JP5105173B2 - ボールジョイント - Google Patents

Description

本発明は、ボールジョイントに関するものである。

一般にボールジョイントは、ボールスタッドの一端に設けた球頭部と、前記球頭部を覆う樹脂シートとを、ハウジングの、一端が封止され他端が樹脂シートおよび球頭部の入口とされた筒状の収容室に収容して構成される。また樹脂シートは、通常、筒状の周壁部の一端に収容室の底に対向する底部が設けられ、その反対側が開口されたカップ状に形成される。

例えば自動車のステアリング装置のインナーボールジョイント等は、前記樹脂シートと球頭部とを収容室に収容した状態で、入口をかしめて他の部分より小径とすることで球頭部を抜け止めすると共に、樹脂シートを与圧して構成される。
樹脂シートは、ボールジョイントに組み込まれて与圧された状態で、その底部側に、ボールスタッドの球頭部を収容室の底に押し付ける方向に力が働いたときに前記力を受ける第一受圧領域を含んでいると共に、開口側に、前記球頭部を収容室の外へ抜き出す方向に力が働いたときに前記力を受ける第二受圧領域を含んでいる。

この両領域を比較すると、第二受圧領域はボールスタッドの球頭部から突出するように延びるロッドが挿通される開口の周囲に設けられ、第一受圧領域よりも受圧面積が小さいため荷重負荷が高くなる傾向があり、この第二受圧領域において時間と共に樹脂シートの厚みが局所的に減少するいわゆるヘタリと、それに伴うガタによる異音とを生じやすいという問題がある。

樹脂シートを比較的硬い樹脂で形成するとヘタリを防止できるが、その場合には樹脂シートの弾力性が低くなるため、収容室の入口をかしめる際の加工寸法のバラツキを、樹脂シートの弾性変形によって十分に吸収することができず、樹脂シートの与圧のバラツキが大きくなって、例えばステアリング装置ではトルクを安定化させることができないという問題を生じる。そこで樹脂シートを、第一受圧領域を含む第一シートと、この第一シートより相対的に硬い樹脂からなり、第二受圧領域を含む第二シートからなる２つ割構造とすることが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特公平６−８６４５号公報

樹脂シートを２つ割構造とすると、相対的に硬い第二シートによって第二受圧領域のヘタリを防止しながら、収容室の入口をかしめる際の加工寸法のバラツキを、相対的に軟らかい第一シートの弾性変形によって吸収して与圧のバラツキを小さくすることで、トルクをある程度は安定化することができる。しかしその効果は未だ十分でない上、２つ割構造とした場合には部品点数と組み立ての工数が増えるという問題もある。

本発明は、かかる背景のもとでなされたもので、部品点数と組み立ての工数を増加させることなく、異音の発生が長期に亘って防止されると共に、トルクの安定性にも優れたボールジョイントを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、一端に球頭部（２３）を有するボールスタッド（１８）と、前記球頭部を覆う樹脂シート（１７）と、前記樹脂シートと球頭部とを収容する収容室（１９）を有し、収容室の底は封止され、入口は樹脂シートで覆われた球頭部を収容した後にかしめられて小径とされたハウジング（１６）とを備え、前記樹脂シートは、収容室の底に対向する底部（２２）を有し、その反対側が開口されたカップ状にワンピース形成され、前記樹脂シートは、前記底部側に、ボールスタッドの球頭部を収容室の底に押し付ける方向に力が働いたときに前記力を受ける第一受圧領域（５５）、前記開口側に、前記球頭部を収容室の外へ抜き出す方向に力が働いたときに前記力を受ける第二受圧領域（５６）を有し、前記収容室は、前記球頭部を取り囲む筒状の周壁（４２）と、前記周壁の軸方向の一端に連なって筒の一端を封止して底を構成する底壁（４３）とを含み、前記収容室の底は、前記底壁の一側面である内底面（４５）と、前記内底面側から前記周壁の他端側へ向けて開口径が大きくなる略円錐状とされて、前記内底面および周壁の内周面（４４）と連なり、かつ前記第一受圧領域に対向するテーパー面（４６）とを含み、前記内底面、テーパー面、および内周面のうち前記テーパー面にのみ、前記第一受圧領域との間に空隙を作る凹部〈５０〉が形成されているとともに、前記第二受圧領域は、前記収容室の内周面に密接されていることを特徴とするボールジョイントを提供するものである（請求項１）。なお、カッコ内の英数字は、後述の実施の形態における対応構成要素等を表す。

