JP4548095B2 - Steering device - Google Patents
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Description
本発明はステアリング装置、特に、ステアリングホイールの回転をステアリングギヤに伝達するステアリングシャフトに関する。 The present invention relates to a steering device, and more particularly to a steering shaft that transmits rotation of a steering wheel to a steering gear.
ステアリングホイールの回転をステアリングギヤに伝達するステアリングシャフトは、ステアリングホイールの回転トルクを伝達するために一定の捩り強度を必要とするため、従来は中実の素材からなるステアリングシャフトを使用していた。しかし、近年、車体の軽量化及びコスト低減のために、中空のパイプ材をステアリングシャフトに使用するようになってきた。 Since the steering shaft that transmits the rotation of the steering wheel to the steering gear requires a certain torsional strength to transmit the rotational torque of the steering wheel, a steering shaft made of a solid material has been conventionally used. However, in recent years, in order to reduce the weight of the vehicle body and reduce the cost, a hollow pipe material has been used for the steering shaft.
ステアリングシャフトは、ステアリングコラムにステアリングシャフトを回転可能に軸支するための軸受を止めるストッパーリング用の環状溝や、ステアリングホイールを固定するための雄ねじ、衝撃吸収のためのセレーション加工等を施す必要があるため、強度が低下するとともに、応力が集中する箇所が発生するため、中空のパイプ材を使用する場合には、強度に対する何らかの対策が必要となる。 The steering shaft must be provided with an annular groove for a stopper ring that stops the bearing for pivotally supporting the steering shaft on the steering column, a male screw for fixing the steering wheel, and serration processing for shock absorption. For this reason, the strength is lowered and a portion where the stress is concentrated is generated. Therefore, when a hollow pipe material is used, some measure for the strength is required.
そこで従来は、肉の厚い中空の素材を使用したり、応力が集中する環状溝を切る代わりに、雄ねじを切って、ナットで軸受を止める等の対策を行っている。また、特許文献1に示すステアリングシャフトは、雄ねじや環状溝を形成した中実のシャフトから成るヘッダーを中空のパイプ材から成るシャフト本体に嵌合することで、軽量化と強度を同時に得るようにしている。しかし、更なる軽量化、コンパクト化の要求があり、溝等を加工しても十分な強度が得られる、中空のパイプ材から成るステアリングシャフトが必要とされている。
Therefore, conventionally, measures such as using a hollow material having a thick wall or cutting a male screw and stopping a bearing with a nut instead of cutting an annular groove where stress is concentrated have been taken. In addition, the steering shaft shown in
本発明は、肉厚の薄い中空のパイプ材を使用しても、衝突安全性や捩り変形に対する強度を確保し、加工性が良好なステアリング装置を提供することを課題とする。 It is an object of the present invention to provide a steering device that secures collision safety and strength against torsional deformation and has good workability even when a thin hollow pipe material is used.
上記課題は以下の手段によって解決される。すなわち、第1番目の発明は、ステアリングホイールの回転をステアリングギヤに伝達するステアリングシャフトが、Hをビッカース硬さ(HV)、YSを降伏強度(MPa)としたとき、下記の式によって算出される降伏係数KVが1400以上で、ビッカース硬さHがHV250以下の鋼材で成形されていることを特徴とするステアリング装置である。
KV=(H+YS2)/H
The above problem is solved by the following means. That is, in the first invention, the steering shaft for transmitting the rotation of the steering wheel to the steering gear is calculated by the following formula, where H is Vickers hardness (HV) and YS is yield strength (MPa). The steering device is characterized by being formed of a steel material having a yield coefficient KV of 1400 or more and a Vickers hardness H of HV250 or less.
KV = (H + YS 2 ) / H
第2番目の発明は、第1番目の発明のステアリング装置において、上記ステアリングシャフトは中空のパイプ材で成形されていることを特徴とするステアリング装置である。 A second invention is the steering device according to the first invention, wherein the steering shaft is formed of a hollow pipe material.
第3番目の発明は、第2番目の発明のステアリング装置において、上記ステアリングシャフトのパイプ材は溶接鋼管であることを特徴とするステアリング装置である。 Third invention is a steering apparatus of the second aspect, the pipe member of the steering shaft is a steering device characterized by Oh Rukoto in welded steel pipe.
