JP2006189127A - 伸縮軸 - Google Patents

Abstract

【課題】フニャフニャ感やガタ付きがなく、且つゴリゴリ感もなく、且つ軸線方向の長さを短縮することが可能な伸縮軸を提供する。
【解決手段】例えば断面三角形の雄軸１０及び雌軸１１を互いに相対回転不能に嵌入し、且つそれらを軸線方向に相対移動可能とし、互いに対向する雄軸１０の外周面３１及び雌軸１１の内周面３２を軌道面１２ａ〜１２ｃとし、例えば、そのうちの一つの軌道面１２ａには、コロ状の非弾性体１５に円筒状の弾性体１４を被嵌してなる弾性要素付きコロ状転動体１３を配設する。非弾性体１５と弾性体１４との間には隙間が存在しているが、伸縮軸として組立てられたものは、雌軸１１、弾性体１４、非弾性体１５、雄軸１０が互いに接触している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、軸方向に伸縮可能な伸縮軸に関し、特に車両のステアリング装置に好適なものである。

車両用ステアリング装置においては、ステアリング用メインシャフト、又は中間シャフトは、運転者の操舵トルクを確実にステアリングギヤに伝達するように、ガタ付きを防止しながら、高剛性な状態で操舵トルクを伝達できる一方、テレスコピック調整を可能にし、車両の走行時に生起する軸方向の変位を吸収し、また分解・組立時に伸縮できるように、比較的低く且つ安定した荷重を伴って軸方向に伸縮できるようになっている。

このような車両用ステアリング装置に使用される伸縮軸において、操舵トルク入力時のフニャフニャ感やガタ付き及びゴリゴリ感を抑制防止するものとして、下記特許文献１に記載する伸縮軸がある。この伸縮軸は、断面形状が三角形や四角形といった雄軸と雌軸とを回転不能に且つ軸方向に相対移動可能に嵌合し、雄軸と雌軸との対向面に軌道面を形成し、その軌道面に、弾性的要素を有する弾性的介在物と弾性的要素を有しない非弾性的介在物とを並列に介装したものである。弾性的介在物及び非弾性的介在物は、軸方向に転動可能な、例えばコロ状や球状といった転動体を含む。そして、転動体形状の弾性体介在物の直径を非弾性的介在物の直径より大きく設定したり、それらの長手寸法を調整したりすることにより、操舵トルク入力時のフニャフニャ感やガタ付き及びゴリゴリ感を抑制防止している。
特開２００３−２９１８２７号公報

しかしながら、前記特許文献１の伸縮軸では、弾性的介在物と非弾性的介在物とを並列に介装、つまり並べて配置しなければならないので、伸縮軸の長さを短くするのに限界がある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、長さの短縮が可能な伸縮軸を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に係る伸縮軸は、雄軸と雌軸とを回転不能に且つ軸方向に相対移動可能に嵌合し、雄軸と雌軸との軸方向への相対移動時に両者の間で転動する転動体を、雄軸及び雌軸に形成された軌道面に配設し、当該転動体の外周に弾性体を設けたことを特徴とするものである。
本発明に言う弾性体とは、例えばバネ鋼、ステンレス鋼、鋼等の弾性係数の小さい金属、樹脂やゴムなどの所謂弾性部材などが挙げられる。また、雄軸、雌軸の材料としては冷間圧延鋼板や鋼などが挙げられる。

また、本発明のうち請求項２に係る伸縮軸は、前記請求項１の発明において、前記転動体の内部には非弾性体を備えたことを特徴とするものである。
本発明に言う非弾性体とは、ＳＵＪ２等の軸受鋼、Ｓ３５Ｃ等の鋼等の弾性係数の大きい金属などが挙げられる。
また、本発明のうち請求項３に係る伸縮軸は、前記請求項１又は２の発明において、前記転動体がコロ状であることを特徴とするものである。
また、本発明のうち請求項４に係る伸縮軸は、前記請求項１乃至３の何れかの発明において、前記転動体の回転軸をトルク伝達方向に対して直交方向に配設したことを特徴とするものである。