本発明によれば、カップの開口側の第二受圧領域を含む樹脂シートの全体を、相対的に硬い樹脂によって形成できる。そのため、前記第二受圧領域においてヘタリが生じたり、全体が摩耗したりするのを抑制して、ガタによる異音の発生を長期に亘って防止できる。
またハウジングの底を構成し、かつ第一受圧領域に対向するテーパー面にのみ選択的に凹部を設けることで樹脂シートの前記第一受圧領域底部との間に形成した空隙によって、樹脂シートの底部側の剛性を低下できる。そのため、樹脂シートの全体を相対的に硬い樹脂でワンピース形成しているにも拘らず、従来の２つ割構造のものよりも、収容室の入口をかしめて小径とする際の加工寸法のバラツキを、弾性変形によって良好に吸収して与圧のバラツキを小さくでき、例えばステアリング装置のトルクをこれまでよりも安定化できる。

また本発明によれば、樹脂シートはワンピース形成されるため、部品点数や組み立ての工数が増加するのを防止できる。
本発明によれば、凹部を収容室の中心軸線と同心の環状に形成できる（請求項２）。
この場合、例えば旋削によってハウジングを製作する工程内で凹部を形成できるため、凹部形成のための新たな工程を追加する必要がなく、ハウジングの生産性を向上できる。
なお本発明によれば、凹部を内底面から径方向外方へ向けて放射状に延びる複数の直線状に形成することもできる（請求項３）。

以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るボールジョイントを備えるステアリング装置１の概略構成を示す模式図である。ステアリング装置１は、操舵部材としてのステアリングホイール２と、転舵輪(図示せず)を転舵する転舵機構としてのラックアンドピニオン機構３とを備えている。

ステアリングホイール２は、ステアリングシャフト４および中間軸５を介して、ラックアンドピニオン機構３に連結されている。ステアリングホイール２の回転は、ステアリングシャフト４および中間軸５を介してラックアンドピニオン機構３に伝達される。
ラックアンドピニオン機構３は、ピニオン軸６およびラック軸７を備えている。ピニオン軸６は、中間軸５に連結された軸部８と、この軸部８の先端に連結されたピニオン９とを含む。ステアリングホイール２の回転は、ステアリングシャフト４および中間軸５を介してピニオン軸６に伝達される。

ラック軸７は、車両の左右方向に沿って延びている。ラック軸７には、ラック１０が形成されている。ピニオン９およびラック１０は、互いに噛み合わされている。ピニオン軸６の回転は、ラック１０およびピニオン９により、ラック軸７の軸方向移動に変換される。
ラック軸７は筒状のハウジング１１に挿通されている。ラック軸７の両端部は、それぞれハウジング１１から突出している。ラック軸７の各端部には、インナーボールジョイント１２を介して、タイロッド１４の一端が連結されている。また、タイロッド１４の他端（いわゆるタイロッドエンド）には、アウターボールジョイント１３が設けられている。図示はしないが、転舵輪は、ナックルアームを介してアウターボールジョイント１３に連結されている。

また、ハウジング１１の各端部には、筒状のラックブーツ１５が配置されている。各ラックブーツ１５の一端は、ハウジング１１の端部に外嵌しており、当該端部に固定されている。また、各ラックブーツ１５の他端は、タイロッド１４に外嵌しており、当該タイロッド１４に固定されている。ハウジング１１の端部およびインナーボールジョイント１２は、対応するラックブーツ１５により覆われている。このラックブーツ１５によって、水や埃などの異物が、ハウジング１１内やインナーボールジョイント１２内に進入することが防止されている。

