JP4569824B2 - 伸縮自在シャフト - Google Patents

Description

本発明は、内軸および外軸を転動体を介して軸方向に相対移動可能に且つトルク伝達可能に連結してなる伸縮自在シャフトに関する。

自動車のステアリング装置において、中間軸は、ステアリングシャフトとステアリングギアとの間に設けられ、ステアリングホイールに加わる回転操作力をステアリングギア側に伝達するものである。
一般に、中間軸には、内軸および筒状の外軸に形成された対応する軌道溝間に、中間軸の軸方向に並ぶ列をなす複数のボールを介在させたボールスプライン構造が採用されている。

また、筒状の外軸の弾性復元力を用いて、転動体に予圧を与える伸縮自在シャフトが提案されている（例えば特許文献１参照）。
また、外軸および内軸をともに中空軸とし、外軸および内軸の弾性復元力を用いて転動体に予圧を与える伸縮自在シャフトが提案されている（例えば特許文献２参照）。
特許文献１では、高トルクが負荷されたときに、内軸の外周面に形成された山形突起が外軸の内周面に形成された半円形の凹部に係合することより、内軸と外軸との相対回転量を規制している。

しかしながら、上記の山形突起と半円形の凹部とを係合させる方式では、各部品の寸法公差のばらつきによって、内軸と外軸の相対回転量が大きくなる場合がある。その場合、長期に使用によって、主に、外軸の弾性が低下し、その結果、転動体に予圧を与えられなくなるおそれがある。予圧が与えられなくなると、内軸と外軸との間に回転方向に遊びを生じ、騒音の原因ともなる。

一方、内軸と外軸との間に介在した転動体を、同じく内軸と外軸との間に介在した板ばね等の弾性体によって付勢し、小トルクが伝達されるときに、弾性体によってがたつきを防止しながら、トルクを伝達する伸縮自在シャフトが提案されている（例えば特許文献３，４参照）。
また、周方向に並ぶ複数の分割体に分割された内軸と外軸との間に、転動体を介在させ、内軸内に配置された環状の板ばねの拡開力を用いて、内軸を拡径方向に弾性的に付勢することより、小トルが伝達されるときに、内軸と外軸とを弾性連結する伸縮自在シャフトが提案されている（例えば特許文献５参照）。

しかしながら、特許文献３，４，５では、長期の使用によって、板ばね等の弾性体の弾性が低下することにより、転動体に予圧が与えられなくなり、その結果、内軸と外軸との間に回転方向に遊びを生じて騒音を発生するおそれがある。
独国特許出願公開第ＤＥ３７３０３９３Ａ１号明細書 独国実用新案第ＤＥ２０３１８６５４Ｕ１号明細書 特開２００３−２９１８２４号公報 特開２００３−２９１８２７号公報 特開２００３−２４７５６０号公報

本発明の目的は、長期に使用しても遊びを生じ難く、耐久性に優れた伸縮自在シャフトを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、互いに嵌め合わされた内軸および筒状の外軸と、内軸および外軸の長手方向に延び互いに対向する軌道溝と、互いに対向する軌道溝間に弾性的に挟持され軌道溝の延びる方向に列をなす転動体とを備え、内軸の外周面に、互いの間に二面幅を形成する相対向する少なくとも一対の平坦部が設けられ、外軸の内周面に、内軸の対応する平坦部とそれぞれ係合して内軸と外軸の相対回転量を規制するための規制部が設けられ、外軸の軌道溝の曲率中心および外軸の中心軸線を含む平面と規制部との間の、外軸の周方向の所定の領域に、当該所定の領域の変形を促進するための変形促進部が形成されていることを特徴とするものである。

本発明では、常用トルクでは、内軸と外軸との間で転動体を介してトルクが伝達される一方、高トルク負荷時には、二面幅を形成する内軸の一対の平坦部が外軸の対応する規制部に当接することにより、内軸と外軸の相対回転量が規制されるので、転動体や軌道溝の破損を未然に防止することができる。二面幅であれば、内軸や外軸の寸法精度が多少ばらついても、内軸と外軸の相対回転量が大きくなることが少ない。また、外軸の軌道溝の曲率中心および外軸の中心軸線を含む平面と規制部との間の、外軸の所定の領域に変形促進部を設けてあるので、外軸を撓み易くして外軸や転動体に負荷される応力を緩和することができ、その結果、長期にわたって転動体への予圧力を維持することができ、耐久性に優れた伸縮自在シャフトを実現することができる。

また、本発明において、上記変形促進部は屈曲部および薄肉部の少なくとも一方を含む場合がある。屈曲部又は薄肉部であれば簡単な構成にて外軸の変形を確実に促進することができる。
また、本発明において、上記転動体は外軸の外径の１０〜４０％の直径を有するボールを含む場合がある。例えば、外軸の外径が３０ｍｍの場合に、ボールの直径が３ｍｍ未満であると、ボールや軌道溝に圧痕が発生するおそれがあり、また、ボールの直径が１２ｍｍを超えると、外軸が大型となり、伸縮自在シャフトが大型化する。伸縮自在シャフトの大型化をさせないために外軸の外径を変えずに、内軸を小型化した場合、内軸が強度不足となり、また内輪軌道の接触径が減少する結果、圧痕が付き易くなる。そこで、ボールの直径を上記の範囲に設定することにより、軌道溝等の圧痕発生を防止しつつ伸縮自在シャフトの小型化を図ることができる。

