JP2015021596A

JP2015021596A - 自在継手用ヨーク

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Publication number: JP2015021596A
Application number: JP2013152210A
Authority: JP
Inventors: 拓真仲村; Takuma Nakamura; 祥史黒川; Yoshifumi Kurokawa
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2015-02-02
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: JP6217209B2

Abstract

【課題】自在継手のジョイント角を確保しつつ、強度及び剛性を確保できる構造を実現する。
【解決手段】１対の結合腕部１５、１５の内側面と基部１４の片端面との連続部２０ａ、２０ａを、内径側、外径側両曲面部２１、２２同士を、曲率半径が無限大である平坦面部２３により滑らかに連続させて成る複合曲面とする。そして、前記両連続部２０ａ、２０ａのうちで、前記両結合腕部１５、１５の内側面の周方向両端縁と前記回転軸の中心軸Ｏとを結ぶ仮想直線α、αと、結合孔１６の開口縁部との交点Ｘ、Ｘを含む部分を、前記平坦面部２３に位置させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、ステアリング装置を構成する回転軸同士をトルク伝達可能に接続する為の十字軸式自在継手（カルダンジョイント）を構成するヨークの改良に関する。

自動車のステアリング装置は、図４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に内蔵したラックアンド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対の操舵輪に、前記ステアリングホイール１の操作量に応じた、適切な舵角を付与する様に構成している。尚、図示の例の場合、電動モータ２５を動力源として、前記ステアリングホイール１を操作する為に要する力の低減を図る、電動式パワーステアリング装置も組み込んでいる。

この様なステアリング装置に組み込む中間シャフト４は、衝突事故の際に前記ステアリングホイール１が運転者側に突き上げられる事を防止するために、伸縮式のものを使用している。図５は、従来から一般的に使用されている伸縮式の中間シャフト４の構造の１例を示している。この中間シャフト４は、先端部（図５の左端部）外周面に雄スプライン部８を設けたインナシャフト９と、内周面にこの雄スプライン部８を挿入可能な雌スプライン部１０を形成した円管状のアウタチューブ１１とから成る。そして、これら雄スプライン部８と雌スプライン部１０とをスプライン係合する事で、前記インナシャフト９と前記アウタチューブ１１とを、伸縮自在に組み合わせている。又、これらインナシャフト９とアウタチューブ１１との基端部に、それぞれ自在継手３ａ、３ｂを構成する一方のヨーク１２ａ、１２ｂの基端部を溶接固定している。

図６は、前記両自在継手３ａ、３ｂとして使用可能な、従来から知られている自在継手の１例として、特許文献１に記載されたものを示している。図６に示した自在継手３は、１対のヨーク１２ａ、１２ｂを１個の十字軸１３を介して、トルク伝達自在に結合して成る。これら両ヨーク１２ａ、１２ｂはそれぞれ、基部１４ａ、１４ｂと、これら両ヨーク１２ａ、１２ｂ毎に１対ずつの結合腕部１５ａ、１５ｂとを備える。これら基部１４ａ、１４ｂは、回転軸である、インナシャフト９若しくはアウタチューブ１１の基端部（或いは、ステアリングシャフト２の前端部若しくは入力軸６の後端部）をトルクの伝達を自在に結合固定する為の結合孔１６、１６を設けている。即ち、前記インナシャフト９若しくはアウタチューブ１１の基端部（或いは、ステアリングシャフト２の前端部若しくは入力軸６の後端部）の外周面に設けた雄セレーション部を、前記両結合孔１６、１６の内周面に設けた雌セレーション部とセレーション係合する事で、前記インナシャフト９若しくはアウタチューブ１１（或いは、ステアリングシャフト２若しくは入力軸６）と前記両ヨーク１２ａ、１２ｂとをトルクの伝達を自在に結合固定している。又、前記各結合腕部１５ａ、１５ｂの先端にそれぞれ円孔１７ａ、１７ｂを、前記両ヨーク１２ａ、１２ｂ毎に互いに同心に形成している。又、十字軸１３は、４本の軸部１８、１８を、隣り合う軸部１８、１８の中心軸同士が互いに直交する状態で設けて成る。そして、これら各軸部１８、１８を前記各円孔１７ａ、１７ｂの内側に、それぞれカップシェル型のラジアルニードル軸受１９、１９を介して回転自在に支持し、前記自在継手３としている。

