JP5440563B2

JP5440563B2 - 衝撃吸収式ステアリングシャフト

Info

Publication number: JP5440563B2
Application number: JP2011154391A
Authority: JP
Inventors: 宏道小森; 清定方
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: JP2013018412A

Description

この発明は、自動車のステアリング装置を構成する衝撃吸収式ステアリングシャフトの改良に関する。具体的には、このステアリングシャフトを製造する際に、インナシャフトの先端縁とアウタシャフトの内周面との間にかじりが発生するのを防止して、前記ステアリングシャフトの製造コストの増大を抑えつつ、衝撃吸収性能を安定させられる構造を実現するものである。尚、本発明の対象となるステアリングシャフトには、ステアリングコラムの内側に支持されるものだけでなく、ステアリングコラムの前側に配置される中間シャフトも含む。

操舵輪（フォークリフト等の特殊車両を除き、通常は前輪）に舵角を付与する為のステアリング装置として、例えば図３に示す様な構造が、広く知られている。このステアリング装置は、車体１に支持された円筒状のステアリングコラム２の内径側にステアリングシャフト３を、回転可能に支持している。そして、このステアリングコラム２の後端開口よりも後方に突出した、前記ステアリングシャフト３の後端部分に、ステアリングホイール４を固定している。このステアリングホイール４を回転させると、この回転が、前記ステアリングシャフト３、自在継手５ａ、中間シャフト６、自在継手５ｂを介して、ステアリングギヤユニット７の入力軸８に伝達される。この入力軸８が回転すると、このステアリングギヤユニット７の両側に配置された１対のタイロッド９、９が押し引きされて左右１対の操舵輪に、前記ステアリングホイール４の操作量に応じた舵角を付与する。尚、図３に示した構造の場合、このステアリングホイール４の前後位置の調節を可能にすべく、前記ステアリングコラム２及び前記ステアリングシャフト３として、伸縮式のものを使用している。上述の様なステアリング装置に、電気モータ１０を補助動力源として組み込んだ電動式パワーステアリング装置も、近年普及している。

前記ステアリングコラム２及び前記ステアリングシャフト３は、衝突事故の際に、衝撃エネルギを吸収しつつ、ステアリングホイール４を前方に変位させる構造としている。即ち、衝突事故の際には、自動車が他の自動車等にぶつかる一次衝突に続いて、運転者の身体がステアリングホイール４に衝突する二次衝突が発生する。この二次衝突の際に、運転者の身体に加わる衝撃を緩和して、運転者の保護を図る為に、前記ステアリングホイール４を支持したステアリングシャフト３を車体１に対して、二次衝突に伴う前方への衝撃荷重により前方に変位可能に支持する必要がある。この為に、前記ステアリングコラム２は、二次衝突の衝撃荷重により、アウタコラム１１がこのステアリングコラム２の全長を、前記ステアリングシャフト３は、アウタシャフト１２がこのステアリングシャフト３の全長を、それぞれ縮めながら前方に変位する事で、前記ステアリングホイール４に衝突した運転者の身体に大きな衝撃が加わる事を防止する。
上述の様な伸縮式のステアリングコラムを構成するアウタコラム及びインナコラム、並びに、ステアリングシャフトを構成するアウタシャフト及びインナシャフトの前後位置は、図示の構造とは逆であっても良い。上述の様な伸縮式のステアリングシャフトを製造する為の技術として、例えば特許文献１〜２に記載の技術がある。

図４〜７は、このうちの特許文献１に記載されている、衝撃吸収式のステアリングシャフト及びその製造方法の従来例を示している。ステアリングシャフト３ａは、アウタシャフト１２ａとインナシャフト１３とを軸方向に相対変位可能に係合させ、二次衝突時に、軸方向に加わる衝撃荷重により全長が縮まる様に構成している。
前記アウタシャフト１２ａは、全体を円管状とし、一端部（図４〜５の左端部）に絞り加工を施す事で、この一端部に小径部１４を形成している。この小径部１４の内周面には、雌セレーション１５を形成している。又、前記インナシャフト１３も、全体を円管状とし、一端部（図４〜５の右端部）を押し拡げる事で、この一端部に大径部１６を形成している。この大径部１６の外周面には、前記雌セレーション１５と係合する雄セレーション１７を形成している。

