JP4702627B2 - 自在継手用ヨークおよび自在継手 - Google Patents

Description

本発明は自在継手用ヨークおよび自在継手に関する。

例えば自動車のステアリング装置において、ステアリングシャフトとラックアンドピニオン機構等のステアリングギヤとを連結するためのインターミディエイトシャフトは、車両が前方物体と衝突したときに（一次衝突のときに）、ステアリングギヤの後退に追従して収縮する機能を有している。これにより、ステアリングホイール等の操舵部材側へ一次衝突の衝撃が伝達されることを防止している。

一次衝突のときに、インターミディエイトシャフトが収縮すると、インターミディエイトシャフトをステアリングギヤやステアリングシャフトと連結している自在継手としては、走行中よりも大きな折れ角（例えば６０度程度の折れ角）となる。
一次衝突のときの操舵部材の操作角は不特定であるので、自在継手としては、全ての回転角で、上記の折れ角が確保されている必要がある。

一方、自在継手のヨークとして、板金を打ち抜き、プレス成形してなるヨークが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−１６３８６６号公報

他方、操舵補助用の電動モータをステアリングコラムに配する電動パワーステアリング装置では、インターミディエイトシャフトの負荷が高くされており、このため、自在継手用ヨークとして、高剛性が要求されている。
自在継手用ヨークとして、プレス成形してなるヨークを用いる場合において、折れ角を大きくするために、ヨークの肉厚を薄くすると、剛性が低くなるおそれがある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、剛性が高くしかも大きな折れ角を確保することができる自在継手用ヨークおよび自在継手を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、板金を打ち抜き、プレス成形してなる自在継手用ヨーク（４）において、シャフト固定用の筒状の基部（９）と、その基部（９）の一端（９ａ）から基部の中心軸線（１０）と平行に延びるように設けられ、相手側ヨーク（５）と十字軸（６）を介して揺動可能に連結される一対のアーム（１１）とを備え、各アームには、十字軸の対応するトラニオン（７）を軸受（８）を介して支持するための支持孔（１２）が形成され、各支持孔は、基部の中心軸線とは直交する方向に延びる中心軸線（１３）を有し、上記基部の上記一端に、凹湾曲面を含む逃げ部（１４）が形成され、その逃げ部の凹湾曲面の曲率中心（Ａ１）は、継手中心（Ｃ１）からアーム先端側へオフセットされた位置に配置されており、各アームは逆Ｕ字状をなす縁部（１７）を含み、各アームの縁部は、基部の中心軸線と略平行に延びる一対の側縁部（１７ａ）を含み、各アームの各側縁部に逃げ部（１８）が設けられ、その逃げ部において、基部の中心軸線および支持孔の中心軸線と直交する方向（Ｋ１）に対して平行な方向に関するアームの幅（Ｗ１）が、基部の中心軸線に近づくほど小さくされており、各側縁部の逃げ部は、平行四辺形形状をなす平坦面を含み、その平坦面と対応するアームの対応する側縁部とは、基部の中心軸線と平行に延びる第１および第２の交線（１９，２０）で交差しており、第１の交線は基部の中心軸線に相対的に近く、第２の交線は基部の中心軸線から相対的に遠く、基部の中心軸線と平行な方向に関して、第１の交線は継手中心から相対的に遠く、第２の交線は継手中心に相対的に近くされていることを特徴とするものである（請求項１）。

相手側ヨークの先端部と基部の一端との干渉を避けるために、基部の一端に、継手中心と同心の凹球面状の逃げ部を設け、その凹球面の半径を、相手側ヨークの揺動半径よりも大きくすることが考えられる。しかしながら、その場合、逃げ部が基部に対して鋭角となり、基部の一端が薄くなるため剛性が低いという欠点がある。これに対して、本発明では、基部の一端に形成された凹湾曲面からなる逃げ部の曲率中心が、継手中心からアーム先端側へオフセットされた位置に配置された非同心のレイアウトを採用しているので、上記欠点を解消でき、折れ角を大きくしつつ剛性を高くできるという利点を得ることができる。

