(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングシステムの各種結合関係を複数の点結合とバネに置き換えるモデル化によりステアリングシステムの運動、振動や衝撃吸収力などの挙動をシミュレートするシステム解析であって、
操向コラムを構成する上段チューブと下段チューブとの結合部をモデル化する段階と、前記上段チューブの上段ブラケットへの取付部をモデル化する段階と、前記下段チューブの下段ブラケットへの取付部をモデル化する段階と、操向軸と操向コラムとの間に設けられるベアリングの挙動を円筒形座標を利用して解析する段階と、を含み、
前記上段チューブと下段チューブとの結合部は、前記上段チューブの一端に下段チューブの一端が挿入され、あるいは前記下段チューブの一端に上段チューブの一端が挿入されて、挿入されるチューブの内周に挿入するチューブの外周が重なる結合を、円周方向に沿って複数点でのみ結合するモデルとして設定することを特徴とする自動車用ステアリングシステムのモデリング方法。
【請求項２】
前記上段チューブと下段チューブとの結合を、円周方向に沿って９０度の角度をなす部位ごとにそれぞれ一対の点で結合するモデルとして設定することを特徴とする請求項１に記載の自動車用ステアリングシステムのモデリング方法。
【請求項３】
前記上段チューブと上段ブラケットとの結合を、上段チューブの外周面に沿って複数個の点で結合するモデルとして設定し、前記下段チューブと下段ブラケットとの結合を、下段チューブの外周面に沿って複数個の点で結合するモデルとして設定することを特徴とする請求項１に記載の自動車用ステアリングシステムのモデリング方法。
【請求項４】
前記操向軸と操向コラムとの間に設けられるベアリングのバネ定数が、円筒形座標の軸方向バネ定数（ＫＺ）と円周方向バネ定数（ＫＲ）とが互いに異なる値に設定されながら、前記ベアリングの円周方向バネ定数（ＫＲ）がモデリングの際に設定されたバネの個数だけ前記操向軸の中心から操向コラムの円周方向へ均等に分布するように設定することを特徴とする請求項１に記載の自動車用ステアリングシステムのモデリング方法。
【請求項５】
前記ベアリングの円周方向バネ定数（ＫＲ）は操向コラムの円周方向へ加えられる外力に対する水平方向分力（ＫＹ１）に比例しながらその分力（ＫＹ１）と円周方向との間の角（θｉ′）に反比例することを特徴とする請求項４に記載の自動車用ステアリングシステムのモデリング方法。
【請求項６】
前記ベアリングの軸方向バネ定数（ＫＺ）は、操向コラムの中心（Ｘ１）に向って加えられる外力の分力（ＫＸ１）に比例しながら前記操向コラムの中心軸に沿って設けられるバネの個数（Ｎ）に反比例することを特徴とする請求項４に記載の自動車用ステアリングシステムのモデリング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用ステアリングシステムのモデリング方法に関し、より詳しくは、実車に適用するステアリングシステムとほぼ同一の挙動をするモデルを構築しモデルの解析結果に対して信頼性を確保できるようにした自動車用ステアリングシステムのモデリング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車に備えられたステアリングシステムは走行中に車両の進行方向を運転手の意志どおりに転換できるようにするものである。ステアリングシステムは図１に示すように運転者が直線操向操作をしてその操作力を各機具へ伝えるための操向ハンドル１と、操向軸２、及び操向コラム３などからなる操作機具と、操向軸２の回転を減速することによって操作力を増大させると同時に操作機具の運動方向を変えてリンク機具に伝達するギア機具及び、このギア機具の動きを前輪に伝えると同時に左右車輪の位置を正しく維持するための操向ギアボックス、及びタイロットとナックルアームなどからなるリンク機具を含んでいる。
【０００３】
操向コラム３は操向軸２を包んでいる普通のチューブであり、衝撃に対して軸方向へ縮みながら衝撃力を吸収するようにすることによって、普通操向軸２の上側外周面を包む上段チューブ３１と、一端が上段チューブ３１の内側へ挿入されて上段チューブ３１と結合しながら操向軸２の下側外周面を包み込む下段チューブ３２とから構成される。
【０００４】
上段チューブ３１には所定形状の上段ブラケット４が結合しており、その上段ブラケット４には操向ハンドル（図示なし）の角度を調節できるティルトレバー５が結合し、下段チューブ３２には所定形状の下段ブラケット６が結合する。
