JP5003160B2 - 車両のステアリングシャフト用伸縮軸 - Google Patents

車両のステアリングシャフト用伸縮軸 Download PDF

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Description

本発明は、車両のステアリングシャフトに組み込まれる伸縮軸に関する。
従来、自動車の操縦機構部では、自動車が走行する際に発生する軸方向の変位を吸収し、ステアリングホイール上にその変位や振動を伝えないために雄軸と雌軸とをスプライン嵌合した伸縮軸を操舵機構部の一部に使用している。伸縮軸にはスプライン部の軸方向摺動時における摺動抵抗を低減することが要求される。
このようなことから、伸縮軸の雄軸のスプライン部に対して、ナイロン膜をコーティングし、更に摺動部にグリースを塗布して摺動抵抗の低減を行ってきている。また、内側シャフトの外周部と外側シャフトの内周部とに設けられた溝部に、内側シャフトの溝部とボールとの間に弾性体を介してボールを配置し、軸方向の移動の際にはボールを転動させることによって雄軸と雌軸の摺動荷重を減少させるとともに、回転の際にはボールを拘束してトルクを伝達する車両ステアリング用伸縮軸が知られている（特許文献１参照）。この車両ステアリング用伸縮軸ではさらに、ボールの破損時でもトルクの伝達を可能とするために、ある遊びを持った組合せ断面を有する雄溝及び雌溝が、内側シャフト及び外側シャフトに設けられている。
特開２００１−５０２９３号公報
しかしながら、このようなスプライン嵌合した伸縮軸でも軸方向へ伸縮する際に摺動部分で引っ掛かりやトルク変動等を起こし、ステアリングホイールに振動として伝達され、操舵感に悪影響を及ぼすことがある。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、操舵感に悪影響を及ぼさず、トルク伝達できる伸縮軸を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、雄軸と雌軸とを回転不能に且つ摺動自在に嵌合し、前記雄軸の外周部と前記雌軸の内周部とが互いに接触して回転の際にトルクを伝達する車両のステアリングシャフトに組み込まれる伸縮軸において、前記雄軸の外周部と前記雌軸の内周部との間隙に、２５℃における動粘度が４０ｍｍ２／ｓ以上８０ｍｍ２／ｓ以下であるエステル油を基油とし、増ちょう剤として脂環族ウレア化合物をグリース全量の１５〜２１質量％、極圧添加剤としてモリブデンジチオフォスフェートをグリース全量の１質量％以上含有するグリースを封入してなり、１００〜５０℃の温度サイクルをかけながら、ジョイント角度を３０°で固定して左右交互にトルクを入力し、繰り返し１０万サイクルスライドさせたときに、伸縮軸外径部の加速度において０．５Ｇ以上が連続して発生しないことを特徴とする車両のステアリングシャフト用伸縮軸（以下「伸縮軸」ともいう）を提供する。
本発明の伸縮軸は、封入グリースが特定の基油、増ちょう剤及び極圧添加剤を含むことから、伸縮軸のスライド時の静摩擦と動摩擦との差を小さくすることが可能となり、引っ掛かりやトルク変動等の発生を抑制し、振動による操舵感の悪化を防ぐことができる。
本発明の伸縮軸を適用した自動車の操舵機構部の側面図である。 ロアステアリングシャフト部及びアッパステアリングシャフト部における、伸縮軸の一例を示す縦断面図である。 図２に示す伸縮軸の雌軸端部に沿った横断面図である。 伸縮軸の他の例を示す縦断面図である。 図４のＡＡ断面図である。 伸縮軸の更に他の例を示す縦断面図である。 図７のＸＸ断面図である。 実施例で得られた増ちょう剤量と手回し感触との関係を示すグラフである。 実施例で得られたＭｏＤＴＰ添加量と手回し感触との関係を示すグラフである。 実施例で得られた基油動粘度と手回し感触との関係を示すグラフである。
符号の説明
５，４１，６１ 雄軸
６，４２，６２ 雌軸
２０ スプライン摺動部
４６ 拡径部材
４７ 調整ネジ
６３，６５ 軸方向溝
６７ 球状体
６９ 板バネ
１０４ ステアリングシャフト
１０７ ロアステアリングシャフト部
