JP4554181B2

JP4554181B2 - 固定型等速自在継手

Info

Publication number: JP4554181B2
Application number: JP2003343173A
Authority: JP
Inventors: 健太山崎; 実石島
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2023-10-01
Also published as: JP2005106233A; CN1864013A; CN100494716C

Description

本発明は、例えば、自動車のステアリング用軸継手として利用され得る固定型等速自在継手に関する。

例えば、自動車用のステアリングシャフトには、一般的にカルダンジョイント（十字軸継手）が複数個用いられていた。このカルダンジョイントは、作動角が大きくなると入力軸と出力軸の間で回転変動が大きくなる不等速自在継手であり、複数のカルダンジョイントを組み合わせて等速性を確保するためには、車両の設計自由度が損なわれる問題点が存在する。

そこで、ステアリング用軸継手として固定型等速自在継手を用いれば、任意の作動角で等速性を確保することができるので、車両の設計自由度が増す利点がある。この固定型等速自在継手は、球状内面に複数の曲線状のトラック溝を有する外輪と、球状外面に複数の曲線状のトラック溝を有する内輪と、外輪および内輪のトラック溝間に組み込まれたボールと、ボールを保持する保持器とで構成される。

外輪のトラック中心は外輪の球状内面の球面中心に対して、また、内輪のトラック中心は内輪の球状外面の球面中心に対して、それぞれ軸方向に等距離だけ反対側にオフセットされており、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。

ところで、この種の固定型等速自在継手では、機能上および加工上の要請から外輪のトラック溝と内輪のトラック溝に対してボールとの間にすきまが存在し、このトラックすきまは、継手の中立状態で内輪または外輪のいずれか一方を固定し、他方を軸方向に移動あるいは円周方向に回転させたときにすきまとなって現出する。

このトラックすきまは、内輪と外輪の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る。固定型等速自在継手では、加工公差および組立性の面からトラックすきまが不可欠であり、回転バックラッシュが大きく、車両の直進付近でのステアリング操作感の悪化や、異音の発生原因となることが懸念される。

この問題を解消するための手段として、継手内部に設けた予圧手段により、トラックすきまにより生じる軸方向すきまを詰めることで回転バックラッシュを抑制し得る固定型等速自在継手が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１３００８２

ところで、前述の特許文献１に開示された固定型等速自在継手では、ボールトラックが外輪開口側に向けて拡開した楔形となっていることから、トラックすきまにより生じる軸方向すきまを詰めるため、弾性的な押圧力を軸方向に作用させる押圧部を内輪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に設けた構造を具備する。

この固定型等速自在継手では、押圧部と受け部の弾性的な当接により、内輪が外輪の開口側に向かって押圧され、両者間に軸方向の相対移動が生じる。この相対移動により、ボールを介してトラックすきまが詰められ、回転バックラッシュの発生を防止するようにしている。

しかしながら、内輪と保持器間の球面すきまで形成される軸方向すきまと、トラックすきまにより生じる軸方向すきまの設定によっては、トラックすきまにより生じる軸方向すきまを詰めきれない場合があり、回転バックラッシュの発生を防止することが困難となる。

そこで、本発明は前記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、内輪と保持器間の軸方向すきまと、トラックすきまにより生じる軸方向すきまとの関係の設定と共に、他の要件を付加することにより、回転バックラッシュの発生を確実に防止し得る固定型等速自在継手を提供することにある。

前記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、複数のトラック溝を形成した内径面を有する外方部材と、複数のトラック溝を形成した外径面を有する内方部材と、外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝と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、外方部材の内径面と内方部材の外径面との間に配置され、ボールを回転自在に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およびその押圧部からの押圧力を受ける受け部のうち、何れか一方を保持器に設けると共に他方を内方部材に設けた予圧付与手段を設けた固定型等速自在継手において、前記内方部材と保持器間の軸方向すきまを、継手が作動角をとった状態を含め、トラックのラジアルすきまにより生じる軸方向すきまよりも大きくし、かつ、前記内方部材と保持器間の軸方向すきまをトラックのラジアルすきまの２．５〜６．５倍としたことを特徴とする。

