JP5310713B2

JP5310713B2 - 十字軸自在継手

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Publication number: JP5310713B2
Application number: JP2010293034A
Authority: JP
Inventors: 伸三原
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP2012140999A

Description

本発明は十字軸自在継手、特に、車両用ステアリング装置に組み込まれる十字軸自在継手に関する。

ステアリング装置は、ステアリングホイールの回転をステアリングギヤに伝達するアッパーシャフトとロアーシャフトとの間に、十字軸自在継手を介在させ、同一軸線上にない二つのシャフトの間で、回転トルクを伝達可能にしている。十字軸自在継手は、ヨークの軸受孔に、複数の針状ころを有する針状ころ軸受を介して、十字状に配置された４本の軸部を有する十字軸が回転自在に軸支されている。

このような十字軸自在継手は、十字軸で連結されるヨーク同士のがたつき音の発生を防止するために、十字軸の軸部と針状ころ軸受を締まりばめ嵌合にしている。締まりばめ嵌合にすると、がたつき音の発生を防止することはできるが、針状ころ軸受の回転トルクが大きくなるため、ステアリングホイールを操作するのに要する力が大きなってしまう。また、圧入時の十字軸の軸部や針状ころの傷付きを防止するためには、組み込み速度を遅くする必要があり、また、高い部品精度が必要なため、製造コストが上昇する問題があった。

特許文献１の十字軸自在継手は、外輪と十字軸の軸部との間に針状ころとボールを介挿し、ボールには予圧を付与し、針状ころにはラジアルすきまを付与している。これによって、伝達トルクが小さい時には、外輪と軸部との間でボールのみを介してトルクを伝達し、回転トルクを小さくする。一方、伝達トルクが大きい時には、外輪と軸部との間でボールおよび針状ころを介してトルクを伝達して、高い負荷容量を実現している。

しかし、特許文献１の十字軸自在継手は、伝達トルクを大きくした時に、ボールの弾性限度内で、ボールと針状ころを、外輪と軸部に同時に当接させるためには、各部品を高精度に製造する必要があるため、製造コストが上昇する問題があった。

特開２００７−７８１３６号公報

本発明は、大トルクの伝達が可能で、十字軸で連結されるヨーク同士のがたつき音の発生を防止するとともに、ステアリングホイールを操作するのに要する力を抑制することを可能にした十字軸自在継手を提供することを課題とする。

上記課題は以下の手段によって解決される。すなわち、第１番目の発明は、一対のヨーク、上記一対のヨークに各々形成され、二股状に対向する一対のアーム部、上記一対のアーム部に各々形成され、同一軸線上に配置された一対の軸受孔、および、上記軸受孔に軸受を介して揺動自在に嵌合される軸部を有する十字軸を備えた十字軸自在継手であって、上記軸受は、上記一対の軸受孔に各々内嵌する有底筒状の外輪であって、上記十字軸の軸部の先端面がその底部内面に当接する外輪、上記外輪の内周面と上記十字軸の軸部外周面との間に介挿され、軸部外周面を環状に取り囲む針状ころ、上記十字軸の軸部各外周面に形成された複数個の環状のＯリング溝、および、上記Ｏリング溝に外嵌され、上記針状ころと上記十字軸の軸部外周面との間のすきまに締まりばめ嵌合で介挿された弾性材料製のＯリングを備えた軸受であり、伝達トルクが小さいときには、上記針状ころは弾性材料製の上記Ｏリングを介して回転し、伝達トルクが大きいときには、上記Ｏリングが弾性変形し、上記針状ころが上記軸部の外周面に当接して回転するものであることを特徴とする十字軸自在継手である。

本発明の十字軸自在継手は、軸受孔に各々内嵌する有底筒状の外輪と、外輪の内周面と十字軸の軸部外周面との間に介挿され、軸部外周面を環状に取り囲む針状ころと、針状ころと外輪の内周面との間のすきま、または、針状ころと十字軸の軸部外周面との間のすきまに締まりばめ嵌合で介挿された弾性部材とから構成されている。

