JP2014088930A - 十字軸式自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】１対のヨーク同士の間に過大な荷重が加わった場合にも、各軸受カップ１１ｃに亀裂等の損傷を発生し難くできる構造を実現する。
【解決手段】前記各軸受カップ１１ｃの底板部１５ｃの中央部に、これら各軸受カップ１１ｃの外面側にドーム状に膨出する膨出部２０を設ける。又、各軸部１２の先端面２１とこれら各軸受カップ１１ｃの底板部１５ｃの内面とのうちの一方の面の一部で前記膨出部２０の開口部を囲む部分に環状突部２２を設ける。そして、前記先端面２１と前記底板部１５ｃの内面とを、この環状突部２２の先端部で当接させる。前記各軸受カップ１１ｃと前記各軸部１２との間に大きなスラスト荷重が加わった場合にも、前記底板部１５ｃの中央部に大きな引っ張り応力が発生しない様にして、前記課題を解決できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばステアリングシャフトの動きをステアリングギヤに伝達する為、自動車のステアリング装置に組み込んだ状態で使用する十字軸式自在継手の改良に関する。具体的には、十字軸式自在継手を構成する１対のヨーク同士の間に過大な荷重が加わった場合にも、構成部品に亀裂等の損傷を発生し難くできる構造を実現するものである。

自動車のステアリング装置は、例えば特許文献１の図８に記載されている如く、図６に示す様に構成している。運転者が操作するステアリングホイール１の動きは、ステアリングシャフト２、自在継手３ａ、中間シャフト４、別の自在継手３ｂを介して、ステアリングギヤユニット５の入力軸６に伝達される。そして、このステアリングギヤユニット５に内蔵したラック＆ピニオン機構により左右１対のタイロッド７、７を押し引きし、左右１対の操舵輪（一般的には前輪）に、前記ステアリングホイール１の操作量に応じて、適切な舵角を付与する様に構成している。

この様なステアリング装置に組み込む自在継手として一般的には、カルダン継手と呼ばれる十字軸継手が、広く使用されている。図７〜８は、前記特許文献１の図９〜１０に記載される等により、従来から広く知られている自在継手の第１例を示している。尚、図７〜８に示した構造は、振動の伝達を防止する、所謂防振継手であるが、本発明の対象となる自在継手は、必ずしも防振構造を具備する必要はない。そこで、以下の説明は、防振構造に就いては省略して、自在継手３の本体部分の構造に就いて行う。

この自在継手３は、十分な剛性を有する金属材によりそれぞれが二又状に形成された１対のヨーク８ａ、８ｂと、軸受鋼の如き合金鋼等の硬質金属により造られた十字軸９とから構成される。これら両ヨーク８ａ、８ｂの両端部には、互いに同心の円孔１０、１０を形成している。そしてこれら各円孔１０、１０に、やはり軸受鋼、肌焼鋼等の硬質金属製の板材により有底円筒状に造られた軸受カップ１１、１１を、互いの開口を対向させた状態で内嵌固定している。又、前記十字軸９は、１対の柱部の中間部同士を互いに直交させた如き形状を有し、それぞれが円柱状である、４箇所の軸部１２、１２を有する。即ち、中心部に設けた結合基部１３の円周方向等間隔４箇所位置に、それぞれ前記各軸部１２、１２の基端部を結合固定している。これら各軸部１２、１２の中心軸は、同一平面上に存在する。

この様な各軸部１２、１２の軸方向中間部乃至先端部は、前記各軸受カップ１１、１１内に挿入している。そして、これら各軸受カップ１１、１１の内周面と前記各軸部１２、１２の先半部外周面との間に、それぞれ複数本のニードル１４、１４を組み込んでラジアルニードル軸受を構成し、前記十字軸９に対して前記両ヨーク８ａ、８ｂが、軽い力で揺動変位する様にしている。この様に構成する為、これら両ヨーク８ａ、８ｂの中心軸同士が一致しない状態でも、これら両ヨーク８ａ、８ｂの間で回転力の伝達を、伝達ロスを僅少に抑えた状態で行える。又、図７〜８に示した従来構造の第１例は、前記各軸受カップ１１、１１の底板部１５の内面と前記各軸部１２、１２の先端部に形成した挿入孔１６、１６との間に合成樹脂製のピン１７、１７を、軸方向に弾性的に圧縮した状態で設けている。そして、前記両ヨーク８ａ、８ｂと前記十字軸９との間のがたつきを防止している。

