JP2007327590A - 十字軸継手及びこれを用いた車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクの伝達不良を防止しつつ耐久性の低下を抑制することができる十字軸継手、及びこれを用いた車両用操舵装置。
【解決手段】十字軸継手１０は、四つの軸部３を有する十字軸１と、軸部３の外周面３ａを転動する複数の針状ころ６と、複数の針状ころ６を介して軸部３に外嵌された有底円筒状の軸受カップ５と、軸受カップ５が挿入された軸受孔２４が設けられたヨーク２２と、を備えている。軸受カップ５の円筒部５ａは、軸受孔２４に圧入された底部側大径部５ｃ及び開口側大径部５ｄの間を繋ぐとともに、外周面５ｅ２が軸受孔２４の内周面から離間しつつ軸方向に沿って径内方向に突出するように湾曲し、内周面５ｅ１が針状ころ６の外周面６ａに当接することで弾性的に僅かに拡径された湾曲部５ｅと、を有している。湾曲部５ｅは、複数の針状ころ６を弾性的に径内方向に押圧することで、針状ころ６を軸部３に対して締り嵌めの状態に維持している。
【選択図】図３

Description

本発明は、十字軸継手及びこれを用いた車両用操舵装置に関する。

自動車等の車輪の操舵を行うための車両用操舵装置においては、ステアリングホイールが取り付けられるコラムシャフトと、ステアリングギヤボックス等の操舵機構を介して操舵車輪を操舵するためのステアリングシャフトと、前記コラムシャフト及びステアリングシャフトを傾動自在に連結した十字軸継手とを有するものがある。
上記車両用操舵装置に用いられる十字軸継手は、胴体部の側周面から四方へ突出した四つの軸部を有する十字軸と、前記軸部の外周面を転動する複数の針状ころと、これら複数の針状ころに外嵌した有底円筒状の軸受カップと、を有している。軸受カップは、前記軸部に外嵌した状態で、前記両シャフトのそれぞれに設けられたヨークに形成された軸受孔に挿入されており、前記軸部は、ヨークの軸受孔に、前記軸受カップを介して挿入されることで、このヨークに対して回動自在とされている。前記十字軸継手は、上記のように十字軸によって両シャフトのヨークを互いに連結することで、両シャフトを傾動自在に連結する。
このような十字軸継手においては、伝達トルクが大きくなると、針状ころに滑りが生じ、がたつきや、脈動等のトルク伝達不良が発生する場合があり、当該車両用操舵装置の操舵感を悪化させることがあった。このため、軸受カップをヨークの軸受孔に挿入することでその内径を縮径させ、針状ころと十字軸の軸部との間を締り嵌め状態とした構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１４８５１８号公報（図４，図５）

上記従来例では、針状ころを締り嵌めの状態とすることで、針状ころの滑りに起因するトルクの伝達不良が抑制される一方、前記軸受カップ及び前記軸部の間で針状ころを所定のしめしろをもって、いわゆる負隙間の状態とされるため、当該十字軸継手に過大な応力が作用すると、前記針状ころの転動面と軸部の外周面との間の接触面圧に応力集中が生じる等、その接触面圧が不均一となる場合があった。前記針状ころと軸部との間の接触面圧が不均一になると、当該針状ころの破損等が生じ易くなったり、針状ころと前記軸部との間でいわゆるエッジロードが生じ易くなったりし、当該十字軸継手の耐久性を低下させてしまうおそれがあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、トルクの伝達不良を防止しつつ耐久性の低下を抑制することができる十字軸継手及びこれを用いた車両用操舵装置を提供することを目的とする。

本発明は、胴体部の側周面から四方へ突出した四つの軸部を有する十字軸と、外周に転動面を有し、前記軸部の外周面を転動する複数の針状ころと、円筒部とこの円筒部の一端側の開口を閉塞する底部とを有し、前記複数の針状ころを介して前記軸部に外嵌された軸受カップと、前記軸受カップが挿入された軸受孔が設けられたヨークと、を備え、前記針状ころが前記軸部及び前記軸受カップの間で締り嵌めの状態に維持されている十字軸継手において、前記軸受カップの円筒部が、軸方向底部側の端部及び開口側の端部に形成されるとともに前記軸受孔に圧入された底部側大径部及び開口側大径部と、前記底部側大径部及び開口側大径部の間を繋ぐとともに、その外周面が前記軸受孔の内周面から離間しつつ軸方向に沿って径内方向に突出するように湾曲し、その内周面が前記複数の針状ころの転動面に当接することで弾性的に僅かに拡径された湾曲部と、を有し、この湾曲部が、前記複数の針状ころを弾性的に径内方向に押圧することで、当該針状ころを前記軸部に対して締り嵌めの状態に維持していることを特徴としている。

