JP3044273B2 - 動力操向装置の回転弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、自動車の液圧動力操向装置、また特にその
ような操向装置に使用する回転弁に関するものである。

（従来の技術） 液圧動力操向装置の回転弁は、通常、可撓性継手によ
って車輌の操向ハンドルに連結された入力軸を有し、こ
の入力軸の外周縁にランドによって分離され軸線方向に
延び端部が行き止まった複数個の溝を有する。一方、軸
線方向に延び端部が行き止まった一連の溝孔を孔の中に
有するスリーブを入力軸に支承し、この溝孔を一部はみ
出して入力軸の溝に重ねる。スリーブの溝孔の幅を入力
軸のランドの幅より広くして軸線方向に延びるオリフィ
スの組を画成し、入力軸とスリーブとが相対的に回転す
る時、オリフィスが開閉するよう構成している。これ等
のオリフィスは、平行して作動する液圧ホイートストン
ブリッジの組を形成するようなネットワークとして開口
している。

入力軸とスリーブとに穿孔して形成した通路と、スリ
ーブの周縁の円周溝とは、入力軸の溝と、スリーブの溝
孔と、機関により駆動されるオイルポンプと、操向装置
に組込んだ右側及び左側の液圧補助シリンダ室とに液圧
油を連通させる。

入力軸に組込んだ捩じり棒は、操向操作を動力で補助
することが必要でない時に、入力軸とスリーブとを中立
中心位置に向け押圧する作用をする。運転者が操向ハン
ドルに入力トルクを加えた時、捩じり棒が変形し、スリ
ーブと入力軸とを中立位置から相対回転させる。この相
対角度がいわゆる「弁作動角」であって、この角度によ
って液圧ホイートストンブリッジの組の平衡を破り、右
側及び左側の液圧補助シリンダ室間に差圧を発生させ
る。回転弁の「ブースト特性」、即ち上述の入力トルク
と差圧との間の機構的関係は、所定の操向操作に関し
て、入力軸の外径に隣接してこの入力軸に設けた溝の端
縁に形成した軸線方向に延びる幾何学的輪郭によって決
定される。

このような通常の回転弁を操作する一般的な方法は、
動力操向装置の設計の技術分野においてよく知られてお
り、ここでは詳細に説明しない。この操作に関する優れ
た説明は、回転弁の概念を開示している「初期の特許」
として常に援用している米国特許第3022772号（Zeigle
r）に記載されている。

弁作動角が最大0.3度である通常の中立位置での運転
中、即ち高速道路での運転のように、オンセンタでの運
転中、このような弁における捩じり棒の存在は、（動力
の補助を受けない）手動部片に比較し、動力操向装置の
剛性を著しく減少させている。その理由は、捩じり棒
は、操向装置の機械的な駆動系列内で最も柔軟な素子で
あること、及び動力操向装置の弁のオンセンタ作動区域
に関連する液圧補助圧力の圧力レベルが低いので操向装
置のサーボ作用によって発生する「液圧剛さ」が殆ど発
生しないためである。回転弁で作動するラックピニオン
動力操向装置の剛さについては「動力補助ラックピニオ
ン操向装置の剛さと感触との分析（SAE技術報告書No.88
0706）」に詳細に報告されており、このような動力操向
装置のオンセンタにおける剛さは、同等の手動操向装置
の剛さより通常５〜10倍低いことが示されている。

操向装置のオンセンタにおける全体にわたる剛さにつ
いての捩じり棒の柔軟性の優れた作用は、動力操向装置
の産業分野において認められている。従来の回転弁で
は、もっと剛性の高い捩じり棒を弁に使用することは可
能であるが、車輌がカーブを走る時や駐車する時でも、
許容させる小さな操向力で済むようにするためには、弁
作動角が対応して減少してしまうことは避けられない。
このため、動力操向装置の弁の構成部材の精度が高いこ
とが要求され、特に入力軸の溝の端縁と、スリーブの端
部が行き止まった溝孔の相手端縁とに形成した上述の軸
線方向に延びる輪郭の幾何学的形状に高い精度が要求さ
れる。また、左側の入力トルクと右側の入力トルクに対
してブースト特性が対称になるよう入力軸と捩じり棒と
を高い精度の角度になるようピン止めする製作組立て操
作において、弁の平衡、又は心決めを行うことは、剛強
な捩じり棒について制御することが困難である。このよ
うな製造上の問題は、所定の軸線方向長さを有するこの
ような剛強な捩じり棒に関連する高い応力レベルと結び
ついて、通常の回転弁における実際の捩じり棒の剛性を
最大で約2Nm/度に限定している。

この理由のため、過去10年間にわたり、新しい動力操
向装置の弁システムは実際的な剛性のある捩じり棒を利
用可能にするように発達して来た。しかし、この捩じり
棒は、中立位置になるように弁にプリロードを加えるよ
う作用する心決め機構によって増強されている。このよ
うなシステムでは、限界入力トルク値まで捩じり棒の無
限の剛性を少なくとも理論的に高めることができる。通
常の弁におけるように、この限界値を越えると入力軸と
スリーブ素子との間に回転移動が起こる。この限界入力
トルク値は、通常、オンセンタ駆動に関連するトルクの
範囲を少なくとも包含するような範囲であり、従って、
その操向システムはこのような条件下で、最高の精度と
感触である「手動感触」を基本的に生ずる。