上述の様な十字軸式自在継手を構成するヨークとして、特許文献２には、鋼板等、十分な剛性を有する金属板に、打ち抜き加工や曲げ加工等のプレス加工を施して成るヨークの構造が記載されている。又、特許文献３には、金属材料に塑性加工である鍛造加工を施して成るヨークの構造が記載されている。

何れにしても上述の様な十字軸式自在継手を構成するヨークは、回転軸同士の間でのトルクの伝達に伴ってこの回転軸とヨークとの結合部に加わるモーメントに対する剛性を確保する事が重要になる。この理由に就いて、図７を参照しつつ説明する。即ち、トルクの伝達に伴って発生するモーメントに基づき、ヨーク１２を構成する基部１４の片端面と結合腕部１５、１５の内側面との連続部２０、２０に応力が加わる。特に、前述の図４に示した電動式パワーステアリング装置を組み込んだステアリング装置の場合、伝達すべきトルクが大きくなって、前記両連続部２０、２０に加わる応力も大きくなる。この様な応力は、これら両連続部２０、２０のうちで、これら両結合腕部１５、１５の内側面の周方向両端縁と前記回転軸の中心軸Ｏとを結ぶ仮想直線α、αと、結合孔１６の開口縁部との交点Ｘ、Ｘに集中し易く、長期間の使用に伴いこれら各交点Ｘ、Ｘを起点として、前記ヨーク１２に亀裂等の損傷が発生する可能性がある。この様な損傷の原因となる応力の集中を防止する為、図７の（Ｂ）に二点鎖線βで示す様に、連続部２０の断面形状の曲率半径を大きくし、当該部分の肉厚を大きくする事が考えられる。但し、前記連続部２０の断面形状の曲率半径を大きくすると、自在継手３（図６参照）を構成した場合に、相手ヨークと干渉し易くなって、ジョイント角（自在継手を構成する１対のヨークの中心軸同士の傾斜角度）を大きくできなくなったり、重量が増大すると言った問題が生じる。これに対し、回転軸の軸方向長さを長くする事で、この回転軸の別の回転軸に対する揺動変位幅を確保する事も考えられるが、二次衝突時のコラプスストロークを確保し難くなったり、ステアリング装置全体が大型化する可能性がある。又、前記回転軸からこの回転軸とヨークとの結合部に加わるモーメントが大きくなる可能性がある。

特開平８−２７０６６９号公報特開２０１１−２２０３９８号公報特開２００８−２９８２６７号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑み、自在継手のジョイント角を確保しつつ、回転軸周りのモーメントに対する強度及び剛性を十分に確保できる自在継手用ヨークの構造を実現すべく発明したものである。

本発明の自在継手用ヨークは、基部と、１対の結合腕部とを備える。
このうちの基部は、回転軸の端部を結合固定する為の結合孔を有する。
又、前記両結合腕部は、前記基部の径方向反対側となる２箇所位置から軸方向片側に延出する状態で設けられている。
特に、本発明の自在継手用ヨークの場合、前記両結合腕部の内側面と前記基部の軸方向片端面との連続部を、断面形状の曲率半径が異なる複数の曲面若しくは平面を滑らかに連続させて成る複合曲面としている。そして、前記連続部のうちで、前記両結合腕部の内側面の周方向両端縁と前記回転軸の中心軸とを結ぶ仮想直線と、前記結合孔の開口縁部との交点を含む部分の断面形状の曲率半径を、この交点を含まない部分の断面形状の曲率半径より大きくしている（曲率を小さくしている）。

上述の様に構成する本発明の自在継手用ヨークによれば、この自在継手用ヨークを組み込んだ自在継手のジョイント角を確保しつつ、回転軸周りのモーメントに対する強度及び剛性を十分に確保する事ができる。即ち、前記自在継手用ヨークを構成する１対の結合腕部の内側面と基部の片端面との連続部を複合曲面とすると共に、これら両連続部のうちで、これら両結合腕部の内側面の周方向両端縁と前記回転軸の中心軸とを結ぶ仮想直線と、この回転軸の端部を結合固定する為の結合孔の開口縁部との交点を含む部分の断面形状の曲率半径を、この交点を含まない部分の断面形状の曲率半径より大きくしている。この為、前記両連続部のうちで前記交点を含む部分に、回転軸同士の間でのトルクの伝達に伴い、この回転軸と前記自在継手用ヨークとの結合部に加わるモーメントに基づく応力が集中するのを防止できて、強度及び剛性を十分に確保できる。又、前記両連続部の肉厚が徒に厚くなる事を防止して、前記自在継手用ヨークを組み込んだ自在継手のジョイント角を確保できると共に、重量が増大するのを抑えられる。

