JP4134938B2 - シャフトと自在継手のヨークとの結合部 - Google Patents

Description

この発明に係るシャフトと自在継手のヨークとの結合部は、例えばステアリング装置に於いて、このステアリング装置を構成する各種シャフトの端部と自在継手のヨークとを結合する為に利用する。

自動車の前輪に舵角を付与する為のステアリング装置では、ステアリングホイールの操作に伴って回転するステアリングシャフトの動きを、図９に示す様な十字軸式の自在継手１を介して、ステアリングギヤの入力軸に伝達する。この自在継手１は、１対のヨーク２、３同士を十字軸４を介して結合したものである。この十字軸４に設けられた４個所の端部は、それぞれ上記各ヨーク２、３の先端部に、軸受カップ５、５内に設けられたニードル軸受を介して揺動自在に支持している。従って、上記両ヨーク２、３の中心が同一直線上に位置しなくても、両ヨーク２、３同士の間で回転力の伝達を行なえる。

この様な自在継手１を使用してステアリング装置を組み付ける場合、例えば一方（図９の右方）のヨーク２をステアリングシャフト等の一方のシャフト６の端部に、溶接或はねじ止め等により予め結合固定し、他方（図９の左方）のヨーク３を他方のシャフト７の端部に結合する。この様な組み付け作業を行なうのに通常は、上記一方のシャフト６を車体に支持した後、このシャフト６と他方のシャフト７とを自在継手１により結合する。

従って、ステアリング装置を構成する自在継手１のヨーク２、３のうち、少なくとも上記他方のヨーク３は、シャフト６を軸方向に動かす事なく接続作業を行なえる、所謂横入れ式のものが好ましい。例えば図９に示した自在継手１の場合、一方のヨーク２は一方のシャフト６の端部に溶接固定しているが、他方のヨーク３は、図１０に示す様に、断面がＵ字形の基端部８を有する、横入れ式のものとしている。

この横入れ式のヨーク３の基端部８は、１対の抑え板部９ａ、９ｂを含んで構成される。互いに離隔して配置されたこれら抑え板部９ａ、９ｂは、それぞれの内側面を、互いに平行な抑え面１０、１０としている。そして、一方（図１０の左方）の抑え板部９ａの開口側端部にナット１１を内嵌固定する事によりねじ孔１２を設けている。又、他方の抑え板部９ｂの開口側端部に、このねじ孔１２と同心でこのねじ孔１２よりも大径の通孔１３を、それぞれ形成している。尚、ねじ孔１２は、上記抑え板部９ａに直接形成する場合もある。又、ナット１１をヨーク３に嵌合固定しない構造のものもある。

一方、上述の様に構成されるヨーク３に、その先端部を結合されるシャフト７は、少なくとも先端部の断面形状を、図１１に示す様な小判形としている。即ち、このシャフト７の先端部外周面に、互いに平行な１対の外側平面１４、１４を形成し、接続時にはこの外側平面１４、１４と上記抑え面１０、１０とを密接させる事により、上記ヨーク３に対するシャフト７の回転防止を図る。

上述の様な形状を有するシャフト７の端部を前述の様なヨーク３の基端部８に接続固定する場合には、先ず、図９に実線で示す様に、上記シャフト７の端部を上記基端部８の開口側に配置する。そして、この状態から、例えば上記ヨーク３を十字軸４を中心に回動させる事により、このヨーク３を図９の実線状態から鎖線状態にまで、同図で時計方向に揺動させて、上記シャフト７の端部をヨーク３の基端部８内に挿入する。尚、ヨーク３を動かさずにシャフト７の端部を動かす事で、シャフト７の端部をヨーク３の基端部８内に挿入する場合もある。何れにしても、シャフト７の端部を基端部８内に挿入する以前には、上記通孔１３に抑えボルト（図示省略）を挿入しない。