これ等の新しいシステムは圧力変調心決め機構と機械
的心決め機構との２個のカテゴリーに広く分類される。

圧力変調心決め機構は、車輌の速度につれて徐々に操
向作用を増大させるため、従来の速度検知弁システムに
使用されており、主要な３個のタイプがある。

まず、米国特許第4819545号（Dymond）と米国特許第4
593783号（Honaga等）に記載された機構は、回転弁の２
個の相対的に軸線方向に摺動できるプランジャの対向す
る三角形の切欠の組の間に捕捉したボールを使用し、プ
ランジャに作用する液圧によってこれ等ボールを互いに
押し付け（又は釈放）している。通常、切欠形成プラン
ジャの一方を回転できるよう剛固に入力軸に取り付け、
他方をスリーブ、又はピニオンに取り付ける。従って、
この機構は、スリーブと、入力軸との間に回転止めを有
効に形成しており、この回転止めの限界トルクに相当す
るスリーブと入力軸との間の心決めトルクは、所定の液
圧において弁の全ての作動角に関して一定である。この
一定の心決めトルクは捩じり棒の直線的に増大する心決
めトルクに代数的に加わる。制御弁に通る液圧の量を変
化させることによってこの一定の心決めトルクを変調す
ることができる。このような構成は、回転弁の軸線方向
の長さを通常20mm実質的に増大させる。また、ボールと
切欠との間の相互面に本質的に点接触が存在するから、
非常に高い繰返し応力が生じ、このような装置の作動寿
命が短くなる。応答の「デッド区域」をオンセンタ駆動
時に避けるべきであるならば、対向するプランジャに極
端に精密に切欠を位置させることが必要である。

第２に、英国特許第2199000号（Adams）、及び米国特
許第4593783号（Honaga等）、第4619339号（Futaba
等）、第4651622号（Yoshida）、第4759420号（Schippe
r等）、及び第4796715号（Futaba等）に記載されている
機構も止めを利用しているが、この止めは、軸線方向で
なく半径方向に配置されている。これ等プランジャは、
ボール、又は先端が球状のピストンから成り、これ等プ
ランジャはスリーブ、又はピニオンの正確な半径方向孔
内で摺動し、入力軸の外径上の切欠内に液圧によって押
圧される。止め作用は上述の場合と同様であるが、相違
するのは、転動することがないため、摺動戻り止めの相
互面に大きな摩擦力を発生し、そのため弁ブースト特性
に対応するヒステリヒス現象が起きることである。この
摩擦は、ボールと切欠との間の本質的な点接触の高い繰
返し接触応力特性によって更に悪化し、大きな摩耗を発
生するため、接触面の状態が急速に悪くなる。米国特許
第4593783号（Honaga等）、第4619339号（Futaba等）、
及び第4651622号（Yoshida）の機構においては、ピスト
ンの先端に円筒接触表面を利用することは、実質的に不
可能である。これはピストンの軸線方向に対称な幾何学
的形状は、それぞれの切欠の軸線に平行にこのような円
筒表面の方向を維持するのを困難にするからである。こ
のような円筒接触表面は（点接触でなく）線接触とな
り、それにつれて繰返し応力と摩耗程度が著しく減少す
る。プランジャをこのように半径方向に配置しているの
で、回転弁の軸線方向の長さだけでなく、多くの場合、
その直径をも増大させることになるのがこの構成の主要
な欠点である。

第３に、米国特許第4637484号（Ijiri等）、第468118
4号（Suzuki等）、及び第4905784号（Yamashita）に記
載された機構は、対向する捕捉されたピニオンの平行な
２組を採用し、これ等ピストンは、液圧を受けて、入力
軸と、スリーブ又はピニオンとの間に心決めトルクを作
用させ、捩じり棒を増強している。ピストンの端部の突
起を入力軸上の半径方向延長部の対向側部に接触させ、
これにより心決め力を変調圧力に比例したものにしてい
る。この種の機構は、比較的摩擦はないが、４個のピス
トンを組み込んでいるので、弁の軸線方向の長さが著し
く長くなり、弁の全体としての直径も著しく大きくなる
欠点がある。このことは４個のピストンの作用を同期さ
せる問題を一層困難にする。この同期が行われないと、
オンセンタ駆動中に、上述した応動の「デッド区域」が
生ずる。

圧力変調心決めシステムの３種類の機構は全て液圧作
用が複雑である欠点があり、回転弁内に付加的なポート
とシールとが必要であり、回転弁までの液圧回路に、ソ
レノイド、又は段歩電動機によって駆動される変調弁を
介挿することが必要である。或るシステムでは、プラン
ジャに油圧を供給するために別個の液圧ポンプすら必要
になる。付加的シール等を通じて液圧変調圧力を高速で
弁に供給すると、これ等のシステムは通常の回転弁より
もオンセンタ時に高い摩擦を生ずることは避けられな
い。また、車輌速度の関数として心決めトルクを変化さ
せることが必要な速度検知弁の或る用途では、複雑であ
ることと、これ等システムの製造費が高いことは、多分
正当化されるであろうが、多くの速度検知の用途、及び
殆ど全ての非速度検知の用途に対しては、わざわざこの
ようなものを使用しなくとも、最適のオンセンタ駆動精
度と感触とに関し両立し得る上述の一定限界入力トルク
値を生ずる心決め機構を理想的に役立てることができ、
十分である。

従来の機械的心決め機構は、すべてオンセンタ駆動中
に、捩じり棒のどんな変形においても通常0.5〜1.0Nmか
ら零までの一定限界入力トルクを生ずることを狙ってお
り、作動のために付加的な液圧サブシステムを必要とし
ない。これ等機構も２個の主要なカテゴリーに分類され
る。