また、本発明において、上記外軸の肉厚は外軸の外径の５〜１５％である場合がある。外軸の肉厚が外軸の外径の５％未満では、外軸の強度が低下する。また、外軸の肉厚が外軸の外径の１５％を超えると、外軸を大径化するか或いは内軸を小径化する必要があり、前者の場合、伸縮自在シャフトが大型化する。後者の場合、内軸が強度不足となり、また内輪軌道の接触径が減少する結果、圧痕が付き易くなる。そこで、上記外軸の肉厚を上記の範囲に設定することにより、軌道溝等の圧痕発生を防止しつつ伸縮自在シャフトの小型化を図ることができる。

また、本発明において、上記ボールの接触角は５〜４０度である場合がある。ボールの接触角が５度未満では、ボールに関するガタが大きくなる一方、接触角が４０度を超えると、内軸の一対の平坦部が外軸の対応する規制部に当接し難くなる。そこで、ボールの接触角を５〜４０度とすることにより、ガタを少なくしつつ高トルク負荷時の内軸と外軸の相対回転量を所要の大きさに設定することができる。

また、本発明において、上記外軸は角形のチューブにより形成され、角形の相対向する一対の隅角部にボールのための軌道溝がそれぞれ形成されている場合がある。この場合、角形のチューブを素材として軌道溝付きの外軸を容易且つ安価に製造することができ、しかも、角形チューブの各辺が、内軸の二面幅を形成する一対の平坦部にそれぞれ対応する規制部として、そのまま利用でき、この点からも製造コストを安くすることができる。

また、本発明は、上記外軸は、外軸の径方向に相対向する一対の対向部を含み、上記一対の対向部のそれぞれの断面は、外軸の中心軸線を中心とする円弧状をなしており、上記外軸は、外軸の周方向に関して、上記一対の対向部の間に配置される一対の残余部を含み、上記外軸の軌道溝は、一方の残余部の内周面に形成された軌道溝と、他方の残余部の内周面に形成された軌道溝とを含み、上記外軸の規制部は、一方の残余部の内周面に形成された一対の規制部と、他方の残余部の内周面に形成された一対の規制部とを含む場合がある。

本発明では、円弧状をなす対向部として、外軸の周方向の領域を確保できるので、外軸の回転方向のねじれ量を大きく確保することができる。円弧状をなす対向部に対応する、外軸の中心角は、７０度〜１１０度の範囲にあることが好ましい。上記の中心角を７０度以上とすることにより、外軸の充分なねじれ量を確保することができる。また、１１０度以下とすることにより、対向部を除く残余部において、軌道溝および規制部を配置するスペースを確保することができる。
また、本発明において、上記一方の残余部の内周面に形成された上記一対の規制部の一方と上記他方の残余部の内周面に形成された上記一対の規制部の一方とは互いに平行であり、上記一方の残余部の内周面に形成された上記一対の規制部の他方と上記他方の残余部の内周面に形成された上記一対の規制部の他方とは互いに平行であり、上記内軸の断面は実質的に矩形であり、上記内軸の上記少なくとも一対の平坦部は、互いに平行な第１の対の平坦部と、互いに平行な第２の対の平坦部とを含み、上記第１の対の平坦部の一方および上記第２の対の平坦部の一方は、互いの間に内軸の対応する軌道溝を配置する状態で同一平面上に配置され、上記第２の対の平坦部の他方および上記第２の対の平坦部の他方は、互いの間に内軸の対応する軌道溝を配置する状態で同一平面上に配置されている場合がある。
また、上記一対の対向部のそれぞれに対応する、外軸の中心角は、７０〜１１０度の範囲にある場合がある。
また、上記所定の領域に対応する外軸の中心角は、１５〜２５度の範囲にある場合がある。
また、上記内軸の外周面は、上記第１の対の平坦部間に配置された起伏部と、上記第２の対の平坦部間に配置された起伏部とを含み、各起伏部は、軸方向に延びる凹条を含む場合がある。
また、上記内軸としてチューブが用いられ、内軸の外周面は、上記第１の対の平坦部間および上記第２の対の平坦部間にそれぞれ配置され、径方向外方へ突出する膨出部を含む場合がある。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る伸縮自在シャフトが中間軸に適用されたステアリング装置の模式図であり、図２および図３は伸縮自在シャフトの断面図である。
図１を参照して、ステアリング装置１は、一端にステアリングホイール等の操舵部材２が固定されたステアリングシャフト３、このステアリングシャフト３と自在継手４を介して一体回転可能に連結された伸縮自在シャフトとしての中間軸５とを備える。また、ステアリング装置１は、上記中間軸５と自在継手６を介して一体回転可能に連結されたピニオン軸７と、このピニオン軸７に設けられたピニオン７ａに噛み合うラック８ａを有して車両の左右方向に延びるラック軸８とを備える。