上記のように構成された十字軸継手によれば、複数の針状ころが、円筒部の湾曲部の弾性的な押圧によって締り嵌めの状態に維持されるので、針状ころの滑りを防止することができ、当該十字軸継手のトルク伝達不良が生じるのを抑制することができる。
また、複数の針状ころは、湾曲部の弾性的な押圧によって締り嵌めの状態に維持されるので、例えば、当該十字軸継手に過大な応力が作用したとしても、湾曲部が弾性的に拡径し、この湾曲部の弾性によって針状ころに伝わる応力を緩和することができる。このため、当該針状ころと軸部との間の接触面に応力集中が生じる等、接触面圧が不均一になるのを抑制することができ、針状ころ等の破損やエッジロードを防止することができる。この結果、当該十字軸継手の耐久性の低下を抑制することができる。

また、上記十字軸継手において、前記軸受孔の内周面と、前記湾曲部の外周面とが離間することによって形成される隙間の最大値が、５μｍ以上、１０μｍ以下に設定されていることが好ましい。
この場合、過大な応力を緩和する際に、湾曲部が適度に弾性的に拡径するのを許容することができ、より効果的に、針状ころと軸部との間の接触面圧が不均一になるのを抑制することができる。すなわち、前記隙間の最大値が５μｍ未満であると、軸受カップに過大な応力が作用した場合にも、湾曲部が十分に拡径することができず、効果的に応力を緩和することができないおそれがある。また、前記隙間の最大値が１０μｍより大きいと、ヨークと軸部との間に無視できない弾性的な位置ずれが生じ、当該十字軸継手のトルクの伝達不良が生じるおそれがある。

また、上記十字軸継手において、前記軸受孔の内周面には、前記湾曲部における底部側大径部側の端部に当接する壁部が形成されていてもよい。
この場合、当該軸受カップの軸受孔に対する軸方向位置が所定の位置となるように壁部を設けることで、軸受カップを軸受孔に挿入する際、湾曲部の底部側の端部が壁部に当接すると、当該軸受カップは、それ以上の挿入移動が規制されるので、当該軸受カップの軸受孔に対する軸方向位置を確実に所定位置まで挿入することができる。

また、本発明は、ステアリングホイールが取り付けられるコラムシャフトと、操舵機構を介して操舵車輪を操舵するためのステアリングシャフトと、前記コラムシャフト及びステアリングシャフトの間に介在し両者を傾動自在に繋ぐ十字軸継手と、を有する車両用操舵装置において、前記十字軸継手が、上記十字軸継手であることを特徴としている。
このように構成された車両用操舵装置によれば、コラムシャフトとステアリングシャフトとを繋ぐために、上述の十字軸継手を用いたので、両シャフト間のトルク伝達不良を防止でき、操舵感の悪化を抑制できる。また、上述の十字軸継手によって、当該車両用操舵装置としての耐久性の低下を抑制することができる。

本発明の十字軸継手によれば、トルクの伝達不良を防止しつつ耐久性の低下を抑制することができる。また本発明の車両用操舵装置によれば、操舵感の悪化を防ぎつつ耐久性の低下を抑制することができる。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第一の実施形態である車両用操舵装置の要部構成を示す側面図である。
図１中、車両用操舵装置Ｓは、自動車などの車両の操舵車輪を操舵するための装置であり、車両のステアリングホイール（図示せず）が一体回転可能に取り付けられるコラムシャフト３２と、ステアリングギヤボックス等を介して操舵車輪を操舵するためのステアリングシャフト３１と、両シャフト３１，３２の間に介在した中間シャフト３３と、ステアリングシャフト３１と中間シャフト３３との間、及びコラムシャフト３２と中間シャフト３３との間、それぞれに配置され各シャフトを傾動自在に連結している十字軸継手１０と、を備えている。すなわち、十字軸継手１０は、ステアリングシャフト３１及びコラムシャフト３２の間に介在し両シャフト３１，３２を傾動自在に連結している。

以下、上記の十字軸継手１０について詳述する。ステアリングシャフト３１と中間シャフト３３との間に配置された十字軸継手１０は、ステアリングシャフト３１の端部に固定された一対の対向するヨーク２１と、この一対のヨーク２１と互いに組み合わされるとともに中間シャフト３３の端部に固定された一対のヨーク２３と、後述する軸受カップ５等を介して取り付けられヨーク２１，２３を繋ぐ十字軸１とを有している。
また、コラムシャフト３２と中間シャフト３３との間に配置された十字軸継手１０においても、上記同様、コラムシャフト３２の端部に固定された一対の対向するヨーク２１と、中間シャフト３３の端部に固定された一対のヨーク２３と、軸受カップ５等を介してヨーク２１，２３を繋ぐ十字軸１とを有している。