従って、伝達トルクが小さい時には、針状ころは弾性部材を介して回転するため、軸部のがたつき音の発生が防止され、軸部の回転トルクを抑制することができる。また、伝達トルクが大きくなると、弾性部材が弾性変形して圧縮され、軸部は、高剛性材料製の針状ころを介して回転するため、大きな伝達トルクを伝えることができる。

本発明の十字軸自在継手を有するステアリング装置の全体を示し、一部を断面した正面図であって、電動パワーステアリング装置に適用した実施例を示す。本発明の実施例１の十字軸自在継手の一部を断面した側面図である。図２の十字軸自在継手の十字軸近傍の拡大断面図である。図３の十字軸の軸部の拡大断面図である。本発明の実施例２の十字軸の軸部の拡大断面図である。本発明の実施例３の十字軸の軸部の拡大断面図である。本発明の実施例４の十字軸の軸部の拡大断面図である。本発明の実施例５の十字軸の軸部の拡大断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施例１から実施例５を説明する。

図１は、本発明の十字軸自在継手を有するステアリング装置の全体を示し、一部を断面した正面図であって、電動パワーステアリング装置に適用した実施例を示す。

図１に示すように、本発明の十字軸自在継手を有するステアリング装置は、車体後方側（図１の右側）にステアリングホイール１１を装着可能なステアリングシャフト１２と、このステアリングシャフト１２を挿通したステアリングコラム１３と、このステアリングシャフト１２に補助トルクを付与する為のアシスト装置（操舵補助部）２０と、このステアリングシャフト１２の車体前方側（図１の左側）に、図示しないラック／ピニオン機構を介して連結されたステアリングギヤ３０とを備える。

ステアリングシャフト１２は、雌ステアリングシャフト１２Ａと雄ステアリングシャフト１２Ｂとを、回転トルクを伝達可能に、かつ軸方向に関して相対移動可能にスプライン嵌合している。従って、上記雌ステアリングシャフト１２Ａと雄ステアリングシャフト１２Ｂとは、衝突時に、このスプライン嵌合部が相対移動して、全長を縮めることができる。

また、上記ステアリングシャフト１２を挿通した筒状のステアリングコラム１３は、アウターコラム１３Ａとインナーコラム１３Ｂとをテレスコピック移動可能に組み合わせており、衝突時に軸方向の衝撃が加わった場合に、この衝撃によるエネルギを吸収しつつ全長が縮まる、所謂コラプシブル構造としている。

そして、上記インナーコラム１３Ｂの車体前方側端部を、ギヤハウジング２１の車体後方側端部に圧入嵌合して固定している。また、上記雄ステアリングシャフト１２Ｂの車体前方側端部を、このギヤハウジング２１の内側に通し、アシスト装置２０の図示しない入力軸の車体後方側端部に連結している。

ステアリングコラム１３は、その中間部を支持ブラケット１４により、ダッシュボードの下面等、車体１８の一部に支承している。また、この支持ブラケット１４と車体１８との間に、図示しない係止部を設けて、この支持ブラケット１４に車体前方側に向かう方向の衝撃が加わった場合に、この支持ブラケット１４が上記係止部から外れ、車体前方側に移動するようにしている。

また、上記ギヤハウジング２１の上端部も、上記車体１８の一部に支承している。また、本実施例の場合には、チルト機構及びテレスコピック機構を設けることにより、上記ステアリングホイール１１の車体前後方向位置、及び、高さ位置の調節を自在としている。このようなチルト機構及びテレスコピック機構は、従来から周知であり、本発明の特徴部分でもない為、詳しい説明は省略する。

上記ギヤハウジング２１の車体前方側端面から突出した出力軸２３は、十字軸自在継手１５を介して、中間シャフト１６の後端部に連結している。また、この中間シャフト１６の前端部に、別の十字軸自在継手１５を介して、ステアリングギヤ３０の入力軸３１を連結している。中間シャフト１６は、雄中間シャフト（雄シャフト）１６Ａの車体前方側に、雌中間シャフト（雌シャフト）１６Ｂの車体後方側が外嵌し、回転トルクを伝達可能に、かつ、軸方向に関して相対移動可能に嵌合している。

