JP4298528B2 - 固定型等速自在継手 - Google Patents

Description

本発明は固定型等速自在継手に関し、詳しくは、自動車のステアリング装置に組み込まれる固定型等速自在継手に関する。

等速自在継手は、入出力軸間の角度変位のみを許容する固定型と、角度変位および軸方向変位を許容する摺動型に大別され、それぞれ用途・使用条件等に応じて機種選定される。固定型等速自在継手としては、ツェッパ型（以下、「ＢＪ」と称す）やアンダーカットフリー型（以下、「ＵＪ」と称す）が広く知られている。

ＢＪおよびＵＪのいずれも、内周に複数の曲線状のトラック溝を有する外輪と、外周に複数の曲線状のトラック溝を有する内輪と、外輪のトラック溝と内輪のトラック溝との間に組み込まれたボールと、そのボールを保持する保持器とで構成される。外輪のトラック溝中心は外輪内球面中心に対して外輪開口側、また、内輪のトラック溝中心は内輪外球面中心に対して外輪奥側に位置し、軸方向で互いに逆方向に等距離だけオフセットしている。これにより、外輪のトラック溝と内輪のトラック溝とで構成されるボールトラックは、外輪の開口側に向けて拡開する楔形となっている。ＢＪでは各トラック溝の全域が曲線状になっているが、ＵＪでは各トラック溝の一方の端部が軸線と平行なストレート状になっている。

一般的に自動車のステアリング装置に組み込まれる軸継手にはカルダンジョイントを２個以上使用している。このジョイントは、単体では不等速なことから、等速性を確保するために互いの変動成分を打ち消し合うよう配置し使用している。このため車両の設計自由度が損なわれるという問題がある。任意の角度で等速性が確保できる等速自在継手をステアリング用軸継手として用いることで、車両の設計自由度が増すことは可能であるが、等速自在継手は回転方向ガタが大きいため、車両直進付近のステアリング操作感の悪化や、異音の原因となることが懸念される。これを解決するため、等速自在継手内部に予圧手段を設けてトラック溝すきまを詰めることを提案している（例えば、特許文献１参照）。

固定型等速自在継手には機能及び加工面から、外輪のトラック溝と内輪のトラック溝間にはボールを介してすきまがあり、また、外輪の内球面と保持器の外球面、内輪の外球面と保持器の内球面にもすきまが存在する。これらすきまは、継手の中立状態で内輪または外輪のどちらか一方を固定して他方をラジアル方向またはアキシャル方向に移動させたときの移動量をいい、移動させる方向によって、ラジアルすきま、アキシャルすきまのように呼ばれる。これらすきまは、内・外輪間の円周方向のガタツキ（回転バックラッシュ）に大きく影響を与え、特にトラック溝すきまが大きい程回転バックラッシュも大きくなる。このため、一定以上の回転バックラッシュは避けられないことから、この種の固定型等速自在継手、例えば自動車のステアリング装置のように回転バックラッシュを嫌う用途には一般採用されるには至っていない。
特開２００３−１３００８２号公報

ところで、前述の特許文献１に記載された発明は、回転バックラッシュを防止することを目的にした固定型等速自在継手であり、等速自在継手内部に予圧手段を設けてトラック溝すきまを詰めるようにしている。この特許文献１には、弾性的な押圧力を軸方向に作用させる押圧部を内方部材側に設けると共に、その押圧部からの押圧力を受ける受け部を保持器側に設けた予圧手段が開示されている。なお、以下で付する符号は、特許文献１中で記載されているものである。

その予圧手段の一形態として、内方部材を構成する内輪２の内周に結合されたシャフト５の軸端に円筒状の収容部材１７が埋め込まれており、この収容部材１７の内部に押圧部材１０および弾性部材１２が収容されている。押圧部材１０の頭部の端面は凸球面状に形成され、この凸球面部分が弾性的な押圧力を軸方向に作用させる押圧部１１として機能する。一方、保持器４の端部には、シャフト５と対向する凹球面状の球面部１４ａを有する受け部材１４が取り付けられ、この受け部材１４の凹球面部分が押圧部１１からの押圧力を受ける受け部１５として機能する（特許文献１の段落番号［００３３］および図５参照）。

