JP5658045B2

JP5658045B2 - ヨークとシャフトの接合構造

Info

Publication number: JP5658045B2
Application number: JP2011008180A
Authority: JP
Inventors: 暢関口; 高広眞庭
Original assignee: Yamada Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Apic Yamada Corp
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2031-01-18
Also published as: JP2012149693A

Description

本発明は、ステアリング装置を構成するヨークとシャフトとを金属接合したものを極めて簡易な構造で、且つ極めて小形の状態で良好な接合強度を得ることができるヨークとシャフトの接合構造
に関する。

従来、シャフトとヨークとを溶接等の金属接合によって接合する構造が開示されている。従来技術である特許文献１（特開２００３−６５３５１）では、出力軸13と出力軸ヨーク14とを摩擦溶接によって接合している〔特許文献１の図６参照〕。出力軸13は、中空円筒状の均一径の本体の内周面に、セレーション19が形成され、前記本体の一端部13ａに拡径部30が一体に設けられている〔特許文献１の図（５）参照〕。拡径部30は、本体よりも肉厚に形成されている。

この拡径部30は、円筒状に形成され、外周面30ａが略平坦な円形面に形成されている。出力軸13と出力軸ヨーク14は、回転を伝達する軸及び該軸同士を連結する自在継手であり、回転トルクを確実に伝達するため、出力軸13に本体よりも肉厚な拡径部30を形成し、出力軸ヨーク14の基端部20に対する溶接面積を大きくすることで接合強度を高めている。

特開２００３−６５３５１

特許文献１の出力軸13を拡径すると、出力軸ヨーク14の基端部20も、拡開部30に合わせて径を大きく形成する必要があり、出力軸13及び出力軸ヨーク14のサイズが増大し、重量が増え、ステアリング装置全体が大型化してしまう。シャフトとヨークが大型化すると、他の部品との干渉を避ける構造とする為の考慮が必要になる等、設計の自由度が少なくなる。本発明の目的（解決しようとする技術的課題）は、摩擦接合された部材同士の接合箇所における曲げ荷重及び回転方向の強度を高め、しかも接合箇所の小径化を実現し、ひいてはコンパクトで大きなトルク伝達を可能とすることにある。

そこで、発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、二股状部と円筒状管部とからなるヨークと、該ヨークの円筒状管部に金属接合される軸端部を有するシャフトと、前記ヨークの円筒状管部と前記シャフトの軸端部との接合部を跨ぐように装着されるカラー材とからなり、前記ヨークの円筒状管部には外周に沿って複数の窪み部が形成され、前記シャフトの軸端部には外周に沿って複数の窪み部が形成され、前記カラー材は、前記円筒状管部及び前記軸端部との接合部の外周側に配置されると共に前記円筒状管部と前記軸端部に形成された窪み部箇所に係止される変形部が前記カラー材にカシメにより形成され、前記カラー材は、前記ヨークの円筒状管部及び前記シャフトの軸端部に対して周方向に回転不能に固定されてなるヨークとシャフトの接合構造としたことにより、上記課題を解決したものである。

請求項２の発明を、二股状部と円筒状管部とからなるヨークと、該ヨークの円筒状管部に摩擦接合される軸端部を有する中空のシャフトと、前記ヨークの円筒状管部と前記シャフトの軸端部との接合部を跨ぐように装着されるカラー材とからなり、前記ヨークの前記二股状部は二つの腕状片から構成され、該腕状片には肉厚基部が形成され、前記円筒状管部には軸方向に沿って貫通孔が形成され、前記円筒状管部の内周で且つ肉厚基部箇所と、前記シャフトの軸端部の内周には、前記接合部に亘って軸方向に沿う被嵌合溝部が設けられ、前記カラー材の外周には、軸方向に沿って前記被嵌合溝部に嵌合する嵌合突起条が形成され、該カラー材の嵌合突起条が前記被嵌合溝部に嵌合されてなるヨークとシャフトの接合構造としたことにより、上記課題を解決したものである。

請求項３の発明を、二股状部と円筒状管部とからなるヨークと、該ヨークの円筒状管部に摩擦接合される軸端部を有する中空のシャフトと、前記ヨークの円筒状管部と前記シャフトの軸端部との接合部を跨ぐように装着されるカラー材とからなり、前記ヨークの前記二股状部は二つの腕状片から構成され、該腕状片には肉厚基部が形成され、前記円筒状管部には軸方向に沿って貫通孔が形成され、前記円筒状管部及び前記軸端部の内周は軸方向に直交する断面形状が前記肉厚基部箇所を長辺とする楕円形状に形成され、前記カラー材の外周は軸方向に直交する断面形状が楕円形状に形成され、前記カラー材の外周が、前記ヨークの円筒状管部及び前記シャフトの軸端部の内周に嵌合されてなるヨークとシャフトの接合構造としたことにより、上記課題を解決したものである。