図示しないピニオンが、入力軸３１に結合している。また、図示しないラックが、このピニオンに噛み合っており、ステアリングホイールの回転が、タイロッド３２を移動させて、図示しない車輪を操舵する。

アシスト装置２０のギヤハウジング２１には、電動モータ２６のケース２６１が固定され、この電動モータ２６の図示しない回転軸にウォームが結合されている。出力軸２３には図示しないウォームホイールが取り付けられ、このウォームホイールに電動モータ２６の回転軸のウォームが噛合っている。

また、出力軸２３の中間部の周囲には、図示しないトルクセンサが設けられている。上記ステアリングホイール１１からステアリングシャフト１２に加えられるトルクの方向と大きさを、トルクセンサで検出し、この検出値に応じて、電動モータ２６を駆動し、ウォームとウォームホイールから成る減速機構を介して、出力軸２３に、所定の方向に所定の大きさで補助トルクを発生させる。

図２は本発明の実施例１の十字軸自在継手の一部を断面した側面図、図３は図２の十字軸自在継手の十字軸近傍の拡大断面図、図４は図３の十字軸の軸部の拡大断面図である。図２から図４に示すように、十字軸自在継手１５は、先端が二股状に分かれたアーム部を有する一対のヨーク４、４の間に、十字状の十字軸５が介装してある。すなわち、ヨーク４の軸受孔４１に、軸受６を介して、十字軸５両端の軸部５１、５１が揺動自在に嵌合している。

軸受６の外輪６１は、有底筒状（円筒カップ状）の金属製で、軸受孔４１に締まりばめ嵌合する筒状部６２と、図４で見て、筒状部６２の上端に閉鎖して形成された底部６３と、筒状部６２の下端に形成され、開放した内向き折り曲げ部６４で構成されている。

この筒状部６２の内周面（内側転動面）６２１と、軸部５１の外周面５１１との間には、針状ころ７が介挿されている。針状ころ７は、軸受鋼（ＳＵＪ２）、ステンレス鋼、耐熱鋼、セラミックス等の高剛性材料で形成され、内周面６２１と軸部５１の外周面５１１との間にすきまばめ嵌合で介挿され、外周面５１１を環状に取り囲んで配置されている。

軸部５１の外周面５１１には、２個の環状のＯリング溝５１３、５１３が形成され、このＯリング溝５１３、５１３に、弾性材料製のＯリング（弾性部材）８１、８１が外嵌されている。Ｏリング８１、８１は、合成ゴム等の弾性体の材料で形成され、針状ころ７と軸部５１の外周面５１１との間に、締まりばめ嵌合で介挿されている。また、軸部５１の先端面５１２が底部６３の底部内面６３１に当接して、大きなトルクを伝達可能にしている。

伝達トルクが小さい時には、軸部５１が回転すると、針状ころ７は弾性材料製のＯリング８１、８１を介して回転する。針状ころ７は、軸部５１の外周面５１１との間にＯリング８１、８１を介して締まりばめ嵌合で介挿されているため、軸部５１のがたつき音の発生が防止される。また、針状ころ７が、軸部５１の外周面５１１との間にＯリング８１、８１を介して締まりばめ嵌合で介挿していても、Ｏリング８１、８１が弾性材料製であるため、軸部５１の回転トルクを抑制することができ、ステアリングホイール１１を操作するのに要する力が抑制される。

伝達トルクが大きくなると、Ｏリング８１、８１が弾性変形し、針状ころ７が内周面６２１と軸部５１の外周面５１１に同時に当接し、軸部５１は針状ころ７を介して回転する。

針状ころ７は高剛性材料製であるため、大きな伝達トルクを伝えることができる。また、Ｏリング８１、８１が弾性材料製であるため、軸部５１を外輪６１に圧入するのが容易で、圧入時の軸部５１の傷付きを防止することができる。さらに、伝達トルクが元に戻って小さくなると、Ｏリング８１、８１の弾性変形が元に戻り、針状ころ７の締まりばめ嵌合が維持されるため、軸部５１のがたつき音の発生はない。

次に本発明の実施例２について説明する。図５は本発明の実施例２の十字軸の軸部の拡大断面図である。以下の説明では、上記実施例と異なる構造部分と作用についてのみ説明し、重複する説明は省略する。

