JP2022011047A - 自在継手及びシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】外輪カップ内の錆の発生によって軸部に対する外輪カップの回転抵抗が増大してしまうことを抑制することが可能な自在継手、及びこの自在継手によって複数の回転軸部材が連結されたシャフトを提供する。【解決手段】一対のヨーク２１，３１を連結する自在継手５１は、四つの軸部６１が十字状に形成された十字軸６と、四つの軸部６１のそれぞれをヨーク２１，３１に対して回転可能に支持する軸受部７とを有する。軸受部７は、貫通孔７１０が形成された底部７１１と軸部６１を受容する円筒部７１２とを一体に有する有底円筒状の外輪カップ７１と、軸部６１と円筒部７１２との間に配置された複数のころ７２と、軸部６１の先端面６１ａから軸方向に凹設された穴部６１０に一部が収容された玉７３と、玉７３の他の一部を保持する保持部材７４とを備える。保持部材７４の一部が貫通孔７１０に挿通されて底部７１から外輪カップ７１の外部に突出している。【選択図】図３

Description

本発明は、十字軸を有する自在継手、及び自在継手によって複数の回転軸部材が連結されたシャフトに関する。

従来、例えば自動車のステアリングシャフトやプロペラシャフトは、複数の回転軸部材を自在継手によって連結して構成されている。各回転軸部材のそれぞれの端部には、一対のアーム部を有するヨークが取り付けられている。自在継手は、四つの軸部が十字状に形成された十字軸と、四つの軸部のそれぞれをヨークのアーム部に対して回転可能に支持する軸受部とを有している。軸受部は、軸部を受容する有底円筒状の外輪カップと、軸部の外周面と外輪カップの内周面との間に配置された複数のころとを有している。

このような自在継手は、十字軸及び外輪カップが鋼材からなるので、外輪カップの内部に水分が浸入すると、軸部の先端面と外輪カップの底部との間に錆が発生し、軸部に対する外輪カップの円滑な回転が妨げられるおそれがある。この対策としては、例えば外輪カップの底部における内面に、ディンプル形状やワッフル形状あるいは放射溝形状の凹凸を設けることが考えられる。

また、本出願人は、特許文献１に記載の自在継手を提案している。この自在継手は、外輪カップの底部の中心部に外方へ向かって膨出された突起が形成され、この突起における軸部側に凹部が形成されていると共に、軸部の先端面に軸方向に窪むボール保持孔が形成され、このボール保持孔にボールの一部が保持されている。ボール保持孔から突出したボールの外周面は、軸方向断面において二箇所で凹部の内面に接触している。

特開２００７－２５５６４５号公報

外輪カップの底部における内面にディンプル形状などの凹凸を形成するプレス加工は、難易度が高く、また、凹凸が形成された部分と軸部の先端面との隙間を厳密に管理しなければ、ガタつきによる異音の発生や外輪カップと軸部との摩擦摺動による回転抵抗の増大を招来してしまうため、製造コストが増大してしまう。

一方、特許文献１に記載された構成の自在継手によれば、ボールと外輪カップとの接触面積が小さいので、これらの間の錆つきを抑制し得るものの、ボールの大きさによっては外輪カップ内でボールが脱落するおそれがあり、また、外輪カップの底部にプレスによって突起を形成する際に円筒部における底部側の端部が縮径してしまうと、ころの円滑な転動が妨げられてしまうおそれがある。またさらに、ボールの直径を大きくした場合には、ボールの脱落を防ぐことができるが、突起の突出量が大きくなるため、底部に突起を形成する際に突起あるいはその周辺部に亀裂が発生しやすくなる。

そこで、本発明は、外輪カップの底部に突起を設けなくとも、外輪カップ内の錆の発生によって軸部に対する外輪カップの回転抵抗が増大してしまうことを抑制することが可能な自在継手、及びこの自在継手によって複数の回転軸部材が連結されたシャフトを提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、一対のヨークをトルク伝達可能かつ揺動可能に連結する自在継手であって、四つの軸部が十字状に形成された十字軸と、前記四つの軸部のそれぞれを前記ヨークに対して回転可能に支持する軸受部とを有し、前記軸受部は、貫通孔が形成された底部と前記軸部を受容する円筒部とを一体に有する有底円筒状の外輪カップと、前記軸部の外周面と前記円筒部の内周面との間に配置された複数のころと、前記軸部の先端面から軸方向に凹設された穴部に一部が収容された玉と、前記玉の他の一部を保持する保持部材とを備え、前記保持部材の一部が前記貫通孔に挿通されて前記底部から前記外輪カップの外部に突出している、自在継手を提供する。

