JP2010228680A - ステアリングシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】厚肉部と薄肉部とを有する中空シャフトであって、厚肉部と薄肉部との境界における軸の剛性の低下を抑えつつ、軽量化を実現したステアリングシャフトを提供する。
【解決手段】軸方向において厚肉領域部Ａと薄肉領域部Ｂとを有する中空シャフトであって、前記厚肉領域部Ａの外径と、前記薄肉領域部Ｂの外径は等しく形成され、前記厚肉領域部Ａと前記薄肉領域部Ｂとの境界における境界段差部４はシャフト内周側にのみ形成される。前記境界段差部４は軸方向に沿う斜面の断面形状が直線状に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、厚肉部と薄肉部とを有する中空シャフトであって、厚肉部と薄肉部との境界における軸の剛性の低下を抑えつつ、軽量化を実現したステアリングシャフトに関する。

一般に、軽量化と製造コストの低減のために、中空のパイプから成形されるステアリングシャフトが存在する。また、さらなる軽量化のために、その一部を薄肉にする例が特許文献１に開示されている。この例では、車両衝突時の衝撃緩和のためにステアリングホイール側とギヤボックス側に２分割されるステアリングシャフトの、ステアリングホイール側のアッパーシャフトを軽量化した構造が示されている。

アッパーシャフトにおいては、盗難防止用ハンドルロックが設けられた比較的大きな強度を必要とする大径のハンドルロック支持部と、アッパーシャフトを支持するため比較的大きな強度を必要とする小径のベアリング保持部は、その外径と内径による肉部分を厚肉にして形成されるものである。しかし、アッパーシャフトのギヤボックス側でロアーシャフトに連結され、操舵力を伝達する薄肉パイプ部では、前記ハンドルロック支持部と、ベアリング保持部７に比較して、大きな強度を必要としない。そのために、前記薄肉パイプ部６は、厚肉のハンドルロック支持部に連続して薄肉に形成されている。この種のシャフトは、その加工手段により、厚肉のハンドルロック支持部５とベアリング保持部７の外径と、薄肉パイプ部６の外径が異なり、外周側面側において、軸方向に段差部が生じる。

特許３０８９４５９号

特許文献１は、シャフトの軽量化を実現することができるものであるが、同時に以下の不都合も存在する。この不都合な構成を、従来技術を示す図５に基づいて説明する。まず、薄肉部の領域を成形するために、加工時において外径側から押圧して絞り込むことにより形成された薄肉の領域は、シャフトａの外径の元の寸法よりも小さくなる。従って、薄肉部の領域の外径が厚肉部の領域の外径より小さくなっており、軸方向において薄肉の領域と厚肉の領域との境界部には傾斜状の段差部ｂが生じる〔従来技術を示す図５（Ａ）参照〕。

その段差部ｂは、厚肉部から薄肉部に向かってしだいに厚さが薄くなる〔従来技術を示す図５（Ｂ）参照〕。このため段差部ｂによって、ステアリングシャフト全体の剛性が低下するおそれがある。ステアリングシャフトａの軸方向端部に荷重Ｆがかかると、薄肉部分と厚肉部分との境界である段差部ｂ箇所を中心として曲げモーメントＭが作用する。薄肉部は、厚肉部に比較して細管部分であるため、前記曲げモーメントＭによって、曲がり易くなり、剛性が低いことは明らかである〔従来技術を示す図５（Ｃ），（Ｄ）参照〕。

しかも、シャフトａの薄肉部と厚肉部との段差部ｂは傾斜状に連なり、薄肉部は、厚肉部から傾斜状にくびれた段差部ｂを介して軸方向に延長させた形状である。そのため、必要な剛性を維持するために一定以上の厚さが必要となるが、薄肉部は、軽量化のために薄くしたものであるから、それ以上、肉厚を厚くすることはできない。また、剛性の低下を防ぐために肉厚を薄くすることもできず、軽量化と剛性の向上という相反する条件を満たすことは極めて困難である。そこで、本発明の目的（技術的課題）は、中空のステアリングシャフトの厚肉部と軽量化を図るための薄肉部とを有しつつも、ステアリングシャフトの剛性を維持し、且つさらなる軽量化を実現することにある。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく、鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、軸方向において厚肉領域部と薄肉領域部とを有する中空シャフトであって、前記厚肉領域部の外径と、前記薄肉領域部の外径は等しく形成され、前記厚肉領域部の内径は前記薄肉領域部の内径よりも小さく形成され、前記厚肉領域部と前記薄肉領域部との境界における境界段差部はシャフト内周側にのみ形成されてなるステアリングシャフトとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項２の発明を、請求項１において、前記境界段差部は、軸方向に沿う斜面の断面形状が直線状に形成されてなるステアリングシャフトとしたことにより、上記課題を解決した。請求項３の発明を、請求項２において、前記境界段差部の斜面の軸方向両側は断面弧状に形成されてなるステアリングシャフトとしたことにより、上記課題を解決した。請求項４の発明を、請求項１，２又は３のいずれか１項の記載において、前記厚肉領域部はハンドルロック支持部とされ、且つ前記薄肉部は操舵力伝達軸部とされてなるステアリングシャフトとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項１の発明では、厚肉領域部と薄肉領域部において軸方向に沿ってシャフト外径を変化させず、境界段差部を介してシャフト内周側のみを変化させて薄肉化し、薄肉領域部が形成されたものである。従って、厚肉領域部と薄肉領域部との境界段差部に軸方向の斜面による段差が設けられているため、ステアリングシャフトは、軸方向に沿ってシャフト外径を変化させることなく、境界段差部によって薄肉領域部が補強され、ステアリングシャフトを全体的に剛性を高め、しかも軽量化することができる。

