０３及び拘束治具４０４に押圧部材４４１が設けられてもよい。また、押圧部材４４１は、ラック拘束治具４０１及び拘束治具４０２とは分離して設けられ、独立した加圧装置によって駆動されてもよい。

以上、説明したとおり、本明細書に開示されたラックバーの焼入装置は、中空の軸材の長さの一部区間にラックが形成されたラックバーの焼入装置であって、加熱された前記一部区間を前記一部区間の全長にわたって複数の径方向から拘束する複数の拘束治具を備え、前記複数の拘束治具は、前記一部区間において当該拘束治具と対向する部位に冷却液を噴射する噴射部をそれぞれ有し、前記噴射部は、少なくとも前記ラックの各歯底を通って前記一部区間の外周を周回する複数の環状領域に対し、前記冷却液を一様に噴射する。

また、本明細書に開示された焼入装置は、前記噴射部が、前記ラックバーの長さ方向に延びており、且つ前記一部区間以上の長さに形成されている噴射スリットを有する。

また、本明細書に開示された焼入装置は、前記噴射部が、前記ラックの歯ピッチと等しい間隔をあけて、前記ラックバーの長さ方向に並ぶ複数の噴射口を有する。

また、本明細書に開示された焼入装置は、前記複数の拘束治具が、前記ラックに接触するラック拘束治具を含み、前記ラック拘束治具における前記ラックとの接触面には、一つ以上の凹部が設けられている。

また、本明細書に開示された焼入装置は、前記凹部が、前記接触面の長さ方向の中央部に設けられている。

また、本明細書に開示された焼入装置は、前記軸材において前記一部区間の両側又は片側に隣り合う部位を、前記長さ方向に対して垂直な方向に押圧する加圧機構を備える。

また、本明細書に開示された焼入装置は、前記加圧機構が、前記複数の拘束治具のうち少なくとも一つの拘束治具に設けられている一つ以上の押圧部材を有し、前記押圧部材は、当該押圧部材が設けられている前記拘束治具と前記一部区間との接触方向に沿って当該押圧部材の位置を調節する位置調節部を有する。

また、本明細書に開示されたラックバーの焼入方法は、中空の軸材の長さの一部区間にラックが形成されたラックバーの少なくとも前記一部区間を加熱し、加熱された前記一部区間を前記一部区間の全長にわたって複数の径方向から拘束し、少なくとも前記ラックの各歯底を通って前記一部区間の外周を周回する複数の環状領域に対し、前記一部区間を拘束している複数の拘束治具から冷却液を一様に噴射する。

また、本明細書に開示されたラックバーの焼入方法は、前記複数の拘束治具によって拘束された前記一部区間の両側又は片側に隣り合う部位を、前記ラックバーの長さ方向に対して垂直な方向に押圧しつつ焼入する。

１ ピニオン
２ 軸受
３ 軸受
１０ ラックバー
１１ 軸材
１２ ラック
１３ 部
２０ 金型
２１ 上型
２２ 下型
２３ ラック歯型
２４ 成形面
２５ 芯金
２６ 押棒
２７ 押棒
３０ ロッド
１００ 焼入装置
１０１ ラック拘束治具
１０２ 拘束治具
１０３ 拘束治具
１０４ 拘束治具
１０５ ジャケット
１１１ 冷却液供給室
１１２ 噴射部
１１３ 冷却液供給室
１１４ 噴射部
１１５ 冷却液導入口
１１６ 整流板
１２０ 先端面
１２１ 冷却液噴射スリット
１３０ 先端面
１３１ 冷却液噴射スリット
１３２ 凹溝
２０１ ラック拘束治具
２１２ 噴射部
２２０ 先端面
２２１ 冷却液噴射口
３０１ ラック拘束治具
３１２ 噴射部
３２０ 先端面
３２１ 冷却液噴射スリット
３２２ 凹部
４００ 焼入装置
４０１ 拘束治具
４０１ ラック拘束治具
４０２ 拘束治具
４０３ 拘束治具
４０４ 拘束治具
４１２ 噴射部
４１４ 噴射部
４２０ 先端面
４２１ 冷却液噴射スリット
４３０ 先端面
４３１ 冷却液噴射スリット
４４０ 加圧機構
４４１ 押圧部材
４４２ 位置調節部
４４３ ネジ部
４４４ ロックナット
Ａｉ 環状領域
Ｂ 被押圧部位
Ｄ 軸間距離
ｈ オーバーピン寸法
ｗ スリット幅

