JP5451435B2

JP5451435B2 - エネルギー吸収ステアリングコラム

Info

Publication number: JP5451435B2
Application number: JP2010023583A
Authority: JP
Inventors: 浩之初見
Original assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Current assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2030-02-04
Also published as: JP2011161959A

Description

本発明は、車両の衝突時等にステアリングシャフトに印加される衝撃エネルギーを吸収するステアリングコラムに関する。

ステアリングシャフトを回転自在に支持しつつ、軸方向に収縮可能なステアリングコラムを採用することで人員のステアリングホイールに対する衝撃を緩和する技術が公知である。
この場合にステアリングコラムに付与する衝撃エネルギー吸収特性としては、図１１に示すように衝突初期のステアリングコラムの収縮が始まる移動開始荷重ｆ_０とそれよりも低い荷重ｆ_１で移動し、その時の抵抗力と移動量（移動ストローク）との積でエネルギーを吸収する２種類の特性が要求されていることが多い。
従って、エネルギー吸収コラムは収縮の移動開始荷重の設定範囲Ｆ_０と収縮移動中の移動荷重の設定範囲Ｆ_１とを制御できる構造が望ましい。

例えば特許文献１には、アウターチューブとその内側に嵌合するインナーチューブとからなるステアリングコラムにおいて、インナーチューブの移動により塑性変形するリブをアウターチューブの内側に増設した構造を開示する。
しかし、同公報に開示するリブは前記移動荷重を制御するものであり、その他に移動開始荷重を制御するための機構が別途必要になる。
特許文献２には、インナーチューブとアウターチューブの二重管構造において、両者の圧入部に金属製弾性ブッシュを介装することで移動開始荷重を制御し、別途設けたプレートが屈曲移動することで移動荷重を制御する技術を開示する。
しかし、同公報に開示する技術は板バネ状のプレートが屈曲移動するしごきで移動荷重を制御するため、この移動を案内するガイド部等が必要となることから構造が複雑でステアリングコラムのコンパクト化が困難であるのみならず高価になる要因ともなる。
特許文献３には、コラムチューブの客室内側に同軸で円錐形構成部材を配置し、この円錐形構成部材がコラムチューブをチューリップ片状に開く過程でエネルギー吸収する構造を開示する。
同技術は前記移動荷重を制御するものであり、移動開始荷重を充分に制御できるものではない。

特開２００４−２４９７６４号公報特開２００７−１６８５６９号公報特開平１０−２１７９８０号公報

本発明は簡単な構造でありながら、車両衝突時のステアリングコラムの収縮移動開始荷重と収縮移動中の移動荷重との制御が容易で安価なエネルギー吸収ステアリングコラムの提供を目的とする。

本発明に係るエネルギー吸収ステアリングコラムは、アウターチューブと、当該アウターチューブの内側に衝撃により収縮移動するように配設したインナーチューブを備え、
インナーチューブの外周部とアウターチューブとの間に衝撃時の相対収縮移動が始まる移動開始荷重を制御する初期抵抗部と、当該移動開始荷重よりも低く相対収縮の移動荷重を制御する移動抵抗部とを有し、前記初期抵抗部はアウターチューブの内側に圧入したインナーチューブとの圧入部であり、前記移動抵抗部はアウターチューブの開口端に干渉する移動抵抗リブをインナーチューブの外周部の軸方向に所定の長さ有することを特徴とする。

ここで、アウターチューブの内側に配設したインナーチューブとは一部が重なり合った二重管構造となり、インナーチューブがアウターチューブの内側に収納されるように収縮することでエネルギー吸収が行われる。
本発明において初期抵抗部とは、インナーチューブがアウターチューブの内側に移動し始めるのに必要な耐荷重を発現させるためのインナーチューブとアウターチューブとの間の抵抗部をいう。
インナーチューブとアウターチューブとの間に抵抗部の耐荷重を超えた収縮荷重が印加されると、両者間の収縮移動が始まる。
本発明においては、この収縮移動時の抵抗となる部位を移動抵抗部と表現し、この収縮移動に必要な荷重を移動荷重と表現する。