請求項２の発明では、前記境界段差部は、軸方向に沿う斜面の断面形状を直線状としたことによって、境界段差部を単純な形状にすることができ、製造が容易にできる。請求項３の発明では、前記斜面の軸方向両側を弧状としたことにより、境界段差部に応力が集中し難い構造にすることができ、より一層剛性を向上させることができる。また、請求項４の発明では、ステアリングシャフトのハンドルロック支持部を厚肉領域部とし、操舵力伝達軸部を薄肉領域部としたので、ハンドルロック支持部と操舵力伝達軸部とは、外径が同一であり、ハンドルロック支持部から操舵力伝達軸部に亘って、外周側面の円周長を大きく得られることができ、肉の切除部分を比較的大きく取る余裕があり、総合的に操舵力伝達軸部（薄肉領域部）の外径を小さくすることなく薄肉化が図れ、さらなる軽量化を実現できる。

（Ａ）は本発明のステアリングシャフトの縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）の（ア）部拡大図、（Ｃ）は（Ｂ）の（イ）部拡大図である。 （Ａ）は斜面の軸方向両側に弧状面が形成された実施形態の要部拡大縦断正面図、（Ｂ）は斜面が軸方向に沿って弧状に形成された実施形態の要部拡大縦断側面図。 （Ａ）はステアリングシャフトに荷重が作用した状態の作用図、（Ｂ）は作用を示す要部拡大断面図である。 （Ａ）はステアリングシャフトにヨークが装着されブッシュにてコラム側に支持された構造を示す要部縦断側面図、（Ｂ）はステアリングシャフトの保持部に装着されたブッシュにてコラム側に支持された構造を示す要部縦断側面図、（Ｃ）はステアリングシャフトにヨークが装着されニードルベアリングにてコラム側に支持された構造を示す要部縦断側面図、（Ｄ）はステアリングシャフトにヨークが装着されボールベアリングにてコラム側に支持された構造を示す要部縦断側面図である。 （Ａ）は従来技術のステアリングシャフトの縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）の（ウ）部拡大図、（Ｃ）は従来技術のステアリングシャフトに荷重が作用した状態図、（Ｄ）は従来技術のステアリングシャフトの剛性が低いことを示す作用図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明のステアリングシャフトは、自動車のステアリング装置を構成するものであって、ステアリングコラムに装着されて使用される部位である。ステアリングシャフトは、図１（Ａ）に示すように、ベアリング支持部１，ハンドルロック支持部２，操舵力伝達軸部３が軸方向に沿って存在するものである。

ベアリング支持部１は、ステアリングシャフトをベアリングによりステアリングコラムのパイプに支持するための部位であって、比較的大きな強度を有する厚肉部である。このベアリング支持部１は、略円錐状であり、軸端部である一端側からベアリング支持部１の他端部に向かって軸径が複数段階で次第に太くなるように、複数の段付き軸片が形成されたものである。ベアリング支持部１は、ステアリングホイールの取付け部と嵌合し、さらに、固定具（ナット）が締め付けられるねじが、転造により端部に形成されている。また、ベアリングを軸方向に保持するための位置決めワッシャー等が装備される溝が形成される。

次に、ハンドルロック支持部２は、盗難防止用のためのハンドルロック用長孔２２が形成されたシャフトの部位であって、特に大きな外力がかかる部位である。前記ハンドルロック支持部２は、その軸方向に沿って特に肉厚が厚い厚肉領域部Ａとして形成されている。前記ハンドルロック支持部２における厚肉領域部Ａを周方向に沿って構成する肉部２１の肉厚ｔａは、前記ベアリング支持部１の肉厚と等しい〔図１（Ａ）参照〕。すなわち、前記ベアリング支持部１と前記ハンドルロック支持部２との境界は、同一の肉厚を維持しながら軸の直径のみが変化するものである。該ハンドルロック支持部２は、軸方向に沿って外径は同一である。