１２０ アッパステアリングシャフト部
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る伸縮軸を適用した自動車の操舵機構部の側面図である。図１において、車体側のメンバ１００にアッパブラケット１０１とロアブラケット１０２とを介して取り付けられたアッパステアリングシャフト部１２０（ステアリングコラム１０３と、ステアリングコラム１０３に回転自在に保持されたステアリングシャフト１０４を含む）と、ステアリングシャフト１０４の上端に装着されたステアリングホイール１０５と、ステアリングシャフト１０４の下端にユニバーサルジョイント１０６を介して連結されたロアステアリングシャフト部１０７と、ロアステアリングシャフト部１０７に操舵軸継手１０８を介して連結されたピニオンシャフト１０９と、ピニオンシャフト１０９に連結したステアリングラック軸１１２と、このステアリングラック軸１１２を支持して車体の別のフレーム１１０に弾性体１１１を介して固定されたステアリングラック支持部材１１３とから操舵機構部が構成されている。
また、ロアステアリングシャフト部１０７及びアッパステアリングシャフト部１２０は伸縮軸を備えている。伸縮軸としては、例えば図２及び図３に示すように、雌軸６の内周面には、雌スプラインが形成してあると共に、雄軸５は、その外周面に雄スプラインを形成したスプライン摺動部２０と、このスプライン摺動部２０より小径の軸部２１とを備えている。雌軸６は、その端部に、雄軸５の摺動部２０が抜け出ることを防止するための抜止め部３０を備えている。また、スプライン摺動部２０の抜止め部側の部位２０ａを除いてポリアミド膜がコーティングしてある。コーティングは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリイミド、固体潤滑膜等であってもよい。
伸縮軸は、図４及び図５に示す構成にすることもできる。この伸縮軸では、雄軸４１に、雌軸４２がスプラインまたはセレーション嵌合してある。雄軸４１の端部内周面には、拡径部材４６を挿入するための円筒状の座部４３が形成してあるとともに、この座部４３の一部に調整ネジ４７を通挿するための貫通孔４４が径方向に形成してある。雌軸４２の端部には、貫通孔４４に対応して、調整ネジ４７を通挿するための貫通孔４５が径方向に形成してある。また、雄軸４１の座部４３には、雄軸４１を径方向に押圧するための拡径部材４６が挿入してあるとともに、この拡径部材４６には、この拡径部材４６を拡径するための調整ネジ４７が径方向に螺合してある。そして、拡径部材４６には、調整ネジ４７に螺合するための雌ネジを径方向に有する螺合部４８が設けてあるとともに、この螺合部４８に対向するようにして、調整ネジ４７の先端部を支持する受け部４９が設けてある。これら螺合部４８と受け部４９とは外径側に雄軸４１の内側円筒状座部４３に接触する凸円周状部をそれぞれ有している。更に、拡径部材４６には、螺合部４８と受け部４９とを径方向に弾性変形可能に一体に連結する連結部５０が設けてある。
この伸縮軸では、雄軸４１に雌軸４２をスプライン嵌合して組み付けた後、貫通孔４４と４５とを径方向に揃えて貫通孔４４，４５を介して調整ネジ４７を締め付けながら径方向内方に移動すると、拡径部材４６の螺合部４８と受け部４９との径方向の間隔が拡がり、雄軸４１を雌軸４２に対して径方向外方に押圧する。そして、調整ネジ４７の締め付け力を調整することにより、雌軸４２に対する雄軸４１の径方向の押圧力を調整することができ、これにより、両軸４１，４２の摺動抵抗を容易に調整できるとともに、両軸４１，４２のガタ付きを確実に防止することができる。また、両軸４１，４２の組み付け後であっても、摺動抵抗の調整を容易に行うことができるため、作業効率を向上することができる。尚、拡径部材４６の螺合部４８の符号５１で示す箇所には、調整ネジ４７の緩み防止のため、加締めが予め形成してある。