前述のような構造により、回転バックラッシュを防止するようにしているが、保持器４の端部に取り付けられる受け部材１４の装着不良など、その受け部材１４が適正な位置に取り付けられていないと、受け部材１４の球面部１４ａと押圧部材１０の頭部が当接しないで押圧力が作用せず、また、受け部材１４の球面部１４ａが適正な形状を有していないと、継手が作動角をとった時に受け部材１４が内輪２および外輪１と干渉するおそれがあり、トラック溝すきまを詰め切れずに適正な予圧を付与することが困難になることが考えられる。

そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、受け部材の取り付け位置およびその形状を規定することにより、継手が作動角をとった時に受け部材が内輪および外輪と干渉することを未然に防止し得るようにした固定型等速自在継手を提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、複数のトラック溝が形成された球状内面を備えた外方部材と、複数のトラック溝が形成された球状外面を備えた内方部材と、外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝の協働で形成された楔形のボールトラックに配置したボールと、外方部材の球状内面と内方部材の球状外面との間に配置され、ボールを保持する保持器とを備え、弾性的な押圧力を軸方向に作用させる押圧部を前記内方部材側に、かつ、押圧部からの押圧力を受ける受け部を保持器側に設けた予圧手段を有する固定型等速自在継手において、前記受け部が形成された凹球面プレート状の受け部材をその球状内面の中心が継手中心と一致するように配置すると共に、前記受け部材の球状内面径を保持器の球状内面径以上とし、かつ、受け部材の球状外面径を前記保持器の球状外面径以下としたことを特徴とする。

本発明に係る固定型等速自在継手では、受け部が形成された凹球面プレート状の受け部材をその球状内面の中心が継手中心と一致するように配置すると共に、前記受け部材の球状内面径を保持器の球状内面径以上とし、かつ、受け部材の球状外面径を前記保持器の球状外面径以下としたことにより、受け部材の取り付け位置およびその形状を適正に規定することができる。つまり、受け部材が適正な位置に取り付けられるので、受け部材に形成された受け部に押圧部が常に当接した状態を確保することができて押圧部による押圧力を確実に作用させることができる。また、受け部材が適正な形状となっているので、継手が作動角をとった時に受け部材が内方部材および外方部材と干渉することを未然に防止できる。その結果、トラック溝すきまを確実に詰めることができて適正な予圧付与が容易となる。

ここで、受け部材の球状内面径が保持器の球状内面径より小さいと、継手が作動角をとった時に受け部材と内方部材が干渉するおそれが生じ、また、受け部材の球状外面径が前記保持器の球状外面径より大きいと、受け部材と外方部材が干渉するおそれが生じる。

前述の構成において、押圧部が先端に形成されたプランジャユニットは、有底筒状の収容部材内に弾性部材を介して押圧部材を突出退入自在に収容し、前記押圧部材の先端を弾性部材による弾性力でもって収容部材の開口端から突出させる方向に付勢した構造を具備することが望ましい。このようなユニット構造とすれば、内方部材側への組み付けが容易となる。

また、このプランジャユニットは、継手をアッセンブリした状態で、トルク−捩れ角線図における入力トルクが０Ｎｍ付近の捩り剛性を１．５〜６．０Ｎｍ／ｄｅｇの範囲で規定する弾性力を持つ弾性部材を具備することが望ましい。このようにすれば、継手をアッセンブリした状態を含め、作動角をとった状態や回転トルクが負荷された状態などのいずれの状態であっても、トラック溝すきまを確実に詰めるために必要とする最小限の弾性力を確保することができるので、プランジャによる押圧力が受け部に常に付与される。

ここで、前述の捩り剛性が１．５Ｎｍ／ｄｅｇよりも小さいと、直進付近でガタとして感じられ、逆に、６．０Ｎｍ／ｄｅｇより高い剛性は、等速自在継手以外のシャフト部の剛性以上であり不要である。

以上で説明した固定型等速自在継手は、自動車のステアリング装置に組み込めば、等速自在継手内のトラック溝すきまを詰めて回転バックラッシュを防止する上で、より一層顕著な効果を発揮する。自動車のステアリング装置は、モータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置であってよいし、油圧式のパワーステアリング装置であってもよい。

