JP2009014060A - 自在継手の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来とは異なる思想により、自在継手を容易に製造する方法を提供する。
【解決手段】素材を押し出し成形することで、ヨーク１０ｂと軸部１０ｃとを一体で形成することができるので、ヨーク１０ｂと軸部１０ｃとの結合強度が高く、コンパクトな割に大きなトルク伝達が可能となり、また組付工程の簡素化を図れて部品管理も容易になる。
【選択図】図２

Description

本発明は、十字継手に連結される自在継手の製造方法に関する。

自動車や産業機械などで用いられるトルク伝達系においては、通常、軸受などで支承した回転軸を使用して回転トルクや回転角を伝達している。しかるに、回転トルクや回転角の伝達は、常に直線的に行われる訳ではなく、トルク伝達系を用いる機械のスペースや要求機能によっては、入力軸と出力軸とが角度付けされて配置されることも良くある。例えば、自動車のステアリングコラム装置の動力伝達系においては、ステアリングホイールに連結されたステアリングシャフトを入力軸とし、ここを起点として、車輪を操舵するためのラック・アンド・ピニオン機構におけるピニオン軸（出力軸）へ回転角を遅れなく伝達することが要求される。

ここで、ステアリングホイールは、運転者の手の位置、運転姿勢に鑑みた人間工学的な見地、衝突時の安全、車室内スペースなどから、最適な位置が決まるので、これに応じてステアリングシャフトの角度が変化する。一方、ラック・アンド・ピニオン機構は、入力された回転をステアリングロッド系の直線運動に変換して車輪を操舵するものである。従ってピニオン軸の軸線は、限られたスぺース内でエンジンその他ユニットとの干渉を回避するという理由などから、通常はステアリングシャフトの軸線の延長上にはなく、互いに角度付けされていることが多い。

このように角度付けされた入力軸と出力軸との間で回転トルクや回転角の伝達を行うために、自在継手を用いることが行われている。一般の乗用車等においては、２個の自在継手を用いて、入力軸と出力軸のレイアウトの自由度を高めている。又、衝突時に車両前方側がクラッシュした場合に、自在継手も押されて変位することがあるが、かかる場合にも、ステアリングシャフトが運転者側に突き上げられることを防止するため、自在継手間の軸は回転だけを伝達し伸縮方向には拘束しないように、軸スライダーを用いるのが一般的である。

一般的に、自在継手は十字継手と組み合わせて用いられる。すなわち、十字形をしたスパイダーと呼ばれる軸部材の対向端に、ヨークと呼ばれるコの字状の部材を両側から交差するようにして組み付けている。スパイダーの対向端と、ヨークとの間には、一般的にニードル軸受が配置され、スパイダーに対して２個のヨークが自由にかつ滑らかに回転するようになっている。一方のヨークに入力軸を結合し、他方のヨークに出力軸を結合すると、入力軸と出力軸とが角度付けされていた場合でも、スパイダーがそれぞれのヨークに対して回転することで、入力軸から出力軸へと回転トルクの伝達が遅れなく可能となる。このように自在継手を用いることにより、車内ユニットのレイアウトに自由度をもたせることができ、安全上にも有利な設計となることから、ステアリング系の要素としては欠かせない存在であるといえる。

ところで、ヨークと軸とは一般的に別部材であって結合して用いている。しかし、ヨークと軸の結合は、自動車の機能上、安全上において非常に重要な課題であり、さまざまな工夫がなされている。現在使われている主な結合のタイプは、以下のとおりである。
（１）ヨークと軸を溶接したタイプ。
（２）非円形断面（セレーション含む）の軸をヨークの対応する穴に圧入したタイプ（特許文献１参照）。
（３）セレーションを有する軸を、板材を折り曲げて形成したヨークの対応する穴に圧入し、或いはヨーク側をピンチボルトで締め上げたタイプ（特許文献２参照）。
特開平０７−４２７５０号公報 特開２０００−３２０５６４号公報

ここで、別部材であるヨークと軸とを結合した場合、結合部位に大きなストレスがかかるため、溶接や圧入等の結合強度を高める必要があるが、そうするとヨークと軸のサイズの増大を招くこととなるが、サイズの割には伝達可能なトルクが低いという問題がある。又、ヨークと軸とを別部材とすると、部品管理が煩雑になるという問題もある。これに対し、ヨークと軸とを塑性変形により一体的に形成しようとする試みがある。しかしながら、ヨークの形が複雑であるため、単純な塑性変形でヨークと軸とを一体的に形成することは、未だ困難であるといえる。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、従来とは異なる思想により、自在継手を容易に製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の自在継手の製造方法は、十字継手を支持するヨークと、ヨークにつながる軸部とからなる自在継手の製造方法において、
素材を押し出し成形することで、少なくとも前記ヨークを形成することを特徴とする。