ラック軸８の一対の端部には、それぞれタイロッド９が結合されている。各タイロッド９は、対応するナックルアーム１０を介してそれぞれ対応する操向輪１１に連結されている。
ラック軸８は、図示しない軸受を介してハウジング１２により軸方向に移動自在に支持されている。ピニオン軸７、ラック軸８、タイロッド９、ナックルアーム１０および操向輪１１を含んで舵取り機構１００が構成されている。

操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３が回転されると、この回転がピニオン７ａおよびラック８ａによって、車両の左右方向に沿ってのラック軸８の直線運動に変換される。これにより、操向輪１１の転舵が達成される。
伸縮自在シャフトとしての中間軸５は、筒状の外軸１３と、この外軸１３に嵌め合わされた内軸１４とを備える。外軸１３および内軸１４は、複数列の転動体としてのボール１５を介して軸長方向Ｘに相対移動可能に且つトルク伝達可能に接続されている。

図２および図３を参照して、外軸１３の内周面１３１および内軸１４の外周面１４１には、それぞれ軸方向に延びる軌道溝１６，１７が形成されている。外軸１３の軌道溝１６および内軸１４の軌道溝１７は、互いに同数（本実施の形態では一対ずつ）が周方向の等間隔に配置され、互いに対向する。外軸１３と内軸１４の互いに対向する軌道溝１６，１７間に、軌道路１８が区画されている。各軌道路１８には、上記のボール１５が軸方向Ｘ（軌道溝１６，１７の延びる方向）に並ぶ１つの列をなして介在する。各軌道溝１６，１７の断面は、ボール１５の半径よりも僅かに大きい半径の円弧をなす。図２に示すように、ボール１５の接触角Ｂ１は、５〜４０度の範囲に設定されている。

各列のボール１５は、それぞれ共通の保持器１９によって対応する軌道路１８に一括して保持されている。図３に示すように、保持器１９は、例えば合成樹脂製であり、断面円弧状をなして軸方向Ｘに沿って延びる長尺の板部材からなる。保持器１９は長手方向に沿って所定間隔毎に並ぶ、ボール１５のための保持孔２０を形成している。
再び図２を参照して、内軸１３は中空の軸、すなわちチューブにより形成されている。内軸１４の外周面１４１には、互いの間に二面幅を形成する相対向する二対の平坦部２１，２２が形成され、外軸１３の内周面１３１には、内軸１４の対応する平坦部２１，２２とそれぞれ係合して外軸１３と内軸１４との相対回転量を規制するための規制部３１，３２が形成されている。

内軸１４の外周面１４１には、相対向して径方向外方へ突出する断面矩形状の一対の突出部２５，２６が形成されている。一対のボール１５が相対向する方向と一対の突出部２５，２６が相対向する方向とは、互いに直交している。一方の突出部２５は、その外面に、相対向する一対の平坦部２１，２１を含み、他方の突出部２６は、その外面に、相対向する一対の平坦部２２，２２を含んでいる。

また、外軸１３は内軸１４と相似形をなしている。外軸１３は、内軸１４の各突出部２５，２６にそれぞれ対応する位置に、径方向外方へ突出する一対の突出部２７，２８を形成している。これにより、外軸１３は、その突出部２７，２８の内側に、それぞれ対応する内軸の突出部２５，２６を収容する凹部２９，３０を区画している。
凹部２９の内面に、互いに平行な一対の平坦部からなる規制部３１，３１が形成されている。各規制部３１は、それぞれ対応する平坦部２１に対向している。また、凹部３０の内面に、互いに平行な一対の平坦部からなる規制部３２，３２が形成されている。各規制部３２は、それぞれ対応する平坦部２２に対向している。

また、外軸１３は、各突出部２７，２８の基端部と外軸１３の残りの円弧状の部分との間は変形促進部としての屈曲部３３となっている。すなわち、外軸１３の中心軸線Ａ１および外軸１３の各軌道溝１６の曲率中心Ａ２を含む平面Ｃ１と、各軌道溝１６にそれぞれ隣接する規制部３１，３２との間の領域に、外軸１３の変形を促進するための変形促進部としての屈曲部３３が形成されている。屈曲部３３は、外軸１３の突出部２７，２８の基端部に設けられている。

本実施の形態によれば、常用トルクが負荷される場合には、内軸１４と外軸１３との間でボール１５を介してトルクが伝達される。一方、高トルクが負荷される場合には、内軸１４の各対の平坦部２１，２２の何れか一方が、外軸１３のそれぞれ対応する規制部３１，３２に当接することにより、内軸１４と外軸１３の相対回転量が規制される。したがって、ボール１５や軌道溝１６，１７の破損を未然に防止することができる。

互いの間に二面幅を形成する一対の平坦面２１，２２を用いるので、内軸１４や外軸１３の寸法精度が多少ばらついても、内軸１４と外軸１３の相対回転量が大きくなることが少ない。
また、外軸１３の中心軸線Ａ１および外軸１３の各軌道溝１６の曲率中心Ａ２を含む平面Ｃ１と、各軌道溝１６にそれぞれ隣接する規制部３１，３２との間に、変形促進部としての屈曲部３３を設けてあるので、外軸１３を撓み易くすることができる。したがって、外軸１３やボール１５に負荷される応力を緩和することができる。その結果、長期にわたってボール１５への予圧力を維持することができ、耐久性に優れた伸縮自在シャフトとしての中間軸５を実現することができる。