請求項1の発明では、ヨークの円筒状管部とシャフトの軸端部とが金属接合され、カラー材は前記円筒状管部及び軸端部の軸方向に沿って接合部を跨ぐように装着され、前記円筒状管部と前記軸端部に対してカラー材が周方向に回転不能に固定されているので、シャフトとヨークとの接合部における曲げ荷重に対する強度が高められ、剛性を向上させることができる。

また、前記カラー材が、接合部を跨ぐように装着されるので、シャフトとヨークとの接合部における回転方向に対する強度が高められ、シャフト及びヨークを大径化または肉厚化することなく、回転トルクを確実に伝達することができる。また、ヨークとシャフトに、カラー材のみを加えることにより、部品点数１点のみの追加で済み、安価にシャフトとヨークの接合部の強度を高めることができる。さらに、カラー材をヨークの円筒状管部と、シャフトとの金属接合による接合部を外周側より覆うようにして配置し、円筒状管部とシャフトの軸端部にそれぞれ形成された窪み部に係止する、変形突起をカシメにより形成することで、極めて簡単に接合部の強度を向上させることができる。

請求項２の発明では、前記円筒状管部及び前記軸端部の内周には、接合部を亘って軸方向に沿う被嵌合溝部が形成され、カラー材の外周には前記被嵌合溝部に嵌合する嵌合突起条が形成されているので、シャフトとヨークとの接合部を周方向に係止することができ、接合部における回転方向の強度が高められる。またカラー材は、シャフト及びヨークの円筒状管部のそれぞれの内周側に装着されるので、接合箇所における小径化が容易にでき、コンパクトで大きなトルク伝達が可能となる。

請求項３の発明では、前記円筒状管部及び前記シャフトの軸端部の内周面及び前記カラー材の外周面の断面は楕円形状としているので、カラー材の外周面に突起等の加工を何ら形成することなく、極めて簡単な形状のカラー材にてシャフトとヨークの接合部を周方向に係止することができ、ヨークとシャフトとの周方向における接合を強固にすることができる。

（Ａ）は本発明の第１実施形態の縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＹ1−Ｙ1矢視断面図、（Ｃ）は第１実施形態の一部切除した要部斜視図、（Ｄ）は（Ｃ）の分解斜視図、（Ｅ）は（Ｄ）のＹ2−Ｙ2矢視断面図、（Ｆ）は（Ｄ）のＹ3−Ｙ3矢視断面図である。（Ａ）乃至（Ｃ）は第１実施形態の組付工程を示す一部断面にした側面図である。（Ａ）は本発明の第２実施形態の一部切除した要部の分解斜視図、（Ｂ）本発明の第２実施形態の縦断側面図、（Ｃ）は（Ｂ）のＹ4−Ｙ4矢視断面図、（Ｄ）は（Ｂ）のＹ5−Ｙ5矢視断面図である。（Ａ）は本発明の第３実施形態の一部断面にした側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＹ6−Ｙ6矢視拡大端面図、（Ｃ），（Ｄ）は第３実施形態の組付工程を示す一部断面にした側面図、（Ｅ）は（Ｃ）のＹ7−Ｙ7矢視拡大端面図、（Ｆ），（Ｇ）は金属接合部の窪み部にカラー材をカシメにより固定する工程を示す一部拡大断面図、（Ｈ）は第３実施形態のカラー材を除いた要部斜視図、（Ｊ）は第３実施形態の接合完了した要部斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明におけるヨークとシャフトは、自動車のステアリング装置を構成するものであって、ステアリングコラムに装着され、ステアリングホィールによる回転を伝達する中間軸部材である。本発明の構成は、図１に示すように、ヨークＡと、シャフト３と、カラー材５である。

