JP2007309473A - 十字軸継手とこれを有する車両用操舵装置及びその十字軸継手の組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】転動体を内周に有する軸受カップを十字軸の軸部に取り付ける際、軸部や転動体が損傷することを効果的に防止することができる十字軸継手とこれを有する車両用操舵装置及びその十字軸継手の組立方法を提供する。
【解決手段】軸受孔１２ａが形成された一対のアーム１２を有するヨーク１１と、４つの軸部１４を有する十字軸１３と、この各軸部１４の外周面１４ａに配置された複数の転動体１５と、前記複数の転動体１５を前記軸部１４の外周側から覆う軸受カップ１６とを備えており、同じ軸心方向の一対の前記軸受カップ１６が前記両アーム１２の軸受孔１２ａにそれぞれ嵌合されている。各アーム１２が互いに近づく方向に当該各アーム１２に生じる弾性復元力により、同じ軸心方向の一対の前記軸部１４の周囲に配置されている前記複数の転動体１５のすべてを当該軸部１４の外周面１４ａに圧接させている。
【選択図】図４

Description

本発明は、十字軸継手とこれを有する車両用操舵装置、及びその十字軸継手の組立方法に関する。

例えば、ラックアンドピニオン形式の自動車の操舵装置は、操舵部材を有するステアリングシャフトと、ラックアンドピニオン機構を構成するピニオン歯を有するピニオンシャフトと、これらの両シャフトの間に介在された中間シャフトとを備えており、この中間シャフトの両端部をステアリングシャフトとピニオンシャフトの各端部にそれぞれ十字軸継手で連動連結することによって構成されている。

上記十字軸継手は、軸受孔が形成された一対のアームを有するヨークと、互いに直交する４つの軸部を有する十字軸と、この各軸部の外周面に転動自在に配置された複数の転動体と、前記複数の転動体を前記各軸部の外周側から覆った状態で当該各軸部に対して同軸心状に配置された軸受カップとを備えており、同じ軸心方向の一対の前記軸受カップが前記両アームの軸受孔にそれぞれ嵌合されている。
このような十字軸継手の組立方法又は組立装置として、例えば特許文献１〜３が知られている。そして、特許文献２には、図８に示すように、定位置にヨーク４１を固定配置し、アーム４２，４２の上端耳部に一対のフック４３，４３を係合させると共にアーム４２，４２の軸受孔４２ａ，４２ａの内部に十字軸４４の軸部４５をセットし、両フック４３，４３の間に固定ガイド４６によって案内される一対の楔４７，４７を予め設定した圧力で圧入することによってアーム４２，４２の間隔を保持しておき、この状態で内周に複数の転動体４８を配列した軸受カップ４９の圧入を行うことが記載されている。

特開昭６３−２０３９２０号公報 特開平４−８７７４１号公報 特開平４−８７７４２号公報

上記組立方法では、各転動体４８を軸部４５に対して負すきまの状態にするために、軸受カップ４９の内周に配列された複数の転動体４８を軸部４５に強制的に圧入しているため、転動体４８及び軸部４５の転動面に微細な傷や圧痕が生じる場合があり、高トルクを伝達させる場合にトルクムラが発生する可能性がある。この問題を解決する方法として、圧入を受ける側の十字軸の軸部の先端を所定量分だけ面取りすることが行われているが、この場合、４つの軸部すべてに加工上の高い幾何公差を設定する必要があるため、コストアップの要因になる。また、アームの軸受孔に拡開量分だけ角度を付けることも考えられるが、ヨーク、転動体、十字軸等の弾性係数等はばらつくため、単純にヨークのアームに対して予め決められた拡開量分だけ角度を付けても、その後の組立作業時に軸受孔自体が変形して、圧入不良が発生する等の問題が発生する可能性があり、いずれの方法も十分とはいえない。

