JP5093257B2

JP5093257B2 - 電動式パワーステアリング装置用十字軸式自在継手

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Publication number: JP5093257B2
Application number: JP2010022337A
Authority: JP
Inventors: 和彦小島
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2030-02-03
Also published as: JP2011158070A

Description

この発明は、電動式モータを補助動力源とする自動車用操舵装置である電動式パワーステアリング装置を構成する回転軸同士を、トルク伝達可能に接続する為の、電動式パワーステアリング装置用十字軸式自在継手（カルダンジョイント）の改良に関する。具体的には、金属板にプレス加工を施して成るヨークを備えた構造で、伝達するトルクが大きくなった場合でも、このヨークに亀裂等の損傷を発生する事が無く、十分な耐久性を確保できる構造の実現を図るものである。

自動車用操舵装置は、図２に示す様に構成して、ステアリングホイール１の回転をステアリングギヤユニット２の入力軸３に伝達し、この入力軸３の回転に伴って左右１対のタイロッド４、４を押し引きして、前車輪に舵角を付与する様にしている。前記ステアリングホイール１は、ステアリングシャフト５の後端部に支持固定されており、このステアリングシャフト５は、円筒状のステアリングコラム６を軸方向に挿通した状態で、このステアリングコラム６に回転自在に支持されている。又、前記ステアリングシャフト５の前端部は、自在継手７を介して中間シャフト８の後端部に接続し、この中間シャフト８の前端部を、別の自在継手９を介して、前記入力軸３に接続している。尚、図示の例は、電動モータ１０を補助動力源として前記ステアリングホイール１を操作する為に要する力の低減を図る、電動式パワーステアリング装置としている。従って、前記ステアリングシャフト５の前端部を、この電動式パワーステアリング装置の入力側に接続し、この電動式パワーステアリング装置の出力軸と前記中間シャフト８の後端部とを、前記自在継手７により、トルクの伝達を自在に接続している。

上述の様な自動車用操舵装置に組み込まれた、互いに同一直線上に存在しない回転軸である、前記ステアリングシャフト３と前記中間シャフト８と前記入力軸３とを接続する、前記両自在継手７、９は、何れも本発明の対象となる電動式パワーステアリング装置用十字軸式自在継手である。この様な自在継手は、例えば特許文献１〜８に記載される等により、従来から各種構造のものが知られている。図３は、このうちの特許文献１に記載された構造の１例を示している。この図３に示した自在継手１１は、１対のヨーク１２ａ、１２ｂを１個の十字軸１３を介して、トルク伝達自在に結合して成る。これら両ヨーク１２ａ、１２ｂは、それぞれが鋼板等の十分な強度及び剛性を有する金属板に、プレスによる打ち抜き加工及び曲げ加工を施す事により造られており、それぞれが基部１４ａ、１４ｂと、これら両ヨーク１２ａ、１２ｂ毎に１対ずつの結合腕部１５ａ、１５ｂとを備える。

このうちの基部１４ａ、１４ｂはそれぞれ、第一フランジ部１６ａ、１６ｂと第二フランジ部１７ａ、１７ｂとを備える。これら各第一フランジ部１６ａ、１６ｂと第二フランジ部１７ａ、１７ｂとはそれぞれ、前記両基部１４ａ、１４ｂの円周方向１箇所に設けられた不連続部１８ａ、１８ｂを挟んで設けられている。これら両基部１４ａ、１４ｂ毎に対となった第一、第二各フランジ部１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂの互いに整合する位置に、前記両基部１４ａ、１４ｂ毎に１対ずつの取付孔を、それぞれこれら両基部１４ａ、１４ｂの軸方向に対して捩れの位置関係となる方向に形成している。