操舵操作（回転操作）では、前述したように、ステアリングホイール２の回転がステアリングシャフト４および中間軸５によってピニオン軸６に伝達され、ピニオン９の回転がラック１０を通じてラック軸７の軸方向移動に変換される。そのときのラック軸７の軸方向移動は、インナーボールジョイント１２を介してタイロッド１４に伝えられ、さらに、タイロッド１４の動きがアウターボールジョイント１３を介してナックルアームへと伝えられる。

図２は、インナーボールジョイント１２およびアウターボールジョイント１３を含むステアリング装置１の一部の断面図である。
インナーボールジョイント１２は、ラック軸７の端部に連結されるハウジング１６と、このハウジング１６に保持された樹脂シート１７およびボールスタッド１８とを備えている。ハウジング１６は、樹脂シート１７およびボールスタッド１８を収容する収容室１９と、ラック軸７の端部に連結される連結部２０とを含む。収容室１９は、底が封止された筒状であり、入口を有している。また、樹脂シート１７は、カップ状であり、周壁部２１と底部２２とを含む。樹脂シート１７は、底部２２が収容室１９の底に対向するように配置されている。

ボールスタッド１８は、球面状の外表面を有する球頭部２３と、この球頭部２３から突出するように延びるロッド２４とが一体的に形成されている。球頭部２３は、樹脂シート１７に覆われており、ロッド２４は、収容室１９から突出している。タイロッド１４の一部は、ボールスタッド１８によって構成されている。すなわち、タイロッド１４は、ボールスタッド１８と、このボールスタッド１８のロッド２４に連結された連結軸２５とによって構成されている。

収容室１９の入口は、樹脂シート１７で覆われた球頭部２３を収容した後にかしめられて小径とされて、上記球頭部２３および樹脂シート１７が抜け止めされている。
ロッド２４の先端部（図２では右端部）には、雄ねじ部２６が形成されている。雄ねじ部２６は、連結軸２５に形成された雌ねじ孔２７に螺合されている。雄ねじ部２６が雌ねじ孔２７に螺合されることにより、連結軸２５がボールスタッド１８に同軸的に連結されている。

また、雄ねじ部２６にはロックナット２８が螺合されている。ボールスタッド１８および連結軸２５は、ロックナット２８によって互いに固定されている。また、雌ねじ孔２７に対する雄ねじ部２６のねじ込み量は、ロックナット２８によって調節されている。雌ねじ孔２７に対する雄ねじ部２６のねじ込み量を調節することにより、転舵輪のトー角を調節することができる。

球頭部２３は、樹脂シート１７を介して収容室１９に包み込まれるように保持されている。樹脂シート１７の内周面は、球頭部２３の外表面に沿う形状とされている。球頭部２３は、樹脂シート１７に対して摺動可能となっている。樹脂シート１７と球頭部２３との間には、グリース等の潤滑剤が充填されている。ボールスタッド１８は、球頭部２３を支点として、ハウジング１６に対して揺動可能となっている。したがって、ラック軸７（図１参照）の軸方向への動きは、軸方向へ直線的にタイロッド１４に伝達されるのではなく、インナーボールジョイント１２によって揺動する角度方向へ伝達される。

一方、アウターボールジョイント１３は、ハウジング２９と、このハウジング２９に保持された樹脂シート３０およびボールスタッド３１とを備えている。ハウジング２９は、樹脂シート３０がその内側に配置された筒状部材３２と、この筒状部材３２の一端（図２では下端）を塞ぐように当該一端に固定された閉鎖板３３とを含む。筒状部材３２は、例えば連結軸２５の先端部に一体的に形成されている。