まず、英国特許第2165502号（Adams）、及び米国特許
第4428399号（Masuda）に記載された機構は大きなＣ字
状ばねで回転弁の周囲を包囲し、このＣ字状ばねによっ
て捩じり棒を強化する。或いは代案として、実際に捩じ
り棒の代わりにＣ字状ばねを使用している。ピニオン
（又はスリーブ）及び入力軸から延びる半径方向のピン
は二重に捕捉されており、Ｃ字状のばねの２個の隣接す
るアーム間の軸線方向に配列された位置でこの半径方向
のピンにプリロードを加える。従って、弁作動角が生ず
る以前に、限界入力トルクを入力軸に加える必要があ
る。Ｃ字状ばねの構成は、その変形が正規の全弁作動角
（代表的には±４度）を包含しなければならないだけで
なく、いわゆる「フェイルセーフ」角（代表的には±７
度）で過大応力を生じないように設計しなければならな
い欠点がある。この大きなフェイルセーフ角は通常の回
転弁では、から動き駆動構成によって決定され、捩じり
棒の破損の時、又はポンプからの液圧供給が停止した
時、弁作動角を機械的に制限する。Ｃ字状ばねが、上に
述べた0.5〜1.0Nmの限界入力軸トルクを生ずるために
は、約７度のフェイルセーフ角での過大な応力を防止す
るため（回転弁の軸線に平行に測って）軸線方向に長く
することが必要であり、従って、回転弁の軸線方向の長
さが長くなる。また、捩じり棒の代わりに使用するので
なく、増強のためＣ字状ばねの構成を使用する場合に
は、上述の平衡作動に関して製造上の問題があり、Ｃ字
状ばねによって画成する作動中心に対し、捩じり棒によ
って画成する弁作動中心を正確に合致させるための製造
上の問題がある。このように設計製造上の問題があるこ
とは、この技術がこの産業分野で広く採用されなかった
ことを意味している。

第２に、米国特許第4774847号（Breitweg）に記載さ
れた機構は、相対的に軸線方向に摺動できる２個のプラ
ンジャの３角形切欠の対向する組の間に捕捉されたボー
ルを使用しており、この場合、この構成は、米国特許第
4593783号（Honaga等）を援用して既に説明した圧力変
調機構に類似している。しかし、全体の構成は、軸線方
向に小さくなっており、捩じり棒を包囲しており、従っ
て通常の製造作業によって平衡させることができる捩じ
り棒組立体を形成している。移動可能のプランジャをベ
ロースばねによって固定プランジャに向け押圧し、この
ベロースばねは、また捩じり棒組立体の適当な端部に移
動可能のプランジャを回転可能に取り付ける役割を果た
している。通常の回転弁では捩じり棒によって入力軸の
内側に全体の組立体を包み込むから、組立体の外径（通
常約16mm）を収容するため、入力軸は、本質的に管状で
ある必要がある。現在までのところ、この構成は、外径
22mmの入力軸を有するZF弁に採用されている。外径21mm
以下の入力軸を採用する多数の動力操向弁に採用できる
程、この組立体を更に小形化することは困難である。ま
た、止め作用を達成するため小形のボールを使用すると
高い繰返し接触応力を生ずる。止め作用を受ける捩じり
棒組立体の複雑さと共にこれ等の事実は、このシステム
の限界コストが高いことを意味し、また通常の直径の回
転弁には実際上「付加」の構成として提供することがで
きないことを意味する。ドイツ特許第3634215号（Breit
weg）に示された他のZF機械的心決め機構では、３角形
切欠の対向する組の間に拘束されたボールの同様の原理
が使用されている。しかし、このドイツ特許では、切欠
の単一の組を使用し、一方の切欠をスリーブの軸線方向
端面に機械加工して設け、対向する他方の切欠をばね鋼
のカラーに形成し、このカラーを入力軸の外径にクラン
プしている。しかし、この組立体は、捩じりに対して比
較的従順であるように期待されており、従って、捩じり
棒の剛性にオンセンタ時の剛性が殆ど加わらない。米国
特許第4774847号（Breitweg）の場合のように、単一の
平行側部二重Ｖ字状切欠の構成は、弾性部材の変形が動
力操向装置の弁の全ての「フェイルセーフ角」を包含し
なければならないことを意味する。従って、弾性部材
は、適切な量の歪エネルギーを蓄えなければならず、そ
のため微小化が困難であり、動力操向装置の弁の寿命
中、予測される数百万回の作動サイクルに、過大な応力
を受けることを避けることが困難である。

第３に、ドイツ特許第3013535号（Jablonsky）に記載
された機構は、所定の限界値を越えるトルクが入力軸に
加えられた時、直径的に配置した鋼板の主柱を座屈によ
り軸線方向に変形させている。この限界値は、この機構
の運動学と、鋼板素子の主柱の強度とによって決定され
る。適切な心決めトルクは、座屈が発生する程度まで比
較的大きいが、この心決めトルクは、徐々の座屈変形に
つれて減少する。座屈は、その性質上、正確に分析し予
測することは困難であり、しかも、製造時に制御するの
が非常に困難な非常に多くのパラメータの関数である。
例えば、上記ドイツ特許にも認められているように、こ
の主柱素子内に予め僅かな曲げを設定することによっ
て、この素子の座屈に対する強度が甚だしく減少するか
ら、限界入力トルクも減少する。これ等の理由から、こ
の上記ドイツ特許の機構は、決して生産に利用されなか
ったと信ずる。

（発明が解決しようとする課題） この先行技術の欠点に徴して、本発明の目的は、通常
約37.5mmである標準の外径の従来の速度検知回転弁、又
は非速度検知回転弁に組み込むことができる心決め機構
を提供するにある。また、この装置は、回転弁に付加さ
れる長さを最小にし、他の標準型回転弁のオンセンタ時
の性能を向上するよう「付加」の構成、又は随意の要旨
として使用することができる。前に説明したように、こ
の心決め機構は、オンセンタ駆動でも両立し得る（ほ
ぼ）0.5〜1.0Nmの限界入力トルクまで弁をその中立状態
になるようプリロードを加えることを目的としている。
このような状態下での精密さと感触とは、弁の摩擦が絶
対的に最小になった時に、初めて完璧なものになる。転
動接触のみを採用する全く機械的な心決め機構はこの目
的に合致し、従ってこの心決め機構は、この発明の一要
素である。従来の機械的に作動する全ての心決め機構の
欠点は、約７度である弁のフェイルセーフ角で過大の応
力を受けることなく、オンセンタで必要な限界トルクを
生ずるばね素子の能力にある。この問題は、ばね鋼の所
定の容積内に歪エネルギーを蓄える容量に基本的に関す
るものであり、本発明では、限界入力トルクを越えた
後、弁作動角の関数として、発生する線形の、又はほぼ
線形の心決め力を必要としないようにすることによっ
て、この問題を解決する。明らかなように、機械的に作
動し、止めに基礎を置く従来の心決めシステムは、もと
もと、この直線性を発揮しており、このことは、必要な
限界入力トルクを達成するのに必要なエネルギーに比較
し、過大な大きな量のエネルギーをばね素子に蓄えるこ
とを意味する。