又、前記両ヨーク１２ａ、１２ｂ毎に１対ずつの結合腕部１５ａ、１５ｂは、それぞれ当該ヨーク１２ａ、１２ｂの基部１４ａ、１４ｂの先端縁のうちで、この基部１４ａ、１４ｂに結合固定する回転軸１９ａ、１９ｂに関する直径方向反対側２箇所位置から、軸方向に延出している。そして、前記各結合腕部１５ａ、１５ｂの先端部にそれぞれ円孔２０ａ、２０ｂを、前記両ヨーク１２ａ、１２ｂ毎に１対ずつの結合腕部１５ａ、１５ｂ同士の間で、互いに同心に形成している。そして、前記各円孔２０ａ、２０ｂの内側に前記十字軸１３に設けた４本の軸部を、それぞれがシェル型ニードル軸受である、ラジアル軸受２１ａ、２１ｂにより、回転自在に支持している。この様な構造により前記両ヨーク１２ａ、１２ｂを、それぞれの基部１４ａ、１４ｂの中心軸同士が傾斜した状態でもトルクの伝達を可能に組み合わせている。

前述の様な自動車用操舵装置を組み立てる場合には、上述の様な自在継手１１により、同一直線上に存在しない（前記ステアリングシャフト３と前記中間シャフト８と前記入力軸３とのうちの、互いに隣り合って配置される何れか２本であって、それぞれの中心軸が互いに傾斜した）１対の回転軸１９ａ、１９ｂを、トルクの伝達を可能に結合する。この為に、これら両回転軸１９ａ、１９ｂの端部を前記両ヨーク１２ａ、１２ｂの基部１４ａ、１４ｂに内嵌し、更にこれら両基部１４ａ、１４ｂに形成した前記各取付孔を挿通したボルト２２ａ、２２ｂとナット２３ａ、２３ｂとを螺合し、更に締め付ける。そして、前記両基部１４ａ、１４ｂの内面により前記両回転軸１９ａ、１９ｂの端部外周面を強く抑え付ける。この状態で、これら両回転軸１９ａ、１９ｂが、前記自在継手１１を介して、トルクの伝達を可能に結合される。

尚、図３に示した自在継手１１を構成する１対のヨーク１２ａ、１２ｂのうち、一方（図３の左方）のヨーク１２ｂは、前記基部１４ｂの内周面に形成した雌セレーションと前記回転軸１９ｂの端部外周面に形成した雄セレーションとを係合させる事により、これら基部１４ｂと回転軸１９ｂとの間で大きなトルクを伝達可能としている。従って、これら基部１４ｂと回転軸１９ｂとを結合する際には、これら基部１４ｂと回転軸１９ｂとを軸方向に相対変位させる。これに対して、他方（図３の右方）のヨーク１２ａの基部１４ａは、側方が開口した、断面Ｕ字形若しくは断面コ字形である、所謂横入れヨークとして、前記回転軸１９ａをこの基部１４ａに、側方から挿入可能としている。

又、図４に示す様に、ヨーク１２ｃに設けた第一、第二両フランジ部１６ｃ、１７ｃに互いに整合する状態で形成した１対の取付孔のうち、一方の取付孔をボルト２２ｃを緩く挿通する通孔２４とし、他方の取付孔をこのボルト２２ｃを螺合させる為のねじ孔２５として、ナットを省略する構造も、例えば特許文献３、５〜８に記載される等により、従来から広く知られている。前記ヨーク１２ｃを構成する基部１４ｃの内周面には、不連続部１８ｃ及びその近傍部分を除き、雌セレーションを形成している。更に、第一、第二両フランジ部１６ｃ、１７ｃを、前記金属板を折り返す事により、この金属板２枚分の厚さ寸法としている。この様なヨーク１２ｃの構造及び製造方法に就いても、特許文献７に記載される等により、従来から広く知られている。尚、前記基部１４ｃに結合固定する回転軸１９ｃの端部で、この基部１４ｃ内への挿入状態で前記不連続部１８ｃに対向する部分には、前記ボルト２２ｃとの干渉防止、並びに、このボルト２２ｃが緩んだ状態での、前記ヨーク１２ｃと前記回転軸１９ｃとの分離防止の為の、切り欠き部２６を形成している。この様な切り欠き部２６の構造及び作用に関しても、前記特許文献１に記載される等により周知である。

