JP2006321449A

JP2006321449A - 車両用ステアリング伸縮軸

Info

Publication number: JP2006321449A
Application number: JP2005148483A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Miyajima; 裕俊宮島
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2006-11-30

Abstract

【課題】操蛇感に悪影響を及ぼすことなくトルクの伝達を良好に行うことかでき、かつ長寿命で信頼性の高い車両用ステアリング伸縮軸を提供する。
【解決手段】雄軸と雌軸と転動体との間隙に、特定の極圧添加剤を０．４〜４．３質量％の割合で含有するグリースを封入した車両用ステアリング伸縮軸。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両のステアリングシャフトに組み込まれる車両用ステアリング伸縮軸（以下、単に「伸縮軸」ともいう。）に関する。

従来、自動車の操縦機構部では、自動車が走行する際に発生する軸方向の変位を吸収し、ステアリングホイール上にその変位や振動を伝えないために雄軸と雌軸とをスプライン嵌合した伸縮軸を操舵機構部の一部に使用している。伸縮軸にはスプライン部の軸方向摺動時における摺動抵抗を低減することが要求される。

このようなことから、内側シャフトの外周部と外側シャフトの内周部とに設けられた溝部に、内側シャフトの溝部とボールとの間に弾性体を介してボールを配置し、軸方向の移動の際にはボールを転動させることによって雄軸と雌軸の摺動荷重を減少させるとともに、回転の際にはボールを拘束してトルクを伝達する車両ステアリング用伸縮軸が知られている（特許文献1参照）。この車両ステアリング用伸縮軸ではさらに、ボールの破損時でもトルクの伝達を可能とするために、ある遊びを持った組合せ断面を有する雄溝及び雌溝が、内側シャフト及び外側シャフトに設けられている。

特開２００１−５０２９３号公報

しかしながら、このようなスプライン嵌合した伸縮軸でも軸方向へ伸縮する際に摺動部分でスティックスリップ現象を起こし、ステアリングホイールに振動として伝達され、操舵感に悪影響を及ぼすことがある。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、操蛇感に悪影響を及ぼすことなくトルクの伝達を良好に行うことかでき、かつ長寿命で信頼性の高い車両用ステアリング伸縮軸を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は下記の車両用ステアリング伸縮軸を提供する。
（１）車両のステアリングシャフトに組み込み、少なくとも雄軸と雌軸と複数の転動体とから構成され、前記雄軸の外周部に軸方向に設けられた転動溝と前記雌軸の内周部に軸方向に設けられた転動溝との間に前記転動体が介され、かつ、軸方向には前記転動体が回転することによって前記雄軸と前記雌軸の相対的配置を自由に可変できるとともに、回転方向にあっては前記転動体が前記雄軸の転動溝と前記雌軸の転動溝との間に勘合することによって相対的に回転不能となるように構成され、前記雌軸または前記雄軸に与えた回転力を他方に伝達する車両用ステアリング伸縮軸であって、
前記雄軸と前記雌軸と前記転動体との間隙に、一般式（Ｉ）及び一般式（II）で表される極圧添加剤の少なくとも１種を０．４〜４．３質量％の割合で含有するグリースを封入したことを特徴とする車両用ステアリング伸縮軸。

（２）一般式（Ｉ）及び一般式（II）において、Ｒ１〜Ｒ３の少なくとも１つが、アルキル基で置換されたフェニル基であることを特徴とする上記（１）記載の車両用ステアリング伸縮軸。

本発明の車両用ステアリング伸縮軸は、封入グリースが特定の極圧添加剤を含むことから、摺動部の摩耗が少なく、耐久性に優れたものとなり、更に操舵感の悪化を招くことなくトルク伝達を円滑に行うことができる。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る車両用ステアリング伸縮軸を適用した自動車の操舵機構部の側面図である。図１において、車体側のメンバ１００にアッパブラケット１０１とロアブラケット１０２とを介して取り付けられたアッパステアリングシャフト部１２０（ステアリングコラム１０３と、ステアリングコラム１０３に回転自在に保持されたステアリングシャフト１０４を含む）と、ステアリングシャフト１０４の上端に装着されたステアリングホイール１０５と、ステアリングシャフト１０４の下端にユニバーサルジョイント１０６を介して連結されたロアステアリングシャフト部１０７と、ロアステアリングシャフト部１０７に操舵軸継手１０８を介して連結されたピニオンシャフト１０９と、ピニオンシャフト１０９に連結したステアリングラック軸１１２と、このステアリングラック軸１１２を支持して車体の別のフレーム１１０に弾性体１１１を介して固定されたステアリングラック支持部材１１３とから操舵機構部が構成されている。