操舵力伝達軸部３は、前記ハンドルロック支持部２と軸方向に連続形成された軸部である。前記操舵力伝達軸部３は、軸方向に沿って特に肉厚の薄い薄肉領域部Ｂとなっている〔図１（Ａ）参照〕。該薄肉領域部Ｂを周方向に沿って構成する肉部３１の肉厚ｔｂは、前記厚肉領域部Ａの肉厚ｔａよりも薄く形成されている。したがって、前記ハンドルロック支持部２（厚肉領域部Ａ）の外径Ｄａと、前記操舵力伝達軸部３（薄肉領域部Ｂ）との外径Ｄｂとは同一であり、前記ハンドルロック支持部２（厚肉領域部Ａ）の内径ｄａは、前記操舵力伝達軸部３（薄肉領域部Ｂ）との内径ｄｂよりも小さくなる。つまり、大小関係は以下のようになる。肉厚についてはｔａ＞ｔｂ、外径についてはＤａ＝Ｄｂ、内径についてはｄａ＜ｄｂである。

前記ハンドルロック支持部２と前記操舵力伝達軸部３とは外周側面２１ｏ及び外周側面３１ｏにおいて同一直径にて連続形成されているが、内周側面２１ｉ及び内周側面３１ｉでは、厚肉領域部Ａと薄肉領域部Ｂとの境界領域部Ｃが存在し、該境界領域部Ｃの内周側には境界段差部４が存在する〔図１（Ａ），（Ｂ）参照〕。前記境界領域部Ｃは、前記厚肉領域部Ａと前記薄肉領域部Ｂにおいて、外周は同一の直径にて連続している。すなわち、前記ハンドルロック支持部２と前記操舵力伝達軸部３との間には段差が一切なく同一の直径で連続するように形成されたものである。前記境界段差部４は、ステアリングシャフトの内周側のみに形成されるものであり、且つ前記ハンドルロック支持部２と前記操舵力伝達軸部３の境目の内周側にのみ現れる部位である。また、換言すると、前記境界段差部４は、前記ハンドルロック支持部２（厚肉領域部Ａ）の肉部２１の内周側面２１ｉと、前記操舵力伝達軸部３（薄肉領域部Ｂ）の肉部３１の内周側面３１ｉとが次第に形状変化するつなぎの部位である〔図１（Ｂ），（Ｃ），図２等〕。

前記境界段差部４の斜面４１は、軸方向に直交する断面形状を直線状とした傾斜面に形成されている。すなわち、該斜面４１は、円錐状斜面となる〔図１（Ｂ），（Ｃ）参照〕。また、境界段差部４の軸方向に沿う斜面４１の断面形状を直線状としたことによって、境界段差部４を単純な形状にすることができ、ひいては製造が容易にできる。また、前記斜面４１の軸方向両側において、前記ハンドルロック支持部２の内周側面２１ｉと連続する角部を直径中心側に向かって膨出する比較的小半径の（凸状の）弧状角部とした弧状面４１ａが形成され、前記操舵力伝達軸部３の内周側面３１ｉと連続する角部を外周側に向かって比較的小半径の（凹状の）弧状角部とした弧状面４１ｂが形成される実施形態も存在する〔図２（Ａ）参照〕。

該弧状面４１ａが前記斜面４１の軸方向両側に形成されたことにより、ステアリングシャフトに荷重が作用したときに、前記境界段差部４に応力が集中し難い構造となり、より一層剛性を向上させることができる。また、前記境界段差部４の斜面４１は、シャフト直径中心側に向かって膨出する弧状面として形成される実施形態も存在する〔図２（Ｂ）参照〕。図２（Ａ），（Ｂ）において、２点鎖線は、仮想基準直線Ｑであり、斜面４１が直線であることを示すものであり〔図２（Ａ）参照〕、また前記斜面４１が弧状面であることを示すものである〔図２（Ｂ）参照〕。

本発明のステアリングシャフトは、厚肉領域部Ａと薄肉領域部Ｂにおいて軸方向に沿ってシャフトの外径を変化させず、内径のみを変化させて薄肉化したものであり、且つシャフトの全長に亘って、その剛性を大きくすることができるものである。すなわち、厚肉領域部Ａと薄肉領域部Ｂとの境界段差部４をシャフト内部にのみ形成することで、厚肉領域部Ａと薄肉領域部Ｂとの外周は、その直径は同一で連続することになり、ステアリングシャフトの剛性を高くすることができる。