何れの型式のヨーク１２ａ、１２ｂ、１２ｃを組み込んだ自在継手にしても、トルク伝達時には、これら各ヨーク１２ａ、１２ｂ、１２ｃを構成する基部１４ａ、１４ｂ、１４ｃと結合腕部１５ａ、１５ｂとの連続部には、捩り方向に大きな力が加わる。この為、この連続部の剛性が低いと、前記自在継手の捩り剛性が低くなり、当該自在継手を組み込んだ自動車用操舵装置の剛性が低下し、前記ステアリングホイール１（図２参照）を操作する運転者に違和感を与える（操舵感が低下する）原因となる。更に、前記連続部の強度が低いと、前述の図２に示す構造の様に、電動式パワーステアリング装置の補助動力源である電動モータ１０から出力される補助トルクを伝達する事で、自在継手により伝達するトルクが大きくなった場合に、この連続部に亀裂等の損傷が発生する原因となる等、自動車用操舵装置の耐久性を確保する面から不利になる。

これに対して従来は、図３の左側のヨーク１４ｂの様に、前記連続部の強度及び剛性を確保する為に有利な形状を採用していなかった。具体的には、第一、第二両フランジ部１６ｂ、１７ｂの側縁のうちで両結合腕部１５ｂ、１５ｂ側の側縁であるフランジ部前側縁２７が、これら両フランジ部１６ｂ、１７ｂの先端縁２８に対し直角方向に存在していた。言い換えれば、前記フランジ部前側縁２７の中間部のかなり部分が、前記ヨーク１２ｂの基部１４ｂの中心軸に対し直交する仮想平面上に存在し、その分、前記両フランジ部１６ｂ、１７ｂの基部の幅寸法が小さくなっていた。特許文献５、６に記載されている様な、鍛造加工により造られるヨークの場合、加工上の必要性（加工の容易性、被加工物と金型との分離の容易性等を確保する必要上）から、基部に設けた各フランジ部の前側縁の形状を、これら各フランジ部の基部に向けて漸次幅寸法が大きくなる方向に傾斜した形状としていた。この様な形状は、結果的には、各フランジ部の前側縁と結合腕部の側縁との連続部の剛性及び強度を高くして、前記耐久性を確保する面から有利になる。但し、前記特許文献５、６に記載された技術は、飽くまでも、鍛造加工特有の問題から採用した構造に関するものであって、本発明の対象となる様な、金属板にプレス加工を施して成るヨーク（以下［板金ヨーク］とする）には、従来は、上述の様な形状は採用されていなかった。

一方、前記図２に記載されている様に、自在継手７、９よりもステアリングホイール１側に、補助力付与手段である電動モータ１０を設けた、所謂コラムタイプの電動式パワーステアリング装置の場合、前記両自在継手７、９により伝達すべきトルクが大きくなる。この為、鍛造加工により造られるヨークに比べて製造コストを低く抑えられる板金ヨークの強度及び剛性を向上させる技術の実現が望まれる。特許文献８には、板金ヨークに関して、結合腕部の幅方向中央部に突条を形成する事により、この結合腕部の断面係数を向上させる構造が記載されている。この様な従来構造を採用できれば、この結合腕部を弾性変形しにくくして、各フランジ部の前側縁と結合腕部の側縁との連続部に加わる応力を低く抑え、前記耐久性を確保する面から有利に作用する。又、操舵感を向上させる面からも有利になる。

但し、上述の様な電動式パワーステアリング装置を組み込んだ自動車用操舵装置に組み込む、電動式パワーステアリング装置用自在継手のヨークを板金ヨークとする場合、素材となる金属板の厚さを或る程度大きくする必要がある。この厚さは、金属板の材質や、組み込むべき自動車の種類（重量、操舵輪と駆動輪とが一致するか否か）等により多少異なるが、一般的な乗用車用の操舵装置に関して、素材となる金属板として鋼板を使用する場合で、この鋼板の厚さを８mm以上確保する必要がある。厚さが８mm以上の鋼板に、前記特許文献８に記載されている様な突条を形成する事は難しい。

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、素材となる金属板の厚さ寸法に拘らず、フランジ部の前側縁と結合腕部の側縁との連続部の強度及び剛性を高くできる板金ヨークの構造を実現すべく発明したものである。