本発明の目的は上記従来技術の欠点を解決することに
ある。

（課題を解決するための手段） 本発明動力操向装置の回転弁は、全て共通の中心軸線
上にある入力軸と、スリーブと、被動部材と、全体が機
械的に作動される心決め機構とを含み、前記心決め機構
は１つ又はそれ以上の転動素子を含み、各転動素子は１
対の対向する切欠素子間に配置されており、前記各対の
対向する切欠素子のうちの１つの切欠素子は入力軸に関
して回転しないようにされるか又は前記入力軸と一体に
形成されており、各対の対向する切欠素子は転動素子の
１つを捕捉するようばね手段によって互いに押圧され、
それによって入力軸とスリーブ又は被動部材間に止め作
用を生ぜしめ、所定の限界値を越える入力トルクが加え
られたときのみ前記入力軸とスリーブ又は被動部材間に
相対的回転が生じるようになした動力操向装置の回転弁
において、入力トルクが所定の限界値を越えた後、各転
動素子が前記１対の対向する切欠素子の対向する表面輪
郭間を転動するようになし、各輪郭が凸形表面をもつこ
とを特徴とする。

切欠の幾何学的形状、及び心決めトルクの適切な減少
は、ばねの変形を制限する効果がある。これは、切欠の
形状が３角形で、従って、心決めトルクの減少がない先
行技術の場合と異なっている。このため、ばねに蓄える
べき必要な歪エネルギーを制限するから、実際にばねを
一層コンパクトに設計することができる。実際上、オン
センタ駆動に関連しない大きな弁作動角の場合の転動素
子に対する切欠の関連する接触表面が入力軸とスリーブ
（又は被動部材）との間の相対移動の方向に平行になる
よう切欠の幾何学的形状を配置するのが好適である。こ
のようにすれば、心決めトルクは、実際に零に減少し、
このような大きな弁作動角でも捩じり棒の増強を生じな
い。従って、上述の製造上の不利益によって必ずしも弁
作動角を減少させることなく、標準範囲の弁作動角（上
述したように通常４度）を回転弁の設計にあたり使用す
ることができる。心決めトルクを零に減らすように配置
した状態では、切欠の平行な部分に衝合を生ぜしめ、ロ
ーラが逸脱するのを制限し、弁がその中立位置に復帰す
る際、ローラが確実に切欠内に再び入るようにする。

また、転動素子の形状を円筒形にし、切欠形成素子の
角柱状の切欠に基本的に線接触させるのが好適である。
これにより切欠の輪郭と所定の直径の転動素子との間の
繰返し応力を減らし、従って、同等の応力を受ける球状
素子に比較し、転動素子の直径を著しく減らすことがで
きる。

線接触を使用することは、転動素子の半径より実質的
に一層小さい半径を有する切欠の輪郭を選択することが
できることを意味する。鋭い端縁を有する輪郭の場合で
も同様である。接触点における応力が実際の技術材料
（例えば焼入れ鋼）についての限界値を越えないことが
必要である。従って、止めが中心を占めた時、転動素子
との接触線に密接する点まで切欠の輪郭の幾何学的形状
は、Ｖ字状であることが好適である。しかし、限界トル
クを超過すると、転動素子は、この輪郭の小さな半径の
周り転動し、転動素子の中心の軌跡は、転動素子の半径
より僅かに大きい半径の弓形になる。このことは、直径
が小さい転動素子を使用することと結びついて、限界入
力トルクを超過した後、ばねの必要な変形を制限するの
に役立ち、従って、ばねの寸法を小さくすることがで
き、実際上、心決め機構を標準の回転弁の構成内に一層
よく詰め込むことができる。

回転弁の中心軸線及び円筒形の転動素子の軸線に対し
基本的に半径方向に止め作用が働くように、しかもこの
軸線に平行に切欠形成素子の対応する角柱状切欠が形成
されるよう心決め機構を配置するのが好適である。この
心決め機構をスリーブのいずれかの端面に位置させるこ
とができ、捩じり棒を増強するよう入力軸とスリーブと
の間に直接作用するよう心決め機構を配置することがで
きる。入力軸の外径に直径的に対向し軸線方向に一線の
２個の切欠を設け、内側切欠素子を形成する。