図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。ステアリングシャフト３１に固定された一対のヨーク２１の端部それぞれには、互いに軸線を同一とする軸受孔２２が設けられている。また、中間シャフト３３に固定された一対のヨーク２３の端部それぞれにおいても、互いに軸線を同一とする軸受孔２４が設けられている。
十字軸１は、胴体部２と、この胴体部２の側周面から四方へ突出した四つの軸部３とを有している。十字軸１は鋼製であり、胴体部２と四つの軸部３とは鍛造により一体成形されている。この十字軸１の軸部３には、前記軸部３の外周面３ａを転動する複数の針状ころ６が外周面３ａに沿って配列されている。さらに、軸部３には、有底円筒状の軸受カップ５が、複数の針状ころ６を介して外嵌されている。

軸受カップ５は、鋼板をプレス等によって形成したものであり、内周側に配列された複数の針状ころ６を介して軸部３が挿入された円筒部５ａと、この円筒部５ａの一端側の開口を閉塞する底部５ｂとを有して、有底円筒状とされている。軸受カップ５と、軸部３との間に介在した複数の針状ころ６は、軸受鋼等によって形成されており、その外周面６ａが転動面とされて、軸受カップ５と軸部３との間に転動自在に配置されている。円筒部５ａの端部には、針状ころ６の軸方向位置を保持する折曲部５ｃが形成されるとともに、この折曲部５ｃと軸部３の外周面との開口を閉塞するシール部材１５が配設されている。

軸受カップ５は、軸部３に外嵌した状態で、それぞれ、各ヨーク２１，２３の軸受孔２２，２４に圧入されている。すなわち、各軸部３は、この軸受カップ５及び軸受カップ５の内周側に転動自在に配列された複数の針状ころ６を介して、各ヨーク２１，２３の軸受孔２２，２４に挿入されており、各軸部３は、各ヨーク２１，２３に対して回動自在に支持されている。
なお、中間シャフト３３とコラムシャフト３２との間に配置された十字軸継手１０の構造についても、上記同様であるので、説明を省略する。

図３は、図２中、破線Ａで囲まれた部分を拡大した図である。なお、図３では、理解を容易にするため、後述の湾曲部５ｅと軸受孔２４の内周面２４ａとの隙間Ｓを誇張して示している。
図において、軸受カップ５の円筒部５ａは、底部５ｂ側の端部に形成された底部側大径部５ｃと、当該軸受カップ５の開口側の端部に形成された開口側大径部５ｄと、これら底部側大径部５ｃ及び開口側大径部５ｄの間を繋ぐ湾曲部５ｅと、を有して構成されている。底部側大径部５ｃ及び開口側大径部５ｄは、軸受孔２４の内径寸法に対して締り嵌めとなるように僅かに大径に形成されている。このため、底部側大径部５ｃ及び開口側大径部５ｄは、軸受孔２４に圧入固定されている。

湾曲部５ｅは、その外周面５ｅ２が軸受孔２４の内周面から離間しつつ軸方向に沿って径内方向に突出するように湾曲している。このため、湾曲部５ｅの外周面５ｅ２と、軸受孔２４の内周面２４ａとの間には、隙間Ｓが形成されている。また、この湾曲部５ｅは、当該十字軸継手１０を組み立てた状態で、その内周面５ｅ１が針状ころ６の外周面６ａに当接しており、この針状ころ６に当接することで、隙間Ｓを狭めるように、弾性的に僅かに拡径されている。
また、上記のように隙間Ｓを構成する湾曲部５ｅの外周面５ｅ２及び軸受孔２４の内周面２４ａにおいて、これら外周面５ｅ２と内周面２４ａとの径方向における幅寸法Ｈの最大値は、５μｍ以上、１０μｍ以下に設定される。

このとき、湾曲部５ｅの軸方向両端側は、軸受孔２４に圧入固定された底部側大径部５ｃ及び開口側大径部５ｄに一体に繋がるように形成されているので、湾曲部５ｅの軸方向両端は軸方向に移動しないようにほぼ固定された状態にある。このため、弾性的に僅かに拡径されている湾曲部５ｅには、縮径する方向に弾性的な反力が生じる。この反力が針状ころ６を弾性的に径内方向に押圧するように作用することによって、針状ころ６は、軸部３に対して締り嵌めの状態に維持されている。つまり、針状ころ６は、この針状ころ６が転動する軌道面となる軸受カップ５の湾曲部５ｅの内周面５ｅ１、及び軸部３の外周面３ａに対するラジアル隙間が、湾曲部５ｅの反力によって負隙間とされている。