本発明の電動式パワーステアリング装置用十字軸式自在継手は、従来から知られている十字式自在継手と同様に、１対のヨークと、これら両ヨーク同士を揺動変位自在に結合する１個の十字軸とを備える。
これら両ヨークのうちの少なくとも一方のヨークは、金属板に、それぞれがプレス加工による打ち抜き加工及び曲げ加工を施して成る板金ヨークである。そして、回転軸の端部を結合固定する為の基部と、この基部の軸方向一端縁のうちで、この回転軸に関する直径方向反対側２箇所位置から軸方向に延出した１対の結合腕部と、これら両結合腕部の先端部に互いに同心に形成された１対の円孔とを備える。
又、前記十字軸は、隣り合う軸部同士が互いに直交する状態で設けられた４本の軸部がそれぞれ、前記各円孔の内側に軸受を介して回転自在に支持されている。
又、前記板金ヨークの基部は、円周方向１箇所に設けられた不連続部を挟んで設けられた、それぞれが前記金属板を折り返す事によりこの金属板を重ね合わせて成り、この金属板２枚分の厚さを有する第一、第二両フランジ部と、これら両フランジ部の互いに整合する位置に、それぞれが前記基部に対して捩れの位置関係となる方向に形成された１対の取付孔とを備え、内周面に雌セレーションを形成したものである。
そして、これら両取付孔に挿通若しくは螺合したボルトにより、前記基部内に挿入された回転軸の外周面を抑え付け、電動式パワーステアリング装置の補助動力源である電動モータから出力される補助トルクを伝達する部分で、前記回転軸の端部に前記板金ヨークの基部を結合固定する。

特に、本発明の電動式パワーステアリング装置用十字軸式自在継手に於いては、前記第一、第二両フランジ部の側縁のうちで前記両結合腕部側の側縁であるフランジ部前側縁が、これら両フランジ部の先端縁からこれら両結合腕部の側縁に向かうに従ってこれら両結合腕部側の先端側に向かう方向に、前記フランジ部前側縁の全長に亙り連続して傾斜している。更に、このフランジ部前側縁と前記両結合腕部の側縁とが滑らかに連続しており、且つ、前記両結合腕部の中間部に段差部を設けて、これら両結合腕部の内側面同士の間隔を、前記両円孔を形成した先端部で狭く、中間部乃至基端部で広くしている。
この様な本発明の十字軸式自在継手を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した発明の様に、前記両ヨークを構成する金属板を、厚さが８mm以上の鋼板とする。

上述の様に構成する本発明の電動式パワーステアリング装置用十字軸式自在継手によれば、ヨークの素材となる金属板の厚さ寸法に拘らず、フランジ部の前側縁と結合腕部の側縁との連続部の強度及び剛性を高くできる。即ち、フランジ部前側縁の傾斜方向を適切に規制しており、両フランジ部の幅寸法を基端部に向かうに従って漸増させているので、前記連続部を含む、これら両フランジ部の基端寄り部分の断面係数を高くできる。この結果、大きなトルクを伝達する際にも、前記ヨークの弾性変形に基づく、前記両フランジ部と前記両結合腕部との変位量を少なく抑えられて、前記連続部を含めて、これら両フランジ部と両結合腕部との間部分に、亀裂等の損傷を発生しにくくできる。又、前記フランジ部前側縁と前記両結合腕部の側縁とを滑らかに連続させている為、各部に応力が集中する事が無く、亀裂等の損傷防止の面から有利になる。更に、大きなトルクを伝達する場合にも、ヨークの変形を抑えられるので、十字軸式自在継手を組み込んだ自動車用操舵装置である、電動式パワーステアリング装置の操作感を向上させる（ステアリングホイールを操作する運転者に与える違和感を低減する）事もできる。

本発明の実施の形態の１例を構成するヨークの側面図（Ａ）と、従来構造を構成するヨークの側面図（Ｂ）。十字式自在継手を組み込んだ自動車用操舵装置の１例を示す、部分切断側面図。従来から知られている十字式自在継手の第１例を示す部分切断側面図。同第２例を、ボルトを省略した状態（Ａ）と組み込んだ状態（Ｂ）とで示す、図３のハ−ハ断面に相当する図。

