JP2009101750A - 車両用ステアリング装置の伸縮軸 - Google Patents

Abstract

【課題】 摺動面の樹脂被膜の摩耗による回転方向ガタによる異音の発生と操舵感の悪化を長期に抑制できる車両用ステアリング装置に使用される伸縮軸を提供する。
【解決手段】 伸縮軸２０は、円柱状の雄スプライン軸２０ａと円筒状の雌スプライン軸２０ｂとをスプライン嵌合させて構成された伸縮軸であって、雄スプライン軸２０ａの外周面に樹脂スリーブ２３が嵌合されている。樹脂スリーブ２３は別体として射出成形したものを雄スプライン軸２０ａに圧入固定してもよく、雄スプライン軸２０ａをコアにしたインサート成形により構成してもよい。樹脂材料にはポリアミド樹脂を使用する。樹脂スリーブ２３の表面は、樹脂スリーブの射出成形或いはインサート成形の際に摺動方向（軸方向）に平行な方向性を有する粗面に形成されている。
【選択図】 図２

Description

この発明は、雄軸と雌軸とを相互に回転不能に且つ軸方向に摺動自在に嵌合させた車両用ステアリング装置の伸縮軸に関する。

車両用ステアリング装置に使用される伸縮軸には、車両が走行する際に発生する軸方向に変位を吸収し、ステアリングホイールにその変位や振動を伝えない性能が要求される。さらに、運転者が車両を運転するのに最適なポジションを得るためにステアリングホイールの位置を軸方向に移動し、その位置を調整する機能が要求される。

これらの伸縮軸に要求される性能のいずれにおいても、伸縮軸は、回転方向のガタ音を低減すること、ステアリングホイールを操作するときの回転方向のガタ感が低減されていること、更に軸方向に摺動するときの摺動抵抗の低減が要求される。

従来の伸縮軸では、雄スプライン軸のスプライン部にポリアミド樹脂（商品名：ナイロン）被膜をコーティングし、さらに雄スプライン軸と雌スプライン軸との摺動部にグリースを塗布し、金属騒音や金属打音等を吸収または緩和すると共に、摺動抵抗の低減と回転方向のガタの低減とを行ってきた（特許文献１参照）。
特開２００６−１２３８２０号公報。

上記した、従来の雄スプライン軸のスプライン部にポリアミド樹脂被膜をコーティングする工程としては、スプライン軸の洗浄→プライマーの塗布→加熱→ポリアミド樹脂のコーティング→粗切削→仕上げ切削→雌スプライン軸との選択嵌合、の工程順に処理されてきた。

最終の仕上げ切削では、既に仕上げ加工済みの雌スプライン軸の加工精度に合わせてダイスを選択し、仕上げ切削加工を行う。伸縮軸の摺動荷重を最小に抑えつつ、ガタをも最小に抑えるため、最終の仕上げ切削加工では数ミクロンづつサイズの異なるダイスを雌スプライン軸にあわせて選び出して加工することを余儀なくされるため、加工コストを高騰させるという不都合が指摘されていた。

また、使用時間が経過するにつれ、雄スプライン軸のスプライン部にコーティングしたポリアミド樹脂被膜の摩耗が進行し、回転方向のガタが増大し、回転方向ガタによる異音の発生や操舵感の悪化を招くという不都合の発生が指摘されていた。

この発明は、上記した不都合を解消し、回転方向ガタによる異音の発生と操舵感の悪化を長期にわたって抑制できる車両用ステアリング装置に使用される伸縮軸を簡単且つ安価に提供することを目的とするものである。

この発明は上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、雄スプライン軸と雌スプライン軸とを相互に回転不能に且つ軸方向に摺動自在に嵌合させた車両用ステアリング装置の伸縮軸において、前記雄スプライン軸と雌スプライン軸との間の摺動面に、方向性のある表面粗さを有する粗面を備えた樹脂層が配置されていることを特徴とする車両用ステアリング装置の伸縮軸である。

そして、前記樹脂層が備える粗面の表面粗さの方向性は、前記雄スプライン軸と雌スプライン軸との摺動方向に対して平行である。

また、前記樹脂層は、前記雄軸の外周面に設けた樹脂スリーブ又は樹脂被膜である。

また、前記樹脂層は、前記雌軸の内周面に設けた樹脂スリーブ又は樹脂被膜であってもよい。

請求項５の発明は、雄軸と雌軸とを相互に回転不能に且つ軸方向に摺動自在に嵌合させた車両用ステアリング装置の伸縮軸において、前記雄軸はその外周面に回転禁止部材を配置し、前記雌軸は前記回転禁止部材を介して前記雄軸に対して摺動自在に嵌合しており、前記回転禁止部材の表面には、方向性のある表面粗さを有する粗面を備えた樹脂層が配置されていることを特徴とする車両用ステアリング装置の伸縮軸である。

