JP2015137679A - 伸縮軸の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造の際に外軸および内軸の一方を他方に対して摺動させる伸縮軸の低コスト化および軽量化を図ることができる製造方法を提供すること。【解決手段】伸縮軸１は、中空の外軸３と、外軸３にスプライン嵌合する内軸２と、外軸３および内軸２の少なくともどちらかのスプライン５，４に設けられた樹脂被膜と、を含み、軸方向Ｘに伸縮可能である。伸縮軸１の製造方法は、内軸２を外軸３に圧入する工程と、外軸３および内軸２のいずれか一方を軸方向Ｘに往復移動させることで他方に対して摺動させる摺動工程と、を含む。摺動工程において、一方を他方に対して摺動させるときの摺動速度に応じた周波数を、摺動開始時は所定値よりも低くし、他方に対する一方の摺動荷重が低減すると、周波数を連続的または段階的に高くする。【選択図】図１

Description

この発明は、伸縮軸の製造方法に関する。

下記特許文献１および２に開示された伸縮軸は、非円形の外周形状を有する雄シャフト（内軸）と、非円形の内周形状を有する雌シャフト（外軸）と、雄シャフトの外周に形成され、雌シャフトの内周との間の摺動抵抗を減少させる被覆部とを有する。
伸縮軸を製造する際、締め代を有するように雌シャフトの内周を雄シャフトの外周に外嵌してから、雄シャフトを、加工治具で固定された雌シャフトに対して相対的に軸方向に複数回往復摺動させる。その際に生じる摩擦熱で被覆部が塑性変形することによって前記締め代が小さくなるので、雌シャフトと雄シャフトとの間の摺動抵抗を所定の値にすることができる。

特開２０１３−２１３５８９号公報 特開２０１２−１０２８６８号公報

特許文献１および２の場合、雌シャフトに対する雄シャフトの摺動を開始した時点では、被覆部が塑性変形する前の厚い状態にあることから、雌シャフトの内周と雄シャフトの外周との締め代が大きい。この締め代の影響や、雄シャフトを摺動させる設備の移動部位における慣性の影響によって、雌シャフトに対する雄シャフトの摺動を開始した時点における雄シャフトの摺動荷重は大きい。

そのため、雌シャフトおよび雄シャフトでは、摺動荷重による負担に耐えることができるように、それぞれのシャフトの各部位において所定以上の強度を確保する必要があるので、強度確保のせいで、伸縮軸の低コスト化および軽量化に限界が生じてしまう。
伸縮軸の低コスト化および軽量化のためには摺動荷重を低減すればいいのだが、そのために締め代を小さくすると、最悪の場合には雌シャフトと雄シャフトとの隙間が正隙間になってしまい、摩擦熱による被覆部の塑性変形および溶融変形が達成できなくなる。一方、摺動荷重を低減する手段として、設備の移動部位における慣性の影響を少なくするために移動部位の重量を低減することも考えられるが、そのための設備の改造が、設備の耐久強度上の都合等で難しい場合が想定される。

よって、摺動荷重を低減する手段として、締め代を小さくすることや、設備の移動部位の重量を低減することを採用するのは困難である。
この発明は、製造の際に外軸および内軸の一方を他方に対して摺動させる伸縮軸の低コスト化および軽量化を図ることができる製造方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、内周面（３ａ）にスプライン（５）が形成された中空の外軸（３）と、外周面（２ａ）にスプライン（４）が形成され、前記外軸にスプライン嵌合する内軸（２）と、前記外軸および内軸の少なくともどちらかのスプラインに設けられた樹脂被膜（８）と、を含み軸方向（Ｘ）に伸縮可能な伸縮軸（１）の製造方法であって、前記内軸を前記外軸に圧入する工程と、前記外軸および内軸のいずれか一方を軸方向に往復移動させることで他方に対して摺動させる摺動工程と、を含み、前記摺動工程において、前記一方を前記他方に対して摺動させるときの摺動速度（ｖ）に応じた周波数（ｆ）を、摺動開始時は所定値（ｆ０）よりも低くし、前記他方に対する前記一方の摺動荷重（Ｆ）が低減すると、前記周波数を連続的または段階的に高くすることを特徴とする、伸縮軸の製造方法である。

