JP2007046769A - 伸縮自在シャフトおよび車両操舵用伸縮自在シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】寸法ばらつきを効果的に吸収することができ、且つボールが脱落したときにもトルク伝達が可能である伸縮自在シャフトを提供すること。
【解決手段】伸縮自在シャフトとしての中間軸５は、軸方向に摺動自在に且つ互いにトルク伝達可能に嵌め合わされた内軸１２および筒状の外軸１３を備える。内軸１２および外軸１３の対応する軌道溝１５，１６間に、ボール１４が予圧を付与された状態で列をなして介在する。ボール１４が軌道溝１５，１６から脱落したときに、内軸１２と外軸１３の相対回転量を所定量以下に規制する一対の規制機構２０Ａ，２０Ｂを備える。各規制機構２０Ａ，２０Ｂは、互いに周方向Ｃ１に係合可能な一対の係合部２１，２２；２３，２４を含む。これらの係合部は、軌道溝１５，１６にそれぞれ隣接する凸条２５，２６および凹条２７，２８にそれぞれ設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は伸縮自在シャフトおよびこれを用いた車両操舵用伸縮自在シャフトに関するものである。

上記の伸縮自在シャフトは、例えば自動車のステアリングシャフトとして用いられる。 また、伸縮自在シャフトは、自動車のステアリングシャフトとラックアンドピニオン機構等の舵取り機構とを接続する中間軸（インターミディエイトシャフト）として用いられる。この場合、伸縮自在シャフトの伸縮機能は、車両走行時のステアリングギヤとコラムの相対変位を吸収するための中間軸の長さ調整に用いられ、あるいは、中間軸を車両に組み付けるときの中間軸の長さ調整に用いられる。

この種の伸縮自在シャフトにおいて、内軸および筒状の外軸の対応する軸方向溝間に複数の転動自在なボールを介在させて、両軸を嵌合させる伸縮自在シャフトが知られている。
万一、ボールが軸方向溝から脱落した場合でも、内軸と外軸とが周方向に係合してトルクを伝達できるように、両軸間に周方向のストッパを設けることが考えられる。

例えば、内軸および外軸を多角形形状とした伸縮自在シャフトが提案されている（例えば特許文献１）。
特許第２６３２８９２号公報

しかしながら、多角形とした場合、トルク入力により多角形の角部に集中して発生する応力を抑制するために、筒状の外軸の肉厚を増やす傾向にある。このため、外軸が撓み難くなり、伸縮自在シャフトの撓み剛性が過度に高くなるおそれがある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、トルクが入力されたときに発生する応力を低く抑え、適度なねじり剛性および軽快に伸縮できるスライド荷重を得ることができ、且つボールが脱落したときにもトルク伝達が可能である伸縮自在シャフトおよび車両操舵用伸縮自在シャフトを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、軸方向に相対移動自在に且つ互いにトルク伝達可能に嵌め合わされた内軸および筒状の外軸と、上記内軸の外周面および外軸の内周面にそれぞれ形成され互いに対向する軌道溝と、これら互いに対向する軌道溝間に介在し、軸方向に並ぶ列をなすボールと、内軸および外軸の何れか一方の軌道溝と周方向に隣接して形成された凸条と、内軸および外軸の他方の軌道溝と周方向に隣接して形成された凹条と、ボールが軌道溝から脱落したときに、内軸と外軸の相対回転量を所定量以下に規制するための規制機構とを備え、この規制機構は、互いに周方向に係合可能な一対の係合部を含み、これら一対の係合部は上記凸条および凹条にそれぞれ設けられていることを特徴とする（請求項１）。

本発明によれば、ボールが軌道溝から脱落したときに、一対の係合部が互いに周方向に係合することにより、内軸と外軸との相対回転量が所定量以下に規制される。また、内軸と外軸との相対回転量を所定量以下に規制するための一対の係合部を、各軸の軌道溝に隣接した凸条および凹条にそれぞれ配置しているので、内軸および外軸の周方向に関して軌道溝および係合部を除く比較的広い領域において、内軸と外軸とを係合させる必要がなくなる。すなわち、内軸および外軸において、互いに係合する必要のない部分の周長を長く確保できる。その結果、外軸の応力を低くすることができ、外軸の撓み剛性を低くすることができる。ひいては、外軸が撓み易くなるので、ボールを予圧状態で組み付ける場合に、スライド荷重が軌道溝の寸法のばらつきの影響を受け難くなる。