なお、逃げ部の凹湾曲面の曲率中心は、基部の中心軸線上に配置されていなくてもよい。その場合、逃げ部の凹湾曲面の法線が基部の中心軸線に最も近づく位置が、継手中心からアーム先端側へオフセットされていればよい。
また、各アームは逆Ｕ字状をなす縁部（１７）を含み、各アームの縁部は、基部の中心軸線と略平行に延びる一対の側縁部（１７ａ）を含み、各アームの各側縁部に逃げ部（１８）が設けられ、その逃げ部において、基部の中心軸線および支持孔の中心軸線と直交する方向（Ｋ１）に対して平行な方向に関するアームの幅（Ｗ１）が、基部の中心軸線に近づくほど小さくされているので、下記の利点がある。すなわち、本ヨークのアームの側縁部と相手側ヨークの対応するアームの側縁部との干渉を防止することができ、大きな折れ角（例えば６０度）を達成することができる。

また、各側縁部の逃げ部は、平行四辺形形状をなす平坦面を含み、その平坦面と対応するアームの対応する側縁部とは、基部の中心軸線と平行に延びる第１および第２の交線（１９，２０）で交差しており、第１の交線は基部の中心軸線に相対的に近く、第２の交線は基部の中心軸線から相対的に遠く、基部の中心軸線と平行な方向に関して、第１の交線は継手中心から相対的に遠く、第２の交線は継手中心に相対的に近くされているので、下記の利点がある。すなわち、相手側ヨークとの干渉を避けるために、アームの必要部分のみに逃げを設けることになり、アームの強度を確保しつつ大きな折れ角（例えば６０度）を達成することができる。

また、本発明において、各アームの外側面（１５）と逆Ｕ字状の縁部との稜線（２１）の全体に、逃げのための面取り部（２２）が形成されている場合がある（請求項２）。この場合、アームへの応力集中を緩和することができる。

また、本発明において、上記継手中心から基部の一端までの距離（Ｌ１）が、上記基部の最大回転半径（Ｒ２）を超えないようにしてある場合がある（請求項３）。この場合、アームの長さを短くすることにより、アームの剛性を確保することができる。
上記アームの最大肉厚（Ｔ１）が上記基部の最大回転直径（Ｄ１）の１５％以上である場合がある（請求項４）。この場合、アームに所要の強度を確保でき、操縦安定性を確保することができる。

また、本発明は、第１および第２のシャフト（２，３）にそれぞれ固着される同じ構成の第１および第２のヨーク（４，５）が、４つのトラニオンを含む十字軸を介して連結され、各ヨークとして上記の自在継手用ヨークが用いられる自在継手において、第２のヨークが、折れ角なしの状態から軸線Ｐの回りに４５度回転変位され且つ軸線Ｑの回りに４５度回転変位された状態で、折れ角が６０度のときに、第１のヨークのアームの逃げ部としての平坦面と、第２のヨークの対応するアームの逃げ部としての平坦面とが、所定の間隔を隔てて平行になるようにしてある場合がある（請求項５）。

ここで、上記軸線Ｐは、第１のヨークに連結された一対のトラニオンの軸線であり、上記軸線Ｑは、上記軸線Ｐおよび第１のヨークの回転軸線の双方に直交する軸線である。
本願発明者は、仮にアームに逃げ部を設けないとすると、折れ角６０°である場合において、各ヨークの揺動角度が４５°になるときに、両ヨークの干渉量が最大になるという知見を得た。そこで、本発明では、各ヨークの揺動角度が４５°になるときに、両ヨークの対応するアームの逃げ部としての平坦部が、互いの間に所定の間隔を設けて平行になるようにした。これにより、アームとして、必要最小限の肉厚減少量で、対応するアーム間の干渉を防止することができる。その結果、強度を確保しつつ、大きな折れ角を確保することができる。