而して、本発明のうち請求項１に係る伸縮軸によれば、雄軸と雌軸とを回転不能に且つ軸方向に相対移動可能に嵌合し、雄軸と雌軸との軸方向への相対移動時に両者の間で転動する転動体を、雄軸及び雌軸に形成された軌道面に配設し、当該転動体の外周に弾性体を設けたことにより、弾性的要素を有する例えば転動体からなる弾性的介在物と弾性的要素を有しない例えば転動体からなる非弾性的介在物とを並列に介装する必要がなく、その分だけ長さを短縮することが可能となる。

また、本発明のうち請求項２に係る伸縮軸によれば、前記転動体の内部に非弾性体を備えたことにより、弾性的要素と非弾性的要素とを一つの転動体に持たせることができ、前記請求項１の発明の効果をより一層確実なものとすることができる。また、操舵トルクが小さいときには弾性体が大きく変形することなく転動体が転動し、操舵トルクが大きいときには弾性体が所定状態まで変形し且つ非弾性体の剛性によって高剛性の状態でトルクを伝達することとなり、フニャフニャ感やガタ付き或いはゴリゴリ感といった問題を確実に回避することができる。

また、本発明のうち請求項３に係る伸縮軸によれば、前記転動体がコロ状であることにより、操舵トルクが大きいときにも高剛性の状態でトルクを伝達することが可能となる。
また、本発明のうち請求項４に係る伸縮軸によれば、前記転動体の回転軸をトルク伝達方向に対して直交方向に配設したことにより、操舵トルクが大きいときの剛性をより一層大きくすることができ、高トルク負荷状態でもスムーズに伸縮することができる。

次に、本発明の伸縮軸を電動パワーステアリング装置に適用した一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、コラム型電動パワーステアリング装置の概略構成図である。ステアリングホイール１に連結されたステアリングシャフト２は、運転者の操舵力が作用する入力軸と出力軸とを有し、出力軸に減速ギヤを介した操舵補助機構が介装され、その操舵補助機構の駆動源として電動モータ３が設けられている。ステアリングシャフト２の出力軸に伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント４を介してロアシャフト５に伝達され、更にユニバーサルジョイント６を介してピニオンシャフト７に伝達される。ピニオンシャフト７に伝達された操舵力は、ステアリングギヤを介してタイロッドに伝達され、図示しない転舵輪を転舵させる。ステアリングギヤは、ピニオンシャフト７に連結されたピニオンと、このピニオンに噛合するラックとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオンに伝達された回転運動をラックで直進運動に変換している。

本実施形態では、前記ロアシャフト５に本発明の伸縮軸が採用されている。本実施形態の伸縮軸の詳細を図２に示す。図２ａは、ロアシャフト５自体の横断面図、図２ｂは、転動体が保持された保持器の正面図、図２ｃは、図２ｂの保持器の縦断面図である。本実施形態では、断面がほぼ三角形の、中空の所謂三角柱からなる雌軸１１に、中実の三角柱からなる雄軸１０を、所定の隙間Ｈをあけて遊嵌している。全体的には、雄軸１０と雌軸１１とは、互いに回転を許容せず且つ軸方向に移動可能となっている。また、雄軸１０と雌軸１１との間の隙間には、後述するコロ状転動体を保持する保持器２１が介装されている。なお、雄軸１０は、中空でもよい。

互いに対向する、雄軸１０の３つの外周面３１と雌軸１１の３つの内周面３２とは、夫々軌道面になっている。例えば、図２ａの雄軸１０の下側の外周面３１と雌軸１１の下側の内周面３２とで構成される軌道面を第１の軌道面１２ａ、雄軸１０の左上側の外周面３１と雌軸１１の左上側の内周面３２とで構成される軌道面を第２の軌道面１２ｂ、雄軸１０の右上側の外周面３１と雌軸１１の右上側の内周面３２とで構成される軌道面を第３の軌道面１２ｃとすると、第２の軌道面１２ｂ及び第３の軌道面１２ｃに配設され且つ保持器２１に保持されているコロ状転動体２２は、図４に示すように、弾性要素を有しない、転がり軸受等に用いられるものと同じ非弾性体のコロ状転動体である。この非弾性体コロ状転動体２２の直径は、前記雄軸１０及び雌軸１１の隙間Ｈにほぼ等しい。一方、第１の軌道面１２ａに配設され且つ保持器２１に保持されているコロ状転動体１３は、図２ｂ、ｃに示すように、その表面に弾性要素を有する弾性要素付きコロ状転動体である。弾性要素付きコロ状転動体１３の直径Ｄは、前述した隙間、つまり軌道面の幅Ｈより、数μｍ程度大きい。