また、湾曲部５ｅは、その内周面５ｅ１の内、湾曲によって滑らかに突出した部分のみが、針状ころ６の外周面６ａに当接する。これによって、軸受カップ５は、針状ころ６に対してクラウニングを設けた場合と同様の効果が得られる。すなわち、軸受カップ５の湾曲部５ｅは、針状ころ６の両端部以外の部分に対して締り嵌めとなるように反力を作用させる。このため、針状ころ６の両端部に応力が集中するのを防止でき、エッジロードの発生が抑制される。また、針状ころ６と軸受カップ５との間の接触面積も低減されるので、軸受カップ５と針状ころ６との間の転動トルクが低減され、軸受カップ６の回転抵抗を低減することができる。

上記構成の十字軸継手１０は、ヨーク２３に固定された中間シャフト３３、及び、ヨーク２１に固定されたステアリングシャフト３１（コラムシャフト３２）を傾動自在に連結する。また、上記車両用操舵装置Ｓは、運転者が車両のステアリングホイールを回転させることで生じる回転トルクを、コラムシャフト３２から、十字軸継手１０及び中間シャフト３３によって連結されたステアリングシャフト３１に伝達し、操舵車輪を操舵するように構成されている。

上記のように構成された本実施形態による十字軸継手１０によれば、複数の針状ころ６が、軸受カップ５の湾曲部５ｅの弾性的な押圧によって締り嵌めの状態に維持されるので、針状ころ６の滑りを防止することができ、当該十字軸継手１０のトルク伝達不良が生じるのを抑制することができる。
また、複数の針状ころ６は、湾曲部５ｅの弾性的な押圧によって締り嵌めの状態に維持されるので、例えば、当該十字軸継手１０に過大な応力が作用したとしても、湾曲部５ｅが弾性的に拡径し、この湾曲部５ｅの弾性によって針状ころ６に伝わる応力を緩和することができる。このため、当該針状ころ６と軸部３との間の接触面に応力集中が生じる等、接触面圧が不均一になるのを抑制することができ、針状ころ等の破損やエッジロードを防止することができる。この結果、当該十字軸継手１０の耐久性の低下を抑制することができる。

また、上記十字軸継手１０において、湾曲部５ｅの外周面５ｅ２と軸受孔２４の内周面２４ａとの径方向における幅寸法Ｈの最大値は、５μｍ以上、１０μｍ以下に設定されており、このように設定することで、過大な応力を緩和する際に、当該湾曲部５ｅが適度に弾性的に拡径するのを許容することができ、より効果的に、針状ころと軸部との間の接触面圧が不均一になるのを抑制することができる。すなわち、この幅寸法Ｈが５μｍ未満であると、軸受カップ６に過大な応力が作用した場合にも、湾曲部５ｅが十分に拡径することができず、効果的に応力を緩和することができないおそれがある。幅寸法Ｈが１０μｍより大きいと、ヨーク２３と軸部３との間に無視できない弾性的な位置ずれが生じ、当該十字軸継手１０のトルクの伝達不良が生じるおそれがある。

また、本実施形態の車両用操舵装置Ｓによれば、上記のように構成された十字軸継手１０を用いたので、コラムシャフト３２と、ステアリングシャフト３１と間のトルク伝達不良を防止でき、操舵感が悪化するのを抑制できる。また、当該車両用操舵装置Ｓとしての耐久性の低下を抑制することができる。

図４は、本発明の第二の実施形態である車両用操舵装置Ｓの十字軸継手１０の要部を示した断面図である。本実施形態と第一の実施形態との主な相違点は、ヨーク２３の軸受孔２４の内周面２４ａに、湾曲部５ｅの端部に当接した壁部２４ｂが設けられている点である。その他の点については、第一の実施形態と同様なので説明を省略する。

図において、軸受孔２４は、軸受カップ５の底部側大径部５ｃが圧入された大径部２４ｃと、この大径部２４ｃよりも僅かに小径とされるとともに開口側大径部５ｄが圧入された小径部２４ｄと、これら大径部２４ｃ及び小径部２４ｄを繋ぐ壁部２４ｂと、により構成されている。
壁部２４ｂには、軸受カップ５の湾曲部５ｅにおける底部５ｂ側の端部５ｅ３が当接しており、壁部２４ｂは、湾曲部５ｅの端部５ｅ３の内周側の傾斜に一致するような傾斜面に形成されている。また、隙間Ｓは、軸受孔２４の小径部２４ｄの内周面と、湾曲部５ｅの外周面５ｅ２とによって形成されている。

