JP2007064323A - 等速自在継手用シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】 等速自在継手に組み込んだときの回転ガタを防止でき、しかも、組み立て性の向上を図ることができると共に、製造コストの低減が可能となる等速自在継手用シャフトを提供する。
【解決手段】 等速自在継手１の内輪７と嵌合するスプライン１５を有する等速自在継手用シャフトである。スプラインが形成された軸部１６と、リング状の嵌合部１７を有するヨーク部１８とを備える。軸部１６とヨーク部１８とを中炭素鋼にて一体成形する。締め付け部材の締め付けによるヨーク部１８の嵌合部１７の縮径を可能とする。軸部１６に等速自在継手１の外方部材４との接触を回避するための小径部２２を設ける。少なくとも小径部２２に高周波焼入れを施して硬化層６０を形成する。硬化層深さをγとすると共に、小径部２２の軸径をｄとしたときに、ｄ／４≦γ≦ｄ／２とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、等速自在継手用シャフトに関し、詳しくは、自動車のステアリング装置に組み込まれる等速自在継手に使用するシャフトに関する。

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型と、角度変位および軸方向変位を許容する摺動型に大別され、それぞれ用途・使用条件等に応じて機種選定される。

図５は、固定型等速自在継手（以下、継手１０１という。）を例示している。この継手１０１を例に挙げて従来の等速自在継手について説明する。継手１０１は、カップ部１０４の球状内面（内径面）１０３に複数のトラック溝１０５を形成した外方部材１０６と、球状外面（外径面）１０７に複数のトラック溝１０８を形成した内輪１０９と軸部１０２とからなる内方部材１１０と、両トラック溝１０５、１０８間に配置した複数個のボール１１１と、ボール１１１を保持する複数のボールポケット１１２を周方向に所定間隔を隔てて形成した保持器１１３とを主要な構成要素としている（例えば特許文献１参照）。

図６は、上記の継手１０１を自動車のステアリング装置７１に適用した場合を例示している。ステアリング装置７１は、ステアリングホイール７２に接続した入力軸７３とステアリングギア７４との間に継手１０１を配設し、入力軸７３とステアリングギア７４に作動角をつけた状態で、ステアリングホイール７２によって付与した回転トルクをステアリングギア７４に伝達するものである。

図６において、５０ａ〜５０ｃは連結部材としてのヨークである。ヨーク５０ａは、ステアリングホイール７２側の継手１０１Ａから延在した外方部材１０６の軸部１１５と、ステアリングギア７４側の継手１０１Ｂから延在した内方部材１１０の軸部１０２とをトルク伝達可能に連結するためのものである。ヨーク５０ｂは、入力軸７３と、ステアリングホイール７２側の継手１０１Ａから延在した内方部材１１０の軸部１０２とをトルク伝達可能に連結するためのものである。ヨーク５０ｃは、ステアリングギア７４側の継手１０１Ｂから延在した１０６の軸部１１５と、ステアリングギア７４とをトルク伝達可能に連結するためのものである。これらのヨーク５０ａ〜５０ｃを始め、継手１０１と継手外部の軸とをトルク伝達可能に連結する連結部材は、加工上の要請及び仕様変更容易性という観点から、外方部材１０６や内方部材１１０等とは別に成形され、外方部材１０６や内方部材１１０等に対してトルク伝達可能に結合させてある。

このように、従来においては、内方部材１１０の軸部１０２と、連結部材としてのヨーク５０とは別部材にて構成し、これらを連結していた。すなわち、スプライン等のトルク伝達手段を介してトルク伝達可能に軸部１０２をヨーク５０に嵌合させると共に、圧入、溶接、接着、ボルト締め等の適宜な手段により軸部１０２及びヨーク５０を固着していた。

ところで、上記のステアリング装置７１では、ステアリンホイール７２の回転をステアリングギア７４に精度よく伝達するために、回転ガタを防止するという課題がある。このように回転ガタを嫌う用途においては、継手１０１の内方部材１１０等とヨーク５０との間の回転ガタを防止することが求められる。