また、内軸および外軸の断面形状を従来のような多角形にする必要がなく、円形または実質的に円形でよいので、本発明の伸縮自在シャフトを、例えば車両の操舵部材の操舵トルクを伝達する中間軸に用いた場合に、下記の利点がある。すなわち、中間軸は、車室の内外を仕切る仕切り板の挿通孔を挿通し、その挿通孔と中間軸との間は環状のフロアーシールで塞がれているが、そのフロアーシールと本伸縮自在シャフトとの嵌合部の形状を略円形とすることができて好ましい。

また、本発明において、上記凸条は側部を含み、上記凹条は、凸条の上記側部に所定の周方向隙間を隔てて対向する内壁を含み、上記凸条の側部および凹条の内壁に上記一対の係合部がそれぞれ設けられている場合がある（請求項２）。この場合、係合部のレイアウトが容易である。
また、無負荷のときに、上記凸条の側部と凹条の内壁との間の周方向隙間は、軌道溝とボールとの間の周方向隙間よりも大きく、且つボールの直径よりも小さければよい（請求項３）。

また、上記の外軸の外周面は円筒面に形成されていれば、フロアーシールとの嵌合部が略円形となり、好ましい（請求項４）。
また、外軸の外周面が円筒面に形成されている場合において、上記凸条が外軸に設けられ、凸条の側部と凹条の内壁が相対向する方向は、当該凸条が隣接する軌道溝の曲率中心を通過する外軸の径方向に対して、１０度〜３０度の範囲の角度をなしていれば、好ましい（請求項５）。すなわち、外軸の肉厚の変化が緩やかになるので、外軸を、複数回の引き抜き工程により形成する場合に、各引き抜き工程における加工度（断面形状の変化量）を低くすることができる。その結果、外軸の形状の精度を向上し、引き抜き回数を削減することができるという利点がある。

また、外軸の外周面が円筒面に形成されている場合において、上記外軸は、相対的に薄い一定の厚みを有する薄肉部と、相対的に厚い厚みを有して上記凸条を形成する厚肉部とを有し、外軸の内周面において薄肉部と厚肉部との接続部分の曲率半径が、薄肉部の厚みよりも大きくされていれば、好ましい（請求項６）。すなわち、応力集中の緩和により、外軸の強度、耐久性を向上することができるという利点がある。

上記の伸縮自在シャフトが操舵部材の操舵トルクを伝達する車両操舵用伸縮自在シャフトであれば、好ましい（請求項７）。

本発明の好ましい実施の形態の添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の一実施の形態の伸縮自在シャフトが中間軸に適用された車両用操舵装置の概略構成図である。車両用操舵装置１は、ステアリングホイール等の操舵部材２に連結しているステアリングシャフト３と、ステアリングシャフト３に自在継手４を介して連結される伸縮自在シャフトとしての中間軸５と、中間軸５に自在継手６を介して連結されるピニオン軸７と、ピニオン軸７の端部近傍に設けられたピニオン歯７ａに噛み合うラック歯８ａを有して自動車の左右方向に延びる転舵軸としてのラックバー８とを有している。ピニオン軸７およびラックバー８によりラックアンドピニオン機構によって操舵機構５０が提供されている。中間軸５は、車室の内外を仕切る仕切り板４０の挿通孔４１を挿通しており、その挿通孔４１と中間軸５との間が、環状のフロアーシール４２によって封止されている。

本実施の形態では、伸縮自在シャフトを中間軸５に適用した場合に則して説明するが、本発明の伸縮自在シャフトをステアリングシャフト３に適用し、ステアリングシャフト３にテレスコピック調整機能や衝撃吸収機能を果たさせるようにしてもよい。
ラックバー８は車体に固定されるハウジング９内に図示しない複数の軸受を介して直線往復動自在に支持されている。ラックバー８の両端部はハウジング９の両側へ突出し、各端部にはそれぞれタイロッド１０Ａが結合されている。各タイロッド１０Ａは対応するナックルアーム１０Ｂを介して対応する車輪１１に連結されている。

中間軸５は、アッパーシャフトとしての内軸１２と、ロワーシャフトとしての筒状の外軸１３とを備える。内軸１２と外軸１３とは、軸方向Ｘ１に沿って摺動自在に且つトルク伝達要素としての転動体を提供するボール１４を介してトルク伝達可能に嵌め合わされている。
次いで、中間軸５の一部破断斜視図である図２、および中間軸５の断面図である図３に示すように、内軸１２の外周面１２ａおよび外軸１３の内周面１３ａには、軸方向Ｘ１に沿って延びる少なくとも一対の軌道溝１５，１６が形成されている。