また、ロアステアリングシャフト部１０７及びアッパステアリングシャフト部１２０は伸縮軸を備えている。伸縮軸としては、例えば図２及び図３に示す構成にすることができる。雄軸６１の外周面には、周方向に１２０度間隔（位相）で等配した３個の軸方向溝６３が延在して形成してある。これに対応して、雌軸６２の内周面にも、周方向に１２０度間隔（位相）で等配した３個の軸方向溝６５が延在して形成してある。雄軸６１の軸方向溝６３と、雌軸６２の軸方向溝６５との間に、両軸６１、６２の軸方向相対移動の際に転動する複数の剛体の球状体６７（転動体、ボール）が転動自在に介装してある。尚、雌軸６２の軸方向溝６５は、断面略円弧状若しくはゴシックアーチ状である。また、雄軸６１の軸方向溝６３は、傾斜した一対の平面状側面６３ａと、これら一対の平面状側面６３ａの間に平坦に形成した底面６３ｂとから構成されている。

雄軸６１の軸方向溝６３と、球状体６７との間には、球状体６７に接触して予圧するための板バネ６９が介装してある。この板バネ６９は、図２（Ｂ）に示すように、球状体６７に２点で接触する球状体側接触部６９ａと、球状体側接触部６９ａに対して略周方向に所定間隔をおいて離間してあるとともに雄軸６１の軸方向溝６３の平面状側面６３ａに接触する溝面側接触部６９ｂと、球状体側接触部６９ａと溝面側接触部６９ｂを相互に離間する方向に弾性的に付勢する付勢部６９ｃと、軸方向溝６３の底面６３ｂに対向した底部６９ｄと、を有している。この付勢部６９ｃは、略Ｕ字形状で略円弧状に折曲した折曲形状であり、この折曲形状の付勢部６９ｃによって、球状体側接触部６９ａと溝面側接触部６９ｂを相互に離間するように弾性的に付勢することができる。

図３に示すように、雄軸６１の外周面には、周方向に１２０度間隔（位相）で等配した３個の軸方向溝６４が延在して形成してある。これに対応して、雌軸６２の内周面にも、周方向に１２０度間隔（位相）で等配した３個の軸方向溝６６が延在して形成してある。雄軸６１の軸方向溝６４と、雌軸６２の軸方向溝６６との間に、両軸６１、６２の軸方向相対移動の際に滑り摺動する複数の剛体の円柱体６８（摺動体、ニードルローラ）が微小隙間をもって介装してある。尚、これら軸方向溝６４、６６は、断面略円弧状若しくはゴシックアーチ状である。

この伸縮軸では、雄軸６１と雌軸６２の間に球状体６７を介装し、板バネ６９により、球状体６７を雌軸６２に対してガタ付きのない程度に予圧してあり、トルク非伝達時は、雄軸６１と雌軸６２との間のガタ付きを確実に防止することができるとともに、雄軸６１と雌軸６２は軸方向に相対移動する際には、ガタ付きのない安定した摺動荷重で摺動することができる。トルク伝達時には、板バネ６９が弾性変形して球状体６７を周方向に拘束するとともに、雄軸６１と雌軸６２との間に介装した３列の円柱体６８が主なトルク伝達の役割を果たす。例えば、雄軸４１からトルクが入力された場合、初期の段階では、板バネ６９の予圧がかかっているため、ガタ付きはなく、板バネ６９がトルクに対する反力を発生させてトルクを伝達する。この時は、雄軸６１・板バネ６９・球状体６７・雌軸６２間の伝達トルクと入力トルクがつりあった状態で全体的なトルク伝達がなされる。更にトルクが増大していくと、円柱体６８を介した雄軸６１、雌軸６２の回転方向の隙間がなくなり、以後のトルク増加分を、雄軸６１、雌軸６２を介して、円柱体６８が伝達する。そのため、雄軸６と雌軸６２の回転方向ガタを確実に防止するとともに、高剛性の状態でトルクを伝達することができる。

