JP4376476B2 - 自在継手及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１ヨーク、第２ヨーク及び球体から成る自在継手及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
自在継手は一般に、所定角度を成し一方から他方に回転を伝達する第１回転軸と第２回転軸との連結部に配置されるものであり、その目的、用途に応じて種々の形式に分類される。自在継手の一種に、第１回転軸の先端に設けられたＵ字形状の第１ヨークと、第２回転軸の先端に設けられたＵ字形状の第２ヨークと、第１ヨークが嵌合する第１嵌合溝及び第２ヨークが嵌合する第２嵌合溝が形成された球体とから成るもの（以下、必要に応じて「球体型自在継手」と言う）がある。
【０００３】
球体の第１嵌合溝は環状に形成されており、第２嵌合溝は環状でしかも第１嵌合溝と直交するように形成されている。よって、第１ヨーク及び第２ヨークは第１嵌合溝及び第２嵌合溝に案内されつつ球体に対して互いに直交する方向に揺動可能であり、しかも球体を介して何れか一方から他方に回転を伝達する。このような自在継手は、例えば、自動車のステアリングコラムにおいて、ステアリングホイールの回転操舵力を転舵装置に伝達するために使用される。
【０００４】
従来の球体型自在継手の一例が図５及び図６（特開平３−１２５０２２号公報参照）に示されている。自在継手は、第１回転軸７０の先端に設けられた第１ヨーク７１と、第２回転軸７４の先端に設けられた第２ヨーク７５と、第１ヨーク７１と第２ヨーク７５とを連結する球体８０とを含む。第１ヨーク７１及び第２ヨーク７５は金属から成り、それぞれ円弧状の基部７２ａ、７６ａと、その両端から伸びた一対の嵌合部（腕部）７２ｂ、７６ｂとを有する。
【０００５】
球体８０は樹脂製で同じ形状の一対の半球体８１から成る。各半球体８１には対向側に円形状の組付け面８２が、反対向側に円形状のくぼみ８６がそれぞれ形成されている。組付け面８２には円形状のくぼみ８３が形成され、その底面には小孔８４が開けてあり、双方の小孔８４はくぼみ８３の底面上において円周方向にずれた位置に形成されている。また、各半球体８１の半球面８１ａには軸方向に伸びる２組の一対（４本）の嵌合溝８７ａ、８７ｂが円周方向において等間隔で隔設されている。その結果、くぼみ８６側には互いに直交する直径方向に伸びる２組の一対の凹所８８が形成されている。双方の半球体８１のくぼみ８３間に配置された所定長さの圧縮ばね９０の一端９０ａが一方の半球体８１の小孔８４に、他端９０ｂが他方の半球体８１の小孔８４にそれぞれ嵌入されている。
【０００６】
上記球体型自在継手の組付けは以下のように行われる。まず、第１ヨーク７１に球体８０を組み付ける。即ち、第１ヨーク７１の２本の腕部７２ｂを球体８０の両端面の凹所８８に嵌合し、その後９０度回動させて第１嵌合溝８７ａに嵌合させる。同様に、第２ヨーク７５の２本の腕部７６ｂを球体８０の両端面の凹所８８に嵌合し、その後９０度回動させて第２嵌合溝８７ｂに嵌合させる。
【０００７】
その際、球体８０は冷却して図６において二点鎖線で示すように外径を縮ませるとともに、第１ヨーク７１及び第２ヨーク７５は加熱して二点鎖線で示すように双方の腕部７２ｂ、７６ｂ間の間隔を広げる。自在継手が組み付けられた状態では、各半球体８１が圧縮ばね９０により軸方向及び円周方向に付勢され、球体８０と第１ヨーク７１及び第２ヨーク７５との間のガタを吸収しようとする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の自在継手及びその製造方法には以下の問題点があった。
【０００９】
第１に、球体８０に対する第１ヨーク７１及び第２ヨーク７５の揺動角度の大きさに限界があった。即ち、鍛造により形成し凹所８８に組み付けた第１ヨーク７１を回動し、弾性変形を利用して第１嵌合溝８７ａに組み付ける。球体８０への第１ヨーク７１の組付け容易にするために腕部７２ｂを短くすると、第１ヨーク７１が大きく揺動したとき第１嵌合溝８７ａから外れてしまうのである。
【００１０】