樹脂シート３０は、カップ状の第一シート３４と、板状の第二シート３５とを含む。第一シート３４は、周壁部３６と底部３７とを一体的に備えている。第一シート３４は、周壁部３６が筒状部材３２の内周面に沿うように配置されている。また、第二シート３５は、第一シート３４の底部３７と閉鎖板３３との間に介在している。樹脂シート３０は、筒状部材３２の他端（図２では上端）からその内側に突出する環状の鍔部３８と、閉鎖板３３との間で保持されている。

ボールスタッド３１は、球面状の外表面を有する球頭部３９と、この球頭部３９から上方へ突出するロッド４０とが一体的に形成されている。球頭部３９は、第一シート３４に覆われており、ロッド４０は、筒状部材３２から突出している。球頭部３９は、第一シート３４を介してハウジング２９に保持されている。すなわち、ボールスタッド３１は、第一シート３４を介してハウジング２９に保持されている。

第一シート３４の内周面は、球頭部３９の外表面に沿う形状とされている。球頭部３９は、樹脂シート３０に対して摺動可能となっている。第一シート３４と球頭部３９との間には、グリース等の潤滑剤が充填されている。ボールスタッド３１は、球頭部３９を支点としてハウジング２９に対して揺動可能となっている。また、ボールスタッド３１は、ロッド４０の中心軸線まわりに回転可能となっている。アウターボールジョイント１３により、タイロッド１４の動きをその揺動する角度方向へ向けてナックルアームに伝達する。

ハウジング２９およびボールスタッド３１には、筒状のカバー４１が取り付けられている。カバー４１の一端は、筒状部材３２の端部に外嵌しており、当該端部に固定されている。また、カバー４１の他端は、ロッド４０に外嵌しており、当該ロッド４０に固定されている。筒状部材３２の端部およびロッド４０の一部は、カバー４１によって覆われている。このカバー４１によって、水や埃などの異物が、アウターボールジョイント１３内に進入することが防止されている。

次に、この実施形態に係るボールジョイントの具体的構成について、インナーボールジョイント１２を例にとって説明する。
図３は、本発明の一実施の形態にかかるインナーボールジョイント１２の概略構成を示す一部断面図である。図４は、インナーボールジョイント１２の組み立て中の状態を示す一部断面図である。図５は、ハウジングの外観を示す一部切欠斜視図である。

図３を参照して、インナーボールジョイント１２は、ボールスタッド１８と、ハウジング１６と、樹脂シート１７とを備えている。ボールスタッド１８は、例えば鋼等の金属製の単一の部材を用いた一体成形品であり、球頭部２３とロッド２４とを含んでいる。ロッド２４の中心軸線Ｌ１上に球頭部２３の中心Ｃが配置されている。
ハウジング１６は、球頭部２３を収容し、かつボールスタッド１８を、樹脂シート１７を介して、上記球頭部２３を支点として揺動可能に支持するものである。ハウジング１６は、例えば鋼等の金属製の単一の部材を用いた一体成形品であり、収容室１９と連結部２０とを含んでいる。収容室１９は、球頭部２３を取り囲む筒状の周壁４２と、周壁４２の軸方向の一端に連なって筒の一端を封止して底を構成する底壁４３とを含んでいる。

収容室１９の底は、底壁４３の一側面（内底面）４５と、この内底面４５側から周壁４２の他端（先端）側へ向けて開口径が大きくなる略円錐状とされたテーパー面４６とを含み、テーパー面４６が内底面４５および周壁４２の内周面４４と連なって、これら内底面４５、テーパー面４６および内周面４４によって、球頭部２３および樹脂シート１７を収容する収容空間４７が区画されている。内周面４４およびテーパー面４６は、球頭部２３の表面に対向している。底壁４３には連結部２０が一体的に形成されている。

周壁４２の他端（先端）には開口部４８が形成されており、開口部４８を通して球頭部２３が収容空間４７に収容されている。開口部４８にはロッド２４が挿通されている。周壁４２の開口部４８の周縁部４９は、周壁４２の他の部分に比べて小径とされており、球頭部２３および樹脂シート１７が収容室１９から抜け止めされている。図３および図４を参照して、この周縁部４９は、外径が略一定に形成された周壁４２の、開口部４８側の他端（先端）をかしめる（塑性変形させる）ことにより小径とされている。