この様なアウタシャフト１２ａとインナシャフト１３とを組み合わせて、図４に示す様なステアリングシャフト３ａを製造する場合には、先ず、図５に示す様に、前記雌セレーション１５と前記雄セレーション１７とを、前記小径部１４の先端部（図５の左端部）と前記大径部１６の先端部（図５の右端部）とで互いに係合させる。
そして、前記両セレーション１５、１７同士を互いに係合させた状態のまま、前記小径部１４の先端部の外周面を径方向内方に押圧する。即ち、この小径部１４の先端部及び前記大径部１６の先端部の周囲に１対の押圧片１８、１８を配置し、これら両押圧片１８、１８を互いに近づけ合う事で、前記小径部１４の先端部の外周面を強く押圧する。これら両押圧片１８、１８の内側面でこの小径部１４の先端部の外周面と当接する部分には、この外周面に当接する部分の断面形状が円弧状である、凹部１９、１９を形成している。

図６に示す様に、これら両凹部１９、１９を前記小径部１４の先端部の外周面に軽く当接させた状態で、前記両押圧片１８、１８の端面同士の間に、厚さがｔの隙間２０、２０が形成される。この状態から、これら両押圧片１８、１８を、図示しない押圧装置により、互いに近づく方向に強く押圧する。そして、図７に示す様に、前記両隙間２０、２０の厚さが０となるまで、前記両押圧片１８、１８同士を互いに近づけ、前記小径部１４の先端部の断面形状を、図７に示す様な楕円形に塑性変形させる。同時に、この小径部１４の先端部に挿入された大径部１６の先端部も、前記両セレーション１５、１７を介して押圧し、この大径部１６の先端部の断面形状も、図７に示す様な楕円形に塑性変形させる。

この様にして、前記小径部１４の先端部及び前記大径部１６の先端部を径方向内方に押圧し、これら両先端部の断面形状を楕円形に塑性変形させたならば、次いで、前記アウタシャフト１２ａと前記インナシャフト１３とを互いに近づく方向に軸方向に相対変位させる。即ち、前記両押圧片１８、１８から前記アウタシャフト１２ａと前記インナシャフト１３とを取り出した後、このアウタシャフト１２ａを図５の左方に、このインナシャフト１３を同じく右方に、相手部材に対して相対変位させる。そして、図４に示す様に、前記小径部１４の先端部を前記大径部１６の基端部に圧入嵌合すると共に、この大径部１６の先端部をこの小径部１４の基端部に圧入嵌合させる。前記両押圧片１８、１８により塑性変形させられていない、この小径部１４の中間部と前記大径部１６の中間部とは互いに緩く係合させる。
尚、上述の様な衝撃吸収式ステアリングシャフトを構成するインナシャフト１３は、アウタシャフト１２ａよりも外径が小さいので、強度を確保する為、Ｓ３５Ｃ等硬度の高い炭素鋼により形成する事が多い。或いは、ＳＴＫＭ１２Ｂ等の炭素鋼鋼管により形成する事もできるが、この場合は強度を確保する為、径方向の厚さを厚くする。