本発明によれば、受け部が形成された凹球面プレート状の受け部材をその球状内面の中心が継手中心と一致するように配置すると共に、前記受け部材の球状内面径を保持器の球状内面径以上とし、かつ、受け部材の球状外面径を前記保持器の球状外面径以下としたことにより、受け部材の取り付け位置およびその形状を適正に規定することができる。つまり、受け部材が適正な位置に取り付けられるので、受け部材に形成された受け部に押圧部が常に当接した状態を確保することができて押圧部による押圧力を確実に作用させることができる。また、受け部材が適正な形状となっているので、継手が作動角をとった時に受け部材が内方部材および外方部材と干渉することを未然に防止できる。その結果、トラック溝すきまを確実に詰めることができて適正な予圧付与が容易となる。従って、等速自在継手内のトラック溝すきまを詰めて回転バックラッシュを確実に防止できるので、信頼性の高い固定型等速自在継手を提供できる。

本発明に係る固定型等速自在継手の実施形態を詳述する。以下の実施形態では、ステアリング用固定型等速自在継手の一種であるツェッパ型（ＢＪ）に適用した場合を例示するが、本発明はこれに限定されることなく、アンダーカットフリー型（ＵＪ）にも適用可能である。また、本発明の固定型等速自在継手は、ステアリング用に限らず、ドライブシャフト用あるいはプロペラシャフト用としても使用することが可能である。

まず、固定型等速自在継手が組み込まれるステアリング装置を簡単に説明する。ステアリング装置は、図７に示すようにステアリングホイール６の回転運動を、一または複数のステアリングシャフト２からなるステアリングコラムを介してステアリングギヤ８に伝達することにより、タイロッド９の往復運動に変換するようにしたものである。車載スペース等との兼ね合いでステアリングシャフト２を一直線に配置できない場合は、ステアリングシャフト２間に一または複数の軸継手１を配置し、ステアリングシャフト２を屈曲させた状態でもステアリングギヤ８に正確な回転運動を伝達できるようにしている。この軸継手１に固定型等速自在継手を使用する。図７（ｂ）における符号αは継手の折り曲げ角度を表しており、折り曲げ角度αが３０°を越える大角度も設定可能である。

次に固定型等速自在継手について説明する。この実施形態の固定型等速自在継手１はツェッパ型ジョイント（ＢＪ）で、図１に示すように外方部材としての外輪１０と、内方部材を構成する内輪２０およびシャフト２と、トルクを伝達するボール３０と、ボール３０を支持する保持器４０を主要な構成要素として成り立っている。外輪１０は入力軸または出力軸と接続し、内輪２０は出力軸または入力軸となるシャフト２と接続する。この実施形態では、内輪２０の内周にセレーションやスプライン等のトルク伝達手段を介してシャフト２を結合することにより、内方部材を構成している。

前述の外輪１０は一端にて開口したカップ状で、球状内面１２の円周方向等配位置に、軸方向に延びるトラック溝１４が形成されている。また、内輪２０は、球状外面２２の円周方向等配位置に、軸方向に延びるトラック溝２４が形成されている。外輪１０のトラック溝１４と内輪２０のトラック溝２４とは対をなして軸方向の一方から他方へ楔状に広がるボールトラックを形成し、各ボールトラックに一個のボール３０がそれぞれ組み込んである。保持器４０は外輪１０の球状内面１２と内輪２０の球状外面２２との間に摺動自在に介在し、各ボール３０は保持器４０のポケット４６に収容されて円周方向で等間隔に保持されている。

保持器４０の球状外面４２は外輪１０の球状内面１２と球面接触し、保持器４０の球状内面４４は内輪２０の球状外面２２と球面嵌合している。そして、外輪１０の球状内面１２の中心と、内輪２０の球状外面２２の中心は継手中心Ｏと一致している。これに対して、外輪１０のトラック溝１４の中心Ｏ₁と、内輪２０のトラック溝２４の中心Ｏ₂は、軸方向で、互いに逆方向に等距離だけオフセットしている。このため、一対のトラック溝１４，２４により形成されるボールトラックは、外輪１０の奥部側から開口側に向かって拡がる楔状を呈している。

この固定型等速自在継手において、図２に示すように外輪１０と内輪２０とがどのような折り曲げ角、つまり作動角θをとっても、保持器４０に案内されたボール３０が常に作動角θの二等分線に垂直な平面内に維持され、継手の等速性が確保される。