又、前記特許文献１の図５及び特許文献２には、軸受カップ自身の弾性を利用する事により、上述の様なピン１７、１７を省略して、ヨークと十字軸との間のがたつきを抑える構造が記載されている。図９は、前記特許文献１の図５に記載された、従来構造の第２例を示している。この従来構造の第２例の場合には、各軸受カップ１１ａの底板部１５ａの内面中央部に、十字軸９を構成する各軸部１２の先端面に向けて突出する、部分球面状の突部１８を形成している。そして、自在継手を組み立てた状態で、これら各突部１８の先端部を前記各軸部１２の先端面に当接させている。この様な従来構造の第２例の場合には、上述した従来構造の第１例の様なピン１７、１７、及びこれら各ピン１７、１７を収納する為の挿入孔１６、１６を設ける必要がない分、低コスト化を図れる。

但し、上述の様な従来構造の第２例の場合も、前記各軸受カップ１１ａの損傷を防止して、自在継手の信頼性及び耐久性をより一層向上させる面からは、改良の余地がある。即ち、前記各軸受カップ１１ａを組み込んだ自在継手に加わる荷重が、通常運転時にステアリングホイール１（図６参照）からステアリングギヤユニット５の入力軸６に伝達するトルクに基づく程度の大きさであれば、特に問題を生じる事はない。これに対して、車両が極端な悪路を高速で走行したり、或いは、前輪を縁石に乗り上げる等により、前記ステアリングギヤユニット５や中間シャフト４を介して十字軸式自在継手に大きな衝撃荷重が加わると、前記各軸部１２の先端面が前記突部１８を強く押圧し、この突部１８が押し潰される傾向になる。この結果、この突部１８部分に大きな引っ張り応力が発生する。この様にして大きな引っ張り応力が繰り返し加わると、前記突部１８を中心として、前記軸受カップ１１ａの底板部１５ａに、亀裂等の損傷が発生する可能性がある。

特許文献３には、合成樹脂製のピンを備えない構造で、自在継手の組立時に軸受カップに亀裂が発生するのを防止する構造が記載されている。図１０は、前記特許文献３の図１に記載された、従来構造の第３例を示している。この従来構造の第３例の場合には、各軸受カップ１１ｂの底板部１５ｂの内面に、十字軸９を構成する各軸部１２の先端面に向けて突出する環状突部１９を形成している。そして、自在継手の組立作業時に、前記軸受カップ１１ｂ内に前記各軸部１２を強く押し込み過ぎた場合には、図１０の（Ｂ）に示す様に、底板部１５ｂの内面外径寄り部分と前記各軸部１２の先端面外径寄り部分を当接させる事により、前記底板部１５ｂの弾性変形量を制限して、この底板部１５ｂに亀裂が発生しない様にしている。

上述の様な従来構造の第３例の場合、前記底板部１５ｂの弾性変形量を制限する事により、この底板部１５ｂの亀裂発生を、多少は緩和できる。但し、この底板部１５ｂが前記図１０の（Ａ）→（Ｂ）に示す様に弾性変形する結果、この底板部１５ｂの中央部にかなり大きな応力が発生する事が、本発明者等の研究により分かった。従って、前記第３例の従来構造では、極端な悪路走行や縁石乗り上げに伴って加わる大きな荷重による、前記底板部１５ｂの損傷防止効果は、必ずしも十分とは言えない。

特開２０１０−１８１０１６号公報 特開２００９−１９１９７６号公報 特開２００１−１４６９２４号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、１対のヨーク同士の間に過大な荷重が加わった場合にも、各軸受カップに亀裂等の損傷を発生し難くできる十字軸式自在継手を実現すべく発明したものである。

本発明の十字軸式自在継手は、１対のヨークと、４個の円孔と、４個の軸受カップと、十字軸とを備える。
このうちの１対のヨークは、それぞれを二股状に形成している。
又、前記各円孔は、これら両ヨークの両端部に、互いに同心に形成している。
又、前記各軸受カップは、それぞれが円筒部の軸方向一端部を底板部により塞いで成る有底円筒状であり、互いの開口を対向させた状態で、前記各円孔の内側に内嵌固定している。
又、前記十字軸は、結合基部の外周面に４本の軸部を放射状に固設して成る。そして、これら各軸部を前記各軸受カップ内に挿入した状態で、前記両ヨークと組み合わせている。
更に、前記各軸部の外周面と前記各軸受カップの内周面との間に、それぞれ複数本ずつのニードルを組み込んで、ラジアルニードル軸受を構成している。

