JP4548095B2

JP4548095B2 - ステアリング装置

Info

Publication number: JP4548095B2
Application number: JP2004320978A
Authority: JP
Inventors: 滋沖田; 祐司宮本; 文彦田中
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2024-11-04
Also published as: JP2006131047A

Description

本発明はステアリング装置、特に、ステアリングホイールの回転をステアリングギヤに伝達するステアリングシャフトに関する。

ステアリングホイールの回転をステアリングギヤに伝達するステアリングシャフトは、ステアリングホイールの回転トルクを伝達するために一定の捩り強度を必要とするため、従来は中実の素材からなるステアリングシャフトを使用していた。しかし、近年、車体の軽量化及びコスト低減のために、中空のパイプ材をステアリングシャフトに使用するようになってきた。

ステアリングシャフトは、ステアリングコラムにステアリングシャフトを回転可能に軸支するための軸受を止めるストッパーリング用の環状溝や、ステアリングホイールを固定するための雄ねじ、衝撃吸収のためのセレーション加工等を施す必要があるため、強度が低下するとともに、応力が集中する箇所が発生するため、中空のパイプ材を使用する場合には、強度に対する何らかの対策が必要となる。

そこで従来は、肉の厚い中空の素材を使用したり、応力が集中する環状溝を切る代わりに、雄ねじを切って、ナットで軸受を止める等の対策を行っている。また、特許文献１に示すステアリングシャフトは、雄ねじや環状溝を形成した中実のシャフトから成るヘッダーを中空のパイプ材から成るシャフト本体に嵌合することで、軽量化と強度を同時に得るようにしている。しかし、更なる軽量化、コンパクト化の要求があり、溝等を加工しても十分な強度が得られる、中空のパイプ材から成るステアリングシャフトが必要とされている。

特開平９−２０２２４５号公報

本発明は、肉厚の薄い中空のパイプ材を使用しても、衝突安全性や捩り変形に対する強度を確保し、加工性が良好なステアリング装置を提供することを課題とする。

上記課題は以下の手段によって解決される。すなわち、第１番目の発明は、ステアリングホイールの回転をステアリングギヤに伝達するステアリングシャフトが、Ｈをビッカース硬さ（ＨＶ）、ＹＳを降伏強度（ＭＰａ）としたとき、下記の式によって算出される降伏係数ＫＶが１４００以上で、ビッカース硬さＨがＨＶ２５０以下の鋼材で成形されていることを特徴とするステアリング装置である。
ＫＶ＝（Ｈ＋ＹＳ^２）／Ｈ

第２番目の発明は、第１番目の発明のステアリング装置において、上記ステアリングシャフトは中空のパイプ材で成形されていることを特徴とするステアリング装置である。

第３番目の発明は、第２番目の発明のステアリング装置において、上記ステアリングシャフトのパイプ材は溶接鋼管であることを特徴とするステアリング装置である。

第４番目の発明は、第３番目の発明のステアリング装置において、上記降伏係数ＫＶが１５００以上であることを特徴とするステアリング装置である。

第５番目の発明は、第４番目の発明のステアリング装置において、上記ビッカース硬さＨがＨＶ２３０以下であること
を特徴とするステアリング装置である。

本発明のステアリング装置では、硬さと降伏強度から算出される降伏係数という概念を使って、ステアリングシャフトの捩り変形に対する強度と、加工性、並びに加工精度を兼ね備えた材質のシャフトを選定することが可能となるため、肉厚の薄い中空のパイプ材を使用しても、衝突安全性や捩り変形に対する強度を確保したステアリング装置を製作することが可能となる。

ステアリング装置は、衝突時に衝撃吸収システムが正常に作動することが必要であり、そのためには、衝突時にステアリングシャフトが変形しないだけの十分な強度が必要である。また、縁石への衝突や、静止状態でのステアリングホイール操作により、通常使用時の何倍かの捩り力が作用しても、ステアリングシャフトが塑性変形しないだけの十分な強度が必要である。

