JP2019211034A - 十字軸継手 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、スパイダーの軸部またはベアリングカップの接触部の回転トルクの増加を抑えることができる十字軸継手を提供し、折り曲げトルクを低減させることができることから操舵安定性の良好なステアリング装置を実現する。【解決手段】ヨークの軸受孔４１に、ニードル軸受６を介して、スパイダー５の軸部５１を揺動自在に嵌合し、軸部５１を密閉するように形成されたベアリングカップ６１を備えた十字軸継手１５において、ベアリングカップ６１の内底面中央部に球面凸部６３を設け、軸部５１の先端面中央部に球面凸部６３と当接する球面凹部５１ｂを設け、球面凹部５１ｂの半径Ｒ２は、球面凸部の半径Ｒ１よりも大きい。また、球面凸部６３または球面凹部５１ｂの少なくともいずれかに一文字のすり割または十文字のすり割を設けた。球面凸部６３または球面凹部５１ｂの少なくともいずれかにディンプルの凹部を設けた。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、車両用ステアリング装置に用いる十字軸継手に関する。

車両用ステアリング装置においては、例えばステアリングシャフトと中間シャフトの間に、一対のヨークと十字状のスパイダーとからなり、所定の折曲角度で回転しながらトルクを伝達する十字軸継手が介装してある。

このような十字軸継手は、例えば、特許文献１の図６に示すように、ヨークの軸受孔にニードル軸受を介して、スパイダーの先端軸部が揺動自在に嵌合し、当該先端軸部を密閉するように形成されたベアリングカップの内底面には凸部が設けられ、当該凸部と先端軸部に設けられたフラットな面とを摺接させて相対回転をするようにしている。

また、例えば、特許文献２の図１に示すように、ベアリングカップの内底面に球面凸部を設け、スパイダーの先端軸部端面に円錐状の凹部を設け、当該凸部と凹部を摺接させている十字軸継手がある。

しかしながら、上記特許文献１では、スパイダーの先端軸部に設けられた凸部は、台形断面を持つ円錐形状をしているため磨耗の進行により接触部の半径（以下、単に接触半径という。）が大きくなり、磨耗が締め代減少させる。この結果、面圧減少による回転トルク低下よりも、接触半径増加や摩擦係数変化による回転トルク増加となり、磨耗の進行に連れて折り曲げトルクが増加する。また、特許文献２では、スパイダーの端面とベアリングカップの内底面とを接触させるので、その間の環状の接触部に摩擦が生じる結果、上述の回転トルクがより一層大きくなり、磨耗の進行に連れて摩擦抵抗を増大させ折り曲げトルクが増加する課題があった。
また、折り曲げトルクが増加することからステアリング装置の操舵安定性面での課題があった。

特開２００８−０３９１２３号公報 特開２０００−１７０７８６号公報

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、スパイダーの軸部またはベアリングカップの接触部の回転トルクの増加を抑えることができる十字軸継手を提供し、折り曲げトルクを低減させることができることから操舵安定性の良好なステアリング装置が実現されることを目的とする。

上記の目的を達成するため、第一の発明の十字軸継手は、ヨークの軸受孔に、ニードル軸受を介して、スパイダーの軸部を揺動自在に嵌合し、前記軸部を密閉するように形成されたベアリングカップを備えた十字軸継手において、前記ベアリングカップの内底面中央部に球面凸部を設け、前記軸部の先端面中央部に前記球面凸部に当接する球面凹部を設け、前記球面凹部の半径は、前記球面凸部の半径よりも大きいことを特徴とする。
第二の発明は、第一の発明において、前記球面凸部または前記球面凹部の少なくともいずれかに一文字のすり割を設けたことを特徴とする。
第三の発明は、第一の発明において、前記球面凸部または前記球面凹部の少なくともいずれかに十文字のすり割を設けたことを特徴とする。
第四の発明は、第一の発明において、前記球面凸部または前記球面凹部の少なくともいずれかにディンプルの凹部を設けたことを特徴とする。
第五の発明は、第一の発明において、前記球面凸部または前記球面凹部の少なくともいずれかに円筒状の凹部を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、スパイダーの軸部またはベアリングカップの接触部の回転トルクの増加と磨耗を抑えることができる十字軸継手を提供し、折り曲げトルクを低減させることができることから操舵安定性の良好なステアリング装置が実現される。