実施例２は、針状ころ７と十字軸５の軸部５１の外周面５１１との間のすきまに、環状の弾性材料製の薄板を介挿した例である。すなわち、図５に示すように、実施例２においても、外輪６１の筒状部６２の内周面６２１と軸部５１の外周面５１１との間には、高剛性材料製の針状ころ７が介挿されている。針状ころ７は、内周面６２１と軸部５１の外周面５１１との間にすきまばめ嵌合で介挿され、外周面５１１を環状に取り囲んで配置されている。

実施例２では、針状ころ７と軸部５１の外周面５１１との間のすきまに、環状の弾性材料製の薄板（弾性部材）８２が介挿されている。環状の弾性材料製の薄板８２は、合成ゴム等の弾性体の材料で形成され、針状ころ７と軸部５１の外周面５１１との間に、締まりばめ嵌合で介挿されている。また、軸部５１の先端面５１２が底部６３の底部内面６３１に当接して、大きなトルクを伝達可能にしている。

実施例２においても、伝達トルクが小さい時には、軸部５１が回転すると、針状ころ７は環状の弾性材料製の薄板８２を介して回転する。針状ころ７は、軸部５１の外周面５１１との間に環状の弾性材料製の薄板８２を介して締まりばめ嵌合で介挿されているため、軸部５１のがたつき音の発生が防止される。また、針状ころ７が、軸部５１の外周面５１１との間に環状の弾性材料製の薄板８２を介して締まりばめ嵌合で介挿していても、環状の弾性材料製の薄板８２が弾性材料製であるため、軸部５１の回転トルクを抑制することができ、ステアリングホイール１１を操作するのに要する力が抑制される。

伝達トルクが大きくなると、環状の弾性材料製の薄板８２が弾性変形して圧縮され、針状ころ７が内周面６２１と軸部５１の外周面５１１に強く押し付けられ、軸部５１は環状の弾性材料製の薄板８２とともに針状ころ７を介して回転する。

針状ころ７は高剛性材料製であるため、大きな伝達トルクを伝えることができる。また、環状の弾性材料製の薄板８２が弾性材料製であるため、軸部５１を外輪６１に圧入するのが容易で、圧入時の軸部５１の傷付きを防止することができる。さらに、伝達トルクが元に戻って小さくなると、環状の弾性材料製の薄板８２の弾性変形が元に戻り、針状ころ７の締まりばめ嵌合が維持されるため、軸部５１のがたつき音の発生はない。

次に本発明の実施例３について説明する。図６は本発明の実施例３の十字軸の軸部の拡大断面図である。以下の説明では、上記実施例と異なる構造部分と作用についてのみ説明し、重複する説明は省略する。

実施例３は、針状ころ７と外輪６１の筒状部６２の内周面６２１との間のすきまに、環状の弾性材料製の薄板を介挿した例である。すなわち、図６に示すように、実施例３においても、外輪６１の筒状部６２の内周面６２１と軸部５１の外周面５１１との間には、高剛性材料製の針状ころ７が介挿されている。針状ころ７は、内周面６２１と軸部５１の外周面５１１との間にすきまばめ嵌合で介挿され、外周面５１１を環状に取り囲んで配置されている。

実施例３では、針状ころ７と筒状部６２の内周面６２１との間のすきまに、環状の弾性材料製の薄板（弾性部材）８３が介挿されている。環状の弾性材料製の薄板８３は、合成ゴム等の弾性体の材料で形成され、針状ころ７と筒状部６２の内周面６２１との間に、締まりばめ嵌合で介挿されている。また、軸部５１の先端面５１２が底部６３の底部内面６３１に当接して、大きなトルクを伝達可能にしている。

実施例３においても、伝達トルクが小さい時には、軸部５１が回転すると、針状ころ７は環状の弾性材料製の薄板８３を介して回転する。針状ころ７は、筒状部６２の内周面６２１との間に環状の弾性材料製の薄板８３を介して締まりばめ嵌合で介挿されているため、軸部５１のがたつき音の発生が防止される。また、針状ころ７が、筒状部６２の内周面６２１との間に環状の弾性材料製の薄板８３を介して締まりばめ嵌合で介挿していても、環状の弾性材料製の薄板８３が弾性材料製であるため、軸部５１の回転トルクを抑制することができ、ステアリングホイール１１を操作するのに要する力が抑制される。