また、変形促進部として屈曲部３３を用いる簡単な構成にて、外軸１３の変形を確実に促進することができる。
また、上記ボール１５の直径は、外軸１３の外径の１０〜４０％の範囲にあることが好ましい。すなわち、ボール１５の直径が外軸１３の外径の１０％未満であると、ボール１５や軌道溝１６，１７に圧痕が発生するおそれがある。また、ボール１５の直径が外軸１３の外径の４０％を超えると、外軸１３が大型となり、伸縮自在シャフトとしての中間軸５が大型化する。大型化をさせないために外軸１３の外径を変えずに、内軸１４を小型化した場合、内軸１４が強度不足となり、また内輪軌道の接触径が減少する結果、圧痕が付き易くなる。

そこで、ボールの直径を外軸１３の外径の１０〜４０％の範囲に設定することにより、軌道溝１６，１７等の圧痕発生を防止しつつ中間軸５の小型化を図ることができる。例えば外軸１３の外径が３０ｍｍである場合、ボール１５の直径は３〜１２ｍｍの範囲に設定されることが好ましい。
また、上記ボール１５の接触角は５〜４０度であることが好ましい。ボールの接触角が５度未満では、ボール１５に関するガタが大きくなる。一方、接触角が４０度を超えると、内軸１４の二対の平坦部２１，２２が、外軸の対応する規制部３１，３２に当接し難くなる。そこで、ボール１５の接触角Ｂ１を５〜４０度とすることにより、ガタを少なくしつつ、高トルク負荷時の内軸１４と外軸１３の相対回転量を所要の大きさに設定することができる。

また、各平坦部２１，２２と対応する規制部３１，３２との間にそれぞれ形成される隙間Ｓ１が相等しいときに、その隙間Ｓ１の量は０．０１〜０．５ｍｍであることが好ましい。隙間Ｓ１が０．０１ｍｍ未満では、常用トルクの伝達時に規制部３１，３２が働くおそれがある。また、隙間Ｓ１が０．５ｍｍを超えると、外軸１３と内軸１４との相対回転量が過大となる。そこで、隙間Ｓ１を０．０１〜０．５ｍｍの範囲に設定することにより、相対回転量を所要の範囲に収めるようにした。

また、外軸１３の肉厚は、外軸１３の外径の５〜１５％の範囲に設定することが好ましい。肉厚が外軸１３の外径の５％未満では強度不足が懸念される。また肉厚が外軸１３の外径の１５％を超えると、外軸１３の撓みを確保し難くなる。そこで、外軸１３の肉厚を外軸１３の外径の５〜１５％の範囲に設定することにより、外軸１３の強度を確保しつつ、外軸１３を撓み易くした。例えば、外軸１３の外径が３０ｍｍである場合、外軸１３の肉厚は１．５〜４．５ｍｍの範囲に設定されることが好ましい。

外軸１３の中心軸線Ａ１および各軌道溝１６の曲率中心Ａ２を含む平面Ｃ１と、各軌道溝１６にそれぞれ隣接する規制部３１，３２との間の領域に対応する、外軸１３の中心角Ｐ１は、３０度〜６０度の範囲にあることが好ましい。上記の中心角Ｐ１は、上記平面Ｃ１と対応する規制部３１，３２との間の位相差に相当する。
上記の中心角Ｐ１が３０度未満では、規制部分に作用する応力に加え、軌道溝１６近傍に作用する応力が大きくなり塑性変形を生じ易くなるという不具合がある。また、中心角Ｐ１が６０度を超えると、規制部分に作用する応力に加え、突出部２７，２８に作用する応力が大きくなり、塑性変形を生じ易くなるという不具合がある。そこで、上記の中心角Ｐ１を３０〜６０度の範囲に設定した。上記の中心角Ｐ１のより好ましい範囲としては４０〜５０度である。

同様に、上記平面Ｃ１と上記の屈曲部３３との間の領域に対応する、外軸の中心角は、３０〜６０度の範囲にあることが好ましい。上記の中心角が３０度未満では、規制部分に作用する応力に加え、軌道溝１６近傍に作用する応力が大きくなり塑性変形を生じ易くなるという不具合がある。また、上記の中心角が６０度を超えると、規制部分に作用する応力に加え、突出部１７，１８に作用する応力が大きくなり、塑性変形を生じ易くなるという不具合がある。そこで、上記の中心角を３０〜６０度の範囲に設定した。上記の中心角のより好ましい範囲としては４０〜５０度である。

なお、本実施の形態では、ボール１５と平坦部２１，２２および規制部３１，３２とが同一断面上に配置されているが、同一断面に配置されていなくても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
次いで、図４は本発明の別の実施の形態を示している。図４を参照して、本実施の形態では、中実の内軸１４Ａの外周面１４１に、互いの間に二面幅を形成する一対の平坦部２１０，２１０が形成されている。筒状の外軸１３Ａの内周面１３１に、各平坦部２１０，２１０にそれぞれ対向する平坦部３１０，３１０が形成されている。各平坦部３１０の長手方向の一方の端部に、規制部３１１が形成され、他方の端部に、規制部３１２が形成されている。