本発明の十字軸継手を有するステアリング装置の全体を示した図である。 本発明の十字軸継手の要部を断面した模式図である。 （ａ）は、従来技術の十字軸継手のニードル軸受の要部を断面した模式図で、（ｂ）は（ａ）のベアリングカップの曲面凸部の先端の磨耗状況の変移を示す模式図で、（ｃ）は、本発明の十字軸継手のニードル軸受の要部を断面した側面図で、（ｄ）は（ｃ）のベアリングカップの曲面凸部の先端の磨耗状況の変移を示す模式図である。 （ａ）は、スパイダー５の軸部５１の球面凹部５１ｂに一文字のすり割を設けたことを示す模式図、（ｂ）は、スパイダー５の軸部５１の球面凹部５１ｂに十字のすり割りを設けたことを示す模式図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

［ステアリング装置の構成］
図１は、本発明の十字軸継手を有するステアリング装置の構成を示し、一部を断面した正面図であって、電動パワーステアリング装置に適用した実施形態を示す。
なお、電動パワーステアリング装置において、コラムタイプ電動パワーステアリング装置の様にインタミシャフトよりも運転者寄り（上流）にパワーアシスト装置を設けた場合は、インタミのフリクションはアシスト装置のパワーにより掻き消されてしまい、運転者にはほとんど気にならないが、ピニオンタイプ電動パワーステアリング装置やラックアシスト電動パワーステアリング装置若しくは油圧のパワーステアリング装置車両では、運転者から見てインタミシャフトよりも下流にアシスト機構が存在するシステムでは、インタミシャフトのフリクションはダイレクトに運転者が感じる事ができ、それは不快適な転舵フィーリングと一般的に評価される。
なお、本実施形態の十字軸継手を採用するステアリング装置は、油圧式パワーステアリング、電動式パワーステアリング、その他いずれの形式のものでも良い。

図１に示すように、本発明の十字軸継手１５を有するステアリング装置は、車体後方側（図１の右側）にステアリングホイール１１を装着可能なステアリングシャフト１２と、このステアリングシャフト１２を挿通したステアリングコラム１３と、このステアリングシャフト１２に補助トルクを付与する為のアシスト装置（操舵補助部）２０と、このステアリングシャフト１２の車体前方側（図１の左側）に、図示しないラック／ピニオン機構を介して連結されたステアリングギヤ３０とを備える。

ステアリングシャフト１２は、雌ステアリングシャフト１２Ａと雄ステアリングシャフト１２Ｂとを、回転トルクを伝達可能に、かつ軸方向に関して相対移動可能にスプライン嵌合している。従って、上記雌ステアリングシャフト１２Ａと雄ステアリングシャフト１２Ｂとは、衝突時に、このスプライン嵌合部が相対移動して、全長を縮めることができる。

また、上記ステアリングシャフト１２を挿通した筒状のステアリングコラム１３は、アウターコラム１３Ａとインナーコラム１３Ｂとをテレスコピック移動可能に組み合わせており、衝突時に軸方向の衝撃が加わった場合に、この衝撃によるエネルギを吸収しつつ全長が縮まる、所謂コラプシブル構造としている。

そして、上記インナーコラム１３Ｂの車体前方側端部を、ギヤハウジング２１の車体後方側端部に圧入嵌合して固定している。また、上記雄ステアリングシャフト１２Ｂの車体前方側端部を、このギヤハウジング２１の内側に通し、アシスト装置２０の図示しない入力軸の車体後方側端部に連結している。

ステアリングコラム１３は、その中間部を支持ブラケット１４により、ダッシュボードの下面等、車体１８の一部に支承している。また、この支持ブラケット１４と車体１８との間に、図示しない係止部を設けて、この支持ブラケット１４に車体前方側に向かう方向の衝撃が加わった場合に、この支持ブラケット１４が上記係止部から外れ、車体前方側に移動するようにしている。