第２に、第１ヨーク７１から球体８０を介して第２ヨーク７５に伝達されるトルクが十分に大きいとは言い難かった。即ち、一対の半球体８１は樹脂から成り、金属から成る第１ヨーク７１及び第２ヨーク７５に比べて剛性、強度が小さく、結局球体８０の剛性、強度が最大伝達トルクを決定してしまうのである。
【００１１】
第３に、各部のガタを小さくするために高精度の加工が必要になり、自在継手の製造コストが高くなっていた。即ち、半球体８１間のガタを吸収するために、各半球体の組付け面８２やくぼみ８３の底面を精度良く加工する必要がある。また、球体８０と第１ヨーク７１及び第２ヨーク７５との間のガタを吸収するために、円弧状の基部７２ａ，７６ａの内面を精度良く加工する必要がある。
【００１２】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、球体に対する第１ヨーク及び第２ヨークの揺動角度が大きく、第１ヨークから第２ヨークに伝達されるトルクが大きく、しかも高精度の加工が不要で部品点数が少なく製造コストを低減することができる、自在継手及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、ヨークの基部から伸びた腕部を塑性変形させた嵌合部を球体の嵌合溝に嵌合させることを思い付いて本発明を完成した。
【００１４】
即ち、本発明による自在継手は、球面に第１嵌合溝及び第２嵌合溝が互いに直交する方向に形成された球体と；第１基部とこれから伸びた一対の第１嵌合部とから成り、第１嵌合部が第１嵌合溝に嵌合されたＣ字形状の第１ヨークと；第２基部とこれから伸びた一対の第２嵌合部とから成り、第２嵌合部が第２嵌合溝に嵌合されたＣ字形状の第２ヨークと；から成る自在継手であって、一対の第１嵌合部及び／又は一対の第２嵌合部は、直線部又は第１嵌合溝よりも曲率の小さい湾曲部を含む第１基部から伸びた一対の第１腕部、及び／又は、直線部又は第２嵌合溝よりも曲率の小さい湾曲部を含む第２基部から伸びた一対の第２腕部を、第１嵌合溝及び／又は第２嵌合溝に沿って塑性変形させることにより形成されたものであることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による自在継手の製造方法は、球体の球面に形成された第１嵌合溝に、第１基部とこれから伸びた一対の第１嵌合部とから成るＣ字形状の第１ヨークの該第１嵌合部が嵌合されたユニットを準備する準備工程と；第２基部とこれから伸びた一対の第２腕部とから成る第２ヨーク素材の一対の該第２腕部を塑性変形させた一対の第２嵌合部を球体の第２嵌合溝に嵌合させることにより、第２ヨークをユニットに組み付ける組付工程と；から成り、組付工程において、一対の第２腕部は直線部又は第２嵌合溝よりも曲率の小さい湾曲部を含むことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
発明の実施の態様について具体的に説明する。
＜自在継手＞
自在継手は、駆動力伝達系において、その第１ヨークを入力側に、第２ヨークを出力側に配置することができる。この場合、第１ヨークは入力軸（駆動軸）に、第２ヨークは出力軸（被駆動軸）に連結される。但し、第１ヨークを出力側に、第２ヨークを入力側に配置することもできる。
＜球体＞
球体は金属製であることが望ましく、完全な球形状であっても良いし、直径方向の両端部が除去された太鼓形状であっても良い。第１嵌合溝及び第２嵌合溝は、球体の全円周に亘って環状に形成されても良いし、一部を残してＣ字形状に形成されても良い。第１嵌合溝及び第２嵌合溝の幅、深さは等しいことが望ましい。
＜第１ヨーク、第２ヨーク＞
第１ヨーク及び第２ヨークは金属製である。第１基部及び第２基部は球体の第１嵌合溝及び第２嵌合溝と同じ曲率の円弧面を持つことができる。一対の第１嵌合部及び第２嵌合部は第１嵌合溝及び第２嵌合溝と同じ曲率を持つ。第１及び第２嵌合部の先端には残留応力が存在し、溝底面に強く係合している。
【００１７】
第１ヨークと第２ヨークとは、細部において異なる構成（形状、寸法）にすることもできるが、同じ構成とすることが望ましい。
＜自在継手の製造方法＞