上述の様にしてシャフト７の端部をヨーク３の基端部８内に挿入し、上記各抑え面１０、１０と外側平面１４、１４（図１０〜１１参照）とを対向させたならば、上記通孔１３に挿通した抑えボルトの先端部に形成した雄ねじ部を上記ねじ孔１２に螺合し、更に緊締する。この緊締に基づき、上記１対の抑え面１０、１０同士の間隔が狭まり、これら各抑え面１０、１０と上記各外側平面１４、１４とが強く当接して、上記シャフト７の先端部が上記基端部８に結合固定される。尚、上記シャフト７の端部片縁部には切り欠き１５を形成して、このシャフト７と上記抑えボルトの杆部との干渉を防止すると共に、万一この抑えボルトが緩んだ場合にも、上記ヨーク３がシャフト７の軸方向に抜けるのを防止している。

上述の様に構成される従来構造の場合には、シャフト７とヨーク３とが軸方向にずれる事を防止する為の力は、シャフト７側の外側平面１４、１４とヨーク３側の抑え面１０、１０との間に作用する摩擦力のみで得ている。切り欠き１５と抑えボルトとの係合は、シャフト７がヨーク３の基端部から抜け出る事を防止するが、これらシャフト７とヨーク３とが軸方向に亙って細かく変位する事は防止できない。ステアリング装置部分で発生するがたつきをなくし、ステアリングホイールを操作する運転者に違和感を与えない様にする為には、上記シャフト７とヨーク３とが軸方向に亙って細かく変位する事を有効に防止する必要がある。

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、シャフトとヨークとが軸方向に亙って細かく変位する事を有効に防止できる構造を実現すべく発明したものである。

本発明のシャフトと自在継手のヨークとの結合部は何れも、前述した従来のシャフトと自在継手のヨークとの結合部と同様に、使用時に回転するシャフトと、このシャフトの先端部外周面に形成された互いに平行な１対の外側平面と、断面略Ｕ字形で側方が開口した基端部を有し、自在継手を構成するヨークと、互いに離隔して配置され、それぞれの内側面を上記各外側平面と対向する抑え面として、上記基端部を構成する１対の抑え板部と、これら両抑え板部に形成された、互いに同心の通孔若しくはねじ孔と、このうちの通孔を挿通した状態で、その先端部に形成した雄ねじ部を上記ねじ孔若しくはナットに螺合させる抑えボルトとを備えている。

特に、本発明のシャフトと自在継手のヨークとの結合部に於いては、上記シャフトの各外側平面及び上記１対の抑え板部の抑え面は共に平面状であり、上記抑えボルトを緊締する以前に於けるこれら各抑え面同士の間隔を、この抑えボルトの緊締力の影響を強く受ける側方の開口側で広く、上記各抑え板部同士を連結する連結部の側で狭くし、上記抑えボルトの緊締に伴って上記各抑え板部の抑え面同士の間隔を縮める事により、これら抑え面同士を平行にして、これら各抑え面と上記各外側平面とを均一に当接させている。

上述の様に構成される本発明のシャフトと自在継手のヨークとの結合部によれば、シャフトとヨークとの軸方向に亙る保持力を大きくして、これらシャフトとヨークとが軸方向に亙って細かく変位する事を防止できる。
即ち、抑えボルトの緊締に伴って各抑え板部の抑え面と１対の外側平面とが均一に当接する様になって、外側平面と抑え面との間に大きな摩擦力が作用し、上記シャフトとヨークとの軸方向に亙る保持力が大きくなる。
この為、シャフトとヨークとが軸方向に亙って細かく変位する事を有効に防止して、ステアリング装置部分で発生するがたつきをなくし、ステアリングホイールを操作する運転者に違和感を与える事を防止できる。

［参考例の第１例］
図１〜３は、本発明に関する参考例の第１例を示している。尚、本参考例の特徴は、ヨーク３とシャフト７との間に軸方向に亙る大きな力が加わった場合にも、これら両部材３、７同士が軸方向にずれる事を防止する為の構造にある。その他の部分の構造及び作用は、前述した従来構造と同様であるから、同等部分に関する図示及び説明は、省略若しくは簡略にし、以下、本参考例の特徴部分を中心に説明する。

