JP2005053286A - ステアリング用固定式等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の操安性を損なうことのない、ステアリング用固定式等速自在継手を提供する。
【解決手段】角度をなしたステアリングシャフト２を連結するための、トルク伝達用の複数のボール30を有する固定式等速自在継手１であって、ステアリングシャフト２の折り曲げ方向がボール溝14，24方向となる回転方向位相と、車両の直進状態のステアリング回転位相とを一致させる。
【選択図】図１

Description

本発明はステアリング用軸継手として使用される固定式等速自在継手に関する。

等速自在継手は、入出力軸間の角度変位のみを許容する固定式と、角度変位および軸方向変位を許容するスライド式に大別され、それぞれ用途・使用条件等に応じて機種選定される。固定式等速自在継手としては、ツェッパ型（以下、「ＢＪ」と称する）やアンダーカットフリー型（以下、「ＵＪ」と称する）が広く知られている。
ＢＪおよびＵＪのいずれも、内周に複数の曲線状のボール溝を有する外輪と、外周に複数の曲線状のボール溝を有する内輪と、外輪のボール溝と内輪のボール溝との間に組み込まれたボールと、ボールを保持する保持器とで構成される。外輪のボール溝中心は外輪内球面中心に対して外輪開口側、また、内輪のボール溝中心は内輪外球面中心に対して外輪奥側に位置し、軸方向で互いに逆方向に等距離だけオフセットしている。したがって、外輪のボール溝と内輪のボール溝とで構成されるボールトラックは外輪の開口側に向けて拡開する楔形となっている。ＢＪでは各ボール溝の全域が曲線状になっているが、ＵＪでは各ボール溝の一方の端部が軸線と平行なストレート状になっている。

一般的に自動車用ステアリングジョイントにはカルダンジョイントを２個以上使用している。このジョイントは、単体では不等速なことから、等速性を確保するために互いの変動成分を打ち消し合うよう配置し使用している。このため車両の設計自由度が損なわれるという問題がある。任意の角度で等速性が確保できる等速自在継手をステアリング用軸継手として用いることで、車両の設計自由度が増すことは可能であるが、等速自在継手は回転方向ガタが大きいため、車両直進付近のステアリング操作感の悪化や、異音の原因となることが懸念される。これを解決するため、特開２００３−１３００８２号公報にて、等速自在継手内部に予圧手段を設けてボール溝すきまを詰めることを提案している。

固定式等速自在継手には機能及び加工面から、外輪のボール溝と内輪のボール溝間にはボールを介してすきまがあり、また外輪の内球面とケージ外球面、内輪の外球面とケージ内球面にもすきまが存在する。これらすきまは、継手の中立状態で内輪または外輪のどちらか一方を固定して他方をラジアル方向またはアキシャル方向に移動させたときの移動量をいい、移動させる方向によって、ラジアルすきま、アキシャルすきまのように呼ばれる。これらすきまは、内・外輪間の円周方向のガタツキ（回転バックラッシ）に大きく影響を与え、特にボール溝間すきまが大きい程回転バックラッシも大きくなる。このため、一定以上の回転バックラッシは避けられないことから、この種の固定式等速自在継手、例えば自動車のステアリング装置のように回転バックラッシを嫌う用途には一般採用されるには至っていない。
特開２００３−１３００８２号公報（段落番号０００８、０００９、図１）

特許文献１に記載された発明は、回転バックラッシを詰めることを目的にしたステアリング用固定式等速自在継手であるが、車両への取付条件によってはヒステリシスが大きくなり、車両の直進付近の操縦安定性（以下、「操安性」という）を損なう可能性がある。本発明の主要な目的はかかる問題を除去することに有る。

