JP2011513137A - 減摩被膜を備えたロッド端部 - Google Patents

Abstract

タイロッドエンドは、一方の端部に球形ボールを備えたスタッドと、このボールとの摺動当接のための凹球形軸受滑り面を有する軸受とを含む。ボールまたは軸受滑り面の接触域は、グリースを導流しやすくする潤滑溝を有し、溝を切られた方の部材は、接着された潤滑被膜で被覆されている。潤滑被膜は、初めの予圧トルクを通常望ましくないと知覚されるであろうトルクから望ましいと知覚されるトルクまで減少させる。潤滑被膜は、実質的に、約１０万から５０万サイクルにわたって高接触域上で実質的に消耗され、結果として生じるトルクは、ゼロよりも大きいままであり、これも望ましいと知覚される。

Description

発明の背景
１．技術分野
この発明は、概して、相対可動車両ステアリングコンポーネントを互いに繋ぐための継手に関し、より具体的には、タイロッドエンドに関する。

２．関連技術
車両サスペンション系統およびステアリング系統は、典型的に、タイロッドエンドをステアリングナックルに動作可能に取付けるためのタイロッドエンドボールジョイントおよびこのステアリングナックルをステアリングヨークに結合するためのボールジョイントなどの継手を含む。加えて、遊園地式の乗物または相対可動継手を有する任意の他の用途などの他の用途は、典型的に、繋がれた部品間の相対的な動きを容易にするボールジョイントを有する。タイロッドエンドボールジョイントの組立の直後、概して、予め定められたトルク許容範囲内の、継手の動きに対する摩擦抵抗を組込むことが望ましい。摩擦抵抗またはトルクが高すぎるまたは低すぎる場合、ボールジョイントの使用寿命が短かくなることがあり、さらに、部品が望ましくない状態であることを示す「感触」が知覚されることになるおそれがある。たとえば、タイロッドエンドが望ましい許容限度を超えた摩擦抵抗を示す場合、車両の運転者または整備士は、タイロッドエンドを動かすのに必要な高いトルクを「感じ」、よってタイロッドエンドが望ましいとはいえない状態であると考えることがある。しかしながら、タイロッドエンドが、知覚される品質の「感触」をもたらす初期に望ましいトルクで組立てられる場合、タイロッドエンドの摩擦抵抗は、初期に設定された限度から減少し、よって次第に緩い感触が知覚されることを引起し、タイロッドエンドの交換または整備も引起すおそれがある、というトレードオフが存在する。したがって、タイロッドエンドに初期に高い摩擦抵抗を与えることと、タイロッドエンドに初期に低い摩擦抵抗を与えることとの間には、トレードオフが存在する。

ボールジョイントを被覆して、初期に低減された望ましいレベルの摩擦抵抗を提供し、同時に、ボールジョイントに長い耐用年数を与えるための取組みがなされてきた。しかしながら、ボールジョイントを被覆する既知の取組みはすべて、ボールジョイントの摩擦抵抗が初期に高すぎるままであるか被膜が被覆面から擦り取られるのが早すぎるかのいずれかまたは両方という結果になっている。

発明の概要
少なくとも部分的に「感触」に基づいて耐用年数が延長されたタイロッドエンドが提供される。この発明の１つの局面に従って、タイロッドエンドは、一方の端部に球形のボールを有するスタッドと、このボールとの摺動当接のための凹球形軸受面を有する軸受とを含む。ボールまたは軸受面のうちの一方には潤滑溝が形成されている。さらに、潤滑溝を有するボールまたは軸受面には潤滑被膜が接着されている。

この発明の別の局面に従って、タイロッドエンドは、凸面を備えたボールを有するスタッドと、このボールを支持する凹軸受面を有し、可動継手をともに提供する軸受とを有する。ボールおよび軸受面は、金属製であり、可動継手は、この継手が軸回転サイクル動かされるときのトルクとして測定される、動きに対する特定の抵抗を提供する。トルクは、継手が最初の軸回転サイクル動かされるとき最大であり、それから継手が約１００万軸回転サイクル動かされたときの、より少ないトルクまで曲線に沿って減少する。摩耗可能な減摩被膜がボールおよび軸受面のうち少なくとも一方に塗布され、最初の軸回転サイクルのトルクのレベルを低下させ、そして時間の経過とともに摩耗してトルクを減少させ続けるが、そのような被膜が継手に塗布されなかった場合と実質的に同じレベルのトルクを１００万回目の軸回転サイクルで提供する効果をもたらす。