シャフト７に形成された互いに平行な１対の外側平面１４、１４の両端縁部のうち、熱間圧延軟鋼板製のヨーク３の抑え板部９ａ、９ｂに形成したねじ孔１２及び通孔１３に近い側の端縁（図１〜２の上端縁）部分には段部１６、１６を、上記各外側平面１４、１４から凹入する状態で形成している。従って、上記各抑え板部９ａ、９ｂの抑え面１０、１０のうち、上記１対の段部１６、１６と対向する部分は、上記通孔１３を挿通し、上記ねじ孔１２に螺合した抑えボルトの緊締に拘らず、相手面である外側平面１４、１４に当接する事はない。この結果、上記１対ずつの外側平面１４、１４と抑え面１０、１０とが互いに当接する当接面の両端縁のうち、上記ねじ孔１２及び通孔１３側の端縁とこれらねじ孔１２及び通孔１３の中心線との距離Ｌが、上記段部１６、１６の幅寸法Ｗ₁₆（図１参照）分だけ大きくなる。

上述の様に構成される本参考例のシャフトと自在継手のヨークとの結合部の場合には、上記１対ずつの外側平面１４、１４と抑え面１０、１０とが当接する当接面の両端縁のうち、上記ねじ孔１２及び通孔１３側の端縁とこれらねじ孔１２及び通孔１３との距離を大きくした事に伴ない、抑えボルトの緊締に伴って上記端縁と抑え面１０、１０との当接部の面圧が高くなる。この結果、この当接部に大きな摩擦力が作用して、上記シャフト７とヨーク３との軸方向に亙る保持力が大きくなる。

尚、上述の様に、上記当接面の端縁とこれらねじ孔１２及び通孔１３の中心線との距離Ｌを大きくする為の段部１６、１６の幅寸法Ｗ₁₆は、ヨーク３及びシャフト７の大きさにより設計的に定める。例えば、一般的にステアリング装置用の自在継手に組み込む構造の場合には、上記距離Ｌを５．５〜８．５mm程度、より好ましくは６．５〜７．５mm程度とする様に、上記幅寸法Ｗ₁₆を規制する。ちなみに、従来構造の場合には、上記距離Ｌは４．５mmである。尚、上記距離Ｌの適正値を求めた条件は、次の通りである。
ヨーク３の材質 ： 熱間圧延軟鋼板
抑え板部９ａ、９ｂ部分の板厚 ： ５．７〜６．０mm
抑え面１０、１０及び外側平面１４、１４同士の間隔Ｄ₁₀ ： １３mm
外側平面１４、１４を形成する以前のシャフト７の素材の半径Ｒ₇ ： ８．７５mm
抑えボルトのねじ部の直径 ： ８mm
抑えボルトの締め付けトルク ： ２．４kgf ・m

上述の条件で複数の試料を作成し、ヨーク３を固定した状態でシャフト７に軸方向の力を加え、上記ヨーク３によりシャフト７を軸方向に保持する力（軸保持力）を測定した。この結果を、図３に示す。この図３に示した黒点は、各試料毎に、上記距離Ｌと軸保持力との関係を示している。この図３から明らかな通り、上記距離Ｌを７mm程度にすべく、上記幅寸法Ｗ₁₆を規制（２．５mm程度に）すれば、上記ヨーク３によりシャフト７を軸方向に保持する力が最も大きくなる。又、上記距離Ｌを５．５〜８．５mm程度、より好ましくは６．５〜７．５mm程度とする様に、上記幅寸法Ｗ₁₆を規制すれば、従来構造に比べて軸保持力の向上を図れる。

［参考例の第２例］
図４は、本発明に関する参考例の第２例を示している。本参考例の場合には、シャフト７に形成した１対の外側平面１４、１４の片端縁部に傾斜面１７、１７を形成する事により、上記１対ずつの外側平面１４、１４と、熱間圧延軟鋼板製のヨーク３の抑え面１０、１０とが互いに当接する当接面の両端縁のうち、ねじ孔１２及び通孔１３（図１参照）側の端縁とこれらねじ孔１２及び通孔１３との距離を大きくしている。その他の構成及び作用は、上述した参考例の第１例の場合と同様である。