また、本発明は、上記の目的を達成するため、端部にヨークを有する複数の回転軸部材と、一対の前記ヨークをトルク伝達可能かつ揺動可能に連結する自在継手と、を備えたシャフトであって、前記自在継手は、四つの軸部が十字状に形成された十字軸と、前記四つの軸部のそれぞれを前記ヨークに対して回転可能に支持する軸受部とを有し、前記軸受部は、貫通孔が形成された底部と前記軸部を受容する円筒部とを一体に有する有底円筒状の外輪カップと、前記軸部の外周面と前記円筒部の内周面との間に配置された複数のころと、前記軸部の先端面から軸方向に凹設された穴部に一部が収容された玉と、前記玉の他の一部を保持する保持部材とを備え、前記保持部材の一部が前記貫通孔に挿通されて前記底部から前記外輪カップの外部に突出しており、前記玉及び前記保持部材には、前記外輪カップが前記ヨークに形成された嵌合穴に圧入されることにより予圧が付与されている、シャフトを提供する。

本発明に係る自在継手及びシャフトによれば、外輪カップの底部に突起を設けなくとも、外輪カップ内の錆の発生によって軸部に対する外輪カップの回転抵抗が増大してしまうことを抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る自在継手を有するステアリングシャフトが用いられたステアリング装置の構成例を示す模式図である。 中間軸をコラム軸及びピニオン軸の一部と共に示すステアリングシャフトの外観図である。 自在継手を示し、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は部分拡大図である。 自在継手の外輪カップ及び保持部材を示す斜視図である。

［実施の形態］
本発明の実施の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る自在継手を有するステアリングシャフトが用いられたステアリング装置の構成例を示す模式図である。図１では、ステアリング装置を車両前方から見た状態を示しており、図１の左側が車両右側に、また図１の右側が車両左側に、それぞれ相当する。

ステアリング装置１は、ステアリングホイール１００の操舵操作に連れて回転するステアリングシャフト１０と、ステアリングシャフト１０の回転に伴う軸方向移動によって車両の転舵輪である前輪１１を転舵させるラックシャフト１２と、操舵トルクを検出するトルクセンサ１３と、ステアリングシャフト１０に操舵補助力を付与する操舵補助装置１４と、操舵補助装置１４を制御する制御装置１５とを備えている。操舵補助装置１４は、電動モータ１４１と、電動モータ１４１の出力回転を減速してステアリングシャフト１０に伝達する減速機構１４２とを有している。減速機構１４２は、例えばウォームギヤ機構からなる。

ラックシャフト１２は、筒状のラックハウジング１６に収容され、車幅方向に沿って軸方向移動可能である。また、ラックシャフト１２は、その長手方向の一部における外周面にラック歯１２１が形成されている。ラックシャフト１２の両端部には、それぞれボールジョイントソケット１７が固定され、これらのボールジョイントソケット１７によってラックシャフト１２に連結されたタイロッド１８が、図示しないナックルアームを介して左右の前輪１１を転舵させる。ボールジョイントソケット１７の外周側には、蛇腹状のゴムあるいは樹脂からなるベローズ１９が配置されている。

ステアリングシャフト１０は、ステアリングホイール１００が一端部に固定されたコラム軸２と、ラックシャフト１２のラック歯１２１に噛み合うピニオン歯４００を有するピニオン軸４と、コラム軸２とピニオン軸４との間に介在する中間軸３と、コラム軸２と中間軸３とを連結する第１の自在継手５１と、中間軸３とピニオン軸４とを連結する第２の自在継手５２とを有している。コラム軸２は、中間軸３の鉛直方向上側に配置され、ピニオン軸４は、中間軸３の鉛直方向下側に配置されている。

コラム軸２と中間軸３、及び中間軸３とピニオン軸４とは、所定の角度で傾斜している。このため、ステアリングシャフト１０が回転すると、中間軸３がコラム軸２に対し、またピニオン軸４が中間軸３に対し、それぞれ所定の角度範囲で揺動する。コラム軸２、中間軸３、及びピニオン軸４は、それぞれが本発明の回転軸部材の一態様である。