この発明のさらなる局面に従って、ボールおよび／または軸受の滑り面の接触域は、Sunoloy（登録商標）の名称で販売されるものなどの接着された潤滑被膜で被覆されている。潤滑被膜は、初期予圧トルクを同じ条件下で潤滑被膜が存在しない場合に結果として生じるであろうトルクから望ましいと「知覚される」予め定められたトルクへと減少させる。さらに、潤滑被膜は、約１０万から５０万サイクルにわたる使用中にタイロッドエンドの高接触域で実質的に消耗され、結果として生じるトルクは、約１００万サイクル後、約１０から２０ｉｎ−ｌｂｓであり、これは被膜が組込まれなかった場合に結果として生じるトルクにおおむね相当する。

したがって、潤滑被膜は、望ましい、「知覚される」初期未使用トルク設定をタイロッドエンドに与える。これは、タイロッドエンドの組立直後、特に重要である。知覚されるトルクが初期組立直後、高すぎる場合、タイロッドエンドは、望ましくない状態未満であると知覚されることがある。加えて、潤滑層がボールと軸受との間の接触域で完全にまたは実質的に消耗されている、約１０〜５０万サイクル後などの長期の使用直後、トルクは、ゼロよりも大きいままであり、これも望ましいと知覚される。

図面の簡単な説明
この発明のこれらのおよび他の局面、特徴および利点は、現在好ましい実施例および最良の形態の以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、ならびに添付の図面に関連して考慮されると、より容易に理解されるであろう。

この発明の１つの現在好ましい局面に従って構築されたタイロッドエンドの断面図である。 図１のタイロッドエンドの被覆された上部軸受の平面図である。 図１のタイロッドエンドの被覆された下部軸受の平面図である。 図１のタイロッドエンドのトルクを他の従来のタイロッドエンドと比較してタイロッドエンドのサイクル数に対して説明するグラフである。 図１のタイロッドエンドの荷重下での撓みの量を他の従来のタイロッドエンドと比較してタイロッドエンドのサイクル数に対して説明するグラフである。

現在好ましい実施例の詳細な説明
図面をより詳細に参照して、図１には、この発明の１つの現在好ましい実施例に従って構築された、外側タイロッドエンド「ステアリング」ボールジョイントアセンブリ（以下タイロッドエンド１０と称する）が説明されている。タイロッドエンド１０は、内側タイロッドアセンブリなどの内側ステアリングコンポーネントにアジャスタ等を介して取付けられるように構成された端部１３を備えたタイロッド１１と、一方の端部１６にあるボール１４と車両ステアリング部材にたとえばねじ山１９等によって取付けられるように構成された対向する端部１８とを備えたスタッド１２とを有し、車両ステアリング部材は、ステアリングナックルまたはステアリングヨーク（図示せず）等であり得る。タイロッドエンド１０は、さらに、ボール１４との摺動係合のために構成された軸受アセンブリ２０を含み、ボール１４と軸受アセンブリ２０との間の使用中の荷重は、タイロッド１１の全長に沿って径方向または実質的に径方向であり、約４００〜１８００ｌｂｓなどであり、使用中にスタッド１２の全長に沿ってタイロッドエンド１０にかかる軸方向の荷重は、無視できるものであるかまたは実質的に無く、約１０００から２０００ｌｂｓの範囲にわたる軸方向の力が起こり得る典型的な「サスペンション」ボールジョイントとは異なる。軸受アセンブリ２０は、第１および第２の軸受部を有して設けることができる。軸受部は、それぞれ上部軸受２２および下部軸受２４とも称され、ボール１４の対向する側部と摺動的に係合するように構成されている。軸受アセンブリ２０は、用途のために所望される場合、任意の種類の割り軸受として、または単一で一体構造の材料片から構築された軸受として設けられ得ることが認識されるべきである。さらにまた、タイロッドエンド１０は、一般的に２６に示される摩耗可能な減摩潤滑被膜を含み、この被膜は、ボール１４または軸受アセンブリ２０のうちの一方に塗布または接着されているが、好ましくは両方にではなく、これは、使用中のトルクを増加させることを含めてタイロッドに悪影響を及ぼすことが示されているためである。行なわれた実験で使用された潤滑被膜２６は、たとえば米国登録商標「Sunoloy」の名で購入することができる商標登録されたポリマーベースの被覆材料であり、より具体的には、ミシガン州プリマスにあるSun Coating社製の製品Sunoly４０２である。塗布完了時の潤滑被膜２６により、タイロッドエンド１０は、少なくとも２つの機能特徴が向上する。第１に、潤滑被膜により、初期に組立てられた直後のボール１４と軸受アセンブリ２０との間の摩擦が削減される。第２に、潤滑被膜が、タイロッドエンド１０の約１０〜５０万サイクルなどのタイロッドエンド１０の耐用年数の初期段階にわたってボール１４と軸受アセンブリ２０との間の接触域で実質的に消耗されることによって、ボール１４と上部および下部軸受部２２、２４が示す摩耗が減少することになる。したがって、タイロッドエンド１０を軸回転させるのに必要なトルクが、タイロッドエンドの耐用年数にわたって減少される程度は、潤滑被膜２６が設けられなかった場合よりも少ない。