本発明のステアリング用固定式等速自在継手は、角度をなしたステアリングシャフトを連結するための、トルク伝達用の複数のボールを有する固定式等速自在継手であって、ステアリングシャフトの折り曲げ方向がボール溝方向となる回転方向位相と、車両の直進状態のステアリング回転位相を一致させたことを特徴とするものである。
本願発明者らは、特許文献１に記載された等速自在継手では、車両に取り付けた状態すなわち、ステアリングコラムとステアリングギヤ間に取り付けたときの回転方向位相によっては、継手のトルク−捩れ角曲線のヒステリシスが変化することを見出した。すなわち、車両に取り付けたときのステアリングシャフトの折り曲げ方向が図１に示すように等速自在継手のボール溝方向である場合には、ヒステリシスは小さい（図２）。しかし、ステアリングシャフトの折り曲げ方向が図３に示すようにボール溝間方向である場合には、ヒステリシスが大きくなる（図４）という知見を得た。このような傾向は、特に設定継手角度（α：図６（Ｂ））が３０°を越える大角度の場合に顕著である。

自動車の直進状態で、継手のトルク−捩れ角線図におけるヒステリシスの増大はハンドル操作性（ダイレクト感）に影響を与えることから、このヒステリシスは小さい方が望ましい。このため、自動車の直進状態でのステアリングシャフトの折れ曲がり位相がボール溝方向になるように合わせておくことで、ヒステリシスの増加に伴う操安性の悪化を回避することができる。

図５に、ステアリングシャフト折り曲げ位相を、ボール溝方向からボール溝間方向に１０°毎に変化させたときのガタ線図を示す。位相０°（図５（Ａ））がボール溝方向の場合で、位相３０°（図５（Ｄ））がボール溝間方向の場合である。これらより、ヒステリシスの変化はボール溝方向から２０°位相で大きくなっていることが分かる。したがって、ステアリングシャフトの方向をボール溝方向基準で±２０°以下とすることにより、ヒステリシスの増加に伴う操安性の悪化を回避ないしは緩和することができる。

ステアリング用固定式等速自在継手は、内球面の円周方向等配位置に軸方向に伸びるボール溝を形成した外輪と、外球面の円周方向等配位置に軸方向に延びるボール溝を形成した内輪と、外輪のボール溝と内輪のボール溝とで形成された楔形のボールトラックに配置されたボールと、外輪の内球面と内輪の外球面との間に介在してボールを保持する保持器とを具備し、弾性的な押圧力を軸方向に作用させる押圧部を内輪側に設け、前記押圧部からの押圧力を受ける受け部を保持器に設けたものとする。また、外輪のボール溝中心は内球面中心に対し開口側に位置しする。よって、内輪のボール溝中心は外球面中心に対し外輪開口部より奥側となる。このような機構をもつことで、外輪のボール溝と内輪のボール溝とで構成されるボールトラックは外輪の開口側に向かって拡開する楔形となり、押圧力により内輪が外輪開口側に軸方向変位するとボールを介してボール溝のすきまが詰められ回転バックラッシを防止することが可能となる。

具体的に説明すると、例えば図７に示すように、押圧部５２を内輪２０とセレーション結合されたシャフト２に、受け部５８を保持器４０にそれぞれ設け、押圧部５２と受け部５８の弾性的な当接により、内輪２０が外輪１０開口側へ押圧される。この移動により、ボール３０がボールトラックの縮小方向に押し込まれるため、ボール溝のアキシャルすきまが詰められ、回転バックラッシの発生が防止される。

押圧部５２および受け部５８のうち、保持器４０に設ける受け部は内輪２０の外球面２よりも大径の凹形状に形成するのが望ましい。これにより、折り曲げ角をとったときでも保持器４０に設けた受け部が内輪２０の外球面２２と接触・干渉する事態が回避され、スムーズな角度変位が可能となる。

内輪２０側に設ける押圧部５２を保持器４０に設ける受け部５８よりも小径の球体或い
は凸球状にすれば、押圧部５２と受け部５８をスムーズに摺動させることができ角度の変位を容易に行えるようになる。