なお、上記において、括弧内の英数字は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

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は本発明の一実施の形態に係る自在継手用ヨークが用いられた自在継手の概略側面図である。図１を参照して、自在継手１は、第１のシャフト２と第２のシャフト３とを連結する。第１のシャフト２は、例えば自動車のステアリングシャフトからなり、第２のシャフト３は、例えば、ステアリングシャフトとラックアンドピニオン機構等の舵取り機構とを連結するためのインターミディエイトシャフトからなる。

自在継手１は、第１のシャフト２が結合された自在継手用ヨークとしての第１のヨーク４と、第２のシャフト３が結合された他のヨーク（相手側ヨーク）としての第２のヨーク５と、第１のヨーク４および第２のヨーク５を互いに連結する十字軸６とを備える。
第１および第２のヨーク４，５は同じ構成をしており、それぞれ対応する一対のトラニオン７を針状ころ軸受等の軸受８を介して支持する。

以下では、第１のヨーク４に則して説明する。図２は第１のヨーク４の斜視図である。図３は第１のヨーク４の一部破断正面図であり、図４は第１のヨーク４の縦断面図である。
図１および図３を参照して、第１のヨーク４は、例えば、厚み６〜９ｍｍの板金を素材として打ち抜き、プレス成形してなる。第１のヨーク４は、シャフト固定用の筒状の基部９と、その基部９の一端９ａから基部９の中心軸線１０と平行に延びるように設けられ、互いに対向する一対のアーム１１とを備える。

各アーム１１には、十字軸６の対応するトラニオン７を軸受８を介して支持するための支持孔１２が形成されている。各支持孔１２は、基部９の中心軸線１０とは直交する方向に延びる中心軸線１３を有している。
図２および図４を参照して、筒状の基部９の一端９ａに、凹湾曲面を含む第１の逃げ部１４が形成されている。具体的には、第１の逃げ部１４は、凹球面状をなしている。例えば、第１の逃げ部１４の一部または全部が、継手中心Ｃ１とは非同心の球面（曲率半径Ｒ１）により構成されている。

第１の逃げ部１４のなす凹球面の曲率中心Ａ１は、基部９の中心軸線１０上において、継手中心Ｃ１とアーム１１の先端部との間の位置に配置されている。すなわち、第１の逃げ部１４を構成する凹球面（凹湾曲面）の曲率中心Ａ１は、継手中心Ｃ１からアーム１１の先端側へオフセットされた位置に配置されている。
各アーム１１は、外側面１５と、内側面１６と、逆Ｕ字状をなす縁部１７とを含む。各アーム１１の縁部１７は、基部９の中心軸線１０と略平行に延びる一対の側縁部１７ａを含んでいる。内側面１６には、基部９の中心軸線１０と平行に延びる樋状の凹溝１６ａが形成されている。各側縁部１７ａには、平行四辺形状をなす平坦面を含む第２の逃げ部１８が設けられている。

第２の逃げ部１８の平坦面と対応するアーム１１の対応する側縁部１７ａとは、基部９の中心軸線１０と平行に延びる第１および第２の交線１９，２０で交差している。これらの交線１９，２０が平行四辺形の対向する２辺を構成している。第１の交線１９は、基部９の中心軸線１０に相対的に近く、第２の交線２０は基部９の中心軸線１０から相対的に遠い。また、基部９の中心軸線１０と平行な方向に関して、第１の交線１９は、継手中心Ｃ１から相対的に遠く、第２の交線２０は、継手中心Ｃ１に相対的に近くされている。これにより、相手側のヨーク５との干渉を避けるために、アーム１１の必要部分のみに逃げを設けることになり、アーム１１の強度を確保しつつ大きな折れ角（例えば６０度）を達成することができる。

各アーム１１の逆Ｕ字状の縁部１７と外側面１５との稜線２１の全体に、図５に示すように、逃げのための面取り部２２が形成されており、アーム１１への応力集中を緩和するようにしてある。