第１の好適な実施例では、支持体をスリーブの端面に
位置させ、２個の直径的に対向し半径方向に延びる溝を
この支持体に設ける。このような溝のそれぞれに長方形
の切欠形成プランジャを収容し、実質的に零の側部間隙
でこのプランジャを溝内で半径方向に摺動させる。各プ
ランジャの切欠と入力軸の外径の隣接する切欠との間に
転動素子を捕捉する。支持体の外径の周りに延びる円周
溝を設け、２個の三ヵ月形のアームをこの円周溝内に設
置する。各アームの中心は、各プランジャの半径方向最
外側の面に接触する。各アームの端部に形成したフック
を引張りコイルばねによってそれぞれ連結し、この引張
りコイルばねにより２個のアーム、即ち２個のプランジ
ャを弁の中心軸線に向け互いに接近するよう押圧する。
このようにして、プランジャのそれぞれの切欠と、入力
軸の外径上の隣接する切欠との間で各円筒ローラに負荷
を加え、止めの限界入力トルクを超過しない入力トルク
の場合、２個の転動素子のおのおのについて４個の線接
触を生ぜしめる。この限界値を越える入力トルクが加え
られた時、ばね負荷に起因する反力に抗して切欠形成プ
ランジャを半径方向外方に駆動し、弁作動角が発生する
につれて、転動素子は転動して、隣接する切欠間で２個
の線接触状態となる。この回転弁の製造中、機械的平衡
作用を行い、入力トルクが零の時に転動素子とその隣接
する接触切欠との間に４個の線接触が発生するようスリ
ーブの端面上での支持体の角度方向を確実に定める。ま
た、この平衡作用によって、左側に操向した時と、右側
に操向した時との限界入力トルクをほぼ等しくし、弁の
ブースト特性によって定まる中立位置に関してこれ等限
界入力トルクを等しいものにする。

標準スリーブの外径によって画成する円筒面内にこの
構成を詰め込み、回転弁に付加する必要がある長さが最
小に済むようにする。従って、この装置を標準回転弁の
剛さと感触とを向上させるよう「付加」の構成、又は随
意の要旨として包含させることができる。

本発明の第２の好適な実施例では、支持体を平坦面に
構成し、ねじ、その他の取付け手段によってこの支持体
をスリーブの端面に取り付ける。プランジャの半径方向
最内側の面に接触する２個のＣ字状ばねによって切欠形
成プランジャに半径方向内方の負荷を加える。切欠形成
プランジャと、転動素子と、Ｃ字状ばねとをカバー板に
よって軸線方向に拘束し、このカバー板を取付ねじのた
めの回転防止座金、及びロック垂片としても作用させ
る。取付ねじ、又はその他の固定手段の主要外径に比較
し、支持体の取り付孔を大きくし、支持体を取り付ける
前に、スリーブの端面に対し半径方向、及び回転方向の
両方向にこの支持体を僅かな角度「浮動」できるように
する。このようにして、取付け後、捩じり棒により供給
される心決め力に対し、心決め機構を精密に回転して整
合させることができる。即ち、捩じり棒の心決めトルク
が零の場合、対向する円筒ローラを、止め作用の切欠に
４線接触で掛合させる。即ち、入力軸の外径の角柱状の
切欠と２線接触で掛合させ、同時に切欠形成プランジャ
の内方に向く面の角柱状の切欠と２線接触で掛合させ
る。

添付図面を参照して、例として本発明を説明する。

（発明実施の形態） 第１図は、スリーブ２内に支承した入力軸１を組み込
んだ弁組立体を示し、捩じり棒４によってこの入力軸１
をピニオン３（被動部材）に弾性的に連結する。スリー
ブ駆動ピン５によって回転するようスリーブ２をピニオ
ン３に連結すると共に、捩じり棒４の左端を捩じり棒ピ
ン６によって入力軸１に固着し、捩じり棒４の右端を据
込み連結部７によってピニオン３に固着する。従って、
入力軸１に加えた入力トルクにより捩じり棒４を角度的
に撓ませ、弁作動角として知られる角度だけ入力軸１と
スリーブ２との間に角度変位を生ぜしめる。この弁作動
角によって操向装置に液圧補助力を生ぜしめ、従ってラ
ック８に軸線方向出力を与える。このことは動力操向装
置の技術分野の当業者にはよく知られており、これ以上
の説明は省略する。

また、この弁組立体は、ピニオン３から遠い側のスリ
ーブ２の端部に取り付けた心決め機構９を組み込んでい
る。この機構を第２、３、及び４図に一層詳細に示す。
心決め機構９は入力軸１とスリーブ２との間に直接作用
するよう配置し、これ等素子間に心決めトルクを生ぜし
める。この心決めトルクは捩じり棒４から得られる線形
心決めトルクを増すものである。入力軸１は、その外径
上に直径的に対向し軸線方向に配列した２個の角柱状の
切欠10を有する。支持体11をスリーブ２の端面12に当て
て位置させ、スリーブ２の栓部13を支持体11の円筒フラ
ンジ14に掛合させることによって支持体11がスリーブ２
に対して中心を占めるようにする。栓部13の穿孔点凹所
15にピン16によってフランジ14を変形可能に止めること
によって、支持体11をスリーブに対し回転方向、及び軸
線方向に動かないように取り付ける。支持体11には、直
径的に対向し、半径方向に延びる２個の溝17を設ける。
四角形の切欠形成プランジャ18を各溝17に収容し、溝17
の平行な側面19に沿って実際的に零の間隙で半径方向に
プランジャ18を摺動させる。プランジャ18の半径方向最
内側の面の角柱状の切欠20を弁の中心軸線21に平行に配
列する。各プランジャ18の切欠20と入力軸１の外径上の
隣接切欠10との間に円筒ローラ22を捕捉する。支持体11
の外径の周りに延びる円周溝24内に三ヵ月形のアーム23
を設置し、半径方向の溝17と交差させる。各アーム23の
中心内面に小さな凹所25を設け、プランジャ18の半径方
向最外側の面の溝26内にこの凹所25を嵌着する。各アー
ムの末端にフック27を形成し、対向する２個のアームの
隣接するフックを連結するように引張りコイルばね28を
フック27に支持し、２個のアーム23、従って対向するプ
ランジャ18を互いに引き寄せる。Ｕ字状クリップ29によ
って円筒ローラ22を軸線方向に対し保持すると共に、全
体の心決め機構を単一ユニットとして合体保持し、製造
中、心決め機構を回転弁に組み立てるのを容易にする。