上記の如く構成される伸縮軸の雄軸６１の外周部と雌軸６２の内周部との間隙には、下記に示すグリースが封入される。

グリースの基油は、その種類を制限されるものではないが、鉱油系潤滑油及び合成潤滑油を好適に使用することができる。鉱油系潤滑油は制限されるものではないが、例えば、パラフィン系鉱物油、ナフテン系鉱物油及びそれらの混合油を使用することができ、特に減圧蒸留、油剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、硫酸洗浄、白土精製、水素化精製等を適宜組み合わせて精製したものが好ましい。また、合成潤滑油も制限されるものでないが、例えば、合成炭化水素油、エーテル油、エステル油を使用することができる。具体的には、合成炭化水素油としてはポリα−オレフィン油等を、エーテル油としてはジアルキルジフェニルエーテル油、アルキルトリフェニルエーテル油、アルキルテトラフェニルエーテル油等を、エステル油としてはジエステル油、ネオペンチル型ポリオールエステル油、またはこれらのコンプレックスエステル油、芳香族エステル油等をそれぞれ挙げることができる。これらの潤滑油は、単独でも、複数種を適宜組み合わせて使用してもよい。

また、基油は、４０℃における動粘度が２１０ｍｍ^２／ｓ以下であると、スティックスリップ現象の抑制効果が高く、好ましい。４０℃における動粘度が１１０ｍｍ^２／ｓ以下であることがより好ましい。動粘度が２１０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）を越える基油では、
摺動接触部に入り込み難く、雄軸の外周部と雌軸の内周部とが互いに接触する摺動面でのスティックスリップ現象を抑制し難くなる。また、基油動粘度の下限は２０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）が好ましく、これを下回る基油は油膜形成能力に劣り、摩耗を抑制できなくなるため、伸縮軸の耐久寿命が短くなるおそれがある。

増ちょう剤も制限されるものではないが、リチウム石けん、カルシウム石けん、ナトリウム石けん、アルミニウム石けん、リチウムコンプレックス石けん、カルシウムコンプレックス石けん、アトリウムコンプレックス石けん、バリウムコンプレックス石けん、アルミニウムコンプレックス石けん等の金属石けん、ベントナイト、クレイ等の無機化合物、モノウレア、ジウレア、トリウレア、テトラウレア、ウレタン、ナトリウムテレフタラメート等の有機化合物等を使用できる。これらは単独でも、適宜組み合わせて使用することもできる。また、増ちょう剤の含有量は、グリース全量の５〜３０質量％が好ましい。５質量％より少ないとグリース状態を維持することが困難となり、３０質量％より多くなると硬くなりすぎて十分な潤滑状態が得られない。

ウレア化合物の中ではジウレア化合物が耐熱性を有し、油保持性に優れ、安価であるため、好適である。中でも、下記一般式（III）で表されるジウレア化合物が好ましい。

式中、Ｒ５は炭素数６〜１５の芳香族系炭化水素基を表し、Ｒ４、Ｒ６は炭化水素基または縮合炭化水素基を表し、同一でも異なっていてもよい。また、Ｒ４、Ｒ６において炭化水素基は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基の何れでもよく、脂肪族炭化水素基の炭素数は好ましくは８〜１８である。炭素数が８未満ではグリースの経時硬化が著しくなり、１８より多いと耐熱性に劣り、何れも好ましくない。

この一般式（III）で表されるジウレア化合物は、基油中で、Ｒ５を骨格中に含むジイソシアネート１モルに対して、Ｒ４またはＲ６を骨格中に含むモノアミンを合計で２モルの割合で反応させることにより得られる。

Ｒ５を骨格中に含むジイソシアネートとしては、ジフェニルメタンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、ビフェニレンジイソシアネート、ジメチルジフェニレンジイソシアネート、あるいはこれらのアルキル置換体等を好適に使用できる。

Ｒ４またはＲ６として炭化水素基を骨格中に含むモノアミンとしてはアニリン、シクロヘキシルアミン、オクチルアミン、トルイジン、ドデシルアニリン、オクタデシルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、ノニルアミン、エチルヘキシルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、ナノデシルアミン、エイコデシルアミン、オレイルアミン、リノレイルアミン、リノレニルアミン、メチルシクロヘキシルアミン、エチルシクロヘキシルアミン、ジメチルシクロヘキシルアミン、ジエチルシクロヘキシルアミン、ブチルシクロヘキシルアミン、プロピルシクロヘキシルアミン、アミルシクロヘキシルアミン、シクロオクチルアミン、ベンジルアミン、ベンズヒドリルアミン、フェネチルアミン、メチルベンジルアミン、ビフェニルアミン、フェニルイソプロピルアミン、フェニルヘキシルアミン等を好適に使用できる。