本発明には、複数の実施形態が存在し、まず第１実施形態から説明する。ヨークＡは、二股状部１と、円筒状管部２とから構成される。二股状部１は２本の腕状片１１，１１とから構成されたものであり、両腕状片１１，１１にはそれぞれ連結用貫通孔１１１が形成されている。円筒状管部２は、短管形状に形成され〔図１（Ａ），（Ｄ），（Ｃ），図２（Ａ）等参照〕、軸方向に沿って貫通孔２１が形成されている。両腕状片１１，１１は、円筒状管部２の軸方向一端側の外周側面より直径方向両側の外方側に向かって一旦突出するようにして肉厚基部１１ａ，１１ａが形成され〔図１（Ｄ）参照〕、さらに円筒状管部２の軸方向に沿って延在するように形成されている。二股状部１と円筒状管部２とは、一体成形される。

前記シャフト３は、中空管であり、軸方向に沿って、接合側より軸端部３ｊと軸本体部３ｏとから構成されている。シャフト３は、軸方向全体に亘って、直交する断面は全て円形状である。シャフト３の軸方向に沿って貫通孔３１が形成されている。前記軸本体部３ｏの貫通孔３１の内周側にはセレーション３３が形成されている。軸端部３ｊの内周面には前記セレーション３３は形成されない（図２参照）。

ヨークＡの円筒状管部２の管端面と、シャフト３の軸端部３ｊの端面同士が金属接合によって接合されている。金属接合とは、例えば溶接、摩擦接合などである。さらに、溶接では、例えば突合せ溶接、レーザー溶接などが挙げられる。本発明では、後者の摩擦接合によってシャフトの端部とヨークの軸部とを金属接合した例を挙げる。

なお、摩擦接合は、摩擦溶接のことであり、以下摩擦溶接と称する。ヨークＡの円筒状管部２の管端面と、シャフト３の軸端部３ｊの端面同士が接触されて、加圧しながら相対的に回転させる。その時の摩擦によって生じた発熱によって、端部同士が溶解融合して接合される。この摩擦溶接による接合部を摩擦溶接部Ｊと称する。

前記円筒状管部２とシャフト３の軸端部３ｊの内周面、外周面共にカール状のバリが発生するものであり、接合後、ヨークＡの円筒状管部２の貫通孔２１と、シャフト３の貫通孔３１との内周面に切削加工が施され、内周面に発生したバリが除去される。そしてヨークＡの円筒状管部２の貫通孔２１と、シャフト３の軸端部３ｊの貫通孔３１の内径が等しく形成される。その後、摩擦溶接部Ｊの外周面に発生したバリは切削加工されて除去される。

前記ヨークＡとシャフト３との摩擦溶接部Ｊには、カラー材５が装着され、摩擦溶接部Ｊの強度を向上させている。すなわち、カラー材５は、前記ヨークＡの円筒状管部２と、前記シャフト３の軸端部３ｊに対して周方向に回転不能に固定され、これによって、ヨークＡとシャフト３の接合部の周方向及び曲げ方向に対する強度を強固なものにする。このカラー材５による摩擦溶接部Ｊの補強構造には、複数の実施形態が存在する。

ここで、第１実施形態における貫通孔２１及び３１は、その軸方向に直交する断面形状が円形であるが、さらに、円形に近い僅かに楕円として形成されたものも含まれる。そして、ヨークＡの円筒状管部２の貫通孔２１と、シャフト３の貫通孔３１の内周面は、摩擦溶接部Ｊによって、段差が生じることなく、同一内径で摩擦溶接部Ｊを軸方向に沿って同一平面となっている〔図２（Ｂ）参照〕。

そして、摩擦溶接によって接合された円筒状管部２の貫通孔２１と、シャフト３の軸端部３ｊの貫通孔３１におけるそれぞれの内周面には被嵌合溝部４が形成される〔図１（Ａ），（Ｄ），（Ｅ）参照〕。被嵌合溝部４は、円筒状管部２の内周面における水平直径方向の両側面に形成される。被嵌合溝部４は、円筒状管部２とシャフト３との摩擦溶接部Ｊを亘って、円筒状管部２と、シャフト３の両方に形成される。

被嵌合溝部４は、摩擦溶接部Ｊの箇所においても、ズレがなく一直線に形成されている。ヨークＡの円筒状管部２の内周面において、前述したように二股状部１を構成する腕状片１１，１１のそれぞれの肉厚基部１１ａ，１１ａは、肉厚部として形成されているので、この肉厚箇所に被嵌合溝部４が形成されることが強度上、最も好ましいものである〔図１（Ｄ）参照〕。