プランジャ18を中心に向け押圧することによって、転
動作用止めとしてプランジャ18の切欠20と入力軸１の外
径上の隣接切欠10との間の各円筒ローラ22に負荷を加え
る。この転動作用止めの限界入力トルクを超過しない入
力トルクの場合には、第5a図の接触点30a〜30dにおける
ように、各円筒ローラ22に４個の線接触が生ずる。各接
触点30a〜30dにおいて、それぞれ切欠10、又は20の輪郭
は、円筒ローラ22の円筒表面に対し接線方向に形成され
る。また、この転動作用止めの実際の幾何学的形状と心
決め機構９の残りの構成とに関する知識により、限界入
力トルクの簡単な計算が可能である。中立位置でそれぞ
れ力Ｆのプリロードを受ける２個の円筒ローラ22と２個
のばね28とを組み込んだ図示の実施例について、限界入
力トルクＴは次の式によって与えられる。

Ｔ＝2F×半径31×tan（角度32） ここに半径31は弁の軸線21と円筒ローラ22の中心33と
の間の半径距離であり、角度32は、中心33に関する接触
点30aと30bとの中心角の1/2である。

この限界値を越える入力トルクが入力軸１に加えられ
た時、プランジャ18は、ばね28によって加わる反力に抗
して徐々に半径方向外方に駆動され、弁作動角が発生す
るにつれて、円筒ローラ22は転動して、入力軸１とプラ
ンジャ18の隣接する切欠間で２個の線接触をなす。これ
等２個の線接触を第5b図に接触点30a、30dとして示す。
このようにして変位した位置において、上記転動作用止
めから生ずる心決めトルクは、角度32が角度32aに減少
したことに起因して、著しく減少してしまっていること
明らかである。以上の構成が、中立位置から離れる弁作
動角の量を増大させるために、入力軸１とスリーブ２と
の間の心決めトルクが減らされ、それによりばね28の撓
みを制限する基本的機構である。

この現象に関する幾何学的関係を第６図に示し、この
第６図は、円筒ローラ22が中立位置からいずれかの側に
移動する際の円筒ローラ22の中心33の軌跡をプロットし
ている。時計方向の入力トルクの場合、円筒ローラ22
は、位置33、33a、33b、33cを経て、入力軸の切欠10に
対し左に転動する。位置33aは、第5b図に示す位置に相
当しており、円筒ローラ22は、支持体11の側面19にまさ
に衝合しようとしている。しかし、その他の位置33b、3
3cも実際に必要な止め作用に応ずる全く現実的な位置で
ある。反時計方向の入力トルクの場合、円筒ローラ22は
位置33、33d、33e、33fを経て、入力軸の切欠10に対し
右に転動する。入力軸１の切欠10の輪郭は、中立位置に
おける接触点30a、30bに密接するほぼ鋭い端縁から成る
から、軌跡33〜33b、33〜33eの部分はこれ等の点の周り
にそれぞれ弓形になり、円筒ローラ22の中心33が距離35
まで半径方向に持ち上がるのを有効に制限する。これ
は、この距離35の４倍のばね28の撓みに相当する。しか
し、先行技術の機械的心決め機構におけるように、単純
な３角形の切欠である場合の円筒ローラ22の中心33の半
径方向上昇距離に相当する距離36に対し距離35は何分の
一と小さい。従って、ばね28の変形は、著しく小さくな
り、スリーブ２の端面に取り付けた支持体11内にばね28
を詰め込むことができる。

第７図には、捩じり棒の線形作用に組み合わせた時
の、弁作動角の機能としての心決めトルクの対応する関
係をプロットしている。この組み合わせた関係を曲線37
〜37cとしてプロットした。37cの点は、代表的な回転弁
のフェイルセーフ角Ｆである７度に相当する。図面に示
すように、弁がオンセンタ位置、即ち中立位置にある
時、心決め機構によって生ずる心決め力は、最大であ
り、点37における限界入力トルクＴに相当する。この心
決めトルクは角度32が点37bにおける零まで減少するに
つれて弱くなる。この点37bから点37cのフェイルセーフ
角Ｆまでは、この機構による捩じり棒の心決め作用の増
強は生じない。言い換えれば、線37b〜37cは、線38と同
一直線上にあり、捩じり棒のみについての単純な線形関
係に相当する。

ばね28が、適切なばね常数を有すれば、曲線37〜37b
は、代わりの曲線39に示すように上方に膨らむ傾向があ
る。この状態は、図示のケースのように心決めトルクの
関係の全体としての傾斜が常に単調に増大する限り、厳
密なものでない。このシステムに極端に剛いばね28を使
用すると、曲線40に示すように一層膨らみ、区域41では
負の傾斜になる。このようになると、回転弁の作動は不
安定になり、運転者が入力トルクを徐々に加えても、弁
作動角は、不連続に増大する。

曲線37〜37cから明らかなように、フェイルセーフ角
Ｆにおける所定の入力トルクによる弁の作動角は、捩じ
り棒のみを組み込んだ（即ち、機械的心決め機構が無
い）単純回転弁の作動角と同一である。曲線42に相当す
る３角形の切欠を採用すれば、同一の入力トルクに対
し、著しく減少したフェイルセーフ角Ｇとなる。上述し
たように、従来の機械的心決め機構で使用する構成は、
弁作動角が全体として減少（即ち,G対Ｆ）するので、著
しく製造が困難になる。