第１および第２の軸受部２２、２４は、たとえば焼結粉末金属などの任意の適切な金属で構築することができる。各軸受部２２、２４は、対向する端部間に延在するそれぞれの外側円筒壁２８、３０を有し、壁２８、３０は、タイロッド１１のハウジングまたはソケット３１内への収容に適した大きさに作られている。各軸受部２２、２４は、それぞれ、実質的に凹球形の軸受面３２、３４を有し、この軸受面は、ボール１４との摺動当接のためにこのボールとおおむね類似した球面曲率を有する。図２および図３にそれぞれ示されるように、軸受部２２、２４は、軸受面３２、３４から径方向に外向きに延在する複数の潤滑溝３６を有するものとしても示されている。溝３６は、それぞれの軸受部２２、２４の対向する端部間に延在し、各端部を貫通しており、鋭い端縁３７がそれぞれの軸受面３２、３４と溝３６との接合部に形成されている。溝３６は、たとえばグリースなどの潤滑剤を輸送して、軸受アセンブリ内の潤滑剤の加圧状態を防止するように、かつ軸受アセンブリ２０とボール１４との間の摩擦を減少させるように主に作用することによって、タイロッドエンド１０の耐用年数を延長する。溝３６を、所望するように、数多くの形状および深さで形成することができることが理解されるべきである。潤滑剤をさらに流れやすくするために、上部軸受２４は、その最上面を貫通する潤滑スロット３９を有して、潤滑がそこを通って自由に流れることを可能にするものとして示されている。

スタッド１２は、たとえばＡＩＳＩ４１４０鋼などの任意の適切な金属から構築することができる。ボール１４は、ここでは実質的に球形の軸受面３８を有するものとして示され、さらに例として潤滑被膜がないものとして示されているものの、潤滑被膜は、軸受アセンブリ２０ではなくボール１４上に潤滑溝が形成される場合、ボールの軸受面３８上に形成され得る。

潤滑被膜２６は、第１および第２の軸受面３２、３４に塗布され、接着され、ここでは、例として軸受部２２、２４の外側表面全体に塗布されるものとして示されているが、これに限定されない。たとえば浸漬、噴霧、または噴霧および混転プロセス（a spray and tumble process）などの、潤滑被膜２６を軸受面３２、３４に塗布し、接着する任意の適切な方法が企図される。潤滑被膜２６の「接着完了時の」厚みは、マイクロメートルレベルであり、よって積層許容範囲に著しくは影響を与えない。潤滑被膜２６が第１および第２の軸受面３２、３４に直接塗布されているので、潤滑被膜がボール１４のみに塗布されていた場合そうであるだろうように、被膜２６が軸受部２２、２４から擦り取られるのが早すぎる、ということがないことが保証される。これは、ボール１４の軸受面３８を擦る軸受部２２、２４上の端縁３７により起こるであろうものであり、その直後、継手を固くする傾向がある擦り取られた被覆材料により、タイロッドエンド１０のトルクは増大されるであろう。当然ながら、ボール１４が潤滑溝を有すべきで、軸受部２２、２４が潤滑溝なしで構成されるべきであった場合、潤滑被膜２６は逆に塗布され、被膜は、軸受面３２、３４にではなくボール１４の接触域に塗布されるであろう。したがって、潤滑被膜を潤滑溝を有する軸受面に塗布することが好ましい。