第１ヨーク及び第２ヨークの少なくとも一方が、その第１腕部又は第２腕部の塑性変形を利用して球体と組み付けられれば良い。一方の腕部のみ塑性変形させた場合、他方の腕部は弾性変形させて球体と組み付ける。
【００１８】
準備工程は、第１ヨークと球体とのユニットを準備する工程である。両者の組付けは、次述するユニットと第２ヨークとの組付けのように塑性変形を利用しても良いし、従来のように弾性変形を利用しても良い。
【００１９】
組付工程は、ユニットに第２ヨーク素材を組み付ける工程である。第２腕部を塑性変形させる際、所定のダイ面を持つダイを使用し、球体の第２嵌合溝をポンチとして機能させることができる。
【００２０】
第２腕部は、直線部又は第２嵌合溝よりも小さな曲率を持つ湾曲部から成る。何れの場合も、第２腕部はその曲率が第２嵌合溝の曲率と等しく（大きく）なるまで塑性変形され、第２嵌合部となる。第２腕部はまた、その先端に第２嵌合溝の曲率よりも大きな曲率の先端湾曲部を持つことができる。この先端湾曲部は第２嵌合溝の曲率と等しく（小さく）なるように塑性変形され、残量応力が存在する状態で溝底面に強く係合する。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を基にして説明する。
▲１▼自在継手
図１及び図２に示すように、自在継手は第１嵌合溝１１及び第２嵌合溝１３が形成されたボール（球体）１０と、入力軸（不図示）の先端に設けられたＣ字形状の入力ヨーク１５と、出力軸（不図示）の先端に設けられたＣ字形状の出力ヨーク２５と、から成る。
【００２２】
ボール１０は鉄製で単一のボールから成り、その球面には環状の第１嵌合溝１１及び第２嵌合溝１３が互いに直交する方向に形成されている。第１嵌合溝１１と第２嵌合溝１３とは、その幅、深さ及び溝底面の曲率Ｒ１が等しくなっている。
【００２３】
入力ヨーク１５は鉄製で、基部１６と、その両端から伸びた一対の嵌合部１９とから成り、全体としてＣ字形状を持つ。基部１６には内面に曲率Ｒ１の円弧面１６ａが形成され、その幅方向（図１において左右方向）の中間部に凹所１７が全幅に亘って開けられている。双方の嵌合部１９は第１嵌合溝１１と同じ曲率Ｒ１で湾曲して、その内面が溝底面に密着している。各嵌合部１９の先端１９ｂは第２ヨーク２５の凹所２７内に入り込み、その端面同士が僅かな間隔で対向し、それ以外の部分よりも強く第１嵌合溝１１に密着係合している。これにより、入力ヨーク１５はその嵌合部１９を第１嵌合溝１１に案内されつつ、ボール１０に対して図１の紙面と垂直方向に揺動可能である。
【００２４】
出力軸（不図示）に連結される出力ヨーク２５は鉄製で、円弧状の基部２６と、その両端から伸びた一対の嵌合部２９とから成り、全体としてＣ字形状を持つ。出力ヨーク２５は入力ヨーク１５と対称な構成とされているので、詳細な説明は割愛する。出力ヨーク２５は嵌合部２９を第２嵌合溝１３に案内されつつボール１０に対して図１の紙面と平行に揺動可能である。
▲２▼自在継手の製造方法
次に、上記自在継手の製造方法について図３及び図４を基に説明する。製造方法は、ボール１０の加工工程、入力ヨーク１５及び出力ヨーク２５の加工工程、ボール１０の入力ヨーク１５への組付工程、及び出力ヨーク２５の入力ヨーク１５及びボール１０への組付工程から成る。
【００２５】
ボール１０の加工工程では、図３（ａ）に示すように、鉄から成りその球面に環状の第１嵌合溝１１及び第２嵌合溝１３が直交する方向に形成されたボール１０を鍛造により準備する。第１嵌合溝１１及び第２嵌合溝１３の幅、深さ及び溝底面の曲率Ｒ１は互いに等しい。
【００２６】
入力ヨーク１５の加工工程では、図３（ｂ）に示すように、基部１６とその両端から側方に伸びる一対の腕部１８とから成る入力ヨーク粗材３５を鍛造により準備する。曲率Ｒ１の円弧面１６ａを持つ基部１６は、幅方向（図３（ｂ）において左右方向）の中間部に凹所１７が全幅に亘って開けられている。各腕部１８は直線部１８ａと、第１嵌合溝１１の曲率Ｒ１よりも大きな曲率Ｒ２の湾曲部 １８ｂとを持つ。
【００２７】
尚、第２ヨーク２５の加工工程は、上記第１ヨーク１５の加工工程と同じであるので、説明を割愛する。