請求項２記載の発明は、前記所定値をｆ０とし、前記一方の１回分の往復移動量の半分ストロークをｒとし、前記摺動速度が微低速であるときの前記摺動荷重をｍとし、摺動開始時の前記摺動荷重をＦ０としたときに、所定値ｆ０が以下の式で求められることを特徴とする、請求項１記載の伸縮軸の製造方法である。
ｆ０＝（Ｆ０／（４・π^２・ｍ・ｒ））^１/２
請求項３記載の発明は、前記スプラインに設けられた樹脂被膜は、前記摺動工程による摩擦熱で溶融し、前記スプラインの歯面形状に成形されることを特徴とする、請求項１または２記載の伸縮軸の製造方法である。

なお、上記において、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

請求項１記載の発明によれば、互いにスプライン嵌合される外軸および内軸と樹脂被膜とを含む伸縮軸の製造の際、内軸を外軸に圧入した後に、外軸および内軸のいずれか一方を軸方向に往復移動させることで他方に対して摺動させる摺動工程を行う。この摺動工程において、前記一方を前記他方に対して摺動させるときの摺動速度に応じた周波数を、摺動開始時は所定値よりも低くする。

周波数を低くするということは、前記一方を摺動させる設備における移動部位の移動加速度を低くすることに相当し、これにより、摺動開始時では、前記一方を低速で摺動させることで設備の移動部位における慣性の影響を少なくし、前記一方の摺動荷重を低減することができる。そのため、外軸および内軸では、摺動荷重による負担が小さくなるので、その分、各部位において確保すべき最低限の強度を低くすることができる。これにより、伸縮軸の低コスト化および軽量化を図ることができる。

そして、摺動開始からしばらくして、前記他方に対する前記一方の摺動荷重が低減すると、周波数を連続的または段階的に高くすることによって前記一方を高速で摺動させる。これにより、樹脂被膜を外軸および内軸のスプラインの歯形に馴染ませて、外軸と内軸との間の摺動抵抗を所定の値にすることができる。
ここで、前記所定値は、請求項２記載の発明のように定められてもよい。

そして、請求項３記載の発明によれば、スプラインに設けられた樹脂被膜が、摺動工程による摩擦熱で溶融し、スプラインの歯面形状に成形されるので、外軸および内軸の互いのスプライン間の摺動抵抗を所定の値にすることができる。

図１は、本発明の一実施形態の製造方法により製造された伸縮軸の部分断面側面図である。 図２は、伸縮軸の要部の断面図である。 図３Ａは、樹脂被膜で被覆された内軸の概略断面図である。 図３Ｂは、外軸の概略断面図である。 図４は、外軸と内軸とを摺動させる摺動工程で用いる設備の概略図である。 図５は、摺動荷重および周波数のそれぞれの経時変化を示すグラフである。 図６は、変形例に係る周波数の経時変化を示すグラフである。

本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態の製造方法により製造された伸縮軸の部分断面側面図である。伸縮軸１は、例えば、ステアリング装置において、ステアリングシャフト（図示せず）とラックアンドピニオン機構のピニオン軸（図示せず）との間に介在するインターミディエイトシャフト（中間軸）として用いられる場合がある。また、伸縮軸１は、衝撃吸収時に収縮するステアリングシャフトとして用いてもよい。

伸縮軸１は、同軸状に連結される内軸２と中空の外軸３とを含んでいる。内軸２および外軸３のそれぞれは、金属製である。内軸２と外軸３とは、伸縮軸１の軸方向Ｘに沿って摺動可能かつトルク伝達可能にスプライン嵌合している。そのため、伸縮軸１は、軸方向Ｘに伸縮可能である。
内軸２の外周面２ａには、複数のスプライン４が形成され、外軸３の内周面３ａには、スプライン４に交互に噛み合う複数のスプライン５が形成されている。スプライン４は雄スプラインであり、スプライン５は雌スプラインである。図１において、両スプライン４，５は模式的に示されている。