ところで、一般的に固定式等速自在継手においては、機能及び加工面から、外輪のボール溝と内輪のボール溝間にはボールを介してすきまがあり、また外輪の内球面とケージ外球面、内輪の外球面とケージ内球面にもすきまが存在する。このうち、内輪と保持器の間の球面すきまで形成されるアキシャルすきまがボール溝間すきまで形成されるアキシャルすきまよりも小さいと、ボール溝間のアキシャルすきまが完全に詰められる以前に内輪と保持器が当接するため、それ以上ボール溝間のアキシャルすきまを詰めることには限界がある。したがって、内輪と保持器の間のアキシャルすきまは、ボール溝間のアキシャルすきまよりも大きくすることが望ましい。

継手内部に回転方向ガタ詰め用予圧手段を設けた固定式ボールタイプ等速自在継手を、自動車のステアリング用軸継手としてステアリングコラムとステアリングギヤ間に取り付けるときに、継手のシャフト折り曲げ方向がボール溝方向となる回転方向位相と、車両の直進状態のステアリング回転位相を一致させることで、回転方向位相によるトルク−捩れ角曲線のヒステリシス増加に伴う操安性の悪化を回避することができる。また、本ジョイントは折り曲げ角０°から最大作動角まで等速性が確保できるため車両レイアウト設計の自由度が増す。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
まず、ステアリング装置について簡単に説明する。図６に示すように、ステアリング装置は、ステアリングホイール６の回転運動を、一または複数のステアリングシャフト２からなるステアリングコラムを介してステアリングギヤ８に伝達することにより、タイロッド９の往復運動に変換するようにしたものである。車載スペース等との兼ね合いでステアリングシャフト２を一直線に配置できない場合は、ステアリングシャフト２間に一または複数の自在継手１を配置し、ステアリングシャフト２を屈曲させた状態でもステアリングギヤ８に正確な回転運動を伝達できるようにしている。この自在継手１に固定式等速自在継手を使用する。図６（Ｂ）における符号αは継手の折り曲げ角度を表しており、折り曲げ角度αが３０°を越える大角度も設定可能である。

次に固定式等速自在継手について説明する。図７〜図１０は、固定式等速自在継手の一種であるツェッパ型ジョイント（ＢＪ）を例示するものである。図７に示すように、このタイプの等速自在継手１は、外側継手部材１０と、内側継手部材２０と、トルク伝達ボール３０と、保持器４０を主要な構成要素として成り立っている。外側継手部材１０は入力軸または出力軸と接続し、内側継手部材２０は出力軸または入力軸と接続する。ここでは内側継手部材２０はシャフト２とセレーション結合している。

外側継手部材１０は一端にて開口したカップ状で、内球面１２の円周方向等配位置に、軸方向に延びるボール溝１４を形成してある。内側継手部材２０は、外球面２２の円周方向等配位置に、軸方向に延びるボール溝２４を形成してある。外側継手部材１０のボール溝１４と内側継手部材２０のボール溝２４とは対をなして軸方向の一方から他方へ楔状に広がるボールトラックを形成し、各ボールトラックに１個のトルク伝達ボール３０が組み込んである。保持器４０は外側継手部材１０の内球面１２と内側継手部材２０の外球面２２との間に摺動自在に介在し、各トルク伝達ボール３０は保持器４０のポケット４６に収容されて円周方向で等間隔に保持される。

保持器４０の外球面４２は外側継手部材１０の内球面１２と球面接触し、保持器４０の
内球面４４は内側継手部材２０の外球面２２と球面接触している。そして、外側継手部材１０の内球面１２の中心と、内側継手部材２０の外球面２２の中心は継手中心Ｏと一致している。外側継手部材１０のボール溝１４の中心Ｏ₁と、内側継手部材２０のボール溝２４の中心Ｏ₂は、軸方向で、互いに逆方向に等距離だけオフセットしている。このため、一対のボール溝１４，２４により形成されるボールトラックは、外側継手部材１０の開口側から奥部側に向かって縮小する楔状を呈している。