内方部材１１０等に対してヨーク５０を圧入固定する場合において、両部材間の回転ガタをトルク伝達手段のみで抑制しようとすると、トルク伝達手段の相互間を締代とする必要がある。しかし、締代を多くすると、両部材の嵌合に過大な圧入荷重を要するため、組付け作業性が低下する。かかる事情からトルク伝達手段の相互間の締代を適正値にコントロールする難しさがある。

他方、内方部材１１０等とヨーク５０とを溶接によって固着した場合は、両部材間に回転ガタが生じない反面、溶接箇所が高温に曝されるために、ひずみによる継手内部の精度低下やひび割れが生じて、継手１０１の歩留りが低下するおそれがある。

また、接着による場合は、接着剤の経年劣化に伴いトルク伝達手段の相互間の回転方向隙間が除々に大きくなって、回転ガタが発生するおそれがある。
特開２００３−１３００８２号公報

本発明は、かかる実情に鑑み創案されたものであって、その目的は、等速自在継手に組み込んだときの回転ガタを防止でき、しかも、組み立て性の向上を図ることができると共に、製造コストの低減が可能となる等速自在継手用シャフトを提供することにある。

本発明の等速自在継手用シャフトは、上記目的を達成するため、等速自在継手の内輪と嵌合するスプラインを有する等速自在継手用シャフトにおいて、前記スプラインが形成された軸部と、リング状の嵌合部を有するヨーク部とを備えると共に、前記軸部とヨーク部とを中炭素鋼にて一体成形して、締め付け部材の締め付けよる前記ヨーク部の嵌合部の縮径を可能とすると共に、前記軸部に等速自在継手の外方部材との接触を回避するための小径部を設けて、少なくとも小径部に高周波焼入れを施して硬化層を形成し、さらに、この硬化層深さをγとすると共に、小径部の軸径をｄとしたときに、ｄ／４≦γ≦ｄ／２としたものである。前記高周波焼入れを施して硬化層にはスプライン形成部を含むものとする。

軸部と、継手外部の軸に嵌合するヨーク部とを一体成形したので、従来のようにシャフトとヨークとを別個に製作して、これらを連結するという作業が不要となる。また、中炭素鋼にて構成したので、ヨーク部の嵌合部の縮径（締付変形）が可能となる。また、軸部の小径部に高周波焼入れを施すので、高周波焼入れにて形成される硬化層を有する小径部の強度が向上する。

前記軸部のスプライン形成部に高周波焼入れを施し、このスプライン形成部のヨーク部側の付根部の硬化層深さ（有効硬化層深さ）をγ１とすると共に、スプライン付根部の径をｄ１としたときに、ｄ１／４≦γ１≦ｄ１／２とする。これにより、高周波焼入れにて形成される硬化層を有するスプライン形成部の強度が向上する。

前記等速自在継手は、内径面に複数のトラック溝を形成した外方部材と、外径面に複数のトラック溝を形成した内輪を有する内方部材と、外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝とが協働して形成される複数のボールトラックの各々に配置したボールと、外方部材と内方部材との間に配置してボールを保持する保持器とを備え、前記軸部に取付けられる押圧部材と、前記保持器に取付けられる受け部材とを弾性部材を介して弾性的に当接させて、前記ボールを外方部材のトラック溝および内方部材のトラック溝に常時接触させる。

前記ボールが外方部材のトラック溝および内方部材のトラック溝に常時接触するので、ボールを介してトラック間の隙間（アキシャル隙間）を無くすことができる。

本発明は、軸部と、継手外部の軸に嵌合するヨーク部とを一体成形したので、従来のようにシャフトとヨークとを別個に製作して、これらを連結するという作業が不要となる。このため、この等速自在継手の組み立て性の向上を図ることができると共に、製造コストの低減が可能となる。しかも、軸部とヨーク部とが一体成形であるので、これらを連結する場合と相違して、軸部とヨーク部とが分離するおそれがなく、強度的に安定する。さらに、従来のようなヨーク部の連結構造に起因する回転ガタを無くすことができる。このため、この等速自在継手用シャフトは、回転ガタを嫌う自動車のステアリング装置に最適となる。

