(57)【要約】【課題】ステアリングシャフトの一部に蛇腹状のベローズ部を形成して、衝撃吸収機能を付加する場合に、衝撃吸収機能と耐久性の両立を図る。【解決手段】例えば、電気溶接鋼管を用いて蛇腹状のベローズ部１ａを有するベローズ付きシャフト１を形成した場合、そのベローズ部１ａ外側の表面粗さを２．０μｍＲａ以下、好ましくは１．０μｍＲａ以下として応力集中を緩和し、亀裂の発生を抑制することで疲労寿命を向上し、耐久性を確保する。また、ベローズ部１ａ外側の谷部の曲率半径を１．１ｍｍ以上２．１ｍｍ以下、好ましくは１．５ｍｍ以上１．９ｍｍ以下として高疲労強度且つ低座屈強度を得、もって耐久性と衝撃吸収機能の両立を実現する。【選択図】      図１
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【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、衝撃吸収のためのベローズ部が形成されたステアリングシャフトにおいて、前記ベローズ部の外側表面の粗さが中心線平均粗さで２．０μｍＲａ以下であることを特徴とするステアリングシャフト。
【請求項２】
少なくとも三以上の自在継手を用いて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、衝撃吸収のためのベローズ部が形成されたステアリングシャフトにおいて、前記ベローズ部の外側表面の粗さが中心線平均粗さで２．０μｍＲａ以下であることを特徴とするステアリングシャフト。
【請求項３】
前記ベローズ部の外側の谷部の曲率半径が１．１ｍｍ以上２．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の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。一方、ステアリングシャフトには、例えば前方からの衝撃を吸収する機能も要求される。ステアリング装置に要求される衝撃吸収機能は、主に二つに大別され、その内の一つは、運転者がステアリング装置に衝突する際の衝撃を吸収する機能であり、例えばエアバックシステムの併用により大幅に改善されている。もう一つは、ボディやエンジンなどが衝突の力で後方に押し下げられ、ステアリングシャフトも同様に押し下げられた結果、ステアリング装置が運転者を突き上げようとする衝撃を吸収する機能である。
【０００３】
このようなステアリングシャフト自体に衝撃吸収機能を付与するため、例えば中空のステアリングシャフトの一部を蛇腹状にして、所謂ベローズ部を形成するものがある。例えば、下記に挙げる特許文献１にはベローズ部における衝撃吸収機能に関する技術が、また特許文献２には別体のベローズ部とステアリングシャフトとの結合に関する技術が、夫々開示されている。
【特許文献１】実公平４−４７２５３号公報
【特許文献２】特開平９−１５０７４７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、衝撃吸収のために形成されるベローズ部は、コラプシブル、つまり変形して衝撃を吸収するものであり、一方で、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十分な耐久性も要求される。前述した二つの特許文献にも、ベローズ部の衝撃吸収機能と耐久性の両立に関する記述はない。
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、衝撃吸収機能と耐久性の両立が可能な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、衝撃吸収のためのベローズ部が形成されたステアリングシャフトにおいて、前記ベローズ部の外側表面の粗さが中心線平均粗さで２．０μｍＲａ以下であることを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明のうち請求項２に係るステアリングシャフトは、少なくとも三以上の自在継手を用いて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、衝撃吸収のためのベローズ部が形成されたステアリングシャフトにおいて、前記ベローズ部の外側表面の粗さが中心線平均粗さで２．０μｍＲａ以下であることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明のうち請求項３に係るステアリングシャフトは、請求項１又は２の発明において、前記ベローズ部の外側の谷部の曲率半径が１．１ｍｍ以上２．１ｍｍ以下であることを特徴とするものである。