コラム軸２は、その長手方向の一部が、操舵トルクによって捩じれるトーションバー２００によって構成されている。トルクセンサ１３は、操舵トルクをトーションバー２００の捩じれ量によって検出する。制御装置１５は、検出された操舵トルク及び車速に応じて操舵補助装置１４を制御し、コラム軸２に操舵補助力が付与される。

ステアリングホイール１００が操舵操作されると、操舵トルク及び操舵補助力が第１の自在継手５１を介してコラム軸２から中間軸３に、また第２の自在継手５２を介して中間軸３からピニオン軸４に伝達され、ピニオン軸４のピニオン歯４００とラック歯１２１との噛み合いによってラックシャフト１２が軸方向に移動する。そして、このラックシャフト１２の軸方向移動により、タイロッド１８を介して左右の前輪１１が転舵される。

図２は、中間軸３をコラム軸２及びピニオン軸４の一部と共に示すステアリングシャフト１０の外観図である。中間軸３は、両端部にそれぞれ上側ヨーク３１及び下側ヨーク３２を有している。上側ヨーク３１は、棒状体３０の上端部に取り付けられた取付部３１１と、取付部３１１から棒状体３０の長手方向に沿って互いに平行に延在する一対のアーム部３１２とを有している。下側ヨーク３２は、棒状体３０の下端部に取り付けられた取付部３２１と、取付部３２１から棒状体３０の長手方向に沿って互いに平行に延在する一対のアーム部３２２とを有している。

コラム軸２は、円柱状の棒状体２０と、中間軸３側の端部に設けられたヨーク２１とを有している。ヨーク２１は、棒状体２０に取り付けられた取付部２１１と、取付部２１１から棒状体２０の長手方向に沿って互いに平行に延在する一対のアーム部２１２とを有している。同様に、ピニオン軸４は、円柱状の棒状体４０と、中間軸３側の端部に設けられたヨーク４１とを有している。ヨーク４１は、棒状体４０に取り付けられた取付部４１１と、取付部４１１から棒状体４０の長手方向に沿って互いに平行に延在する一対のアーム部４１２とを有している。

なお、棒状体２０，３０，４０は、中実の円柱状であってもよく、中空の円筒状であってもよい。また、中間軸３の棒状体３０を、例えばスプライン係合により相対回転可能かつ軸方向移動可能に組み合わされた複数の部材によって構成してもよい。

第１の自在継手５１は、コラム軸２のヨーク２１と中間軸３の上側ヨーク３１とをトルク伝達可能かつ揺動可能に連結している。第２の自在継手５２は、中間軸３の下側ヨーク３２とピニオン軸４のヨーク４１とをトルク伝達可能かつ揺動可能に連結している。第１の自在継手５１と第２の自在継手５２とは、同様の構造を有しているため、以下、図３及び図４を参照して第１の自在継手５１の構成について詳細に説明する。また、第１の自在継手５１を単に自在継手５１という。

図３は、自在継手５１を示し、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は部分拡大図である。図３（ａ）では、自在継手５１の一部を断面で示し、図３（ｂ）では、図３（ａ）において断面で示された部分を拡大して図示している。図４は、自在継手５１の外輪カップ７１及び保持部材７４を示す斜視図である。

自在継手５１は、四つの軸部６１が十字状に形成された十字軸６と、四つの軸部６１のそれぞれをコラム軸２のヨーク２１及び中間軸３の上側ヨーク３１に対して回転可能に支持する軸受部７とを有している。十字軸６は、中心部に胴部６０を有し、この胴部６０から四つの軸部６１が放射状に延在している。図３（ａ）では、四つの軸部６１のうち一つの軸部６１を断面で示し、他の三つの軸部６１を破線で示している。以下の説明において軸方向とは、それぞれの軸部６１の中心軸に平行な方向をいう。

軸部６１は円柱状であり、その軸方向における先端部に穴部６１０が形成されている。穴部６１０は、ドリルによって形成された円錐形状の内面６１０ａを有するキリ穴であり、軸部６１の先端面６１ａから軸方向に凹設されている。また、それぞれの軸部６１における胴部６０側の基端部には、ゴム等の弾性体からなる環状のシール部材８が嵌着されている。