以上の説明は、後端部分にステアリングホイール４（図３参照）を固定するステアリングシャフト３に就いて行ったが、ステアリング装置の前側部分に配置される中間シャフト６も同様にして、軸方向に収縮可能に構成する場合がある。この様な収縮式の中間シャフト６は、自動車が他の自動車等にぶつかる一次衝突の際に、この一次衝突に伴う衝撃荷重よりその全長を縮める事で、前記ステアリングホイール４が運転者側に突き上げられるのを防止し、運転者の保護を図る。前記中間シャフト６は、運転者の操作によって前記ステアリングホイール４から前記ステアリングシャフト３に付与されるトルクに加え、補助動力源である電動モータ１０の出力トルクを伝達する。この為、上述の様な衝撃吸収式ステアリングシャフトを、前記中間シャフト６に適用する場合、前記アウタシャフト１２ａとインナシャフト１３との係合部の保持力（嵌合強度）を大きくし、耐久性を高くする必要がある。この結果、前記大径部１６の先端部外周縁と、前記小径部１４の内周面との当接圧が大きくなり、上述の様な衝撃吸収式ステアリングシャフトの製造方法を実施する場合に於いて、前記アウタシャフト１２ａとインナシャフト１３とを互いに近づく方向に軸方向に相対変位させる際に、前記大径部１６の先端部外周縁でかじりが発生し易い。即ち、この相対変位の際、断面形状が楕円形であるこの大径部１６の先端部外周縁の長径部分と、断面形状が円形である前記小径部１４の内周面とが強く擦れ合って、この先端部外周縁がこの小径部１４の内周面に食い込む（かじる）。この様にして発生したかじりを放置すると、衝突事故の際のエネルギ吸収性能が不安定になる可能性がある。そこでこのエネルギ吸収性能を安定させる為に、かじりにより生じた余肉部分（むしれ部分）を切削等により除去する手間が必要になる。又、かじりの程度によっては、完成後の衝撃吸収式ステアリングシャフトを、不良品として廃棄しなければならなくなり、加工の手間の増大や歩留りの悪化により、製造コストが上昇する為、改良が望まれる。特に、前記中間シャフト６の場合、前述した様に、保持力確保の為に嵌合部の当接圧を高くする為、改良する必要性が大きい。

特許第３１６８８４１号公報特許第３７１６５９０号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑み、アウタシャフトとインナシャフトとを、二次衝突時に加わる衝撃荷重に伴い、これら両シャフト同士が軸方向に相対変位可能に結合して成る衝撃吸収式ステアリングシャフトに於いて、このステアリングシャフトを製造する際に、前記インナシャフトの先端部外周縁と前記アウタシャフトの内周面との間にかじりが発生するのを防止し、加工の手間の増大や不良品の発生を抑えつつ、エネルギ吸収性能の安定した衝撃吸収式ステアリングシャフトを得られる様にして、製造コストの上昇を抑える事ができる構造を実現すべく発明したものである。

本発明の衝撃吸収式ステアリングシャフトは、アウタシャフトとインナシャフトとを備える。このうちのアウタシャフトは、管状で、少なくとも先端縁から中間部に掛けての部分の内周面に雌セレーションを形成している。又、前記インナシャフトは、少なくとも先端縁から中間部に掛けての部分の外周面に、前記雌セレーションと係合する雄セレーションを形成している。そして、前記アウタシャフトと前記インナシャフトとを、中心軸に直交する仮想平面に関する断面形状が楕円形である前記アウタシャフトの先端部に前記インナシャフトの中間部を、同じく断面形状が楕円形であるこのインナシャフトの先端部を前記アウタシャフトの中間部に、それぞれ、二次衝突時に加わる衝撃に伴い、前記両シャフト同士が軸方向に相対変位可能な嵌合強度で内嵌固定する事により、前記アウタシャフトと前記インナシャフトとを結合して成る。

特に、本発明の衝撃吸収式ステアリングシャフトに於いては、前記インナシャフトを中実の円杆状とし、このインナシャフトのうちの少なくとも先端部に、このインナシャフトの先端面に開口し、内周面が奥部に向かう程直径が小さくなる方向に傾斜しているテーパ形状である凹孔を形成している。そして、前記インナシャフトのうちの少なくとも先端部を円筒状部としており、前記凹孔の軸方向寸法を、この円筒状部の径方向に関する肉厚よりも大きくすると共に、前記インナシャフトの先端部のうち、先端寄り部分の径方向に関する剛性を、同じく中間部寄り部分の同方向に関する剛性よりも低くしている。