そこで本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、転動体を内周に有する軸受カップを十字軸の軸部に取り付ける際、軸部や転動体が損傷することを効果的に防止することができる十字軸継手とこれを有する車両用操舵装置及びその十字軸継手の組立方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明の十字軸継手は、軸受孔が形成された一対のアームを有するヨークと、互いに直交する４つの軸部を有する十字軸と、この各軸部の外周面に転動自在に配置された複数の転動体と、前記複数の転動体を前記各軸部の外周側から覆った状態で当該各軸部に対して同軸心状に配置された軸受カップとを備えており、同じ軸心方向の一対の前記軸受カップが前記両アームの軸受孔にそれぞれ嵌合されている十字軸継手において、前記各アームが互いに近づく方向に当該各アームに生じる弾性復元力により、同じ軸心方向の一対の前記軸部の周囲に配置されている前記複数の転動体のすべてを当該軸部の外周面に圧接させているものである。

この構成によれば、転動体を内周に有する軸受カップを軸部に取り付ける際、各アームが互いに近づく方向に当該各アームに生じる弾性復元力により、同じ軸心方向の一対の軸部の周囲に配置されている前記複数の転動体のすべてを当該軸部の外周面に圧接させているので、軸受カップを軸部に挿入する段階で負すきまを発生させる必要がなく、転動体と軸部の外周面とが非接触又は接触圧が極めて低い状態として軸受カップを挿入することができるため、軸部の先端及び転動体が損傷することを防ぐことができる。

また、この十字軸継手において、前記複数の転動体は、前記軸部に対するエッジロードを低減するための部分的なクラウニングが外周面に形成されたニードルローラよりなることが好ましい。
これにより、ニードルローラの外周面の軸方向端部への応力集中を防いで各軸部に対する接触面圧を適正化することができる。

本発明の車両用操舵装置は、操舵部材を有するステアリングシャフトと、ラックアンドピニオン機構を構成するピニオン歯を有するピニオンシャフトと、これらの両シャフトの間に介在された中間シャフトと、この中間シャフトの両端部を前記ステアリングシャフトと前記ピニオンシャフトの各端部にそれぞれ連動連結する上記十字軸継手とを備えている。
この構成によれば、上記十字軸継手を備えているので、転動体を内周に有する軸受カップからなる軸受を十字軸の軸部に取り付ける際、軸部や転動体が損傷することを効果的に防止することができる。

本発明の十字軸継手の組立方法は、次の各工程（ａ）〜（ｄ）を含んでいる。
（ａ） ヨークを構成する一対のアームに、この一対のアームを貫通する仮想水平線に対して当該アームの先端側に傾斜した方向に軸受孔を形成する第一工程
（ｂ） 前記一対のアームの先端部を互いに引き離した状態で、十字軸を構成する同じ軸心方向の各軸部を前記各軸受孔の内部にセットする第二工程
（ｃ） 内周側に複数の転動体が配置された軸受カップを前記一対のアームの外側から各軸受孔に挿入し、その複数の転動体を前記各軸部の周囲に正すきまがある状態で配置する第三工程
（ｄ） 前記一対のアームに対する引き離しを解除してスプリングバックさせることにより、前記複数の転動体のすべてを前記各軸部の外周面に圧接させる第四工程

この組立方法によれば、第四工程（ｄ）において一対のアームに対する引き離しを解除してスプリングバックさせることで、複数の転動体のすべてを前記各軸部の外周面に圧接させているので、内周側に転動体が配置された軸受カップを軸受孔に挿入する第三工程（ｃ）では転動体を軸部の外周面に圧接させる必要がなく、軸部の周囲に正すきまがある状態で転動体を配置することができるので、取り付けの際、軸部の先端及び転動体が損傷することを効果的に防ぐことができる。

この十字軸継手の組立方法において、第二工程における前記一対のアームの先端部の引き離しは、前記各軸受孔の軸心が前記仮想水平線にほぼ一致する程度に当該各アームを弾性変形させるものであることが好ましい。
これにより、軸受カップを圧入する際に、アームの軸受孔と軸受カップの圧入面とが平行になるので軸受孔が不用意に変形することを防止することができる。