第4番目の発明は、第3番目の発明のステアリング装置において、上記降伏係数KVが1500以上であることを特徴とするステアリング装置である。 A fourth invention is the steering device according to the third invention, wherein the yield coefficient KV is 1500 or more.
第5番目の発明は、第4番目の発明のステアリング装置において、上記ビッカース硬さHがHV230以下であること
を特徴とするステアリング装置である。
A fifth invention is the steering device according to the fourth invention, wherein the Vickers hardness H is HV230 or less.
本発明のステアリング装置では、硬さと降伏強度から算出される降伏係数という概念を使って、ステアリングシャフトの捩り変形に対する強度と、加工性、並びに加工精度を兼ね備えた材質のシャフトを選定することが可能となるため、肉厚の薄い中空のパイプ材を使用しても、衝突安全性や捩り変形に対する強度を確保したステアリング装置を製作することが可能となる。 In the steering device of the present invention, it is possible to select a shaft made of a material having both strength against torsional deformation, workability, and processing accuracy of the steering shaft using the concept of yield coefficient calculated from hardness and yield strength. Therefore, even when a thin hollow pipe material is used, it is possible to manufacture a steering device that ensures collision safety and strength against torsional deformation.
ステアリング装置は、衝突時に衝撃吸収システムが正常に作動することが必要であり、そのためには、衝突時にステアリングシャフトが変形しないだけの十分な強度が必要である。また、縁石への衝突や、静止状態でのステアリングホイール操作により、通常使用時の何倍かの捩り力が作用しても、ステアリングシャフトが塑性変形しないだけの十分な強度が必要である。 The steering device requires that the shock absorbing system operates normally at the time of a collision, and for that purpose, the steering device needs to have sufficient strength so that the steering shaft is not deformed at the time of the collision. Further, even when a twisting force several times that of normal use is applied due to a collision with a curb or a steering wheel operation in a stationary state, the steering shaft needs to have sufficient strength to prevent plastic deformation.
ステアリング装置の強度を高める手法として、硬さを向上させる手法があり、鋼材の降伏強度は硬さに比例していることが知られている(村上敬宜「金属疲労微小欠陥と介在物の影響」1993年、養賢堂)。しかし、強度を高めるために、必要以上に硬さを向上させると、加工性の低下によってステアリングシャフトの加工精度が低下すると共に、溶接割れ感受性が高くなってしまう不具合が生じる。すなわち、実際の製品としての使用を考えると、硬さと降伏強度のバランスが重要であることがわかる。 One way to increase the strength of steering devices is to increase the hardness. It is known that the yield strength of steel is proportional to the hardness (Takayoshi Murakami, “Effects of Metal Fatigue Microdefects and Inclusions” “In 1993, Yokendo). However, if the hardness is increased more than necessary in order to increase the strength, the processing accuracy of the steering shaft is lowered due to the lowering of workability, and the weld crack sensitivity is increased. That is, when considering use as an actual product, it is understood that the balance between hardness and yield strength is important.
そこで本発明者らは、硬さと降伏強度からステアリングシャフトの強度が判定可能な実験式を導き出すために、種々の硬さと降伏強度を有する材料が容易に得られる溶接鋼管をステアリングシャフトの素材として選定し、ステアリングシャフトの加工精度と捩り変形に対する強度を実験した。 Therefore, the present inventors selected a welded steel pipe from which materials having various hardness and yield strength can be easily obtained as a material for the steering shaft in order to derive an empirical formula that can determine the strength of the steering shaft from the hardness and the yield strength. Then, the processing accuracy of the steering shaft and the strength against torsional deformation were tested.
