JP2013130276A - テーパスナップリング及びその固定構造 - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向に大きな荷重が負荷された場合でも、脱落を防止することができるテーパスナップリングおよびその固定構造を提供する。
【解決手段】外径側に向かうに従って板厚ｔが次第に小さくなるように傾斜する傾斜面６６を有し、組込み前における外径Ｄが４３．６ｍｍ以上、且つ板厚ｔ／外径Ｄ≧０．０３９７であるテーパスナップリング１０は、ハウジング３２に設けられた環状係止溝４５に係止されて被固定部材である外輪４２を固定する。環状係止溝４５は、テーパスナップリング１０の傾斜面６６と接触し、溝底側の溝幅が次第に狭くなるように傾斜する傾斜溝側面４７を備え、傾斜面６６の傾斜角αは、傾斜溝側面４７の傾斜角βより大きい。
【選択図】図４

Description

本発明は、テーパスナップリング及びその固定構造に関し、例えば、ラックアンドピニオン式ステアリング装置におけるピニオン軸を回転自在に支持する軸受をハウジングに固定するのに好適なテーパスナップリング及びその固定構造に関する。

従来、スナップリングは、軸やハウジングに対して軸受等の被固定部材を軸方向に固定する固定具として多用されており、ラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸を支持する軸受の固定にも使用されている。しかしながら、スナップリングを固定した際、各部材寸法の製造上のバラツキにより軸方向に隙間が生じることがあり、ラックアンドピニオン式ステアリング装置では、この隙間が異音発生の原因となる。

このような軸方向の隙間を防止するスナップリングとして、軸またはハウジングとの接触面を傾斜させたテーパスナップリングが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のテーパスナップリングでは、側面の一部を円錐面にして軸断面をくさび形とし、また、断面の傾斜角を、止め輪と溝側の側面とが接触する摩擦角より十分小さい角の余角としている。
また、他のスナップリングとしては、ロック部材を用いて、スナップリング挿嵌後の緩みや抜け出しを防止するようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−２１７６２４号公報 実開平６−１４５２３号公報

ところで、特許文献１のようなテーパスナップリングでは、軸方向に大きな荷重が負荷されると、傾斜面によって径方向の分力が生じ、この分力の影響によりスナップリングが脱落する可能性があった。これを防ぐため、傾斜面の角度を小さくすると、軸方向の隙間を防止するための位置調整機能が低下するという問題が生じる。また、被固定部材の面取りが大きい場合には、テーパスナップリングを傾斜させる方向のモーメント荷重が作用してテーパスナップリングの傾きが増加し、脱落が促進されることがある。このため、従来では、被固定部材とテーパスナップリングとの間に、面取りが小さい板を挿入するという解決方法もあるが、部品点数が増加するため、コストアップとなる。
また、特許文献２においても、スナップリングと別部材であるロック部材が必要であり、部品点数の増大と共に、ロック部材の組付けコストが嵩むという問題点があった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、軸方向に大きな荷重が負荷された場合でも、脱落を防止することができるテーパスナップリング及びその固定構造を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 一側面に軸線に直角な平面を有し、他側面に外径側に向かうに従って板厚が次第に小さくなるように傾斜する傾斜面を有するテーパスナップリングであって、
前記テーパスナップリングは、組込み前における外径が４３．６ｍｍ以上であり、
該外径をＤ、板厚をｔとすると、ｔ／Ｄ≧０．０３９７であることを特徴とするテーパスナップリング。
（２） （１）に記載のテーパスナップリングと、前記テーパスナップリングを係止する環状係止溝が設けられたハウジングと、を備え、前記環状係止溝に係止される前記テーパスナップリングにより被固定部材を前記ハウジングに固定するテーパスナップリングの固定構造であって、
前記環状係止溝は、前記テーパスナップリングの前記傾斜面と接触し、溝底側の溝幅が次第に狭くなるように傾斜する傾斜溝側面を備え、
前記傾斜溝側面の内周縁は、前記傾斜面の内側縁よりも外径側に位置し、
前記傾斜面の傾斜角は、前記傾斜溝側面の傾斜角より大きいことを特徴とするテーパスナップリングの固定構造。
（３） 前記被固定部材は、ラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸を回動自在に支持する軸受であることを特徴とする（２）に記載のテーパスナップリングの固定構造。