互いに対をなす軌道溝１５および軌道溝１６は、両軸１２，１３の径方向に対向しており、互いに対をなす軌道溝１５および軌道溝１６の間には、上記ボール１４がそれぞれ介在している。各軌道溝１５，１６の内面にボール１４のための軌道が直接形成されている。また、外軸１３の外周面１３ｂは円筒面に形成されている。
ボール１４は図２に示すように、両軸１２，１３の軸方向Ｘ１に沿って並ぶ列をなしている。列をなす複数のボール１４をそれぞれ保持するための保持孔が形成された保持器を設けてもよいが、本実施の形態では、保持器を設けない場合に則して説明する。

内軸１２の端部１２１において、軌道溝１５には、当該軌道溝１５からのボール１４の脱落を防止するためのストッパとしての突起１７が形成されている。また、外軸１３の端部１３１には、当該外軸１３の端部１３１と内軸１２との間を封止するための環状のダストカバー１８が嵌められている。また、図示していないが、外軸１３の端部１３１には、外軸１３の軌道溝１６からのボール１４の脱落を防止するためのストッパとしての円弧状のクリップが嵌められている。このクリップは外軸１３の各軌道溝１６にそれぞれ突出する突起（図示せず）を有している。

図３に示すように、互いに対をなす軌道溝１５，１６間にボール１４が介在した状態で、筒状の外軸１３が弾性的に拡径されており、外軸１３の弾性復元力によって、ボール１４が外軸１３の径方向内方へ付勢されている。その結果、ボール１４が内軸１２と外軸１３との間に弾性的に挟持されている。すなわち、ボール１４は、内軸１２と外軸１３の間に径方向の予圧が付与された状態で介在している。予圧が与えられたボール１４を介して内軸１２および外軸１３が互いに周方向に弾性的に連結されることになる。

また、中間軸５には、万一、ボール１４が軌道溝１５，１６から脱落したときに、内軸１２と外軸１３の相対回転量を所定量以下に規制するための一対の規制機構２０Ａ，２０Ｂが備えられている。一方の規制機構２０Ａは、内軸１２が外軸１３に対して反時計回りに相対回転するときに、その相対回転量を所定量以下に規制する。他方の規制機構２０Ｂは、内軸１２が外軸１３に対して時計回りに相対回転するときに、その相対回転量を所定量以下に規制する。

一方の規制機構２０Ａは、内軸１２および外軸１３にそれぞれ設けられ、互いに周方向Ｃ１に係合可能な一対の係合部２１，２２を含む。同様に、他方の規制機構２０Ｂは、内軸１２および外軸１３にそれぞれ設けられ、互いに周方向Ｃ１に係合可能な一対の係合部２３，２４を含む。
外軸１３の内周面１３ａには、軸方向に延びる一対の凸条２５，２６が形成されている。これら一対の凸条２５，２６は、外軸１３の軌道溝１６を周方向に挟む態様にて軌道溝１６に隣接している。すなわち一対の凸条２５，２６間に、軌道溝１６が形成されている。

一方、内軸１２には、一対の凹条２７，２８が、軸方向に延びるように形成されている。これら一対の凹条２７，２８は、内軸１２の軌道溝１５を周方向に挟む態様にて軌道溝１５に隣接しており、外軸１３の一対の凸条２５，２６にそれぞれ嵌め合わされている。ただし、内軸１２および外軸１３間に伝達トルクが所定量未満の場合には、互いに対応する凸条２５，２６および凹条２７，２８が互いに係合することはなく、上記の伝達トルクが所定量以上になった場合に、内軸１２および外軸１３の相対回転の方向に応じて、互いに対応する凸条２５，２６および凹条２７，２８が互いに係合するようになっている。

拡大図である図４を参照して、上記一対の凸条２５，２６は、頂部２９と、頂部２９を挟んだ両側に配置された一対の側部３０，３１とをそれぞれ有している。一対の凸条２５，２６の側部３０は、周方向Ｃ１に対向しており、これらの側部３０によって上記の軌道溝１６が区画されている。
一方、一対の凹条２７，２８は、軌道溝１５に接続された底部３２と、軌道溝１５から周方向Ｃ１に所定距離離れて立ち上がる内壁３３とをそれぞれ有している。