また、中炭素鋼にて構成したので、ヨーク部の嵌合部の縮径（締付変形）が可能となる。このため、ヨーク部を継手外部の軸（ステアリングコラム軸や中間軸）に確実にかつ強固に連結させることができる。

高周波焼入れを施すことによって、硬化層を形成するので、軸部の小径部に高周波焼入れを施せば、元来強度的に劣る小径部であっても、シャフトとしての強度を十分確保することができ、しかも、軸部は小径部によって大きな作動角をとることができる。特に、硬化層深さ（有効硬化層深さ）をγとすると共に、小径部の軸径をｄとしたときに、ｄ／４≦γ≦ｄ／２であるので、小径部の安定した強度を確保することができる。また、軸部のスプライン形成部のヨーク部側に高周波焼入れを施せば、スプライン結合部の強度が確保できる。特に、スプライン形成部の付根部の硬化層深さをγ１とすると共に、スプライン付根部の径をｄ１としたときに、例えばｄ１／４≦γ１≦ｄ１／２とすれば、スプライン結合部の安定した強度を確保することができる。

ボールを介してトラック間の隙間（アキシャル隙間）を無くすことができるので、内輪と外輪（外方部材）との間の周方向のガタツキ（回転バックラッシュ）を防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図１から図４に基づいて説明する。

図１は本発明の等速自在継手用シャフトの第１の実施形態を示す全体図である。この等速自在継手用シャフト１４に使用される等速自在継手１は、内径面（球状内面）２に複数のトラック溝３を形成した外方部材４と、外径面（球状外面）５に複数のトラック溝６を形成した内輪７を有する内方部材８と、外方部材４のトラック溝３と内方部材８のトラック溝６とが協働して形成される複数のボールトラックの各々に配置したボール９と、ボール９を保持する複数のボールポケット１３を周方向に所定間隔を隔てて形成した保持器１０とを備える。

外方部材４は、トラック溝３を有するカップ状の外輪１１と、この外輪１１の底壁から突設される軸部１２とを備える。内方部材８は、外輪１１内に収納状となる前記内輪７を備え、この内輪７にシャフト１４が嵌合される。

シャフト１４は、内輪７と嵌合するスプライン１５を有する軸部１６と、リング状の嵌合部１７を有するヨーク部１８とを有し、軸部１６とヨーク部１８とが一体成形されている。

軸部１６は、ヨーク部１８から突設されると共に、その外周面に周方向溝２０が形成された大径部２１と、軸方向中間部の小径部２２と、前記スプライン１５が形成されたスプライン形成部２３等を備える。また、この大径部２１と小径部２２との間に、外周面がスプライン形成部２３側に向かって順次縮径するテーパ部２４が形成され、小径部２２とスプライン形成部２３との間に、外周面がスプライン形成部２３側に向かって順次拡径するテーパ部２５が設けられている。

スプライン形成部２３には、前記したようにその外周面にスプライン１５が形成され、また、内輪７の内周面には、軸部１６のスプライン１５に嵌合するスプライン２６が形成されている。スプライン形成部２３には、スプライン１５の軸方向範囲内に止め輪溝２７が形成され、この止め輪溝２７に止め輪（図示省略）が装着されて、軸部１６が内輪７に嵌合された際の抜け止め構造が構成される。なお、スプライン１５、２６は、周方向にそって所定ピッチで配設される軸方向凸条（凸歯）と、この軸方向凸条間に配置される軸方向凹条（凹歯）とからなる。

ヨーク部１８は、図１と図２に示すように、筒状本体２８と、この筒状本体２８から外径方向に突設される一対の締付片部２９、３０とを備える。一方の締付片部２９は貫通孔３１を有し、他方の締付片部３０は、一方の締付片部２９側に開口する孔部３２と、この孔部３２に連設されて反孔部側に開口するねじ孔部３３とを有する。