ステアリングシャフトをインナーチューブの内側に回転自在に支持し、このインナーチューブの外側にアウターチューブを車輪側において部分的に重なるように組付けた場合に通常走行時（衝突前）には、走行振動がこのステアリングコラムに負荷されることもあり、アウターチューブとインナーチューブとは確実に相互に固定されている必要がある。
そこで本発明は、インナーチューブの外周部に軸方向のリブを形成し、このリブを用いてアウターチューブの内側に圧入し、この圧入部を初期抵抗部として作用させた。
また、インナーチューブがアウターチューブの内側に収納収縮する際に、アウターチューブの開口部にてインナーチューブのリブを塑性変形させることで移動抵抗部とした。
リブの塑性変形にはアウターチューブの開口部で軸方向にこのリブを剪断させてもよく、また、このリブをインナーチューブの内側にへこむように変形させてもよい。
従って本発明において、リブとは軸方向に沿って条状に形成される凸形状の全てを含む。
なお、移動抵抗部としてインナーチューブの外周部に内側に向けてへこむリブを形成する場合には、前記インナーチューブの外周部に前記初期抵抗部から前記移動抵抗部にわたって軸方向のリブを有し、インナーチューブの初期抵抗部に位置する内側には剛性部材を嵌装した状態でアウターチューブの内側に設けた突出部に圧入してもよい。
このようにすると、インナーチューブの圧入部において内側から剛性部材で外周方向に付勢することになり、アウターチューブとの圧入強度が向上し、剛性部材の強度や外径寸法を調整することで圧入強度、即ち、インナーチューブの移動開始荷重を調整することができ、インナーチューブがアウターチューブの内側を収納移動し始め、アウターチューブの突出部が剛性部材から外れるとインナーチューブのリブが内側にへこみ変形しやすくなりインナーチューブの収納移動により衝撃エネルギーが吸収される。

また、移動開始荷重を制御する方法として、アウターチューブの内側に突出した段差部を形成し、この段差部の突出側部に対応して干渉する初期抵抗リブをインナーチューブの外周部に設けてもよい。
このようにすると、インナーチューブの初期抵抗リブがアウターチューブの段差部に干渉し、この初期抵抗リブの幅や突出高さを調整することで移動開始荷重を制御することができる。
また、前記インナーチューブは外周部の軸方向に沿って第１リブと、当該第１リブの上面に第２リブを形成した２段リブ構造になっていて、第１リブで初期抵抗リブを形成し第２リブで移動抵抗部を形成することもできる。
この場合にアウターチューブの内側に形成する段差部の位置をアウターチューブの開口部から所定の距離隔てた位置にし、インナーチューブに形成する第１リブと第２リブのうち、軸方向に短い第１リブのみを残し、この第１リブの塑性変形で移動開始荷重を制御しつつ、アウターチューブの開口部（開口端）での第２リブに対する剪断力で移動荷重を制御することができる。
このような構造を採用すると第１リブの幅を第２リブの幅よりも広くすることで移動開始荷重を移動荷重より高く設定することができる。

外周部に軸方向のリブを形成したインナーチューブはアルミニウム合金、マグネシウム合金等の軽合金の押出材や引抜材にて容易に製造できる。

本発明に係るエネルギー吸収コラムにあっては、インナーチューブの外周部に形成したリブをアウターチューブの開口部又は内側に形成した突出部（段差部）に干渉させる二重管構造を採用したことにより、インナーチューブに形成するリブ形状を第１リブと第２リブとの二段構造あるいはインナーチューブの圧入部に位置する内側に剛性部材を嵌装するだけでステアリングコラムの収縮時の移動開始荷重と、それよりも低い移動荷重をそれぞれ目標値に合せて設定することができる。
また、このような構造を採用したことにより、インナーチューブ及びアウターチューブを軽合金の押出材や引抜材にて製作するのが容易であり、軸方向のリブがインナーチューブの剛性をアップし、簡単構造で且つ安価であり、さらにはコンパクトなエネルギー吸収ステアリングコラムとなる。

アウターチューブとインナーチューブとからなる本発明に係るエネルギー吸収ステアリングコラムの例を示す。アウターチューブとインナーチューブの組付前の状態を示す。インナーチューブの構造例を示し（ａ）は外観図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は初期抵抗リブ（第１リブ）、（ｄ）は移動抵抗リブ（第２リブ）部の断面図、（ｅ）はアウターチューブとインナーチューブの寸法関係を示す。アウターチューブの構造例を示す。アウターチューブの内側にインナーチューブを圧入する例を示す。エネルギー吸収の流れを模式的に示す。インナーチューブのリブ形状例及びアウターチューブの開口部の構造例を示す。インナーチューブのリブ形状の他の例を示す。インナーチューブの内側に剛性部材を嵌装した例を示し、（ａ）は外観図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は圧入部拡大図、（ｄ）は剛性部材の例を示す。インナーチューブとアウターチューブの寸法関係を示し、（ａ）は圧入部断面図、（ｂ）は移動抵抗部の正面図、（ｃ）はリブ外接円との寸法関係、（ｄ）は部分拡大図を示す。ステアリングコラムの収縮ストロークと印加荷重の関係を示す。

