(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】ベローズ部の隣り合う山部と谷部とを結ぶ直線がベローズ管の径となす角度θが２５°以下、より好ましくは２０°以下とすることにより、ベローズ部全体に対する曲げ荷重の低減とベローズ部内に発生する応力の低減とを同時に達成することができ、これによりステアリングシャフトのベローズ部として衝撃吸収機能と耐久性とを両立することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製のベローズ構造であって、蛇腹部の軸線を通る断面で当該蛇腹部を見たときに、蛇腹部の山部と谷部との間の蛇腹部外側面と蛇腹部の軸線に直交する直線とのなす角度が２５°以下であることを特徴とするベローズ構造。
【請求項２】
厚さが０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の金属製のベローズ構造であることを特徴とする請求項１に記載のベローズ構造。
【請求項３】
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、前記ベローズ部に請求項１又は２のベローズ構造を採用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開示されている。
【特許文献１】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（回転トルク）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。具体的に、衝撃吸収のためにはベローズ部全体に対する曲げ荷重を小さくする必要があり、耐久性のためにはベローズ部内に発生する応力を小さくする必要がある。これは、機械強度的には、一見、相反する要求である。前述した特許文献には、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ベローズ構造及び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に係るベローズ構造は、金属製のベローズ構造であって、蛇腹部の軸線を通る断面で当該蛇腹部を見たときに、蛇腹部の山部と谷部との間の蛇腹部外側面と蛇腹部の軸線に直交する直線とのなす角度が２５°以下であることを特徴とするものである。
また、本発明のうち請求項２に係るベローズ構造は、前記請求項１に係るベローズ構造において、厚さが０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の金属製のベローズ構造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３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、前記ベローズ部に請求項１又は２のベローズ構造を採用したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
而して、本発明のベローズ構造及びステアリングシャフトによれば、蛇腹部の軸線を通る断面で当該蛇腹部を見たときに、蛇腹部の山部と谷部との間の蛇腹部外側面と蛇腹部の軸線に直交する直線とのなす角度を２５°以下としたことにより、ベローズ部全体に対する曲げ荷重の低減とベローズ部内に発生する応力の低減とを同時に達成することができ、これによりステアリングシャフトのベローズ部として衝撃吸収機能と耐久性とを両立することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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１ａは、本実施形態のベローズ構造及びステアリングシャフトを組付けたコラム式電動ステアリング装置の正常時の状態を示す概略構成図であり、図１ｂは、その変形時の状態を示す概略構成図である。コラム式電動パワーステアリング装置１では、ステアリングギヤ３でステアリングシャフト４の回転運動を直線運動に変えて、図示しないタイロッドを介して、ステアリングホイール２の操舵力を転舵輪に伝達するように構成されている。ステアリングシャフト４（実際にはステアリングコラム５内で分割されている）は、ステアリングコラム５内に回転自在に支持されており、ステアリングコラム５は、ロア側取付部６とアッパ側取付部７の二カ所で車体側部材に取付けられている。
【０００９】
このコラム式電動パワーステアリング装置１では、ステアリングシャフト４に操舵補助機構が設けられていて、モータ８の駆動により、減速機構９を介してステアリングシャフト４の操舵補助を行うようになっている。モータ８によってアシストされた出力トルクは、ステアリングシャフト４の下端（図の左側）に設けられた第１の自在継手１０を介して中間シャフト１１に伝達され、中間シャフト１１の下端に設けられた第２の自在継手１２を介してステアリングギヤ３に伝達されるようになっている。このとき、中間シャフト１１には、モータ８によってアシストされたトルクが伝達されるため、他のステアリング装置よりも大きいトルクがかかる。よって、中間シャフト１１には、コラプシブルシャフトとして、自在に伸縮・曲げ特性を決定でき、且つ回転伝達特性の優れている金属製のベローズ管１３を用いるのが望ましい。そして、このような構成とすれば、衝突によって図１ｂの矢印方向に荷重を受けると、ステアリングギヤ３が図の右方に移動するようにして後退し、これに伴ってベローズ管１３が変形して衝撃を吸収し、ステアリングコラム５への影響を防止するようになっている。これに対し、モータ８や減速機構９のような重量物を移動させると衝撃吸収機能を不安定にする恐れがあるので、ロア側取付部６は、二次衝突時に離脱しない構造となっている。
【００１０】
