JP2015160551A - ステアリングシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】ステアリングシャフトにおいて、好適な衝撃吸収特性を実現しつつ、従来に比べて軽量化を図る。
【解決手段】ステアリングシャフト１は、運転者に操作されるステアリングホイール２が先端側に連結されるアッパーシャフト１１と、当該アッパーシャフト１１の基端側に設けられるロアーシャフト１２とを備える。アッパーシャフト１１は、樹脂を繊維で強化した複合材料で構成されるとともに、ステアリングホイール２が連結されるシャフト本体部１１ａと、シャフト本体部１１ａの基端側に設けられ、弾性率がシャフト本体部１１ａよりも小さい衝撃吸収部１１ｂとを有する。ロアーシャフト１２は、先端側へ開口する凹状に形成されるとともに、開口内の底面が衝撃吸収部１１ｂの基端側の端面と当接した状態で、衝撃吸収部１１ｂの外周に嵌合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車などに搭載されて衝突時の衝撃を吸収するステアリングシャフトに関する。

従来、例えば自動車などに搭載されるステアリングシャフトとして、衝突時の衝撃を吸収して運転者の傷害を軽減させるものが知られている。

例えば、特許文献１に記載のステアリングシャフトは、軽量かつ優れたエネルギー吸収性能を備える炭素繊維強化プラスチックで構成されており、別体の衝撃吸収部材を必要とすることなく、軸方向への衝撃荷重（圧縮荷重）を吸収可能となっている。

また、特許文献２に記載のステアリングシャフトは、図３（ａ），（ｂ）に示すように、一端側でステアリングコラムを介してステアリングホイールと連結されたアッパーシャフトが、繊維強化プラスチックなどの複合材料で構成されるとともに、他端側に薄肉の衝撃吸収部分を有する管状に形成されている。このアッパーシャフトの他端側には、自在継手と連結されたロアーシャフトが、衝撃吸収部分の端面を押圧可能に当接した状態で、当該アッパーシャフトの内周に嵌合されている。そのため、このステアリングシャフトが軸方向への衝撃荷重を受けると、アッパーシャフトの衝撃吸収部分がロアーシャフトに押圧されて軸方向に圧潰し、当該衝撃荷重が吸収される。

特開２０１０−９５２０８号公報 特開昭５９−８４６６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のステアリングシャフトは、その全長に亘って一様な構造の炭素繊維強化プラスチックで構成されているため、好ましい衝撃吸収特性を得ることができないおそれがある。つまり、このステアリングシャフトは、たとえ炭素繊維強化プラスチック製であっても本来的に必要な剛性を有するものであるため、衝突初期時に軸方向への変位を殆ど伴わずに大きな荷重に耐えてしまい、運転者の傷害を十分に軽減できないおそれがある。

この点、特許文献２に記載のステアリングシャフトは、アッパーシャフトが衝撃吸収部分を有しているため、どの部分で衝撃荷重を吸収するかが不明な特許文献１に記載のものよりは好適な衝撃吸収特性が期待できる。しかし、この衝撃吸収部分は、薄肉に形成されているだけであって、アッパーシャフトの本体部と同じ構造の複合材料で構成されているため、やはり所望の衝撃吸収特性（例えば荷重−変位特性など）を実現できないおそれがある。さらに、このステアリングシャフトでは、中実のロアーシャフトが衝撃吸収部分の内周を貫通してアッパーシャフトの本体部に嵌合されているため、当該ロアーシャフトが長く大きいものとなり、重量が重くなってしまう。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、好適な衝撃吸収特性を実現しつつ、従来に比べて軽量化を図ることができるステアリングシャフトの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
運転者に操作されるステアリングホイールが軸方向の一端に連結されるアッパーシャフトと、当該アッパーシャフトの軸方向の他端側に設けられるロアーシャフトとを備えるステアリングシャフトであって、
前記アッパーシャフトは、
樹脂を繊維で強化した複合材料で構成されるとともに、
前記ステアリングホイールが連結されるシャフト本体部と、当該シャフト本体部の前記他端側に設けられ、軸方向に沿った荷重に対する弾性率が前記シャフト本体部よりも小さい衝撃吸収部とを有し、
前記ロアーシャフトは、
前記一端側へ開口する凹状に形成されるとともに、
開口内の底面が前記衝撃吸収部の前記他端側の端面と当接した状態で、前記衝撃吸収部の外周に嵌合されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のステアリングシャフトにおいて、
前記アッパーシャフトは、
軸方向に沿った繊維である中央糸と、当該中央糸に対して所定の組角度で配向された繊維である組糸とが編み込まれた複合材料で構成され、
前記衝撃吸収部の前記組角度が、前記シャフト本体部の前記組角度よりも大きいことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のステアリングシャフトにおいて、
前記アッパーシャフトは、
前記複合材料として炭素繊維強化プラスチックを用いて構成され、
前記シャフト本体部の前記組角度が３０°よりも小さく、前記衝撃吸収部の前記組角度が３０°よりも大きいことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載のステアリングシャフトにおいて、
前記アッパーシャフトは、繊維がブレイディング法で編まれた複合材料であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載のステアリングシャフトにおいて、
前記ロアーシャフトが、前記衝撃吸収部の外周を全長に亘って覆っていることを特徴とする。