図４に最もよく示されるように、潤滑被膜２６は、タイロッドエンド１０の組立直後、初期予圧トルクを、潤滑被膜２６を有さない同じタイロッドエンド１００によって示されるように同じ条件下で潤滑被膜が存在しなかった場合のトルクから減少させる効果を有する。図４のグラフに示される値は、三軸試験シミュレータで得られた。見られるように、潤滑被膜２６の影響は、類似のタイロッドエンド１０、１００間で、初期予圧トルクを約３０から４０ｉｎ−ｌｂｓなど減少させ、タイロッドエンド１００でのおよそ６０ｉｎ−ｌｂｓのレベル（通常望ましくないものとして「感触」によって知覚される）からタイロッドエンド１０における約３０ｉｎ−ｌｂｓの初期予圧トルク（通常良好かつ望ましい部品として「感触」によって知覚される）まで減少させる。

図４には、別の一組のタイロッドエンド２００、３００も示されている。タイロッドエンド２００は、アセタールフロータを備えた標準のツーピースアセタールスナップオーバー均分円軸受（a standard 2 piece acetal snap over equator bearing with an acetal floater）を有し、予圧なしで構築されている。試験時、タイロッドエンド２００は、約２５ｉｎ−ｌｂｓの初期予圧トルクを有した。これは、通常、タイロッドエンド１０よりもわずかによい状態であると知覚される。しかしながら、１００万サイクル試験を行なった後、タイロッドエンド２００の結果として生じる予圧トルクは、約ゼロ（０）まで低下した。これは、通常、欠陥のあるコンポーネントであると知覚され、特に、タイロッドが高い軸方向歪みを伴う場合、そのように知覚される。

タイロッドエンド３００は、軽予圧をベルビル（Bellville）座金または波型座金などで有して構築され、初期予圧トルクは約２４ｉｎ−ｌｂｓである。したがって、タイロッドエンド３００の組立完了時の予圧トルクは、タイロッドエンド１０およびタイロッドエンド２００とおよそ同じである。しかしながら、１００万サイクル試験を行なった直後、タイロッドエンド３００の結果として生じる予圧トルクは、約１２ｉｎ−ｌｂｓまで低下した。これは、タイロッドエンド１０の結果として生じる予圧トルクよりも低い。

タイロッドエンド１０、１００は両方とも、１００万サイクルを完了直後、約２０ｉｎ−ｌｂｓの実質的に同じ予圧トルクになった。したがって、タイロッドエンド１０、１００は、このサイクル試験の完了直後、最良の知覚されたトルクをもたらした。これは、タイロッドエンド１０上の潤滑被膜２６が１００万サイクルにわたる使用中にボール１４と軸受部２２、２４との間の接触域で完全にまたは実質的に消耗され、結果として生じるトルクが約１０〜２０ｉｎ−ｌｂｓであり、これは被膜が塗布されなかった場合の結果として生じるトルクにおおむね相当することによるものである。しかしながら、示されるように、潤滑被膜２６を備えたタイロッドエンド１０は、被膜２６がある結果、タイロッドエンド１００と比較し、著しく減少されかつ改善されたトルクから始め、このトルクは、タイロッドエンド１００のトルクの実質的に２分の１である。

図５に示されるように、タイロッドエンド１０、１００、２００、３００は、別のシミュレーション試験にも掛けられた。この試験では、それらが＋／−２００ｌｂｓの印加荷重下で１００万サイクル試験の過程にわたってどのように歪むかを決定するために、三軸試験シミュレータを用い＋／−２００ｌｂｓの径方向歪み力を印加して値を得た。歪み量は、少ないほどよい。なぜならば、歪みは緩みとして知覚され、緩いタイロッドエンドは、騒音を生じ、ステアリング系統全体のバックラッシュをもたらすおそれがあり、これは、タイヤを含めて多数の他の車両ステアリング部品に悪影響を及ぼすおそれがある。示されるように、タイロッドエンド１０、１００、２００、３００の各々は、約０．００４インチの実質的に同じ歪み量を有して組立てられた。タイロッドエンド２００は、１００万サイクルの終わりで最大の歪みになり、最終歪みは、約０．０１０インチであった。そのため、初期組立でのタイロッドエンド２００の初期予圧トルクは、潤滑被膜２６を備えたタイロッドエンド１０よりもわずかに改善されていたが、結果として生じるトルクおよび結果として生じる歪みは両方とも、はるかに望ましくないものであった。