本発明によれば、転動体を内周に有する軸受カップを軸部に取り付ける際、各アームが互いに近づく方向に当該各アームに生じる弾性復元力により、同じ軸心方向の一対の軸部の周囲に配置されている前記複数の転動体のすべてを当該軸部の外周面に圧接させているので、軸受カップを軸部に挿入する段階で負すきまを発生させる必要がなく、転動体と軸部の外周面とが非接触又は接触圧が極めて低い状態として軸受カップを挿入することができるため、軸部の先端及び転動体が損傷することを防ぐことができる。これにより、十字軸継手の品質を高め、耐久性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の十字軸継手を有する車両用操舵装置の模式図である。車両用操舵装置１は、一端部が操舵部材（ステアリングホイール）２に連結されたステアリングシャフト３と、一端部が当該ステアリングシャフト３の他端部に本発明の十字軸継手４を介して連結された中間シャフト５と、この中間シャフト５の他端部に本発明の十字軸継手４を介して連結されたピニオンシャフト６と、このピニオンシャフト６の端部近傍に設けられたピニオン歯６ａに噛合うラック歯７ａ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７とを有している。

前記ピニオンシャフト６及びラックバー７により舵取り機構としてのラックアンドピニオン機構が構成されている。ラックバー７は車体に固定されるハウジング８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７の両端部はハウジング８の両側へ突出し、各端部にはそれぞれタイロッド９が結合されている。各タイロッド９は対応するナックルアーム（図示せず）を介して対応する操向輪１０に連結されている。
操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３が回転すると、この回転がピニオン歯６ａ及びラック歯７ａによって自動車の左右方向に沿ったラックバー７の直線運動に変換される。これにより、操向輪１０の転舵が達成される。

図２は、本発明の車両用操舵装置１の要部の側面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面における断面図である。図２においては、ステアリングシャフト３と、ピニオンシャフト６と、これらの両シャフト３，６の間に中間シャフト５が介在しており、この中間シャフト５の両端部をステアリングシャフト３とピニオンシャフト６の各端部にそれぞれ十字軸継手４で連動連結している。

十字軸継手４は、軸受孔１２ａ，１２ａが形成された一対のアーム１２，１２を有するヨーク（第１ヨーク）１１と、互いに直交する４つの軸部１４を有する十字軸１３と、この各軸部１４の外周面１４ａに転動自在に配置された複数の転動体１５と、前記複数の転動体１５を前記各軸部１４の外周側から覆った状態で当該各軸部１４に対して同軸心状に配置された軸受カップ１６とを備えており、同じ軸心方向の一対の前記軸受カップ１６が前記両アーム１２，１２の軸受孔１２ａ，１２ａにそれぞれ嵌合されている。
第１ヨーク１１は、前記ステアリングシャフト３の端部に設けられており、前記中間シャフト５の一端部に設けられた第２ヨーク１７とともに一方の十字軸１３を支持している。第２ヨーク１７は第１ヨーク１１と同様に、軸受孔１８ａ，１８ａが形成された一対のアーム１８，１８を有している。そして、これらの軸受孔１２ａ，１２ａ，１８ａ，１８ａに前記軸受カップ１６が嵌入されている。

この軸受カップ１６に内周には複数の転動体１５が配列されていることから、当該軸受カップ１６を介して、前記十字軸１３の各軸部１４が、ヨーク１１，１７に対して回動自在に支持されることになる。
なお、中間シャフト５の他端部に設けられた第３ヨーク１９とピニオンシャフト６の端部に設けられた第４ヨーク２０との間における構造も同様であり、説明を省略する。

十字軸１３は、胴体部２１と、この胴体部２１の側周面から四方に突出する４つの軸部１４を有している。十字軸１３は鋼製であり、胴体部２１と４つの軸部１４とは鍛造により一体成形されている。
転動体１５は、各軸部１４に対するエッジロードを低減するための部分的なクラウニングが外周面１５ａに形成されているニードルローラよりなる。
軸受カップ１６は、例えば有底円筒状をしており、円筒部１６ａと、この円筒部１６ａの端部と連続している円板部１６ｂとを有している。そして、円筒部１６ａの内周面が軌道面とされている。転動体（ニードルローラ）１５及び軸受カップ１６は鋼製である。