本発明のテーパスナップリングによれば、前記テーパスナップリングは、組込み前における外径が４３．６ｍｍ以上であり、外径をＤ、板厚をｔとすると、ｔ／Ｄ≧０．０３９７であるので、テーパスナップリングの剛性を高めることができ、大きな軸方向力が作用してもテーパスナップリングの傾きが抑制されてハウジングの環状係止溝から脱落することを防止することができる。

また、テーパスナップリングの傾斜面と接触する環状係止溝の溝側面には、溝底側の溝幅が次第に狭くなるように傾斜する傾斜溝側面が形成され、傾斜溝側面の内周縁は、傾斜面の内側縁よりも外径側に位置し、傾斜面の傾斜角は、傾斜溝側面の傾斜角より大きいので、テーパスナップリングの傾斜面と環状係止溝とは、常に環状係止溝の内周縁である角部（支点）で接触する。これにより、被固定部材に軸方向力が作用したとき、テーパスナップリングが被固定部材から受ける軸方向力の作用点と、支点との距離が小さくなり、テーパスナップリングに作用するモーメント荷重を小さくすることができ、テーパスナップリングの傾きが抑制されて環状係止溝からの脱落を防止することができる。

更に、本発明のテーパスナップリングは、ラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸を回動自在に支持する軸受をハウジングに固定しているので、ステアリング操作により両方向のスラスト力が作用するピニオン軸をガタつきなく、確実に支持することができる。

本発明に係るテーパスナップリングの固定構造が適用されたラックアンドピニオン式ステアリング装置の全体斜視図である。 ラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸をハウジングに固定するテーパスナップリングの固定構造の断面図である。 （ａ）はテーパスナップリングの平面図、（ｂ）はＡ‐Ａ線断面図である。 図２の円Ｂで囲む部分の拡大図である。 テーパスナップリングの板厚/外径と剛性との関係を一般的なテーパスナップリングとの剛性比で示すグラフである。 テーパスナップリングの傾斜角度αが傾斜溝側面の傾斜角βより小さい場合のモーメント荷重を説明するための図である。

以下、本発明に係るテーパスナップリングの固定構造の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るテーパスナップリングの固定構造がピニオン軸の固定に適用されたコラムアシスト型ラックアンドピニオン式ステアリング装置の全体斜視図、図２はピニオン軸をハウジングに固定するテーパスナップリングの固定構造の断面図である。

図１に示すように、本実施形態のコラムアシスト型ラックアンドピニオン式パワーステアリング装置２０は、ステアリングホイール２１の操作力を軽減するために、ステアリングコラム２２の中間部に取り付けたモータ２３の操舵補助力をステアリングシャフトに付与している。そして、ステアリングシャフトの回転を中間シャフト２４に伝達し、ピニオン軸２５を介してラックアンドピニオン式のステアリングギヤ２６のラック軸３０（図２参照）を往復移動させ、タイロッド２７を介して舵輪を操舵している。

図２に示すように、ラックアンドピニオン式ステアリング装置２０は、ステアリング操作により回転する不図示のステアリングシャフトに連結されたピニオン軸２５と、ピニオン軸２５のピニオンギヤ２８にラック歯３１が噛合するラック軸３０とを備え、ハウジング３２内に収納されている。ピニオン軸２５は、ピニオンギヤ２８より上部の上軸部３３が、ボール軸受３４によりハウジング３２に回転自在に軸支され、ピニオンギヤ２８より下部の下軸部３５が、ニードル軸受３６によってハウジング３２に回転自在に支持されている。