この固定型等速自在継手では、図１に示すようにシャフト２の軸端にプランジャユニット５０を取り付けている。このプランジャユニット５０は、図３に示すように先端に押圧部５２を有する押圧部材としてのボール５３、弾性部材としての圧縮コイルばね５４、ボール５３と圧縮コイルばね５４を収容する収容部材としてのケース５５からなるアッセンブリ体である。この圧縮コイルばね５４は、ボール５３を外輪１０の奥部側（ボール突出方向）へ押圧する弾性力の発生源としている（図１参照）。ケース５５は、内輪２０とセレーション結合で一体化されたシャフト２の軸端に形成された凹陥部２ａに圧入または接着することにより固定される。また、ケース５５は有底筒状をなし、その開口端縁部に内径側へ突出する係止部５５ａを設けることにより、ボール５３の突出を規制してボール５３の抜脱を防止している。これにより、ボール５３、圧縮コイルばね５４およびケース５５をユニット化したアッセンブリ体としている。さらに、開口端縁部に外径側へ張り出したフランジ５５ｂを設けることにより、シャフト２の軸端面を基準としてプランジャユニット５０を位置決めしている。

図１に示すように保持器４０の外輪１０の奥側端部には凹球面プレート状の受け部材５６を取り付けている。この受け部材５６は、図３に示すように保持器４０の端部開口を覆う蓋状をなし、部分球面状の球面部５６ａとその外周に環状に形成された取付け部５６ｂとで構成される。球面部５６ａの内面（シャフト２と対向する面）は凹球面で、この凹球面は押圧部５２からの押圧力を受ける受け部５８として機能する。取付け部５６ｂは、保持器４０の端部に圧入、溶接等の適宜の手段で固定されている。この受け部材５６は、図４に示すようにその球状内面径Ｒｓｉの中心が継手中心Ｏと一致するように配置されている。

図２に示すようにこの等速自在継手のシャフト２が作動角をとった際に、プランジャユニット５０の押圧部５２と受け部材５６の受け部５８間をスムーズに摺動させるため、図４に示すように受け部材５６の球状内面径Ｒｓｉ（半径を示す）は、押圧部５２を有するボール５３の外径ｒ（半径を示す：図３参照）よりも大きくする（Ｒｓｉ＞ｒ）。また、作動角θ（図２参照）をとった際の受け部材５６と内輪２０との干渉を防止するため、受け部材５６の球状内面径Ｒｓｉは、内輪２０の球状外面２２の外径Ｒｉｏよりも大きくする（Ｒｓｉ＞Ｒｉｏ）。

このプランジャユニット５０は、継手をアッセンブリした状態で、図５に示すようにトルク−捩れ角線図における入力トルクが０Ｎｍ付近（図中、ｔで示す領域）の捩り剛性をｂ／ａ＝１．５〜６．０Ｎｍ／ｄｅｇの範囲（捩り特性における領域ｔでの傾き）で規定する弾性力を持つ圧縮コイルばね５４を具備する必要がある。このようにすれば、継手をアッセンブリした状態を含め、作動角をとった状態や回転トルクが負荷された状態などのいずれの状態であっても、トラック溝すきまを確実に詰めるために必要とする最小限の弾性力を確保することができるので、プランジャユニット５０による押圧力が受け部材５６に常に付与される。

ここで、前述の捩り剛性が１．５Ｎｍ／ｄｅｇよりも小さいと、直進付近でガタとして感じられ、逆に、６．０Ｎｍ／ｄｅｇより高い剛性は、等速自在継手以外のシャフト部の剛性以上であり不要である。

以上の構成において、シャフト２のセレーション軸部と内輪２０をセレーション結合し、止め輪４を装着して両者が完全に結合されると（図１〜図４参照）、プランジャユニット５０の押圧部５２と受け部材５６の受け部５８とが互いに当接し、ボール５３が退入して圧縮コイルばね５４が圧縮される。この時、受け部材５６は、その球状内面径Ｒｓｉの中心が継手中心Ｏと一致するように配置されていることから、受け部材５６の受け部５８にプランジャユニット５０の押圧部５２が常に当接した状態を確保することができてプランジャユニット５０による押圧力を確実に作用させることができる。

このプランジャユニット５０による押圧力により、シャフト２と一体化された内輪２０が、弾性力により外輪１０の開口側に軸方向変位し、この変位によりトラック溝１４，２４に配置されたボール３０とトラック溝１４，２４のすきまが縮小されるため、トラック溝１４，２４のアキシャルすきまが詰められ、回転バックラッシュが防止される。