また、ステアリングシャフトの軸方向端部に外力（荷重）Ｆｏがかかると、前記境界段差部４を中心にして曲げモーメントＭｏがかかることになる〔図３（Ａ）参照〕。そして、前述したように、厚肉領域部Ａと薄肉領域部Ｂとでは外径は同一であるため、厚肉領域部Ａの外周側面２１ｏと、薄肉領域部Ｂの外周側面３１ｏの連続する境界領域部Ｃにおいて、その表面の直径方向上端側の頂点Ｃｔ〔図３（Ｂ）の上端側〕に張力Ｆｔがかかる。一方、境界領域部Ｃにおいて、その表面の直径方向の下端点Ｃｐ〔図３（Ｂ）の下端側〕では圧縮力Ｆｐがかかる。前記境界領域部Ｃの頂点Ｃｔには、前記張力Ｆｔに対して抵抗する反力ｆｔ，ｆｔ，…が反対方向に作用し、前記境界領域部Ｃの下端点Ｃｐには、前記圧縮力Ｆｐに対して抵抗する反力ｆｐ，ｆｐ，…が反対方向に作用し、曲げモーメントＭｏに十分に耐え得る〔図３（Ｂ）参照〕。

さらに、ステアリングシャフトのハンドルロック支持部２（厚肉領域部Ａ）と、操舵力伝達軸部３（薄肉領域部Ｂ）との外径が同一であり、ハンドルロック支持部２から操舵力伝達軸部３に亘って、ステアリングシャフトを成形するための原材であるパイプから薄肉領域部Ｂが成形される場合には、素材の場合における肉の切除部分を比較的大きく取る余裕があり、総合的に操舵力伝達軸部３（薄肉領域部Ｂ）の外径を小さくすることなく薄肉化が図れ、より高い軽量化を行うことができる。

本発明のステアリングシャフトにおいて、操舵力伝達軸部３の車両における前方側端部は、自在継手のヨーク５に連結される（図４参照）。前記操舵力伝達軸部３は、軸方向端部において、コラム７側とシャフト側に設けられたブッシュ６１に支持される〔図４（Ａ）参照〕。該ブッシュ６１に支持される前記操舵力伝達軸部３の部位には、前記肉部３１を直径方向外方に向かって略円筒状に膨出形成された保持部３２が設けられる場合もある〔図４（Ｂ）参照〕。該保持部３２は、前記操舵力伝達軸部３の軸方向端部で、前記ハンドルロック支持部２の連続側とは反対側に形成される。

前記保持部３２は、薄肉領域部Ｂの範囲内にあり、その肉厚は肉部３１のままであり、前記保持部３２の外周側面３１ｏの外径のみがその他の外周側面３１ｏの外径と異なる。前記保持部３２は、軸方向に沿って同一肉厚である薄肉領域部Ｂから膨出形成されるので、保持部３２の外周面は面精度が高められ、ブッシュ６との良好な回転摺動と支持が得られる。

また、前記操舵力伝達軸部３の軸方向端部には、前記ブッシュ６１の代わりに、ニードルベアリング６２〔図４（Ｃ）参照〕、又はボールベアリング６３〔図４（Ｄ）参照〕により、前記コラム７側に回転自在に支持される場合もある。これらの場合にも前記操舵力伝達軸部３の軸端部には、前記保持部３２が設けられる場合もある。本発明のステアリングシャフトは、前記厚肉領域部Ａは、ハンドルロック支持部２とされ、且つ前記薄肉領域部Ｂは、操舵力伝達軸部３とされたものであるが、その他に前記厚肉領域部Ａには、ハンドルロック支持部２とベアリング支持部５が含まれることもある。

Ａ…厚肉領域部、Ｂ…薄肉領域部、２…ハンドルロック支持部、３…操舵力伝達軸部、
４…境界段差部、４１…斜面。

Claims (4)

1. 軸方向において厚肉領域部と薄肉領域部とを有する中空シャフトであって、前記厚肉領域部の外径と、前記薄肉領域部の外径は等しく形成され、前記厚肉領域部と前記薄肉領域部との境界における境界段差部はシャフト内周側にのみ形成されてなることを特徴とするステアリングシャフト。
2. 請求項１において、前記境界段差部は、軸方向に沿う斜面の断面形状が直線状に形成されてなることを特徴とするステアリングシャフト。
3. 請求項２において、前記境界段差部の斜面の軸方向両側は断面弧状に形成されてなることを特徴とするステアリングシャフト。
4. 請求項１，２又は３のいずれか１項の記載において、前記厚肉領域部はハンドルロック支持部とされ、且つ前記薄肉部は操舵力伝達軸部とされてなることを特徴とするステアリングシャフト。

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