また、伸縮軸は、図６及び図７に示す構成にすることもできる。雄軸６１の外周面には、周方向に１２０度間隔（位相）で等配した３個の軸方向溝６３が延在して形成してある。これに対応して、雌軸６２の内周面にも、周方向に１２０度間隔（位相）で等配した３個の軸方向溝６５が延在して形成してある。雄軸６１の軸方向溝６３と、雌軸６２の軸方向溝６５との間に、両軸６１、６２の軸方向相対移動の際に転動する複数の剛体の球状体６７（転動体、ボール）が転動自在に介装してある。尚、雌軸６２の軸方向溝６５は、断面略円弧状若しくはゴシックアーチ状である。また、雄軸６１の軸方向溝６３は、傾斜した一対の平面状側面６３ａと、これら一対の平面状側面６３ａの間に平坦に形成した底面６３ｂとから構成されている。
雄軸６１の軸方向溝６３と、球状体６７との間には、球状体６７に接触して予圧するための板バネ６９が介装してある。この板バネ６９は、図６（Ｂ）に示すように、球状体６７に２点で接触する球状体側接触部６９ａと、球状体側接触部６９ａに対して略周方向に所定間隔をおいて離間してあるとともに雄軸６１の軸方向溝６３の平面状側面６３ａに接触する溝面側接触部６９ｂと、球状体側接触部６９ａと溝面側接触部６９ｂを相互に離間する方向に弾性的に付勢する付勢部６９ｃと、軸方向溝６３の底面６３ｂに対向した底部６９ｄと、を有している。この付勢部６９ｃは、略Ｕ字形状で略円弧状に折曲した折曲形状であり、この折曲形状の付勢部６９ｃによって、球状体側接触部６９ａと溝面側接触部６９ｂを相互に離間するように弾性的に付勢することができる。
図７に示すように、雄軸６１の外周面には、周方向に１２０度間隔（位相）で等配した３個の軸方向溝６４が延在して形成してある。これに対応して、雌軸６２の内周面にも、周方向に１２０度間隔（位相）で等配した３個の軸方向溝６６が延在して形成してある。雄軸６１の軸方向溝６４と、雌軸６２の軸方向溝６６との間に、両軸６１、６２の軸方向相対移動の際に滑り摺動する複数の剛体の円柱体６８（摺動体、ニードルローラ）が微小隙間をもって介装してある。尚、これら軸方向溝６４、６６は、断面略円弧状若しくはゴシックアーチ状である。
また、図６に示すように、雄軸６１の端部には、弾性体付ストッパープレート７０が設けてあり、この弾性体付ストッパープレート７０により、球状体６７、円柱体６８、板バネ６９の脱落を防止している。
この伸縮軸では、雄軸６１と雌軸６２の間に球状体６７を介装し、板バネ６９により、球状体６７を雌軸６２に対してガタ付きのない程度に予圧してあり、トルク非伝達時は、雄軸６１と雌軸６２との間のガタ付きを確実に防止することができるとともに、雄軸６１と雌軸６２は軸方向に相対移動する際には、ガタ付きのない安定した摺動荷重で摺動することができる。トルク伝達時には、板バネ６９が弾性変形して球状体６７を周方向に拘束するとともに、雄軸６１と雌軸６２との間に介装した３列の円柱体６８が主なトルク伝達の役割を果たす。例えば、雄軸４１からトルクが入力された場合、初期の段階では、板バネ６９の予圧がかかっているため、ガタ付きはなく、板バネ６９がトルクに対する反力を発生させてトルクを伝達する。この時は、雄軸６１・板バネ６９・球状体６７・雌軸６２間の伝達トルクと入力トルクがつりあった状態で全体的なトルク伝達がなされる。更にトルクが増大していくと、円柱体６８を介した雄軸６１、雌軸６２の回転方向の隙間がなくなり、以後のトルク増加分を、雄軸６１、雌軸６２を介して、円柱体６８が伝達する。そのため、雄軸６１と雌軸６２の回転方向ガタを確実に防止するとともに、高剛性の状態でトルクを伝達することができる。
上記の如く構成される各伸縮軸の雄軸の外周部と雌軸の内周部との間隙には、下記に示すグリースが封入される。
グリースの基油は、２５℃における動粘度が４０ｍｍ２／ｓ以上８０ｍｍ２／ｓ以下のエステル油である。２５℃における動粘度が８０ｍｍ２／ｓを超える基油では、摺動接触部に基油が入り込み難くなり、雄軸の外周部と雌軸の内周部とが互いに接触する摺動面での引っ掛かりやトルク変動等を抑制し難くなる。一方、動粘度の下限は４０ｍｍ２／ｓ（２５℃）であり、これを下回ると油膜形成力が低下するため好ましくない。