ステアリング装置の強度を高める手法として、硬さを向上させる手法があり、鋼材の降伏強度は硬さに比例してい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、強度を高めるために、必要以上に硬さを向上させると、加工性の低下によってステアリングシャフトの加工精度が低下すると共に、溶接割れ感受性が高くなってしまう不具合が生じる。すなわち、実際の製品としての使用を考えると、硬さと降伏強度のバランスが重要であることがわかる。

そこで本発明者らは、硬さと降伏強度からステアリングシャフトの強度が判定可能な実験式を導き出すために、種々の硬さと降伏強度を有する材料が容易に得られる溶接鋼管をステアリングシャフトの素材として選定し、ステアリングシャフトの加工精度と捩り変形に対する強度を実験した。

すなわち、溶接鋼管は、肉厚変動が非常に小さく、寸法精度や表面状態が良好であり、冷間成形により加工硬化しているが、材料成分の選定と熱処理条件の選定によって、種々の硬さと降伏強度を持つ高品質な溶接鋼管が、適当なコストで容易に得られる利点があるため、実験にも実際の製品にも好ましい材質である。（例えばＪＩＳＧ３４４５）

以下、本発明のステアリングシャフトの強度を判定する実験式を導くための実験装置、実験方法、及び実験結果について説明する。図１は、本発明の実験に使用するステアリング装置を示す正面図である。図２は図１のＰ矢視図である。図３は図１から図２のコラム内に回転可能に軸支されている、アウターシャフトとインナーシャフトを示す正面図である。図４はステアリング装置の捩り変形角度実験装置の正面図である。図５は、図４の捩り変形角度実験装置で実験したアウターシャフトとインナーシャフトの寸法を示す説明図である。

図６はインナーシャフトの形状を示し、先端部に絞り加工を施した後、加工精度を評価する箇所を示す説明図である。図７は、種々の硬さと降伏強度のインナーシャフトについて、加工精度と捩り変形角度を実験した結果を示す表である。図８は図７の表の降伏係数と捩り変形角度との関係を示すグラフである。

図１から図３に示すように、実験に使用するステアリング装置はチルト／テレスコ位置の調整が可能なステアリング装置であって、ブラケット１に枢動ピン１１を中心として揺動可能に軸支されたインナーコラム２に、アウターコラム３がテレスコ摺動可能に外嵌されている。アウターコラム３の両側面にはテレスコ調整溝を有する摩擦板３１が固定され、ブラケット１の側板１２にはチルト調整溝が形成されている。テレスコ調整溝とチルト調整溝には締付けロッド１３が貫通し、クランプ時には、摩擦板３１を介してアウターコラム３を側板１２に締付けてクランプしており、チルト／テレスコ位置調整時に操作レバー１４を操作すると、アウターコラム３を側板１２にクランプする力が解除されて、ステアリングホイール４のチルト位置とテレスコ位置の調整が可能となる。

アウターコラム３及びインナーコラム２内には、図３に示すインナーシャフト５とアウターシャフト６が、図示しない軸受によって回転可能に軸支されている。アウターシャフト６の右端（車体後方側）には、ステアリングホイール４が装着され、インナーシャフト５の左端（車体前方側）にはユニバーサルジョイント５１が装着されている。ユニバーサルジョイント５１は中間シャフト５２を介して、図示しないステアリングギヤに連結されており、ステアリングホイール４の回転操作によって、図示しない車輪を操舵することができる。

アウターシャフト６の内周には図示しない雌セレーションが形成されており、インナーシャフト５の外周に形成された雄セレーションが係合して、テレスコピック調整可能に構成されている。以下に説明する、硬さ、降伏強度、加工精度評価、捩り変形角度（捩り変形強度）の実験では、小径のため捩り変形の実験で不利な傾向を示すインナーシャフト５を対象とした。

このステアリング装置の捩り変形角度を実験するための実験装置を図４に示す。図４に示すように、ステアリング装置のブラケット１を実験装置の固定部７１に固定し、インナーシャフト５の左端のユニバーサルジョイント５１に固定治具８１を接続し、固定治具８１をトルク測定装置８２に固定する。そして、このトルク測定装置８２を、実験装置の固定部７２に固定する。