組立完了状態で、軸受カップ１６は、円筒部１６ａにおいてアーム１２の軸受孔１２ａに嵌入された状態にある。また、軸受カップ１６内においては、前記各アーム１２，１２が互いに近づく方向に当該各アーム１２，１２に生じる弾性復元力Ｆ（図７参照）により、同じ軸心方向の一対の軸部１４，１４の周囲に配置されている複数の転動体１５，１５のすべてが当該軸部１４，１４の外周面１４ａ，１４ａに圧接している。

上記十字軸継手４は、次の各工程（ａ）〜（ｄ）により組立てることができる。
（ａ） ヨークを構成する一対のアームに、この一対のアームを貫通する仮想水平線に対して当該アームの先端側に傾斜した方向に軸受孔を形成する第一工程
（ｂ） 前記一対のアームの先端部を互いに引き離した状態で、十字軸を構成する同じ軸心方向の各軸部を前記各軸受孔の内部にセットする第二工程
（ｃ） 内周側に複数の転動体が配置された軸受カップを前記一対のアームの外側から各軸受孔に挿入し、その複数の転動体を前記各軸部の周囲に正すきまがある状態で配置する第三工程
（ｄ） 前記一対のアームに対する引き離しを解除してスプリングバックさせることにより、前記複数の転動体のすべてを前記各軸部の外周面に圧接させる第四工程

図４は、第一工程（ａ）を説明する説明図である。第一工程（ａ）において、ヨーク（第１ヨーク）１１を構成する一対のアーム１２，１２に、この一対のアーム１２，１２を貫通する仮想水平線Ｌ１に対して当該アーム１２，１２の先端側に傾斜した方向に軸受孔１２ａ，１２ａを形成する。なお、ここではヨークを第１ヨーク１１として説明しているが、第２ヨーク１７、第３ヨーク１９及び第４ヨーク２０についても同様であり、説明を省略する。
図４は、軸受孔１２ａ，１２ａが形成された一対のアーム１２，１２を有する第１ヨーク１１を示している。ここで、軸受孔１２ａは、この軸受孔１４ａの中心軸線Ｌ２と、一対のアーム１２，１２を貫通する仮想水平線Ｌ１とが第１ヨーク１１の先端側に傾斜角θを有するように形成されている。この傾斜角θは、軸受カップ１６を圧入する際の軸受圧入荷重で各アーム１２，１２が互いに近づく方向にスプリングバックする量に相当する角度に設定される。この角度は、ヨーク１１の大きさにもよるが、通常０．２〜０．８度から選択され、好ましくは０．４度程度である。

図５は、第二工程（ｂ）を説明する説明図である。第二工程（ｂ）では、第一工程で軸受孔１２ａ，１２ａが形成された一対のアーム１２，１２の先端部を互いに引き離した状態で、十字軸１３を構成する同じ軸心方向の各軸部１４，１４を前記各軸受孔１２ａ，１２ａの内部にセットする。一対のアーム１２，１２の先端部の引き離しは、治具２２，２２の係合部２２ａ，２２ａを各アーム１２，１２の先端部に形成された被係合部１２ｂ，１２ｂに係合させ、各アーム１２，１２をこれらが互いに遠ざかる方向（各アーム１２，１２がスプリングバックする方向と逆の方向）に押し拡げることによって行う。ここで、各アーム１２，１２を、各軸受孔１２ａ，１２ａの軸心が前記仮想水平線Ｌ１にほぼ一致する程度に弾性変形させている。すなわち、各アーム１２，１２は、それぞれ傾斜角θに略等しい角度拡開されている。そして、この状態で、十字軸１３を構成する同じ軸心方向の各軸部１４，１４を、その軸心が前記仮想水平線Ｌ１にほぼ一致するように各軸受孔１２ａ，１２ａの内部にセットする。