上述の様な本発明を実施する場合に、例えば請求項２に記載した発明の様に、前記アウタシャフトの一端部に少なくとも内径が小さい小径部を設け、前記インナシャフトの一端部に少なくとも外径が大きい大径部を設ける。そして、この大径部の先端部のうち、先端縁寄り部分の径方向に関する剛性を、同じく中間部寄り部分の同方向に関する剛性よりも低くする。

上述の様に構成する本発明の衝撃吸収式ステアリングシャフトによれば、このステアリングシャフトを製造する際に、アウタシャフトの先端縁とインナシャフトの内周面との間にかじりが発生するのを防止し、加工の手間の増大や不良品の発生を抑えつつ、優れた衝撃エネルギ吸収性能を発揮できる衝撃吸収式ステアリングシャフトを組み立てて、前記ステアリングシャフトの製造コストの上昇を抑える事ができる。この理由は、前記インナシャフトの先端部のうち、先端縁寄り部分の径方向に関する剛性を、同じく中間寄り部分の同方向に関する剛性よりも低くしている為、前記衝撃吸収式ステアリングシャフトを製造する際に、前記インナシャフトの先端縁と前記アウタシャフトの内周面との間でかじりが発生するのを防止できるからである。即ち、前記インナシャフトの先端縁部分の剛性は低く、この先端縁部分と前記アウタシャフトの内周面との当接圧は小さい。この為、前記両シャフト同士を互いに近づく方向に軸方向に相対変位させる際に、前記インナシャフトの先端縁部分と前記アウタシャフトの内周面との間に作用する摩擦を小さく抑える事ができて、この先端縁部分がこの内周面に食い込む事を防止でき、前記かじりの発生を防止できる。

本発明の実施の形態の１例を示す、ステアリングシャフトの断面図。同じく、図５と同様の図。従来から知られているステアリング装置の１例を、一部を切断した状態で示す側面図。本発明の対象となる衝撃吸収式ステアリングシャフトの、従来構造の１例を示す断面図。従来構造の製造時に、インナシャフトの先端部とアウタシャフトの先端部とを係合させた状態を示す断面図。図５のＸ−Ｘ断面図。１対の押圧片により、前記両先端部を径方向内方に塑性変形した状態で示す、図６と同様の図。

［実施の形態の１例］
図１〜２は、本発明の実施の形態の１例を示している。尚、本例を含めて、本発明の衝撃吸収式ステアリングシャフトの特徴は、インナシャフト１３ａの先端縁と、アウタシャフト１２ａの内周面との間でかじりが発生するのを防止し、加工の手間の増大や不良品の発生を抑えつつ、優れた衝撃エネルギ吸収性能を発揮できる衝撃吸収式ステアリングシャフトを組み立てて、製造コストの上昇を抑える事ができる構造を実現する点にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図４〜７に示した構造及びその製造方法を含め、従来から知られている衝撃吸収式ステアリングシャフト及びその製造方法と同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は、省略若しくは簡略にし、以下、本例の特徴部分を中心に説明する。

本例の構造の場合、ステアリングシャフト３ｂを構成する、前記インナシャフト１３ａの後端部（図１〜２の右側）に、前端部（図１〜２の左側）よりも外径の大きい大径部１６ａを設けている。この様な大径部１６ａは、前記インナシャフト１３ａの前端部外周面に切削加工を施す事により形成する。或いは、前記インナシャフト１３ａを前記アウタシャフト１２ａの内径側に挿通可能であれば、前記大径部１６ａを設けず、前記インナシャフト１３ａの外径を軸方向全長に亙って同じとする事もできる。但し、この場合は、前記ステアリングシャフト３ｂの収縮荷重が過大になるのを防止すべく、前記インナシャフト１３ａの外周面に軸方向全長に亙って雄セレーション１７を形成する。
又、前記アウタシャフト１２ａの前端部（図１〜２の左側）に、後端部（図１〜２の右側）よりも内径の小さい小径部１４を設けている。この様な小径部１４は、前述した従来構造の場合と同様に円管状である前記アウタシャフト１２ａの前端部に絞り加工を施す事により、若しくは後端部内周面に切削加工を施す事により形成する。或いは、前記インナシャフト１３ａを前記アウタシャフト１２ａの内径側に挿通可能であれば、前記小径部１４を設けず、このアウタシャフト１２ａの内径を軸方向全長に亙って同じとする事もできる。但し、この場合は、前記ステアリングシャフト３ｂの収縮荷重が過大になるのを防止すべく、前記アウタシャフト１２ａの内周面に軸方向全長に亙って前記雄セレーション１７と係合する、雌セレーション１５を形成する。
図１〜２に示した本例の構造の場合、前記インナシャフト１３ａの前端部外周面に切削加工を施す事により後端部に大径部１６ａを、前記アウタシャフト１２ａの前端部に絞り加工を施す事により小径部１４を、それぞれ設けている。