一般的な押し出し成形により形成された素材は、押し出し方向に見た形状は複雑なものとできるが、押し出し方向に交差する方向に見た形状は、一様又は単調であるという特徴を有する。本発明者は、自在継手の固有の形状に着目し、押し出し成形により、ヨークを一体成形することができることを見出したものである。

特に、素材を押し出し成形することで、前記ヨークと前記軸部とを一体で形成することができれば、前記ヨークと前記軸部との結合強度が高く、コンパクトな割に大きなトルク伝達が可能となり、また組付工程の簡素化を図れて部品管理も容易になる。

押し出し成形した素材を、単一のヨーク及び軸部毎に分離（例えば切断や剪断）すると好ましい。

以下、本発明の実施の形態に係る自在継手を用いたステアリング系の概略図である。図１において、車体ＶＢに対して取り付けられたブラケット１は、コラム（ステアリングコラム）３を支持している。コラム３の内部には、ステアリングホイール４に連結され且つ操舵機構であるラックアンドピニオン機構のピニオン軸ＰＳに操舵力を伝達するアッパシャフト５が挿通されており、不図示のベアリングにより回転自在に支持されている。

図１において、アッパシャフト５の下端は、ロワーシャフト８の上端に、軸線方向には変位可能に且つ一体的に回転方向するように取り付けられている。アッパシャフト５とロワーシャフト８とで、ステアリングシャフトを構成する。ロワーシャフト８は、車体ＶＢに固定されたピボット支持点ＰＶに、枢動可能に取り付けられた円筒状のピボットブラケット１２内に保持された軸受１３により回転自在に支持されている。

ロワーシャフト８の下端は、車室とエンジンルームとを隔てる隔壁状のバルクヘッドＢＨの近傍に配置された第１の自在継手９Ａのヨークと、第２の自在継手９Ｂのヨークとは、スパイダー（不図示）を介して連結されている。第２の自在継手９Ｂの軸部は、第３の自在継手１０Ａの軸部に対して、軸線方向に相対変位可能であるが相対回転不能であるように連結されている。第３の自在継手１０Ａのヨークと、第４の自在継手１０Ｂのヨークとは、スパイダー（不図示）を介して連結されている。第４の自在継手１０Ｂの軸部は、ピニオンシャフトＰＳに連結されている。ピニオンシャフトＰＳのピニオンは、不図示のラック軸に噛合しており、ピニオンシャフトＰＳの回転をラック軸の軸線運動に変換することで、不図示の操舵機構を介して車輪を転舵するようになっている。

ここで、ステアリングホイール４を回転させると、その回転運動は、アッパシャフト５，ロワーシャフト８、第１の自在継手９Ａ，第２の自在継手９Ｂ，第３の自在継手１０Ａ、第４の自在継手１０Ｂを介して、ピニオンシャフトＰＳに伝達され、不図示のラックアンドピニオン機構によりラック軸の軸線方向運動に変換されて、必要な角度で車輪を転舵するようになっている。

次に、本実施の形態の自在継手の製造方法を、図面を参照しつつ説明する。図２〜４は、第３の自在継手１０Ａの製造工程を示す図である。

金属であっても押し出し成形性に優れた素材があり、かかる素材を押し出し成形により長手方向に一定の形状を押し出すことができる。そのような素材の一例としては、アルミニウムがよく知られている。本実施の形態においては、アルミニウムを自在継手の素材として用いる。

図２に示すように、先端がコ字状となったスリットＭｓを有する型Ｍ内に、アルミニウムのインゴットを挿入し、圧力をかけてスリットＭｓから押し出すと、押し出されたアルミニウムは、スリットＭｓの断面形状に倣って連続的に押し出される。そこで、点線で示す位置で切断又は剪断すると、図３に示すような自在継手の原型ＭＤが得られる。