すなわち、溶接鋼管は、肉厚変動が非常に小さく、寸法精度や表面状態が良好であり、冷間成形により加工硬化しているが、材料成分の選定と熱処理条件の選定によって、種々の硬さと降伏強度を持つ高品質な溶接鋼管が、適当なコストで容易に得られる利点があるため、実験にも実際の製品にも好ましい材質である。(例えばJISG3445) In other words, welded steel pipes have very small wall thickness fluctuations, good dimensional accuracy and surface condition, and work hardening by cold forming, but depending on the choice of material components and heat treatment conditions, A high-quality welded steel pipe with yield strength is an advantageous material that can be easily obtained at an appropriate cost, and is therefore a preferable material for both experiments and actual products. (For example, JISG3445)
以下、本発明のステアリングシャフトの強度を判定する実験式を導くための実験装置、実験方法、及び実験結果について説明する。図1は、本発明の実験に使用するステアリング装置を示す正面図である。図2は図1のP矢視図である。図3は図1から図2のコラム内に回転可能に軸支されている、アウターシャフトとインナーシャフトを示す正面図である。図4はステアリング装置の捩り変形角度実験装置の正面図である。図5は、図4の捩り変形角度実験装置で実験したアウターシャフトとインナーシャフトの寸法を示す説明図である。 Hereinafter, an experimental apparatus, an experimental method, and an experimental result for deriving an empirical formula for determining the strength of the steering shaft of the present invention will be described. FIG. 1 is a front view showing a steering device used in an experiment of the present invention. FIG. 2 is a view taken in the direction of arrow P in FIG. FIG. 3 is a front view showing an outer shaft and an inner shaft that are rotatably supported in the column of FIGS. FIG. 4 is a front view of the torsional deformation angle experiment device for the steering device. FIG. 5 is an explanatory diagram showing the dimensions of the outer shaft and the inner shaft that were tested with the torsional deformation angle experiment apparatus of FIG.
図6はインナーシャフトの形状を示し、先端部に絞り加工を施した後、加工精度を評価する箇所を示す説明図である。図7は、種々の硬さと降伏強度のインナーシャフトについて、加工精度と捩り変形角度を実験した結果を示す表である。図8は図7の表の降伏係数と捩り変形角度との関係を示すグラフである。 FIG. 6 shows the shape of the inner shaft, and is an explanatory view showing a portion where the processing accuracy is evaluated after the drawing processing is performed on the tip portion. FIG. 7 is a table showing results of experiments on machining accuracy and torsional deformation angle for inner shafts of various hardnesses and yield strengths. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the yield coefficient and the torsional deformation angle in the table of FIG.
図1から図3に示すように、実験に使用するステアリング装置はチルト/テレスコ位置の調整が可能なステアリング装置であって、ブラケット1に枢動ピン11を中心として揺動可能に軸支されたインナーコラム2に、アウターコラム3がテレスコ摺動可能に外嵌されている。アウターコラム3の両側面にはテレスコ調整溝を有する摩擦板31が固定され、ブラケット1の側板12にはチルト調整溝が形成されている。テレスコ調整溝とチルト調整溝には締付けロッド13が貫通し、クランプ時には、摩擦板31を介してアウターコラム3を側板12に締付けてクランプしており、チルト/テレスコ位置調整時に操作レバー14を操作すると、アウターコラム3を側板12にクランプする力が解除されて、ステアリングホイール4のチルト位置とテレスコ位置の調整が可能となる。
As shown in FIGS. 1 to 3, the steering device used in the experiment is a steering device capable of adjusting the tilt / telescopic position, and is pivotally supported by the
アウターコラム3及びインナーコラム2内には、図3に示すインナーシャフト5とアウターシャフト6が、図示しない軸受によって回転可能に軸支されている。アウターシャフト6の右端(車体後方側)には、ステアリングホイール4が装着され、インナーシャフト5の左端(車体前方側)にはユニバーサルジョイント51が装着されている。ユニバーサルジョイント51は中間シャフト52を介して、図示しないステアリングギヤに連結されており、ステアリングホイール4の回転操作によって、図示しない車輪を操舵することができる。
In the