本発明の実施の形態の第１例を示す、ヨークの端面図（Ａ）と、（Ａ）のａ−ａ断面図（Ｂ）。同第２例を示す、図１の（Ｂ）と同様の図。同第３例を示す、図１の（Ｂ）と同様の図。従来から知られているステアリング装置の１例を示す部分切断側面図。中間シャフトを取り出して示す部分切断側面図。十字軸式自在継手の従来構造の１例を示す分解斜視図。ヨークを取り出して示す端面図（Ａ）と、（Ａ）のｂ−ｂ断面図（Ｂ）。

［実施の形態の第１例］
図１は、本発明の実施の形態の第１例を示している。尚、本例の特徴は、ヨーク１２ｃを組み込んだ自在継手のジョイント角を確保しつつ、回転軸周りのモーメントに対する強度及び剛性を十分に確保する為の構造にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図６に示した従来構造の場合と同様であるから、重複する説明及び図示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。

本例の場合、前記ヨーク１２ｃを構成する１対の結合腕部１５、１５の内側面と基部１４の片端面との連続部２０ａ、２０ａを、断面形状に関する曲率半径が少なくとも隣接する部分同士で互いに異なる複数（図示の例の場合、３つ）の曲面と平面とを滑らかに連続させて成る複合曲面としている。即ち、前記両連続部２０ａ、２０ａをそれぞれ、断面形状が部分円弧状で前記基部１４の片端面と連続する内径側曲面部２１と、断面形状が部分円弧状で前記結合腕部１５の内側面と連続する外径側曲面部２２と、これら内径側、外径側両曲面部２１、２２同士の間で、曲率半径が無限大である平坦面部２３とを滑らかに連続させたものとしている。そして、前記内径側、外径側両曲面部２１、２２の曲率半径を適切に規制する事で、前記基部１４の片端面に対する前記平坦面部２３の傾斜角度を０〜２０度程度とすると共に、前記連続部２０ａのうちで、前記両結合腕部１５、１５の内側面の周方向両端縁と結合孔１６に結合固定した回転軸の中心軸Ｏとを結ぶ仮想直線α、αと、この結合孔１６の開口縁部との交点Ｘ、Ｘを含む部分が、この平坦面部２３に位置する様にしている。

上述の様なヨーク１２ｃは、鋼板等、十分な剛性を有する金属板に、打ち抜き加工や曲げ加工等のプレス加工を施す事により、或いは、金属材料に塑性加工である鍛造加工を施す事により造る。前記ヨーク１２ｃをプレス加工により造る場合、金属板をプレス加工で打ち抜く際に、完成状態で前記両連続部２０ａ、２０ａとなるべき部分を、曲率半径が異なる複数の曲線及び直線を滑らかに連続させた複合曲線状に打ち抜く。この様にして得た素板に曲げ加工を施す事で前記ヨーク１２ｃを造る。これに対して、このヨーク１２ｃを鍛造加工により造る場合には、金属材料を、その内面のうちで前記両連続部２０ａ、２０ａと整合する部分の形状が、これら両連続部２０ａ、２０ａの形状に見合う複合曲面状である金型内で塑性変形させる事により造る。