図３ａには、本実施形態の弾性要素付きコロ状転動体１３の構成を示す。この弾性要素付きコロ状転動体１３は、例えば前述したバネ鋼、ステンレス鋼、鋼等の弾性係数の小さい金属からなる薄板円筒体にスパイラル（螺旋状）のスリットを形成した弾性体１４に、弾性要素を有しない、転がり軸受等に用いられるものと同じ円柱状の非弾性体１５を挿入して構成されている。図３ｂ〜図３ｅには、弾性体１４の種々の形態を示す。図３ｂは、薄板円筒体に、軸線方向に沿ってまっすぐなスリットを形成したもの、図３ｃは、そのスリットを少しねじったもの、図３ｄは、薄板円筒体だけで構成したもの、図３ｅは、コイルバネで構成したものであり、何れも弾性係数が小さく、弾性要素を有する。

円柱状の非弾性体１５と、その外側に被嵌される弾性体１４との間には、自由長状態で、数μｍ程度の僅かな隙間が形成されている。隙間の大きさは、例えば図３ａの弾性体１４に形成されているスリットがつぶれたときに、当該弾性体１４に発生する径方向の変形量程度であり、前述した弾性要素付きコロ状転動体１３の直径Ｄと雄軸１０及び雌軸１１間の隙間Ｈとの差にほぼ等しい。従って、この弾性要素付きコロ状転動体１３を保持した保持器２２を挟んで、雌軸１１内に雄軸１０を嵌入した状態では、弾性体１４と非弾性体１５との隙間がつぶれて、雌軸１１、弾性体１４、非弾性体１５、雄軸１０が互いに接触している状態となっている。なお、弾性体１４のつぶれ量は、当該弾性体１４の弾性範囲内とする。

従って、本実施形態の伸縮軸では、ガタ付きや中空の弾性体がつぶれるときのようなフニャフニャ感もない。また、非弾性体１５が弾性体１４でくるまれているので、第１の軌道面１２ａに圧痕がつくことも、それを転動体が乗り越えるときにゴリゴリ感がすることもない。また、コロ状転動体型の弾性的介在物とコロ状転動体型の非弾性的介在物とを軌道面に交互に並列に配設する必要がないので、転動体が配設される方向の長さ、つまり軸方向の寸法を短縮することができる。また、転動体をコロ状とすることにより、操舵トルクが大きいときにも高剛性の状態でトルクを伝達することが可能となる。

図５は、本発明の伸縮軸の第２実施形態を示す横断面図である。本実施形態の概略構成は、前記図１に示す第１実施形態とほぼ同様である。同図から明らかなように、本実施形態では、雌軸１１が断面四角形の、中空の所謂四角柱からなり、雄軸１０も断面四角形の中実の四角柱からなる。この実施形態では、互いに対向する、雄軸１０の外周面３１と雌軸１１の内周面３２との間に４つの軌道面１２ａ〜１２ｄが形成されている。