アウターシャフト6の内周には図示しない雌セレーションが形成されており、インナーシャフト5の外周に形成された雄セレーションが係合して、テレスコピック調整可能に構成されている。以下に説明する、硬さ、降伏強度、加工精度評価、捩り変形角度(捩り変形強度)の実験では、小径のため捩り変形の実験で不利な傾向を示すインナーシャフト5を対象とした。
A female serration (not shown) is formed on the inner periphery of the
このステアリング装置の捩り変形角度を実験するための実験装置を図4に示す。図4に示すように、ステアリング装置のブラケット1を実験装置の固定部71に固定し、インナーシャフト5の左端のユニバーサルジョイント51に固定治具81を接続し、固定治具81をトルク測定装置82に固定する。そして、このトルク測定装置82を、実験装置の固定部72に固定する。
FIG. 4 shows an experimental apparatus for testing the torsional deformation angle of this steering apparatus. As shown in FIG. 4, the
この状態でステアリングホイール4を回転操作し、トルク測定装置82のトルク表示が250N・mを表示した時点で、ステアリングホイール4に加えていた回転トルクを解除する。ステアリングホイール4に加えていた回転トルクを解除した時に、インナーシャフト5が塑性変形した捩り変形の角度(度)を測定して、捩り変形強度の値とした。
In this state, the
図5は、図4の捩り変形角度実験装置で使用したアウターシャフト6とインナーシャフト5の寸法関係を示す説明図である。インナーシャフト5は、全長が270mm、雄セレーション53の長さが65mm、外径がφ18mm、内径がφ13mmである。アウターシャフト6は、全長が370mm、外径がφ27mm、内径がφ20mmである。そして、アウターシャフト6とインナーシャフト5を組付けた時の全長が500mmである。アウターシャフト6及びインナーシャフト5の鋼種としては、SAE1030相当で、電気溶接鋼管を使用した。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a dimensional relationship between the
図6はインナーシャフト5の形状を示し、インナーシャフト5の加工精度を評価する箇所を示す説明図である。図6(1)に示す断面が中空円形の鋼管を、図6(2)に示すように、ユニバーサルジョイント51を接続するための小判型部54を、インナーシャフト5の左端に絞り加工で成形している。
FIG. 6 shows the shape of the
絞り加工を施した後、この小判型部54の平坦部間の寸法Lと円筒部の寸法Rを測定し、所定の寸法に対する誤差が50μm以上のものを不良と評価した。そして、寸法Lと寸法Rの両方共に不良の場合を×で表示し、寸法Lと寸法Rのどちらかが不良の場合を△で表示した。小判型部54を絞り加工するダイの半角は8〜10度、加工力は20tonである。
After the drawing process, the dimension L between the flat parts of the
硬さは、インナーシャフト5の断面心部の硬さを測定した。測定器はマイクロビッカース硬さ試験器で、測定荷重が1Kg、30点測定し、その平均値を硬さ(HV)とした。溶接部も硬さの測定範囲に入れている。
Hardness measured the hardness of the cross-sectional center part of the
降伏強度の測定は、インナーシャフト5の絞り加工部及び雄セレーション53を取り除いて行った。インナーシャフト5の左右両端の中空部に中子を挿入して、引張試験器(INSTRON社製の引張試験器5585)のチャックでつかみ、標点間距離を50mmとし、永久歪が0.2%になった時の応力を降伏強度(MPa)とした。力を加える速度等の引張試験の条件は、JISZ2241に従って行った。
The yield strength was measured by removing the drawn portion of the
図7は、種々の硬さと降伏強度を有する18種類のインナーシャフト5について、加工精度の評価と捩り変形角度を実験した結果を示すデータである。このデータから、本発明者らは、ステアリングシャフトの強度(捩り変形に対する強度)が判定可能な降伏係数という概念を導き出した。すなわち、Hをビッカース硬さ(HV)、YSを降伏強度(MPa)としたとき、降伏係数KVは下記の式によって算出される係数である。
KV=(H+YS2)/H
FIG. 7 is data showing the results of experiments on evaluation of processing accuracy and torsional deformation angles for 18 types of
KV = (H + YS 2 ) / H
図7に、18種類のインナーシャフト5について、降伏係数KVを上記の式によって算出した値を示す。また、図8のグラフに、18種類のインナーシャフト5について、降伏係数KVと捩り変形角度との関係を示す。
FIG. 7 shows the values obtained by calculating the yield coefficient KV by the above formula for the 18 types of
図7から図8に示すように、降伏係数KVが1400未満のNo.15、16、17のインナーシャフト5は、捩り変形角度が10度以上になってしまうため、ステアリングホイール4の操作性が悪化し、インナーシャフト5の材質としては適さないことが解る。これに対して、降伏係数KVが1400以上で硬さHが250(HV)以下のNo.1〜No.14のインナーシャフト5は、捩り変形角度が5度以下に押さえられるため、ステアリングホイール4の操作性が良好で、インナーシャフト5の材質として適することが解る。
As shown in FIG. 7 to FIG. It can be seen that the
また、捩り変形に対する強度を更に追求する場合には、降伏係数KVが1500以上であれば、捩り変形角度が更に小さく押さえられるため、より好ましい。ただし、硬さHが250(HV)のNo.14のインナーシャフト5は、加工精度評価で寸法Rが不良となる場合があるので、加工精度を更に追求する場合は、硬さHが230(HV)以下が好ましい。
In the case of further pursuing the strength against torsional deformation, it is more preferable that the yield coefficient KV is 1500 or more because the torsional deformation angle can be further reduced. However, No. with a hardness H of 250 (HV). In the