この固定式等速自在継手において、図１０に示すように、外側継手部材１０と内側継手部材２０とが作動角つまり折り曲げ角θをとると、トルク伝達ボール３０が折り曲げ角θの二等分線に垂直な平面内に維持され、継手の等速性が確保される。

図７に示すように、シャフト２の軸端に押圧部材５０を設けてある。押圧部材５０は図８に示すように、押圧部５２としてボール、弾性部材５４として圧縮コイルバネ、押圧部５２と弾性部材５４をアッセンブリィするためのケース５５から構成される。この弾性部材５４は、押圧部５２を通じて弾性力として作用する。また、押圧部５２は凸球状を成した形状でもよい。ケース５５は、内側継手部材２０とセレーション結合で一体化されたシャフト２の先端部に圧入或いは接着剤等の適宜の手段で固定される。

保持器４０の外側継手部材１０の奥側の端部には受け部材５６を取り付けてある。この受け部材５６は、保持器４０の端部開口を覆う蓋状をなし、部分球面状の球面部５６ａとその外周に環状に形成された取付け部５６ｂとで構成される。球面部５６ａの内面（シャフト２と対向する面）は凹球面で、この凹球面は押圧部５２からの押圧力を受ける受け部５８として機能する。取付け部５６ｂは、保持器４０の端部に圧入、溶接等の適宜の手段で固定されている。

継手が折り曲げ角をとった際に、押圧部材５０と受け部材５６をスムーズに摺動させるため、図９に示すように、凹球面状の受け部５８の内径寸法Ｒｏは、ボール或いは凸球面状の押圧部５２の半径ｒまたは外径寸法ｒよりも大きくする（Ｒｏ＞ｒ）。また、図１０に示すように、折り曲げ角θをとった際の受け部材５６と内側継手部材２０との干渉を防止するため、受け部５８の内径寸法Ｒｏは、内側継手部材２０の球状外面２２の外径寸法Ｒｉよりも大きくする（Ｒｏ＞Ｒｉ）。

以上の構成において、シャフト２のセレーション軸部と内側継手部材２０をセレーション結合し、止め輪４を装着して両者が完全に結合されると、押圧部材５０の押圧部５２と受け部材５６の受け部５８とが互いに当接し、弾性部材５４が圧縮される。これにより、シャフト２と一体化された内側継手部材２０が、弾性力により外側継手部材の開口側に軸方向変位し、この変位によりボール溝に配置されたボール３０がボール溝１４，２４の縮小方向に押し込まれるため、ボール溝のアキシアルすきまが詰められ、回転バックラッシが防止される。

以上の説明では、固定式等速自在継手として、ＢＪを例にとったが、本発明はこれに限らず、ボール溝１４，２４の一部にストレート部を有するアンダーカットフリージョイントその他の固定式等速自在継手であっても同様に適用することができ、同様の効果を奏する。

上述の固定式等速自在継手１をステアリング用軸継手として車両に取り付けるにあたっては、車両の直進状態でのステアリングシャフト２の折れ曲がり位相が等速自在継手１のボール溝１４，２４方向になるように合わせておくのが好ましい。言い換えれば、ステアリングシャフト２の折り曲げ方向がボール溝１４，２４方向となる回転方向位相と、車両の直進状態のステアリングホイール回転位相を一致させるのである。これにより、ヒステ
リシスの増加に伴う操安性の悪化を回避することができる。より具体的には、図１に示すように、車両の直進状態でのステアリングシャフト２の折れ曲がり位相が等速自在継手１のボール溝１４，２４方向となるようにして取り付ける。図３は比較例として、ステアリングシャフト２の折れ曲がり方向が等速自在継手１のボール溝１４，２４間方向である場合を示す。図１および図３のそれぞれについてのトルク−捩れ角線図を示したのが図２および図４である。これらの図から明らかなように、ステアリングシャフト２の折れ曲がり方向がボール溝１４，２４方向である場合（図１）にヒステリシスが小さく（図２）、ボール溝１４，２４間方向である場合（図３）にはヒステリシスが大きい（図４）。