そして、前記樹脂層が備える粗面の表面粗さの方向性は、前記雄軸と雌軸との摺動方向に対して平行である。

請求項１の発明では、雄スプライン軸と雌スプライン軸との間の摺動面に配置した樹脂スリーブ又は樹脂被膜が方向性のある表面粗さを有する粗面を備えている。これにより摺動面の摺動荷重の安定性及び摺動面の耐摩耗性を向上させることができる。

請求項５の発明では、雄軸の外周面に回転禁止部材を配置し、雌軸は前記回転禁止部材を介して前記雄軸に対して摺動自在に嵌合しており、前記回転禁止部材の表面に配置した樹脂層が方向性のある表面粗さを有する粗面を備えている。これにより摺動面の摺動荷重の安定性及び摺動面の耐摩耗性を向上させることができる。

［操舵機構の構成の概略］
図１は、この発明の実施の形態の車両用ステアリング装置の伸縮軸を使用した操舵機構１５の構成の概略を説明する図である。

図１において、車体側の取付部材１に上側ブラケット２と下側ブラケット３を介してステアリングコラム４が取付けられている。ステアリングコラム４にはステアリングシャフト５が回転自在に取り付けられ、ステアリングシャフト５の上端にはステアリングホイール６が装着され、その下端にはカルダン継手７を介して中間シャフト８とが連結されている。

中間シャフト８の下端には、カルダン継手９を介してピニオンシャフト１０が連結され、ピニオンシャフト１０に形成されたピニオンにはステアリングラック軸１１のラックが噛合している。ステアリングラック軸１１は、弾性部材１３を介して車体フレーム１２に固定されたラック軸支持部材１４により車体フレームに装着されている。

中間シャフト８は、雄スプライン軸８ａと雌スプライン軸８ｂとを嵌合させた伸縮軸で構成されている。以下、中間シャフト８を伸縮軸８と言う場合がある。

伸縮軸８は、車両が走行する際に発生する軸方向の変位を吸収し、ステアリングホイール６にその変位や振動を伝達しない性能が要求される。このような性能は、車体がサブフレーム構造となっていて、操舵機構１５の上部を固定する車体側の取付部材１と、ラック軸支持部材１４が固定されている車体フレーム１２とが別体となっており、ラック軸支持部材１４がゴムなどの弾性部材１３を介して車体フレーム１２に締結固定されている場合に要求される。

そのほか、カルダン継手９をピニオンシャフト１０に連結する際に、作業者が伸縮軸８を一旦収縮させてからピニオンシャフト１０に嵌合させて連結させる手順をとるので、この点でも軸方向の伸縮機能が求められる。

さらに、操舵機構１５の上部にあるステアリングシャフト５も、雄スプライン軸５ａと雌スプライン軸５ｂとを嵌合させた伸縮軸で構成されている。以下、ステアリングシャフト５を伸縮軸５と言う場合がある。

伸縮軸５は、運転者が車両を運転するのに最適な運転姿勢の確保のためにステアリングホイール６の位置を軸方向に移動して調整するため、軸方向の伸縮機能が求められる。

そして、上記した全ての場合に、伸縮軸には嵌合部の回転方向ガタによる異音発生の低減、ステアリングシャフトの回転方向ガタによる操舵感の悪化の低減、軸方向摺動時の摺動抵抗の低減が要求される。

以下、上記した伸縮軸５及び伸縮軸８の構成の詳細を説明するが、伸縮軸５及び伸縮軸８は同一構成を備えているから以下の説明では共通の伸縮軸として説明するものとする。伸縮軸には複数の実施の形態がある。

［第１の実施の形態の伸縮軸］
第１の実施の形態の伸縮軸２０は、円柱状の雄スプライン軸２０ａと円筒状の雌スプライン軸２０ｂとをスプライン嵌合させて構成された伸縮軸である。図２は第１の実施の形態の伸縮軸２０を分解した斜視図、図３は伸縮軸２０を構成する雄スプライン軸２０ａの横断面図である。