この状態でステアリングホイール４を回転操作し、トルク測定装置８２のトルク表示が２５０Ｎ・ｍを表示した時点で、ステアリングホイール４に加えていた回転トルクを解除する。ステアリングホイール４に加えていた回転トルクを解除した時に、インナーシャフト５が塑性変形した捩り変形の角度（度）を測定して、捩り変形強度の値とした。

図５は、図４の捩り変形角度実験装置で使用したアウターシャフト６とインナーシャフト５の寸法関係を示す説明図である。インナーシャフト５は、全長が２７０ｍｍ、雄セレーション５３の長さが６５ｍｍ、外径がφ１８ｍｍ、内径がφ１３ｍｍである。アウターシャフト６は、全長が３７０ｍｍ、外径がφ２７ｍｍ、内径がφ２０ｍｍである。そして、アウターシャフト６とインナーシャフト５を組付けた時の全長が５００ｍｍである。アウターシャフト６及びインナーシャフト５の鋼種としては、ＳＡＥ１０３０相当で、電気溶接鋼管を使用した。

図６はインナーシャフト５の形状を示し、インナーシャフト５の加工精度を評価する箇所を示す説明図である。図６（１）に示す断面が中空円形の鋼管を、図６（２）に示すように、ユニバーサルジョイント５１を接続するための小判型部５４を、インナーシャフト５の左端に絞り加工で成形している。

絞り加工を施した後、この小判型部５４の平坦部間の寸法Ｌと円筒部の寸法Ｒを測定し、所定の寸法に対する誤差が５０μｍ以上のものを不良と評価した。そして、寸法Ｌと寸法Ｒの両方共に不良の場合を×で表示し、寸法Ｌと寸法Ｒのどちらかが不良の場合を△で表示した。小判型部５４を絞り加工するダイの半角は８〜１０度、加工力は２０ｔｏｎである。

硬さは、インナーシャフト５の断面心部の硬さを測定した。測定器はマイクロビッカース硬さ試験器で、測定荷重が１Ｋｇ、３０点測定し、その平均値を硬さ（ＨＶ）とした。溶接部も硬さの測定範囲に入れている。

降伏強度の測定は、インナーシャフト５の絞り加工部及び雄セレーション５３を取り除いて行った。インナーシャフト５の左右両端の中空部に中子を挿入して、引張試験器（ＩＮＳＴＲＯＮ社製の引張試験器５５８５）のチャックでつかみ、標点間距離を５０ｍｍとし、永久歪が０．２％になった時の応力を降伏強度（ＭＰａ）とした。力を加える速度等の引張試験の条件は、ＪＩＳＺ２２４１に従って行った。

図７は、種々の硬さと降伏強度を有する１８種類のインナーシャフト５について、加工精度の評価と捩り変形角度を実験した結果を示すデータである。このデータから、本発明者らは、ステアリングシャフトの強度（捩り変形に対する強度）が判定可能な降伏係数という概念を導き出した。すなわち、Ｈをビッカース硬さ（ＨＶ）、ＹＳを降伏強度（ＭＰａ）としたとき、降伏係数ＫＶは下記の式によって算出される係数である。
ＫＶ＝（Ｈ＋ＹＳ^２）／Ｈ

図７に、１８種類のインナーシャフト５について、降伏係数ＫＶを上記の式によって算出した値を示す。また、図８のグラフに、１８種類のインナーシャフト５について、降伏係数ＫＶと捩り変形角度との関係を示す。

図７から図８に示すように、降伏係数ＫＶが１４００未満のＮｏ．１５、１６、１７のインナーシャフト５は、捩り変形角度が１０度以上になってしまうため、ステアリングホイール４の操作性が悪化し、インナーシャフト５の材質としては適さないことが解る。これに対して、降伏係数ＫＶが１４００以上で硬さＨが２５０（ＨＶ）以下のＮｏ．１〜Ｎｏ．１４のインナーシャフト５は、捩り変形角度が５度以下に押さえられるため、ステアリングホイール４の操作性が良好で、インナーシャフト５の材質として適することが解る。