ステアリングシャフトの折り曲げ方向を、ボール溝方向からボール溝間方向に１０°毎に変化させてテストしたところ、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す結果を得た。位相０°（図５（Ａ））がボール溝方向の場合で、位相３０°（図５（Ｄ））がボール溝間方向の場合である。図５（Ａ）〜（Ｄ）を対比すれば、ヒステリシスの変化はボール溝方向から２０°位相で大きくなっていることが分かる。したがって、ヒステリシスの増加に伴う操安性の悪化を回避ないしは緩和するためには、ステアリングシャフトの折れ曲がり方向をボール溝方向基準で±２０°以下とするのが好ましい。

なお、以上の説明において、外側継手部材および内側継手部材はそれぞれ外輪および内輪と実質的に同じであり、同様に、保持器とケージとは実質的に同じである。

ステアリング用固定式等速自在継手の略図である。 図１の継手のトルク−捩れ角線図である。 ステアリング用固定式等速自在継手の略図である。 図３の継手のトルク−捩れ角線図である。 位相を１０°ごとに変えた場合のトルク−捩れ角線図である。 Ａはステアリング装置の平面図、Ｂはステアリング装置の側面図、Ｃはステアリング装置の斜視図である。 固定式等速自在継手の縦断面図である。 図７の要部拡大図である。 図７の要部拡大図である。 図７の継手の折り曲げ角をとった状態の縦断面図である。

符号の説明

１ 等速自在継手
２ ステアリングシャフト
６ ステアリングホイール
８ ステアリングギヤ
９ タイロッド
１０ 外側継手部材
１２ 内球面
１４ ボール溝
２０ 内側継手部材
２２ 外球面
２４ ボール溝
３０ トルク伝達ボール
４０ 保持器
４２ 外球面
４４ 内球面
４６ ポケット
５０ 押圧部材
５２ 押圧部
５４ 弾性部材
５５ ケース
５６ 受け部材
５６ａ 球面部
５６ｂ 取付け部
５８ 受け部

Claims (7)

1. 角度をなしたステアリングシャフトを連結するための、トルク伝達用の複数のボールを有する固定式等速自在継手であって、ステアリングシャフトの折り曲げ方向がボール溝方向となる回転方向位相と、車両の直進状態のステアリング回転位相を一致させたことを特徴とするステアリング用固定式等速自在継手。
2. ステアリングシャフトの折り曲げ方向がボール溝方向となる回転方向位相と、車両の直進状態のステアリング回転位相とのずれが±２０°の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のステアリング用固定式等速自在継手。
3. ステアリングシャフトの折り曲げ角度が３０°を越えることを特徴とする請求項１または２に記載のステアリング用固定式等速自在継手。
4. 内球面の円周方向等配位置に軸方向に延びるボール溝を形成した外側継手部材と、外球面の円周方向等配位置に軸方向に延びるボール溝を形成した内側継手部材と、外側継手部材のボール溝と内側継手部材のボール溝とで形成された楔形のボールトラックに配置したボールと、外側継手部材の内球面と内側継手部材の外球面との間に介在してボールを保持する保持器とを具備し、弾性的な押圧力を軸方向に作用させる押圧部を内側継手部材側に、押圧部からの押圧力を受ける受け部を保持器に、設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のステアリング用固定式等速自在継手。
5. 弾性的な押圧力により内側継手部材が、保持器に設けられた受け部を介してボールトラックの拡開側に押し出されるように作用させる請求項４に記載のステアリング用固定式等速自在継手。
6. 保持器に設けられる受け部を内側継手部材の外球面よりも大径の凹球面状に形成した請求項４または５に記載のステアリング用固定式等速自在継手。
7. 内側継手部材側に設けられる押圧部を受け部よりも小径の球体および凸球面状にした請求項６に記載のステアリング用固定式等速自在継手。
   
   
   

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