ボール軸受３４の内輪４０は、ピニオン軸２５の上軸部３３に外嵌し、ピニオン軸２５の溝３７にカシメられたカシメリング３８により、ピニオン軸２５の段部４１との間に押圧固定されている。また、ボール軸受３４の外輪４２（被固定部材）は、ハウジング３２に形成された段付き軸受孔４３に内嵌する。外輪４２は、下面４２ｂが段付き軸受孔４３の段部４４に当接し、上平面４２ａが段付き軸受孔４３に設けられた環状係止溝４５に装着されたテーパスナップリング１０に当接して固定されている。

ラック軸３０は、その軸方向がピニオン軸２５の軸方向と交差する方向（図中紙面に直交する方向）に配置され、軸方向の一側面（ピニオン軸２５側）に形成されたラック歯３１がピニオンギヤ２８に噛合して、軸方向に往復直線運動可能にハウジング３２に支持されている。ラック軸３０の両端には、タイロッド２７に連結された不図示のボールジョイントソケットが接続されている。

ラック軸３０を挟んでピニオンギヤ２８と反対側には、ローラ収容空間５０が凹設された略円筒形のラックガイド５１が、ハウジング３２に設けられたラックガイド収容室５２に摺動自在に嵌合している。ラックガイド５１は、ラックガイド収容室５２に案内されてラック軸３０に接近および離間する方向に移動可能である。

ラックガイド５１のローラ収容空間５０には、ラック軸３０の背面３０ａを転動しながら支持するローラ５３、およびニードル軸受５４を介してローラ５３を回動自在に支持する支持軸５５が収容されている。支持軸５５の軸方向は、ラック軸３０の直線運動方向、即ち、ラック軸３０の軸方向と直交して配置されている。ローラ５３には、ラック軸３０の凸円筒状の背面３０ａの曲率と略同じ曲率を有する凹円弧状面５６が形成され、不図示のばねによってラック軸３０の背面３０ａに押圧されている。これにより、ピニオンギヤ２８とラック歯３１との噛合い部のバックラッシュを吸収して、ラック軸３０が円滑に移動するようにしている。

図３は、ボール軸受３４の外輪４２をハウジング３２に固定するテーパスナップリング１０の平面図及び断面図であり、略Ｃ字型に形成され、環状係止溝４５に装着されたとき拡径方向にばね力が作用するリング部６１と、リング部６１の両端に形成されたフック部６２とからなる。リング部６１の一方の側面は平面６３であり、他方の側面には、平面６３と略平行に内径側に設けられた内側平面６５と、該内側平面６５の外径側に設けられ、外径側に向かうに従って板厚が次第に小さくなるように傾斜する傾斜面６６とが形成されている。

傾斜面６６の傾斜角度αは、後述する環状係止溝４５の傾斜溝側面４７との関係で設定されればよいが、本実施形態では、一般に市販されているテーパスナップリングの標準的な傾斜角度と同じ、１５°とされている。傾斜角度αが大きいと、軸方向の位置調整機能が高まる一方、環状係止溝４５から脱落し易くなり、傾斜角度αが小さいと、脱落し難くなる一方、軸方向の位置調整機能が低下する。フック部６２には、テーパスナップリング１０を環状係止溝４５に装着する際、リング部６１の外径を縮径するための工具（図示せず）が挿入される一対の作業孔６７が設けられている。

ハウジング３２に形成された環状係止溝４５は、軸方向においてボール軸受３４寄りで、外輪４２の上平面４２ａに対して平行な平行溝側面４６と、この平行溝側面４６と軸方向において対向し、平行溝側面４６に対して溝底側の溝幅が狭くなるように傾斜する傾斜溝側面４７と、を有する。

そして、テーパスナップリング１０は、傾斜面６６が傾斜溝側面４７と対向するようにして、リング部６１の外径を縮径させながら、環状係止溝４５内に組み込む。これにより、図４に示すように、ハウジング３２の段付き軸受孔４３に内嵌する外輪４２は、テーパスナップリング１０の平面６３が外輪４２の上平面４２ａに、傾斜面６６が傾斜溝側面４７にそれぞれ当接することによって固定される。