図２は、図１のコラム式電動パワーステアリング装置１のベローズ管１３の詳細を、図３は、更にその詳細な断面図を示す。ベローズ管１３は、例えば厚さが０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の金属製円筒管を、例えばバルジ加工して形成される。また、本実施形態のベローズ管は、そのベローズ部の山部（ベローズ管の外側に出っ張っている部分）１４及び谷部（ベローズ管の内側に引っ込んでいる部分）１５を同じ曲率の円弧断面とし、両者を、ベローズ管の径方向並びに軸線方向に対して斜めな直線断面（全体形状としては円錐面）で連結した。前述した衝撃吸収のためには、ベローズ管１３のベローズ部の曲げ荷重を小さくする必要があり、耐久性のためには、ベローズ管１３に回転トルクを与えたときのベローズ谷部に発生する引張応力を小さくする必要がある。一般に、曲げ荷重を小さくするためには、蛇腹の数を多くすればよいことが知られている。しかしながら、そのようにしたのではベローズ部が長くなるので両端部の自在継手との取り合い寸法が小さくなってしまうという問題が生じる。そこで、本実施形態では、ベローズ部の最外径Ｄ、ベローズ部の最内径ｄ、ベローズ部のピッチＰを一定にして、ベローズ部外周をなす山部と谷部を結んだ直線がベローズ管の１３の径、即ちベローズ部の軸線に直交する直線となす角度θについて検討した。
【００１１】
例えば、図３に示すベローズ管の最外径Ｄを４４ｍｍ、ベローズ管の最内径ｄを３４ｍｍ、ベローズ管のピッチＰを１０ｍｍとし、ベローズ部の隣り合う山部の外周と谷部の外周とを結ぶ直線がベローズ管の径となす角度θを種々に変更して、ベローズ管に回転トルクを与えたときのベローズ部の谷部に発生する引張応力及びベローズ管を曲げるのに必要な曲げ荷重をシミュレーションにより計算した。結果を図４に示す。評価は、ベローズ部の隣り合う山部の外周と谷部の外周とを結ぶ直線がベローズ管の径となす角度θが３０°のときの引張応力及び曲げ荷重を１として、応力比及び曲げ荷重比として行った。同図より明らかなように、ベローズ部の隣り合う山部の外周と谷部の外周とを結ぶ直線がベローズ管の径となす角度θが２５°であるとき、同角度θが３０°のときに比べて曲げ荷重が２％、引張応力が１０％低減する。また、ベローズ部の隣り合う山部の外周と谷部の外周とを結ぶ直線がベローズ管の径となす角度θが２０°であるとき、同角度θが３０°のときに比べて曲げ荷重が３％、引張応力が１５％低減する。従って、ベローズ部の隣り合う山部の外周と谷部の外周とを結ぶ直線がベローズ管の径となす角度θが２５°以下、より好ましくは２０°以下とする（何れも０°以上）ことにより、曲げ荷重を低減しながら引張応力も低減することができる。これをまとめると、隣り合う山部外周と谷部外周とを結ぶ直線がベローズ管の径となす角度θが２５°以下であるとき、ベローズ部全体に対する曲げ荷重の低減とベローズ部内に発生する引張応力の低減とを同時に達成することができ、これによりステアリングシャフトのベローズ部として衝撃吸収機能と耐久性とを両立することができる。なお、前記条件を隣り合う山部の互いに対向する外周面のなす角度で表すと５０°以下となる。
【００１２】
図５には、本発明のベローズ構造及びステアリングシャフトの他の実施形態を、図６には、本発明のベローズ構造及びステアリングシャフトの更に他の実施形態を示す。図５に示す実施形態は、山部１４及び谷部１５を同じ曲率の円弧断面とし、両者を直接、滑らかに接続したものである。この場合、図７に示すように、両者の接点位置での接線が、ベローズ管の径となす角度、換言すればベローズ部の最外径Ｄと最内径ｄとの中間位置でのベローズ部外周の接線がベローズ管の径となす角度をθとする。また、図６に示す実施形態は、山部１４及び谷部１５を同じ曲率の円弧断面とし、両者を、ベローズ管の径方向に平行な直線断面（全体形状としては円板面）で連結した。どちらも、前述した諸元を満足することにより、ベローズ部全体に対する曲げ荷重の低減とベローズ谷部に発生する引張応力の低減とを同時に達成することができ、これによりステアリングシャフトのベローズ部として衝撃吸収機能と耐久性とを両立することができる。また、図６に示す実施形態では、より一層の曲げ荷重低減効果、応力低減効果が得られることが確認されている。なお、前記条件を隣り合う山部の互いに対向する外周面のなす角度で表すと５０°以下となる。
【００１３】
なお、前記実施形態では、コラム式電動パワーステアリング装置の例についてのみ詳述したが、油圧パワーステアリング装置やアシスト機構のないステアリング装置にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のベローズ構造及びステアリングシャフトを用いたコラム式電動パワーステアリング装置の一実施形態を示す概略構成図であり、（ａ）は正常時、（ｂ）は衝突時の状態を示すものである。
【図２】図１のコラム式電動パワーステアリング装置に用いられたベローズ管の一実施形態を示す縦断面図である。
【図３】図２のベローズ管の更に詳細な断面図である。
【図４】図２のベローズ管に対し、ベローズ部の隣り合う山部と谷部とを結ぶ直線がベローズ管の径となす角度を種々に変更してベローズ管の谷部に発生する引張応力及びベローズ管を曲げるのに必要な曲げ荷重をシミュレーションにより計算した結果の説明図である。
【図５】図１のコラム式電動パワーステアリング装置に用いられたベローズ管の他の実施形態を示す縦断面図である。
【図６】図１のコラム式電動パワーステアリング装置に用いられたベローズ管の更に他の実施形態を示す縦断面図である。
【図７】図５のベローズ管の更に詳細な断面図である。
【符号の説明】
【００１５】
１はコラム式電動パワーステアリング装置
２はステアリングホイール
３はステアリングギヤ
４はステアリングシャフト
５はステアリングコラム
６はロア側取付部
７はアッパ側取付部
８はモータ
９は減速機構
１０は第１の自在継手
１１は中間シャフト
１２は第２の自在継手
１３はベローズ管
１４は山部
１５は谷部
【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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