以下、本発明に係るエネルギー吸収ステアリングコラムの構成例について図面に基づいて説明するが、発明の趣旨の範囲においてこれらに限定されるものではない。

ステアリングコラムは、図１に示すようにステアリングシャフト３０を回転自在に支持するインナーチューブ２０とインナーチューブ２０を一部が重なり合うように内装するアウターチューブ１０とを備える。
図示を省略したが、ステアリングシャフト３０は例えばアッパーシャフトとロアーシャフトがスプライン結合等により回転力を伝達しつつ軸方向に相対移動可能に連結されている。
アッパーシャフトの上部には図示を省略したが、ステアリングホイールが取り付けられ、ロアーシャフトの下部は操舵機構に接続されている。
アウターチューブ１０は図示を省略したが、テレスコピック機構等に連結されている。
インナーチューブ２０とアウターチューブ１０とは、車両の走行振動や乗員の操作荷重に耐えられるように相互に固定され、車両衝突時等の２次衝突時に乗員がステアリングホイールにぶつかると、衝撃がステアリングシャフトを介してインナーチューブ２０に伝達される。
この衝撃荷重が所定の値よりも大きいと、インナーチューブ２０がアウターチューブ１０の内側に収納されるように収縮することで衝撃エネルギーが吸収され、乗員の保護を図る。
ここで、インナーチューブ２０とアウターチューブ１０との収縮が始まる移動開始荷重とその後の移動荷重とは車両の仕様によって最適な目標範囲が相違する。
移動開始荷重は衝撃の大きさを考慮して定められ、それよりも低いその後の移動荷重は移動ストロークとの積（エネルギー吸収量）を考慮して定められる。

図１〜図６に第１の実施例を示す。
インナーチューブ２０は、アルミニウム合金の押出材を用いて製作した例になっている。
押出形材は、円筒状のインナーチューブの外周部に軸方向に沿って図３（ｄ）に示すように基底側の第１リブ（圧入リブ２１及び初期抵抗リブ２１ａ）とその上の第２リブ（移動抵抗リブ２２）の二段形状のリブが本実施例では４条に形成されている。
３本以上であればリブの本数に限定はない。
そのような押出形材を用いてリブの必要な部分のみそのまま残し、不要な部分を切削等にて削除した形状が図３（ａ）に示すようなインナーチューブ２０となる。
図２及び図３にて具体的に説明すると、図２においてインナーチューブ２０の後方は第２リブを除去し、第１リブのみ残して初期抵抗リブ２１ａを形成し、この部分から前方に所定の長さの挿入部２３を形成するために第１リブも除去する。
さらに前方部分に第１リブのみ残し圧入リブ２１とし、２段リブをそのまま残し第２リブを移動抵抗リブ２２とした。

アウターチューブ１０もアルミニウム合金の押出材を用いて製作してあり、インナーチューブ２０を内側に挿入及び圧入する開口圧入部１１及びインナーチューブ２０の圧入部２１ｂを圧入する圧入段差部１２がそれぞれ内側に向けて突出するように他の部分を切削除去する。
このように加工したアウターチューブ１０の例を図４に示す。
インナーチューブ２０をアウターチューブ１０の内側に圧入する手順を図５に示し、その寸法関係を図３（ｃ）〜（ｅ）に示す。
インナーチューブ２０をアウターチューブ１０に挿入する際に干渉しないように第１リブの外径Ｄ３は、アウターチューブの開口部の内径Ｄ２よりも小さく設定し、またアウターチューブ１０の挿入部の内径Ｄ４よりも小さく設定する。
第１リブの上面を部分的に切削して形成した圧入部２１ｂの外径Ｄ５は第１リブの外径Ｄ３よりも小さいが、アウターチューブ１０の圧入段差部１２の内径Ｄ１よりもやや大きい。
アウターチューブの開口圧入部の内径Ｄ２は、第２リブを除去した第１リブの外径Ｄ３よりもやや小さく設定する。
このように寸法関係を設定し、図５に示すように組み付けると、インナーチューブの圧入部２１ｂがアウターチューブの圧入段差部１２に圧入され、インナーチューブの圧入リブ２１がアウターチューブの開口圧入部１１にそれぞれ圧入されるのでインナーチューブ２０とアウターチューブ１０は上記２ヶ所で圧入固定される。
このように圧入固定される際にインナーチューブの初期抵抗リブ２１ａはアウターチューブの圧入段差部１２の段差側面に当接した状態にて干渉する。
また、アウターチューブの開口圧入部１１の先端は移動抵抗リブ２２の切欠き側面の近くに位置する。