また、上記ギヤハウジング２１の上端部も、上記車体１８の一部に支承している。また、本実施形態の場合には、チルト機構及びテレスコピック機構を設けることにより、上記ステアリングホイール１１の車体前後方向位置、及び、高さ位置の調節を自在としている。このようなチルト機構及びテレスコピック機構は、従来から周知であり、本発明の特徴部分でもない為、詳しい説明は省略する。

上記ギヤハウジング２１の車体前方側端面から突出した出力軸２３は、十字軸継手１５を介して、中間シャフト１６の後端部に連結している。また、この中間シャフト１６の前端部に、別の十字軸継手１５を介して、ステアリングギヤ３０の入力軸３１を連結している。中間シャフト１６は、雄中間シャフト（雄シャフト）１６Ａの車体前方側に、雌中間シャフト（雌シャフト）１６Ｂの車体後方側が外嵌し、回転トルクを伝達可能に、かつ、軸方向に関して相対移動可能に嵌合している。

図示しないピニオンが、入力軸３１に結合している。また、図示しないラックが、このピニオンに噛み合っており、ステアリングホイールの回転が、タイロッド３２を移動させて、図示しない車輪を操舵する。

アシスト装置２０のギヤハウジング２１には、電動モータ２６のケース２６１が固定され、この電動モータ２６の図示しない回転軸にウォームが結合されている。出力軸２３には図示しないウォームホイールが取り付けられ、このウォームホイールに電動モータ２６の回転軸のウォームが噛合っている。

また、出力軸２３の中間部の周囲には、図示しないトルクセンサが設けられている。上記ステアリングホイール１１からステアリングシャフト１２に加えられるトルクの方向と大きさを、トルクセンサで検出し、この検出値に応じて、電動モータ２６を駆動し、ウォームとウォームホイールから成る減速機構を介して、出力軸２３に、所定の方向に所定の大きさで補助トルクを発生させる。

また、十字軸継手では、傾いた２つのシャフト間にトルクを伝達するとき、ここで生じる摩擦に因って、シャフトが同軸の場合と比べて、出力側のシャフトで必要とされる負荷よりも大きいトルクを入力側のシャフトに与えなければならない。２つのヨークを十字軸に対して揺動させるのに必要なトルクが折り曲げトルクといわれ、折り曲げトルクを低減させることでステアリングホイールの操舵フィーリングの良好なステアリング装置が実現される。

［十字軸継手の構成］
図２は、本発明の十字軸継手１５の一部を断面した側面図である。図２に示すように、十字軸継手１５は、一対のヨーク４、４の間に、十字状のスパイダー（十字軸ともいう。）５が介装してある。すなわち、ヨーク４の軸受孔４１に、ニードル軸受６を介して、スパイダー５先端の軸部５１が揺動自在に嵌合し、軸部５１の下部外周には、シール５２が嵌合している。

本実施形態のヨーク４は、板金、鍛造もしくは鋳造のいずれで製造しても良く、またヨーク４の材料は、鉄系、もしくはアルミ系のいずれであっても良い。
また、ベアリングカップ６１は、金属製の薄板をプレス加工された一端密閉型のシェル型外輪である。

ニードル軸受６は、ベアリングカップ６１、複数のニードル７０から構成されている。ベアリングカップ６１は有底筒状体であり、外径は１５〜１６ｍｍである。ベアリングカップ６１はヨークのアームに形成された円形軸受孔内に圧入され、カシメによりヨーク４に抜け防止されている。ベアリングカップ６１の筒状部内周面とスパイダー５の軸部５１の外周面との間には複数のニードル７０が介装されている。このような構成により、軸部５１はヨークアームの対応する軸受孔４１内に軸受を介して回転自在に支持されている。

また、ベアリングカップ６１は、金属製の薄板をプレス加工された一端密閉型のシェル型外輪である。
ベアリングカップ６１の外径は、約１５〜１６ｍｍであり、ニードル７０の内接円径は、約１０ｍｍであり、ニードル７０の外径は、１．４〜２．３ｍｍであり、ニードル７０の数は１６〜２５本であり、その材料はＪＩＳ ＳＵＪ１〜ＳＵＪ５である。