伸縮軸１がインターミディエイトシャフトを構成する場合、図１に示すように、内軸２の一端には、自在継手６の一方のヨーク６ａが一体に取り付けられている。また、外軸３の一端には、自在継手７の一方のヨーク７ａが一体に取り付けられている。
図２は、伸縮軸の要部の断面図である。
図２に示すように、内軸２のスプライン４の表面には、樹脂被膜８が当該表面を被覆するように設けられている。樹脂被膜８は、伸縮軸１の一部であり、合成樹脂を用いて形成されている。この合成樹脂として、ポリアミド、ポリアセタールなどの熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。樹脂被膜８は、内軸２のスプライン４と外軸３のスプライン５との間に介在されることによって、スプライン４とスプライン５との間に生じ得るがたを最小限にし、内軸２と外軸３との摺動抵抗を所定値に維持する。

このような伸縮軸１を製造する際、まず、スプライン４の表面が樹脂被膜８によって被覆された内軸２（図３Ａ参照）と、外軸３（図３Ｂ参照）とを別々に準備する。そして、内軸２を外軸３の内周部分に対して、負の嵌合隙間で嵌合する。すなわち、内軸２を外軸３に圧入する。
その後、内軸２および外軸３を図４に示す設備９に取り付ける。

設備９は、一例として、水平に延びて床面１０に固定されるベース１１と、ベース１１に固定された支持フレーム１２、クランク機構１３、モータ１４および制御装置１５とを主に含んでいる。以下では、前述した軸方向Ｘを用いて説明する。
支持フレーム１２はベース１１から立設されていて、その上端には、第１取付ブラケット１６が取り付けられている。第１取付ブラケット１６には、内軸２のヨーク６ａが固定される。具体的には、ヨーク６ａにおいて自在継手６の十字軸（図示せず）が嵌め込まれる挿通孔６ｂに、第１取付ブラケット１６側のピン１６ａが挿通されることで、内軸２のヨーク６ａが第１取付ブラケット１６によって軸方向Ｘに位置決めされる。

クランク機構１３は、ベース１１から立設された支持アーム１７によって回転自在に支持された回転盤１８と、軸方向Ｘだけにスライド移動可能なスライド部材１９と、スライド部材１９と回転盤１８の周上１箇所とをつなぐリンク部材２０とを含む。ベース１１に固定されたモータ１４の駆動力が伝達機構（図示せず）によって回転盤１８に伝達されると、回転盤１８が回転する。回転盤１８の回転運動は、リンク部材２０によってスライド部材１９の軸方向Ｘへの往復運動に変換される。

スライド部材１９においてリンク部材２０に接続された側とは反対側の端部には、第２取付ブラケット２１が取り付けられている。第２取付ブラケット２１は、軸方向Ｘにおいて第１取付ブラケット１６に対向配置されている。第２取付ブラケット２１には、外軸３のヨーク７ａが固定される。具体的には、ヨーク７ａにおいて自在継手７の十字軸（図示せず）が嵌め込まれる挿通孔７ｂに、第２取付ブラケット２１側のピン２１ａが挿通されることで、外軸３のヨーク７ａが第２取付ブラケット２１に連結される。

前述したように外軸３に圧入された内軸２を、第１取付ブラケット１６に連結し、外軸３を第２取付ブラケット２１に連結した状態でモータ１４を駆動させ、回転盤１８を回転させる。これにより、外軸３が、スライド部材１９と一緒に軸方向Ｘに往復移動させられることで内軸２に対して強制的に摺動される。このような摺動工程によって、内軸２のスプライン４における樹脂被膜８の表面が、摺動による摩擦熱で溶け、外軸３のスプライン５の表面形状に合うように成形される（図２参照）。これにより、外軸３と内軸２との間の摺動抵抗が所定の値になるように、外軸３および内軸２の両方の歯形が成形される。

なお、摺動工程の際、内軸２および外軸３の間に、ねじりトルクを負荷してもよいし負荷しなくてもよい。
設備９において、内軸２に対して摺動する外軸３からの荷重（内軸２に対する外軸３の摺動荷重という）を受ける第１取付ブラケット１６には、摺動荷重を検出する荷重センサ２２が設けられている。摺動荷重は、内軸２と外軸３との間の摺動抵抗に相当する。

