JP2010095208A - ステアリング軸 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼材と同程度の強度を有し、軽量で且つ優れたエネルギー吸収能力を有するステアリング軸を提供する。
【解決手段】自動車のステアリング装置に組み込まれ、運転者の操舵により回転するステアリング軸１を、樹脂と炭素繊維とを含有する炭素繊維強化樹脂で構成した。ステアリング軸においては、前記炭素繊維強化樹脂中の前記炭素繊維の割合は、１０質量％以上８０質量％以下とすることが好ましい。また、前記炭素繊維の平均繊維長は、０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。ステアリング軸は、炭素繊維強化樹脂で構成されているため、鋼材と同程度の強度を有し、軽量で且つ優れたエネルギー吸収能力を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等のステアリング装置に組み込まれ、運転者の操舵により回転するステアリング軸に関する。

従来、ステアリング軸は、コストや加工性を重視して鋼で構成されている。ところが、鋼は衝突時のエネルギー吸収能力が低いため、ステアリング装置内にエネルギー吸収機構を設ける必要があり、重量や部品点数の増加につながっていた。このような問題を解消するため、特許文献１には、ステアリング軸に適用可能なＦＲＰ製のエネルギー吸収具が提案されている。

また、近年においては、地球温暖化対策として二酸化炭素排出量の削減が求められている他、石油価格の高騰により自動車の低燃費化が求められているため、自動車の軽量化が図られている。例えば、特許文献２には、プロペラシャフトの鋼製部品を軽量なＦＲＰ製部品に置換することにより軽量化を図る技術が開示されている。
特開昭６０−１０９６３０号公報 特開２００６−１８３７２８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のエネルギー吸収具に含まれる繊維は、軸方向に対して傾きを持った方向に配向した繊維のみであるため、回転トルクを伝達することに関しては優れた特性を示すものの、曲げ荷重や潰れ負荷に対しては弱いおそれがあった。ステアリング軸がトルクを伝達する際には、軸受部分を中心にモーメントが発生するため、ステアリング軸に曲げ荷重や潰れ負荷が作用しやすい。したがって、特許文献１に記載のエネルギー吸収具を備えるステアリング軸は、破損が生じるおそれがあった。

そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、鋼材と同程度の強度を有し、軽量で且つ優れたエネルギー吸収能力を有するステアリング軸を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係るステアリング軸は、自動車のステアリング装置に組み込まれ、運転者の操舵により回転するステアリング軸において、樹脂と炭素繊維とを含有する炭素繊維強化樹脂で構成したことを特徴とする。
本発明のステアリング軸においては、前記炭素繊維強化樹脂中の前記炭素繊維の割合は、１０質量％以上８０質量％以下とすることが好ましい。また、前記炭素繊維の平均繊維長は、０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。

さらに、前記樹脂は熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂の少なくとも一方とすることが好ましい。前記熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂及びフェノール樹脂の少なくとも一方が好ましい。また、前記熱可塑性樹脂としては、ポリアミド樹脂及びポリプロピレン樹脂の少なくとも一方が好ましい。
さらに、前記炭素繊維強化樹脂は、軸方向とは異なる方向に配向する前記炭素繊維を含有し、その配向方向は２方向以上であることが好ましい。

本発明のステアリング軸は、炭素繊維強化樹脂で構成されているため、鋼材と同程度の強度を有し、軽量で且つ優れたエネルギー吸収能力を有する。

本発明に係るステアリング軸の実施の形態を、図１を参照しながら詳細に説明する。図１は、自動車のステアリング装置の構成を示す図である。
図示しないステアリングホイールが上端部（図１においては右側端部）に固定されたステアリング軸１が、略管状のステアリングコラム２の内部に挿通され、図示しない軸受によって軸心を中心に回転自在に支承されている。このステアリングコラム２は、下部を車両の前方に向けて傾斜した姿勢で、車室内部の所定位置に固定されている。

このステアリングコラム２の下端部（図１においては左側端部）にはハウジング３が連結され、このハウジング３に、パワーステアリング装置の動力源となる電動モータ４が取り付けられている。また、ハウジング３の下端部には、車体１０に固定されたエネルギー吸収部材１１が連結している。このエネルギー吸収部材１１は軸方向に塑性変形可能な構成となっている。