上段ブラケット４は、カウルクロスメンバ（図示なし）に設けられたマウンティングプレートとボルトとによって結合する構造になっている。
【０００５】
これと同様に構成されるステアリングシステムは、車種毎に最適の機能を果たせるようモデリング技法を通じた開発段階を経て実車に適用されるが、従来は、図１および図２に示すように、操向軸２と上段チューブ３１、及び下段チューブ３２を一体化し単純化した基準体１０でモデリングしたステアリングシステムのモデルを解析するようになっていた。
【０００６】
しかし、上記のように操向軸２と上段チューブ３１、及び下段チューブ３２を一体化し単純化させた基準体１０でモデリングしたステアリングシステムモデルを解析すれば、モデルを解析するコンピュータ（ＣＰＵ）の計算時間を大幅に短縮できる長所があるが、上下段チューブ３１、３２の連結構造と操向コラム３と上下段ブラケット４、６の連結構造、及び操向軸２と操向コラム３との間に設けられるベアリング７の挙動が実車に適用されたステアリングシステムと大きく異なり、モデリングの解析結果の信頼性が低下する問題点があった。
【０００７】
即ち、実車に適用される上段チューブ３１と下段チューブ３２の連結構造は、上段チューブの一端に下段チューブの一端が挿入され、上段チューブの内周に下段チューブの外周が重なる上段チューブと下段チューブとの結合部を、円周方向に沿って複数個の支持点を持ちながら互いに結合する構造になっているが、従来のモデリング解析方法では上段チューブ３１と下段チューブ３２の結合部を図３に示すように一点（Ａ）で結合するモデルとして解析するため、実車に適用される構造よりも剛性が大幅に増加し、これによって上下段チューブ３１、３２の衝撃吸収力、及びアイドル（ｉｄｌｅ）振動吸収力などが大きく低下する状態で解析される問題点があった。
【０００８】
さらに、実車では、操向コラム３の上下段チューブ３１，３２と上下段ブラケット４、６の連結構造は、当該連結部における上下段チューブ３１，３２の外周面と上下段ブラケット４、６の間がいくつかの点だけで支持される構造になっているが、基準体１０を利用する従来のモデリング解析方法では図４に示すように、基準体１０と上下段ブラケット４、６との連結が実車に適用される連結構造よりも過度に連結される構造を持つようになり、操向コラム３の衝撃吸収力、及びアイドル振動吸収力などが大きく低下する状態で解析される問題点があった。
【０００９】
さらに、基準体１０を利用する従来のモデリング解析方法によって、操向軸２と操向コラム３との間に設けられるベアリング７の挙動を図５に示すように長方形座標（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）で描写すると、ベアリング７の軸方向バネ定数（ＫＸ１）と円周方向バネ定数（ＫＹ１、ＫＺ１）が全て同一の値で解析されることによって、実車に適用されるベアリング７の挙動が現実と異なって解析されるのはもちろん、このような解析値を利用して操向軸２を実車に適用すれば、ステアリングシステムの操作性能が大きく低下する問題点があった。ここで、ベアリング７の軸方向バネ定数（ＫＸ１）と円周方向バネ定数（ＫＹ１、ＫＺ１）は車種によって違う値を持つが、乗用車の場合、普通Ｓｋｇｆ／ｍｍの同一値で解析される。（Ｓはベアリングのバネ定数を表す定数である。）
【先行技術文献】
【特許文献１】
特開平１０−１７５５６８
【特許文献２】
２００１−３２８５６６
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ステアリングシステムを構成する上下段チューブの連結構造と、操向コラムと上下段ブラケットの連結構造、及び操向軸と操向コラムとの間に設けられるベアリングの挙動を、実車に適用するステアリングシステムの挙動とほぼ同一にモデリングして解析することにより、モデル解析結果の信頼性を向上させるとともに、実車に適用するステアリングシステムの性能を向上させる自動車用ステアリングシステムのモデリング方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、ステアリングシステムの各種結合関係を複数の点結合とバネに置き換えるモデル化によりステアリングシステムの運動、振動や衝撃吸収力などの挙動をシミュレートするシステム解析であって、操向コラムを構成する