また、降伏係数KVが1400以上でも硬さHが250(HV)を越えるNo.18のインナーシャフト5は、加工精度が悪化するため、インナーシャフト5の材質としては適さないことが解る。すなわち、硬さHが250(HV)を越えると、高い硬さによってダイスによる成形が難しくなるだけでなく、降伏強度の上昇によって弾性限度が上がってしまい、スプリングバックで所定の形状寸法が得られなくなる結果となった。
Further, when the yield coefficient KV is 1400 or more, the hardness H exceeds 250 (HV). It can be understood that the
上記実施形態では、硬さHと降伏強度YSから算出される降伏係数KVという概念を使って、ステアリングシャフトの捩り変形に対する強度と、加工精度を兼ね備えた材質のシャフトを選択することが可能となるため、肉厚の薄い中空のパイプ材を使用しても、衝突安全性や捩り変形に対する強度を確保したステアリング装置を製作することが可能となる。 In the above embodiment, using the concept of the yield coefficient KV calculated from the hardness H and the yield strength YS, it is possible to select a shaft made of a material having both strength against torsional deformation of the steering shaft and processing accuracy. Therefore, even when a thin hollow pipe material is used, it is possible to manufacture a steering device that secures collision safety and strength against torsional deformation.
上記実施形態では、中空でテレスコ移動するステアリングシャフトに適用した例を示したが、中実のシャフト、テレスコ移動しないシャフト、コラプス移動しないシャフト、中間シャフト等に適用してもよい。また、ステアリングホイールに付与された操舵力を補助して、ステアリングホイールの操作を楽に行うようにした操舵力補助装置を有するステアリング装置に適用してもよい。 In the above-described embodiment, an example is shown in which the present invention is applied to a hollow steering shaft that telescopically moves. However, the present invention may be applied to a solid shaft, a shaft that does not telescopically move, a shaft that does not collapsibly move, an intermediate shaft, and the like. Further, the present invention may be applied to a steering device having a steering force assisting device that assists the steering force applied to the steering wheel and facilitates the operation of the steering wheel.
1 ブラケット
11 枢動ピン
12 側板
13 締付けロッド
14 操作レバー
2 インナーコラム
3 アウターコラム
31 摩擦板
4 ステアリングホイール
5 インナーシャフト
51 ユニバーサルジョイント
52 中間シャフト
53 雄セレーション
54 小判型部
6 アウターシャフト
71、72 固定部
81 固定治具
82 トルク測定装置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
KV=(H+YS2)/H When the steering shaft that transmits the rotation of the steering wheel to the steering gear has H as Vickers hardness (HV) and YS as yield strength (MPa), the yield coefficient KV calculated by the following formula is 1400 or more, and Vickers A steering apparatus characterized by being formed of a steel material having a hardness H of HV250 or less.
KV = (H + YS 2 ) / H
上記ステアリングシャフトは中空のパイプ材で成形されていること
を特徴とするステアリング装置。 The steering apparatus according to claim 1, wherein
A steering apparatus, wherein the steering shaft is formed of a hollow pipe material.
上記ステアリングシャフトのパイプ材は溶接鋼管であること
を特徴とするステアリング装置。 The steering apparatus according to claim 2, wherein
Steering system pipe of the steering shaft, characterized in Oh Rukoto in welded steel pipe.
上記降伏係数KVが1500以上であること
を特徴とするステアリング装置。 In the steering apparatus according to claim 3,
A steering apparatus, wherein the yield coefficient KV is 1500 or more.
上記ビッカース硬さHがHV230以下であること
を特徴とするステアリング装置。 The steering apparatus according to claim 4, wherein
The steering apparatus according to claim 1, wherein the Vickers hardness H is HV230 or less.
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