軸受部７は、有底円筒状の外輪カップ７１と、複数の円柱状のころ７２と、軸部６１の穴部６１０に一部が収容された鋼球からなる玉７３と、玉７３の他の一部を保持する保持部材７４とを備えている。外輪カップ７１は、例えば鋼板をプレスすることにより形成され、中心部に円形の貫通孔７１０が形成された円盤状の底部７１１と、軸部６１を受容する円筒部７１２と、円筒部７１２における底部７１１側とは反対側の端部から内方に延出された返し部７１３とを一体に有している。貫通孔７１０は、底部７１１の中心部を軸方向に貫通しており、その中心は軸部６１の中心軸と一致している。シール部材８は、十字軸６の胴部６０と外輪カップ７１の返し部７１３との間を液密的に封止している。

複数のころ７２は、円筒部７１２の内周面７１２ａと軸部６１の外周面６１ｂとの間に配置され、軸部６１に対する軸方向の移動が外輪カップ７１の底部７１１及び返し部７１３によって規制されている。外輪カップ７１が軸部６１に対して回転すると、複数のころ７２が円筒部７１２の内周面７１２ａ及び軸部６１の外周面６１ｂを転動する。円筒部７１２の内径と軸部６１の外径との差は、ころ７２の直径の２倍の寸法よりも僅かに大きく形成されている。

保持部材７４は、例えば鋼板をプレスすることにより形成され、平坦な円盤状の基部７４１と、基部７４１から軸方向に延在して玉７３の他の一部（穴部６１０から軸方向に突出した部分の一部）を保持する保持部７４２とを一体に有している。保持部７４２は、基部７４１から軸方向に離間するにつれて内径が小さくなるテーパ状の内面７４２ａを有しており、この内面７４２ａに玉７３が当接している。保持部７４２は、部分円錐形状であり、その先端が開放されているが、保持部７４２の先端が閉塞されていてもよい。

基部７４１は、その外径が貫通孔７１０の内径よりも大きく、外輪カップ７１の底部７１１と軸部６１の先端面６１ａとの間に配置されている。保持部７４２は、貫通孔７１０に挿通され、その先端部が底部７１１から外輪カップ７１の外部に突出している。また、本実施の形態では、保持部７４２に保持された玉７３の一部が底部７１１の貫通孔７１０から外輪カップ７１の外部に突出している。図３（ｂ）では、保持部材７３及び玉７３の図面裏側にあたる貫通孔７１０の外縁を破線で示している。

保持部材７４は、その一部である保持部７４２が貫通孔７１０に挿通されていることにより、外輪カップ７１に対する径方向の相対移動が規制されている。また、図３（ｂ）に示すように、保持部７４２における基端部の外径Ｄ１は、貫通孔７１０の内径Ｄ２よりも小さく形成されており、この寸法差の範囲で保持部材７４が外輪カップ７１に対して径方向に変位可能である。これにより、複数のころ７２のうちトルク伝達の荷重が負荷されるころ７２を確実に円筒部７１２の内周面７１２ａ及び軸部６１の外周面６１ｂに接触させることができる。

コラム軸２のヨーク２１の一対のアーム部２１２には、それぞれ外輪カップ７１が嵌合される嵌合穴２１２ａが形成されている。また、中間軸３の上側ヨーク３１の一対のアーム部３１２には、それぞれ外輪カップ７１が嵌合される嵌合穴３１２ａが形成されている。自在継手５１の四つの外輪カップ７１は、これらの嵌合穴２１２ａ，３１２ａに圧入されている。外輪カップ７１の底部７１１、玉７３、及び保持部材７４には、外輪カップ７１が嵌合穴２１２ａ，３１２ａに圧入されることにより、軸方向の予圧が付与されている。これにより、保持部材７４と外輪カップ７１の底部７１１又は玉７３との間から外輪カップ７１の内部への水分の浸入が抑制される。また、軸受部７における部材間のガタつきが抑えられ、例えば車両の走行時における振動等による音の発生が抑制される。

（実施の形態の効果）
以上説明した本発明の実施の形態によれば、玉７３と軸部６１及び保持部材７４とが軸方向断面において点接触するので、例えば軸部６１の先端面６１ａが外輪カップ７１の底部７１１に面接触する場合に比較して、錆の発生によって軸部６１に対する外輪カップ７１の回転抵抗が増大してしまうことを抑制することが可能となる。また、例えば特許文献１に記載されたもののように、外輪カップの底部に突起を設けなくとも玉を保持することができるので、外輪カップ７１の円筒部７１２の内径を高精度に形成することができ、ころ７２を円滑に転動させることが可能となる。また、玉７３を大径に形成しても保持部材７４によって確実に玉７３を保持することができ、外輪カップ７１内で玉７３が穴部６１０から脱落してしまうことを防ぐことが可能となる。またさらに、玉７３と外輪カップ７１との間に保持部材７４が介在することで、例えば保持部材７４の基部７４１と外輪カップ７１の底部７１１との間の滑りによって、外輪カップ７１に対する軸部６１の回転抵抗を低減することも可能となる。