例えば、図５の雄軸１０の下側の外周面３１と雌軸１１の下側の内周面３２とで構成される軌道面を第１の軌道面１２ａ、雄軸１０の左側の外周面３１と雌軸１１の左側の内周面３２とで構成される軌道面を第２の軌道面１２ｂ、雄軸１０の上側の外周面３１と雌軸１１の上側の内周面３２とで構成される軌道面を第３の軌道面１２ｃ、雄軸１０の右側の外周面３１と雌軸１１の右側の内周面３２とで構成される軌道面を第４の軌道面１２ｄとすると、第３の軌道面１２ｃ及び第４の軌道面１２ｄに配設され且つ保持器２１に保持されているコロ状転動体２２を、前述した弾性要素を有しない、転がり軸受等に用いられるものと同じ非弾性体のコロ状転動体とし、第１の軌道面１２ａ及び第２の軌道面１２ｂに配設され且つ保持器２１に保持されているコロ状転動体１３を弾性要素付きコロ状転動体とした。弾性要素付きコロ状転動体１３の詳細は、前記第１実施形態と同様であり、本実施形態によって得られる効果も、前記第１実施形態のものと同様である。

図６は、本発明の伸縮軸の第３実施形態を示す横断面図である。本実施形態の概略構成は、前記図１に示す第１実施形態とほぼ同様である。同図から明らかなように、本実施形態では、前記第１実施形態と同様に、雌軸１１が断面三角形の、中空の所謂三角柱からなり、雄軸１０も断面三角形の中実の三角柱からなる。この実施形態では、互いに対向する、雄軸１０の外周面３１と雌軸１１の内周面３２との間に３つの軌道面１２ａ〜１２ｃが形成されており、これら３つの軌道面１２ａ〜１２ｃの全てに前記弾性要素付きコロ状転動体１３を配設した。弾性要素付きコロ状転動体１３の詳細は、前記第１実施形態と同様であり、本実施形態によって得られる効果も、前記第１実施形態のものと同様である。

図７は、本発明の伸縮軸の第４実施形態を示す横断面図である。本実施形態の概略構成は、前記図１に示す第１実施形態とほぼ同様である。同図から明らかなように、本実施形態では、前記第２実施形態と同様に、雌軸１１が断面四角形の、中空の所謂四角柱からなり、雄軸１０も断面四角形の中実の四角柱からなる。この実施形態では、互いに対向する、雄軸１０の外周面３１と雌軸１１の内周面３２との間に４つの軌道面１２ａ〜１２ｄが形成されており、これら４つの軌道面１２ａ〜１２ｄの全てに前記弾性要素付きコロ状転動体１３を配設した。弾性要素付きコロ状転動体１３の詳細は、前記第１実施形態と同様であり、本実施形態によって得られる効果も、前記第１実施形態のものと同様である。

図８ａは、本発明の伸縮軸の第５実施形態を示す横断面図である。本実施形態の概略構成は、前記図１に示す第１実施形態とほぼ同様である。本実施形態では、雄軸１０の径方向外側に３つの係合部２３を突設すると共に、雌軸１１の径方向内側にも３つの係合部２４を突設し、それら係合部２３、２４が、歯車のように、互いに係合し合う構成とした。これら係合部２３と係合部２４との間には隙間が形成されている。この隙間は、図８の横断面、つまり軸線方向から見たとき、隙間の長手が径方向に一致している（軸線方向にも連通している）。即ち、軸線方向から見た隙間の長手は、操舵トルクと直交する方向に一致している。そして、本実施形態では、これらの隙間に対向する雄軸１０側の係合部２３の対向面３３と雌軸１１側の係合部２４の対向面３４とを軌道面１２ｅとし、この軌道面１２ｅ間に図示しない保持器を配設し、その保持部に、前記弾性体１４及び非弾性体１５からなる弾性要素付きコロ状転動体１３を保持する。即ち、本実施形態では、弾性要素付きコロ状転動体１３の軸線方向が、操舵トルクと直交する方向に一致している。この弾性要素付きコロ状転動体１３は、図８ｂ、ｃに示すように、円柱状の非弾性体１５の周囲に円筒状の弾性体１４を配設し、非弾性体１５の軸線方向両端部に突設された突起２５を図示しない保持器の保持部の凹部に嵌入することで転動自在に保持されている。なお、本実施形態では、非弾性体１５と弾性体１４の軸方向の長さがほぼ一致しているが、何れか一方を長くしたり短くしたりしてもよい。

