JP4219468B2

JP4219468B2 - 等速自在継手

Info

Publication number: JP4219468B2
Application number: JP05738799A
Authority: JP
Inventors: 哲郎門田; 健太山崎
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: JP2000257645A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転バックラッシュを嫌う用途に適した等速自在継手に関し、特に自動車のステアリング装置に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば図１０に概念的に示すように、自動車のステアリング装置において、ステアリングホイール（ハンドル）２０に与えられた回転トルクは、ステアリングコラムの主軸（メインシャフト）２１から中間軸（インターミディエイトシャフト）２２を介してステアリングギヤ２３のギヤ軸（ピニオン軸等）２４に入力され、さらにステアリングギヤ２３の機構で直線運動に変換されることにより、リンク機構（ナックル等）２５を介して車輪２６に転舵力として伝えられる。ステアリングギヤ２３には、ラックピニオン式、ボールスクリュー式、ウォームローラ式など多くの種類があり、最近では、剛性が高く、軽量であることから、ラックピニオン式が主流になっている。中間軸２２は、主軸２１及びギヤ軸２４に対して角度をもった状態で配設され、また衝突時の衝撃エネルギーを吸収する目的から、自在継手２７、２８を介して主軸２１及びギヤ軸２４にそれぞれ連結される。
【０００３】
ステアリング装置に用いられる自在継手（２７、２８）としては、従来、カルダン継手（十字軸を用いた自在継手）が主流であったが、継手部分の高角化を図り（車両レイアウト等との関係）、また継手部分の作動性を高めるため（操舵フィーリング等との関係）、カルダン継手に代えて等速自在継手を使用する傾向が強くなってきた。
【０００４】
一方、一般構成の等速自在継手は、トルク伝達ボールとボールトラックとの間に僅かなクリアランス（内部隙間）があり、回転方向の変化時、継手内部に回転バックラッシュ（円周方向のガタツキ）が生じることが不可避である。そのため、一般構成の等速自在継手をそのままステアリング装置に用いると、操舵時の操縦安定性やダイレクト感・シャープ感などが損なわれるという問題がある。
【０００５】
また、自動車用途において、等速自在継手はドライブシャフト用に多くの実績があり、通常、一般構成の等速自在継手はドライブシャフト用としての要求特性を満足できる設計仕様になっている。しかし、ステアリング装置では、ドライブシャフトに比較して、継手に負荷されるトルクが小さく、また継手の回転数も低いので、一般構成の等速自在継手では要求特性に対してオーバスペックの感があり、継手重量や製造コストを低減する観点から改良の余地がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人は、上述した問題点に鑑み、回転バックラッシュがなく、軽量・コンパクト、かつ低コストで、特にステアリング装置に好適な等速自在継手を種々開発し既に出願している（特願平７−３３９３１９号、特願平９−３５１０１０号等）。本発明は、この種の等速自在継手のさらなるコスト低減を図り、また高角化を達成しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、球面状の内径面に曲線状の案内溝を軸方向に形成した外側継手部材と、球面状の外径面に曲線状の案内溝を軸方向に形成した内側継手部材と、外側継手部材の案内溝とこれに対向する内側継手部材の案内溝とが協働して形成され、軸方向の一方に向かって楔状に縮小したボールトラックと、ボールトラックに配されたトルク伝達ボールと、トルク伝達ボールを保持する保持器と、トルク伝達ボールとボールトラックとの間の隙間を詰める予圧付与手段とを備えた等速自在継手において、内側継手部材の案内溝の中心は外径面の中心に対して継手開口側にオフセットされ、予圧付与手段は、内側継手部材と保持器との間に設けられた軸方向隙間と、内側継手部材と保持器との間に介在し、内側継手部材をその案内溝の中心のオフセット方向と反対方向に押圧付勢する弾性部材とで構成され、弾性部材は保持器の内径面の継手開口側領域に設けられた円筒面に配設されて抜け止め固定されると共に、前記内側継手部材の外径面に接触する凹球状の球面部又は円錐形状の円錐面部を有し、保持器の円筒面の半径は内側継手部材の外径面の半径よりも大きく、外側継手部材に、相手部材との連結用のヨークを一体形成した等速自在継手を提供する。