特に、本発明の十字軸式自在継手に於いては、前記各軸受カップの底板部の中央部に、これら各軸受カップの外面側にドーム状に膨出する膨出部を設けている。
又、前記各軸部の先端面と前記各軸受カップの底板部の内面とのうちの一方の面に突部を設け、これら先端面と内面とを、前記膨出部の開口を囲む部分でのみ当接させている。即ち、前記各軸部の先端面に円形の突部を設けるか、或いは、これら各軸部の先端面と前記各軸受カップの底板部の内面とのうちの一方の面の一部で前記膨出部の開口を囲む部分に環状突部を設ける事により、これら先端面と内面とをこの膨出部の開口を囲む部分でのみ当接させる。

この様な本発明を実施する場合に、例えば請求項２に記載した発明の様に、前記突部を、前記各軸部の先端面と前記各軸受カップの底板部の内面とのうちの一方の面の一部で前記膨出部の開口を囲む部分に設けた環状突部とする。そして、前記各軸部及び前記各軸受カップの中心軸を含む仮想平面に関するこの環状突部の断面形状を、部分凸円弧状とする。
或いは、請求項３に記載した発明の様に、金属製の前記十字軸を構成する前記各軸部の先端部に合成樹脂製のスペーサを結合固定し、このスペーサに前記突部を設ける。

上述の様に構成する本発明によれば、１対のヨーク同士の間に過大な荷重が加わった場合にも、各軸受カップの底板部に大きな応力が生じる事を防止できて、この底板部に亀裂等の損傷を発生し難くできる。
即ち、本発明の十字軸式自在継手を構成する前記各軸受カップの場合、十字軸を構成する各軸部から前記底板部に大きなスラスト荷重が加わった場合でも、この底板部の中央部に存在する膨出部が弾性変形する事でこのスラスト荷重を吸収する。この弾性変形の範囲は広く、弾性変形量を十分に確保できる為、前記底板部の一部に、亀裂に結び付く程に大きな引っ張り応力が生じる事はない。
この様に本発明の構造は、前記各軸受カップの底板部に生じる引っ張り応力を低く抑えて、この底板部に亀裂等の損傷が発生し難くできる。

本発明の実施の形態の第１例を示す、図８の上左半部に相当する部分を、ヨークを省略した状態で示す断面図。 同第２例を示す、図１と同様の図。 同第３例を示す、図１と同様の図。 本発明の効果を確認する為に行ったシミュレーションの対象とした構造の５例を示す、それぞれ図１と同様の図。 シミュレーションの結果を示すグラフ。 本発明の対象となる十字軸式自在継手を組み込んだステアリング装置の１例を示す斜視図。 従来から知られている自在継手の第１例を示す、部分切断側面図。 一部を省略して示す、図７の拡大Ｘ−Ｘ断面図。 従来から知られている自在継手の第２例を示す、図８のＹ−Ｙ断面に相当する図。 同第３例を、過大荷重が加わらない状態（Ａ）と加わった状態（Ｂ）とで示す、図１と同様の断面図。

［実施の形態の第１例］
図１は、請求項１にのみ対応する、本発明の実施の形態の第１例を示している。尚、本例を含めて本発明の特徴は、ラジアルニードル軸受を構成する各軸受カップ１１ｃの底板部１５ｃの形状と、この底板部１５ｃの内面と十字軸９ａの各軸部１２ａの先端面２１との当接状態とを適切に規制して、過大荷重の作用に拘らず、前記各軸受カップ１１ｃの損傷を抑える点にある。その他の部分の構成及び作用は、前述した従来から知られている十字軸式自在継手と同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は、省略若しくは簡略にし、以下、本例の特徴部分を中心に説明する。

本例の十字軸式自在継手を構成する各軸受カップ１１ｃは、その底板部１５ｃの中央部に、膨出部２０を形成している。この膨出部２０は、これら各軸受カップ１１ｃを構成する金属板を塑性変形させて成るもので、これら各軸受カップ１１ｃの外面側にドーム状（部分球状）に膨出している。
又、前記十字軸９ａを構成する各軸部１２ａの先端面２１に、環状突部２２を形成している。この環状突部２２の外径Ｄは、前記底板部１５ｃの内面側に存在する前記膨出部２０の開口部の内径Ｒよりも大きい（Ｄ＞Ｒ）。従って、本例の十字軸式自在継手を組み立てた状態で、前記環状突部２２の先端面と前記底板部１５ｃの内面とは、前記膨出部２０の開口部を囲む部分で当接する。一方、前記環状突部２２の内径ｒは、この膨出部２０の開口部の内径Ｒ以下（ｒ≦Ｒ）とする。但し、この環状突部２２の内径ｒは、この膨出部２０の開口部の内径Ｒ以下の範囲であれば特に規制しない。従って、この内径ｒを０（ｒ＝０）とする、即ち、前記各軸部１２ａの先端面２１に円形の突部を設ける事で、この先端面２１と前記底板部１５ｃの内面とを、前記膨出部２０の開口部を囲む部分で当接する様に構成する事もできる。

