(57)【要約】【課題】中空シャフトからなるインナシャフトとアウタシャフトとをセレーション嵌合してステアリングシャフトとして用いる場合に、中空シャフトの薄肉化に対してセレーションの摩耗を抑制防止し、もって操舵フィーリングと強度の両立を可能とする。【解決手段】インナシャフト１１の外周面に形成されている外歯セレーション部及びアウタシャフト１２の内周面に形成されている内歯セレーション部の少なくとも何れか一方に、厚さが３μｍ以上２０μｍ以下の窒化層を形成する。窒化層の厚さが２０μｍ以上になると、窒化層が早期剥離して摩耗を抑制することができない。【選択図】      図４
2006341796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車のステアリング装置に組み込まれて使用され、ステアリングホイールの動きをステアリングギヤに伝達するためのステアリングシャフトであって、内周面に内歯セレーションが形成された管状のアウタシャフトと外周面に前記内歯セレーションと噛合する外歯セレーションが形成されたインナシャフトとをスライド可能状態で結合するステアリングシャフトにおいて、前記アウタシャフト及びインナシャフトの少なくとも何れか一方に、厚さが３μｍ以上２０μｍ以下の窒化層を形成したことを特徴とするステアリングシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のステアリング装置に組み込まれて使用され、ステアリングホイールの動きをステアリングギヤに伝達するためのステアリングシャフトに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ステアリングシャフトは、操舵トルクを伝達するために、捻り強度が必要である。従前のステアリングシャフトは、この捻り強度を確保するために、中実のロッドからなるシャフトを用いていた。しかしながら、近年の自動車軽量化或いはコスト低廉化のために、中空のシャフトを用いる必要が発生している。
一方、ステアリングシャフトはハウジング内で軸受に支持されるが、この軸受を固定するためにステアリングシャフトにストッパリング固定用の溝を形成しなければならない。また、ステアリングホイールを前後方向に移動したり、衝撃を吸収したりするためのセレーション加工も必要となる。セレーションは、周知のようにキーとキー溝からなり、このような溝加工部位は、凡そ応力集中箇所となるため、ステアリングシャフトに中空シャフトを用いる場合には、強度に対する対策が必要になる。
【０００３】
そこで、例えば溝加工の代わりにネジ加工を施してナットを取付けるなどの対策を行っている。また、下記に挙げる特許文献１では、中実シャフトと中空シャフトを嵌合して用いる技術が開示されている。
【特許文献１】特開平９−２０２２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、自動車には更なる軽量化の要求があり、結果として中空シャフトからなるステアリングシャフトも、更なる薄肉化が要求される。このような中空シャフトからなるステアリングシャフトの薄肉化が促進されると、単純な捻り強度に加えて、セレーションの摩耗が問題になる。即ち、中空シャフトからなるステアリングシャフトの肉厚が薄くなると、加工可能なセレーションの歯丈が小さくなり、噛み合い面積が減少して面圧が大きくなり、摩耗が進みやすくなる。このようなセレーションの摩耗は、ステアリングホイールの遊びやガタ付きといった、操舵フィーリングの低下につながる。セレーションの歯丈を大きくすると、中空シャフトの残肉が薄くなって強度が低下する。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、強度と操舵フィーリングの両立を可能とするステアリングシャフトを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に係るステアリングシャフトは、自動車のステアリング装置に組み込まれて使用され、ステアリングホイールの動きをステアリングギヤに伝達するためのステアリングシャフトであって、内周面に内歯セレーションが形成された管状のアウタシャフトと外周面に前記内歯セレーションと噛合する外歯セレーションが形成されたインナシャフトとをスライド可能状態で結合するステアリングシャフトにおいて、前記アウタシャフト及びインナシャフトの少なくとも何れか一方に、厚さが３μｍ以上２０μｍ以下の窒化層を形成したことを特徴とするものである。
【０００６】