ステアリングシャフトの強度を高める手法として、一般的に硬さを向上させる方法が知られている。一般的に鋼の引張強度は硬さと比例しており、疲労強度に関しては、Ｈｖ４００以下の鋼材で硬さに相関のあることが知られている（村上敬宜「金属疲労微小欠陥と介在物の影響」１９９３年、養賢堂）。しかし、硬さを向上させ、強度を高めると、優れた衝撃吸収性が得られなくなってしまう。
【０００８】
つまり、衝撃吸収機能を兼ね備えたステアリングシャフトは、いたずらに硬さを高めても得られない。一方、ステアリングシャフトに対する軽量化の要求は厳しくなる方向であるが、十分な強度を保つことが絶対条件となる。本発明者らは、必要以上に硬さを高めず、疲労強度のみを高める手法を種々検討した。
本発明者らは、ステアリングシャフトの素材として溶接鋼管を使用している。溶接鋼管は、鋼板を加工溶接して製造されるため、肉厚変動（偏肉）が非常に小さく、寸法精度及び表面性状に優れている（「チューブフォーミング」日本塑性加工学会、（株）コロナ社１９９２．１０ｐ８）。また、近年の溶接技術の向上や、熱処理を施すことで、品質の均一化が可能であり、高品質の溶接鋼管が比較的安価に入手可能となっている。
溶接鋼管は、冷間成形により加工硬化している。機械構造用の溶接鋼管では、加工硬化を熱処理で均一化すると共に、材料成分と熱処理条件の選定により種々の強度の溶接鋼管が選べる（例えばＪＩＳ  Ｇ  ３４４５）。
【０００９】
回転トルクを伝達するための十分な捻り強度を確保し、衝撃吸収機能を併せ持つために必要なステアリングシャフトの材料特性は、高疲労強度且つ低座屈強度（低静的強度）である。そこで、本発明者らは、疲労強度に大きく影響し且つ座屈強度への影響が小さいパラメータとして、表面粗さに着目した。表面粗さが大きい場合には、粗さの凹凸が応力集中源となり、繰り返し応力によって疲労亀裂が発生し易くなる。そのため、疲労寿命を延長するためには、表面粗さを小さくすることが有効である。一方で、材料の座屈強度は材料の表面粗さの影響が小さく、表面粗さを小さくすることによって座屈強度は向上しない。即ち、繰り返し回転トルクを伝達する際に、捻り荷重による繰り返し応力が高くなり、疲労亀裂の起点となるステアリングシャフトのベローズ部外側の表面粗さを小さくすることで、トルク伝達に必要な疲労強度を確保し、且つ衝撃吸収機能を確保することが可能となる。
【００１０】
また、ステアリングシャフトは、その構造やシャフトの連結方式などで発生する応力が変わる。本発明者らは、一般的な乗用自動車に使用されるステアリングシャフトの構造や連結方式から、三以上の自在継手を備えた複数のシャフトから構成されるステアリング装置では、ステアリングホイールを回転させるたびに、自在継手の切換や角速度の違いの組合せにより、ステアリングシャフトに曲げ応力が大きく加わることを見出した。つまり、三以上の自在継手を備えて複数のシャフトでステアリング装置を構成する場合には、ステアリングホイールの回転をタイヤに伝える捻り荷重に加え、大きな曲げ荷重がかかる場合があり、特に疲労破壊に対して十分な強度が必要になる。このように、捻り荷重と曲げ荷重による大きな繰り返し応力が作用する場合には、表面粗さを小さくすれば亀裂は発生しにくくなり、長寿命化が可能となる。
【００１１】
また、ベローズ部は、所謂蛇腹構造であり、回転トルクを伝達する際の捻り荷重によって、蛇腹構造外側谷部の応力が大きくなる。また、谷部の曲率半径の大きさによって応力集中係数が異なるため、曲率半径の大きさで谷部の応力並びにステアリングシャフトの疲労強度が異なり、曲率半径が大きいほど疲労強度が大きくなる。一方、座屈強度に及ぼす曲率半径の影響は、疲労強度に比べると小さいものの、曲率半径が大きいほど座屈強度も大きくなる。従って、ステアリングシャフトの疲労強度向上のためには、ベローズ部外側谷部の曲率半径を大きくし、衝撃吸収性を確保するためには、ベローズ部外側谷部の曲率半径を小さくしなければならないので、高疲労強度と衝撃吸収性の両立のためにはベローズ部外側谷部の曲率半径に適切な範囲が存在することが判明した。具体的な数値限定理由については後述するが、ベローズ部外側谷部の曲率半径を１．１ｍｍ以上２．１ｍｍ以下とすることで、回転トルクを伝達するための十分な捻り強度を確保し、且つ衝撃吸収機能を備えたステアリングシャフトを提供することが可能となる。
【００１２】