また、環状係止溝４５は、平行溝側面４６が外輪４２の上平面４２ａよりも僅かに（例えば、０．１ｍｍ程度）低くなるように加工されている。従って、テーパスナップリング１０を環状係止溝４５に装着したとき、テーパスナップリング１０の平面６３と、環状係止溝４５の平行溝側面４６との間には、隙間Ｃが形成される。これにより、テーパスナップリング１０及び環状係止溝４５の製造上の精度誤差が吸収されて、テーパスナップリング１０のばね力が有効に作用した状態で外輪４２を固定することができ、外輪４２のガタツキを防止して異音の発生を抑制する。

このように外輪４２を固定するテーパスナップリング１０に対して大きな軸方向力Ｐが作用すると、反力の作用点である傾斜溝側面４７の内周縁４８の位置が径方向にずれているため生じるモーメント荷重によりテーパスナップリング１０が図中反時計方向に傾き、この傾き角は軸方向力Ｐの増加に伴って大きくなる。このため、本実施形態では、テーパスナップリング１０の傾きを抑制するために、テーパスナップリング１０の剛性を大きくする。ここで、剛性とは、ボール軸受３４に負荷される軸方向力Ｐと、外輪４２の軸方向変位との比である。

剛性は、テーパスナップリング１０の板厚を厚くすることで効果的に大きくすることができる。ここで、板厚ｔは、テーパスナップリング１０の板厚が最大の部分の板厚であり、外径Ｄは、組込み前における外径である。なお、本実施形態では、組込み前における外径Ｄが４３．６ｍｍ以上のものが使用されており、これは、本実施形態のボール軸受３４の外輪４２を固定するのに適用されるテーパスナップリング１０の通常サイズであり、呼び径４０の外径の寸法公差を考慮した値（組込み前における外径４４．２５ｍｍ＋０．９、−０．６５）である。なお、外径Ｄの上限は、ピニオン軸２５を支持するボール軸受３４を固定するのに使用可能な範囲としている。

図５は、ＦＥＭ解析による板厚ｔ／外径Ｄと剛性比との関係を示している。剛性比とは、ピニオン軸２５を支持するボール軸受３４を固定するために用いられる一般的なテーパスナップリング（市販されているテーパスナップリング）の剛性を１．０とした場合の比である。また、本出願人が市販テーパスナップリングを調査したところ、一般的なテーパスナップリングの板厚ｔ／外径Ｄは０．０３４３であった。

図５に示すように、板厚ｔ／外径Ｄを、一般的なテーパスナップリングの値の約２倍（ｔ／Ｄ＝０．０６８６）にすると、剛性を約５倍に大きくできることが分かる。従って、本実施形態のテーパスナップリング１０では、外径ＤをＤ≧４３．６ｍｍとし、また板厚ｔ／外径Ｄを、一般的なテーパスナップリングの値に対して約１５％以上大きい値、ｔ／Ｄ≧０．０３９７とした。これにより、テーパスナップリング１０の剛性は約５０％増加し、軸方向力Ｐが作用したときのテーパスナップリング１０の傾きが抑制されて、環状係止溝４５からの脱落を効果的に防止することができる。また、このような形状のテーパスナップリング１０は、プレス加工により容易に製作することができ、製造コストの上昇を抑制することができる。

また、板厚ｔは、製造工程能力等の要因により制限され、ある程度の上限が設定されることから、上限の板厚ｔを用いてｔ／Ｄを大きな値とすることが望ましい。さらに、外径Ｄと板厚ｔの寸法公差を考慮し、板厚ｔに、製造工程能力の制約がなくなった場合には、板厚ｔを大きくして、ｔ／Ｄを大きな値とすることが望ましい。

また、寸法公差を考慮した組込み前の外径Ｄが４６．２ｍｍ以上である、呼び径４２ｍｍのテーパスナップリング１０を使用する場合には、ｔ／Ｄ≧０．０４０６とすることが望ましい。ただし、外径Ｄが４６．２ｍｍ以上のテーパスナップリング１０においては、一般的な製造工程能力では、板厚ｔの上限は２ｍｍ程度である。

