JP2007064403A - ステアリングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 一対の固定式等速自在継手を使用するステアリングシステムにおいて、煩雑な操作を必要とすることなく、トータルのヒステリシス最大値を低減させる。
【解決手段】 ステアリングシステムは、角度をなしたステアリングシャフト４を連結するために、トルク伝達用の複数のボール30を有する一対の固定式等速自在継手８を用い、一方の固定式等速自在継手８のボール溝位相と他方の固定式等速自在継手８のボール溝間位相を合わせてある。
【選択図】 図１

Description

この発明はステアリングジョイントとして固定式等速自在継手を用いた自動車のステアリングシステムに関する。

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、ボールを保持するケージとで構成される。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。

ステアリングシステムは、図９に示すように、ステアリングホイール６２の回転運動を、一または複数のステアリングシャフト６４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６６に伝達することにより、タイロッド６８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６４を一直線に配置できない場合、ステアリングシャフト６４間に一または複数のステアリングジョイント６０を配置し、ステアリングシャフト６４を屈曲させた状態でもステアリングギヤ６６に正確な回転運動を伝達できるようにしている。

一般に、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。カルダンジョイントは、単体では不等速であることから、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に配置して使用している。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ジョイントとして用いることで、車両の設計自由度を高める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、等速自在継手内部に一種の予圧手段を設けて円周方向のガタ（回転バックラッシ）を詰めることが提案されている（特許文献１）。

固定式等速自在継手には機能および加工面から、外輪のボール溝と内輪のボール溝との間にはボールを介してすきま（ボール溝間すきま）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との間にもすきまが存在する。これらのすきまは、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アル方向に移動させたときの移動量として現れ、移動方向によって、ラジアルすきま、アキシアルすきまのように呼ばれる。これらのすきまは、内・外輪間の（回転バックラッシ）に大きく影響を与え、とくにボール溝間すきまが大きいほど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。

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。かかる問題を除去するため、先に、等速自在継手の回転方向位相（ボール溝位相）と車両直進時のステアリングホイール位相を合わせることにより、ヒステリシス増加に伴う操安性の悪化を回避する提案をした（特許文献２）。
特開２００３−１３００８２号公報 特開２００５−０５３２８６号公報

上述のとおり、回転方向位相によるヒステリシス変化が小さいことが望まれるが、２ジョイント共に特許文献１に示す位相で使用する場合、ステアリングホイール位相とジョイントの回転方向位相合わせの上に、２ジョイントの位相も合わせる必要がある。

この発明の主要な目的は、一対の固定式等速自在継手を使用するステアリングシステムにおいて、煩雑な操作を必要とすることなく、トータルのヒステリシス最大値を低減させることにある。

この発明は、角度をなしたステアリングシャフトを連結するために、トルク伝達用の複数のボールを有する一対の固定式等速自在継手を使用するステアリングシステムにおいて、一方の固定式等速自在継手のボール溝位相と他方の固定式等速自在継手のボール溝間位相を合わせたことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１のステアリングシステムにおいて、一方の固定式等速自在継手のボール溝と他方の固定式等速自在継手のボール溝間位相との位相差が±２０°の範囲内であることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１または２のステアリングシステムにおいて、各固定式等速自在継手の作動角が３０°を越えることを特徴とするものである。

この発明によれば、一対の固定式等速自在継手を使用するステアリングシステムにおいて、一方の固定式等速自在継手のボール溝位相と他方の固定式等速自在継手のボール溝間位相を合わせるだけで、回転方向位相の違いによるヒステリシス変化量を小さくすることができ、しかも、ステアリングホイールとの位相合わせが不要となる。

自動車の直進状態で、等速自在継手のトルク−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。この発明のステアリングシステムは、煩雑な操作を必要とすることなく、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。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。

まず、ステアリングシステムについて簡単に説明する。ステアリングシステムは、図１（ａ）に示すように、ステアリングホイール２の回転運動を、複数のステアリングシャフト４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６に伝達する。ステアリングシャフト４間に２つの固定式等速自在継手８が配置してあり、ステアリングシャフト４が屈曲した状態でもステアリングギヤ６に正確な回転運動を伝達できるようになっている。図１（ａ）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。

つぎに、固定式等速自在継手８について説明する。なお、ＵＪ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が、ここではＢＪを例にとって説明する。図２に示すように、このタイプの等速自在継手は、外側継手部材としての外輪１０と、内側継手部材としての内輪２０と、トルク伝達要素としてのボール３０と、ケージ４０とを主要な構成要素として成り立っている。外輪１０は入力軸または出力軸と接続し、内輪２０は出力軸または入力軸と接続する。ここでは内輪２０はステアリングシャフト４とセレーション結合している。

外輪１０は一端にて開口したベル型で、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が形成してある。内輪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が形成してある。対をなす外輪１０のボール溝１４と内輪２０のボール溝２４との間にボール３０が組み込んである。ケージ４０は外輪１０の内球面１２と内輪２０の外球面２２との間に摺動自在に介在し、ボール３０を収容するためのポケット４６を円周方向に複数有している。ケージ４０はすべてのボール３０を同一平面内に保持する。