この固定型等速自在継手では、作動角をとった状態を含め、内方部材と保持器間の軸方向すきまがトラックのラジアルすきまによる軸方向すきまより小さいと、その軸方向すきまが完全に詰められる以前に内輪と保持器が当接するため、それ以上、トラックのラジアルすきまによる軸方向すきまを詰めることには限界がある。従って、内方部材と保持器間の軸方向すきまは、継手が作動角をとった状態を含めてトラックすきまにより生じる軸方向すきまよりも大きくする必要がある。

ここで、内方部材と保持器間の軸方向すきまをより明確化するために内方部材と保持器間の軸方向すきまをトラックのラジアルすきまの２．５〜６．５倍とする。

これにより、押圧部と受け部の弾性的な当接により、内方部材が外方部材の開口側に向かって押圧され、両者間に軸方向の相対移動が生じ、ボールを介してトラックの回転方向すきまを確実に詰めることができる。

さらに、前述の内方部材の外径面に、保持器の内径面との干渉逃げとなる面取り部を形成したり、あるいは、保持器の内径面を、内方部材の外径面との干渉を抑制する非球面形状とすることが望ましい。このようにすれば、保持器と内方部材とが相対移動する際に、保持器と内方部材間で干渉することを未然に防止することできる。

本発明によれば、予圧付与手段で押圧部と受け部の弾性的な当接により、内方部材が外方部材の開口側に向かって押圧され、両者間に軸方向の相対移動が生じる際、内方部材と保持器間の軸方向すきまをトラックのラジアルすきまの２．５〜６．５倍としたことにより、トラックすきまにより生じる軸方向すきまが完全に詰められる以前に内方部材と保持器が当接することなく、ボールを介してトラックすきまが確実に詰められるので、回転バックラッシュの発生を確実に防止することができ、自動車のステアリング用軸継手として高品質の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、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。

実施形態の等速自在継手は、図９に示すように複数のトラック溝１ａを形成した球状の内径面１ｂを有する外方部材としての外輪１と、複数のトラック溝２ａを形成した球状の外径面２ｂを有する内輪２と、外輪１のトラック溝１ａと内輪２のトラック溝２ａとの協働で形成されるボールトラックに配された複数のボール３と、外輪１の内径面１ｂと内輪２の外径面２ｂとの間に配置され、ボール３を収容するためのポケット４ａを円周方向等間隔に有する保持器４とを主要な構成要素とする。

トラック溝１ａ，２ａは軸方向に延びる曲線状をなし、通常は６本（８個ボールの場合は８本）がそれぞれ外輪１の内径面１ｂおよび内輪２の外径面２ｂに球面状に形成される。また、内輪２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５を結合することにより、その内輪２とシャフト５で内方部材６が構成される。

このＢＪ型等速自在継手では、外輪１のトラック溝１ａの球面中心（外輪トラック中心）Ｏ₁は、外輪１の内径面１ｂの球面中心に対して、また、内輪２のトラック溝２ａの球面中心（内輪トラック中心）Ｏ₂は、内輪２の外径面２ｂの球面中心に対して、それぞれ軸方向に等距離だけ反対側にオフセットされている。

保持器４の外周面４ｂの球面中心、および保持器の外周面４ｂの案内面となる外輪１の内径面１ｂの球面中心は、いずれも継手中心Ｏに一致している。また、保持器４の内周面４ｃの球面中心、および保持器の内周面４ｃの案内面となる内輪２の外径面２ｂの球面中心も、同様に継手中心Ｏに一致している。それ故、外輪トラック中心Ｏ₁のオフセット量は、外輪トラック中心Ｏ₁と継手中心Ｏとの間の軸方向距離となり、内輪トラック中心Ｏ₂のオフセット量は、内輪トラック中心Ｏ₂と継手中心Ｏとの間の軸方向距離となり、両者は等しい。