図１により、本発明の実施の形態の１例に就いて説明する。尚、本例を含めて本発明の特徴は、ヨーク１２ｄの基部１４ｄに設けた第一、第二両フランジ部１６ｄ、１７ｄの外形、特にフランジ部前側縁２７ａの傾斜方向を適切に規制する事により、前記ヨーク１２ｄを含んで構成する自在継手により、電動モータ１０（図２参照）が発生する補助トルクを含む大きなトルクを伝達する際にも、前記両フランジ部１６ｄ、１７ｄと１対の結合腕部１５ｃとの相対変位を含む、前記ヨーク１２ｄの弾性変形量を少なく抑える点にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図３〜４に記載した構造を含め、従来から知られている、板金ヨークを組み込んだ各種十字軸式自在継手と同様であるから、重複する図示並びに説明は省略若しくは簡略にし、以下、本例の特徴部分を中心に説明する。

本例の構造で、前記ヨーク１２ｄの基部１４ｄに設けた第一、第二両フランジ部１６ｄ、１７ｄの外形を構成する側縁のうち、前記両結合腕部１５ｃ側の側縁である、前記フランジ部前側縁２７ａを、前記両フランジ部１６ｄ、１７ｄの先端縁２８から前記両結合腕部１５ｃの側縁２９に向かうに従ってこれら両結合腕部側１５ｃの先端側に向かう方向に、前記フランジ部前側縁２７ａの全長に亙り連続して傾斜させている。言い換えれば、本例のヨーク１２ｄのフランジ部前側縁２７ａには、図１の（Ｂ）に示した従前構造のフランジ部前側縁２７の様な、ヨーク１２ｅの中心軸に直交する仮想平面上に所定長さ連続して位置する様な部分は存在しない。更に、前記フランジ部内側縁２７ａと前記両結合腕部１５ｃの側縁２９とは、円弧部３０により、滑らかに連続している。

又、本例の構造の場合には、前記ヨーク１２ｄの軸方向に関して、前記フランジ部前側縁２７ａと反対側の端縁である、前記基部１４ｄの基端縁を構成する基部後端縁３２に関しても、前記図１の（Ｂ）に示した従前構造に比べて後方に移動させている。従って、前記軸方向に関する前記基部１４ｄの全体の幅寸法に関しても、前記従前構造よりも広くして、この基部１４ｄの強度及び剛性を、前記従前構造よりも十分に向上させている。
更に、図示の例では、前記両結合腕部１５ｃの中間部先端寄り部分に段差部３１を設けて、これら両結合腕部１５ｃの内側面（互いに対向する側面）同士の間隔を、円孔２０ｃを形成した先端部で狭く、中間部乃至基端部で広くしている。

本例の構造の場合には、前記ヨーク１２ｄに設けた第一、第二両フランジ部１６ｄ、１７ｄを、上述の様に、基端部に向かうに従って基端部の幅寸法が漸増する形状としているので、前記両フランジ部１６ｄ、１７ｄの基端寄り部分の断面係数を高くできる。この結果、大きなトルクを伝達する際にも、前記ヨーク１２ｄの弾性変形に基づく、前記両フランジ部１６ｄ、１７ｄと前記両結合腕部１５ｃとの変位量を少なく抑えられる。この結果、これら両フランジ部１６ｄ、１７ｄと両結合腕部１５ｃとの相対変位を少なく抑えられて、これら両フランジ部１６ｄ、１７ｄと両結合腕部１５ｃとの間部分に、亀裂等の損傷を発生しにくくできる。又、前記フランジ部前側縁２７ａと前記両結合腕部１５ｃの側縁２９とを滑らかに連続させている為、この連続部を含めて、応力が集中し易い、曲率が大きな凹み部分（入り隅部）が存在せず、各部に応力が集中する事が無く、亀裂等の損傷防止の面から有利になる。更に、大きなトルクを伝達する場合にも、前記ヨーク１２ｄの変形を抑えられるので、このヨークにより構成した自在継手を、前述の図２に示した様な、コラムタイプの電動式パワーステアリング装置を備えた自動車用操舵装置に組み込んだ場合にも、ステアリングホイール１の操作量と、ステアリングギヤユニット２の入力軸３の回転量とのずれを僅少に抑える事ができて、前記ステアリングホイール１を操作する運転者に与える違和感を低減する事もできる。