［球面凹凸部を設けた実施形態］
本実施形態の十字軸継手１５は、ニードル軸受６のスパイダー５の軸部５１の先端面中央部に球面凹部５１ｂと、ニードル軸受６のベアリングカップの内底面中央部に球面凹部５１ｂと対向当接する球面凸部６３を設けている。これにより、ニードル軸受６のベアリングカップ６１の内底面とスパイダー５の軸部５１の先端面との回転接触面の回転トルクを低減できる。
図３（ｃ）は本実施形態の十字軸継手１５のニードル軸受６の一部要部断面図で、図３（ｃ）に示すように、スパイダーの５の軸部５１先端面中央部（図面上、中心軸線を一点鎖線にて示す、以下、同じ。）に半径Ｒ２の球面凹部５１ｂに形成されており、これに対向したベアリングカップ６１の内底面中央部には、半径Ｒ１を有する球面凸部６３が形成されている。
かつ、凹部の半径Ｒ２は球面凸部６３の半径Ｒ１よりも大きく形成され（半径Ｒ２＞半径Ｒ１）、軸部５１の球面凹部５１ｂはベアリングカップ６１の球面凸部６３を受ける受け部となり、球面凹部５１ｂと球面凸部６３とは軸線を中心として相対回転し接触（当接）する。

一方、前述した従来のニードル軸受においては、図３（ａ）で示すように、ベアリングカップ６１の内底面中央部には軸線方向断面において所定の半径Ｒを有する球面凸部６２（または台形断面を持つ円錐台形）を設けているとする。
球面凸部６２の材質の硬さが、スパイダー５の軸部５１の軸部先端の平面５１ａの材質の硬さよりも柔らかい場合、球面凸部６２と平面５１ａとが回転接触すると球面凸部６２側が主に磨耗する。磨耗が進むと、軸部５１の軸部先端の平面５１ａに当接する初期は点接触Ｃ１（６２）であるが（図３（ｂ１）参照）、回転接触すると球面凸部６２の磨耗が進み接触面が増加（接触部の半径（以下、単に接触半径という。）が増加（図３（ｂ２）参照。）して折り曲げトルクが上昇する。さらに球面凸部６２の磨耗が進み接触面が増加（接触半径が増加、図３（ｂ３）参照。）すれば、より折り曲げトルクが上昇する。
このような従来技術のニードル軸受は面圧が下がるものの、球面凸部６２の半径の接触面増加に因るトルクアップの方が支配的で差し引きで折り曲げトルクは上昇する。

これに対し、本実施形態のようにベアリングカップ６１に球面凸部６３を設け、スパイダー５の軸部５１がベアリングカップ６１よりも材質が硬い場合、ベアリングカップ６１の球面凸部６３側が磨耗し接触半径が僅かに拡大するが、従来のスパイダー５の軸部５１の軸部先端の平面５１ａに比べると微小である。
さらに、スパイダー５の軸部５１の球面凹部５１ｂは、ベアリングカップ６１の球面凸部６３よりも大きく形成されることから（半径Ｒ２＞半径Ｒ１）、グリース溜まりとなり、球面凹部５１ｂと球面凸部６３との接触面へのグリース供給ができる。

したがって、初期状態の接触半径を大きく（面圧を小さく）し、磨耗による接触半径の増加を抑えると共に、回転トルクの増加を抑える効果を奏することができる。

［すり割りのグリース溜りを設けた実施形態１］
グリースはベアリングカップ６１と軸部５１間に充填されるが、さらに磨耗を軽減するためのグリース溜りが設けられる実施形態１として、一文字のすり割りＳ１または十文字のすり割りＳ２のグリース溜りを設けている。
本実施形態１では、溝加工により、スパイダー５の軸部５１の球面凹部５１ｂまたはベアリングカップ６１の球面凸部６３の中央部に一文字のすり割りＳ１若しくは十文字のすり割りＳ２を設けることができる。例えば、図４（ａ）には、スパイダー５の軸部５１の球面凹部５１ｂに一文字のすり割りＳ１による潤滑用のグリース溜まりを設ける事例を示している。また、図４（ｂ）には、スパイダー５の軸部５１の球面凹部５１ｂに十文字のすり割りＳ２が形成される事例を示している。