インナーチューブ２０に衝撃荷重が印加されると、図６（ｂ）に示すように初期抵抗リブ２１ａがアウターチューブ１０の圧入段差部１２の段差側面に干渉しているので、２ヶ所の圧入部の圧入強度とこの初期抵抗リブ２１ａが塑性変形するための荷重とが移動開始荷重となる。
初期抵抗リブ２１ａが塑性変形し、つぶれるとインナーチューブ２０がアウターチューブ１０の内側に収納移動することになるが、その際にアウターチューブ１０の開口先端部１１ａが移動抵抗リブ２２に干渉しながら収納移動する。
このときに印加される移動荷重と移動ストローク長さとの積がエネルギー吸収量となる。
図６に示した実施例では、移動抵抗リブ２２が剪断片２２ａとなりながらエネルギーを吸収する例になっている。
よって、初期抵抗リブの幅ｄ１や高さを調整することで移動開始荷重の調整が可能であり、移動抵抗リブ２２の幅ｄ２や高さＨを調整することで移動荷重の調整が可能となる。
また、初期抵抗リブ２１ａの軸方向の長さはその後の移動荷重にすぐにつながるように短くないといけないが、移動抵抗リブ２２の軸方向長さは、必要なエネルギー吸収量に合せて長く設定する。
また、図７に示すように移動抵抗リブ２２の側面に切欠き部２２ｂを入れたり、アウターチューブの開口先端部のテーパー角度θを調整することでも剪断力の調整が可能である。
さらには図８に示すように移動抵抗リブ２３の位置に対応してインナーチューブ２０の内側に薄肉部２４を形成して、リブが内側に変形するようにしてもよい。

図９及び図１０に第２の実施例を示す。
インナーチューブ２０の断面形状において軸方向の凸部２５の外接円径ＤＡを一般部の外径ＤＣよりも大きく設定し、この凸部２５の外接円径ＤＡはアウターチューブ１０の内径ＤＢよりも大きく設定する。
インナーチューブ２０の圧入部の内側には、剛性の高いリング状の剛性部材３０を嵌装してある。
このような状態でインナーチューブ２０をアウターチューブ１０に圧入すると、凸部２５が内側にへこむように圧入されるが、内側に剛性部材３０を有するので外側方向に付勢力が作用し、圧入強度が高くなる。
従って、この圧入強度が衝撃時の移動開始荷重になり、インナーチューブ２０の移動が開始し、アウターチューブ１０の内側に突出した開口圧入部１１が剛性部材３０の有する位置から外れると、凸部２５が両側の薄肉部２６を起点にして内側に変形し、その力が移動荷重となる。
このようなインナーチューブの構造例を採用するとリブの部分除去が不要になり、さらに安価に製作できる。

１０アウターチューブ
１１開口圧入部
１２圧入段差部
２０インナーチューブ
２１圧入リブ
２１ａ初期抵抗リブ
２１ｂ圧入部
２２移動抵抗リブ
２３挿入部
３０ステアリングシャフト

Claims

アウターチューブと、当該アウターチューブの内側に衝撃により収縮移動するように配設したインナーチューブを備え、
インナーチューブの外周部とアウターチューブとの間に衝撃時の相対収縮移動が始まる移動開始荷重を制御する初期抵抗部と、当該移動開始荷重よりも低く相対収縮の移動荷重を制御する移動抵抗部とを有し、
前記初期抵抗部はアウターチューブの内側に圧入したインナーチューブとの圧入部であり、
前記移動抵抗部はアウターチューブの開口端に干渉する移動抵抗リブをインナーチューブの外周部の軸方向に所定の長さ有することを特徴とするエネルギー吸収ステアリングコラム。
前記初期抵抗部は、さらに、アウターチューブの内側に突出して形成した段差部に干渉する初期抵抗リブをインナーチューブの外周部に有することを特徴とする請求項１記載のエネルギー吸収ステアリングコラム。
前記インナーチューブの外周部に前記初期抵抗部から前記移動抵抗部にわたって軸方向のリブを有し、
インナーチューブの初期抵抗部に位置する内側には剛性部材を嵌装した状態でアウターチューブの内側に設けた突出部に圧入してあり、移動抵抗部はアウターチューブとインナーチューブの相対収縮に伴い、インナーチューブの外周部に設けたリブが内側に変形することでエネルギーを吸収することを特徴とする請求項１記載のエネルギー吸収ステアリングコラム。
前記インナーチューブは外周部の軸方向に沿って第１リブと、当該第１リブの上面に第２リブを形成した２段リブ構造になっていて、第１リブで初期抵抗リブを形成し第２リブで移動抵抗部を形成したことを特徴とする請求項２記載のエネルギー吸収ステアリングコラム。
前記インナーチューブは外周部の軸方向に沿ってリブを有する軽合金押出材を用いて製作されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエネルギー吸収ステアリングコラム。