【０００８】
従来は外側継手部材とヨークとを別々に製造し、両者を溶接や摩擦圧接等で結合一体化していたが、工数がかかり、また精度面においても、両者の同軸度を確保することに手間がかかり、コストアップの要因になっていた。外側継手部材にヨークを一体形成することにより、製造工数、部品点数、組立工数を削減して、コスト低減を図ることができ、また両者の同軸度も確保することができる。
【０００９】
予圧付与手段に関し、保持器と内側継手部材との間に軸方向隙間が設けられていることにより、内側継手部材は保持器（及び外側継手部材）に対する軸方向の相対変位が許容される。弾性部材は、保持器の内径面の継手開口側領域に設けられた円筒面に配設されて抜け止め固定され、その凹球状の球面部又は円錐形状の円錐面部で内側継手部材の外径面に接触して、内側継手部材をその案内溝の中心のオフセット方向と反対方向に押圧付勢する。内側継手部材は、弾性部材の押圧付勢力を受けて、案内溝の反オフセット方向に軸方向に相対変位してトルク伝達ボールを押圧し、トルク伝達ボールと内・外側継手部材の案内溝（ボールトラック）との間の内部隙間がなくなる位置で止まる。その結果、トルク伝達ボールに軸方向の一定の予圧が与えられ、回転バックラッシュ（円周方向のガタツキ）がなくなる。また、弾性部材を配設する保持器の内径面の継手開口側領域の円筒面は、その半径が内側継手部材の外径面の半径よりも大きく、かつ、内側継手部材の案内溝の中心が外径面の中心に対して継手開口側にオフセットされているので、内側継手部材の軸線を保持器及び外側継手部材の軸線に一致させた状態で、内側継手部材を軸方向に進めて保持器の内径面およびトルク伝達ボールの内側に組み込むことができる。
【００１０】
内側継手部材には、軸部を一体形成することができる。これにより、製造工数、部品点数、組立工数を削減して、コスト低減を図ることができる。
【００１１】
外側継手部材及び内側継手部材の案内溝にアンダーカットフリーの領域を設けることができる。これにより、継手作動角の高角化を図ることができる。
【００１２】
また、外側継手部材の内径面の開口側領域を、保持器の外径面に適合する円筒面にすることができる。これにより、保持器の外側継手部材への組み込みが容易になる。
【００１３】
本発明の等速自在継手は、回転バックラッシュがなく、軽量・コンパクト、低コストで、また高作動角を取ることができるので、特に自動車のステアリング装置に好適である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。
【００１５】
図１及び図２に示す等速自在継手は、例えば図１０に示す自動車のステアリング装置において、中間軸（２２）とステアリングギヤ（２３）のギヤ軸（２４）とを角度変位自在に連結するものである。
【００１６】
この実施形態の等速自在継手は、球面状の内径面１ａに例えば３本の曲線状の案内溝１ｂを軸方向に形成した外側継手部材１と、球面状の外径面２ａに例えば３本の曲線状の案内溝２ｂを軸方向に形成した内側継手部材２と、外側継手部材１の案内溝１ｂとこれに対向する内側継手部材２の案内溝２ｂとが協働して形成されるボールトラックに配された例えば３個のトルク伝達ボール３と、トルク伝達ボール３を保持する保持器４と、内側継手部材２の外径面２ａと保持器４の内径面４ａとの間に介装された弾性部材５とを備えている。
【００１７】
図４に示すように、この実施形態において、外側継手部材１は一端が開口したカップ状のもので、ステアリングギヤ（例えばラックピニオン式ステアリングギヤ）のギヤ軸（例えばピニオン軸）を連結するためのヨーク１ｃが他端に一体に形成されている。外側継手部材１にヨーク１ｃを一体形成することにより、製造工数、部品点数、組立工数を削減して、コスト低減を図ることができる。また、両者の同軸度も確保することができる。
【００１８】