また、設備９には、スライド部材１９の軸方向Ｘにおける位置を検出する位置センサ２３が設けられている。
荷重センサ２２および位置センサ２３の検出信号は、制御装置１５に与えられる。制御装置１５は、位置センサ２３による位置情報並びにこれを微分して得られた速度（内軸２に対する外軸３の摺動速度に相当する）の情報に基づいて、モータ１４に制御信号を出力し、外軸３を内軸２に対して目標の摺動速度（厳密には、後述する周波数）で摺動させる。また、制御装置１５は、荷重センサ２２が検出した摺動荷重が目標値まで低下すると、摺動工程を終了する。

摺動工程における前述した摺動荷重をＦとすると、摺動荷重Ｆは、次の式（１）であらわされる。
Ｆ＝ｍ・ａ＝ｍ・ω^２・ｒ＝ｍ・（２・π・ｆ）^２・ｒ …式（１）
ここで、ｍは、一般的には実際に移動する外軸３の重量であるが、この実施形態では、摺動速度が微低速（たとえば、０．０１ｍ／ｓ）であるときの摺動荷重であって、計測等によって予めを求められた定数である。ａは、往復移動する外軸３およびスライド部材１９の加速度の絶対値であり、ωは、回転盤１８の角速度である。ｒは、外軸３の１回分の往復移動量の半分のストローク（摺動ストローク）であり、回転盤１８の回転軌跡の半径でもある。ｆは、回転盤１８の回転についての周波数であり、内軸２に対して外軸３を摺動させるときの摺動速度に応じた周波数（摺動周波数）でもある。πは、円周率である。

なお、前述した摺動速度をｖとした場合、周波数ｆと摺動速度ｖとの関係は、次の式（２）であらわされる。
ｆ＝ｖ／（２π・ｒ） …式（２）
図５（ａ）を参照して、周波数ｆが、摺動工程における摺動開始時から目標周波数ｆ１まで急上昇し、摺動工程終了まで目標周波数ｆ１で一定である場合には、図５（ｂ）に示すように、摺動開始時における摺動荷重Ｆが非常に高くなる。そのため、内軸２とヨーク６ａとの接続や、外軸３とヨーク７ａとの接続（図１参照）を、高い摺動荷重Ｆに耐えられるように溶接で行う必要がある。これでは、伸縮軸１の低コスト化および軽量化を図ることが困難である。

最近のステアリング装置では、ユーザによるステアリングの操舵を補助するためにモータ等によって発生される操舵補助力が、前述したステアリングシャフトやインターミディエイトシャフトといったステアリング側（上流側）ではなく、ラックアンドピニオン機構側（下流側）の別のシャフトに伝達される傾向にある。そのため、操舵補助力が伝達されない伸縮軸１に通常使用状態でかかる負担は少なくなっている。それなのに、通常使用状態とは別の摺動工程における摺動荷重に耐えられるようにするためだけに、伸縮軸１の低コスト化および軽量化が図れないのでは、不都合である。

摺動開始時の摺動荷重が低い値であれば、内軸２とヨーク６ａとの接続や、外軸３とヨーク７ａとの接続は、溶接を伴わない圧入やかしめやプレスといった簡易な方法で済ますことができる。摺動開始時の摺動荷重Ｆ０が例えば５（ｋＮ）である場合における周波数ｆを所定値ｆ０というと、所定値ｆ０は、次の式（３）であらわされる。
ｆ０＝（Ｆ０／（４・π^２・ｍ・ｒ））^１/２ …式（３）
摺動工程において、図５（ｃ）に示すように、周波数ｆを、摺動開始時（摺動開始から所定時間の範囲も含む）は、上記の所定値ｆ０よりも低くすればよい。周波数ｆを低くするということは、外軸３を摺動させる設備９における移動部位であるスライド部材１９の移動加速度ａを低くすることに相当し、これにより、摺動開始時では、外軸３を低速で摺動させることでスライド部材１９における慣性の影響を少なくし、摺動開始時の摺動荷重Ｆ（Ｆ０）の絶対値を、図５（ｄ）に示すように、５（ｋＮ）未満という低い値まで低減することができる。そのため、外軸３および内軸２では、摺動開始時における摺動荷重Ｆ（Ｆ０）による負担が小さくなるので、その分、各部位において確保すべき最低限の強度を低くすることができる。これにより、伸縮軸１の低コスト化および軽量化を図ることができる。