以上から、一対のトラック溝１ａ，２ａにより外輪１の開口側から奥部側へ縮小する楔状のボールトラックが形成され、このボールトラックに各ボール３が転動可能に組み込まれている。なお、保持器４の外周面４ｂおよび内周面４ｃの球面中心を継手中心Ｏに一致させているが、これらの球面中心を継手中心Ｏに対して軸方向のそれぞれ反対側に等距離だけオフセットさせることもできる。この等速自在継手では、外輪１と内輪２とが作動角をとると、保持器４に案内されたボール３が常にどの作動角においてもその作動角の二等分面内に維持され、継手の等速性が確保される。

図９に示すようにシャフト５の軸端に押圧部材１０を設けてある。図示例の押圧部材１０は、押圧部１１としてボール、弾性部材１２として圧縮コイルばね、押圧部１１と弾性部材１２をアッセンブリとするためのケース１３から構成される。この弾性部材１２は、押圧部１１を通じて弾性力として作用する。また、押圧部１１は、受け部１５との接点が球状であれば、その他の部分の形状は任意でもよい。ケース１３は、内側継手部材２とセレーション結合で一体化されたシャフト５の先端部に圧入あるいは接着材などによる適宜の手段で固定される。

保持器４の外輪奥部側の端部には、受け部材１４が取り付けられる。この受け部材１４は、保持器４の外輪奥部側の端部開口を覆う蓋状をなし、部分球面状の球面部１４ａとその外周に環状に形成された取付け部１４ｂとで構成される。球面部１４ａの内面（シャフト５と対向する面）は凹球面状で、この凹球面部は押圧部１１からの押圧力を受ける受け部１５として機能する。取付け部１４ｂは、保持器４の端部に圧入、溶接等の適宜の手段で固定されている。

なお、この実施形態では、押圧部１１を内輪側に設けると共に受け部１５を保持器側に設けた場合であるが、逆に、押圧部を保持器側に設けると共に受け部を内輪側に設けた構造とすることも可能である。

以上の構成において、シャフト５を内輪２の内周に嵌合し、止め輪１６等で両者を位置決めすると、押圧部材１０の押圧部１１と受け部材１４の受け部１５とが互いに当接し、弾性部材１２が圧縮される。これにより内方部材６（シャフト５および内輪２）が外輪１の開口側に押圧され、両者間に軸方向の相対移動が生じる。内輪２のトラック溝２ａの形状は、外輪１の奥側に向かって拡径しているため、この相対移動によりトラックのラジアルすきまが詰められ、回転バックラッシュが防止されるようになる。

ここで、ステアリング装置は、図１０に示すように、ステアリングホイール２１の回転運動を、一または複数のステアリングシャフト２２を介してステアリングギヤに伝達することにより、タイロッド部の往復運動に変換するものである。車載スペース等との兼ね合いでステアリングシャフト２２を一直線に配置できない場合、ステアリングシャフト２２間に一または複数の自在継手２４を配置し、ステアリングシャフト２２を屈曲させた状態でもステアリングギヤに正確な回転運動を伝達できるようにしている。この自在継手２４に固定型等速自在継手を使用することができる。

ところで、固定型等速自在継手においては、加工上および機能上の都合から、トラックすきまにより生じる軸方向すきまとは別に保持器４の外周面４ｂと外輪１の内径面１ｂとの間、および保持器４の内周面４ｃと内輪２の外径面２ｂとの間に微小な球面すきまが形成される。この球面すきまにより生じる軸方向すきまのうち、保持器４の内周面４ｃと内輪２の外径面２ｂとの間の軸方向すきまが、トラックすきまにより生じる軸方向すきまより小さいと、その軸方向すきまが完全に詰められる以前に内輪２と保持器４が当接して、内輪２に対する保持器４の軸方向の可動域が狭まるため、トラックすきまにより生じる軸方向すきまを十分に詰めることに限界が生じる。従って、保持器４と内輪２の間の軸方向すきまは、継手が作動角をとった状態を含めてトラックのラジアルすきまにより生じる軸方向すきまよりも大きく設定する必要がある。