一般的に、鉄鋼部材に窒化処理を施すと、鉄鋼部材の表面で窒素と鉄が反応し、窒素原子が鉄鋼部材の中に拡散し、表面に窒化化合物からなす層、即ち窒化層が形成される。この窒化層は、鉄鋼部材の表面に向けて窒素濃度が高い相となっている。即ち、窒化層の相は、最も内側の母材との境界付近から最表面に向けて、γ‘相（Ｆｅ4Ｎ）、ε相（Ｆｅ2―3Ｎ）、ζ相（Ｆｅ2Ｎ）の順に変化する。これらの化合物層によって耐摩耗性が向上する。更に、窒化処理は、材料の機械的強度を向上することができるので、耐摩耗性と強度が求められる部材に最適な表面処理である。しかしながら、最適な窒化処理を行わないと、耐摩耗性と強度を両立することができず、逆に早期破損の原因になることが考えられる。
【０００７】
窒化層を形成する方法としては、例えば以下の４つの方法が挙げられる。
１）窒素ガスとアンモニアガスとの混合ガス中に４５０〜６００℃で１〜３時間保持する方法（低温でのガス軟窒化法）。
２）ＮＦ3等のフッ素ガスを用いて２００〜４００℃程度でフッ化処理を行った後、ＮＨ3ガス中に４５０〜６００℃で１〜３時間保持する方法（エアウオーター株式会社の商品名「Ｎｖ超窒化」）。
３）特殊な４５０〜６００℃の塩浴中に浸漬する塩浴窒化。
４）窒素と水素の混合ガス雰囲気で部材を陰極、処理炉の内壁を陽極として、５００〜５５０℃程度の温度で１０時間程度グロー放電する方法（イオン窒化法）。
何れも、変形を抑制するためには５５０℃以下で窒化処理を行うことが望ましく、より好ましくは５００℃以下で行う。なお、窒化層の形成方法は、前記に限定されるものではない。
【０００８】
ここで、本発明のステアリングシャフトの耐摩耗性を評価するために、サバン式摩耗試験によって再現試験を行った。試験片としてＳＡＥ１０３０を用い、窒化層の厚さの影響について評価を行った。窒化層の形成は、前述した２）の方法、即ちＮＦ3等のフッ素ガスを用いて２００〜４００℃程度でフッ化処理を行った後、ＮＨ3ガス中に４５０〜６００℃で１〜３時間保持する「Ｎｖ超窒化」によって行った。試験に用いる回転体は試験材と同一材で同じ窒化層厚さの円筒を用意した。図１に示すように、試験片Ｓを回転体Ｋの上に乗せて荷重Ｆをかけ、回転体Ｋの下部がドライな状態で、回転体Ｋを１ｍ／秒で１０秒回転させ、その後、逆方向に同条件で回転させ、それを１００回繰り返して、各試験片の摩耗体積を測定した。
【０００９】
この試験結果を図２に示す。図２は、縦軸が摩耗体積比、横軸が窒化層の厚さであり、摩耗体積比は、窒化処理を施していないＳＡＥ１０３０の摩耗体積との比で表した。この結果から明らかなように、窒化層の厚さが３μｍ以下では窒化処理なしのものと同等レベルの摩耗量であることが分かる。これに対し、窒化層の厚さが３μｍ以上２０μｍ以下の範囲では、窒化処理なしのものに比べて著しく摩耗量が低減している。しかし、窒化層の厚さが２０μｍ以上になると、かえって摩耗量が増加している。このことから、ステアリングシャフトの強度及び耐摩耗性を同時に向上する窒化層の厚さは３μｍ以上２０μｍ以下であることが分かる。そして、耐摩耗性が向上すれば、勿論、操舵フィーリングが向上する。
【発明の効果】
【００１０】
而して、本発明のステアリングシャフトによれば、アウタシャフト及びインナシャフトの少なくとも何れか一方に、厚さが３μｍ以上２０μｍ以下の窒化層を形成したことにより、強度と操舵フィーリングを同時に向上することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明のステアリングシャフトの一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図３は、本実施形態のステアリングシャフトを組み付けたステアリング装置の上部であり、図中の符号６はステアリングホイール、符号５は、ステアリングホイール６側に配設されたアウタコラム、符号１０は、アウタコラム５の下方に差し込まれたインナコラムであり、このアウタコラム５及びインナコラム６の内部に、ステアリングホイール６に連結されたステアリングシャフトが挿通され、そのステアリングシャフトの下端部にはユニバーサルジョイント８が取付けられて、下部のロアシャフト又はインタミディエートシャフトに連結され、その下端部にステアリングギヤが連結されている。また、アウタコラム５は、コラム側ブラケット４、車体側ブラケット３、緩衝材２を介して車体側部材１に、ボルト及びナット７で固定されている。このボルト及びナット７には、テレスコピックレバー９が取付けられており、このテレスコピックレバー９を回動してボルト及びナット７を弛めることで、コラム側ブラケット４及び車体側ブラケット３を相対移動可能とし、アウタコラム５とインナコラム１０とをスライドさせて伸縮し、ステアリングホイール６の位置を前後方向に変更することができる。
【００１２】