本発明によれば、当該ステアリングシャフトに軸方向の衝撃荷重（圧縮荷重）が加わると、複合材料で構成されたアッパーシャフトのうち、より弾性率の小さい衝撃吸収部が、ロアーシャフトの開口底面に押圧されて圧潰することによって、当該衝撃荷重が吸収される。つまり、アッパーシャフトが弾性率の異なる２つの部分を有しているので、ステアリングシャフト又はアッパーシャフト全体が一様な構造の複合材料で構成されていた従来と異なり、当該アッパーシャフトに必要な剛性を保持させつつ、好適な荷重衝撃特性を実現することができる。また、ロアーシャフトが凹状に形成されて衝撃吸収部の外周に嵌合されているので、中実のロアーシャフトが衝撃吸収部分の内周を貫通してアッパーシャフトの本体部に嵌合されていた従来に比べ、当該ロアーシャフトを短く小さいものとし、ひいては重量を軽くすることができる。
したがって、好適な衝撃吸収特性を実現しつつ、従来に比べて軽量化を図ることができる。

（ａ）実施形態におけるステアリング装置の要部の側面図であり、（ｂ）実施形態におけるステアリングシャフトの長手方向に沿った断面図である。 （ａ）ＦＲＰにおける繊維の組角度を説明するための図であり、（ｂ）ＣＦＲＰにおける組角度と弾性率との関係を示すグラフである。 （ａ）従来のステアリング装置の要部の側面図であり、（ｂ）従来のステアリングシャフトの長手方向に沿った断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１（ａ）は、本実施形態におけるステアリングシャフト１を備えるステアリング装置１００の要部の側面図であり、図１（ｂ）は、ステアリングシャフト１の長手方向に沿った断面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、ステアリング装置１００は、図示しない車両（自動車）に搭載される操舵装置であり、運転者によるステアリング操作を操舵機構に伝達するステアリングシャフト１を備えている。

ステアリングシャフト１は、長尺な略円筒状に形成されており、その軸方向の一端（図中の左端）には、運転者に操作されるステアリングホイール２がステアリングコラム３を介して連結されている。また、ステアリングシャフト１の他端は、図示しない操舵機構に接続された自在継手４と連結されている。このステアリングシャフト１は、軸心を中心に回動可能に支持されており、運転者によるステアリングホイール２の回転操作に伴って軸心回りに回転し、その回転力を操舵機構に伝達する。
なお、以下の説明では、ステアリングシャフト１の軸方向のうち、ステアリングホイール２が連結された一端側を「先端側」と記載し、自在継手４が連結された他端側を「基端側」と記載する。