一対の締付片部２９、３０は自由状態において、所定隙間Ｓをもって内面２９ａ、３０ａが対抗（対面）している。締付片部２９の貫通孔３１の軸心と、締付片部３０の孔部３２およびねじ孔部３３の軸心が略一致している。また、所定隙間Ｓに対応して、この筒状本体２８には軸方向スリット部３４が形成されている。なお、一対の締付片部２９の外面２９ｂには、貫通孔３１に連通される大径凹部３５が形成されている。

筒状本体２８の内周面には、軸方向凸条（凸歯）と、この軸方向凸条間に配置される軸方向凹条（凹歯）とからなるスプライン３６が形成されている。

シャフト１４は、例えば炭素量（炭素含有率）０．３％〜０．６％程度の中炭素鋼にて構成される。また、軸部１６は、その軸方向略全長にわたって高周波焼入れが施されている。高周波焼入れとは、高周波誘導電流によって表面層を急加熱した後、冷却液を噴射して急冷して、焼入れする。この場合、硬化層深さ（有効硬化層深さ）をγとすると共に、小径部２２の軸径をｄとしたときに、ｄ／４≦γ≦ｄ／２としている。なお、図１において、高周波焼入れ部位（硬化層）６０の範囲（高周波焼入焼戻範囲）をハッチングとが相違する模様にて示している。図例では、硬化層６０が周方向に対しては一部のみが記載されているが、実際には硬化層６０は全周にわたって形成されている。

このように、高周波焼入れを行うことによって、破壊強度の向上を図ることができる。特に、中炭素鋼に対して高周波焼入れを行えば、高い圧縮残留応力が発生して疲労強度が向上する。最大圧縮残留応力に及ぼす炭素量は、０．４％〜０．５５％付近が最大となる。

軸部１６の端部には弾性的な押圧力を軸方向に作用させる押圧部４１が設けられ、保持器１０には押圧部４１からの押圧力を受ける受け部４２が設けられている。

この際、軸部１６の軸端に押圧部材３８を設けてある。押圧部材３８は前記押圧部４１としてボールと、弾性部材４０としての圧縮コイルバネと、前記押圧部４１と弾性部材４０をアッセンブリィするためのケース４３とから構成される。この弾性部材４０は、押圧部４１を通じて弾性力として作用する。なお、押圧部４１は凸球状を成した形状でもよい。ケース４３は、軸部１６の端面に圧入或いは接着剤等の適宜の手段で固定される。

受け部材３９は、保持器１０の外輪奥部側の端部開口を覆う蓋状をなし、部分球面状の球面部３９ａとその外周に環状に形成された取付け部３９ｂとで構成される。球面部３９ａの内面（軸部１６と対向する面）は凹球面状で、この凹球面部は押圧部４１からの押圧力を受ける受け部４２として機能する。取付け部３９ｂは、保持器１０の端部に圧入、溶接等の適宜の手段で固定されている。

これによって、内輪７と保持器１０とを軸方向に相対移動させ、ボール９を楔形ボールトラックの縮小方向に押し込んで、トラック間のアキシャル隙間を詰めるようにしている。すなわち、ボール９を外方部材のトラック溝３および内方部材８のトラック溝６に常時接触させることになる。

このように構成された等速自在継手は、そのシャフト１４のヨーク部１８に、継手外部に軸、例えば、ステアリングコラム軸や中間軸が連結される。すなわち、図示省略するが、連結されるべき軸には、その端部外周面にスプラインが形成されており、その端部のスプライン形成部をヨーク部１８の嵌合部１７（すなわち、筒状本体２８の締付片対応部）に挿入し、この状態で嵌合部１７を縮径させることになる。

この場合、図示省略のねじ部材（締め付け部材）を、一方の締付片部２９の外面２９ｂ側からその貫通孔３１および他方の締付片部３０の孔部３２に挿入して、他方の締付片部３０のねじ孔部３３に螺合させる。

ヨーク部１８が炭素量０．３％〜０．６％程度の中炭素鋼にて構成されているので、ねじ部材を順次締め付けることによって、締付部材２９、３０が順次接近し、スリット部３４のスリット幅が小になって、嵌合部１７が変形（縮径）することになる。嵌合部１７が縮径することによって、この嵌合部１７に挿入されている軸のスプライン形成部が締め付けられてヨーク部１８と一体化して、軸とこの等速自在継手１とが連結される。