図２及び図３に示すように、雄スプライン軸２０ａの外周面に樹脂スリーブ２３が嵌合されている。雄軸スプライン軸２０ａと雌スプライン軸２０ｂとは、樹脂スリーブ２３を介して摺動可能に接触している。樹脂スリーブ２３は別体として射出成形したものを雄スプライン軸２０ａに圧入固定してもよく、雄スプライン軸２０ａをコアにしたインサート成形により構成してもよい。樹脂材料にはポリアミド樹脂を使用する。

樹脂スリーブ２３の表面は、樹脂スリーブの射出成形或いはインサート成形の際に摺動方向（軸方向）に平行な方向性を有する粗面に形成されている。粗面については、後で詳細に説明する。

［第２の実施の形態の伸縮軸］
上記した第１の実施の形態の伸縮軸は、雄スプライン軸２０ａの外周面に樹脂スリーブ２３が嵌合されているが、伸縮軸はこれに限定されるものではない。

図４は第２の実施の形態の伸縮軸の雌スプライン軸２０ｂの横断面図であって、伸縮軸２０は、雄スプライン軸２０ａと雌スプライン軸２０ｂとをスプライン嵌合させて構成される点では第１の実施の形態の伸縮軸と同じであるが、雌スプライン軸２０ｂの内周面に樹脂スリーブ２４が嵌合されており、雄スプライン軸２０ａには樹脂スリーブが嵌合されていない点で相違する。

雄軸スプライン軸２０ａと雌スプライン軸２０ｂとは、樹脂スリーブ２４を介して摺動可能に接触している。樹脂スリーブ２４は別体として射出成形したものを雌スプライン軸２０ｂに圧入固定してもよく、雌スプライン軸２０ｂの内面にインサート成形により構成してもよい。樹脂材料にはポリアミド樹脂を使用する。

樹脂スリーブ２４の表面は、樹脂スリーブの射出成形或いはインサート成形の際に摺動方向（軸方向）に平行な方向性を有する粗面に形成されている。粗面については、後で詳細に説明する。

［第３の実施の形態の伸縮軸］
第３の実施の形態の伸縮軸は、複数の凸条体と、これに嵌合する中空筒状体とから構成される伸縮軸である。図５は第３の実施の形態の伸縮軸の横断面図、図６は第３の実施の形態の樹脂スリーブを嵌合する前の雄軸の構成を説明する斜視図である。

図５に示すように、第３の実施の形態の伸縮軸３０は、雄軸３１、雌軸３２、及び雄軸３１の外周面に嵌合された環状の樹脂スリーブ３３から構成されている。

雄軸３１は中実柱形状の軸で、その外周には軸心から放射状に突出し、９０度間隔で軸方向に伸びる凸条３４が４個形成されている。また雌軸３２は中空筒状体の軸で、その内周には雄軸３１の軸方向に伸びる凸条３４と同相位置に、軸心に直交する断面が略コ字状の軸方向に伸びる溝３５が４個形成されている。

樹脂スリーブ３３は、中空筒状体のスリーブであって、雄軸３１の軸方向に伸びる凸条３４と雌軸３２の軸方向に伸びる溝３５との間の隙間を埋めるように、雄軸３１の外周面に嵌合されている。雄軸３１と雌軸３２とは、樹脂スリーブ３３を介して摺動可能に接触している。

樹脂スリーブ３３は別体として射出成形したものを雄軸３１に圧入固定してもよく、雄軸３１の外周面にインサート成形により構成してもよい。樹脂材料にはポリアミド樹脂を使用する。

樹脂スリーブ３３の表面は、樹脂スリーブの射出成形或いはインサート成形の際に摺動方向（軸方向）に平行な方向性を有する粗面に形成されている。粗面については、後で詳細に説明する。

［第４の実施の形態の伸縮軸］
第４の実施の形態の伸縮軸は、複数の凸条体と、これに嵌合する中空筒状体とから構成される伸縮軸で、第３の実施の形態の伸縮軸に類似した構成を備えている。図７は第４の実施の形態の伸縮軸の横断面図である。

図７に示すように、第４の実施の形態の伸縮軸４０は、雄軸４１、雌軸４２、及び雄軸４１の外周面に固定された回転禁止部材４３から構成されている。

雄軸４１は中実柱形状の軸で、その外周には軸心から放射状に突出し、１２０度間隔で軸方向に伸びる凸条４４が３個形成されている。また雌軸４２は中空筒状体の軸で、その内周には雄軸４１の軸方向に伸びる凸条４４と同相位置に、軸心に直交する断面が略コ字状の軸方向に伸びる溝４５が３個形成されている。