前述したように等速自在継手のシャフト２が作動角をとった際に、受け部材５６と内輪２０との干渉を防止するため、受け部材５６の球状内面径Ｒｓｉ（半径を示す）は、内輪２０の球状外面２２の外径Ｒｉｏ（半径を示す）よりも大きくしている（Ｒｓｉ＞Ｒｉｏ）が、この受け部材５６と内輪２０および外輪１０との干渉防止を確実にするためには、図６に示すように、さらに、受け部材５６の球状内面径Ｒｓｉを保持器４０の球状内面４４の内径Ｒｃｉ以上とし、かつ、受け部材５６の球状外面径Ｒｓｏを保持器４０の球状外面４２の外径Ｒｃｏ以下とする必要がある。

ここで、受け部材５６の球状内面径Ｒｓｉが保持器４０の球状内面径Ｒｃｉより小さいと、継手が作動角をとった時に受け部材５６と内輪２０が干渉するおそれが生じ、また、受け部材５６の球状外面径Ｒｓｏが保持器４０の球状外面径Ｒｃｏより大きいと、受け部材５６と外輪１０が干渉するおそれが生じることになる。そのため、受け部材５６の球状内面径Ｒｓｉを保持器４０の球状内面径Ｒｃｉ以上とし、かつ、受け部材５６の球状外面径Ｒｓｏを保持器４０の球状外面径Ｒｃｏ以下とすることにより、受け部材５６が適正な形状となるので、継手が作動角をとった時に受け部材５６が内輪２０および外輪１０と干渉することを未然に防止できる。

本発明に係る固定型等速自在継手の実施形態で、ステアリング用等速自在継手の全体構成を示す断面図である。 図１の等速自在継手で二軸が作動角をとった状態を示す断面図である。 図１の要部拡大図である。 図１の要部拡大図である。 等速自在継手におけるトルク−捩れ角線図を示す。 図２の要部拡大図である。 （ａ）はステアリング装置の平面図、（ｂ）はステアリング装置の側面図、（ｃ）はステアリング装置の斜視図である。

符号の説明

２ 内方部材（シャフト）
１０ 外方部材（外輪）
１２ 球状内面
１４ トラック溝
２０ 内方部材（内輪）
２２ 球状外面
２４ トラック溝
３０ ボール
４０ 保持器
５０ プランジャユニット
５２ 押圧部
５３ 押圧部材（ボール）
５４ 弾性部材（圧縮コイルばね）
５５ ケース
５６ 受け部材
５８ 受け部
Ｏ 継手中心
Ｒｃｉ 保持器の球状内面径
Ｒｃｏ 保持器の球状外面径
Ｒｓｉ 受け部材の球状内面径
Ｒｓｏ 受け部材の球状外面径

Claims (4)

1. 複数のトラック溝が形成された球状内面を備えた外方部材と、複数のトラック溝が形成された球状外面を備えた内方部材と、外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝の協働で形成された楔形のボールトラックに配置したボールと、外方部材の球状内面と内方部材の球状外面との間に配置され、ボールを保持する保持器とを備え、弾性的な押圧力を軸方向に作用させる押圧部を前記内方部材側に、かつ、押圧部からの押圧力を受ける受け部を保持器側に設けた予圧手段を有する固定型等速自在継手において、前記受け部が形成された凹球面プレート状の受け部材をその球状内面径の中心が継手中心と一致するように配置すると共に、前記受け部材の球状内面径を保持器の球状内面径以上とし、かつ、受け部材の球状外面径を前記保持器の球状外面径以下としたことを特徴とする固定型等速自在継手。
2. 前記押圧部はプランジャユニットの先端に形成され、そのプランジャユニットは、有底筒状の収容部材内に弾性部材を介して押圧部材を突出退入自在に収容し、前記押圧部材の先端を弾性部材による弾性力でもって収容部材の開口端から突出させる方向に付勢した構造を具備した請求項１に記載の固定型等速自在継手。
3. 前記プランジャユニットは、継手をアッセンブリした状態で、トルク−捩れ角線図における入力トルクが０Ｎｍ付近の捩り剛性を１．５〜６．０Ｎｍ／ｄｅｇの範囲で規定する弾性力でもって受け部に押圧力を常に付与する請求項１又は２に記載の固定型等速自在継手。
4. 自動車のステアリング装置に組み込まれた請求項１〜３のいずれか一項に記載の等速自在継手。