さらに、ステアリングコラム２の下端部から突出したステアリング軸１の下端部が、第一の自在継手１３の片側に連結し、この第一の自在継手１３の他側が、伝達軸１４の一端に連結している。この伝達軸１４は、インナーシャフト１５の端部とアウターシャフト１６の端部とをスプライン等によって係合させることにより、伸縮自在となっており、且つ回転力の伝達も自在となっている。そして、伝達軸１４の一端を第一の自在継手１３の他側に連結するとともに、伝達軸１４の他端を第二の自在継手１７の一端に連結し、さらに、この第二の自在継手１７の他端が、図示しないステアリングギヤの入力軸に接続している。

自動車の走行時に、運転者によって前記ステアリングホイールに操舵トルク（回転力）が加えられると、ステアリング軸１が回転し、このステアリング軸１の回転が両自在継手１３，１７及び伝達軸１４を介して前記ステアリングギヤの入力軸に伝達される。そして、図示しないラックアンドピニオン機構によって回転運動が左右方向のスライド運動に変換され、図示しない転舵輪が駆動されて自動車が操舵される。

その際には、パワーステアリング装置の電動モータ４により、操舵を補助する回転力が図示しないウォーム及びウォームホイールを介してステアリング軸１に付与される。付与される回転力、すなわち、電動モータ４の出力は、前記操舵トルクに基づいて制御されるが、前記操舵トルクは、ステアリング軸１に取り付けられた図示しないトーションバーにより検出されるようになっている。

一方、自動車の衝突等によりステアリング軸１及びステアリングコラム２に軸方向の力が作用し軸方向に変位すると、エネルギー吸収部材１１が軸方向に塑性変形して、その変位エネルギーを吸収するようになっている。
また、ステアリング軸１の変位により、ステアリング軸１の下端部に連結する第一の自在継手１３が車両の前方（図１においては左方）に変位し、第一の自在継手１３と第二の自在継手１７との距離が縮まるが、これら両自在継手１３，１７の間に設けた伝達軸１４の全長が縮まることにより、両自在継手１３，１７の距離変化が吸収されるようになっている。

このような構成のステアリング装置においては、ステアリング軸１は、樹脂と炭素繊維とを含有する炭素繊維強化樹脂で構成されている。炭素繊維強化樹脂で構成されたステアリング軸１は、鋼製のステアリング軸と同程度の強度を有しているとともに、非常に軽量であり、しかも優れたエネルギー吸収能力を有する。よって、自動車が軽量化され、低燃費化が可能である。また、自動車の衝突安全性が高い。なお、ステアリング軸１が炭素繊維強化樹脂で構成されていて、優れたエネルギー吸収能力を有するので、ステアリング装置は前述のエネルギー吸収部材１１を備えていなくてもよい。

炭素繊維強化樹脂としては、樹脂と短繊維（チョップドファイバー）とを混練して得た複合材料を用いることも可能であるが、鋼と同程度の強度を得ることを考えると、一方向に揃えた多数の長繊維に樹脂を含浸させて得たシート状のプリプレグ（一方向プリプレグ）又は長繊維の織物に樹脂を含浸させて得たシート状のプリプレグ（織物プリプレグ）を用いることが好ましい。

短繊維複合材料を用いる場合は、射出成形，金型成形，押出し成形等の方法によりステアリング軸を製造することができる。また、プリプレグを用いる場合は、複数のプリプレグを重ねて熱及び圧力を付加し積層体とする方法や、マンドレル等の型部材にプリプレグを巻き付けて熱及び圧力を付加し成形体とする方法により、ステアリング軸を製造することができる。

ステアリング軸を構成する炭素繊維強化樹脂中の炭素繊維の割合は特に限定されるものではないが、１０質量％以上８０質量％以下とすることが好ましい。１０質量％未満であると、炭素繊維が少なすぎて炭素繊維強化樹脂の強度が不十分となるおそれがある。一方、８０質量％超過であると、樹脂が少なすぎて多量の炭素繊維を一体に保持できないおそれがあり、炭素繊維強化樹脂がプリプレグである場合には、プリプレグを積層して一体化する際にプリプレグ同士の接着が困難となるおそれがある。