上述の様に構成される本例のヨーク１２ｃによれば、このヨーク１２ｃを組み込んだ自在継手のジョイント角を確保しつつ、このヨーク１２ｃの結合孔１６にその端部を結合固定した回転軸周りのモーメントに対する強度及び剛性を十分に確保できる。即ち、本例の場合、このモーメントに基づく応力が加わる、１対の結合腕部１５、１５の内側面と基部１４の片端面との連続部２０ａ、２０ａを、断面形状に関する曲率半径が異なる曲面と直線とを滑らかに連続させて成る複合曲面としている。特に、本例の場合には、前記両連続部２０ａ、２０ａのうちで、前記モーメントに基づく応力が集中し易い、前記両結合腕部１５、１５の内側面の周方向両端縁と前記回転軸の中心軸Ｏとを結ぶ仮想直線α、αと、この結合孔１６の開口縁部との交点Ｘ、Ｘを含む部分の断面形状を、曲率半径が無限大である平坦面部２３、２３としている。従って、前記モーメントに基づく応力が、前記各交点Ｘ、Ｘを含む部分に集中する事を防止できて、前記ヨーク１２ｃの強度及び剛性を確保する事ができる。又、このヨーク１２ｃの強度及び剛性を確保しても、前記両連続部２０ａ、２０ａの肉厚が徒に厚くなる事を防止できて、前記ヨーク１２ｃを組み込んだ自在継手のジョイント角を確保できると共に、このヨーク１２ｃの重量の増大を抑えられる。

［実施の形態の第２例］
図２は、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例のヨーク１２ｄの場合、連続部２０ｂを、断面形状が部分円弧状で基部１４の片端面と連続する内径側曲面部２１ａと、断面形状が部分円弧状で結合腕部１５の内側面と連続する外径側曲面部２２ａとを滑らかに連続させる事で構成している。本例の場合、前記内径側曲面部２１ａの曲率半径Ｒ_２１ａを前記外径側曲面部２２ａの曲率半径Ｒ_２２ａよりも大きく（Ｒ_２１ａ＞Ｒ_２２ａ）している。そして、これら両曲率半径Ｒ_２１ａ、Ｒ_２２ａを適切に調整し、前記結合腕部１５の内側面の周方向両端縁と前記ヨーク１２ｄに結合固定した回転軸の中心軸Ｏとを結ぶ仮想直線α｛図１の（Ａ）参照｝と、結合孔１６の開口縁部との交点Ｘを含む部分が、前記内径側曲面部２１ａに位置する様にしている。
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、本発明の実施の形態の第３例を示している。本例のヨーク１２ｅの場合、連続部２０ｃをそれぞれ断面形状が部分円弧状で、基部１４の片端面と連続する内径側曲面部２１ｂと、結合腕部１５の内側面と連続する外径側曲面部２２ｂと、これら内径側、外径側両曲面部２１ｂ、２２ｂ同士の間の曲面部２４とを滑らかに連続させたものとしている。この曲面部２４の曲率半径Ｒ_２４は前記内径側曲面部２１ｂの曲率半径Ｒ_２１ｂよりも大きく（Ｒ_２４＞Ｒ_２１ｂ）、且つ、前記外径側曲面部２２ｂの曲率半径Ｒ_２２ｂよりも大きく（Ｒ_２４＞Ｒ_２２ｂ）している。そして、前記結合腕部１５の内側面の周方向両端縁と前記ヨーク１２ｅに結合固定した回転軸の中心軸Ｏとを結ぶ仮想直線α｛図１の（Ａ）参照｝と、結合孔１６の開口縁部との交点Ｘを含む部分が、前記曲面部２４に位置する様にしている。
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。

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
８雄スプライン部
９インナシャフト
１０雌スプライン部
１１アウタチューブ
１２、１２ａ〜１２ｅヨーク
１３十字軸
１４、１４ａ、１４ｂ基部
１５、１５ａ、１５ｂ結合腕部
１６結合孔
１７ａ、１７ｂ円孔
１８軸部
１９ラジアルニードル軸受
２０、２０ａ、２０ｂ連続部
２１、２１ａ、２１ｂ内径側曲面部
２２、２２ａ、２２ｂ外径側曲面部
２３平坦面部
２４曲面部
２５電動モータ

Claims

回転軸の端部を結合固定する為の結合孔を有する基部と、
この基部の径方向反対側となる２箇所位置から軸方向片側に延出する状態で設けられた１対の結合腕部とを備えた自在継手用ヨークに於いて、
これら両結合腕部の内側面と前記基部の軸方向片端面との連続部を、断面形状の曲率半径が異なる複数の曲面若しくは平面を滑らかに連続させて成る複合曲面とし、前記連続部のうちで、前記両結合腕部の内側面の周方向両端縁と前記回転軸の中心軸とを結ぶ仮想直線と、前記結合孔の開口縁部との交点を含む部分の断面形状の曲率半径を、この交点を含まない部分の断面形状の曲率半径より大きくしている事を特徴とする自在継手用ヨーク。