上述の様に構成する本例の十字軸式自在継手によれば、１対のヨーク８ａ、８ｂ（図７参照）同士の間に過大な荷重が加わった場合にも、前記各軸受カップ１１ｃの底板部１５ｃに大きな応力が生じる事を防止できて、この底板部１５ｃに亀裂等の損傷を発生し難くできる。この点に就いて、以下に説明する。

極端な悪路走行や縁石乗り上げに伴って前記十字軸式自在継手に大きな荷重が入力されると、この荷重は、前記各軸受カップ１１ｃの底板部１５ｃと前記各軸部１２ａの先端面２１との間に、大きなスラスト荷重として加わる。そして、このスラスト荷重は、前記環状突部２２の先端面と前記底板部１５ｃの内面との当接部に作用し、この底板部１５ｃを弾性変形させる。この底板部１５ｃの中央部には前記ドーム状の膨出部２０が存在するので、この底板部１５ｃの弾性変形分のうちの多くの部分は、この膨出部２０の弾性変形分となる。具体的には、前記各軸部１２ａの先端面２１が前記底板部１５ｃの内面のうちの、前記膨出部２０の周囲部分を押す事で、この膨出部２０が、曲率半径を大きくする（平坦に近くなる）方向に弾性変形し、前記スラスト荷重を吸収する。この弾性変形の範囲は広く、弾性変形量を十分に確保できる為、前記底板部１５ｃの一部に、亀裂に結び付く程に大きな引っ張り応力が生じる事はない。

この結果、前記大きな荷重が入力された場合でも、前記各軸受カップ１１ｃの底板部１５ｃに生じる引っ張り応力を低く抑えて、この底板部１５ｃに亀裂等の損傷が発生し難くできる。
尚、図示の例では、前記環状突部２２の先端面は平坦面としているが、前記各軸部１２及び前記各軸受カップ１１ｃの中心軸を含む仮想平面に関する前記環状突部２２の断面形状を、部分凸円弧状とする事もできる。部分凸円弧状とする事で、この環状突部２２の先端部と前記各軸部１２ａの先端面２１との当接部に潤滑剤を入り込み易くして、この当接部の摩擦抵抗を低減し、十字軸式自在継手のトルク損失を低く抑えられる。

［実施の形態の第２例］
図２は、請求項１、２に対応する、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例の十字軸式自在継手の場合には、軸受カップ１１ｄの底板部１５ｄの内面のうちで、膨出部２０の開口部を囲む部分に、環状突部２２ａを形成している。この環状突部２２ａは、前記軸受カップ１１ｄを構成する金属板にコイニング等の塑性加工を施す事により形成したもので、部分凸円弧状の断面形状を有する。
前記底板部１５ｄの側に前記環状突部２２ａを形成した事に伴って、十字軸９の各軸部１２の先端面２１ａは、単なる平坦面としている。
その他の部分の構成及び作用は、上述した実施の形態の第１例と同様であるから、重複する説明は省略する。

［実施の形態の第３例］
図３は、請求項１、３に対応する、本発明の実施の形態の第３例を示している。本例の十字軸式自在継手の場合には、金属製の十字軸９ｂを構成する各軸部１２ｂの先端部に合成樹脂製のスペーサ２３を、接着、嵌合等により結合固定している。そして、このスペーサ２３に環状突部２２ｂを設けている。尚、この環状突部２２ｂの断面形状に関しても、部分凸円弧状とする事ができる。又、前記スペーサ２３を構成する合成樹脂としては、耐油性、耐圧縮性を有するものを使用する。
その他の部分の構成及び作用は、前述した実施の形態の第１例と同様であるから、重複する説明は省略する。