上段チューブと下段チューブとの結合部をモデル化する段階と、前記上段チューブの上段ブラケットへの取付部をモデル化する段階と、前記下段チューブの下段ブラケットへの取付部をモデル化する段階と、操向軸と操向コラムとの間に設けられるベアリングの挙動を円筒形座標を利用して解析する段階と、を含み、前記上段チューブと下段チューブとの結合部は、前記上段チューブの一端に下段チューブの一端が挿入され、あるいは前記下段チューブの一端に上段チューブの一端が挿入されて、挿入されるチューブの内周に挿入するチューブの外周が重なる結合を、円周方向に沿って複数点でのみ結合するモデルとして設定することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付図によって詳述する。図６乃至図１１は、本発明によるモデリング方法を説明するための解析図であり、従来構造と同一な部位では同一な参照符号を付けて説明する。本発明によるステアリングシステムのモデリング方法は、ステアリングシステムを構成する上下段チューブの連結構造と、操向コラムと上下段ブラケットの連結構造、及び操向軸と操向コラムとの間に設けられるベアリングを、複数の点結合とバネに置き換え、ステアリングシステムの運動、振動や衝撃吸収力などの挙動を実車にシミュレートするシステム解析である。
【００１３】
即ち、上段チューブ３１と下段チューブ３２は、図６及び図７に示すように、上段チューブ３１の一端に下段チューブ３２の一端が挿入されて重なる部分の円周方向に沿って９０度の角度をなす部位ごとにそれぞれ一対の点結合（Ｂ）をするようになっている。そして、上段チューブ３１と上段ブラケット４との結合は図８に示したように互いに面接触をなす上段チューブ３１の円周面にそって複数個の点結合（Ｃ）からなるように設定され、下段チューブ３２と下段ブラケット６との結合は、図９に示すように互いに面接触をなす下段チューブ３２の円周面に沿って複数個の点結合（Ｄ）からなるように設定される。
【００１４】
操向軸２と操向コラム３との間に設けられるベアリング７のバネ定数は、図１０及び図１１に示すように円筒形座標（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ  ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）を利用して解析する。ベアリング７の軸方向バネ定数（ＫＺ）と、ベアリング７の円周方向バネ定数（ＫＲ）は互いに異なる値に設定し、ベアリング７の円周方向バネ定数（ＫＲ）は、モデリングの際に設けたバネの個数だけ操向軸２の中心から操向コラム３の円周方向へ均等に分布するように設定する。
【００１５】
ここで、ベアリング７の軸方向バネ定数（ＫＺ）は（Ｓ／８）ｋｇｆ／ｍｍの値で解析され、ベアリング７の円周方向バネ定数（ＫＲ）は（Ｓ／４）ｋｇｆ／ｍｍの値で解析される。（Ｓはベアリングのバネ定数を表す定数である。）
一方、ベアリング７の円周方向バネ定数（ＫＲ）は下のような（数１）によって決定される。
【数１】
0003743937.tif 000002
ここで、ｆＲｉとｆＹｉは円筒形座標から操向軸２が外力によって操向コラム３の円周方向へ一定変位（δ）で移動するとき（Ｘ１→Ｘ１’）ベアリング７の円周方向へ加えられる力であり、ＫＲは円周方向の剛性値であって、Ｎは操向軸２の中心から操向コラム３の円周方向へモデリングの際に設けられたバネの個数である。
【００１６】
即ち、ベアリング７の円周方向バネ定数（ＫＲ）は操向コラム３の円周方向へ加えられる外力に対する水平方向分力（ＫＹ１）に比例して、この分力（ＫＹ１）と円周方向とがなす角（θｉ’）に対しては反比例する値として定義される。
【００１７】
そして、ベアリング７の軸方向バネ定数（ＫＺ）は（数２）によって決定される。
【数２】
0003743937.tif 000003
ここで、Ｎは操向軸２の中心から操向コラム３の円周方向へモデリングの際に設けられたバネの個数である。即ち、ベアリング７の軸方向バネ定数（ＫＺ）は操向コラム３の中心（Ｘ１）に向って加えられる外力の分力（ＫＸ１）に比例して操向コラム３の中心軸に従って設けられたバネの個数Ｎに反比例する値で定義される。
【００１８】