第６図に示すほぼ鋭い端縁から成る輪郭は、円筒ロー
ラ22の中心33が半径方向に上昇する距離35を制限するた
めに最適である。上述したように、球状部材とは異な
り、円筒ローラを使用すれば、接触点30a〜30dの線に沿
って負荷を分散する効果があり、従って、このようなほ
ぼ鋭い端縁を採用することができる。特殊な材料を使用
することにより、切欠10、20の輪郭にこのようなほぼ鋭
い端縁を採用することが適当でなくなる程度まで、繰返
し応力を制限できる場合には、第８図に示す代案の構成
を採用することができる。この構成においては、ほぼ鋭
い端縁30a、30bの代わりに、角柱状の隅肉半径43a、43b
を使用し、円筒ローラ22の中心33の新たな軌跡44をこれ
等隅肉の半径の中心45、46の周りに弓形にする。中心33
の半径方向の上昇距離、従ってばね28の全体の変形は、
距離45まで僅かに増大する。しかし、繰返し接触応力は
著しく減少する。代案として、第６図の運動学を維持し
て、僅かに小さいローラを使用してもよい。他の代案と
して、第９図の輪郭48として示すように、異なる半径の
輪郭を切欠に採用してもよい。円筒ローラ22の中心33の
半径方向の上昇距離47は、輪郭48の形状の関数である。
しかし、従来の３角形切欠に比較し、ばね28に生ずる最
大変形（この場合、距離47の４倍）は、著しく減少す
る。

上述の第８図、及び第９図の場合、入力軸１の切欠10
の輪郭の形状をプランジャ18の切欠20の輪郭の形状と同
一にすれば、円筒ローラ22に作用する力をバランスさせ
ることを実現し得ることもちろんである。そうでない
と、円筒ローラ22は転動せず、摺動する傾向となり、従
って円筒ローラの方向が不正確になる。それにも係わら
ず、円筒ローラ22の移動を制限するように位置する支持
体11の側面19が弁のフェイルセーフ角に見合うものであ
れば、この円筒ローラ素子が切欠10、又は20のいずれか
に対して２個の線接触位置（即ち中心位置）を通過した
時、円筒ローラは、転動を停止し、正規の転動作用止め
が再発生するまで、円筒ローラは、反対側の切欠との２
個の線接触が生ずるまで待つている。従って、この構成
によって、対向する切欠間のローラの正しい方向が常時
確保される。

第10、11、12、13及び14図を参照して本発明の第２実
施例を説明する。

この第２実施例では、入力軸50、角柱状切欠51、及び
円筒ローラ52は上述の第１実施例における部材とほぼ同
一であり、第２〜９図の符号１、10、及び22の部材にそ
れぞれ対向している。支持体53は、平坦面を有し、スリ
ーブ54の端面に穿孔して形成したねじ孔56に螺着した２
個の六角ヘッドのねじ55によってスリーブ54の端面に取
り付けられている。４角形の切欠形成プランジャ57を支
持体53の溝59の平行な側面58に沿って実質的に零の間隙
で半径方向に摺動させる。角柱状の切欠51、60（切欠60
はプランジャ57に形成）と、円筒ローラ52との幾何学的
形状から生ずる二重捕捉転動作用は、第１実施例の場合
と正確に同一である。

しかし、この第２実施例では、第１実施例の側面19に
おけるように、切欠形成プランジャ57の最内側部にも半
径方向デッドストップ61を設け、円筒ローラ52の方向が
狂うのを修正し、円筒ローラ52が移動するのを制限す
る。また、第１実施例のようなコイルばね28によらず、
切欠形成プランジャ57の輪郭部63に支持した２個のＣ字
状ばね62によって、この切欠形成プランジャ57に半径方
向内方の負荷を加える。円筒ローラ52、切欠形成プラン
ジャ57、及びＣ字状ばね62の軸線方向の拘束は、カバー
板63によって行う。カバー板63は、六角ヘッドのねじ55
の回転止め座金としても作用し、垂片64によってこれ等
ねじのロックを容易にする。Ｃ字状ばね62は、その厚さ
が均一なように図示されているが、軸線方向に測定した
幅を変化させている。Ｃ字状ばねの設計における通常の
プラクテスに従って、最大の曲げモーメントを支持する
中心区域を最大幅にし、切欠形成プランジャ57の輪郭部
63との接触点に隣接するＣ字状ばねの端部は小さな曲げ
モーメントを受けるので幅を狭くする。このようにし
て、Ｃ字状ばねを均一な幅にする場合に比較し、曲げ応
力をＣ字状ばねに一層均一に分散させることができ、し
かも、所定の最大応力レベルに対し、ばね常数を最小に
することができる。

Ｃ字状ばねを対称に構成配置することによって、溝59
の側面58と切欠形成プランジャ57の摺動面との間の側方
負荷を最小にすることができ、摩擦と摩耗とを最小にす
ることができる。或る用途では、この弾性部材を単一の
Ｃ字状ばねのみで構成することができることはもちろん
である。またＣ字状ばねをばね鋼の単一シートで製造す
ることができ、又は代案として多層、即ち重ねた状態に
製造することもできる。

大きな止め作用を必要とする用途に対しては、入力軸
の周りに約120度に相互に半径方向に配置した３個の切
欠形成プランジャを機械的止め機構に採用することがで
きる。次に、３個のＣ字状ばねを使用してこれ等３個の
プランジャを相互に連結し、上述の側方への負荷を防止
する（第14図参照）。更に代案として、入力軸の周りに
ほぼ90度離間して４個の切欠形成プランジャと４個のＣ
字状ばねの適切な組を使用することもできる。しかし、
一般に、プランジャとＣ字状ばねとの数が多ければ、取
付けねじのために必要なスペース、即ち「足跡」も少な
くなってしまう。今までの用途では、２個のプランジャ
（及び２個のＣ字状ばね）が最適であった。