また、外軸１３Ａの中心軸線Ａ１および各軌道溝１６の曲率中心Ａ２を含む平面Ｃ１と隣接する規制部３１１，３１２の間の領域に、互いに逆向きに屈曲する一対の屈曲部３３Ａ，３３Ｂが、外軸１３Ａの周方向に離隔して形成されている。すなわち、一対の屈曲部３３Ａ，３３Ｂによって波形状を呈している。
本実施の形態においても、図２の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、内軸１４Ａや外軸１３Ａの寸法精度が多少ばらついても、内軸１４Ａおよび外軸１３Ａの相対回転量が大きくなることが少ない。

外軸１３Ａの中心軸線Ａ１および各軌道溝１６の曲率中心Ａ２を含む平面Ｃ１と、各軌道溝１６にそれぞれ隣接する規制部３１１，３１２との間の領域に、変形促進部としての波形状を呈する一対の屈曲部３３Ａ，３３Ｂを設けてあるので、外軸１３Ａをより撓み易くでき、外軸１３Ａやボール１５に負荷される応力を緩和することができる。その結果、長期にわたってボール１５への予圧力を維持することができ、耐久性に優れた伸縮自在シャフトとしての中間軸５を実現することができる。また、変形促進部として屈曲部３３Ａ，３３Ｂを用いる簡単な構成にて、外軸１３Ａの変形を確実に促進することができる。

さらに、組み立て時において、図５に示すように、外軸１３Ａの一対の平坦部３１０，３１０を外側から力Ｆを加えて挟持することにより、外軸１３Ａの軌道溝１６を外側（矢符Ｇ参照）へ拡げることができる。これにより、組み立て時にボール１５を軌道溝１６，１７間に組み入れ易くすることができる。
また、外軸１３Ａの中心軸線Ａ１および各軌道溝１６の曲率中心Ａ２を含む平面Ｃ１と、各軌道溝１６にそれぞれ隣接する規制部３１１，３１２との間の領域に対応する、外軸１３Ａの中心角Ｐ２は、３０〜６０度の範囲にあることが好ましい。上記の中心角Ｐ２が３０度未満では、規制部分に作用する応力に加え、軌道溝１６近傍に作用する応力が大きくなり塑性変形を生じ易くなるという不具合がある。また、上記の中心角Ｐ２が６０度を超えると、規制部分に作用する応力に加え、突出部２７，２８に作用する応力が大きくなり、塑性変形を生じ易くなるという不具合がある。そこで、上記の中心角Ｐ２を３０〜６０度の範囲に設定した。上記の中心角Ｐ２のより好ましい範囲としては４０〜５０度である。

また、各平面Ｃ１と当該平面Ｃ１から遠い側の屈曲部３３Ｂとの間の領域に対応する、外軸１３Ａの中心角は、３０〜６０度の範囲にあることが好ましい。上記の中心角が３０度未満では、規制部分に作用する応力に加え、軌道溝１６近傍に作用する応力が大きくなり塑性変形を生じ易くなるという不具合がある。また、上記の中心角が６０度を超えると、規制部分に作用する応力に加え、突出部２７，２８に作用する応力が大きくなり、塑性変形を生じ易くなるという不具合がある。そこで、上記の中心角を３０〜６０度の範囲に設定した。上記の中心角のより好ましい範囲としては４０〜５０度である。

なお、図４の実施の形態において、内軸１４Ａを中空の軸、すなわちチューブを用いて形成してもよい。
次いで、図６は本発明のさらに別の実施の形態を示している。図６を参照して、本実施の形態では、星形をなす筒状の外軸１３Ｂと同じく相似形の星形をなす内軸１４Ｂを用いた。本実施の形態では、外軸１３Ｂの全周に分散して交互に逆向きに屈曲する屈曲部３３Ｃ〜３３Ｆを配置することになるので、外軸１３Ｂをより撓み易くすることができる。本実施の形態において、内軸１４Ｂを中空の軸としてもよい。

また、各平面Ｃ１と規制部３１，３２との間の領域に対応する、外軸１３Ｂの中心角Ｐ２が、３０〜６０度の範囲にあるので、上記規制部３１１，３１２がストッパとしての機能を果たし易い。積極的にこの位置で、外軸１３Ｂと内軸１４Ｂとの相対回転を規制することが好ましい。
次いで、図７は本発明のさらに別の実施の形態を示している。図７を参照して、本実施の形態の特徴とすることろは、外軸１３Ｃを角形のチューブにより形成すると共に、内軸１４Ｃもこれに相似形の中実の角形の軸に形成した。外軸１３Ｃの角形の相対向する一対の隅部１３２，１３２に、ボール１５のための軌道溝１６がそれぞれ形成されている。各隅部１３２，１３２には、当該隅部１３２，１３２のもともとのＲ状部分を利用して径方向外方へ突出する山形の突出部５１，５２が膨出形成され、各突出部５１，５２の基端部に変形促進部としての屈曲部３３Ｇ，３３Ｈが形成されている。

