(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、衝撃吸収機能と強度との両立を図る。【解決手段】例えば、電気溶接鋼管を用いて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に窒化処理を施し、その表面に窒化層を形成することで、強度と衝撃吸収機能の両立を実現する。寿命、即ち強度面からは、板厚に対する窒化層厚さ率は０．５％以上が望ましい。また、衝撃吸収機能面からは、板厚に対する窒化層厚さ率は１％以下が望ましい。また、三以上のユニバーサルジョイントが用いられ、そのためにベローズ付きシャフトに捻り荷重と曲げ荷重とが作用する場合に、強度面の効果が大きい。【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、前記ベローズ部に窒化処理を施し、その表面に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。
【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、前記ベローズ部に窒化処理を施し、その表面に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。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、機械的強度は比較的低い。これに対し、前述のようにステアリングシャフトには捻り強度が要求される。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捻り強度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、衝撃吸収機能と捻り強度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、前記ベローズ部に窒化処理を施し、その表面に窒化層を形成した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、前記ベローズ部に窒化処理を施し、その表面に窒化層を形成したことを特徴とするものである。
【０００７】
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。
【０００９】
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）。
鋼に窒化処理を施すと表面硬さが上昇し、圧縮残留応力が付加されることから、強度が増加する（「疲労の基礎と設計」第２２回日本材料学会講演資料、２００２．ｐ２４）。しかし、必要以上に窒化処理を行うと、全体的に硬さが高くなるので、上述した衝撃吸収機能に支障を来す恐れがあり、また、最表面に必要以上に窒素濃度の高い脆化層が出現し、疲労強度が十分に上昇しない場合がある。本発明者らは、最表面に窒化処理を施すことで、衝撃吸収機能に与える影響を最小限にして、疲労強度を高める手法を検討した。
【００１０】
本発明者らは、窒化処理層の厚さが、どの程度、疲労強度向上に影響するかを確認した。例えば、後述するように、回転曲げによる疲労試験では、窒化処理による窒化層が厚くなるに従って疲労強度が高くなる。しかし、窒化層厚さが或る程度になると、その効果は飽和する傾向を示す。また、薄い窒化層でも、疲労強度を向上することが可能である。これは、シャフトの素材に脱炭が残留して強度を低下させているのに対し、窒化処理が脱炭による強度低下を防止しているためである。
【００１１】
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、３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、大きな曲げ応力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。
【発明の効果】
【００１２】
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に窒化処理を施し、その表面に窒化層を形成したため、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強度の両立が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。但し、本実施形態では、このベローズ部１ａに窒化処理を施し、その表面に窒化層を形成しているので、板厚が薄いからといって、必ずしも強度が低いというわけではない。
【００１５】
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。窒化処理には、例えばＮａＣＮに予め空気を吹き込んでＮａＣＮＯに変え、窒化能を落とした溶融塩に浸漬する方法や、浸炭ガス中にＮＨ3を添加した雰囲気中で浸炭窒化する方法、又はＮＨ3などを含む雰囲気で、処理品が陰極になるようにして３００〜１０００Ｖの直流電圧を印加し、グロー放電を起こさせて処理品表面を加熱しながらＮを拡散、浸透させる方法などが挙げられる。窒化層の厚さは、例えばベローズ部の断面を研磨し、軽くエッチングして、光学顕微鏡観察（×１０００倍）で確認できる深さであってもよい。本実施形態の窒化処理条件を以下に示す。窒化層の厚さのコントロールは、処理時間を制御することで行った。
【００１６】
［窒化処理条件］