従って、本実施形態の伸縮軸によれば、前記第１〜第４実施形態の効果に加えて、転動体の回転軸をトルク伝達方向に対して直交方向に配設したことにより、操舵トルクが大きいときの剛性をより一層大きくすることができ、高トルク負荷状態でもスムーズに伸縮することができる。
図９ａは、本発明の伸縮軸の第６実施形態を示す横断面図であり、図９ｂは、同図ａに用いられる弾性要素付きコロ状転動体１３の詳細図である。本実施形態の概略構成は、前記図１に示す第１実施形態とほぼ同様であり、伸縮軸の横断面形状も、前記図６に示す第３実施形態に類似している。本実施形態では、弾性体１４の弾性変形量をより大きくするために、長手方向中央部を太くして所謂クラウニングを施し、全体形状を樽状とした。弾性係数を小さくするためのスリットはスパイラル状であり、非弾性体１５は円柱状である。従って、弾性体１４と非弾性体１５との隙間は弾性要素付きコロ状転動体１３の長手方向中央部で大きい。また、この弾性要素付きコロ状転動体１３の形状に合わせて、各軌道面１２ａ〜１２ｃを構成する雄軸１０の外周面３１及び雌軸１１の内周面３２も中央部を窪ませてある。この伸縮軸によれば、弾性要素付きコロ状転動体１３の長手方向中央部の弾性変形量が大きいので、ガタ付きを積極的に防止することができる。

なお、本発明の伸縮軸に用いる転動体は、全て弾性要素と非弾性要素との組合せである必要はなく、例えば非弾性要素だけの転動体や弾性要素だけの転動体を混在して用いてもよい。
また、弾性要素付きコロ状転動体は、非弾性コロの外周に弾性円筒部材を被嵌するものの他、転動体のコロの周囲に弾性体として、ゴムや樹脂をコーティングしたものを用いてもよい。

また、雄軸と雌軸との間に複数の軌道面が存在する場合、弾性要素付きコロ状転動体は、そのうちの少なくとも一つの軌道面に配列されていればよい。
また、転動体はコロ状に限らず、球状（ボール）であってもよく、非弾性のボールの周囲にゴムや樹脂などをコーティングして弾性要素付きの転動体としてもよい。
また、本発明の伸縮軸の適用はステアリング装置のロアシャフトに限らず、例えば図１のユニバーサルジョイント４とステアリングホイール１との間のステアリングシャフト２に適用することも可能である。

本発明の伸縮軸を電動パワーステアリング装置に適用した第１実施形態を示す概略構成図である。 図１の伸縮軸の詳細図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は保持器の正面図、（ｃ）は保持器の縦断面図である。 弾性体及び非弾性体で構成される弾性要素付きコロ状転動体の説明図である。 図２の保持器の側面図である。 本発明の伸縮軸の第２実施形態を示す横断面図である。 本発明の伸縮軸の第３実施形態を示す横断面図である。 本発明の伸縮軸の第４実施形態を示す横断面図である。 本発明の伸縮軸の第５実施形態を示すものであり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は弾性要素付きコロ状転動体の縦断面図、（ｃ）は弾性要素付きコロ状転動体の横断面図である。 本発明の伸縮軸の第６実施形態を示す図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は弾性要素付きコロ状転動体の説明図である。

符号の説明

１はステアリングホイール
２はステアリングシャフト
３は電動モータ
４，６はユニバーサルジョイント
５はロアシャフト
７はピニオンシャフト
１０は雄軸
１１は雌軸
１２ａ〜１２ｅは軌道面
１３は弾性要素付きコロ状転動体
１４は弾性体
１５は非弾性体

Claims (4)

1. 雄軸と雌軸とを回転不能に且つ軸方向に相対移動可能に嵌合し、雄軸と雌軸との軸方向への相対移動時に両者の間で転動する転動体を、雄軸及び雌軸に形成された軌道面に配設し、当該転動体の外周に弾性体を設けたことを特徴とする伸縮軸。
2. 前記転動体の内部には非弾性体を備えたことを特徴とする請求項１に記載の伸縮軸。
3. 前記転動体がコロ状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の伸縮軸。
4. 前記転動体の回転軸をトルク伝達方向に対して直交方向に配設したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の伸縮軸。

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