具体的には、ステアリングシャフト１は、その先端側のアッパーシャフト１１と、このアッパーシャフト１１の基端側に設けられたロアーシャフト１２とを備えている。

このうち、アッパーシャフト１１は、樹脂を繊維で強化した複合材料である繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics；ＦＲＰ）で構成されており、本実施形態では、エネルギー吸収量と強度に優れる炭素繊維を用いた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で構成されている。このアッパーシャフト１１は、長尺な円筒状に形成されており、その先端にステアリングコラム３を介してステアリングホイール２が連結されている。

具体的には、アッパーシャフト１１は、ステアリングホイール２が連結される先端側のシャフト本体部１１ａと、軸方向に沿った圧縮荷重を吸収させるために基端側の端部に設けられた衝撃吸収部１１ｂとを有している。これらシャフト本体部１１ａと衝撃吸収部１１ｂは、軸方向に沿った荷重に対する弾性率（以下、単に「弾性率」という。）が互いに異なっており、衝撃吸収部１１ｂの方がシャフト本体部１１ａよりも弾性率が小さくなっている。

より詳しくは、図２（ａ）に示すように、アッパーシャフト１１は、軸方向に沿った繊維である中央糸と、この中央糸に対して所定の組角度θで配向された繊維である組糸とが複数層に編み込まれた複合材料で構成されている。そして、シャフト本体部１１ａと衝撃吸収部１１ｂとは、この組角度θが互いに異なることで弾性率も互いに異なっている。

図２（ｂ）は、ＣＦＲＰにおける組角度θと弾性率との関係を示すグラフである。
この図に示すように、ＣＦＲＰを含むＦＲＰは、一般に、組角度θが大きくなるに従って弾性率が低下する特性を有している。そのため、アッパーシャフト１１は、衝撃吸収部１１ｂの組角度θがシャフト本体部１１ａの組角度θよりも大きいものとされることによって、衝撃吸収部１１ｂの弾性率がシャフト本体部１１ａの弾性率よりも小さくなっている。

特にＣＦＲＰは、組角度θがほぼ３０°のときを境に弾性率が大きく変化する特性を有している。そこで、本実施形態におけるアッパーシャフト１１では、シャフト本体部１１ａの組角度θが３０°よりも小さい所定の値となっており、衝撃吸収部１１ｂの組角度θが３０°よりも大きい所定の値となっている。但し、衝撃吸収部１１ｂの組角度θは、所望の衝撃吸収特性（例えば荷重−変位特性など）に応じて、当該衝撃吸収部１１ｂ内で連続的に変化させてもよい。

すなわち、アッパーシャフト１１は、シャフト本体部１１ａから衝撃吸収部１１ｂに亘って組角度θが変化しつつ一体的に編み込まれた繊維を含むものとなっている。このように繊維を編み込む手法としては、繊維を三次元的に編み込むブレイディング法が好適に用いられる。

なお、衝撃吸収部１１ｂの軸方向の長さは、想定される衝撃荷重を吸収可能な範囲で、できるだけ短い方が好ましい。この衝撃吸収部１１ｂの長さが長すぎると、アッパーシャフト１１全体として必要な剛性を得ることができないおそれがある。

ロアーシャフト１２は、図１に示すように、アッパーシャフト１１よりも一回り大きい円筒状であって基端側の開口が閉塞された凹状に形成されており、その基端に自在継手４が連結されている。このロアーシャフト１２は、アッパーシャフト１１の衝撃吸収部１１ｂを押圧して圧潰させるためのものであり、先端側への開口内の底面が衝撃吸収部１１ｂの基端側の端面と当接した状態で、衝撃吸収部１１ｂの外周に嵌合されている。より詳しくは、ロアーシャフト１２は、ステアリングホイール２からアッパーシャフト１１に加わる回転力を伝達可能なようにアッパーシャフト１１と連結されている。また、ロアーシャフト１２は、軸方向の長さが衝撃吸収部１１ｂと同程度のものとなっており、衝撃吸収部１１ｂの外周をその全長に亘って覆っている。なお、ロアーシャフト１２の材質は、少なくともアッパーシャフト１１の衝撃吸収部１１ｂよりも弾性率が大きいものであれば特に限定されず、ＦＲＰなどであってもよい。