更に、前記大径部１６ａの先端部（図１〜２の右端部）に凹孔２１を設けている。そして、この凹孔２１の内周面をテーパ形状とし、この大径部１６ａの先端縁（図１〜２の右側）に向かう程、この大径部１６ａの先端部の径方向の厚さが薄くなる円筒状部２４としている。尚、図１〜２の記載から明らかな通り、前記凹孔２１の軸方向寸法Ｌ _２１を、この円筒状部２４の径方向に関する肉厚Ｔ _２４よりも十分に大きく（Ｌ _２１ ≫Ｔ _２４）している。従って、この円筒状部２４の径方向に関する剛性は、前記凹孔２１を設けない場合に比べて大幅に低くなっている。

上述の様に構成する本例の衝撃吸収式ステアリングシャフトを製造する為に、先ず、図２に示す様に、前記大径部１６ａの先端部を前記小径部１４の先端部に係合させる。そして、この小径部１４の先端部の外周面を１対の押圧片１８、１８により径方向内方に押圧し、前述した従来構造の１例を示す図７の場合と同様に、前記ステアリングシャフト３ｂの中心軸に直交する仮想平面に関する断面形状が楕円形となる様に、前記小径部１４の先端部と前記大径部１６ａの先端部とを径方向に塑性変形させる。この時、前記両押圧片１８、１８を押圧する押圧力を調整しても良い。即ち、これら両押圧片１８、１８の端面同士の間の隙間２０、２０（図６参照）の厚さを、前記両先端部を塑性変形させた状態で正の値とし（隙間２０、２０を残し）、これら両先端部の変形量を調整する事もできる。又、前記両押圧片１８、１８の内側面で前記小径部１４の先端部の外周面と当接する部分の形状は、前述した図６〜７に示す様な断面が円弧状の凹部１９、１９に限らず、前記小径部１４の先端部の外周面の径方向反対位置を、互いに近付く方向に押圧できれば、平面や断面形状がＶ字形の面等とする事もできる。更に、断面円弧状とする場合でも、前記小径部１４の先端部外周面の曲率半径との大小関係は、何れでも良い。何れにしても、前記先端部同士の係合部を塑性変形させたならば、次いで、前記アウタシャフト１２ａと前記インナシャフト１３ａとを軸方向に相対変位させて、前記小径部１４の先端部を前記大径部１６ａの基端部に、この大径部１６ａの先端部にこの小径部１４の基端部を、それぞれ圧入嵌合させる。又、これら小径部１４の中間部と大径部１６ａの中間部とは、互いに緩く嵌合させる。