ケージ４０の外球面４２は外輪１０の内球面１２と球面接触し、ケージ４０の内球面４４は内輪２０の外球面２２と球面接触している。そして、外輪１０の内球面１２の中心と、内輪２０の外球面２２の中心は、継手中心Ｏと一致している。外輪１０のボール溝１４の中心Ｏ１と、内輪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させてある。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、外輪１０の開口側から奥部側に向かって縮小するくさび状を呈している。

この固定式等速自在継手において、図５に示すように、外輪１０と内輪２０とが作動角θをとると、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。

ステアリングシャフト２の軸端に押圧部材５０が設けてある。押圧部材５０は、図３に示すように、押圧部５２と弾性部材５４とケース５５とを含む。ここでは押圧部５２としてボールが例示してあるが、一部に凸球状部分をもったその他の形状のものを採用することもできる。弾性部材５４としては圧縮コイルばねが例示してあるが、押圧部５２にケース５５から突出する向きの弾性力を作用させ得るものであればよい。ケース５５の開口端部をかしめて押圧部５２が脱落しないようにしてある。したがって、押圧部５２と弾性部材５４とケース５５はユニットハンドリングが可能なサブアセンブリを構成する。ケース５５は、内輪２０とセレーション結合により一体化したステアリングシャフト４の先端部に圧入あるいは接着剤等の適宜の手段で固定される。

ケージ４０の、外輪１０の奥側の端部に、受け部材５６が取り付けてある。この受け部材５６は、ケージ４０の端部開口を覆う蓋状で、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とからなる。球面部５６ａの内面つまりステアリングシャフト４と対向する面は凹球面で、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、ケージ４０の開口端部に圧入、溶接等の適宜の手段で固定される。

継手が作動角θをとったとき、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４に示すように、受け部５８の半径Ｒｏは押圧部５２の半径ｒよりも大きくしてある（Ｒｏ＞ｒ）。また、作動角θをとったとき受け部材５６と内輪２０とが干渉するのを防止するため、受け部５８の半径Ｒｏは内輪２０外球面２２の半径Ｒｉよりも大きくしてある（Ｒｏ＞Ｒｉ）。

以上の構成において、ステアリングシャフト４のセレーション軸部と内輪２０をセレーション結合し、止め輪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、ステアリングシャフト４と一体化した内輪２０が、弾性力により外輪の開口側に軸方向変位し、この変位により、ボール３０とボール溝との間のすきまが詰まる方向に内輪２０が移動するため、ボール溝間すきまが詰められ、回転バックラッシが防止される。

上述の構成の固定式等速自在継手８を２個、図１に示すようにステアリングジョイントとして車両に取り付けるにあたっては、一方の固定式等速自在継手のボール溝位相と他方の固定式等速自在継手のボール溝間位相を合わせる。図１では、図１（ａ）における下方の継手８をボール溝位相（図１（ｂ））とし、上方の継手８をボール溝間位相（図１（ｃ））とした場合を例示したものであるが、これとは逆の関係にしてもよい。

図１（ｂ）は、ステアリングシャフト４の折れ曲がり方向が固定式等速自在継手８のボール溝１４，２４間方向である場合を示す。図１（ｂ）および図１（ｃ）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６および図７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４の折れ曲がり方向がボール溝１４，２４方向である場合（図１（ｂ））にヒステリシスが小さく（図６）、ボール溝１４，２４間方向である場合（図１（ｃ））にはヒステリシスが大きい（図７）。このような傾向は、とくに設定継手角度（α：図９（ｂ））が３０°を越える大角度の場合に顕著である。

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８（ａ）〜（ｄ）に示す結果を得た。位相１０°（図８（ａ））がボール溝方向の場合で、位相３０°（図８（ｄ））がボール溝間方向の場合である。図８（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°位相でわずかに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、６個のボールを用いる固定式等速自在継手を例にとって説明したが、６個以外の多数個のボールを用いる場合にも同様に適用できる。

この発明の実施の形態を示し、（ａ）はステアリングシステムの略図、（ｂ）（ｃ）はステアリング用固定式等速自在継手の略図 ステアリングシステム用固定式等速自在継手の縦断面図 図２の継手の要部拡大図 図２の継手の要部拡大図 図２の継手の折り曲げ角をとった状態の縦断面図 図１（ａ）の継手のトルク−捩れ角線図 図１（ｂ）の継手のトルク−捩れ角線図 位相を１０°ごとに変えた場合のトルク−捩れ角線図 （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、（ｃ）はステアリング装置の斜視図

符号の説明

２ ステアリングホイール
４ ステアリングシャフト
６ ステアリングギヤ
８ 固定式等速自在継手
１０ 外輪（外側継手部材）
１２ 内球面
１４ ボール溝
２０ 内輪（内側継手部材）
２２ 外球面
２４ ボール溝
３０ ボール（トルク伝達要素）
４０ ケージ
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
５６ 受け部材
５６ａ 球面部
５６ｂ 取付け部
５８ 受け部

Claims (3)

1. 角度をなしたステアリングシャフトを連結するために、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を一対使用するステアリングシステムにおいて、一方の固定式等速自在継手のボール溝位相と他方の固定式等速自在継手のボール溝間位相を合わせたステアリングシステム。
2. 一方の固定式等速自在継手のボール溝と他方の固定式等速自在継手のボール溝間位相との位相差が±２０°の範囲内である請求項１のステアリングシステム。
3. 各固定式等速自在継手の作動角が３０°を越える請求項１または２のステアリングシステム。

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