(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】ベローズ管１３のベローズ部１６両端の根元１７の曲率半径Ｒを、ベローズ部１６の何れの谷部１５の曲率半径ｒよりも大きくすることにより、ベローズ管１３の耐久性を向上することができ、ベローズ部１６本来の衝撃吸収機能とあわせて両立する。また、ベローズ部１６の谷部１５の外径ｄを当該ベローズ部１６の両端の円筒部１８の外径Ｄより大きくすることで、ベローズ部１６の谷部１５の応力を低減することができるので、より一層ベローズ管１３の耐久性を向上することができる。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングホイールからステアリングギヤまでの操舵力伝達経路中に配設され且つ複数の大径部及び小径部からなる蛇腹部が形成されたステアリングシャフトにおいて、前記蛇腹部両端の根元の曲率半径が、当該蛇腹部の両端を除く谷部の何れの曲率半径よりも大きいことを特徴とするステアリングシャフト。
【請求項２】
前記蛇腹部の谷部外径が蛇腹部両端の外径よりも大きいことを特徴とする請求項１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（蛇腹部）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、ステアリングホイールからステアリングギヤまでの操舵力伝達経路中に配設され且つ複数の大径部及び小径部からなる蛇腹部が形成されたステアリングシャフトにおいて、前記蛇腹部両端の根元の曲率半径が、当該蛇腹部の両端を除く谷部の何れの曲率半径よりも大きいことを特徴とするものである。
【０００６】
前記蛇腹部両端の根元とは、蛇腹部とそうでない部分の連結部分を示す。通常、蛇腹部の山部（蛇腹部の外側に出っ張っている部分）や谷部（蛇腹部の内側に引っ込んでいる部分）には、応力集中を抑制するために、所謂隅Ｒを設ける。同様に、蛇腹部とそうでない部分との連結部分にも隅Ｒを設ける。本発明のうち請求項１に係るステアリングシャフトは、蛇腹部両端の根元に設けた隅Ｒの曲率半径を、当該蛇腹部の谷部の隅Ｒの曲率半径よりも大きくすることを特徴としている。
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、前記請求項１に係る発明において、前記蛇腹部の谷部外径が蛇腹部両端の外径よりも大きいことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
而して、本発明のうち請求項１に係るステアリングシャフトによれば、蛇腹部両端の根元の曲率半径を、当該蛇腹部の両端を除く谷部の何れの曲率半径よりも大きくしたことにより、操舵入力又はその操舵入力に対する反力がより大きく作用する蛇腹部両端の根元の応力を低減することができ、蛇腹部本来の衝撃吸収機能とあわせて、衝撃吸収機能と耐久性とを両立することができる。
また、本発明のうち請求項２に係るステアリングシャフトによれば、蛇腹部の谷部外径を蛇腹部両端の外径よりも大きくしたことにより、蛇腹部両端の根元の応力をより一層低減することができる。
【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１３は、そのベローズ部１６の山部（ベローズ部１６の外側に出っ張っている部分）１４及び谷部（ベローズ部１６の内側に引っ込んでいる部分）１５を同じ曲率半径ｒの円弧断面とし、両者を、ベローズ管１３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。ベローズ部１６のピッチＰは１０ｍｍ一定である。また、本実施形態では、ベローズ部１６の谷部１５の外径ｄとベローズ部１６の両端に接続された円筒部１８の外径Ｄとを等しく３４ｍｍに設定した。
【００１１】
そして、本実施形態では、ベローズ部１６両端の根元１７、つまりベローズ部１６とその両端の円筒部１８との接続部の曲率半径Ｒを、前述したベローズ部１６の谷部１５の曲率半径ｒより大きくしてある。図３は、図２のベローズ管１３の比較例として用意したものであり、ベローズ部１６両端の根元１７の曲率半径ｒを、谷部１５の曲率半径ｒと同じにしたものである。例えば同図のベローズ管１３の右端部がステアリングホイール２側に、左端部がステアリングギヤ３側に連結されている場合を想定（逆でもよい）し、ベローズ管１３の右端部に軸直角方向の荷重と軸回りのトルクをかけたときの引張応力を有限要素法によって解析した結果、操舵トルクが入力されるベローズ部１６の左端の根元１７の応力σ１７は、その右隣のベローズ部１６の谷部１５の応力σ１５の１．０５倍であった。そのため、図２では、ベローズ部１６両端の根元１７の曲率半径Ｒ（具体的には２．５ｍｍ）を、谷部１５の曲率半径ｒ（具体的には２．０ｍｍ）の１．２５倍にしたところ、操舵トルクが入力されるベローズ部１６の左端の根元１７の応力σ１７を、その右隣のベローズ部１６の谷部１５の応力σ１５とほぼ等しくすることができた。これにより、ベローズ管１３の耐久性を向上することができ、ベローズ部１６本来の衝撃吸収機能とあわせて両立することができた。なお、曲率半径Ｒ、ｒの数値は前記に限らず、Ｒ＞ｒであれば、本発明の効果を得ることができる。