本実施の形態によれば、角形のチューブを素材として軌道溝１６付きの外軸１３Ｃを容易且つ安価に製造することができる。しかも、角形チューブの各辺を、内軸１４Ｃの二面幅を形成する一対の平坦部２１，２２にそれぞれ対応する規制部３１，３２として、そのまま利用でき、この点からも製造コストを安くすることができる。規制部３１，３２は、ボール１５を配していない隅部１３３，１３３の近傍に配置される。

なお、図８に示すように、保持器１９Ａとして、内軸１４Ｃを取り囲む四角筒状の保持器を用いることができる。この場合、保持器１９Ａは規制部３１，３２が配される隅部１３３を含む領域に対応して、開口１９１を形成することになる。この場合、筒状をなす保持器１９Ａを用いて各列のボール１５を一括して組み込むことができ、組み立て性を向上することができる。

次いで、図９は本発明のさらに別の実施の形態を示している。図９を参照して、本実施の形態の特徴とするところは、下記である。すなわち、外軸１３Ｄは、全周にわたって概ね均一な肉厚を有するチューブにより形成されている。外軸１３Ｄの基本形状は断面円形である。また、内軸１４Ｄの基本形状は断面矩形である。
内軸１４Ｄの外周面１４１は、相対向する第１の対の平坦部４１，４２と、相対向する第２の対の平坦部４３，４４と、相対向する第３の対の平坦部４５，４６とを有している。内軸１４Ｄの外周面１４１には、内軸１４Ｄの断面中心を挟んで対向する一対の軌道溝１７が形成されている。平坦部４１および平坦部４３は、同一平面上に配置され、平坦部４１と平坦部４３の間に、一方の軌道溝１７が配置されている。また、平坦部４２および平坦部４４は同一平面上に配置され、平坦部４２と平坦部４４との間に、他方の軌道溝１７が配置されている。

外軸１３Ｄの内周面１３１には、内軸１４Ｄの軌道溝１７とそれぞれ対向する一対の軌道溝１６と、平坦部４１，４２，４３，４４とそれぞれ隙間を隔てて対向する規制部７１，７２，７３，７４とが形成されている。外軸１３Ｄは、径方向外方へ突出する一対の山形の突出部５３，５４を有しており、各突出部５３，５４の内側に形成される凹部によってそれぞれ対応する軌道溝１６が形成されている。

また、外軸１３Ｄは、互いに対向する一対の対向部７５，７６を有している。一対の対向部７５，７６は、内軸１４Ｄの平坦部４５，４６に、それぞれ、対向している。一対の対向部７５，７６の断面は、外軸１３Ｄの中心軸線Ａ１を中心とする円弧状をなしている。外軸１３Ｄの中心軸線Ａ１および外軸１３Ｄの各軌道溝１６の曲率中心Ａ２を含む平面Ｃ１と、各軌道溝１６にそれぞれ隣接する規制部７１，７２，７３，７４との間に、それぞれ、変形促進部としての屈曲部３３０が形成されている。屈曲部３３０は、外軸１３Ｄの外周面の一部を窪ませるようにして、径方向内方に突出する突出部によって形成されている。

外軸１３Ｄは、外軸１３Ｄの周方向に関して、上記一対の対向部７５，７６の間に配置される一対の残余部７７，７８を含んでいる。一方の残余部７７の内周面に、一方の軌道溝１７と、一対の規制部７１，７３とが形成されている。一対の規制部７１，７３の間に一方の軌道溝１６が配置されている。また、他方の残余部７８の内周面に、他方の軌道溝１６と、一対の規制部７２，７４とが形成されている。一対の規制部７２，７４の間に他方の軌道溝１６が配置されている。

軌道溝１６、屈曲部３３０、規制部７１〜７４および対向部７５，７６のそれぞれの間は、外軸１３Ｄの肉厚よりも大きい曲率半径を有する曲線で滑らかに連続するようにされている。また、外軸１３Ｄの突出部５３，５４の頂部は、対向部７５，７６の外周を含む円周Ｃ２上に配置されていることが好ましい。
本実施の形態によれば、外軸１３Ｄにおいて、規制部７１〜７４を軌道溝１６に近接させて配置している。軌道溝１６とその両側に近接した規制部７１〜７４を除く残りの部分は、外軸１３Ｄの中心軸線Ａ１を中心とする円弧状をなす一対の対向部７５，７６とされ、外軸１３Ｄの周方向に関して広い領域とされている。したがって、外軸１３Ｄの回転方向のねじれ量を大きく確保することができる。

具体的には、各対向部７５，７６のそれぞれに対応する、外軸１３Ｄの中心角Ｐ３は、７０度〜１１０度の範囲に設定されている。上記の中心角Ｐ３を７０度以上とすることにより、外軸１３Ｄの充分なねじれ強度を確保することができる。また、上記の中心角Ｐ３を１１０度以下としたのは、残余部７７，７８に、軌道溝１６と規制部７１〜７４を配置するスペースを確保するためである。