上述の様に構成する本発明の衝撃吸収式ステアリングシャフトによれば、前記ステアリングシャフト３ｂを製造する際に、前記インナシャフト１３ａの大径部１６ａの先端縁と前記アウタシャフト１２ａの小径部１４の内周面との間にかじりが発生するのを防止し、前記ステアリングシャフト３ｂの製造コストの上昇を抑えつつ、優れた衝撃エネルギ吸収性能を発揮できる衝撃吸収式ステアリングシャフトを実現できる。この理由は、前記大径部１６ａの先端部に設けた凹孔２１の内周面をテーパ形状とし、この大径部１６ａの先端縁に向かう程この大径部１６ａの先端部の径方向の厚さを薄くしている（剛性を低くしている）からである。この様な構成を採用している為、前記ステアリングシャフト３ｂを製造する際に、前記アウタシャフト１２ａと前記インナシャフト１３ａとを互いに近づく方向に軸方向に相対変位させても、前記大径部１６ａの先端縁と前記小径部１４の内周面とが強く擦れ合う事がない。即ち、この大径部１６ａの先端縁部分の径方向に関する剛性は、この部分の厚さが薄い分だけ低くなっており、この先端縁部分と前記小径部１４の内周面との当接圧は小さい。この為、前記両シャフト１２ａ、１３ａ同士を相対変位させる際に、前記大径部１６ａの先端縁部分と前記小径部１４の内周面との間に作用する摩擦を小さく抑える事ができて、この先端縁部分がこの内周面に食い込む事を防止でき、この内周面にかじりによる余肉部（むしれ）が発生するのを防止できる。

１車体
２ステアリングコラム
３ステアリングシャフト
４ステアリングホイール
５ａ、５ｂ自在継手
６中間シャフト
７ステアリングギヤユニット
８入力軸
９タイロッド
１０電動モータ
１１アウタコラム
１２、１２ａアウタシャフト
１３、１３ａ〜１３ｅインナシャフト
１４小径部
１５雌セレーション
１６、１６ａ〜１６ｅ大径部
１７雄セレーション
１８、１８ａ押圧片
１９凹部
２０隙間
２１凹孔
２４円筒状部

Claims

少なくとも先端縁から中間部に掛けての部分の内周面に雌セレーションを形成した管状のアウタシャフトと、少なくとも先端縁から中間部に掛けての部分の外周面にこの雌セレーションと係合する雄セレーションを形成したインナシャフトとを、中心軸に直交する仮想平面に関する断面形状が楕円形である前記アウタシャフトの先端部に前記インナシャフトの中間部を、同じく断面形状が楕円形であるこのインナシャフトの先端部を前記アウタシャフトの中間部に、それぞれ、二次衝突時に加わる衝撃に伴い、前記両シャフト同士が軸方向に相対変位可能な嵌合強度で内嵌固定する事により、前記アウタシャフトと前記インナシャフトとを結合して成る衝撃吸収式ステアリングシャフトに於いて、このインナシャフトを中実の円杆状とし、このインナシャフトのうちの少なくとも先端部に、このインナシャフトの先端面に開口し、内周面が奥部に向かう程直径が小さくなる方向に傾斜しているテーパ形状である凹孔を形成して、前記インナシャフトのうちの少なくとも先端部を円筒状部としており、この凹孔の軸方向寸法を、この円筒状部の径方向に関する肉厚の最大値よりも大きくすると共に、前記インナシャフトの先端部のうち、先端寄り部分の径方向に関する剛性を、同じく中間部寄り部分の同方向に関する剛性よりも低くしている事を特徴とする衝撃吸収式ステアリングシャフト。
前記アウタシャフトの一端部に少なくとも内径が小さい小径部を設け、この小径部の内周面に雌セレーションを形成しており、前記インナシャフトの一端部に少なくとも外径が大きい大径部を設け、この大径部の外周面に前記雌セレーションと係合する雄セレーションを形成し、この大径部の先端部のうち、先端寄り部分の径方向に関する剛性を、同じく中間部寄り部分に関する剛性よりも低くしており、中心軸に直交する仮想平面に関する断面形状が楕円形である前記小径部の先端部に前記大径部の基端部を、同じく断面形状が楕円形であるこの大径部の先端部をこの小径部の基端部に、それぞれ、二次衝突時に加わる衝撃に伴い、前記両シャフト同士が軸方向に相対変位可能な嵌合強度で内嵌固定する事により、前記アウタシャフトと前記インナシャフトとを結合している、請求項１に記載の衝撃吸収式ステアリングシャフト。