各凸条２５，２６の頂部２９とそれぞれ対応する凹条２７，２８の底部３２とは、内軸１２の周方向Ｃ１に距離を離して配置されている。
凸条２５の側部３１およびこれに対向する凹条２７の内壁３３に、第１の規制機構２０Ａの上記の一対の係合部２２，２１がそれぞれ設けられ、凸条２６の側部３１およびこれに対向する凹条２８の内壁３３に、第２の規制機構２０Ｂの一対の係合部２４，２３がそれぞれ設けられている。

無負荷のときの中間軸５において、一対の係合部２１，２２の間および一対の係合部２３，２４の間には、それぞれ所定の周方向隙間Ｓ１が設けられている。
無負荷のときの上記の周方向隙間Ｓ１は、軌道溝１５，１６とボール１４との間の周方向隙間（図示せず）よりも大きく、且つボール１４の直径よりも小さく設定されている。 本実施の形態によれば、中間軸５の伝達トルクが相対的に小さいときには、ボール１４を介して内軸１２と外軸１３との間にトルクが伝達され、伝達トルクが所定以上に大きくなると、その回転方向に応じた何れ一方の規制機構２０Ａ，２０Ｂとボール１４とを介してトルクが伝達されることになる。

また、万一、ボール１４が軌道溝１５，１６から脱落したときには、規制機構２０Ａ，２０Ｂの互いに対をなす係合部２１，２２；２３，２４が互いに周方向に係合することにより、内軸１２と外軸１３との相対回転量を所定量以下に規制することができる。したがって、操舵に支障がなく、フェールセーフを達成することができる。また、運転者が操舵部材２を回転操作するときに、回転方向の遊びの存在を感じとることができ、異常発生を認知することができる。

上記の規制機構２０Ａ，２０Ｂによる規制は、無負荷のときの係合部２１，２２；２３，２４間の周方向隙間Ｓ１が、軌道溝１５，１６とボール１４との間の周方向隙間（図示せず）よりも大きく、且つボール１４の直径よりも小さく設定されていることにより、実質的に達成される。
また、各規制機構２０Ａ，２０Ｂに備えられる一対の係合部２１，２２；２３，２４を、軌道溝１５，１６に隣接して配置された凸条２５，２６および凹条２７，２８に設けたので、外軸１３の周方向Ｃ１に関して、図３に示すように、軌道溝１６および凸条２５，２６を除く広い領域Ａ１において、外軸１３を内軸１２と係合させる必要がなくなる。すなわち、外軸１３において、内軸１２と係合する必要のない部分の周長を長く確保できる。その結果、外軸１３の撓み剛性を低くすることができる。ひいては、外軸１３が撓み易くなるので、本実施の形態のようにボール１４を予圧状態で組み付ける場合に、スライド荷重が軌道溝１５，１６の寸法のばらつきの影響を受け難くなる。

特に、外軸１３の外周面１３ｂが円筒面により形成されているので、また、上記の領域Ａ１において、外軸１３を一様厚みで且つ薄肉の円筒状に形成することができる。したがって、外周面に突起部があったり、外周面が多角形になっている場合と比較して、応力集中が抑制されるので、肉厚を薄くすることができる。しかも上述のように外軸１３において、内軸１２と係合する必要のない部分の周長が長いので、肉厚を薄くできることと相まって、外軸１３の撓み剛性を低くすることができる。ひいては、外軸１３が撓み易くなるので、本実施の形態のようにボール１４を予圧状態で組み付ける場合に、スライド荷重が軌道溝１５，１６の寸法のばらつきの影響を受け難くなる。

また、外軸１３の外周面１３ｂが円筒面であるので、外軸１３をフロアーシール４２に挿通させるときに、両者の間にアタッチメントを介さずともよく、構造を簡素化することができる。
次いで、図５は本発明のさらに別の実施の形態を示している。図５を参照して、本実施の形態の特徴とするところは、下記である。

すなわち、外軸１３の凸条２５，２６の側部３１と凹条２７，２８の内壁３３とが相対向する方向Ｙ１と、凸条２５，２６間の軌道溝１６の曲率中心１６ａを通過する外軸１３の径方向Ｚ１とのなす角度θが、１０度〜３０度の範囲内にある（１０°≦θ≦３０°）。これにより、外軸１３の肉厚の変化が緩やかになるので、外軸１３を、複数回の引き抜き工程により形成する場合において、各引き抜き工程における加工度（断面形状の変化量）を低くすることができる。したがって、外軸１３の形状の精度を向上し、引き抜き回数が削減可能となるという利点がある。