上記構成の十字軸継手１０によれば、軸受カップ５の軸受孔２４に対する軸方向位置が所定の位置となるように壁部２４ｂを設ければ、軸受カップ５を大径部２４ｃ側から軸受孔２４に挿入する際、湾曲部５ｅの端部５ｅ３が壁部２４ｂに当接すると、軸受カップ５は、それ以上の挿入移動が規制されるので、当該軸受カップ５の軸方向位置を確実に所定位置まで挿入することができる。

また、上記実施形態において、軸受孔２４の大径部２４ｃに圧入されている底部側大径部５ｃは、小径部２４ｄに圧入されている開口側大径部５ｄよりも大径にできることで設計上の自由度が増す。このため、例えば、底部側大径部５ｃの肉厚寸法を他の部分の肉厚よりも厚く形成することもできる。この場合、軸受カップ５全体としての剛性及び強度を高めることができ、湾曲部５ｅの弾性変形等によって作用する繰り返し応力による経年劣化を抑制することができる。

また、上記実施形態において、軸受孔２４における大径部２４ｃと小径部２４ｄとの内径寸法の差は、例えば、底部側大径部５ｃ及び開口側大径部５ｄの外形寸法をほぼ同一としたとき、両大径部５ｃ，５ｄに対して大径部２４ｃにおいては中間ばめ、小径部２４ｄにおいては、しまりばめとなる程度の差であってもよい。

本発明の第一の実施形態である車両用操舵装置の要部構成を示す側面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。 図２中、破線Ａで囲まれた部分を拡大した図である。 本発明の第二の実施形態である車両用操舵装置の十字軸継手の要部を示した断面図である。

符号の説明

１ 十字軸
２ 胴体部
３ 軸部
３ａ 外周面
５ 軸受カップ
５ａ 円筒部
５ｂ 底部
５ｃ 底部側大径部
５ｄ 開口側大径部
５ｅ 湾曲部
５ｅ１ 内周面
５ｅ２ 外周面
５ｅ３ 端部
６ 針状ころ
６ａ 外周面（転動面）
１０ 十字軸継手
２１，２３ ヨーク
２２，２４ 軸受孔
２２ａ，２４ａ 内周面
２２ｂ，２４ｂ 壁部
３１ ステアリングシャフト
３２ コラムシャフト
Ｓ 車両用操舵装置

Claims (4)

1. 胴体部の側周面から四方へ突出した四つの軸部を有する十字軸と、
   外周に転動面を有し、前記軸部の外周面を転動する複数の針状ころと、
   円筒部とこの円筒部の一端側の開口を閉塞する底部とを有し、前記複数の針状ころを介して前記軸部に外嵌された軸受カップと、
   前記軸受カップが挿入された軸受孔が設けられたヨークと、を備え、
   前記針状ころが前記軸部及び前記軸受カップの間で締り嵌めの状態に維持されている十字軸継手において、
   前記軸受カップの円筒部が、
   軸方向底部側の端部及び開口側の端部に形成されるとともに前記軸受孔に圧入された底部側大径部及び開口側大径部と、
   前記底部側大径部及び開口側大径部の間を繋ぐとともに、その外周面が前記軸受孔の内周面から離間しつつ軸方向に沿って径内方向に突出するように湾曲し、その内周面が前記複数の針状ころの転動面に当接することで弾性的に僅かに拡径された湾曲部と、を有し、
   この湾曲部が、前記複数の針状ころを弾性的に径内方向に押圧することで、当該針状ころを前記軸部に対して締り嵌めの状態に維持していることを特徴とする十字軸継手。
2. 前記軸受孔の内周面と、前記湾曲部の外周面とが離間することによって形成される隙間の最大値が、５μｍ以上、１０μｍ以下に設定されている請求項１に記載の十字軸継手。
3. 前記軸受孔の内周面には、前記湾曲部における底部側の端部に当接する壁部が形成されている請求項１又は２に記載の十字軸継手。
4. ステアリングホイールが取り付けられるコラムシャフトと、
   操舵機構を介して操舵車輪を操舵するためのステアリングシャフトと、
   前記コラムシャフト及びステアリングシャフトの間に介在し両者を傾動自在に繋ぐ十字軸継手と、を有する車両用操舵装置において、
   前記十字軸継手が、請求項１〜３のいずれか一項に記載の十字軸継手であることを特徴とする車両用操舵装置。

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