案内溝１ｂの中心Ｏ１は内径面１ａの球面中心Ｏ１’に対して、軸方向に（この実施形態では継手の奥部側に）所定距離ｆ１だけオフセットされている。また、内径面１ａの開口側領域は円筒面１ａ１になっている。円筒面１ａ１の内径（半径）Ｄ１は、後述する保持器４の外径｛図６（ａ）の方向｝を包含できる径に設定されている。
【００１９】
外側継手部材１は、例えば、鋼材料から熱間鍛造又は亜熱間鍛造によってほぼ所定形状に予備成形され、内径面１ａおよび案内溝１ｂを冷間鍛造加工によって成形される。内径面１ａについては、さらに精度確保のための後加工（研削加工等）が施されるが、案内溝１ｂについては、上記の冷間鍛造加工が最終仕上げ加工になる。従って、製品として完成された状態で、案内溝１ｂの表面は冷間鍛造加工による成形面である。従来に比べ、案内溝の後加工（研削加工等）が不要になるので、外側継手部材の製造コスト低減になる。
【００２０】
図５に示すように、この実施形態において、内側継手部材２には中間軸（２２：図１０参照）を兼ねる軸部２ｃが一体に形成されている。軸部２ｃの一端には、例えばステアリングホイール側の等速自在継手（この実施形態の等速自在継手と同様の構成）の外側継手部材（ヨークが一体形成）に連結される（ヨークに連結される）連結部２ｃ１が形成される。内側継手部材２に軸部２ｃを一体形成することにより、製造工数、部品点数、組立工数を削減して、コスト低減を図ることができる。
【００２１】
案内溝２ｂの中心Ｏ２は、外径面２ａの球面中心Ｏ２’に対して、軸方向に（この実施形態では継手の開口側に）所定距離ｆ２だけオフセットされている。案内溝２ｂのオフセット方向は、外側継手部材１の案内溝１ｂとは逆方向になっている（案内溝１ｂは奥部側、案内溝２ｂは開口側にオフセットされている。）。
【００２２】
内側継手部材２は、例えば、鋼材料から熱間鍛造又は亜熱間鍛造によってほぼ所定形状に予備成形され、外径面２ａおよび案内溝２ｂを冷間鍛造加工によって成形される。外径面２ａについては、さらに精度確保のための後加工（研削加工等）が施されるが、案内溝２ｂについては、上記の冷間鍛造加工が最終仕上げ加工になる。従って、製品として完成された状態で、案内溝２ｂの表面は冷間鍛造加工による成形面である。従来に比べ、案内溝の後加工（研削加工等）が不要になるので、内側継手部材の製造コスト低減になる。
【００２３】
図６に示すように、この実施形態において、保持器４はトルク伝達ボール３を収容する３つの窓形のポケット４ｂを備えている。保持器４の内径面４ａは、開口側領域が円筒面４ａ１、奥部側領域が円錐面４ａ２になっている。円筒面４ａ１の内径（半径）Ｄ５は、内側継手部材２の外径面２ａの外径（半径）Ｄ２に対して、Ｄ５＞Ｄ２に設定されている。奥部側領域は球面又は円筒面としても良い。保持器４の外径面４ｃは半径Ｄ４の球面である。保持器４は金属材料で形成しても良いが、より一層の軽量・低コスト化を図るため樹脂材料で形成することもできる。
【００２４】
この実施形態では、弾性部材５として、図７に示すような縮拡径自在な分割リングを採用している。この弾性部材５はバネ鋼等で形成され、１つの割り口５ａと、軸方向に突出した３つの爪部５ｂを備えている。各爪部５ｂの先端は、内側継手部材２の外径面２ａと同じ曲率をもった凹球状の球面部５ｃになっている。尚、弾性部材５は樹脂、ゴム等の弾性材料で形成しても良い。また、弾性部材５は割り口５ａを設けない一体リングとしても良い。その場合、爪部（５ｂ）の弾性によって必要な弾性力を得る構造としても良いし、あるいは、波板バネ、ゴムリング、樹脂リング等の弾性リングを併用して必要な弾性力を得る構造としても良い。さらに、各爪部（５ｂ）の先端部（５ｃ）を、内側継手部材２の外径面２ａと線接触する形状、例えば円錐形状（円錐面部）としても良い。
【００２５】
この実施形態の等速自在継手は、保持器４を外側継手部材１の内径面１ａに組み込む工程、トルク伝達ボール３を保持器の４のポケット４ｂに組み込む工程、内側継手部材２を保持器４の内径面４ａに組み込む工程、保持器４の内径面４ａ（円筒面４ａ１）に弾性部材５を組み込み、止め輪６で抜け止め固定する工程を経て組み立てられる。外側継手部材１の内径面１ａの開口側領域が保持器４の外径｛図６（ａ）の方向｝を包含できる円筒面１ａ１になっているため、保持器４を外側継手部材１に容易に組み込むことができる。また、トルク伝達ボール３は、保持器４の内径側からそのままポケット４ｂに組み込むことができる。