また、上記外軸１３は、相対的に薄い一定の厚みを有する薄肉部５１と、相対的に厚い厚みを有して凸条を形成する厚肉部５２とを有している。外軸１３の内周面１３ａにおいて薄肉部５１と厚肉部５２とを接続する接続部分５３の曲率半径Ｒ１が、薄肉部５１の厚みｔ１よりも大きくされている。これにより、応力集中を緩和することができるので、外軸１３の強度、耐久性を向上することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、例えば、凸条２５，２６を内軸１２の外周面１２ａに設け、凹条２７，２８を外軸１３の内周面１３ａに設けるようにしてもよい。その場合、外軸１３の外周面１３ｂは、凹条２７，２８に対応する部分で外方へ突出する凸部を設けることになる。
また、内軸１２として筒状の軸を用いてもよい。

本発明の一実施の形態の伸縮自在シャフトが中間軸に適用された車両用操舵装置の概略構成図である。 中間軸の一部破断斜視図である。 中間軸の断面図である。 中間軸の要部の拡大断面図である。 本発明の別の実施の形態の伸縮自在シャフトとしての中間軸の要部の拡大断面図である。

符号の説明

１…車両用操舵装置、２…操舵部材、３…ステアリングシャフト、５…中間軸（伸縮自在シャフト）、１２…内軸、１２ａ…外周面、１３…外軸、１３ａ…内周面、１３ｂ…外周面、１４…ボール、１５，１６…軌道溝、１６ａ…軌道溝の曲率中心、２０Ａ，２０Ｂ…規制機構、２１，２２；２３，２４…係合部、２５，２６…凸条、２７，２８…凹条、３１…側部、Ｃ１…周方向、Ｓ１…周方向隙間、４２…フロアーシール、Ｙ１…凸条の側部と凹条の内壁とが相対向する方向、Ｚ１…軌道溝の曲率中心を通過する外軸の径方向、５１…薄肉部、５２…厚肉部、５３…接続部分、Ｒ１…接続部分の曲率半径、ｔ１…薄肉部の厚み

Claims (7)

1. 軸方向に相対移動自在に且つ互いにトルク伝達可能に嵌め合わされた内軸および筒状の外軸と、
   上記内軸の外周面および外軸の内周面にそれぞれ形成され互いに対向する軌道溝と、
   これら互いに対向する軌道溝間に介在し、軸方向に並ぶ列をなすボールと、
   内軸および外軸の何れか一方の軌道溝と周方向に隣接して形成された凸条と、
   内軸および外軸の他方の軌道溝と周方向に隣接して形成された凹条と、
   ボールが軌道溝から脱落したときに、内軸と外軸の相対回転量を所定量以下に規制するための規制機構とを備え、
   この規制機構は、互いに周方向に係合可能な一対の係合部を含み、
   これら一対の係合部は上記凸条および凹条にそれぞれ設けられていることを特徴とする伸縮自在シャフト。
2. 請求項１において、上記凸条は側部を含み、
   上記凹条は、凸条の上記側部に所定の周方向隙間を隔てて対向する内壁を含み、
   上記凸条の側部および凹条の内壁に上記一対の係合部がそれぞれ設けられていることを特徴とする伸縮自在シャフト。
3. 請求項２において、無負荷のときに、上記凸条の側部と凹条の内壁との間の周方向隙間は、軌道溝とボールとの間の周方向隙間よりも大きく、且つボールの直径よりも小さいことを特徴とする伸縮自在シャフト。
4. 請求項１から３の何れか１項において、上記外軸の外周面は円筒面に形成されていることを特徴とする伸縮自在シャフト。
5. 請求項４において、上記凸条が外軸に設けられ、凸条の側部と凹条の内壁とが相対向する方向が、当該凸条が隣接する軌道溝の曲率中心を通過する外軸の径方向に対して、１０度〜３０度の範囲の角度をなすことを特徴とする伸縮自在シャフト。
6. 請求項４または５において、上記外軸は、相対的に薄い一定の厚みを有する薄肉部と、相対的に厚い厚みを有して上記凸条を形成する厚肉部とを有し、
   外軸の内周面において薄肉部と厚肉部との接続部分の曲率半径が、薄肉部の厚みよりも大きくされていることを特徴とする伸縮自在シャフト。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の伸縮自在シャフトを用いて操舵部材の操舵トルクを伝達することを特徴とする車両操舵用伸縮自在シャフト。

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