尚、本発明は、前記ヨーク１２ｄを構成する金属板が、厚さが８mm以上の鋼板である場合に、顕著な効果を得られる。それ以外の条件でも効果を得られるが、例えば、板金ヨークであっても、厚さが８mm未満の鋼板製の場合には、前述の特許文献８に記載された発明の構造でも対処できる。勿論、厚さが８mm未満の鋼板製の場合に、この特許文献８に記載された発明の構造と本発明の構造とを組み合わせて実施する事で、より優れた効果を得る事もできる。

１ステアリングホイール
２ステアリングギヤユニット
３入力軸
４タイロッド
５ステアリングシャフト
６ステアリングコラム
７自在継手
８中間シャフト
９自在継手
１０電動モータ
１１自在継手
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅヨーク
１３十字軸
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ基部
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ結合腕部
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ第一フランジ部
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ第二フランジ部
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ不連続部
１９ａ、１９ｂ回転軸
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ円孔
２１ａ、２１ｂラジアル軸受
２２ａ、２２ｂ、２２ｃボルト
２３ａ、２３ｂナット
２４通孔
２５ねじ孔
２６切り欠き
２７、２７ａフランジ部前側縁
２８先端縁
２９側縁
３０円弧部
３１段差部
３２基部後端縁

特開平８−２８４９６８号公報特開平１０−２３４３号公報特開２０００−３２０５６４号公報特開２００４−２２３６１６号公報特開２００８−２９８２６７号公報特開２００９−８１７４号公報特公平７−８８８５９号公報特開平４−２９６２０号公報

Claims

１対のヨークと、これら両ヨーク同士を揺動変位自在に結合する１個の十字軸とを備え、これら両ヨークのうちの少なくとも一方のヨークは、金属板に、それぞれがプレス加工による打ち抜き加工及び曲げ加工を施して成る板金ヨークであって、回転軸の端部を結合固定する為の基部と、この基部の軸方向一端縁のうちで、この回転軸に関する直径方向反対側２箇所位置から軸方向に延出した１対の結合腕部と、これら両結合腕部の先端部に互いに同心に形成された１対の円孔とを備え、前記十字軸は、隣り合う軸部同士が互いに直交する状態で設けられた４本の軸部がそれぞれ、前記各円孔の内側に軸受を介して回転自在に支持されており、前記板金ヨークの基部は、円周方向１箇所に設けられた不連続部を挟んで設けられた、それぞれが前記金属板を折り返す事によりこの金属板を重ね合わせて成り、この金属板２枚分の厚さを有する第一、第二両フランジ部と、これら両フランジ部の互いに整合する位置に、それぞれが前記基部に対して捩れの位置関係となる方向に形成された１対の取付孔とを備え、内周面に雌セレーションを形成したものであり、これら両取付孔に挿通若しくは螺合したボルトにより、前記基部内に挿入された回転軸の外周面を抑え付け、電動式パワーステアリング装置の補助動力源である電動モータから出力される補助トルクを伝達する部分で、前記回転軸の端部に前記板金ヨークの基部を結合固定する電動式パワーステアリング装置用十字軸式自在継手に於いて、前記第一、第二両フランジ部の側縁のうちで前記両結合腕部側の側縁であるフランジ部前側縁が、これら両フランジ部の先端縁からこれら両結合腕部の側縁に向かうに従ってこれら両結合腕部側の先端側に向かう方向に、前記フランジ部前側縁の全長に亙り連続して傾斜しており、このフランジ部前側縁と前記両結合腕部の側縁とが滑らかに連続しており、且つ、前記両結合腕部の中間部に段差部を設けて、これら両結合腕部の内側面同士の間隔を、前記両円孔を形成した先端部で狭く、中間部乃至基端部で広くしている事を特徴とする電動式パワーステアリング装置用十字軸式自在継手。
ヨークを構成する金属板が、厚さが８mm以上の鋼板である、請求項１に記載した電動式パワーステアリング装置用十字軸式自在継手。