伝達トルクが大きくなると、環状の弾性材料製の薄板８３が弾性変形して圧縮され、針状ころ７が内周面６２１と軸部５１の外周面５１１に強く押し付けられ、軸部５１は針状ころ７を介して回転する。

針状ころ７は高剛性材料製であるため、大きな伝達トルクを伝えることができる。また、環状の弾性材料製の薄板８３が弾性材料製であるため、軸部５１を外輪６１に圧入するのが容易で、圧入時の軸部５１の傷付きを防止することができる。さらに、伝達トルクが元に戻って小さくなると、環状の弾性材料製の薄板８３の弾性変形が元に戻り、針状ころ７の締まりばめ嵌合が維持されるため、軸部５１のがたつき音の発生はない。

次に本発明の実施例４について説明する。図７は本発明の実施例４の十字軸の軸部の拡大断面図である。以下の説明では、上記実施例と異なる構造部分と作用についてのみ説明し、重複する説明は省略する。

実施例４は、弾性材料製の微粉体を添加した潤滑グリースを軸受６に充填した例である。すなわち、図７に示すように、実施例４においても、外輪６１の筒状部６２の内周面６２１と軸部５１の外周面５１１との間には、高剛性材料製の針状ころ７が介挿されている。針状ころ７は、内周面６２１と軸部５１の外周面５１１との間にすきまばめ嵌合で介挿され、外周面５１１を環状に取り囲んで配置されている。

実施例４では、弾性材料製の微粉体を添加した潤滑グリース（弾性部材）を、軸受６の外輪６１の内部に充填している。また、軸部５１の先端面５１２が底部６３の底部内面６３１に当接して、大きなトルクを伝達可能にしている。

実施例４では、鉱油からなる基油とリチウム石鹸からなる増ちょう剤を用いたベースグリースに対し、平均粒径が５μｍのシリコーンゴムの微粉体を１０ｗｔ％以上添加した潤滑グリースを充填している。実施例４では、内周面６２１と軸部５１の外周面５１１と針状ころ７との間の隙間を２０μｍに設定している。平均粒径が５μｍの微粉体では、粒径分布は１〜１０μｍとなるため、粒径分布の最大値が、内周面６２１と軸部５１の外周面５１１と針状ころ７との間の隙間の寸法よりも小さくなるように設定している。平均粒径を隙間の寸法よりも小さくすることで、軸部５１が回転した時に、微粉体が排除されることを防ぐことができる。

実施例４においても、伝達トルクが小さい時には、軸部５１が回転すると、軸部５１、針状ころ７は、弾性材料製の微粉体を添加した潤滑グリースを潤滑剤として回転する。弾性材料製の微粉体が添加されているため、軸部５１のがたつき音の発生が防止される。また、軸部５１の回転トルクを抑制することができ、ステアリングホイール１１を操作するのに要する力が抑制される。

伝達トルクが大きくなると、弾性材料製の微粉体が弾性変形して圧縮され、針状ころ７が内周面６２１と軸部５１の外周面５１１に強く押し付けられ、軸部５１は針状ころ７を介して回転する。

針状ころ７は高剛性材料製であるため、大きな伝達トルクを伝えることができる。また、針状ころ７は、内周面６２１と軸部５１の外周面５１１との間にすきまばめ嵌合であるため、軸部５１を外輪６１に圧入するのが容易で、圧入時の軸部５１の傷付きを防止することができる。

次に本発明の実施例５について説明する。図８は本発明の実施例５の十字軸の軸部の拡大断面図である。以下の説明では、上記実施例と異なる構造部分と作用についてのみ説明し、重複する説明は省略する。