しかし、弾性部材がどんな形状を取るかには関係な
く、この第２実施例の特殊な要旨は、支持体53をスリー
ブ54に取り付けている間に、心決め機構を完全に配列す
る手段にある。捩じり棒４によって供給される心決めト
ルクに心決め機構は精密に回転整合することが観念的に
必要であり、更にこの捩じり棒の心決めトルクが零であ
る場合には、対向する円筒ローラ52は、止め作用をする
切欠に４個の線接触（即ち各角柱状切欠51、60について
それぞれ２個の線接触）で掛合することが必要である。
このような構成部材についての通常の技術公差に対しこ
のことを両立させるためには、最終的に取り付ける前
に、支持体53を回転方向（即ち第11図のＥの方向）と、
半径方向（即ちＣの方向、又はＤの方向、又はそれ等を
組み合わせた方向）との両方向に微細に調整できること
が必要である。

支持体53に２個の大きな設置孔65を設け、ねじ55のね
じ山の外径が緩く嵌着するようにする。従って、組立て
中にねじ55をまだ締め付けていない状態で、全体の機構
にこの理想的な位置を占めさせることができる。次に、
ねじ55を締め付けて、支持体53をスリーブ54に剛固に取
り付けるだけでよい。更に、カバー板63の垂片64をねじ
55の六角ヘッドの周りに変形させ、操向装置の使用寿命
中にこれ等ねじ55を恒久的にロックする。

最初に述べた第１実施例を含めて実質的に全ての他の
設計に成る心決め装置では、捩じり棒に対する心決め装
置の整合は精密な心決め技術によって達成しなければな
らず、対向する（又は４個の）別個の止めによる心決め
作用は極端に精密な製造技術によって行わなければなら
なかったことに注意されたい。ここに記載した第２実施
例では、このように極端に精密な部片を製造する必要は
ない。

本発明は多数の変更を加えることができ、それにより
最も有利な効果を達成し得ることは動力操向装置の技術
の当業者には明らかである。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明の第１実施例の動力操向装置の回転
弁の断面図である。

第２図は、第１図の回転弁の心決め機構の構成部材の
組立ての詳細を示す分解斜視図である。

第３図は、第１図のＡ−Ａ線に沿う心決め機構の部分
断面図である。

第４図は、第３図のＢ−Ｂ線に沿う心決め機構の断面
図である。

第5a図は、弁が中立位置にある時の心決め機構内の止
めを構成する切欠と転動素子の断面図である。

第5b図は、弁が中立位置から角度移動した時の心決め
機構内の止めを構成する切欠と転動素子との断面図であ
る。

第６図は、弁が中立位置から徐々に角度移動した時の
転動素子の中心の軌跡を詳細に示す図である。

第７図は、弁作動角の関数として心決めトルクをプロ
ットしたグラフである。

第８図は、代案としての切欠の幾何学的形状と、転動
素子の中心の適切な軌跡との詳細を示す図である。

第９図は、更に代案としての切欠の幾何学的形状と、
転動素子の中心の適切な軌跡との詳細を示す図である。

第10図は、本発明の第２実施例を構成する回転弁の分
解斜視図である。

第11図は、本発明の第２実施例による心決め機構の弁
軸線の方向に見た部分断面図である。

第12図は、第11図のＣの方向に見た平面図である。

第13図は、第11図のＤの方向に見た側面図である。

第14図は、３個の切欠形成プランジャと、３個の相互
連結Ｃ字状ばねとを採用した本発明の第２実施例の変形
を示す図である。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B62D 5/083

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】全て共通の中心軸線上にある入力軸（１、
   50）と、スリーブ（２、54）と、被動部材（３）と、全
   体が機械的に作動される心決め機構（９）とを含み、前
   記心決め機構は１つ又はそれ以上の転動素子（22、52）
   を含み、各転動素子は１対の対向する切欠素子間に配置
   されており、前記各対の対向する切欠素子のうちの１つ
   の切欠素子（10、51）は入力軸に関して回転しないよう
   にされるか又は前記入力軸と一体に形成されており、各
   対の対向する切欠素子は転動素子（22、52）の１つを捕
   捉するようばね手段（28、62）によって互いに押圧さ
   れ、それによって入力軸とスリーブ又は被動部材間に止
   め作用を生ぜしめ、所定の限界値を越える入力トルクが
   加えられたときのみ前記入力軸とスリーブ又は被動部材
   間に相対的回転が生じるようになした動力操向装置の回
   転弁において、入力トルクが所定の限界値を越えた後、
   各転動素子（22、52）が前記１対の対向する切欠素子
   （10、18、20;51、57、60）の対向する表面輪郭間を転
   動するようになし、各輪郭が凸形表面をもつことを特徴
   とする動力操向装置の回転弁。
2. 【請求項２】前記転動素子（22、52）は円筒形であり、
   前記切欠素子の輪郭と線接触しており、前記輪郭と転動
   素子は軸線方向で中心軸線と整列していることを特徴と
   する請求項１に記載の回転弁。
3. 【請求項３】相対回転中の各転動素子（22、52）の中心
   の軌跡が前記転動素子の半径に実質上等しいがそれを僅
   かに越える半径をもつ曲線であることを特徴とする請求
   項１に記載の回転弁。
4. 【請求項４】前記切欠素子（10、18、20;51、57、60）
   の輪郭の凸形表面は大きな弁作動角では、入力軸とスリ
   ーブ又は被動部材間の相対的変位の方向と平行になるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の回転弁。
5. 【請求項５】切欠素子の各対は、スリーブ又は被動部材
   の端面に取り付けられかつ入力軸に対して半径方向に移
   動するよう設けられた支持体（11、53）上に支持された
   プランジャ（18、57）上に形成された第１素子と、入力
   軸の表面に形成された切欠（10）からなる第２素子とか
   ら構成されていることを特徴とする請求項４に記載の回
   転弁。
6. 【請求項６】前記プランジャ（57）が直径的に対向して
   離間しており、前記ばね手段が前記対向するプランジャ
   間で作用するよう配置された１つ又は複数のＣ形ばね
   （62）からなることを特徴とする請求項５に記載の回転
   弁。