図４は、アウタコラム５及びインナコラム１０内に挿通され、上端部がステアリングホイール６に、下端部がユニバーサルジョイント８に連結されたステアリングシャフトであり、ステアリングホイール６側のアウタシャフト１２の下端部に、ユニバーサルジョイント８側のインナシャフト１１を差し込んで形成されている。このアウタシャフト１２も、インナシャフト１１も、共に中空シャフトであり、アウタシャフト１２の内周面には内歯セレーションが形成され、インナシャフト１２の外周面には外歯セレーションが形成され、夫々のセレーションが噛合するようにしてアウタシャフト１２内にインナシャフト１１が差し込まれている（セレーションは図示を省略）。
【００１３】
このアウタシャフト１２及びインナシャフト１１からなるステアリングシャフトには、ＳＡＥ１０３０相当で電気溶接鋼管を用い、アウタシャフト１２の素材の外径はφ２４ｍｍ、内径はφ１８ｍｍであり、インナシャフト１１の素材の外径はφ１７ｍｍ、内径はφ１３ｍｍである。このアウタシャフト１２及びインナシャフト１１に、前記２）の方法、即ちＮＦ3等のフッ素ガスを用いて２００〜４００℃程度でフッ化処理を行った後、ＮＨ3ガス中に４５０〜６００℃で保持する「Ｎｖ超窒化」によって種々の厚さの窒化層を形成した。窒化層の厚さは、ＮＨ3ガス中に保持する時間を調整して、変更した。窒化層の厚さは、ステアリングシャフトの断面を磨き、光学顕微鏡を用いて１０００倍で観察し、１０視野の平均の窒化層厚さを測定した。なお、窒化層とは、窒素の濃化した窒素と母材の鉄との化合物層である。
【００１４】
このステアリングシャフトに対して操舵フィーリング試験を行った。操舵フィーリング試験は、図５に示すようにユニバーサルジョイント８に固定ジグ１３を取付け、この固定ジグ１３をトルク測定装置１４に固定し、この状態でステアリングホイール６を操作して操舵トルクが１００Ｎ・ｍになるまでステアリングホイール６を回転させ、これを５Ｈｚで１０００００回繰り返し、操舵フィーリングを評価する。ステアリングホイール６に遊びがなく、操舵フィーリングの良好なものを○、遊びはないが、測定できないレベルでガタ付きのあるものを△、遊びのあるものを×と評価した。また、試験後、セレーション部の摩耗を光学顕微鏡で観察した。摩耗は、光沢として表れる。ごく僅かな光沢、つまり摩耗であれば、操舵フィーリングはさほど低下しない。
【００１５】
【表１】
2006341796.tif 000003
【００１６】
試験の結果を表１に示す。窒化層の厚さが３μｍ以下の場合、操舵フィーリングは良好でない。これは、窒化層が薄く、耐摩耗性が向上しなかったためである。一方、窒化層の厚さが３μｍ以上になると操舵フィーリングがよくなる。これは試験後のセレーション部の摩耗の観察結果からも明らかである。しかし、窒化層の厚さが２０μｍ以上になると、かえって操舵フィーリングが悪くなっている。また、試験後のセレーション部の摩耗も県庁になっている。これは、窒化層を厚くし過ぎたため、かえって窒化層が脆化し、窒化層が早期に表面から脱離したため、操舵フィーリングに悪影響が発生したと考えられる。これらの結果から、窒化層の厚さは３μｍ以上２０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上１０μｍ以下とするのがよい。
なお、実施形態の鋼種にはＳＡＥ１０３０相当で電気溶接鋼管を用いたが、特にこの材料に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】サバン式摩耗試験の説明図である。
【図２】図１の摩耗試験による窒化層厚さと摩耗体積比との関係を示す説明図である。
【図３】本発明のステアリングシャフトを用いたステアリング装置の一実施形態を示す構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。
【図４】図３のステアリング装置に組み付けられたステアリングシャフトの正面図である。
【図５】図４のステアリングシャフトに対するセレーション摩耗試験を伴う操舵フィーリング試験の説明図である。
【符号の説明】
【００１８】
１は車体側部材
２は緩衝材
３は車体側ブラケット
４はコラム側ブラケット
５はアウタコラム
６はステアリングホイール
７はボルト及びナット
８はユニバーサルジョイント
９はテレスコピックレバー
１０はインナコラム
１１はインナシャフト
１２はアウタシャフト
１３は固定ジグ
１４はトルク測定装置
【図１】
2006341796.tif 000004
【図２】
2006341796.tif 000005
【図３】
2006341796.tif 000006
【図４】
2006341796.tif 000007
【図５】
2006341796.tif 000008