本発明の効果を確認する為に行ったシミュレーションに就いて説明する。このシミュレーションは、図４の（ａ）〜（ｅ）に示した５種類の構造に就いて行った。この５種類の構造うち、（ａ）の構造は、前述の図９に示した従来構造の第２例に、（ｂ）の構造は図１０に示した従来構造の第３例に、（ｃ）は前述の図１に示した本発明の実施の形態の第１例に、（ｄ）は図２に示した実施の形態の第２例に、（ｅ）は図３に示した実施の形態の第３例に、それぞれ対応する。各構造で共通する仕様は、次の通りである。
軸受カップを構成する金属板の厚さ ： １．２mm
この金属板の材質 ： Ｓ１０Ｃ（ＪＩＳ Ｇ ４０５１）
軸受カップの外径 ： １６mm
図４の（ｂ）〜（ｅ）の構造で、環状突部の内径 ： （ｂ）（ｃ）（ｅ）の場合２．５mm、（ｄ）の場合３．７mm
同じく外径 ： （ｂ）（ｃ）（ｅ）の場合４．５mm、（ｄ）の場合３．７mm（線接触）
図４の（ｃ）〜（ｅ）の構造で、膨出部の開口部の内径 ： ３．０mm
荷重負荷の条件 ： 軸受カップの円筒部を保持固定した状態で、この軸受カップの底板部内面を、十字軸の軸部と同径の押圧治具により、１０００Ｎのスラスト荷重で押圧

上述の様な条件で各試料にスラスト荷重を加え、それぞれの試料の底板部の外面中心部に生じる引っ張り応力の最大値を求めた。その結果を、以下に示すと共に、図５にプロットした。
図４の（ａ）の構造 ： １２６３ＭＰａ
同（ｂ）の構造 ： ４００ＭＰａ
同（ｃ）の構造 ： ３７ＭＰａ
同（ｄ）の構造 ： ２６ＭＰａ
同（ｅ）の構造 ： ３２ＭＰａ
上述の様なシミュレーションの結果から、本発明の構造は、軸受カップの底板部に生じる引っ張り応力の最大値を低く抑えて、この底板部に亀裂等の損傷が発生し難くできる事を確認できた。

本発明の十字軸式自在継手は、自動車のステアリング装置用以外の用途で実施する事も可能である。この場合には、用途に応じた材料、寸法で実施する。

１ ステアリングホイール
２ ステアリングシャフト
３、３ａ、３ｂ 自在継手
４ 中間シャフト
５ ステアリングギヤユニット
６ 入力軸
７ タイロッド
８ａ、８ｂ ヨーク
９、９ａ、９ｂ 十字軸
１０ 円孔
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 軸受カップ
１２、１２ａ、１２ｂ 軸部
１３ 結合基部
１４ ニードル
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ 底板部
１６ 挿入孔
１７ ピン
１８ 突部
１９ 環状突部
２０ 膨出部
２１、２１ａ 先端面
２２、２２ａ、２２ｂ 環状突部
２３ スペーサ

Claims (3)

1. それぞれが二股状に形成された１対のヨークと、これら両ヨークの両端部に互いに同心に形成された４個の円孔と、互いの開口を対向させた状態でこれら各円孔の内側に内嵌固定された、それぞれが円筒部の軸方向一端部を底板部により塞いで成る有底円筒状の４個の軸受カップと、結合基部の外周面に４本の軸部を放射状に固設して成り、これら各軸部をこれら各軸受カップ内に挿入した状態で前記両ヨークと組み合わされた十字軸と、これら各軸部の外周面とこれら各軸受カップの内周面との間に設けられた４組のラジアルニードル軸受とを備えた十字軸式自在継手に於いて、前記各軸受カップの底板部の中央部に、これら各軸受カップの外面側にドーム状に膨出する膨出部を設けると共に、前記各軸部の先端面と前記各軸受カップの底板部の内面とのうちの一方の面に突部を設け、これら先端面と内面とを、前記膨出部の開口を囲む部分でのみ当接させた事を特徴とする十字軸式自在継手。
2. 前記突部が、前記各軸部の先端面と前記各軸受カップの底板部の内面とのうちの一方の面の一部で、前記膨出部を囲む部分に設けた環状突部であり、前記各軸部及び前記各軸受カップの中心軸を含む仮想平面に関するこの環状突部の断面形状が、部分凸円弧状である、請求項１に記載した十字軸式自在継手。
3. 金属製の前記十字軸を構成する前記各軸部の先端部に合成樹脂製のスペーサを結合固定し、このスペーサに前記突部を設けている、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した十字軸式自在継手。

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