図４および図５を参照して、収容室１９の底のうちテーパー面４６には、大小２本の環状の凹部５０が、収容室１９の中心軸線Ｌ２と同心に形成されている。上記凹部５０は、例えば旋削によってハウジング１６を製作する工程内で形成できる。
図４を参照して、樹脂シート１７は、外周が収容室１９の内周面４４に沿う筒状とされた周壁部２１の一端に、収容室１９の底に対向する底部２２が設けられ、他端が、ロッド２４が挿通される開口部５１とされたカップ状にワンピース形成されている。底部２２は、収容室１９の底のうちテーパー面４６に沿うテーパー状に形成されている。

底部２２の中心には通孔５２が形成されている。通孔５２は、樹脂シート１７の中心軸線Ｌ２と同心に形成されている。通孔５２が設けられていることにより、球頭部２３から樹脂シート１７に力が作用したときにその変形を促して衝撃を緩和することができる。凹部５０および通孔５２にはグリース等の潤滑剤が充填される。
図３を参照して、収容室１９の収容空間４７に樹脂シート１７と球頭部２３とを収容した状態で周壁４２の開口部４８側の他端（先端）をかしめて周縁部４９を小径とすることにより、カップ状の樹脂シート１７が、収容室１９と球頭部２３との隙間を充填するように弾性変形されると共に与圧される。

変形された樹脂シート１７の内周面５３は、球頭部２３の表面に沿う形状に形成され、球頭部２３を摺動可能に支持する。樹脂シート１７の外周面５４は、収容室１９の内周面４４およびテーパー面４６に沿う形状に形成され、この内周面４４およびテーパー面４６に支持される。テーパー面４６のうち凹部５０が形成された部分には、樹脂シート１７との間に空隙が形成されている。

ロッド２４の中心軸線Ｌ１と樹脂シート１７の中心軸線Ｌ２とが一致している状態（図３の状態）において、樹脂シート１７のうち、球頭部２３の中心Ｃを通り中心軸線Ｌ１に直交する平面Ａよりも収容室１９の開口部４８から遠い側に位置している領域が、第一受圧領域５５とされている。凹部５０は、前記テーパー面４６に、前記第一受圧領域５５と対向させて形成されている。
第一受圧領域５５は、ロッド２４を介して球頭部２３を収容室１９の底に押し付ける方向（例えば、樹脂シート１７の中心軸線Ｌ２に沿う方向の一方Ｕ１）に力Ｆ１が働いたときに、この力Ｆ１を受ける領域である。

上記中心軸線Ｌ１、Ｌ２が一致しているときにおいて、樹脂シート１７のうち、平面Ａよりも収容室１９の開口部４８に近い側に位置している領域が、第二受圧領域５６とされている。
第二受圧領域５６は、ロッド２４を介して球頭部２３を開口部４８から抜く方向（例えば、樹脂シート１７の中心軸線Ｌ２に沿う方向の他方Ｕ２）に力Ｆ２が働いたときに、この力Ｆ２を受ける領域である。第二受圧領域５６は、収容室１９の内周面４４に密接されている。

第二受圧領域５６は、ボールスタッド１８の球頭部２３から突出するように延びるロッド２４が挿通される開口部５１の周囲に設けられる関係上、第一受圧領域５５よりも受圧面積が小さくなっている。そのため荷重負荷が高くなる傾向がある。
しかし、第二受圧領域５６を含む樹脂シート１７の全体を、相対的に硬い樹脂によって構成することによって、この第二受圧領域５６においてヘタリが生じたり、樹脂シート１７の全体が摩耗したりするのを抑制して、ガタによる異音の発生を長期に亘って防止できる。