【００２８】
ボール１０の入力ヨーク１５への組付工程では、図４（ａ）に示すように、ボール１０及び第１ヨーク１５は第１嵌合溝１１が紙面と垂直、第２嵌合溝１３が紙面と平行で、腕部１８が左右側方に伸びるように保持、位置決めされている。この状態で、ダイ４０より両腕部１８を塑性加工する。
【００２９】
ダイ４０は一対の第１ダイ面４１、第２ダイ面４２及び第３ダイ面４３を持つ。第１ダイ面４１はダイ４０の移動方向と直交する方向に伸び、第３ダイ面４３は移動方向と平行に伸び、第２ダイ面４２は第１ダイ面４１及び第３ダイ面４３に対してほぼ４５度をなしている。ダイ４０は入力ヨーク１５の軸線と平行な方向において、第１ダイ面４１がボール１０の底部に対応する位置から頂部に対応する位置まで移動（上昇）可能である。また、移動方向と直交する方向では、移動した第３ダイ面４３がボール１０に近接するように位置決めされている。
【００３０】
腕部１８はダイ４０により３段階に塑性変形されてボール１０に組み付けられる。第１段階では図４（ａ）に示すように、第１ダイ面４１と第２ダイ面４２との境界部が直線部１８ａと湾曲部１８ｂとの間の屈曲部に当接して上方に向かう力を加える。これにより、各直線部１８ａはその伸び方向とほぼ直角方向に力を付与され、湾曲部１８ｂとの境界部が塑性変形され、互いに接近する。
【００３１】
次に、第２段階では図４（ｂ）に示すように、傾斜した第２ダイ面４２が 直線部１８ａの下面に当接し、ダイ４０の上昇につれて、その傾斜により漸次ボール１０の中心に向かって塑性変形させる。これにより直線部１８ａは漸次第１嵌合溝１１内に沿って湾曲するとともに少し長さが伸びて第１嵌合部１９ａとなり、その内面が溝底面に密着し、第１嵌合溝１１と同じ曲率Ｒ１を持つことになる。
【００３２】
続く第３段階では図４（ｃ）に示すように、第２ダイ面４２と第３ダイ面４３との境界部から第３ダイ面４３にわたる部分が第１嵌合部１９ａの外面に当接する。そして、ダイ４０の上昇につれて、湾曲部１８ｂにボール１０の中心に向かう方向の力を加えて曲率を小さく（曲率Ｒ２からＲ１）なると共に少し長さが伸びて第２嵌合部１９ｂを形成し、その内面を第１嵌合溝１１の溝底面に密着させる。第１嵌合部１９ａと第２嵌合部１９ｂにより嵌合部１９が形成される。
【００３３】
出力ヨーク２５の入力ヨーク１５及びボール１０への組付工程では、既に組み立てられたユニット（図４（ｃ）参照）を保持装置（不図示）により位置決め、保持し、腕部２８が第２嵌合溝１３に対向するように、出力ヨーク２５を位置決めする。そして、第４０と同様のダイ（不図示）により腕部２８を塑性変形させて、第２嵌合溝１３内に嵌合させる。
▲３▼実施例の効果
本実施例の球体型自在継手及びその製造方法によれば、以下の効果が得られる。
【００３４】
先ず、図１及び図２から明らかなように、嵌合部１９及び２９がＣ字形状を持ち、ボール１０の第１嵌合溝１１及び第２嵌合溝１３にほぼ全円周に亘って嵌合している。その結果、ボール１０に対する入力ヨーク１５及び出力ヨーク２５の揺動角度が大きくなる。また、ボール１０が金属から成り、入力ヨーク１５及び出力ヨーク２５と同等の剛性、強度を持つので、入力ヨーク１５からボール１０を介して出力ヨーク２５に伝達されるトルクが大きくなる。
【００３５】
更に、入力ヨーク１５の腕部１８及び出力ヨーク２５の腕部２８をダイ４０により塑性変形させてボール１０に組み付ける際、第１嵌合溝１１及び第２嵌合溝１３をポンチとして利用した。その結果、入力ヨーク１５及び出力ヨーク２５の腕部１８及び２８の内面をボールへ１０の組付けのために仕上加工することは不要となり、しかも組付け後にこれらの間でガタは生じない。
【００３６】