そして、摺動開始からしばらくして、外軸３および内軸２の歯形の形成が進むことによって摺動荷重Ｆ（前述した摺動抵抗でもある）が目標値まで低減すると、図５（ｃ）に示すように周波数ｆを目標周波数ｆ１まで高くすることによって外軸３を高速で摺動させる。これにより、スプライン４，５（ここでは、スプライン４）に設けられた樹脂被膜８が、摺動工程による摩擦熱で溶融し、内軸２および外軸３のスプライン４，５の歯形に馴染んで各スプラインの歯面形状に成形されるので、内軸２と外軸３との間（互いのスプライン間）の摺動抵抗を所定の値にすることができる。ここで、周波数ｆを目標周波数ｆ１まで高くする場合、図５（ｃ）に示すように周波数ｆを直線的に変化するように連続的に高くしてもよいし、図６に示すように周波数ｆを段階的に高くしてもよい。

なお、所定値ｆ０および目標周波数ｆ１の具体値の一例として、動き出しの周波数である所定値ｆ０が０〜３．５（Ｈｚ）であるの場合に、目標周波数ｆ１を５〜８（Ｈｚ）とすることができる。
この発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。

たとえば、前述した実施形態では、内軸２のスプライン４だけに樹脂被膜８を設けているが、外軸３のスプライン５だけに樹脂被膜８を設けてもよいし、スプライン４および５の両方に樹脂被膜８を設けてもよい。要は、樹脂被膜８は、内軸２および外軸３の少なくともどちらかのスプライン４，５に設けられればよい。
また、前述した摺動工程では、モータ１４の駆動力によって内軸２を摺動させたが、たとえば、設備９が油圧シリンダを備えていて当該油圧シリンダの油圧によって内軸２を摺動させてもよい。

また、摺動工程では、外軸３を往復移動させることで内軸２に対して摺動させたが、内軸２を往復移動させることで外軸３に対して摺動させてもよい。つまり、摺動工程では、内軸２および外軸３のいずれか一方を軸方向Ｘに往復移動させることで他方に対して摺動させればよい。

１…伸縮軸、２…内軸、２ａ…外周面、３…外軸、３ａ…内周面、４…スプライン、５…スプライン、８…樹脂被膜、ｆ…周波数、ｆ０…所定値、Ｆ…摺動荷重、Ｆ０…摺動開始時の摺動荷重、ｍ…摺動荷重、ｒ…ストローク、ｖ…摺動速度、Ｘ…軸方向

Claims (3)

1. 内周面にスプラインが形成された中空の外軸と、外周面にスプラインが形成され、前記外軸にスプライン嵌合する内軸と、前記外軸および内軸の少なくともどちらかのスプラインに設けられた樹脂被膜と、を含み軸方向に伸縮可能な伸縮軸の製造方法であって、
   前記内軸を前記外軸に圧入する工程と、
   前記外軸および内軸のいずれか一方を軸方向に往復移動させることで他方に対して摺動させる摺動工程と、
   を含み、
   前記摺動工程において、前記一方を前記他方に対して摺動させるときの摺動速度に応じた周波数を、摺動開始時は所定値よりも低くし、前記他方に対する前記一方の摺動荷重が低減すると、前記周波数を連続的または段階的に高くすることを特徴とする、伸縮軸の製造方法。
2. 前記所定値をｆ０とし、前記一方の１回分の往復移動量の半分のストロークをｒとし、前記摺動速度が微低速であるときの前記摺動荷重をｍとし、摺動開始時の前記摺動荷重をＦ０としたときに、所定値ｆ０が以下の式で求められることを特徴とする、請求項１記載の伸縮軸の製造方法。
   ｆ０＝（Ｆ０／（４・π^２・ｍ・ｒ））^１/２
3. 前記スプラインに設けられた樹脂被膜は、前記摺動工程による摩擦熱で溶融し、前記スプラインの歯面形状に成形されることを特徴とする、請求項１または２記載の伸縮軸の製造方法。

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