また、Ｒ４またはＲ６として縮合環炭化水素基を骨格中に含むモノアミンとして、例えばアミノインデン、アミノインダン、アミノ−１−メチレンインデン等のインデン系アミン化合物、アミノナフタレン（ナフチルアミン）、アミノメチルナフタレン、アミノエチルナフタレン、アミノジメチルナフタレン、アミノカダレン、アミノビニルナフタレン、アミノフェニルナフタレン、アミノベンジルナフタレン、アミノジナフチルアミン、アミノビナフチル、アミノ−１，２−ジヒドロナフタレン、アミノ−１，４−ジヒドロナフタレン、アミノテトラヒドロナフタレン、アミノオクタリン等のナフタレン系アミノ化合物、アミノペンタレン、アミノアズレン、アミノヘプタレン等の縮合二環系アミン化合物、アミノフルオレン、アミノ−９−フェニルフルオレン等のアミノフルオレン系アミン化合物、アミノアントラレン、アミノメチルアントラセン、アミノジメチルアントラセン、アミノフェニルアントラセン、アミノ−９，１０−ジヒドロアントラセン等のアントラセン系アミン化合物、アミノフェナントレン、アミノ−１，７−ジメチルフェナントレン、アミノレテン等のフェナントレンアミン化合物、アミノビフェニレン、アミノ−ｓ−インダセン、アミノ−ａｓ−インダセン、アミノアセナフチレン、アミノアセナナフテン、アミノフェナレン等の縮合三環系アミン化合物、アミノナフタセン、アミノクリセン、アミノピレン、アミノトリフェニレン、アミノベンゾアントラセン、アミノアセアントリレン、アミノアセアントレン、アミノアセフェナントリレン、アミノアセフェナントレン、アミノフルオランテン、アミノプレイアデン等の縮合四環系アミン化合物、アミノペンタセン、アミノペンタフェン、アミノピセン、アミノペリレン、アミノジベンゾアントラセン、アミノベンゾピレン、アミノコラントレン等の縮合五環系アミン化合物、アミノコロネン、アミノピラントレン、アミノドオラントレン、アミノイソビオラントレン、アミノオバレン等の縮合多環系（六環以上）アミン化合物等が好適に用いられる。

グリースには、必須添加剤として下記の一般式（Ｉ）及び一般式（II）で表される極圧添加剤の少なくとも１種が添加される。このような特定の極圧添加剤は、摺動面で反応してフリクションポリマーやリン化鉄、硫化鉄等の低摩擦の反応被膜を形成し、それにより静摩擦係数と動摩擦係数とを低減する。このような摩擦係数の低減効果は、油膜形成による流体潤滑的な作用が少ない静摩擦において特に顕著となり、結果として静摩摩擦係数と動摩擦係数との差が小さなり、スティックスリップ現象が抑制される。また、摩耗低減作用も備えるため、伸縮軸の耐久寿命の延長にも寄与する。

式中、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３は、アルキル基またはアリール基であり、同一でもそれぞれ異なっていてもよい。また、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３の少なくとも１つは、アルキル基で置換されたフェニル基であることが好ましい。そのような構造のものは、加水分解しにくいため、湿度の高い使用条件でも腐食性が低い。尚、炭素数は、３〜２０が好ましい。

上記特定の極圧添加剤の添加量は、グリース全量の０．４〜４．３質量％であり、０．５〜４．０質量％がより好ましい。添加量が０．４質量％未満では上記の効果が十分に発現せず、４．３質量％を越えて添加しても増分に見合う効果の向上は見られないばかりか、腐食性が顕在化しやすくなり、大きな摩耗痕が発生しやすくなる。

上記グリースには、必要に応じて、酸化防止剤や錆止め剤、防食剤等の通常グリースに添加される添加剤を添加することができる。その添加量は、合計でグリース全量の１０質量％以下が好ましい。

また、グリースは、グリース漏洩を防ぎ、摩擦面へのグリース補給を確保するために、混和ちょう度で２２０〜３１０とすることが好ましい。混和ちょう度が２２０未満では、摩擦面へのグリース供給が不足して静摩擦係数と動摩擦係数との差が大きくなり、大きな摩耗痕が発生しやすくなる。混和ちょう度が３１０を越えると、グリース漏洩量が多くなり、耐久寿命の点で好ましくない。

以下に試験例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（試験−１）
動粘度が８０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）の鉱油を基油とし、ジフェニルメタンジイソシアネートとシクロヘキシルアミンとから合成されるジウレアを増ちょう剤とするベースグリースに、極圧添加剤としてチバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製「ＩＲＧＡＬＵＢＥＴＰＰＴ」（一般式（Ｉ）で表される化合物）を、添加量を変えて添加して評価グリースを調製した。尚、何れの評価用グリースも、混和ちょう度を２８０とした。また、比較のために、エステル油−ジウレア系グリースに、極圧添加剤であるジアルキルジチオリン酸亜鉛を添加した従来グリースを用意した。

