(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、焼鈍工程を伴いながら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の肉厚に対する当該ベローズ部１ａ表面の脱炭層の厚さの比を０．１４以下、好ましくは０．０５以下とすることにより、脱炭による強度の低下を抑制する。また、この脱炭層のうち、ベローズ部１ａ表面から脱炭層の厚さの半分の領域の平均フェライト粒径を３０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下とすることにより、フェライト結晶粒粗大化による強度の低下を抑制する。【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、前記ベローズ部の肉厚に対する当該ベローズ部表面の脱炭層の厚さの比が０．１４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、前記ベローズ部の肉厚に対する当該ベローズ部表面の脱炭層の厚さの比が０．１４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】
前記ベローズ部表面から脱炭層の半分までの領域の平均フェライト粒径が３０μｍ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、前記ベローズ部の肉厚に対する当該ベローズ部表面の脱炭層の厚さの比が０．１４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、前記ベローズ部の肉厚に対する当該ベローズ部表面の脱炭層の厚さの比が０．１４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、前記ベローズ部表面から脱炭層の半分までの領域の平均フェライト粒径が３０μｍ以下であることを特徴とするものである。
衝撃吸収可能なステアリングシャフトは、複雑な形状を冷間加工で成形するため、素材の加工性が重要になる。また、必要形状を得るために、焼鈍により材料の軟化工程が必要となる。但し、それによって脱炭が発生したり、その脱炭領域でフェライト結晶粒の粗大化が発生したりする恐れがある。本発明者らは、これらが強度、即ち耐久性に影響することに着目した。
【０００８】
ところで、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）。この溶接鋼管を使用して、ベローズ部のあるステアリングシャフトを成形する場合、鋼管成形の前後と、その後のベローズ部成形の前後の夫々に、少なくとも一回以上の焼鈍を行っている。
【００１０】
本発明のステアリングシャフトは、鋼管成形時に加工と焼鈍を行うため、脱炭やその部分でのフェライト粒径の粗大化が生じることが分かっている。その際に生じて、ベローズ部成形後も残留しているベローズ部表面の脱炭層厚さの増加及びそれに伴うフェライト粒径の粗大化がステアリングシャフトの耐久性を低下させることを見出し、耐久性に悪影響を及ぼさない脱炭層厚さ及びフェライト粒径の検討を行った。つまり、ベローズ部表面の脱炭層厚さ及びフェライト粒径を規制することにより、ステアリングシャフトの耐久性を向上することができる。本発明者らは、脱炭層厚さの減少やフェライト結晶粒径の粗大化の抑制がどの程度疲労強度向上に効果があるかを確認した。
【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、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、ベローズ部表面から脱炭層の半分までの領域の平均フェライト粒径を３０μｍ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】
【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。
【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。本実施形態では、鋼管成形時の焼鈍時の雰囲気と温度、鋼管成形時の温度を調整し、その後、ハイドロフォーミングと焼鈍を行い、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、及び心部硬さを種々に調整した。
【００１６】
ベローズ付きシャフト１のベローズ部１ａ表面の脱炭層の厚さは、ＪＩＳ０５５８に基づいて行った。即ち、試験片断面を同一の腐食条件で腐食し、その断面を顕微鏡で観察して測定した。また、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の板厚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）で測定した。測定は、夫々５点測定し、平均値を評価した。
【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、同一焼鈍条件の試験片１０本に対して行い、ワイブル分布によるＬ１０寿命で整理し、研削又は旋削によって脱炭層を除去した、後述の実施例６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、研削又は旋削によって脱炭層を除去した、後述の実施例６の寿命との比で評価した。
【００１９】
試験結果及び測定結果を表１、回転曲げ疲労試験の結果を図４、実車疲労試験の結果を図５に示す。なお、表中のｔはベローズ部表面の脱炭層の厚さ、Ｔはベローズ部の厚さ（肉厚）を示す。従って、ｔ／Ｔは、ベローズ部の厚さ（肉厚）に対する当該ベローズ部表面の脱炭層の厚さの比になる。本発明の実施例は、ベローズ部の厚さに対する当該ベローズ部表面の脱炭層の厚さの比ｔ／Ｔが０．１４以下のものである。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
試験結果及び測定結果から、ベローズ部の厚さに対する当該ベローズ部表面の脱炭層の厚さの比ｔ／Ｔが０．１４を超えると、疲労寿命が顕著に低下していることが分かる。また、実施例６は、脱炭層を除去する分、実施例１〜５よりもコストアップになるが、寿命は一番長い。また、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、複雑な応力状態で脱炭層の厚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、ベローズ部の厚さ（肉厚）に対する当該ベローズ部表面の脱炭層の厚さの比ｔ／Ｔは、０．０５以下が望ましい。
【００２２】
次に、ベローズ部表面の脱炭領域での平均フェライト粒径が回転曲げ疲労寿命や実車疲労寿命に及ぼす影響について試験した。ベローズ部の焼鈍条件を制御して脱炭層の厚さをｔ／Ｔ≒０．１に固定し、フェライト粒径を制御した。試験条件は、前述と同じ。各寿命は、Ｌ１０寿命で整理し、平均フェライト粒径１７μｍの実施例７の寿命との比で評価した。平均フェライト粒径の測定は、ベローズ部表面から０．５ｔ、つまり脱炭層の厚さの半分の領域での顕微鏡写真から測定し、平均値から求めた。
試験結果及び測定結果を表２、回転曲げ疲労試験の結果を図６、実車疲労試験の結果を図７に示す。本発明の実施例は、ベローズ部表面から脱炭層の厚さの半分の領域の平均フェライト粒径が３０μｍ以下のものである。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
試験結果及び測定結果から、ベローズ部表面から脱炭層の厚さの半分の領域の平均フェライト粒径が３０μｍ以上になると、回転曲げ疲労寿命及び実車疲労寿命が顕著に低下していることが分かる。これは、フェライト結晶粒が粗大化することにより、その部分の強度が低下したことが原因であると考えられる。また、回転曲げ疲労試験結果に対して実車を想定した疲労試験結果の方が、フェライト結晶粒径の粗大化が寿命に及ぼす影響が大きいことが分かる。従って、本発明は、三以上のユニバーサルジョイント（自在継手）を用いたステアリング装置において、非常に有効であることが分かる。また、これらの結果から、ベローズ部表面から脱炭層の厚さの半分の領域の平均フェライト粒径は２０μｍ以下が望ましい。
【００２５】
なお、繰り返し回転トルクを伝達する際の捻り荷重による繰り返し応力に対する疲労強度を確保し、衝撃吸収機能を確保するためには、ベローズ部表面を２．０μｍＲａ以下とするのが好ましい。また、回転トルクを伝達するための十分な捻り強度を確保し、衝撃吸収機能を確保するためには、ベローズ部外側谷部の曲率半径ρを１．１ｍｍ以上２．２２ｍｍ以下とするのが好ましい。
また、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】
【００２６】
【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】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と疲労寿命比との関係の説明図である。
【図５】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と実車疲労寿命比との関係の説明図である。
【図６】ベローズ部表面から脱炭層の厚さの半分の領域の平均フェライト粒径と疲労寿命との関係の説明図である。
【図７】ベローズ部表面から脱炭層の厚さの半分の領域の平均フェライト粒径と実車疲労寿命との関係の説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
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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