また、継手中心Ｃ１から基部９の一端９ａまでの距離Ｌ１が、上記基部９の最大回転半径Ｒ２を超えないようにされている（すなわち、Ｌ１≦Ｒ２である。）。このようにアーム１１の長さを短くすることにより、アーム１１の剛性を確保するようにしてある。
また、アーム１１の最大肉厚Ｔ１（図６参照）が、基部９の最大回転直径Ｄ１（Ｄ１＝２×Ｒ２）の１５％以上とされている（すなわち、Ｔ１≧０．１５×Ｄ１である。）。これにより、アーム１１に所要の強度を確保でき、操縦安定性を確保することができる。

図４のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図を示す図６に示すように、第２の逃げ部１８において、基部９の中心軸線１０および支持孔１２の中心軸線１３と直交する方向Ｋ１に対して平行な方向に関する、アーム１１の幅Ｗ１が、基部９の中心軸線１０に近づくほど小さくされている。これにより、両ヨーク４，５の対応する側縁部１７ａの干渉を効果的に防止することができ、大きな折れ角（例えば６０度）を達成することができるようになっている。 次いで、図７および図８を参照して、第１のヨーク４を打ち抜き、プレス成形する手順の一例について、説明する。まず、図７（ａ）に示すように、長尺の板金３１に加工された下孔３２をバーリング加工により拡張させつつ、下孔３２の周辺を一方向に押し出し、筒状部３３を形成する。バーリング加工に代えて、絞りを用いてもよい。

次いで、図７（ｂ）に示すように、打ち抜き加工（トリミング加工）により、所定の外形を有する中間材３４を形成する。中間材３４は、筒状部３３の周囲に形成される基部形成用の第１の部分３５と、この第１の部分３５を挟んで互いに反対方向に延びるアーム形成用の一対の第２の部分３６とを備えている。
次いで、図７（ｃ）に示すように、面押し加工（コイニング加工）により、各第２の部分３６に、凹溝１６ａ、第１の逃げ部１４、第２の逃げ部１８および面取り部２２にそれぞれなる部分１６ａ’、１４’、１８’および２２’を形成する。

次いで、図７（ｄ）に示すように、絞りにより、筒状部３３を基部９に近似する形状部９’に加工するとともに、曲げ加工により、一対の第２の部分３６を折り曲げ、一対のアーム１１に近似する形状部１１’に形成する。
次いで、整形、面押し加工により、図８に示すように基部９および一対のアーム１１に整形する。

次いで、基部９の内周にセレーション加工を施すとともに、各アーム１１に支持孔１２を加工し、図２に示したような第１のヨーク４を得る。
図９は、自在継手１が最大の折れ角である６０度を達成する状態を模式的に示している。図９においては、十字軸の図示を省略してある。
軸線Ｐは、第１のヨーク４に連結された一対のトラニオン７の軸線（第１のヨーク４の支持孔１２の中心軸線１３に相当）である。軸線Ｑは、上記の軸線Ｐおよび第１のヨーク４の回転軸線４ａの双方に直交する軸線である。

上記第２のヨーク５が、折れ角なしの状態から軸線Ｐの回りに第１の回転方向Ｐ１へ回転角度α（α＝４５度）で回転変位され且つ軸線Ｑの回りに第２の方向Ｑ１へ回転角度β（β＝４５度）で回転変位された状態で、両ヨーク４，５の対応するアーム１１の干渉にとって最も条件が厳しくなる。第１の回転方向Ｐ１と第２の回転方向Ｑ１とは互いに逆向きである。

本実施の形態では、その最も条件が厳しくなる状態で、模式図である図１０に示すように、第１のヨーク４のアーム１１の第２の逃げ部１８としての平坦面と、第２のヨーク５の対応するアーム１１の第２の逃げ部１８としての平坦面とが、所定の間隔を隔てて平行になるようにしてある。これにより、アーム１１として、必要最小限の肉厚減少量で、両ヨーク４，５の対応するアーム１１間の干渉を防止することができる。その結果、自在継手１の強度を確保しつつ、大きな折れ角を確保することができる。