実施例５は、十字軸５の軸部５１の外周面５１１にＤＬＣ膜を被覆した例である。すなわち、図８に示すように、実施例５においても、外輪６１の筒状部６２の内周面６２１と軸部５１の外周面５１１との間には、高剛性材料製の針状ころ７が介挿されている。針状ころ７は、内周面６２１と軸部５１の外周面５１１との間に締まりばめ嵌合で介挿され、外周面５１１を環状に取り囲んで配置されている。

実施例５では、軸部５１の外周面５１１に、ハッチングで示すＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜８４を被覆している。ＤＬＣ膜８４の厚さは、０．０５〜２μｍ程度が好ましい。軸受６には、潤滑グリースを充填しても良いし、また、充填しなくても良い。軸部５１の先端面５１２が底部６３の底部内面６３１に当接して、大きなトルクを伝達可能にしている。

実施例５においても、伝達トルクが小さい時には、軸部５１が回転すると、軸部５１と針状ころ７は、ＤＬＣ膜８４を介して回転する。針状ころ７は、内周面６２１と軸部５１の外周面５１１との間に締まりばめ嵌合で介挿されているため、軸部５１のがたつき音の発生が防止される。また、ＤＬＣ膜８４は摺動抵抗が極めて小さいため、軸部５１の回転トルクを抑制することができ、ステアリングホイール１１を操作するのに要する力が抑制される。伝達トルクが大きくなった時も、伝達トルクが小さい時と同様に、軸部５１のがたつき音の発生が防止され、軸部５１の回転トルクを抑制することができ、ステアリングホイール１１を操作するのに要する力が抑制される。

上記実施例では、車両用ステアリング装置に使用される十字軸自在継手に本発明を適用した例について説明したが、動力伝達軸に使用される十字軸自在継手に適用してもよい。また、上記実施例では、アシスト装置２０を有する車両用ステアリング装置に使用される十字軸自在継手に本発明を適用した例について説明したが、アシスト装置２０の無い車両用ステアリング装置に適用してもよい。

１１ステアリングホイール
１２ステアリングシャフト
１２Ａ雌ステアリングシャフト
１２Ｂ雄ステアリングシャフト
１３ステアリングコラム
１３Ａアウターコラム
１３Ｂインナーコラム
１４支持ブラケット
１５十字軸自在継手
１６中間シャフト
１６Ａ雄中間シャフト
１６Ｂ雌中間シャフト
１８車体
２０アシスト装置
２１ギヤハウジング
２３出力軸
２６電動モータ
２６１ケース
３０ステアリングギヤ
３１入力軸
３２タイロッド
４ヨーク
４１軸受孔
５十字軸
５１軸部
５１１外周面
５１２先端面
５１３Ｏリング溝
６軸受
６１外輪
６２筒状部
６２１内周面（内側転動面）
６３底部
６３１底部内面
６４内向き折り曲げ部
７針状ころ
８１Ｏリング（弾性部材）
８２環状の弾性材料製の薄板（弾性部材）
８３環状の弾性材料製の薄板（弾性部材）
８４ＤＬＣ膜

Claims

一対のヨーク、
上記一対のヨークに各々形成され、二股状に対向する一対のアーム部、
上記一対のアーム部に各々形成され、同一軸線上に配置された一対の軸受孔、および、
上記軸受孔に軸受を介して揺動自在に嵌合される軸部を有する十字軸
を備えた十字軸自在継手であって、
上記軸受は、
上記一対の軸受孔に各々内嵌する有底筒状の外輪であって、上記十字軸の軸部の先端面がその底部内面に当接する外輪、
上記外輪の内周面と上記十字軸の軸部外周面との間に介挿され、軸部外周面を環状に取り囲む針状ころ、
上記十字軸の軸部各外周面に形成された複数個の環状のＯリング溝、および、
上記Ｏリング溝に外嵌され、上記針状ころと上記十字軸の軸部外周面との間のすきまに締まりばめ嵌合で介挿された弾性材料製のＯリング
を備えた軸受であり、
伝達トルクが小さいときには、上記針状ころは弾性材料製の上記Ｏリングを介して回転し、伝達トルクが大きいときには、上記Ｏリングが弾性変形し、上記針状ころが上記軸部の外周面に当接して回転するものであること
を特徴とする十字軸自在継手。