なお、外軸１３Ｄにおいて、外軸１３Ｄの中心軸線Ａ１および各軌道溝１６の曲率中心Ａ２を含む平面Ｃ１と、各軌道溝１６にそれぞれ隣接する規制部７１，７２，７３，７４との間の領域に対応する、外軸１３Ｄの中心角Ｐ４は、１５度〜２５度の範囲とされている。
また、上述のように、ねじれ量を大きく確保できる円弧状の対向部７５，７６を、規制部７１〜７４に滑らかに連続させてあるので、軌道溝１６や規制部７１〜７４における応力集中を緩和することができる。その結果、外軸１３Ｄの強度や耐久性が向上する。

また、万一、全てのボール１５が軌道溝１６，１７から脱落した場合にも、平坦部４１〜４４と規制部７１〜７４との係合により、両軸１３Ｄ，１４Ｄ間にトルクを伝達することができ、その結果、ステアリング機能を確保することができる。
また、内軸１４Ｄにおいても、両軸１３Ｄ，１４Ｄの回転規制のための平坦部４１〜４４を、各軌道溝１７に近接させて配置しているので、内軸１４Ｄの減肉が可能となる。その結果、内軸１４Ｄの軽量化を達成することができる。

次いで、図１０は本発明のさらに別の実施の形態を示している。図１０を参照して、本実施の形態が図９の実施の形態と異なるのは、第３の対の平坦部４５，４６に代えて、減肉化を図るための起伏部４７，４８を設けた点にある。図１０において、一点鎖線で示すラインＬ１，Ｌ２が、図９の実施の形態の平坦部４５，４６の位置に相当する。
各起伏部４７，４８には、凸条４９と一対の凹条５０とが、内軸１４Ｅの軸方向に延びるように形成されている。凸条４９の輪郭は、外軸１３Ｄの中心軸線Ａ１を中心とする円周に沿う丸形とされ、これにより、内軸１４Ｅのねじり強度を確保している。凹条５０は滑らかな湾曲状の断面をなししている。

本実施の形態によれば、内軸１４Ｅのねじり強度を確保しつつ軽量化を図ることができる。ひいては、伸縮自在シャフトとしての中間軸５の軽量化を図ることができる。
次いで、図１１は本発明のさらに別の実施の形態を示している。図１１を参照して、本実施の形態が図９の実施の形態と異なるのは、内軸１４Ｆとしてチューブを用い、中空状として、軽量化を図った点にある。また、第３の平坦部４５，４６に代えて、なだらかな山形状に径方向外方へ突出する膨出部５５を形成している。これは、チューブからなる内軸１４Ｆのねじり強度を、図９の実施の形態の中実の内軸１４Ｄの強度と同等にするためである。

本実施の形態によれば、内軸１４Ｆのねじり強度を確保しつつ軽量化を図ることができる。ひいては、伸縮自在シャフトとしての中間軸５の軽量化を図ることができる。
なお、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、上記各実施の形態において、図１２に示すように、保持器を廃止して総ボールとし、列をなすボール１５の前後で例えば圧縮コイルばね等の付勢部材６１を用いてボール１５を両側から付勢するようにしてもよい。その場合、外軸１３および内軸１４に、ボール抜脱防止部としての塑性変形部６２，６３をそれぞれ設けて、ボール１５の脱落防止の機能を果たさせてもよい。

また、上記各実施の形態において、変形促進部として、図１３に示すように、薄肉部６５を用いてもよい。屈曲部を薄肉部で構成してもよい。
また、上記各実施の形態において、外軸および内軸の少なくとも一方の表面硬度をビッカース硬度で４００〜５５０Ｈｖの範囲とすることが好ましい。表面硬度が４００Ｈｖ未満では、ボール１５の表面硬度が一般的に７００Ｈｖ程度であり、硬度差が大きいため、圧痕が入り易い。外軸および内軸の少なくとも一方の表面硬度が５５０Ｈｖを超えると、硬化処理の際の熱変形により、軸に撓みを生じさせてしまうおそれがある。そこで、上記の範囲に設定することが好ましい。但し、外軸および内軸の少なくとも一方に窒化処理を施す場合には、熱変形を抑えながら表面硬度を７００Ｈｖ程度まで硬化させることができるので、好ましい。

また、上記各実施の形態において、外軸および内軸の少なくとも一方をクロム鋼やクロムモリブデン鋼で形成することが許容応力を上げ、安全率を高く設定できるという点で好ましい。
また、上記各実施の形態において、外軸および内軸の少なくとも一方が調質材（焼入れ、焼き戻が施された材料）により形成されていれば許容応力を上げ、安全率を高く設定できるという点で好ましい。

図１は、本発明の一実施の形態の伸縮自在シャフトが中間軸に適用されたステアリング装置の模式図である。 図２は、伸縮自在シャフトとしての中間軸の断面図である。 図３は、伸縮自在シャフトとしての中間軸の断面図である。 図４は、本発明の別の実施の形態の伸縮自在シャフトの断面図である。 図５は、伸縮自在シャフトにボールを組み込むときの説明図である。 図６は、本発明のさらに別の実施の形態の伸縮自在シャフトの断面図である。 図７は、本発明のさらに別の実施の形態の伸縮自在シャフトの断面図である。 図８は、本発明のさらに別の実施の形態の伸縮自在シャフトの断面図である。 図９は、本発明のさらに別の実施の形態の伸縮自在シャフトの断面図である。 図１０は、本発明のさらに別の実施の形態の伸縮自在シャフトの要部の概略断面図である。 図１１は、本発明のさらに別の実施の形態の伸縮自在シャフトの断面図である。 図１２は、本発明のさらに別の実施の形態の伸縮自在シャフトの断面図である。 図１３は、本発明のさらに別の実施の形態の伸縮自在シャフトの断面図である。