また、雄軸４１の軸方向に伸びる凸条４４の外周面には、雌軸４２の内面に形成されている軸方向に伸びる溝４５の内面４２ａに当接し、雄軸４１と雌軸４２との相対回転を不能とし、且雄軸４１と雌軸４２との軸方向摺動を許容する回転禁止部材４３が固定されている。雄軸４１と雌軸４２とは回転禁止部材４３のみで摺動可能に接触している。

回転禁止部材４３はポリアミド樹脂の射出成形により形成され、その表面は、射出成形或いはインサート成形の際に摺動方向（軸方向）に平行な方向性を有する粗面に形成されている。粗面については、後で詳細に説明する。

［樹脂スリーブの摩擦試験］
図８は樹脂スリーブの摩擦試験を行う摩擦試験装置５０の概略を説明する図であって、図１に示す樹脂スリーブ２３と雌スプライン軸２０ｂを平板試験片５２と試験球体５１に置き換え、平板試験片５２と試験球体５１との間にグリース５３を添加し、一定荷重Ｆを加えて試験球体５１を固定し、平板試験片５２を往復摺動させて平板試験片５２と試験球体５１とを摩擦させ、平板試験片５２に生じた摩耗痕の深さを測定する。摩擦試験の条件は、以下の通りである。

試験球体５１に加える垂直荷重Ｆ：４９Ｎ（ニュートン）
摺動速度：１０ｍｍ／秒、 摺動距離：５ｍｍ（往復１０ｍｍ）、
往復摺動回数：５万回（総滑り距離：５００ｍ）、
試験球体材料：直径９．５３ｍｍ（３／８インチ）、SUJ2(熱処理なし）、ビッカース硬度ＨＶ：２５０、表面粗さＲａ：０．１５μｍ、
平板試験片の被覆材料：ポリアミド６６樹脂（無機フィラー４０ＷＴ％含有）、
雰囲気：グリース潤滑。

図９は、平板試験片の被覆材料（樹脂スリーブ）であるポリアミド６６樹脂の表面粗さＲａを０．１〜１．２μｍの範囲で変化させて、それぞれの表面粗さを備えた粗面を有する平板試験片５２と試験球体５１とを一定荷重Ｆで接触させて往復摺動して摩擦し、平板試験片５２の被覆材料であるポリアミド６６樹脂に生じた摩耗痕の深さを測定した結果を示す図で、横軸は表面粗さＲａ（μｍ）、縦軸は摩耗痕の深さ（μｍ）、線（ａ）は樹脂表面の粗さ方向に平行に摩擦した場合の摩耗痕の深さ、線（ｂ）は樹脂表面の粗さ方向に直交する方向に摩擦した場合の摩耗痕の深さを示す。

この試験結果によれば、摩耗痕の深さは、樹脂表面の粗さ方向に平行に摩擦した方が、樹脂表面の粗さ方向に直交する方向に摩擦するよりも小さく、ばらつきも小さいことが分かる。

図１０は、上記した摩擦試験における往復摺動回数と摩擦係数の経時変化の試験結果を示す図で、平板試験片の被覆材料であるポリアミド６６樹脂の表面粗さＲａ＝１．２μｍの場合を示す。横軸は往復摺動回数、縦軸は摩擦係数であって、線（ａ）は樹脂表面の粗さ方向に平行に摩擦した場合の摩擦係数、線（ｂ）は樹脂表面の粗さ方向に直交する方向に摩擦した場合の摩擦係数を示す。

この試験結果によれば、摩擦係数の経時変化は、樹脂表面の粗さ方向に平行に摩擦した方が、樹脂表面の粗さ方向に直交する方向に摩擦するよりも小さく、またほぼ一定の値で安定していることが分かる。

以上の試験結果は、樹脂表面の粗さ方向に平行に摩擦した場合、摩擦方向と平行に存在する相手材と接触していない粗面の凹部からグリースが接触界面に供給されること、及び接触界面から生成される摩耗粉等の異物が、摺動方向に平行な樹脂表面の粗面の凹部に逃げ、相手材の摺動により摩擦接触領域から排出されるためと考えられる。

しかしながら、樹脂表面の粗面の粗さが大きい場合は、粗面の凸部が接触的に荷重を受けるため、粗面の凸部が塑性変形し、その結果、操舵時にガタ感を増加させてしまう。そのため、樹脂表面の粗さＲａ＝１．０μｍ以下であることが望ましく、また、樹脂表面の粗さＲａ＝０．０５μｍ以下では接触界面へのグリースの供給機能や及び接触界面から生成される摩耗粉等の異物の排出機能が低下し摩耗が増大するので、樹脂表面の粗さＲａ＝０．５μｍ以上が望ましい。