またハウジング１６の底に凹部５０を設けることで樹脂シート１７の底部２２との間に形成した空隙によって、樹脂シート１７の底部２２側の剛性を低下できる。そのため、樹脂シート１７の全体を相対的に硬い樹脂でワンピース形成しているにも拘らず、従来の２つ割構造のものよりも、収容室１９の開口部４８側の他端をかしめて小径とする際の加工寸法のバラツキを、弾性変形によって良好に吸収して与圧のバラツキを小さくでき、例えばステアリング装置のトルクをこれまでよりも安定化できる。

また本発明によれば、樹脂シート１７はワンピース形成されるため、部品点数や組み立ての工数が増加するのを防止できる。
さらに実施の形態では大小２本の環状の凹部５０を、収容室１９の中心軸線Ｌ２と同心に形成している。この場合、例えば旋削によってハウジング１６を製作する工程内で凹部５０を形成できるため、凹部形成のための新たな工程を追加する必要がなく、ハウジング１６の生産性を向上できる。

本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。なお、以下では、図１〜図５に示す実施の形態と異なる点について主に説明し、同様の構成には同様の符号を付してその説明を省略する。
例えば図４に二点鎖線で示すようにハウジング１６の内底面４５に凹部５７を設けてもよい。この凹部５７にはグリース等の潤滑剤が充填される。また図６に示すように、凹部５０を環状ではなく、内底面４５から径方向外方へ向けて放射状に延びる複数（図の場合は６本）の直線状に形成してもよい。

その他、本発明のボールジョイントは、ラック軸とタイロッドとを連結する用途以外の用途に用いることができる。

本発明の一実施形態に係るボールジョイントを備えるステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 インナーボールジョイントおよびアウターボールジョイントを含むステアリング装置の一部の断面図である。 本発明の一実施の形態にかかるインナーボールジョイントの概略構成を示す一部断面図である。 インナーボールジョイントの組み立て中の状態を示す一部断面図である。 ハウジングの外観を示す一部切欠斜視図である。 ハウジングの変形例の外観を示す、開口部側から見た正面図である。

符号の説明

１２：ボールジョイント（インナーボールジョイント）、１６：ハウジング、１７：樹脂シート、１８：ボールスタッド、１９：収容室、２１：周壁部、２２：底部、２３：球頭部、５０凹部。

Claims (3)

1. 一端に球頭部を有するボールスタッドと、
   前記球頭部を覆う樹脂シートと、
   前記樹脂シートと球頭部とを収容する収容室を有し、収容室の底は封止され、入口は樹脂シートで覆われた球頭部を収容した後にかしめられて小径とされたハウジングとを備え、
   前記樹脂シートは、収容室の底に対向する底部を有し、その反対側が開口されたカップ状にワンピース形成され、
   前記樹脂シートは、前記底部側に、ボールスタッドの球頭部を収容室の底に押し付ける方向に力が働いたときに前記力を受ける第一受圧領域、前記開口側に、前記球頭部を収容室の外へ抜き出す方向に力が働いたときに前記力を受ける第二受圧領域を有し、
   前記収容室は、前記球頭部を取り囲む筒状の周壁と、前記周壁の軸方向の一端に連なって筒の一端を封止して底を構成する底壁とを含み、前記収容室の底は、前記底壁の一側面である内底面と、前記内底面側から前記周壁の他端側へ向けて開口径が大きくなる略円錐状とされて、前記内底面および周壁の内周面と連なり、かつ前記第一受圧領域に対向するテーパー面とを含み、前記内底面、テーパー面、および内周面のうち前記テーパー面にのみ、前記第一受圧領域との間に空隙を作る凹部が形成されているとともに、
   前記第二受圧領域は、前記収容室の内周面に密接されていることを特徴とするボールジョイント。
2. 請求項１において、前記凹部は、収容室の中心軸線と同心の環状に形成されているボールジョイント。
3. 請求項１において、前記凹部は、前記内底面から径方向外方へ向けて放射状に延びる複数の直線状に形成されているボールジョイント。

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