図６は、第三工程（ｃ）を説明する説明図である。第三工程（ｃ）では、内周側に複数の転動体１５が配置された軸受カップ１６を前記一対のアーム１２，１２の外側から各軸受孔１２ａ，１２ａに挿入し、その複数の転動体１５を前記各軸部１４の周囲に正すきまがある状態で配置する。軸受カップ１６の軸受孔１２ａへの圧入は、複数の転動体１５を各軸部１４の周囲に正すきまがある状態で行うことができるので、転動体１５の外周面１５ａと軸部１４の外周面１４ａとが接触することを防ぐことができる。これにより、軸部１４の先端及び転動体１５の損傷を防止できる。この圧入は、軸受カップ１６の内底面１６ｃと軸部の軸端面１４ｂが接触するまで行われる。そして、軸受孔１２ａの開口端側の内周部にかしめ加工を行って軸受カップ１６の抜けを防止する。

図７は、第四工程（ｄ）を説明する説明図である。第四工程（ｄ）では、前記一対のアーム１２，１２に対する引き離しを解除してスプリングバックさせることにより、前記複数の転動体１５，１５のすべてを前記各軸部１４，１４の外周面１４ａ，１４ａに圧接させる。治具２２，２２とアーム１２，１２の先端部の係合を解除することにより、一対のアーム１２，１２を互いに近づく方向にスプリングバックさせるが、スプリングバックする量はほぼ傾斜角θに等しいことから、このスプリングバックにより一対のアーム１２，１２はほぼ図４の状態に戻ることになる。この各アーム１２，１２に生じる弾性復元力Ｆによって、一対の軸部１４，１４の周囲に配置されている複数の転動体１５のすべてが当該軸部１４，１４の外周面１４ａ，１４ａに圧接させられ、複数の転動体１５のすべてと当該軸部１４，１４の外周面１４ａ，１４ａとの間が負すきまになる。また、第二ヨーク１７のアーム１８，１８の軸受孔１８ａ，１８ａにおいても同様に、内周に複数の転動体１５を配列した軸受カップ１６を同じ軸心方向の一対の軸部１４，１４に取り付ける。

なお、この組立前において、十字軸１３の軸部１４の基端側には環状のシール部材２３が予め取り付けられている。また、軸受カップ１６の開口側の端部には、円筒部１６ａの端部から径方向内方に折り曲げられた円環状の鍔部１６ｄが形成されている。そして、このシール部材２３と鍔部１６ｄとが接触することにより、転動体１５側へ異物が侵入することを防いでいる。

十字軸継手４は、上記組立方法によって組立てられるが、第四工程（ｄ）において一対のアーム１２，１２に対する引き離しを解除してスプリングバックさせることで、複数の転動体１５のすべてを各軸部１４の外周面１４ａに圧接させているので、内周側に転動体１５が配置された軸受カップ１６を軸受孔１２ａに挿入する第三工程（ｃ）で転動体１５を軸部１４の外周面１４ａに圧接させる必要がない。すなわち、転動体１５と軸部１４の外周面１４ａとが非接触又は接触圧が極めて低い状態として軸受カップ１６を挿入することができるので、取り付けの際、軸部１４の先端及び転動体１５が損傷することを防ぐことができる。

この十字軸継手４において、複数の転動体１５が、軸部１４に対するエッジロードを低減するための部分的なクラウニングが外周面１５ａに形成されたニードルローラよりなっているので、転動体１５の外周面１５ａの軸方向端部への応力集中を防いで各軸部１４に対する接触面圧を適正化することができる。また、アーム１２のスプリングバックにより転動体１５の端面が軸部１４の外周面１４ａに斜めに接触することになるが、転動体１５の外周面１５ａに部分的なクラウニングが形成されていることにより、転動体１５の端面が軸部１４の外周面１４ａに沿って接することができるため、高トルク伝達を行うことが可能になる。