更に、図４に示すように、原型ＭＤに対して、コ字状の端部側に円弧状になるような切削／研磨加工を施し、且つスパイダー（不図示）の端部を保持する孔１０ａを穿孔加工することで、ヨーク１０ｂを形成する。又、逆側の端部に鍛造加工を施すことで、４つの側面に長手方向に延在する凹状の窪みを形成して軸部１０ｃを形成する。これにより軸部１０ｃを軸線方向に見た断面は、クローバー状になる。以上で、第３の自在継手１０Ａが形成されることとなる。

本実施の形態によれば、素材を押し出し成形することで、ヨーク１０ｂと軸部１０ｃとを一体で形成することができるので、ヨーク１０ｂと軸部１０ｃとの結合強度が高く、コンパクトな割に大きなトルク伝達が可能となり、また組付工程の簡素化を図れて部品管理も容易になる。

図５〜７は、第２の自在継手９Ｂの製造工程を示す図である。図５に示すように、断面がコ字状のスリットＭｓ’を有する型Ｍ’内に、アルミニウムのインゴットを挿入し、圧力をかけてスリットＭｓ’から押し出すと、押し出されたアルミニウムは、スリットＭｓ’の断面形状に倣って連続的に押し出される。そこで、点線で示す位置で切断又は剪断すると、図６に示すような自在継手の原型ＭＤ’が得られる。

更に、図７に示すように、原型ＭＤに対して、コ字状の端部に円弧状になるような切削／研磨加工を施し、且つスパイダー（不図示）の端部を保持する孔９ａと、軸部との結合用の孔９ｂを穿孔加工することで、ヨーク９ｃを形成する。一方、別個に筒状の素材を鍛造加工して、円筒状の嵌合部９ｄを有する軸部９ｅを形成する。中空の軸部９ｅは、外周が四方向から押圧されて、軸線方向に見たときにクローバー状の周壁となっている。嵌合部９ｄを孔９ｂに圧入嵌合させることで、ヨーク９ｃと軸部９ｅとは一体となり、第２の自在継手９Ｂが形成されることとなる。

ここで、第３の自在継手１０Ａの軸部１０ｃの断面は、第２の自在継手９Ｂの軸部９ｅの断面に対応している。従って、非円形断面である互いの軸部１０ｃ、９ｅ同士を嵌合させることで、第３の自在継手１０Ａと第２の自在継手９Ｂとは、軸線方向に相対変位可能であるが相対回転不能であるように連結されることとなる。

特に自動車分野においては、環境保護の観点より急務とされる燃費向上には軽量化が有利とされ、従って自動車部品としてはアルミニウムなどの軽量素材の活用も望まれているところ、本製造方法は、部品点数、加工・組立工数の削減のみならず、軽量化にも貢献するといえる。しかしながら、本発明で使用する素材としてはアルミニウムに限らず、押し出し成形可能な材料すべてに適用できることはいうまでもない。又、自在継手の使用例として、自動車のステアリング系の例を挙げたが、回転系の軸角度を変換する技術に本発明を広く適用できるものであるから、その適用範囲は自動車分野に止まらないことはいうまでもない。

本発明の実施の形態に係る自在継手を用いたステアリング系の概略図である。 第３の自在継手１０Ａの製造工程を示す図である。 第３の自在継手１０Ａの製造工程を示す図である。 第３の自在継手１０Ａの製造工程を示す図である。 第２の自在継手９Ｂの製造工程を示す図である。 第２の自在継手９Ｂの製造工程を示す図である。 第２の自在継手９Ｂの製造工程を示す図である。

符号の説明

１ ブラケット
３ コラム
４ ステアリングホイール
５ アッパシャフト
６ 操作レバー
８ ロワーシャフト
９Ａ 第１の自在継手
９Ｂ 第２の自在継手
１０Ａ 第３の自在継手
１０Ｂ 第４の自在継手
１２ ピボットブラケット
１３ 軸受
ＢＨ バルクヘッド
ＰＳ ピニオンシャフト
ＰＶ ピボット支持点
ＶＢ 車体

Claims (3)

1. 十字継手を支持するヨークと、ヨークにつながる軸部とからなる自在継手の製造方法において、
   素材を押し出し成形することで、少なくとも前記ヨークを形成することを特徴とする自在継手の製造方法
2. 前記ヨークと前記軸部とは一体で押し出し成形されることを特徴とする請求項１に記載の自在継手の製造方法。
3. 押し出し成形した素材を、単一のヨーク及び軸部毎に分離することを特徴とする請求項２に記載の自在継手の製造方法。

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