また、回転曲げに対する疲労強度を向上させるためには、ベローズ部の肉厚に対する当該ベローズ部表面の脱炭層の厚さの比を０．１４以下にすることが好ましく、ベローズ部表面から当該ベローズ部表面の脱炭層の厚さの半分までの領域の平均フェライト粒径を３０μｍ以下とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
而して、本発明のステアリングシャフトによれば、衝撃吸収のためのベローズ部の外側表面の粗さを中心線平均粗さで２．０μｍＲａ以下としたため、特に自在継手を三以上用いたステアリング装置において、ベローズ部の衝撃吸収機能と耐久性の両立が可能となる。
また、ベローズ部の外側の谷部の曲率半径を１．１ｍｍ以上２．１ｍｍ以下としたため、ベローズ部の耐久性をより一層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】
【００１４】
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１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であり、図中の符号６はステアリングホイール、符号１６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１７は、アウタコラム１６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１６の内部に、ステアリングホイール６に連結されたアウタシャフト５が挿通され、このアウタシャフト５の下端部に、インナコラム１７内に挿通されているインナシャフト４が差し込まれ、このインナシャフト４の下端部にユニバーサルジョイント（自在継手）２の一端が取付けられ、このユニバーサルジョイント２の他端がベローズ付きシャフト１に連結されている。ベローズ付きシャフト１の下端側は車室壁９の軸受８に挿通され、その下端部にユニバーサルジョイント２及びロアシャフト３が取付けられ、このロアシャフト３の下端部がユニバーサルジョイント２を介してステアリングギヤ１５に連結されている。つまり、このステアリング装置は、ユニバーサルジョイント２を三つ備えて構成されている。なお、アウタコラム１６は、コラム側ブラケット１８、車体側ブラケット１９、緩衝材２０を介して車体側部材２１に、ボルト及びナット２２で固定されている。
【００１５】
図２には、本実施形態のベローズ付きシャフト１の詳細を示す。図中の符号１ａが、蛇腹状に形成されたベローズ部である。このベローズ付きシャフト１は、例えば油圧を利用したハイドロフォーミングで成形され、ベローズ部１ａの板厚は１．０８〜１．１２ｍｍ、その他の部分の板厚は２．５〜３．５ｍｍ程度であり、ベローズ部１ａがその他の部分に比べて変形し易いことが分かる。
【００１６】
素材として用いた電気溶接鋼板は、強度も考慮しているが、複雑な形状への加工性を重視したものとなる。本実施形態では、Ｃ：０．１３％以上０．２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｍｎ：０．５％以上１．０％以下、その他鉄及び不可避不純物からなる鋼を素材として適用している。そして、本実施形態では、ベローズ部１ａの外側谷部の曲率半径（以下、単に曲率半径とも記す）を種々に変更して、本発明の実施例とその比較例を作成すると共に、ハイドロフォーミング成形後、バフ研磨によってベローズ部外側の表面粗さ（以下、単に表面粗さとも記す）を種々に変更して、本発明の実施例とその比較例を作成した。表面粗さ及び曲率半径は、Taylor  Hobson製フォームタリサーフを用いて行い、試験片のベローズ部１ａ外側の谷部で、４カ所測定して平均した。
【００１７】
このベローズ付きシャフト１に対し、図３に示す回転曲げ疲労試験を行った。図１におけるベローズ付きシャフト１の上端部をカップリング１１でモータ１０に連結し、ベローズ付きシャフト１の下端部には軸受３１を介して錘１２で荷重を付加する。試験は、同一表面粗さ・曲率半径の試験片１０本に対して行い、ワイブル分布によるＬ１０寿命で整理し、最も寿命の短かった、後述の比較例１の寿命との比で評価した。
【００１８】
［回転曲げ疲労試験条件］
負荷モーメント：２０〜２２Ｎ・ｍ
回転数：９０〜１００ｒｐｍ
次に、本実施形態のベローズ付きシャフト１に対して、衝撃吸収機能の試験方法として図４に示す曲げ座屈試験を行った。試験では、ベローズ付きシャフト１の上下端部にユニバーサルジョイント２を取付け、それをプレス装置の固定盤１４と移動盤１３に固定し、移動盤１３で下方に荷重をかけてベローズ付きシャフト１のベローズ部１ａが座屈したときの荷重を測定した。試験は、同一表面粗さ・曲率半径の試験片３本に対して行い、平均座屈荷重を曲げ座屈荷重とし、曲げ座屈荷重が最も小さかった、後述の実施例１９の曲げ座屈荷重との比を曲げ座屈荷重比として評価した。