このように前記等速自在継手用シャフト１４では、軸部１６と、継手外部の軸に嵌合するヨーク部１８とを一体成形したので、従来のようにシャフトとヨークとを別個に製作して、これらを連結するという作業が不要となる。このため、この等速自在継手の組み立て性の向上を図ることができると共に、製造コストの低減が可能となる。

軸部１６とヨーク部１８とが一体成形であるので、これらを連結する場合と相違して、軸部１６とヨーク部１８とが分離するおそれがなく、強度的に安定する。さらに、従来のようなヨーク部の連結構造に起因する回転ガタを無くすことができる。このため、この等速自在継手用シャフト１４は、回転ガタを嫌う自動車のステアリング装置に最適となる。

シャフト１４を炭素量０．３％〜０．６％程度の中炭素鋼にて構成したので、ヨーク部１８の嵌合部１７の縮径（締付変形）が可能となる。このため、ヨーク部１８を継手外部の軸（ステアリングコラム軸や中間軸）に確実にかつ強固に連結させることができる。

軸部１６のスプライン形成部２３に高周波焼入れを施しているので、スプライン結合部が安定する。また、軸部１６の小径部２２に高周波焼入れを施しているので、元来強度的に劣る小径部２２であっても、シャフトとしての強度を十分確保することができる。しかも、この小径部２２は、外方部材４との接触を回避するためのものであり、軸部は小径部２２によって大きな作動角をとることができる。

ボール９を介してトラック間の隙間（アキシャル隙間）を無くすことができるので、内輪７と外輪１１との間の周方向のガタツキ（回転バックラッシュ）を防止することができる。

次に、図３は第２の実施形態のシャフト１４を示し、このシャフト１４においてもその硬化層６０の範囲、つまり高周波焼入焼戻範囲（硬化範囲）Ｈが前記第１の実施形態と同じ軸部１６の軸方向略全長に形成されている。

この場合、図３に示すように、小径部２２においては、高周波焼入れによって、径方向全範囲が硬化されている。すなわち、硬化層６０において、硬化層深さをγとすると共に、小径部２２の軸径をｄとしたときに、γ＝ｄ／２としている。なお、この全硬化範囲Ｈ１としては、テーパ部２４の一部とテーパ部２５の一部を含んでいる。これは、これらの範囲においても小径部２２と同様小径であるので、硬化させなければ、強度的に劣ると思料されるからである。この第２の実施形態の等速自在継手用シャフト１４において、第１の実施形態のシャフト１４と同一部位には同一符号を付して詳しい説明を省略する。

このため、第２の実施形態の等速自在継手用シャフト１４であっても、前記第１の実施形態のシャフト１４と同様の作用効果を奏する。特に、小径部２２の径方向全範囲が硬化されているので、小径部２２の強度向上を図れて、軸部１６は安定した強度を発揮することができる。

次に図４は第３の実施形態のシャフト１４を示し、このシャフト１４においてもその高周波焼入焼戻範囲（硬化範囲）Ｈが前記第１の実施形態と同じ軸部１６の軸方向略全長に形成されている。硬化層深さ（有効硬化層深さ）をγ１とすると共に、スプライン形成部２３の付根部２３ａの径をｄ１としたときに、ｄ１／４≦γ≦ｄ１／２としている。

この場合、テーパ部２４の一部から小径部２２およびテーパ部２５を介してスプライン形成部２３の一部まで全硬化範囲Ｈ１とされている。この第３の実施形態の等速自在継手用シャフト１４において、第１の実施形態のシャフト１４と同一部位には同一符号を付して詳しい説明を省略する。

特に、スプライン形成部２３における全硬化範囲Ｈ１対応部（スプライン形成部２３の付根部２３ａ）では、硬化層６０において、硬化層深さ（有効硬化層深さ）をγ１とすると共に、スプライン付根部２３ａの径をｄ１としたときに、γ＝ｄ１／２となっている。