符号の説明

１… ステアリング装置、２…操舵部材、３…ステアリングシャフト、５…中間軸（伸縮自在シャフト）、７…ピニオン軸、８…ラック軸、１３，１３Ａ〜１３Ｄ…外軸、１４，１４Ａ〜１４Ｆ…内軸、１５…ボール（転動体）、１６，１７…軌道溝、１８…軌道路、１９，１９Ａ…保持器、２０…保持孔、２１，２２，４１〜４６…平坦部、３１，３２，７１〜７４…規制部、３３，３３Ａ〜３３Ｈ，３３０…屈曲部（変形促進部）、６５…薄肉部、７５，７６…対向部、７７，７８…残余部、１３２…隅角部、Ａ１…（外軸の）中心軸線、Ａ２…（外軸の軌道溝の）曲率中心、Ｂ１…接触角、Ｃ１…平面、Ｘ…軸方向（軌道溝の延びる方向）

Claims (12)

1. 互いに嵌め合わされた内軸および筒状の外軸と、
   内軸および外軸の長手方向に延び互いに対向する軌道溝と、
   互いに対向する軌道溝間に弾性的に挟持され軌道溝の延びる方向に列をなす転動体とを備え、
   内軸の外周面に、互いの間に二面幅を形成する相対向する少なくとも一対の平坦部が設けられ、
   外軸の内周面に、内軸の対応する平坦部とそれぞれ係合して内軸と外軸の相対回転量を規制するための規制部が設けられ、
   外軸の軌道溝の曲率中心および外軸の中心軸線を含む平面と規制部との間の、外軸の周方向の所定の領域に、当該所定の領域の変形を促進するための変形促進部が形成されていることを特徴とする伸縮自在シャフト。
2. 請求項１において、上記変形促進部は屈曲部および薄肉部の少なくとも一方を含む伸縮自在シャフト。
3. 請求項１又は２において、上記転動体は外軸の外径の１０〜４０％の直径を有するボールを含む伸縮自在シャフト。
4. 請求項３において、上記外軸の肉厚は外軸の外径の５〜１５％である伸縮自在シャフト。
5. 請求項３又は４において、上記ボールの接触角は５〜４０度である伸縮自在シャフト。
6. 請求項３，４又は５の何れか１項において、上記外軸は角形のチューブにより形成され、角形の相対向する一対の隅角部にボールのための軌道溝がそれぞれ形成されている伸縮自在シャフト。
7. 請求項１から５の何れか１項において、上記外軸は、外軸の径方向に相対向する一対の対向部を含み、
   上記一対の対向部のそれぞれの断面は、外軸の中心軸線を中心とする円弧状をなしており、
   上記外軸は、外軸の周方向に関して、上記一対の対向部の間に配置される一対の残余部を含み、
   上記外軸の軌道溝は、一方の残余部の内周面に形成された軌道溝と、他方の残余部の内周面に形成された軌道溝とを含み、
   上記外軸の規制部は、一方の残余部の内周面に形成された一対の規制部と、他方の残余部の内周面に形成された一対の規制部とを含む伸縮自在シャフト。
8. 請求項７において、上記一方の残余部の内周面に形成された上記一対の規制部の一方と上記他方の残余部の内周面に形成された上記一対の規制部の一方とは互いに平行であり、 上記一方の残余部の内周面に形成された上記一対の規制部の他方と上記他方の残余部の内周面に形成された上記一対の規制部の他方とは互いに平行であり、
   上記内軸の断面は実質的に矩形であり、
   上記内軸の上記少なくとも一対の平坦部は、互いに平行な第１の対の平坦部と、互いに平行な第２の対の平坦部とを含み、
   上記第１の対の平坦部の一方および上記第２の対の平坦部の一方は、互いの間に内軸の対応する軌道溝を配置する状態で同一平面上に配置され、
   上記第２の対の平坦部の他方および上記第２の対の平坦部の他方は、互いの間に内軸の対応する軌道溝を配置する状態で同一平面上に配置されていることを特徴とする伸縮自在シャフト。
9. 請求項８において、上記一対の対向部のそれぞれに対応する、外軸の中心角は、７０〜１１０度の範囲にある伸縮自在シャフト。
10. 請求項９において、上記所定の領域に対応する外軸の中心角は、１５〜２５度の範囲にある伸縮自在シャフト。
11. 請求項８において、上記内軸の外周面は、上記第１の対の平坦部間に配置された起伏部と、上記第２の対の平坦部間に配置された起伏部とを含み、各起伏部は、軸方向に延びる凹条を含む伸縮自在シャフト。
12. 請求項８において、上記内軸としてチューブが用いられ、
    内軸の外周面は、上記第１の対の平坦部間および上記第２の対の平坦部間にそれぞれ配置され、径方向外方へ突出する膨出部を含む伸縮自在シャフト。

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