［参考例の第３例］
図５は、本発明に関する参考例の第３例を示している。本参考例の場合には、熱間圧延軟鋼板製のヨーク３を構成する１対の抑え板部９ａ、９ｂの中間部に段差部１８、１８を形成し、これら各抑え板部９ａ、９ｂの内側面同士の間隔を、これら各段差部１８、１８よりも先端寄り（図５の上寄り）部分で大きくしている。従って本参考例の場合には、上記各抑え板部９ａ、９ｂの内側面のうち、上記各段差部１８、１８よりも基端寄り（図５の下寄り）部分が、シャフト７に形成した外側平面１４、１４を抑え付ける為の抑え面１０、１０として機能する。この様な本参考例の場合も、上記各段差部１８、１８を形成する位置を規制する事により、上記１対ずつの外側平面１４、１４とヨーク３の抑え面１０、１０とが互いに当接する当接面の両端縁のうち、ねじ孔１２及び通孔１３（図１参照）側の端縁とこれらねじ孔１２及び通孔１３との距離を大きくして、軸保持力の向上を図れる。その他の構成及び作用は、前述した参考例の第１例の場合と同様である。

［参考例の第４例及び実施例］
図６〜７は本発明に関する参考例の第４例を、図８は本発明の実施例を、それぞれ示している。先ず、図６〜７に示した参考例の第４例の場合には、ヨーク３を構成する１対の抑え板部９ａ、９ｂを、抑えボルトを緊締する以前に於いては互いに非平行にしている。即ち、図６に示す様にヨーク３と十字軸４とを組み合わせた状態で、上記１対の抑え板部９ａ、９ｂ同士の間隔を抑えボルトにより縮めると、この抑えボルトの緊締力の影響は、この抑えボルトを挿通した通孔１３及びねじ孔１２の近傍部分で強くなり、上記十字軸４に近い側では弱くなる。この為、上記１対の抑え板部９ａ、９ｂを、抑えボルトの緊締以前から平行にしていると、これら各抑え板部９ａ、９ｂの抑え面１０、１０とシャフト７の外側平面１４、１４（図１参照）との当接圧が不均一になる。特に、長期間に亙る使用に伴って、上記各抑え板部９ａ、９ｂがへたると、当接圧が不均一となる程度が大きくなり、シャフト７とヨーク３との軸方向に亙る保持力が弱くなる。

そこで、本参考例の場合には、上記１対の抑え板部９ａ、９ｂを、上記抑えボルトによる緊締力の影響を強く受ける部分程間隔が広くなる方向に、互いに非平行としている。そして、上記抑えボルトの緊締に伴ってこれら各抑え板部９ａ、９ｂの抑え面１０、１０同士が平行になり、これら各抑え面１０、１０と上記シャフト７に形成した１対の外側平面１４、１４とを均一に当接させる様にしている。又、長期間に亙る使用により、上記各抑え板部９ａ、９ｂがへたった場合でも、当接圧が不均一となる程度を少なくし、シャフト７とヨーク３との軸方向に亙る保持力を確保する様にしている。

本参考例の場合、より具体的には、上記１対の抑え面１０、１０同士の間隔を、上記通孔１３及びねじ孔１２側で広く、上記十字軸４側で狭くしている。尚、上記通孔１３及びねじ孔１２側端部に於ける抑え面１０、１０同士の間隔Ｄ₁ （図６参照）と、これら両孔１３、１２の中心線から１０mmだけ上記十字軸４側に寄った部分の間隔Ｄ₂ （図６参照）との差（Ｄ₁ −Ｄ₂ ）は、各部の剛性に応じて設計的に定めるが、下記の条件で０．０８〜０．２３mm程度にすれば、上記各抑え面１０、１０と外側平面１４、１４との接触状態を均一にして、軸保持力を十分に大きくできる。

ヨーク３の材質 ： 熱間圧延軟鋼板
抑え板部９ａ、９ｂ部分の板厚 ： ５．７〜６．０mm
抑え面１０、１０の間隔Ｄ₁₀ ： 約１３mm
外側平面１４、１４を形成する以前のシャフト７の素材の半径 ： ８．７５mm
抑えボルトの締め付けトルク ： ２．４kgf ・m
上記両孔１２、１３の中心線と十字軸４の中心との距離Ｌ₀ ： ４４mm
ヨーク３の基端縁と十字軸４の中心点との距離Ｌ₁ ： ５６mm