【００１２】
また、操舵トルクに対する応力をベローズ部１６の根元１７と谷部１５とで等しくするためには、操舵トルクが入力されるベローズ部１６の左端の根元１７（ベローズ部の一方の端部の根元）の曲率半径Ｒだけを大きくすればよいが、そのようにしたのでは、ベローズ管１３の向きを誤って組付けてしまう恐れがある。本実施形態では、ベローズ部１６両端の根元１７の曲率半径Ｒを、そろって谷部１５の曲率半径ｒよりも大きくしたことにより、ベローズ管１３の向きを誤って組付けることがない。
【００１３】
図４には、本発明のステアリングシャフトに用いられるベローズ管１３の他の実施形態を示す。この実施形態では、図２のベローズ管１３に対し、ベローズ部１６の谷部１５の外径ｄが３６ｍｍと大きい。ベローズ部１６のピッチＰ＝１０ｍｍ、ベローズ部１６の両端の円筒部１８の外径Ｄ＝３４ｍｍは同じである。本実施形態で、ベローズ部１６両端の根元の曲率半径Ｒを、谷部１５の曲率半径ｒと同じにした場合の操舵トルクが入力されるベローズ部１６の左端の根元１７の応力σ１７は、その右隣のベローズ部１６の谷部１５の応力σ１５の１．１倍であった。そこで、本実施形態では、ベローズ部１６両端の根元１７の曲率半径Ｒ（具体的には２．８ｍｍ）を、谷部１５の曲率半径ｒ（具体的には２．０ｍｍ）の１．４倍にしたところ、操舵トルクが入力されるベローズ部１６の左端の根元１７の応力σ１７を、その右隣のベローズ部１６の谷部１５の応力σ１５と等しくすることができた。なお、曲率半径Ｒ、ｒの数値は前記に限らず、Ｒ＞ｒであれば、本発明の効果を得ることができる。
【００１４】
即ち、図２の実施形態と比較して、ベローズ部１６両端の根元の曲率半径Ｒを、谷部１５の曲率半径ｒと同じにした場合の操舵トルクが入力されるベローズ部１６の左端の根元１７の応力σ１７の、その右隣のベローズ部１６の谷部１５の応力σ１５に対する比率が大きくなったのは、ベローズ部１６の谷部１５の外径ｄが大きくなったことにより、当該谷部１５の応力σ１５が小さくなったためである。従って、ベローズ部１６両端の根元１７の曲率半径Ｒを、谷部１５の曲率半径ｒの１．４倍にして、操舵トルクが入力されるベローズ部１６の左端の根元１７の応力σ１７を、その右隣のベローズ部１６の谷部１５の応力σ１５と等しくすれば、当該根元１７の応力σ１７も、図２の実施形態のものよりも小さくすることができる。これにより、ベローズ管１３の耐久性をより一層向上することができ、ベローズ部１６本来の衝撃吸収機能とあわせて両立することができた。
【００１５】
図５には、本発明のステアリングシャフトに用いられるベローズ管１３の更に他の実施形態を示す。この実施形態では、図２のベローズ管１３に対し、ベローズ部１６両端の円筒部１８の外径Ｄをベローズ部１６の山部１４の外径に等しくした。また、図６には、本発明のステアリングシャフトに用いられるベローズ管１３の更に他の実施形態を示す。この実施形態では、図２のベローズ管１３に対し、ベローズ部１６両端の円筒部１８の外径Ｄをベローズ部１６の山部１４の外径よりも大きくした。何れも、円筒部１８の外径Ｄはベローズ部１６の谷部１５の外径ｄよりも大きい。そして、これらの実施形態でも、ベローズ部１６両端の根元１７の曲率半径Ｒを、ベローズ部１６の何れの谷部１５の曲率半径ｒよりも大きくしたことにより、ベローズ管１３の耐久性を向上することができ、ベローズ部１６本来の衝撃吸収機能とあわせて両立することができた。
【００１６】
なお、全ての実施形態において、ベローズ部のピッチは一定である必要はなく、不等間隔のピッチであってもよい。
また、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】
【００１７】
【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のベローズ管の比較例を示す縦断面図である。
【図４】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更に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。
【符号の説明】
【００１８】
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
１６はベローズ部（蛇腹部）
１７は根元
１８は円筒部
【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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