この十字軸継手４の組立方法では、第二工程（ｂ）において一対のアーム１２，１２の先端部の引き離しを、各軸受孔１２ａ，１２ａの軸心が仮想水平線Ｌ１にほぼ一致する程度に当該各アーム１２，１２を弾性変形させているので、軸受カップ１６を圧入する際に、アーム１２，１２の軸受孔１２ａ，１２ａと軸受カップ１６，１６の圧入面（円筒部）１６ａ，１６ａとが平行になり、これにより軸受孔１２ａ，１２ａが不用意に変形することを防止することができる。

なお、本発明の十字軸継手は、図示する形態に限らずこの発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。上記実施形態では、軸部１４の軸端面１４ｂ全面が軸受カップ１６の内底面１６ｃに当接しているが、軸端面１４ｂ全面が当接している必要はなく、その一部が当接するような形状でもよく、例えば軸端面１４ｂに突起部を形成してもかまわない。

本発明の十字軸継手を有する車両用操舵装置の模式図である。 本発明の車両用操舵装置の要部の側面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面における断面図である 十字軸継手の組立方法の第一工程（ａ）を説明する説明図である。 同じく第二工程（ｂ）を説明する説明図である。 同じく第三工程（ｃ）を説明する説明図である。 同じく第四工程（ｄ）を説明する説明図である。 従来の十字軸継手の組立方法を説明する説明図である。

符号の説明

１ 車両用操舵装置
３ ステアリングシャフト
４ 十字軸継手
５ 中間シャフト
６ ピニオンシャフト
１１ 第１ヨーク
１２ アーム
１２ａ 軸受孔
１３ 十字軸
１４ 軸部
１５ 転動体
１６ 軸受カップ
２２ 治具

Claims (5)

1. 軸受孔が形成された一対のアームを有するヨークと、互いに直交する４つの軸部を有する十字軸と、この各軸部の外周面に転動自在に配置された複数の転動体と、前記複数の転動体を前記各軸部の外周側から覆った状態で当該各軸部に対して同軸心状に配置された軸受カップとを備えており、同じ軸心方向の一対の前記軸受カップが前記両アームの軸受孔にそれぞれ嵌合されている十字軸継手において、
   前記各アームが互いに近づく方向に当該各アームに生じる弾性復元力により、同じ軸心方向の一対の前記軸部の周囲に配置されている前記複数の転動体のすべてを当該軸部の外周面に圧接させていることを特徴とする十字軸継手。
2. 前記複数の転動体は、前記軸部に対するエッジロードを低減するための部分的なクラウニングが外周面に形成されたニードルローラよりなる請求項１に記載の十字軸継手。
3. 操舵部材を有するステアリングシャフトと、
   ラックアンドピニオン機構を構成するピニオン歯を有するピニオンシャフトと、
   これらの両シャフトの間に介在された中間シャフトと、
   この中間シャフトの両端部を前記ステアリングシャフトと前記ピニオンシャフトの各端部にそれぞれ連動連結する請求項１又は２に記載の十字軸継手とを備えている車両用操舵装置。
4. 次の各工程（ａ）〜（ｄ）を含む十字軸継手の組立方法。
   （ａ） ヨークを構成する一対のアームに、この一対のアームを貫通する仮想水平線に対して当該アームの先端側に傾斜した方向に軸受孔を形成する第一工程
   （ｂ） 前記一対のアームの先端部を互いに引き離した状態で、十字軸を構成する同じ軸心方向の各軸部を前記各軸受孔の内部にセットする第二工程
   （ｃ） 内周側に複数の転動体が配置された軸受カップを前記一対のアームの外側から各軸受孔に挿入し、その複数の転動体を前記各軸部の周囲に正すきまがある状態で配置する第三工程
   （ｄ） 前記一対のアームに対する引き離しを解除してスプリングバックさせることにより、前記複数の転動体のすべてを前記各軸部の外周面に圧接させる第四工程
5. 第二工程における前記一対のアームの先端部の引き離しは、前記各軸受孔の軸心が前記仮想水平線にほぼ一致する程度に当該各アームを弾性変形させるものである請求項４に記載の十字軸継手の組立方法。

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