（付記）
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、この実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、一部の構成を省略し、あるいは構成を追加もしくは置換して、適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記の実施の形態では、本発明をステアリングシャフトに適用した場合について説明したが、これに限らず、本発明を、自動車の駆動力を車両前後方向に伝達するプロペラシャフトに適用することも可能である。

また、上記の実施の形態では、保持部材７４が鋼材からなる場合について説明したが、これに限らず、保持部材７４をエンジニアリングプラスチック等の樹脂によって形成してもよい。この場合、玉７３と保持部材７４との間で発生する摺動摩擦抵抗をより小さくすることができる。また、保持部材７４を、鋼材と樹脂との組み合わせによって形成してもよい。この場合、摺動摩擦抵抗の低減のため、玉７３と接触する部分は樹脂によって形成することが望ましい。

１０…ステアリングシャフト（シャフト） ２…コラム軸（回転軸部材）
２１…ヨーク ２１２ａ…嵌合穴
３…中間軸（回転軸部材） ３１…上側ヨーク
３１２ａ…嵌合穴 ３２…下側ヨーク
４…ピニオン軸（回転軸部材） ４１…ヨーク
５１…第１の自在継手 ５２…第２の自在継手
６…十字軸 ６１…軸部
６１０…穴部 ７…軸受部
７１…外輪カップ ７１０…貫通孔
７１１…底部 ７１２…円筒部
７２…ころ ７３…玉
７４…保持部材 ７４１…基部
７４２…保持部 ７４２ａ…内面

Claims (5)

1. 一対のヨークをトルク伝達可能かつ揺動可能に連結する自在継手であって、
   四つの軸部が十字状に形成された十字軸と、前記四つの軸部のそれぞれを前記ヨークに対して回転可能に支持する軸受部とを有し、
   前記軸受部は、貫通孔が形成された底部と前記軸部を受容する円筒部とを一体に有する有底円筒状の外輪カップと、前記軸部の外周面と前記円筒部の内周面との間に配置された複数のころと、前記軸部の先端面から軸方向に凹設された穴部に一部が収容された玉と、前記玉の他の一部を保持する保持部材とを備え、
   前記保持部材の一部が前記貫通孔に挿通されて前記底部から前記外輪カップの外部に突出している、
   自在継手。
2. 前記保持部材は、前記底部と前記軸部の前記先端面との間に配置された基部と、前記基部から前記軸部の軸方向に延在して前記玉の前記他の一部を保持する保持部とを有し、
   前記保持部が前記貫通孔に挿通されている、
   請求項１に記載の自在継手。
3. 前記保持部は、前記基部から離間するにつれて内径が小さくなるテーパ状の内面を有し、当該テーパ状の内面に前記玉の前記他の一部が当接している、
   請求項２に記載の自在継手。
4. 前記保持部材に保持された前記玉の前記他の一部が前記貫通孔から前記外輪カップの外部に突出している、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の自在継手。
5. 端部にヨークを有する複数の回転軸部材と、一対の前記ヨークをトルク伝達可能かつ揺動可能に連結する自在継手と、を備えたシャフトであって、
   前記自在継手は、四つの軸部が十字状に形成された十字軸と、前記四つの軸部のそれぞれを前記ヨークに対して回転可能に支持する軸受部とを有し、
   前記軸受部は、貫通孔が形成された底部と前記軸部を受容する円筒部とを一体に有する有底円筒状の外輪カップと、前記軸部の外周面と前記円筒部の内周面との間に配置された複数のころと、前記軸部の先端面から軸方向に凹設された穴部に一部が収容された玉と、前記玉の他の一部を保持する保持部材とを備え、
   前記保持部材の一部が前記貫通孔に挿通されて前記底部から前記外輪カップの外部に突出しており、
   前記玉及び前記保持部材には、前記外輪カップが前記ヨークに形成された嵌合穴に圧入されることにより予圧が付与されている、
   シャフト。

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