加えて、図１及び図２から明らかなように、組付状態において、入力ヨーク１５の嵌合部１９及び出力ヨーク２５の嵌合部２９がボール１０の第１嵌合溝１１及び第２嵌合溝１３にほぼ完全に嵌合収納されており、ボール１０の表面から突出していない。これにより、自在継手全体が極めてコンパクトな構成となっている。また、入力ヨーク１５と出力ヨーク２５とは同じ構成を持つので、両者の構成が異なる場合に比べて、鍛造する工程やダイ４０により腕部１８及び２８を塑性変形させる工程に要する時間、手間が半減する。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明によれば、球体に対する第１ヨーク及び第２ヨークの揺動角度が大きくなり、大きな揺動角度が要求される駆動力伝達系にも使用できる。また、第１ヨークから球体を介して第２ヨークに伝達されるトルクが大きくなる。これに関連して、これまで強度確保等の理由で非常に高価なスパイダ型自在継手を使用していた駆動力伝達系においても、本発明の球体型自在継手を使用することができる。さらに、腕部を塑性変形させた第１嵌合部及び第２嵌合部を第１嵌合溝及び第２嵌合溝に嵌合させるので、各部にガタが発生せず、高精度の加工が不要になり、かつ部品点数が減少し、製造コストが低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による自在継手の一実施例を示す正面図である。
【図２】 上記自在継手の斜視図である。
【図３】 本発明の自在継手の製造方法の一実施例を示し、（ａ）はボールの正面図、（ｂ）は入力ヨーク（出力ヨーク）素材の正面図、（ｃ）は同じく側面図である。
【図４】 （ａ）（ｂ）及び（ｃ）は、上記製造方法にいて、入力ヨーク素材へのボールの組付工程を示す説明図である。
【図５】 従来の自在継手の一例を示す分解斜視図である。
【図６】 上記従来例の要部正面である。
【符号の説明】
１０：球体 １１：第１嵌合溝
１３：第２嵌合溝 １５：入力ヨーク
１６、２６：基部 １８、２８：腕部
１９、２９：嵌合部 ２５：入力ヨーク
３５：入力ヨーク素材

Claims (7)

1. 球面に第１嵌合溝及び第２嵌合溝が互いに直交する方向に形成された球体と、
   第１基部と該第１基部から伸びた一対の第１嵌合部とから成り、該第１嵌合部が前記第１嵌合溝に嵌合されたＣ字形状の第１ヨークと、
   第２基部と該第２基部から伸びた一対の第２嵌合部とから成り、該第２嵌合部が前記第２嵌合溝に嵌合されたＣ字形状の第２ヨークと、から成る自在継手であって、
   一対の前記第１嵌合部及び／又は一対の前記第２嵌合部は、直線部又は前記第１嵌合溝よりも曲率の小さい湾曲部を含む前記第１基部から伸びた一対の第１腕部、及び／又は、直線部又は前記第２嵌合溝よりも曲率の小さい湾曲部を含む前記第２基部から伸びた一対の第２腕部を、前記第１嵌合溝及び／又は前記第２嵌合溝に沿って塑性変形させることにより形成されたことを特徴とする自在継手。
2. 前記第１嵌合部及び／又は前記第２嵌合部の先端は、前記第１嵌合溝及び／又は前記第２嵌合溝の溝底面に強く係合している請求項１記載の自在継手。
3. 更に、一対の前記第１腕部及び／又は一対の前記第２腕部の直線部又は湾曲部の先端に、前記第１嵌合溝及び／又は前記第２嵌合溝の曲率よりも大きい曲率を持つ先端湾曲部が形成されている請求項１又は２記載の自在継手。
4. 前記球体は金属から成る請求項１記載の自在継手。
5. 球体の球面に形成された第１嵌合溝に、第１基部と該第１基部から伸びた一対の第１嵌合部とから成るＣ字形状の第１ヨークの該第１嵌合部が嵌合されたユニットを準備する準備工程と、
   第２基部と該第２基部から伸びた一対の第２腕部とから成る第２ヨーク素材の一対の該第２腕部を塑性変形させて一対の第２嵌合部を前記球体の第２嵌合溝に嵌合させることにより、第２ヨークを前記ユニットに組み付ける組付工程と、からなり、
   前記組付工程において、一対の前記第２腕部は直線部又は第２嵌合溝よりも曲率の小さい湾曲部を含むことを特徴とする自在継手の製造方法。
6. 前記準備工程において、前記第１ヨークは、基部と該基部から伸びた一対の第１腕部とから成る第１ヨーク素材の一対の該第１腕部を塑性変形させた前記第１嵌合部を前記第１嵌合溝に嵌合させたものである請求項５記載の自在継手の製造方法。
7. 更に、一対の前記第２腕部の直線部又は湾曲部の先端に、前記第２嵌合溝の曲率よりも大きい曲率を持つ先端湾曲部が形成されている請求項５記載の自在継手の製造方法。

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