また、図４に示すように、本実施形態では、環状係止溝４５の傾斜溝側面４７の内周縁４８の直径は、テーパスナップリング１０の傾斜面６６の内側縁６４（傾斜面６６と内側平面６５との稜線）の直径よりも大きくなっている。即ち、テーパスナップリング１０が環状係止溝４５に装着されたとき、傾斜溝側面４７の内周縁４８は、テーパスナップリング１０の傾斜面６６の内側縁６４よりも外径側に位置する。

また、テーパスナップリング１０の傾斜面６６の傾斜角度αと、環状係止溝４５の傾斜溝側面４７の傾斜角βとは、傾斜角度αが傾斜角βより大きくなるように設定されている。これにより、テーパスナップリング１０の傾斜面６６と、環状係止溝４５の傾斜溝側面４７との接触点（支点）Ｘは、常に傾斜溝側面４７の内周縁４８となる。
なお、接触する２つの面が平滑であれば、傾斜角度αは、傾斜角βに対してわずかでも大きくすれば効果があるが、例えば、０．１°以上大きくなるように設定されることが好ましい。ただし、あまり差が大きくなると、径方向の分力が大きくなるので、大きくなる量は５°以下が好ましい。

つまり、図４に示すように、テーパスナップリング１０の傾斜面６６は、傾斜溝側面４７の内周縁４８（支点Ｘ）で環状係止溝４５と接触する一方、上平面４２ａの角部に面取りが施されている外輪４２からテーパスナップリング１０に作用する軸方向力Ｐの作用点Ｙは、上平面４２ａの稜線が接触する接触部６８となる。従って、軸方向力Ｐが作用すると、テーパスナップリング１０には、支点Ｘ（内周縁４８）と作用点Ｙ（接触部６８）間の距離Ｌ１と、軸方向力Ｐとの積の大きさのモーメント荷重（Ｐ×Ｌ１）が作用する。このモーメント荷重は、テーパスナップリング１０を傾ける方向の力として働く。

例えば、図６に示すように、上記したテーパスナップリング１０と環状係止溝４５との関係とは逆に、傾斜面６６の傾斜角度αが傾斜溝側面４７の傾斜角βより小さくなるように設定された場合には、傾斜面６６と傾斜溝側面４７とが接触する支点Ｚは、傾斜面６６の最外径部となり、支点Ｚと作用点Ｙ間の距離Ｌ２が距離Ｌ１より大きくなり、モーメント荷重（Ｐ×Ｌ２）も大きくなる。

従って、本実施形態のように、テーパスナップリング１０の傾斜面６６と環状係止溝４５の傾斜溝側面４７を設計することで、テーパスナップリングに作用する軸方向力Ｐの大きさが同じ場合、本実施形態のテーパスナップリング１０に作用するモーメント荷重は、一般的なテーパスナップリングに作用するモーメント荷重より小さくなる。これにより、テーパスナップリング１０の傾きが抑制されて脱落が防止されると共に、ボール軸受３４の軸方向移動が抑制され、ピニオンギヤ２８とラック歯３１との噛み合い位置が適正位置に維持され、異音の発生や操舵力の変動を阻止することができる。

また、傾斜面６６の傾斜角度αを、傾斜溝側面４７の傾斜角βより大きく加工することは容易であり、製造コストの上昇が抑制される。更に、外輪４２の面取りの大きさを小さくすれば、軸方向力Ｐの作用点Ｙが外周側に寄り、支点Ｘと作用点Ｙ間の距離Ｌ１をより小さくすることができ、モーメント荷重も小さくなるので好ましい。なお、外輪４２において、面取りの代わりに丸み加工された場合でも、同様の効果を奏する。

以上説明したように、本実施形態のテーパスナップリング及びその固定構造によれば、テーパスナップリング１０は、組込み前における外径Ｄが４３．６ｍｍ以上であり、外径をＤ、板厚をｔとすると、ｔ／Ｄ≧０．０３９７であるので、テーパスナップリング１０の剛性を高めることができ、大きな軸方向力Ｐが作用してもテーパスナップリング１０の傾きが抑制されてハウジング３２の環状係止溝４５から脱落することを防止することができる。