また、捩り変形に対する強度を更に追求する場合には、降伏係数ＫＶが１５００以上であれば、捩り変形角度が更に小さく押さえられるため、より好ましい。ただし、硬さＨが２５０（ＨＶ）のＮｏ．１４のインナーシャフト５は、加工精度評価で寸法Ｒが不良となる場合があるので、加工精度を更に追求する場合は、硬さＨが２３０（ＨＶ）以下が好ましい。

また、降伏係数ＫＶが１４００以上でも硬さＨが２５０（ＨＶ）を越えるＮｏ．１８のインナーシャフト５は、加工精度が悪化するため、インナーシャフト５の材質としては適さないことが解る。すなわち、硬さＨが２５０（ＨＶ）を越えると、高い硬さによってダイスによる成形が難しくなるだけでなく、降伏強度の上昇によって弾性限度が上がってしまい、スプリングバックで所定の形状寸法が得られなくなる結果となった。

上記実施形態では、硬さＨと降伏強度ＹＳから算出される降伏係数ＫＶという概念を使って、ステアリングシャフトの捩り変形に対する強度と、加工精度を兼ね備えた材質のシャフトを選択することが可能となるため、肉厚の薄い中空のパイプ材を使用しても、衝突安全性や捩り変形に対する強度を確保したステアリング装置を製作することが可能となる。

上記実施形態では、中空でテレスコ移動するステアリングシャフトに適用した例を示したが、中実のシャフト、テレスコ移動しないシャフト、コラプス移動しないシャフト、中間シャフト等に適用してもよい。また、ステアリングホイールに付与された操舵力を補助して、ステアリングホイールの操作を楽に行うようにした操舵力補助装置を有するステアリング装置に適用してもよい。

本発明の実施形態のステアリング装置を示す正面図である。図１のＰ矢視図である。図１から図２のコラム内に回転可能に軸支されている、アウターシャフトとインナーシャフトを示す正面図である。ステアリング装置の捩り変形角度実験装置の正面図である。図４の捩り変形角度実験装置で実験したアウターシャフトとインナーシャフトの寸法関係を示す説明図である。インナーシャフトの形状を示し、先端部に絞り加工を施した後、加工精度を評価する箇所を示す説明図である。種々の硬さと降伏強度のインナーシャフトについて、加工精度と捩り変形角度を実験した結果を示す表である。図７の表の降伏係数ＫＶと捩り変形角度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ブラケット
１１枢動ピン
１２側板
１３締付けロッド
１４操作レバー
２インナーコラム
３アウターコラム
３１摩擦板
４ステアリングホイール
５インナーシャフト
５１ユニバーサルジョイント
５２中間シャフト
５３雄セレーション
５４小判型部
６アウターシャフト
７１、７２固定部
８１固定治具
８２トルク測定装置

Claims

ステアリングホイールの回転をステアリングギヤに伝達するステアリングシャフトが、Ｈをビッカース硬さ（ＨＶ）、ＹＳを降伏強度（ＭＰａ）としたとき、下記の式によって算出される降伏係数ＫＶが１４００以上で、ビッカース硬さＨがＨＶ２５０以下の鋼材で成形されていることを特徴とするステアリング装置。
ＫＶ＝（Ｈ＋ＹＳ^２）／Ｈ
請求項１に記載されたステアリング装置において、
上記ステアリングシャフトは中空のパイプ材で成形されていること
を特徴とするステアリング装置。
請求項２に記載されたステアリング装置において、
上記ステアリングシャフトのパイプ材は溶接鋼管であること
を特徴とするステアリング装置。
請求項３に記載されたステアリング装置において、
上記降伏係数ＫＶが１５００以上であること
を特徴とするステアリング装置。
請求項４に記載されたステアリング装置において、
上記ビッカース硬さＨがＨＶ２３０以下であること
を特徴とするステアリング装置。