次に、図８に示した実施例の場合にも、上述した参考例の第４例の場合と同様に、ヨーク３を構成する１対の抑え板部９ａ、９ｂを、抑えボルトを緊締する以前に於いては互いに非平行にしている。即ち、図８に示す様に断面コ字形のヨーク３を構成する１対の抑え板部９ａ、９ｂ同士の間隔を抑えボルトにより縮めると、この抑えボルトの緊締力の影響は、上記１対の抑え板部９ａ、９ｂの先端側で強くなり、基端側で弱くなる。この為、上記１対の抑え板部９ａ、９ｂを、抑えボルトの緊締以前から平行にしていると、これら各抑え板部９ａ、９ｂの抑え面１０、１０とシャフト７の外側平面１４、１４との当接圧が不均一になる。

そこで、本実施例の場合も、上記１対の抑え板部９ａ、９ｂを、上記抑えボルトによる緊締力の影響を強く受ける部分程間隔が広くなる方向に、互いに非平行としている。そして、上記抑えボルトの緊締に伴ってこれら各抑え板部９ａ、９ｂの抑え面１０、１０同士が平行になり、これら各抑え面１０、１０と上記シャフト７に形成した１対の外側平面１４、１４とを均一に当接させる様にしている。

本実施例の場合に、より具体的には、上記１対の抑え面１０、１０同士の間隔を、上記ヨーク３の開口側で広く、連結部２５側で狭くしている。尚、上記シャフト７をヨーク３に挿入すると共に、これら両部材７、３の断面の中心線を互いに一致させた状態では、上記抑え面１０、１０と外側平面１４、１４との間にくさび状の隙間２７、２７が形成される。この隙間２７、２７の傾斜角度θは、各部の剛性に応じて設計的に定めるが、上述した参考例の第４例の場合と同様の条件で１〜２°程度にすれば、上記各抑え面１０、１０と外側平面１４、１４との接触状態を均一にして、軸保持力を十分に大きくできる。

本発明に関する参考例の第１例を示す部分断面図。 参考例の第１例に使用するシャフトの端部斜視図。 参考例の第１例の構造の効果を確認する為に行なった実験の結果を示すグラフ。 本発明に関する参考例の第２例を示す、シャフトの端部斜視図。 本発明に関する参考例の第３例を示す部分断面図。 本発明に関する参考例の第４例を示す、自在継手の部分側面図。 本発明の対象となるヨークを図６の右方から見た図。 本発明の実施例を示す部分断面図。 本発明の対象となる構造で、シャフトの端部とヨークの基端部とを結合する状態を示す側面図。 図９のＡ−Ａ断面図。 同Ｂ−Ｂ断面図。

符号の説明

１ 自在継手
２、３ ヨーク
４ 十字軸
５ 軸受カップ
６、７ シャフト
８ 基端部
９ａ、９ｂ 抑え板部
１０ 抑え面
１１ ナット
１２ ねじ孔
１３ 通孔
１４ 外側平面
１５ 切り欠き
１６ 段部
１７ 傾斜面
１８ 段差部
２５ 連結部
２７ 隙間

Claims (1)

1. 使用時に回転するシャフトと、このシャフトの先端部外周面に形成された互いに平行な１対の外側平面と、断面略Ｕ字形で側方が開口した基端部を有し、自在継手を構成するヨークと、互いに離隔して配置され、それぞれの内側面を上記各外側平面と対向する抑え面として、上記基端部を構成する１対の抑え板部と、これら両抑え板部に形成された、互いに同心の通孔若しくはねじ孔と、このうちの通孔を挿通した状態で、その先端部に形成した雄ねじ部を上記ねじ孔若しくはナットに螺合させる抑えボルトとを備えたシャフトと自在継手のヨークとの結合部に於いて、上記シャフトの各外側平面及び上記１対の抑え板部の抑え面は共に平面状であり、上記抑えボルトを緊締する以前に於けるこれら各抑え面同士の間隔を、この抑えボルトの緊締力の影響を強く受ける側方の開口側で広く、上記各抑え板部同士を連結する連結部の側で狭くし、上記抑えボルトの緊締に伴って上記各抑え板部の抑え面同士の間隔を縮める事により、これら抑え面同士を平行にして、これら各抑え面と上記各外側平面とを均一に当接させる事を特徴とするシャフトと自在継手のヨークとの結合部。

Images