このような不都合がより生じにくくするためには、炭素繊維の割合は５０質量％以上８０質量％以下とすることがより好ましく、６０質量％以上７５質量％以下とすることがさらに好ましい。５０質量％未満であると、炭素繊維が少ないため炭素繊維強化樹脂の強度を鋼と同程度以上とすることが困難となるおそれがある。
また、炭素繊維強化樹脂に含まれる炭素繊維の平均繊維長は、特に限定されるものではないが、０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。０．５ｍｍ未満であると、炭素繊維強化樹脂の強度が不十分となるおそれがある。

さらに、炭素繊維強化樹脂に使用する樹脂の種類は特に限定されるものではないが、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が好ましい。熱硬化性樹脂の種類は特に限定されるものではないが、例えばエポキシ樹脂やフェノール樹脂があげられる。また、熱可塑性樹脂の種類は特に限定されるものではないが、例えばポリアミド樹脂やポリプロピレン樹脂があげられる。これらの樹脂は１種類を単独で使用してもよいし、複数種を混合して使用してもよい。また、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とを混合して使用してもよい。

さらに、炭素繊維強化樹脂により製造されたステアリング軸は、曲げ荷重や潰れ負荷が作用した際に破損が生じにくくするために、ステアリング軸の軸方向に沿う方向に配向する炭素繊維とともに、ステアリング軸の軸方向とは異なる方向に配向する炭素繊維を含有することが好ましい。そして、種々の方向に配向する炭素繊維を含有する方がより好ましいので、ステアリング軸の軸方向に沿う方向に配向する炭素繊維以外に、２方向以上の方向に配向する炭素繊維を含有することが好ましい。

〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。ステアリング軸となる中空軸を炭素繊維強化樹脂で製造し、その性能を評価した。まず、中空軸の製造方法について説明する。
一方向プリプレグ（樹脂の種類はエポキシ樹脂である）をマンドレルに巻き付けて積層し、管状とした。この管状の積層体に熱（１３０℃）及び圧力を付加して２時間保持し、エポキシ樹脂が硬化したらマンドレルを脱芯した。こうして得られた中空軸の両端に、他の部品と接合するため、セレーションを刻み込んだ鉄製ヨークを圧入した。

なお、一方向プリプレグの炭素繊維は、直径７〜１３μｍ、引張強度３〜６．５ＧＰａ、引張弾性率２２０〜７００ＧＰａ、引張伸び２．０〜２．２％という物性を有するものである。また、一方向プリプレグ中の炭素繊維の割合は、７５質量％である。
中空軸に含まれる炭素繊維の繊維角度比率を表１に示すようにしたものを製造し、質量，曲げ強さ，ねじれ強さ，衝撃吸収エネルギーを測定した。そして、鋼製の中空軸（比較例１）と比較した。結果を表１に示す。なお、繊維角度比率における角度０°の炭素繊維とは、中空軸の軸方向に沿う方向に配向した炭素繊維であり、角度±４５°の炭素繊維とは、中空軸の軸方向に４５°又は−４５°の角度で交差する方向に配向した炭素繊維であり、角度９０°の炭素繊維とは、中空軸の軸方向に直交する方向に配向した炭素繊維である。

表１から分かるように、実施例１は、比較例１よりも優れた衝撃吸収エネルギーを有することに加えて軽量である。

自動車のステアリング装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ ステアリング軸
２ ステアリングコラム
３ ハウジング
４ 電動モータ
１３ 第一の自在継手
１４ 伝達軸
１７ 第二の自在継手

Claims (7)

1. 自動車のステアリング装置に組み込まれ、運転者の操舵により回転するステアリング軸において、樹脂と炭素繊維とを含有する炭素繊維強化樹脂で構成したことを特徴とするステアリング軸。
2. 前記炭素繊維強化樹脂中の前記炭素繊維の割合を１０質量％以上８０質量％以下としたことを特徴とする請求項１に記載のステアリング軸。
3. 前記炭素繊維の平均繊維長を０．５ｍｍ以上としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のステアリング軸。
4. 前記樹脂を熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂の少なくとも一方としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のステアリング軸。
5. 前記熱硬化性樹脂をエポキシ樹脂及びフェノール樹脂の少なくとも一方としたことを特徴とする請求項４に記載のステアリング軸。
6. 前記熱可塑性樹脂をポリアミド樹脂及びポリプロピレン樹脂の少なくとも一方としたことを特徴とする請求項４に記載のステアリング軸。
7. 前記炭素繊維強化樹脂は、軸方向とは異なる方向に配向する前記炭素繊維を含有しており、その配向方向は２方向以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のステアリング軸。

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