そこで、内輪２と保持器４の間の軸方向すきまを、より明確化するために内輪２と保持器４の間の軸方向すきまをトラックのラジアルすきまの２．５〜６．５倍に設定する。このトラックのラジアルすきまに対する軸方向すきまの倍率、つまり、２．５〜６．５倍の範囲は、内外輪２，１におけるトラック中心Ｏ₂，Ｏ₁と継手中心Ｏの軸方向距離（トラックオフセット量）とトラックＰＣＤにより求められる。ここで、トラックＰＣＤとは、内外輪２，１それぞれのボール溝中心径を意味する。

前述のトラックのラジアルすきまに対する軸方向すきまの倍率が２．５倍よりも小さくなると、内外輪２，１のトラック溝２ａ，１ａについて、トルクを伝達するために必要な深さを確保することが困難となり、逆に、前述の倍率が６．５倍よりも大きくなると、等速自在継手の入出力軸間で作動角をとった時に、その折り曲げ作動性の悪化を招来する。これにより、トラックのラジアルすきまにより生じる軸方向すきまは、トラックのラジアルすきまの２．５〜６．５倍に設定することが望ましい。

さらに、内輪２の外径面２ｂに、保持器４の内径面４ｃとの干渉逃げとなる面取り部を形成する。また、保持器４の内径面４ｃを、内輪２の外径面との干渉を抑制する非球面形状とする。これにより、保持器４に対する内輪２の移動がスムーズに行なわれ、予圧による内輪２の移動量を確保してトラックのラジアルすきまによる軸方向すきまをより一層確実に詰めることができる。

内輪２の外径面２ｂに面取り部を形成する形態としては、図１〜図６に示す種々のものが考えられる。図１は、内輪２の外径面２ｂの外輪開口側端縁にテーパ状の面取り部ｍ₁（図示の破線部分は従来形状を示す）を形成した場合、図２〜図６は、内輪２の外径面２ｂの外輪開口側端縁に、その継手中心Ｏから軸方向や径方向にオフセットした球面中心Ｏ₃〜Ｏ₇を持つ曲面からなる面取り部ｍ₂〜ｍ₆（図示の破線部分は従来形状を示す）を形成した場合をそれぞれ示す。図１のテーパ状の面取り部ｍ₁は、内輪２の端面から所定の傾斜角αを有する。図２〜図６の面取り部ｍ₂〜ｍ₆は、継手中心Ｏから軸方向や径方向（図５では継手中心Ｏから傾斜角β方向を含む）にオフセットした各球面中心Ｏ₃〜Ｏ₇から半径Ｒ₂〜Ｒ₆を有する凸球面をなす。

また、保持器４の内径面４ｃを、内輪２の外径面との干渉を抑制する非球面形状とする形態としては、図７および図８に示すものが考えられる。図７は、保持器４の内径面４ｃ’の継手中心Ｏ部分にフラット部ｐを形成し、そのフラット部ｐの両側を、継手中心Ｏから軸方向および径方向にオフセットした球面中心Ｏ₈，Ｏ₉を持つ半径Ｒ’の凹球面で形成した場合、図８は、保持器４の内径面４ｃ''を継手中心Ｏから径方向にオフセットした球面中心Ｏ₁₀を持つ半径Ｒ''の凹球面で形成した場合をそれぞれ示す。

これにより、押圧部１１と受け部１５の弾性的な当接により、内輪２が外輪１の開口側に向かって押圧され、両者間に軸方向の相対移動が生じ、継手が作動角をとった状態でも保持器４が内輪２と干渉することなく、トラックすきまを詰めるまで内輪２が軸方向に移動可能となるため、トラックのラジアルすきまにより生じる軸方向すきまが確実に詰められる。

また、等速自在継手の製品性能を確保するため、トラックのラジアルすきまは、トラックＰＣＤに対して０〜１．５％、外輪１と保持器４の間のラジアルすきまは、トラックＰＣＤに対して０〜１．７％にすることが望ましい。