これにより、ベアリングカップ６１とスパイダー５の軸部５１間に単にグリースが充填されるだけであったものが、これらのすり割りＳ１，Ｓ２がグリース溜まりとしてグリースが接触面に供給されて磨耗を抑制できる。
なお、図に示していないが、加工により、一文字のすり割りＳ１若しくは十文字のすり割りＳ２をベアリングカップ６１の球面凸部６３に潤滑用のグリース溜まりを設けても本実施形態の範囲である。

［ディンプルのグリース溜りを設けた実施形態２］
グリース溜りの実施形態２として、図には示していないが、加工により、スパイダー５の軸部５１の球面凹部５１ｂ内面またはベアリングカップ６１の球面凸部６３外面に、小さな円形もしくは多角形の窪みを複数設けたいわゆるディンプル（Ｄｉｍｐｌｅ）を形成する。
このディンプルは、図に示していないが、球面凹部５１ｂ内面またはベアリングカップ６１の球面凸部６３外面の中心部から放射状に複数設けている。これによりこれらのディンプル内に入り込んでいる潤滑剤により接触面の磨耗を抑制できる。

［円筒凹部のグリース溜りを設けた実施形態３］
また、グリース溜りの実施形態３として、図には示していないが、スパイダー５の軸部５１の球面凹部５１ｂまたはベアリングカップ６１の球面凸部６３の先端中央部を中空として、さらに円筒凹部を設けることができる。この円筒内部に潤滑剤（グリースや固体潤滑剤）を充填することで、接触面である中央周囲を積極的に潤滑することで磨耗を抑制できる。

潤滑剤は、二硫化モリブデンを添加したグリースまたは固体潤滑剤（ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン））等が用いられる。
また、グリース溜り内に封入するグリースには、二硫化モリブデン以外にも例えば、イオウ系（Ｓ）極圧添加剤、イオウ−リン系（Ｓ−Ｐ）極圧添加剤、亜鉛−イオウ−リン系（Ｚｎ−Ｓ−Ｐ）極圧添加剤）を加えて、磨耗をさらに低減することもできる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、種々変形可能である。例えば、本実施形態では、シェル型のニードル軸受を使用しているが、ソリッド型ニードル軸受を使用してもよい。また、対向する二軸をシェル型ニードル軸受、これと略直交する二軸をソリッド型ニードル軸受としてもよい。

１１ ステアリングホイール
１２ ステアリングシャフト
１２Ａ 雌ステアリングシャフト
１２Ｂ 雄ステアリングシャフト
１３ ステアリングコラム
１３Ａ アウターコラム
１３Ｂ インナーコラム
１４ 支持ブラケット
１５ 十字軸継手
１６ 中間シャフト
１６Ａ 雄中間シャフト
１６Ｂ 雌中間シャフト
１８ 車体
２０ アシスト装置
２１ ギヤハウジング
２３ 出力軸
２６ 電動モータ
２６１ ケース
３０ ステアリングギヤ
３１ 入力軸
３２ タイロッド
４ ヨーク
４１ 軸受孔
５ スパイダー（十字軸）
５１ 軸部（スパイダー側）
５１ａ 平面（スパイダー側）
５１ｂ 球面凹部（スパイダー側）
５２ シール
６ ニードル軸受
６１ ベアリングカップ
６２ 凸部（ベアリングカップ側）
６３ 凸部（ベアリングカップ側）
７０ ニードル

Claims (5)

1. ヨークの軸受孔に、ニードル軸受を介して、スパイダーの軸部を揺動自在に嵌合し、前記軸部を密閉するように形成されたベアリングカップを備えた十字軸継手において、
   前記ベアリングカップの内底面中央部に球面凸部を設け、
   前記軸部の先端面中央部に前記球面凸部と当接する球面凹部を設け、
   前記球面凹部の半径は、前記球面凸部の半径よりも大きいことを特徴とする十字軸継手。
2. 前記球面凸部または前記球面凹部の少なくともいずれかに一文字のすり割を設けたことを特徴とする請求項１に記載の十字軸継手。
3. 前記球面凸部または前記球面凹部の少なくともいずれかに十文字のすり割を設けたことを特徴とする請求項１に記載の十字軸継手。
4. 前記球面凸部または前記球面凹部の少なくともいずれかにディンプルの凹部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の十字軸継手。
5. 前記球面凸部または前記球面凹部の少なくともいずれかに円筒状の凹部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の十字軸継手。

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