そして、各グリースについて、図４に示す摩擦試験機を用いて摩擦係数を測定した。図示される摩擦試験機は、ＳＵＪ２製の試験平板上に試験グリースを塗布し、その上にＳＵＪ２製で直径１０ｍｍの試験球を所定圧力で押し付けてカムにより振動させ、その際に摩擦により発生する水平応力をロードセルで検出し、その出力電圧から摩擦係数を算出する構成となっている。測定は、接触最大面圧２ＧＰａ、振動距離１０ｍｍ、揺動周波数０．２Ｈｚ、試験温度６０℃、試験時間３０分間の条件で行い、３０分経過後の静摩擦係数と動摩擦係数との差を求めた。また、３０分経過後、試験平板上でできた摩耗痕のすべり方向に対して垂直な方向の長さ（摩耗痕径）を測定した。

結果を図５にグラフ化して示すが、一般式（Ｉ）で表される極圧添加剤をグリース全量の０．４〜４．３質量％添加することにより、静摩擦係数と動摩擦係数との差が小さく、即ちスティックスリップが起こりにくく、摩耗痕径も小さくなり、耐久性が向上することがわかる。特に、添加量が０．５〜４．０質量％の範囲で良好な結果が得られている。

（試験−２）
表１に示す配合にて、評価用グリースを調製した。尚、増ちょう剤のジウレア１はジフェニルメタンジイソシアネートとシクロヘキシルアミン、ジウレア２はジフェニルメタンジイソシアネートとｐ−トルイジン、ジウレア３はジフェニルメタンジイソシアネートとオクチルアミン、ジウレア４はトリレンジイソシアネートとシクロヘキシルアミンとからそれぞれ合成したものである。また、極圧添加剤は、「ＩＲＧＡＬＵＢＥ２１１（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製）」は一般式（Ｉ）で表される化合物であり、「ＩＲＧＡＬＵＢＥ６３（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製）」は一般式（II）で表される化合物である。また、グリースＮｏ．１５は、試験−１で用いた従来グリースである。

そして、各評価用グリースについて、試験−１と同様に摩擦係数及び摩耗痕径を測定した。結果を表１に併記するが、一般式（Ｉ）または（II）で表される極圧添加剤を添加することで、他の極圧添加剤を添加したグリースよりも静摩擦係数と動摩擦駅数との差が小さく、摩耗痕径も小さくなり、更にはグリースＮｏ．１、６、７、１４から、混和ちょう度が２２０〜３１０の範囲がより好ましいことがわかる。

（試験−３）
試験−２のグリースＮｏ．１の配合に従い、基油の動粘度のみを変えて評価用グリースを調製した。結果を図６にグラフ化して示すが、基油動粘度が２１０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）以下であれば静摩擦係数と動摩擦係数との差が小さく、１１０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）がより好ましいことがわかる。

本発明の伸縮軸を適用した自動車の操舵機構部の側面図である。伸縮軸の一例を示す縦断面図である。図２のＸＸ断面図である。実施例で用いた摩擦試験機の構成を示す模式図である。試験−１の結果を示すグラフである。試験−３の結果を示すグラフである。

符号の説明

６１雄軸
６２雌軸
６３，６５軸方向溝
６７球状体
６９板バネ
１０４ステアリングシャフト
１０７ロアステアリングシャフト部（伸縮軸）
１２０アッパステアリングシャフト部

Claims

車両のステアリングシャフトに組み込み、少なくとも雄軸と雌軸と複数の転動体とから構成され、前記雄軸の外周部に軸方向に設けられた転動溝と前記雌軸の内周部に軸方向に設けられた転動溝との間に前記転動体が介され、かつ、軸方向には前記転動体が回転することによって前記雄軸と前記雌軸の相対的配置を自由に可変できるとともに、回転方向にあっては前記転動体が前記雄軸の転動溝と前記雌軸の転動溝との間に勘合することによって相対的に回転不能となるように構成され、前記雌軸または前記雄軸に与えた回転力を他方に伝達する車両用ステアリング伸縮軸であって、
前記雄軸と前記雌軸と前記転動体との間隙に、一般式（Ｉ）及び一般式（II）で表される極圧添加剤の少なくとも１種を０．４〜４．３質量％の割合で含有するグリースを封入したことを特徴とする車両用ステアリング伸縮軸。
一般式（Ｉ）及び一般式（II）において、Ｒ１〜Ｒ３の少なくとも１つが、アルキル基で置換されたフェニル基であることを特徴とする請求項１記載の車両用ステアリング伸縮軸。