このため、第３の実施形態の等速自在継手用シャフト１４であっても、前記第１の実施形態のシャフト１４と同様の作用効果を奏する。特に、小径部２２からスプライン形成部２３の一部までが全硬化範囲とされており、軸部１６は全体として一層安定した強度を発揮することができる。特に、スプライン形成部２３における全硬化範囲Ｈ１対応部では、γ１＝ｄ１／２としているので、スプライン付根部２３ａは安定した強度を発揮して、スプライン係合が安定する。

ところで、図４においては、スプライン形成部２３における全硬化範囲Ｈ１は付根部２３ａ（ヨーク部１８側の端部）のみである。これは、トルク伝達の際にこの部位が大きな力が作用するから、特にこの部位の強度を向上させている。

硬化層６０が形成される硬化範囲（高周波焼入焼戻範囲）Ｈとして、前記各実施の形態では、軸部１６の軸方向略全長にわたって形成したが、少なくとも小径部２２及びスプライン形成部２３の付根部２３ａであればよい。また、高周波焼入焼戻範囲Ｈの全体を、径方向全体が硬化するようにしてもよい。高周波焼入焼戻範囲Ｈの硬化深さ（径方向範囲）としても、シャフト１４の材質、小径部２２等の径寸法や軸方向長さ等に応じて任意に設定することができる。締め付け部材として、締付片部３０にねじ孔部３３を設けずに、ねじ部材とこれが螺合するナット部材とから構成してもよい。なお、ステアリング装置７１は、モータによって補助力を付与する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）であってもよいし、油圧によって補助力を付与する油圧式パワーステアリング装置であってもよい。

本発明の第１の実施形態に係る等速自在継手用シャフトが使用された等速自在継手の拡大断面図である。 前記等速自在継手用シャフトのヨーク部の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る等速自在継手用シャフトの側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る等速自在継手用シャフトの側面図である。 従来の等速自在継手用シャフトが使用された等速自在継手の拡大断面図である。 ステアリング装置の概略図である。

符号の説明

１ 等速自在継手
２ 内径面（球状内面）
３、６ トラック溝
４ 外方部材
５ 外径面（球状外面）
７ 内輪
８ 内方部材
９ ボール
１０ 保持器
１５ スプライン
１６ 軸部
１７ 嵌合部
１８ ヨーク部
２２ 小径部
２３ スプライン形成部
２３ａ 付根部
６０ 硬化層

Claims (3)

1. 等速自在継手の内輪と嵌合するスプラインを有する等速自在継手用シャフトにおいて、前記スプラインが形成された軸部と、リング状の嵌合部を有するヨーク部とを備えると共に、前記軸部とヨーク部とを中炭素鋼にて一体成形して、締め付け部材の締め付けよる前記ヨーク部の嵌合部の縮径を可能とすると共に、前記軸部に等速自在継手の外方部材との接触を回避するための小径部を設けて、少なくとも小径部に高周波焼入れを施して硬化層を形成し、さらに、この硬化層深さをγとすると共に、小径部の軸径をｄとしたときに、ｄ／４≦γ≦ｄ／２としたことを特徴とする等速自在継手用シャフト。
2. 前記軸部のスプライン形成部に高周波焼入れを施し、このスプライン形成部のヨーク部側の付根部の硬化層深さをγ１とすると共に、スプライン付根部の径をｄ１としたときに、ｄ１／４≦γ１≦ｄ１／２としたことを特徴とする請求項１に記載の等速自在継手用シャフト。
3. 前記等速自在継手は、内径面に複数のトラック溝を形成した外方部材と、外径面に複数のトラック溝を形成した内輪を有する内方部材と、外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝とが協働して形成される複数のボールトラックの各々に配置したボールと、外方部材と内方部材との間に配置してボールを保持する保持器とを備え、前記軸部に取付けられる押圧部材と、前記保持器に取付けられる受け部材とを弾性部材を介して弾性的に当接させて、前記ボールを外方部材のトラック溝および内方部材のトラック溝に常時接触させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の等速自在継手用シャフト。

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