エステル油としてはジエステル油、ネオペンチル型ポリオールエステル油、またはこれらのコンプレックスエステル油、芳香族エステル油等をそれぞれ挙げることができる。これらの潤滑油は、単独でも、複数種を適宜組み合わせて使用してもよく、上記の動粘度に調整される。中でも、ジエステル油、ポリオールエステル油、芳香族エステル油が好適であり、特にポリオールエステル油を基油の主成分とすることが好ましい。
増ちょう剤には、脂環族ウレア化合物を用いる。
増ちょう剤の含有量は、グリース全量の１５〜２１質量％である。１５質量％より少ないとグリース状態を維持することが困難となり、２１質量％より多くなると硬くなりすぎて十分な潤滑状態が得られない。
また、増ちょう剤にウレア化合物を使用することで、摺動時に金属表面に保護膜を形成し、より良好な摩擦特性を付与することができる。更に、増ちょう剤量が１５質量％以上２１質量％以下であると、保護膜形成が一層強固となり引っ掛かりやトルク変動等を抑制できる。
脂環族ウレア化合物は、下記一般式〔Ｉ〕で表される。
Figure 0005003160
式中、Ｒ２は炭素数６〜１５の芳香族系炭化水素基を表し、Ｒ１、Ｒ３は脂環式炭化水素基を表し、同一でも異なっていてもよい。
この一般式〔Ｉ〕で表されるジウレア化合物は、基油中で、Ｒ２を骨格中に含むジイソシアネート１モルに対して、Ｒ１またはＲ３を骨格中に含むモノアミンを合計で２モルの割合で反応させることにより得られる。
Ｒ２を骨格中に含むジイソシアネートとしては、ジフェニルメタンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、ビフェニレンジイソシアネート、ジメチルジフェニレンジイソシアネート、あるいはこれらのアルキル置換体等を好適に使用できる。
Ｒ１またはＲ３として脂環式炭化水素基を骨格中に含むモノアミンとしてはメチルシクロヘキシルアミン、エチルシクロヘキシルアミン、ジメチルシクロヘキシルアミン、ジエチルシクロヘキシルアミン、ブチルシクロヘキシルアミン、プロピルシクロヘキシルアミン、アミルシクロヘキシルアミン、シクロオクチルアミン等を好適に使用できる。
特に好ましいウレア化合物は、一般式〔Ｉ〕においてＲ１、Ｒ３が炭素数６〜１９の脂環式炭化水素基であり、Ｒ２が４，４´−メチレンジフェニルイソシアネートまたはトリレンジイソシアネートであるジウレアである。本発明のグリース組成物は、極圧剤を含有するので、上述した脂環族ジウレアのように極圧剤によるグリースの軟化や硬化等の影響の少ない増ちょう剤を用いる。
グリースには、必須添加剤として極圧添加剤であるモリブデンジチオフォスフェートが添加される。添加量としては、グリース全量の１質量％以上であり、上限は１０質量％が好ましい。１質量％未満では添加による効果が十分に得られず、１０質量％を越えて添加しても効果が飽和する。より好ましい添加量の上限は、グリース全量の７質量％であり、最も好ましくは５質量％である。
グリースには、必要に応じて、耐荷重添加剤、酸化防止剤、錆止め剤、防食剤等、通常グリースに添加される添加剤を含有させることができる。その添加量は、合計でグリース全量の１０質量％以下が好ましい。
また、グリースは、適度の流動性を確保するために、混和ちょう度で２２０〜３４０とすることが好ましい。より好ましくは、２５０〜３１０、最も好ましくは２６０〜２９０である。
（実施例１、比較例１〜２）
表１に示す配合にて試験グリースを調製した。尚、増ちょう剤のジウレアは一般式〔Ｉ〕で表されるものであり、極圧添加剤の添加量は、何れもグリース全量の３質量％とした。そして、各試験グリースを、図１に示す構成のステアリング機構の雄軸の外周部と雌軸の内周部との間隙に封入し、室温で、ジョイント角度を３０°で固定して、回転方向に左右交互にトルクを入力し、繰り返し軸方向に伸縮させた。そのときの伸縮軸の雄軸の加速度を測定することで引っ掛かりやトルク変動の発生の有無を評価した。
このような測定結果に基づく引っ掛かりやトルク変動の発生の有無を、表１にまとめて示す。
Figure 0005003160
（実施例２、比較例３〜１０）