本実施の形態によれば、図４に示すように、基部９の一端９ａに形成された凹湾曲面からなる第１の逃げ部１４の曲率中心Ａ１が、継手中心Ｃ１からアーム１１の先端側へオフセットされた位置に配置されているので、折れ角を大きくしつつ剛性を高くできるという利点を得ることができる。
なお、第１の逃げ部１４の曲率中心Ａ１は、必ずしも、基部９の中心軸線１０上に配置されていなくてもよい。第１の逃げ部１４の曲率中心Ａ１が、基部９の中心軸線１０上に配置されていない場合、第１の逃げ部１４の法線が基部９の中心軸線１０に最も近づく位置が、継手中心Ｃ１からアーム１１の先端側へオフセットされていればよい。

また、各アーム１１の各側縁部１７ａに設けられた第２の逃げ部１８において、図６に示すように、基部９の中心軸線１０および支持孔１２の中心軸線１３と直交する方向Ｋ１に対して平行な方向に関する、アーム１１の幅Ｗ１が、基部９の中心軸線１０に近づくほど小さくされているので、両ヨーク４，５の対応する側縁部１７ａの干渉を効果的に防止することができ、大きな折れ角（例えば６０度）を達成することができる。

また、各側縁部１７ａの第２の逃げ部１８は、平行四辺形形状をなす平坦面を含み、その平坦面と対応するアーム１１の対応する側縁部１７ａとは、基部９の中心軸線１０と平行に延びる第１の交線１９および第２の交線２０で交差している。第１の交線１９は基部９の中心軸線１０に相対的に近く、第２の交線２０は基部９の中心軸線１０から相対的に遠く、また、基部９の中心軸線１０と平行な方向に関して、第１の交線１９は継手中心Ｃ１から相対的に遠く、第２の交線２０は継手中心Ｃ１に相対的に近くされている。これにより、相手側ヨーク５との干渉を避けるために、アーム１１の必要部分のみに逃げを設けることになり、アーム１１の強度を確保しつつ大きな折れ角（例えば６０度）を達成することができる。

また、本発明において、各アーム１１の外側面１５と逆Ｕ字状の縁部１７との稜線２１の全体に、逃げのための面取り部２２が形成されているので、アーム１１への応力集中を効果的に緩和することができる。
しかも、上記の面取り部２２が基部９の一端９ａの第１の逃げ部１４に連続するようにしてあるので、アーム１１の付け根に発生する応力集中を緩和して、強度、耐久性を向上することができる。

また、継手中心Ｃ１から基部９の一端９ａまでの距離Ｌ１が、基部９の最大回転半径Ｒ２を超えないように、アーム１１の長さを短くしてあるので、アーム１１の剛性を確保することができる。
また、アーム１１の最大肉厚Ｔ１が基部９の最大回転直径Ｄ１の１５％以上であるので、アーム１１に所要の強度を確保でき、操縦安定性を確保することができる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、例えば本発明の特許請求の範囲で種々の変更を施すことができる。

本発明の一実施の形態のヨークを含む自在継手がシャフトに結合された状態を示す自在継手の正面図である。 ヨークの概略斜視図である。 ヨークの一部破断正面図である。 ヨークの縦断面図である。 ヨークのアームの要部の断面図である。 図４のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は板金からヨークを製造する工程を順次に示す概略斜視図である。 ヨークの製造用中間体の概略斜視図である。 最大の折れ角のときの自在継手の概略斜視図である。 最大の折れ角のときのヨークの対応するアームの要部の概略図である。