【００１９】
［曲げ座屈試験条件］
荷重速度：３〜２０Ｎ／ｍｍ・ｓ
最大ストローク：６０〜８０ｍｍ
次に、本実施形態のベローズ付きシャフト１を用いて、図１の実車状態に組立て、ステアリングギヤ１５の位置にトルク測定器を取付け、ステアリングホイール６を操作して、最大６０Ｎ・ｍの入力トルクを繰り返し負荷して、破損するまでの寿命試験を行った。試験結果をＬ１０寿命で整理し、最も寿命の短かった、後述の比較例１の寿命との比で評価した。
【００２０】
試験結果及び表面粗さ及び曲率半径の測定結果を表１、表面粗さに対する回転曲げ疲労試験の結果を図５、曲率半径に対する回転曲げ疲労試験の結果を図６、曲率半径に対する曲げ座屈試験の結果を図７に、表面粗さに対する実車疲労試験の結果を図８に夫々示す。本発明の実施例は、表面粗さが中心線平均粗さで２．０μｍＲａ以下である。また、本発明の推奨範囲は、曲率半径が１．１ｍｍ以上２．１ｍｍ以下である。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
試験結果及び測定結果から、例えば図５に示すように、同じ曲率半径（ρ＝１．８ｍｍ）のもとでは、表面粗さが２μｍＲａ以下になると、回転曲げ疲労寿命が大きく向上している。一方、例えば図６に示すように、同じ表面粗さ（Ｒａ＝０．５μｍ）のもとでは、曲率半径が１．１ｍｍ以上になると回転曲げ疲労強度が大きく向上している。また、例えば図７に示すように、曲率半径が２．１以下の領域で曲げ座屈強度が小さく、衝撃吸収性を確保することができる。以上より、ベローズ部外側の表面粗さを中心線平均粗さで２．０μｍ以下、ベローズ部外側の谷部の曲率半径を１．１ｍｍ以上２．１ｍｍ以下とすることで耐久性と衝撃吸収性に優れたステアリングシャフトを提供することが可能となるが、図５〜図７より、より好ましくはベローズ部外側の表面粗さを中心線平均粗さで１．０μｍ以下、ベローズ部外側の谷部の曲率半径を１．５ｍｍ以上１．９ｍｍ以下とすることで、更なる耐久性と衝撃吸収性を得ることができる。
【００２３】
また、例えば図５及び図８から明らかなように、ベローズ付きシャフト単体の寿命と、ユニバーサルジョイントを三つ用いた実車での寿命とを比較すると、実車での寿命向上効果が顕著であることが分かる。これは、前述したように、三以上のユニバーサルジョイント（自在継手）を用いた場合、捻り荷重に加えて曲げ荷重が作用する、複雑な応力状態でベローズ部外側の表面粗さが効果的に作用したと判断できる。従って、本実施形態のステアリングシャフトは、三以上の自在継手を用いてステアリング装置に組み付けられるステアリングシャフトで、高い長寿命化効果を発揮する。また、これらの結果から、ベローズ部外側の表面粗さが中心線平均粗さで１．０μｍＲａ以下になると疲労寿命比が６．１倍と飛躍的に向上することから、ベローズ部外側の表面粗さは中心線平均粗さで１．０μｍＲａ以下とするのが望ましい。
なお、実施形態の鋼種には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】
【００２４】
【図１】本発明のステアリングシャフトの一実施形態を用いたステアリング装置の構成図である。
【図２】図１のステアリング装置に用いられたベローズ付きシャフトの構成図である。
【図３】回転曲げ疲労試験の説明図である。
【図４】曲げ座屈試験の説明図である。
【図５】ベローズ部外側の表面粗さと疲労寿命比との関係の説明図である。
【図６】ベローズ部外側の谷部の曲率半径と疲労寿命比との関係の説明図である。
【図７】ベローズ部外側の谷部曲率半径と曲げ座屈荷重比との関係の説明図である。
【図８】ベローズ部外側の表面粗さと実車疲労寿命比との関係の説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１はベローズ付きシャフト（ステアリングシャフト）
１ａはベローズ部
２はユニバーサルジョイント（自在継手）
３はロアシャフト
４はインナシャフト
５はアウタシャフト
６はステアリングホイール
８は軸受
９は車室壁
１０はモータ
１１はカップリング
１２は錘
１５はステアリングギヤ
１６はアウタコラム
１７はインナコラム
１８はコラム側ブラケット
１９は車体側ブラケット
２０は緩衝材
２１は車体側部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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