さらに、保持器４の内径面４ａの開口側領域が半径Ｄ５（＞Ｄ２）の円筒面４ａ１であり、かつ、内側継手部材２の案内溝２ｂの中心Ｏ２が開口側にオフセットされているため、内側継手部材２の軸線を保持器４及び外側継手部材１の軸線に一致させた状態で、内側継手部材２を軸方向に進めて保持器４の内径面４ａおよびトルク伝達ボール３の内側に組み込むことができる。弾性部材５は、保持器４の内径面４ａ（円筒面４ａ１）に組み込み、その球面部（又は円錐面部）５ｃで内側継手部材２の外径面２ａを継手の奥部側に向けて軸方向に押圧付勢して、止め輪６で抜け止め固定する。尚、止め輪６に代えて、弾性部材５を保持器４の円筒面４ａ１に加締め、固着（溶着等）、凹凸係合（例えば、弾性部材５に設けた突出部を保持器４の円筒面４ａ１に設けた係合溝に係合させる。）等の手段で抜け止め固定しても良い。
【００２６】
外側継手部材１、内側継手部材２、トルク伝達ボール３、保持器４、および弾性部材５を上述したような態様で組立てると、図１及び図２に示すこの実施形態の等速自在継手が完成する。外側継手部材１の案内溝１ｂの中心Ｏ１と内側継手部材２の案内溝２ｂの中心Ｏ２とは、トルク伝達ボール３の中心Ｏ３を含む継手中心面Ｏに対して軸方向に等距離ｆだけ反対側（中心Ｏ１は継手の奥部側、中心Ｏ２は継手の開口側）にオフセットされている。そのため、案内溝１ｂと案内溝２ｂとが協働して形成されるボールトラックは奥部側が広く、開口側に向かって楔状に漸次縮小した形状になる。また、外側継手部材１の外周と、内側継手部材２の軸部２ｃの外周にブーツ１０が装着され、ブーツバンド１１、１２によって締付け固定される。
【００２７】
図３に拡大して示すように、保持器４の内径面４ａ（円錐面４ａ２）と内側継手部材２の外径面２ａとの間に軸方向隙間Ｓが設けられ、内側継手部材２の保持器４（及び外側継手部材１）に対する軸方向の相対変位が許容されている。この軸方向隙間Ｓと弾性部材５とにより、予圧付与手段が構成される。
【００２８】
内側継手部材２の外径面２ａと保持器４の内径面４ａ（円筒面４ａ１）との間に介在する弾性部材５の弾性力Ｅによって、内側継手部材２の外径面２ａが案内溝２ｂの中心Ｏ２のオフセット方向（継手の開口側）と反対方向（継手の奥部側）に押圧付勢されている。内側継手部材２は、弾性部材５の押圧付勢力Ｅを受けて中心Ｏ２の反オフセット方向（継手の奥部側）に軸方向に相対変位してトルク伝達ボール３を押圧し、トルク伝達ボール３と外・内側継手部材１、２の案内溝１ｂ、２ｂとの間の内部隙間がなくなる位置で止まる。その結果、トルク伝達ボール３に軸方向の一定の予圧Ｅが与えられ、回転バックラッシュ（円周方向のガタツキ）がなくなる。
【００２９】
図８は、本発明の他の実施形態を示している。この実施形態では、外側継手部材１の案内溝１ｂ、内側継手部材２の案内溝２ｂに、それぞれ、アンダーカットフリーの領域１ｂ１、２ｂ１が設けられている。例えば、領域１ｂ１は、案内溝１ｂの中心線Ｏ１から継手の奥部側に設けられ、外側継手部材１の軸線と平行である。また、領域２ｂ１は、案内溝２ｂの中心線Ｏ２から継手の開口側に設けられ、内側継手部材２の軸線と平行である。アンダーカットフリーの領域１ｂ１、２ｂ１を設けることにより、継手の作動角を高角化することができる。
【００３０】
図９は、本発明の他の実施形態を示している。この実施形態では、保持器４の内径面４ａの全領域を円筒面に形成し、内径面４ａの開口側領域４ａ１に上述した弾性部材５を装着すると共に、内径面４ａの奥部側領域４ａ２’に補助リング７を装着したものである。補助リング７は、例えば、上述した弾性部材５と同様の爪部７ｂと球面部（又は円錐面部）７ｃを有する一体リングで、奥部側領域４ａ２’に嵌着され、止め輪８によって抜け止め固定される。補助リング７の球面部（又は円錐面部）７ｃと内側継手部材２の外径面２ａとの間には軸方向隙間Ｓが設けられる。この軸方向隙間Ｓと弾性部材５とにより、予圧付与手段が構成される。前述した実施形態に比べて、保持器４の形状を簡略化することができるという利点がある。
【００３１】
尚、図１０に示す自動車のステアリング装置において、主軸（２１）と中間軸（２２）とを角度変位自在に連結する自在継手（２８）として、上述した実施形態と同様の等速自在継手を用いることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は以下に示す効果を有する。
【００３３】