符号の説明

１…自在継手、２…第１のシャフト、３…第２のシャフト、４…第１のヨーク、５…第２のヨーク（相手側ヨーク）、６…十字軸、７…トラニオン、９…基部、９ａ…一端、１０…（基部の）中心軸線、１１…アーム、１２…支持孔、１３…（支持孔の）中心軸線、１４…第１の逃げ部（凹湾曲面を含む逃げ部）、１５…（アームの）外側面、１７…（アームの逆Ｕ字状の）縁部、１７ａ…側縁部、１８…第２の逃げ部（アームの側縁部の逃げ部）、１９…第１の交線、２０…第２の交線、２１…稜線、２２…面取り部、Ｃ１…継手中心、Ａ１…（逃げ部の凹湾曲面の曲率中心）、Ｗ１…アームの幅、Ｌ１…継手中心から基部の一端までの距離、Ｒ２…基部の最大回転半径、Ｄ１…基部の最大回転直径、Ｔ１…アームの最大肉厚、Ｐ…第１のヨークに連結された一対のトラニオンの軸線、Ｑ…軸線Ｐおよび第１のヨークの回転軸線の双方に直交する軸線

Claims (5)

1. 板金を打ち抜き、プレス成形してなる自在継手用ヨークにおいて、
   シャフト固定用の筒状の基部と、
   その基部の一端から基部の中心軸線と平行に延びるように設けられ、相手側ヨークと十字軸を介して揺動可能に連結される一対のアームとを備え、
   各アームには、十字軸の対応するトラニオンを軸受を介して支持するための支持孔が形成され、各支持孔は、基部の中心軸線とは直交する方向に延びる中心軸線を有し、
   上記基部の上記一端に、凹湾曲面を含む逃げ部が形成され、
   その逃げ部の凹湾曲面の曲率中心は、継手中心からアーム先端側へオフセットされた位置に配置されており、
   各アームは逆Ｕ字状をなす縁部を含み、
   各アームの縁部は、基部の中心軸線と略平行に延びる一対の側縁部を含み、
   各アームの各側縁部に逃げ部が設けられ、
   その逃げ部において、基部の中心軸線および支持孔の中心軸線と直交する方向に対して平行な方向に関するアームの幅が、基部の中心軸線に近づくほど小さくされており、
   各側縁部の逃げ部は、平行四辺形形状をなす平坦面を含み、
   その平坦面と対応するアームの対応する側縁部とは、基部の中心軸線と平行に延びる第１および第２の交線で交差しており、
   第１の交線は基部の中心軸線に相対的に近く、第２の交線は基部の中心軸線から相対的に遠く、
   基部の中心軸線と平行な方向に関して、第１の交線は継手中心から相対的に遠く、第２の交線は継手中心に相対的に近くされていることを特徴とする自在継手用ヨーク。
2. 請求項１において、各アームの外側面と逆Ｕ字状の縁部との稜線の全体に、逃げのための面取り部が形成されていることを特徴とする自在継手用ヨーク。
3. 請求項１または２において、上記継手中心から基部の一端までの距離が、上記基部の最大回転半径を超えないようにしてあることを特徴とする自在継手用ヨーク。
4. 請求項１ないし３の何れか１項において、上記アームの最大肉厚が上記基部の最大回転直径の１５％以上であることを特徴とする自在継手用ヨーク。
5. 第１および第２のシャフトにそれぞれ固着される同じ構成の第１および第２のヨークが、４つのトラニオンを含む十字軸を介して連結され、各ヨークとして請求項１ないし４の何れか１項に記載の自在継手用ヨークが用いられる自在継手において、
   上記第２のヨークが、折れ角なしの状態から軸線Ｐの回りに４５度回転変位され且つ軸線Ｑの回りに４５度回転変位された状態で、折れ角６０度のときに、第１のヨークのアームの逃げ部としての平坦面と、第２のヨークの対応するアームの逃げ部としての平坦面とが、所定の間隔を隔てて平行になるようにしてあることを特徴とする自在継手。
   ここで、上記軸線Ｐは、第１のヨークに連結された一対のトラニオンの軸線であり、上記軸線Ｑは、上記軸線Ｐおよび第１のヨークの回転軸線の双方に直交する軸線である。

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