即ち、上記した試験結果から、樹脂スリーブ２３（図１参照）の表面に、摺動方向に平行な方向性を有する樹脂表面粗さＲａ＝０．０５〜１．０μｍの粗面を設けることにより、摺動荷重の安定性及び耐摩耗性という車両用ステアリング装置の伸縮軸に必要な機能を向上させることができる。

雄スプライン軸と雌スプライン軸との間の摺動面に、方向性のある表面粗さを有する粗面を備えた樹脂層が配置された車両用ステアリング装置の伸縮軸である。

この発明の実施の形態の車両用ステアリング装置の伸縮軸を使用した操舵機構の構成の概略を説明する図。 第１の実施の形態の伸縮軸を分解した斜視図。 第１の実施の形態の伸縮軸を構成する雄スプライン軸の横断面図。 第２の実施の形態の伸縮軸を構成する雄スプライン軸の横断面図。 第３の実施の形態の伸縮軸の横断面図。 第３の実施の形態の樹脂スリーブ嵌合前の雄軸の構成を説明する斜視図。 第４の実施の形態の伸縮軸の横断面図。 樹脂スリーブの摩擦試験を行う摩擦試験装置の概略を説明する図。 樹脂スリーブの摩擦試験結果を説明する図（その１）。 樹脂スリーブの摩擦試験結果を説明する図（その２）。

符号の説明

１ 取付部材（車体側の取付部材）
２ 上側ブラケット
３ 下側ブラケット
４ ステアリングコラム
５ ステアリングシャフト（伸縮軸）
５ａ 雄スプライン軸
５ｂ 雌スプライン軸
６ ステアリングホイール
７、９ カルダン継手
８ 中間シャフト（伸縮軸）
８ａ 雄スプライン軸
８ｂ 雌スプライン軸
１０ ピニオンシャフト
１１ ステアリングラック軸
１２ 車体フレーム
１３ 弾性部材
１４ ラック軸支持部材
１５ 操舵機構
２０ 伸縮軸
２０ａ 雄スプライン軸
２０ｂ 雌スプライン軸
２３、２４ 樹脂スリーブ
３０ 伸縮軸
３１ 雄軸
３２ 雌軸
３３ 樹脂スリーブ
３４ 凸条
３５ 溝
４０ 伸縮軸
４１ 雄軸
４２ 雌軸
４２ａ 内面（雌軸の溝の内面）
４３ 回転禁止部材
４４ 凸条
４５ 溝
５０ 摩擦試験装置
５１ 試験球体
５２ 平板試験片
５３ グリース

Claims (6)

1. 雄スプライン軸と雌スプライン軸とを相互に回転不能に且つ軸方向に摺動自在に嵌合させた車両用ステアリング装置の伸縮軸において、
   前記雄スプライン軸と雌スプライン軸との間の摺動面に、方向性のある表面粗さを有する粗面を備えた樹脂層が配置されていること
   を特徴とする車両用ステアリング装置の伸縮軸。
2. 前記樹脂層が備える粗面の表面粗さの方向性は、前記雄スプライン軸と雌スプライン軸との摺動方向に対して平行であること
   を特徴とする請求項１に記載の車両用ステアリング装置の伸縮軸。
3. 前記樹脂層は、前記雄スプライン軸の外周面に設けた樹脂スリーブ又は樹脂被膜であること
   を特徴とする請求項１に記載の車両用ステアリング装置の伸縮軸。
4. 前記樹脂層は、前記雌スプライン軸の内周面に設けた樹脂スリーブ又は樹脂被膜であること
   を特徴とする請求項１に記載の車両用ステアリング装置の伸縮軸。
5. 雄軸と雌軸とを相互に回転不能に且つ軸方向に摺動自在に嵌合させた車両用ステアリング装置の伸縮軸において、
   前記雄軸はその外周面に回転禁止部材を配置し、前記雌軸は前記回転禁止部材を介して前記雄軸に対して摺動自在に嵌合しており、
   前記回転禁止部材の表面には、方向性のある表面粗さを有する粗面を備えた樹脂層が配置されていること
   を特徴とする車両用ステアリング装置の伸縮軸。
6. 前記樹脂層が備える粗面の表面粗さの方向性は、前記雄軸と雌軸との摺動方向に対して平行であること
   を特徴とする請求項５に記載の車両用ステアリング装置の伸縮軸。

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