（１）トルク伝達ボールとボールトラックとの間の隙間を詰める予圧付与手段を備えているので、回転バックラッシュ（円周方向のガタツキ）がない。また、外側継手部材に保持器とボールとを組み込んだ後、内側継手部材の軸線を保持器及び外側継手部材の軸線に一致させた状態で、内側継手部材を軸方向に進めて保持器の内径面およびトルク伝達ボールの内側に組み込むことができるので、組立作業が簡素化され、製造コスト低減に寄与する。
【００３４】
（２）外側継手部材にヨークを一体形成したので、従来に比べ、製造工数、部品点数、組立工数が減少し、コストが低減される。また、両者の同軸度も確保される。
【００３５】
（３）内側継手部材に軸部を一体形成することにより、製造工数、部品点数、組立工数を削減して、コスト低減を図ることができる。
【００３６】
（４）外側継手部材及び内側継手部材の案内溝にアンダーカットフリーの領域を設けることにより、継手作動角の高角化を図ることができる。
【００３７】
（５）外側継手部材の内径面の開口側領域を、保持器の外径面に適合する円筒面にすることにより、保持器の外側継手部材への組み込みを容易にすることができる。
【００３８】
（６）本発明の等速自在継手は、回転バックラッシュがなく、軽量・コンパクト、低コストで、また高作動角を取ることができるので、特に自動車のステアリング装置に用いられた場合に、操縦安定性、操舵フィーリング等の向上、車両レイアウトの自由度の向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係わる等速自在継手の縦断面図である。
【図２】図１のＯ−Ｏ横断面図である（ブーツは省略）。
【図３】図１における要部拡大縦断面図である。
【図４】外側継手部材の縦断面図（一部側面）である。
【図５】内側継手部材の縦断面図（一部側面）である。
【図６】保持器の縦断面図｛図６（ａ）｝、図６（ａ）の右方向矢視図｛図６（ｂ）｝である。
【図７】弾性部材の正面図｛図７（ａ）｝、図７（ａ）のｂ−ｂ断面図｛図７（ｂ）｝である。
【図８】本発明の他の実施形態に係わる等速自在継手の要部拡大断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係わる等速自在継手の要部拡大断面図である。
【図１０】自動車のステアリング装置の一例を概念的に示す図である。
【符号の説明】
１外側継手部材
１ａ内径面
１ｂ案内溝
１ｃヨーク
２内側継手部材
２ａ外径面
２ｂ案内溝
２ｃ軸部
３トルク伝達ボール
４保持器
５弾性部材
Ｓ軸方向隙間

Claims

球面状の内径面に曲線状の案内溝を軸方向に形成した外側継手部材と、球面状の外径面に曲線状の案内溝を軸方向に形成した内側継手部材と、外側継手部材の案内溝とこれに対向する内側継手部材の案内溝とが協働して形成され、軸方向の一方に向かって楔状に縮小したボールトラックと、ボールトラックに配されたトルク伝達ボールと、トルク伝達ボールを保持する保持器と、トルク伝達ボールとボールトラックとの間の隙間を詰める予圧付与手段とを備えた等速自在継手において、
前記内側継手部材の案内溝の中心は外径面の中心に対して継手開口側にオフセットされ、
前記予圧付与手段は、前記内側継手部材と保持器との間に設けられた軸方向隙間と、前記内側継手部材と保持器との間に介在し、前記内側継手部材をその案内溝の中心のオフセット方向と反対方向に押圧付勢する弾性部材とで構成され、
前記弾性部材は前記保持器の内径面の継手開口側領域に設けられた円筒面に配設されて抜け止め固定されると共に、前記内側継手部材の外径面に接触する凹球状の球面部又は円錐形状の円錐面部を有し、
前記保持器の円筒面の半径は前記内側継手部材の外径面の半径よりも大きく、
前記外側継手部材に、相手部材との連結用のヨークを一体形成したことを特徴とする等速自在継手。
前記内側継手部材に軸部を一体形成したことを特徴とする請求項１記載の等速自在継手。
前記外側継手部材の案内溝が該外側継手部材の軸線と平行なアンダーカットフリーの領域を有し、前記内側継手部材の案内溝が該内側継手部材の軸線と平行なアンダーカットフリーの領域を有する請求項１記載の等速自在継手。
前記外側継手部材の内径面の開口側領域が保持器の外径面に適合する円筒面である請求項１記載の等速自在継手。
自動車のステアリング装置に用いられる請求項１から請求項４の何れかに記載の等速自在継手。