Claims (7)

1. 中空の軸材の長さの一部区間にラックが形成されたラックバーの焼入装置であって、
   加熱された前記一部区間を前記一部区間の全長にわたって複数の径方向から拘束する複数の拘束治具を備え、
   前記複数の拘束治具は、前記一部区間において当該拘束治具と対向する部位に冷却液を噴射する噴射部をそれぞれ有し、
   前記噴射部は、少なくとも前記ラックの各歯底を通って前記一部区間の外周を周回する複数の環状領域に対し、前記冷却液を一様に噴射し、
   前記複数の拘束治具は、前記ラックに接触するラック拘束治具を含み、
   前記ラック拘束治具における前記ラックとの接触面には、一つ以上の凹部が設けられており、
   前記凹部は、前記ラックバーの長手方向において前記接触面の中央部に設けられており、
   前記ラック拘束治具は、前記凹部において前記ラックの中央部の歯の歯先と非接触であり、前記ラックの中央部の歯が、前記ラック拘束治具と、前記複数の拘束治具のうち前記ラック拘束治具と上下方向に対をなす拘束治具と、の間で上下方向に加圧されていない状態で前記ラックバーを焼入する焼入装置。
2. 請求項１記載の焼入装置であって、
   前記噴射部は、前記ラックバーの長さ方向に延びており、且つ前記一部区間以上の長さに形成されている噴射スリットを有する焼入装置。
3. 請求項１記載の焼入装置であって、
   前記噴射部は、前記ラックの歯ピッチと等しい間隔をあけて、前記ラックバーの長さ方向に並ぶ複数の噴射口を有する焼入装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項記載の焼入装置であって、
   前記軸材において前記一部区間の両側又は片側に隣り合う部位を、前記長さ方向に対して垂直な方向に押圧する加圧機構を備える焼入装置。
5. 請求項４記載の焼入装置であって、
   前記加圧機構は、前記複数の拘束治具のうち少なくとも一つの拘束治具に設けられている一つ以上の押圧部材を有し、
   前記押圧部材は、当該押圧部材が設けられている前記拘束治具と前記一部区間との接触方向に沿って当該押圧部材の位置を調節する位置調節部を有する焼入装置。
6. 中空の軸材の長さの一部区間にラックが形成されたラックバーの少なくとも前記一部区間を加熱し、
   加熱された前記一部区間を前記一部区間の全長にわたって複数の径方向から拘束し、
   少なくとも前記ラックの各歯底を通って前記一部区間の外周を周回する複数の環状領域に対し、前記一部区間を拘束している複数の拘束治具から冷却液を一様に噴射し、
   前記複数の拘束治具は、前記ラックに接触するラック拘束治具を含み、
   前記ラック拘束治具における前記ラックとの接触面には、一つ以上の凹部が設けられており、
   前記凹部は、前記ラックバーの長手方向において前記接触面の中央部に設けられており、
   前記ラック拘束治具は、前記凹部において前記ラックの中央部の歯の歯先と非接触であり、前記ラックの中央部の歯が、前記ラック拘束治具と、前記複数の拘束治具のうち前記ラック拘束治具と上下方向に対をなす拘束治具と、の間で上下方向に加圧されていない状態で前記ラックバーを焼入するラックバーの焼入方法。
7. 請求項６記載の焼入方法であって、
   前記複数の拘束治具によって拘束された前記一部区間の両側又は片側に隣り合う部位を、前記ラックバーの長さ方向に対して垂直な方向に押圧しつつ焼入する焼入方法。

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