タイロッドエンド３００は、１００万サイクルの完了時、約０．００８インチの二番目に望ましくない量の歪みを有した。次に、タイロッドエンド１０と実質的に同じだが潤滑被膜２６がないタイロッドエンド１００は、約０．００５インチの歪み量を有した。最後に、タイロッドエンド１０は、約０．００４５インチの最も少ない歪み量を示し、潤滑被膜２６は、１００万サイクル、よりおそらくは約１０万〜５０万サイクルの完了直後、完全にまたは実質的に消耗されていた。したがって、１００万サイクル試験の完了後、最良かつ最も望ましい予圧トルクおよび歪みとなったことからして、潤滑層２６によってタイロッドエンド１０に他のタイロッドエンド１００、２００、３００よりも優れた最良の性能が与えられたと考えることができる。

明らかに、この発明の多くの変形例および変更例が上記の教示に鑑みて可能である。たとえば、上述のように、ボール１４がグリースを導流するための溝を有し、軸受面３２、３４が溝なしで形成され得ることが企図される。したがって、添付の特許請求の範囲内で、この発明は、具体的に説明されたものと違ったように実施されてもよいことが理解されるべきである。

Claims (14)

1. タイロッドエンドであって、
   一方の端部に球形のボールを有するスタッドと、
   前記ボールとの摺動当接のための凹球形軸受面を有する軸受とを備え、
   前記ボールまたは前記軸受面のうちの一方には潤滑溝が形成されており、
   前記ボールまたは前記軸受面のうちの前記一方には潤滑被膜が接着されている、タイロッドエンド。
2. 前記潤滑溝は、前記軸受面に設けられている、請求項１に記載のタイロッドエンド。
3. 前記軸受は、上部軸受部と下部軸受部とを有する割り軸受であり、前記上部および下部軸受部の各々は、前記潤滑溝を有する、請求項２に記載のタイロッドエンド。
4. 前記ボールは、被覆されていない、請求項３に記載のタイロッドエンド。
5. 前記ボールは、前記潤滑溝を有さない、請求項４に記載のタイロッドエンド。
6. 前記上部および下部軸受部の各々は、対向する端部を有し、前記潤滑溝は、前記端部間に延在し、前記端部を貫通する、請求項３に記載のタイロッドエンド。
7. 前記潤滑被膜は、前記潤滑被膜が設けられなかった場合のトルクよりも減少された組立完了時のトルクを前記タイロッドエンドに提供する、請求項１に記載のタイロッドエンド。
8. 前記潤滑被膜は、ポリマーベースである、請求項１に記載のタイロッドエンド。
9. タイロッドエンドであって、
   凸面を備えたボールを有するスタッドと、
   前記ボールを支持する凹軸受面を有し、可動継手をともに提供する軸受とを備え、
   前記ボールおよび前記軸受面は、金属製であり、
   前記可動継手は、前記継手が軸回転サイクル動かされるときのトルクとして測定される、動きに対する特定の抵抗を与え、前記トルクは、前記継手が最初の軸回転サイクル動かされるときに最大であり、そして前記継手が１００万軸回転サイクル動かされたときの、より少ないトルクまで曲線に沿って減少し、
   前記ボールおよび前記軸受面のうちの一方に塗布される摩耗可能な減摩被膜をさらに備え、前記減摩被膜は、最初の軸回転サイクルのトルクのレベルを低下させ、そして時間の経過とともに摩耗してトルクを減少させ続けるが、そのような被膜が前記継手に塗布されなかった場合と実質的に同レベルのトルクを１００万回目の軸回転サイクルで提供する効果を有する、タイロッドエンド。
10. 前記ボールおよび前記軸受面のうちの一方には溝が形成されており、前記ボールと前記軸受面のうち他方には、溝が切られておらず、前記被膜は、溝を切られた方のコンポーネントに塗布される、請求項９に記載のタイロッドエンド。
11. 前記溝は、前記軸受面に形成される、請求項１０に記載のタイロッドエンド。
12. 前記軸受は、上部軸受部と下部軸受部とを有する割り軸受であり、前記上部および下部軸受部の各々は、前記溝を有し、前記被膜を有する、請求項１１に記載のタイロッドエンド。
13. 前記ボールは、被覆されていない、請求項１１に記載のタイロッドエンド。
14. 前記被膜は、ポリマーベースである、請求項９に記載のタイロッドエンド。

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