これと同様に、ステアリングシステムのモデリングの際に、上下段チューブ３１、３２の連結構造と操向コラム３と上下段ブラケット４の連結構造、及び操向軸２と操向コラム３との間に設けられるベアリング７の挙動をそれぞれ細分化して解析するようになれば、実車に適用されるステアリングシステムの作動状態とほぼ同一な解析結果が得られ、モデリングの解析結果に対する信頼性が向上することにより実車に適用されるステアリングシステムの性能を向上させられる。
【００１９】
即ち、本発明のモデリング方法によって、上段チューブ３１と下段チューブ３２が、互いに重なる円周方向に沿った複数部位の点結合（Ｂ）で結合するように設定すれば、上段チューブ３１と下段チューブ３２の結合が実車とほぼ同一の剛性を持つように解析され、これによって実車に適用される上下段チューブ３１、３２の衝撃吸収力、及びアイドル振動吸収力等が大きく向上してステアリングシステムの性能が向上する。
【００２０】
さらに、本発明のモデリング方法によって上段チューブ３１と上端ブラケット４との結合、及び下段チューブ３２と下段ブラケット６との結合が互いに面接触をなす部位で複数個の点結合（Ｃ，Ｄ）からなるように設定されると、上段チューブ３１と上段ブラケット４との結合、及び下段チューブ３２と下段ブラケット６との結合が実車とほぼ同一の剛性をもつように解析され、これを基に実車に適用した場合衝撃吸収力、及びアイドル振動吸収力等が大きく向上して全体的なステアリングシステムの性能が向上できる。
【００２１】
本発明のモデリング方法では、操向軸２と操向コラム３との間に設けられたベアリング７のバネ定数を円筒形座標を利用して解析する。すなわち、ベアリング７の軸方向バネ定数（ＫＺ）とベアリング７の円周方向バネ定数（ＫＲ）が互いに違う値を持つように設定し、ベアリング７の円周方向バネ定数（ＫＲ）をモデリングの際に設定したバネの個数だけ操向軸２の中心から操向コラム３の円周方向へ平均して分布するように設定することによって、実車に適用されるベアリング７の挙動とほぼ同一な解析値が得られる。この解析結果を利用して実車に適用すれば全体的なステアリングシステムの操作性能が大きく向上し、安全運行の助けになる。
【００２２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、ステアリングシステムのモデリングの際に上下段チューブの連結構造と、操向コラムと上下段ブラケットとの連結構造、及び操向軸と操向コラムとの間に設けられるベアリングの挙動をそれぞれ細分化し解析することによって、モデル解析結果の信頼性が向上する。この解析結果を利用してステアリングシステムを実車に適用した場合、衝撃吸収力、及びアイドル振動吸収力などが大きく向上し、ステアリングシステムの性能が向上するだけでなく、全体的なステアリングシステムの操作性能が大きく向上して安全運行の助けになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般に使用されるステアリングシステムを説明するための斜視図である。
【図２】従来のモデリング方法を説明するための解析図である。
【図３】従来のモデリング方法を説明するための解析図である。
【図４】従来のモデリング方法を説明するための解析図である。
【図５】従来のモデリング方法を説明するための解析図である。
【図６】本発明によるモデリング方法を説明するための解析図である。
【図７】本発明によるモデリング方法を説明するための解析図である。
【図８】本発明によるモデリング方法を説明するための解析図である。
【図９】本発明によるモデリング方法を説明するための解析図である。
【図１０】本発明によるモデリング方法を説明するための解析図である。
【図１１】本発明によるモデリング方法を説明するための解析図である。
【符号の説明】
１  操向ハンドル
２  操向軸
３  操向コラム
４  上段ブラケット
６  下段ブラケット
３１  上段チューブ
３２  下段チューブ
【図１】
0003743937.tif 000004
【図２】
0003743937.tif 000005
【図３】
0003743937.tif 000006
【図４】
0003743937.tif 000007
【図５】
0003743937.tif 000008
【図６】
0003743937.tif 000009
【図７】
0003743937.tif 000010
【図８】
0003743937.tif 000011
【図９】
0003743937.tif 000012
【図１０】
0003743937.tif 000013
【図１１】
0003743937.tif 000014