また、テーパスナップリング１０の傾斜面６６と接触する環状係止溝４５の溝側面には、溝底側の溝幅が次第に狭くなるように傾斜する傾斜溝側面４７が形成され、傾斜溝側面４７の内周縁４８は、傾斜面６６の内側縁６４よりも外径側に位置し、傾斜面６６の傾斜角αは、傾斜溝側面４７の傾斜角βより大きいので、テーパスナップリング１０の傾斜面６６と環状係止溝４５とは、常に環状係止溝４５の内周縁４８である角部（支点Ｘ）で接触する。これにより、ボール軸受３４の外輪４２に軸方向力Ｐが作用したとき、テーパスナップリング１０が外輪４２から受ける軸方向力Ｐの作用点Ｙと、支点Ｘとの距離Ｌ１が小さくなり、テーパスナップリング１０に作用するモーメント荷重を小さくすることができ、テーパスナップリング１０の傾きが抑制されて環状係止溝４５からの脱落を防止することができる。

更に、本発明のテーパスナップリング１０は、ラックアンドピニオン式ステアリング装置２０のピニオン軸２５を回動自在に支持するボール軸受３４をハウジング３２に固定しているので、ステアリング操作により両方向のスラスト力が作用するピニオン軸２５をガタつきなく、確実に支持することができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、上記の実施形態では、ハウジングの内周面に被固定部材としてのボール軸受の外輪を固定するテーパスナップリングについて説明したが、軸の外周面にボール軸受の内輪などの被固定部材を固定するテーパスナップリングに適用することもできる。この場合、傾斜面はテーパスナップリングの内径側に形成し、傾斜溝側面を有する環状係止溝は軸に形成される。

また、コラムアシスト型ラックアンドピニオン式パワーステアリング装置に適用した例について説明したが、ピニオンアシスト型ラックアンドピニオン式パワーステアリング装置やマニュアル型ラックアンドピニオン式ステアリング装置に適用してもよい。

１０ テーパスナップリング
２０ コラムアシスト型ラックアンドピニオン式パワーステアリング装置
２５ ピニオン軸
３２ ハウジング
３４ ボール軸受（軸受）
４２ 外輪（被固定部材）
４５ 環状係止溝
４７ 傾斜溝側面
４８ 傾斜溝側面の内周縁
６３ 平面
６４ 傾斜面の内側縁
６６ 傾斜面
Ｄ 外径
ｔ 板厚
α 傾斜面の傾斜角
β 傾斜溝側面の傾斜角

Claims (3)

1. 一側面に軸線に直角な平面を有し、他側面に外径側に向かうに従って板厚が次第に小さくなるように傾斜する傾斜面を有するテーパスナップリングであって、
   前記テーパスナップリングは、組込み前における外径が４３．６ｍｍ以上であり、
   該外径をＤ、板厚をｔとすると、ｔ／Ｄ≧０．０３９７であることを特徴とするテーパスナップリング。
2. 請求項１に記載のテーパスナップリングと、前記テーパスナップリングを係止する環状係止溝が設けられたハウジングと、を備え、前記環状係止溝に係止される前記テーパスナップリングにより被固定部材を前記ハウジングに固定するテーパスナップリングの固定構造であって、
   前記環状係止溝は、前記テーパスナップリングの前記傾斜面と接触し、溝底側の溝幅が次第に狭くなるように傾斜する傾斜溝側面を備え、
   前記傾斜溝側面の内周縁は、前記傾斜面の内側縁よりも外径側に位置し、
   前記傾斜面の傾斜角は、前記傾斜溝側面の傾斜角より大きいことを特徴とするテーパスナップリングの固定構造。
3. 前記被固定部材は、ラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸を回動自在に支持する軸受であることを特徴とする請求項２に記載のテーパスナップリングの固定構造。

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