以上の構成を具備するステアリング装置１００では、例えば当該ステアリング装置１００を搭載した車両が前方の物体に衝突するなどすると、ステアリングシャフト１に軸方向の衝撃荷重（圧縮荷重）が加わる。すると、ステアリングシャフト１のアッパーシャフト１１のうち、より弾性率の小さい衝撃吸収部１１ｂが、ロアーシャフト１２の開口底面に押圧されて軸方向に圧潰することによって、この衝撃荷重が吸収される。

以上のように、本実施形態のステアリングシャフト１によれば、アッパーシャフト１１が弾性率の異なる２つの部分（シャフト本体部１１ａと衝撃吸収部１１ｂ）を有しているので、ステアリングシャフト又はアッパーシャフト全体が一様な構造の複合材料で構成されていた従来と異なり、当該アッパーシャフト１１に必要な剛性を保持させつつ、好適な荷重衝撃特性を実現することができる。
また、ロアーシャフト１２が凹状に形成されて衝撃吸収部１１ｂの外周に嵌合されているので、中実のロアーシャフトが衝撃吸収部分の内周を貫通してアッパーシャフトの本体部に嵌合されていた従来に比べ、当該ロアーシャフト１２を短く小さいものとし、ひいては重量を軽くすることができる。
したがって、好適な衝撃吸収特性を実現しつつ、従来に比べて軽量化を図ることができる。

また、ロアーシャフト１２が衝撃吸収部１１ｂの外周を全長に亘って覆っているので、衝撃吸収部１１ｂが圧潰したときに圧潰片が外側に飛散することを防止でき、より安全に衝撃荷重を吸収することができる。

なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、アッパーシャフト１１及びロアーシャフト１２は、円筒状に限定されず、角筒状や角柱状などであってもよい。

また、アッパーシャフト１１は、炭素繊維を用いた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製に限定されず、ガラス繊維，バサルト繊維，アラミド繊維などを用いた他のＦＲＰ製であってもよい。

また、本発明に係るステアリングシャフトは、車両（自動車）に搭載される操舵装置用に限定されず、他の輸送用機器等に搭載される操舵装置にも広く適用可能である。

１００ ステアリング装置
１ ステアリングシャフト
１１ アッパーシャフト
１１ａ シャフト本体部
１１ｂ 衝撃吸収部
１２ ロアーシャフト
２ ステアリングホイール
３ ステアリングコラム
４ 自在継手
θ 組角度

Claims (5)

1. 運転者に操作されるステアリングホイールが軸方向の一端に連結されるアッパーシャフトと、当該アッパーシャフトの軸方向の他端側に設けられるロアーシャフトとを備えるステアリングシャフトであって、
   前記アッパーシャフトは、
   樹脂を繊維で強化した複合材料で構成されるとともに、
   前記ステアリングホイールが連結されるシャフト本体部と、当該シャフト本体部の前記他端側に設けられ、軸方向に沿った荷重に対する弾性率が前記シャフト本体部よりも小さい衝撃吸収部とを有し、
   前記ロアーシャフトは、
   前記一端側へ開口する凹状に形成されるとともに、
   開口内の底面が前記衝撃吸収部の前記他端側の端面と当接した状態で、前記衝撃吸収部の外周に嵌合されていることを特徴とするステアリングシャフト。
2. 前記アッパーシャフトは、
   軸方向に沿った繊維である中央糸と、当該中央糸に対して所定の組角度で配向された繊維である組糸とが編み込まれた複合材料で構成され、
   前記衝撃吸収部の前記組角度が、前記シャフト本体部の前記組角度よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のステアリングシャフト。
3. 前記アッパーシャフトは、
   前記複合材料として炭素繊維強化プラスチックを用いて構成され、
   前記シャフト本体部の前記組角度が３０°よりも小さく、前記衝撃吸収部の前記組角度が３０°よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載のステアリングシャフト。
4. 前記アッパーシャフトは、繊維がブレイディング法で編まれた複合材料であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のステアリングシャフト。
5. 前記ロアーシャフトが、前記衝撃吸収部の外周を全長に亘って覆っていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のステアリングシャフト。

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