表２に示す配合にて試験グリースを調製し、図１に示す構成のステアリング機構の雄軸の外周部と雌軸の内周部との間隙に封入した。尚、増ちょう剤の種類には、比較例３以外は一般式〔Ｉ〕で表されるウレア化合物であり、Ｒ２は４，４´−メチレンジフェニルイソシアネート共通で、表にはＲ１，Ｒ３及びその比率を示してある。そして、１００〜５０℃の温度サイクルをかけながら、ジョイント角度を３０°で固定し、ステアリングホイールを左右交互回転させてトルクを入力し、繰り返し１０万サイクルスライドさせた。このときの伸縮軸外径部の加速度を測定することで摩擦力の変化の有無を評価した。加速度が大きいほど振動が発生している状態を示し、０．５Ｇ以上が連続的に発生した場合を摩擦力変化発生有りとした。結果を表２に併記する。
Figure 0005003160
（実施例３）
ポリオールエステル油を基油とし、これに一般式〔Ｉ〕においてＲ１、Ｒ３が脂環式炭化水素基であり、Ｒ２が４，４´−メチレンジフェニルイソシアネートであるジウレアを配合量を変えて配合し、更にＭｏＤＴＰを一定量添加して試験グリースを調製した。尚、混和ちょう度は２５０〜３１０とした。そして、図１に示す構成のステアリング機構の雄軸の外周部と雌軸の内周部との間隙に封入し、室温で、ジョイント角度を３０°で固定し、ステアリングホイールを左右交互回転させてトルクを入力し、繰り返し４０サイクルスライドさせた。そのときの振動が手に感じた回数を計数し、０回を評価点５点、１〜２回を同４点、３〜４回を同２点、５〜１０回を同２点、１１回以上を同１点とする５段階で評価をした。評価点３点以上を合格とした。結果を図８にグラフ化して示す。
（実施例４）
ポリオールエステル油を基油とし、これに一般式〔Ｉ〕においてＲ１、Ｒ３が脂環式炭化水素基であり、Ｒ２が４，４´−メチレンジフェニルイソシアネートであるジウレアを一定量配合し、更にＭｏＤＴＰを添加量を変えて添加して試験グリースを調製した。尚、混和ちょう度は何れも２７０とした。そして、実施例３と同様の評価を行った。結果を図９にグラフ化して示す。
（実施例５）
動粘度の異なるポリオールエステル油に、一般式〔Ｉ〕においてＲ１、Ｒ３が脂環式炭化水素基であり、Ｒ２が４，４´−メチレンジフェニルイソシアネートであるジウレア及びＭｏＤＴＰをそれぞれ一定量添加して試験グリースを調製した。尚、混和ちょう度は何れも２７０とした。そして、実施例３と同様の評価を行った。結果を図１０にグラフ化して示す。


上記実施例及び比較例から、本発明に従い、２５℃における動粘度が４０〜８０ｍｍ２／ｓのエステル油と、脂環族ウレア化合物と、ＭｏＤＴＰとを含有するグリースを封入することで、引っ掛かりやトルク変動の発生が抑えられ、また、伸縮軸のスライド時の静摩擦と動摩擦との差を小さくすることが可能となり、摩擦力の変化を抑制し、振動による操蛇感の悪化を防ぐことできることがわかる。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。また、本出願は、２００４年１２月２８日出願の日本特許出願（特願２００４−３８１０７７）、２００５年１月２０日出願の日本特許出願（特願２００５−１３１８７）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

Claims (1)

  1. 雄軸と雌軸とを回転不能に且つ摺動自在に嵌合し、前記雄軸の外周部と前記雌軸の内周部とが互いに接触して回転の際にトルクを伝達する車両のステアリングシャフトに組み込まれる伸縮軸において、
    前記雄軸の外周部と前記雌軸の内周部との間隙に、２５℃における動粘度が４０ｍｍ２／ｓ以上８０ｍｍ２／ｓ以下であるエステル油を基油とし、増ちょう剤として脂環族ウレア化合物をグリース全量の１５〜２１質量％、極圧添加剤としてモリブデンジチオフォスフェートをグリース全量の１質量％以上含有するグリースを封入してなり、１００〜５０℃の温度サイクルをかけながら、ジョイント角度を３０°で固定して左右交互にトルクを入力し、繰り返し１０万サイクルスライドさせたときに、伸縮軸外径部の加速度において０．５Ｇ以上が連続して発生しないことを特徴とする車両のステアリングシャフト用伸縮軸。
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