ガス軟窒化
雰囲気  ：浸炭ガス中にＮＨ3を添加した雰囲気
処理温度：４８０〜６００℃
処理時間：０．５〜１２０分
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で加重を付加する。試験は、同一窒化条件の試験片１０本に対して行い、ワイブル分布によるＬ１０寿命で整理し、窒化処理を行わない、心部と表面の硬さが等しいベローズ付きシャフトの比を疲労寿命比として評価した。
【００１７】
［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、同一窒化条件の試験片３本に対して行い、平均座屈荷重を曲げ座屈荷重とし、窒化処理を行わない、心部と表面の硬さが等しいベローズ付きシャフトの比を曲げ座屈荷重比として評価した。
【００１８】
［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
これらの試験片であるベローズ付きシャフト１のベローズ部１ａの心部の硬さをマイクロビッカース硬さ計（松沢精機（株）微小硬度計ＭＸＴ３０）で測定し、表面の硬さをエリオニクス製微小硬度計ＥＮＴ−１１００ａで測定した。表面の硬さは、表面から２０〜３０μｍの硬さを１０〜３０ｇの負荷で測定した。測定は、心部及び表面で、夫々５点測定し、平均値を評価した。なお、エリオニクス製微小硬度計はビッカース硬さに換算する必要があるため、マスタテストピースとの比較で硬さを補正している。
【００１９】
表１に各試験結果及び測定結果を示す。また、回転曲げ疲労試験による疲労寿命比を図５に、曲げ座屈試験による曲げ座屈荷重比を図６に示す。硬さ比は、心部硬さに対する表面硬さの百分率で示す。曲げ座屈荷重比も百分率で示す。また、窒化層厚さは、窒化層厚さ率で示す。窒化層厚さ率は、ベローズ付きシャフト１のベローズ部１ａの平均板厚と窒化層厚さとの加算値に対する窒化層厚さの百分率で表している。図７は、ベローズ付きシャフト１のベローズ部１ａの表面部の断面である。例えば、図７のベローズ付きシャフト１の場合、ベローズ部１ａの平均板厚が１．１ｍｍ、窒化層の厚さｔ１＝０．００１９００ｍｍ、ｔ２＝０．００１８７８ｍｍ、ｔ３＝０．００１６８０ｍｍで、それらの平均値が約０．００１８ｍｍであるから、窒化層厚さ率は約０．１６となる。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
試験結果及び測定結果から、窒化層厚さが増加すると疲労強度が向上している。但し、窒化層が増加するに従って、効果が飽和する傾向にある。また、窒化層厚さ率が０．５％を超えると寿命が安定していることから、窒化層厚さ率は０．５％以上が望ましい。一方、窒化層厚さが増加すると曲げ座屈荷重も増加してしまう。特に、窒化層厚さ率が１％を超えると急激に曲げ座屈荷重が増大しており、衝撃吸収機能が低下する恐れがある。従って、曲げ座屈荷重、即ち衝撃吸収機能の面からは、窒化層厚さ率は１％以下が望ましい。
【００２２】
次に、本実施形態のステアリングシャフトのうち、表１の実施例１、３、５、６、８〜１１のベローズ付きシャフト１を、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、窒化処理を施さないベローズ付きシャフトに対する実車寿命比を評価した。測定結果及び試験結果を表２及び図８に示す。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
試験結果及び測定結果から、窒化層厚さが増加すると疲労強度が向上している。但し、窒化層が増加するに従って、効果が飽和する傾向にある。また、窒化層厚さ率が０．５％を超えると寿命が安定していることから、窒化層厚さ率は０．５％以上が望ましい。また、前述した回転曲げ疲労試験の結果に比べて、この実車想定疲労試験の方が、窒化処理による長寿命効果が顕著である。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、複雑な応力状態で窒化層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。
なお、曲げ強度や曲げ疲労強度を向上させるためには、ベローズ部の窒化層の表面が多孔質になっていないのが望ましく、表面粗さは２．０μｍＲａ以下であることが好ましい。
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】
【００２５】
【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】窒化層厚さ率と疲労寿命比との関係の説明図である。
【図６】窒化層厚さ率と曲げ座屈荷重率との関係の説明図である。
【図７】図２のベローズ付きシャフトのベローズ部の断面図である。
【図８】窒化層厚さ率と実車寿命比との関係の説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
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
１３は移動盤
１４は固定盤
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
３１は軸受
【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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