これらすきまの比率が大きくなると、トラックのラジアルすきまが増大し、ガタ詰めのためには内輪２と保持器４間の軸方向すきまも大きくする必要がある。高トルクで継手が回転作動した場合、ボールトラックの形状から内輪２は外輪１の奥側に向かって移動する。内輪２と保持器４間の軸方向すきまが大きいと、内輪外径面２ｂと保持器内周面４ｃが当接する以前に、内輪外径面２ｂと受け部材１４の部分球面１４ａの内面凹球部が干渉してしまう。これを回避するためには、受け部材１４と保持器４の固定位置を外輪１の奥側、あるいは、受け部材１４の取付部１４ｂを拡径および受け部材１４の部分球面１４ａの内面凹球部を拡大する必要がある。これにより、受け部材１４の取付部１４ｂと保持器４との固定部において、保持器４の肉厚減少からの強度低下、あるいは、前述の保持器肉厚減少を補うために保持器外周面４ｂおよび外輪内径面１ｂの拡径に伴う、外輪トラック溝１ａの溝深さ減少からの寿命低下といった不具合が生じる。

さらに、形状を確保するため、トラックＰＣＤはボール径の比率は、１．５〜４．０倍とすることが望ましい。この倍率が１．５よりも小さいと、内輪２の強度が低下し、逆に、４．０より大きいと、保持器４の強度が低下すると共に外輪１の外径が大きくなる不都合が生じる。

本発明は、自動車のステアリング用軸継手などのように、回転バックラッシュを未然に抑制する必要がある用途に好適な固定型等速自在継手である。

本発明に係る固定型等速自在継手の実施形態で、テーパ状の面取り部を外径面の一部に形成した内輪、シャフトおよび保持器を示す要部拡大断面図である。本発明の他の実施形態で、軸方向にオフセットした球面中心を有する面取り部を外径面の一部に形成した内輪を示す要部拡大断面図である。本発明の他の実施形態で、軸方向および径方向外側にオフセットした球面中心を有する面取り部を外径面の一部に形成した内輪を示す要部拡大断面図である。本発明の他の実施形態で、軸方向および径方向内側にオフセットした球面中心を有する面取り部を外径面の一部に形成した内輪を示す要部拡大断面図である。本発明の他の実施形態で、継手中心面からβ方向で径方向外側にオフセットした球面中心を有する面取り部を外径面の一部に形成した内輪を示す要部拡大断面図である。本発明の他の実施形態で、径方向外側にオフセットした球面中心を有する面取り部を外径面の一部に形成した内輪を示す要部拡大断面図である。本発明の他の実施形態で、内径面中心を外球面中心に対し軸方向および径方向にオフセットした球面中心を有する凹球面で形成した保持器を示す要部拡大断面図である。本発明の他の実施形態で、内径面の一部を径方向内側にオフセットした球面中心を有する凹球面で形成した保持器を示す要部拡大断面図である。予圧手段を設けた固定型等速自在継手を示す断面図である。ステアリング装置の概略構成を示す斜視図である。

符号の説明

１外方部材（外輪）
１ａトラック溝
１ｂ内径面
２内方部材（内輪）
２ａトラック溝
２ｂ外径面
３ボール
４保持器
１１押圧部
１５受け部
ｍ₁ 面取り部

Claims

複数のトラック溝を形成した内径面を有する外方部材と、複数のトラック溝を形成した外径面を有する内方部材と、外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝と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、外方部材の内径面と内方部材の外径面との間に配置され、ボールを回転自在に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およびその押圧部からの押圧力を受ける受け部のうち、何れか一方を保持器に設けると共に他方を内方部材に設けた予圧付与手段を持つ固定型等速自在継手において、
前記内方部材と保持器間の軸方向すきまを、トラックのラジアルすきまにより生じる軸方向すきまよりも大きくし、かつ、トラックのラジアルすきまの２．５〜６．５倍としたことを特徴とする固定型等速自在継手。
前記内方部材の外径面に、保持器の内径面との干渉逃げとなる面取り部を形成した請求項１に記載の固定型等速自在継手。
前記保持器の内径面を、内方部材の外径面との干渉を抑制する非球面形状とした請求項１又は２に記載の固定型等速自在継手。