カラー材５は、円筒形状に形成されたもので、金属製で、例えば鋼鉄製、軽金属製などである。そして、カラー材５の外周面には、幅方向両側に軸方向全長に亘って、嵌合突起条５１が形成されている〔図１（Ｄ），（Ｆ）参照〕。カラー材５は、前記ヨークＡの貫通孔２１及びシャフト３の貫通孔３１に圧入される。カラー材５の外径は、前記ヨークＡの貫通孔２１及びシャフト３の貫通孔３１の内径よりも僅かに大きく形成されている。すなわち、カラー材４と貫通孔２１（３１）とはしまり嵌めとなる関係にある。

前記カラー材５は、摩擦溶接されたヨークＡの円筒状管部２内周面及びシャフト３の軸端部３ｊの内周面に亘って圧入される〔図１（Ａ）参照〕。この時、カラー材５の外周面に形成された嵌合突起条５１が、円筒状管部２及びシャフト３の内周面に形成された被嵌合溝部４に嵌合される。カラー材５の軸方向長さは、ヨークＡの円筒状管部２の軸方向長さとシャフト３の軸端部３ｊの軸方向長さを合わせた長さと、略同等である〔図１（Ａ）参照〕。

カラー材５の嵌合突起条５１と、ヨークＡとシャフト３に形成された被嵌合溝部４とが嵌合することにより、シャフト３とヨークＡとが周方向に嵌合され、曲げ荷重に対する強度が高められる。また、カラー材５によって、シャフト３とヨークＡの内周面が周方向に係止されることにより、シャフト３とヨークＡの回転方向の強度が高められ、シャフト３及びヨークＡを大径化または肉厚化することなく、回転トルクを確実に伝達することができる。

また、カラー材５により摩擦溶接部Ｊの強度が高められ、シャフト３とヨークＡとが相対的に回転することを防止することができる。カラー材５が補強材の役目をなすことで、ヨークＡの円筒状管部２及びシャフト３の軸端部３ｊの小径化が容易にでき、また摩擦溶接部Ｊの長さを短縮でき、コンパクトで大きなトルク伝達が可能となる。また、前記被嵌合溝部４は直径方向において対称位置となるように２個形成され、且つカラー材５には、前記被嵌合溝部４に対応する位置となるように嵌合突起条５１が２個形成される構成とすることにより、２個の嵌合突起条５１とこの２個の嵌合突起条５１に対応する被嵌合溝部４によって、ヨークＡとシャフト３との回転方向における接合力をより一層強固な構造にすることができる。

次に、本発明の第２実施形態では、ヨークＡの円筒状管部２の貫通孔２１及びシャフト３の軸端部３ｊの貫通孔３１の内周面の軸方向に直交する断面は、幅方向両側が長辺となる楕円形状に加工形成される〔図３（Ｃ）参照〕。前記幅方向両側とは、二股状部１の腕状片１１，１１が配置されている位置に対応する位置である。ヨークＡの円筒状管部２の内周面において、両腕状片１１，１１の肉厚基部１１ａ，１１ａが形成されている位置は肉厚部として形成されているので、この肉厚箇所を長辺となる楕円形状に加工することが強度上、最も好ましい。

カラー材５は外周面が断面楕円形状に形成され、内周面は断面円形状に形成されている〔図３（Ａ），（Ｄ）参照〕。具体的には、前記貫通孔２１及び貫通孔３１の内周面に対応する幅方向両側が長辺となる断面楕円形状に形成される。これにより、カラー材５の幅方向両側は肉厚部となり、カラー材５の強度が向上する。カラー材５は、前記摩擦溶接部Ｊを跨るようにしてヨークＡの円筒状管部２の内周面及びシャフト３の軸端部３ｊの内周面に亘って圧入される。

前記貫通孔２１及び貫通孔３１が断面楕円形状とした内周面に外周面が断面楕円形状のカラー材５が嵌合することにより、シャフト３とヨークＡは周方向に係止され、曲げ荷重に対する強度が高められる。また、カラー材５の内周面は、前記貫通孔２１及び貫通孔３１の内周面に対応する幅方向両側が肉厚になれば、断面楕円形状でも良い。なお、第１実施形態及び第２実施形態においては、前記摩擦溶接部Ｊの強度を高めるため、外周側に発生したバリを少し残しておいてもよい。

本発明の第３実施形態では、ヨークＡの円筒状管部２の外周面には周方向に沿って複数の窪み部２２，２２，…が等間隔に形成されている。また、シャフト３の軸端部３ｊの外周面には、周方向に沿って複数の窪み部３２，３２，…が形成されている〔図４（Ｃ）乃至（Ｄ）参照〕。また、第３実施形態において、円筒状管部２とシャフト３の外径は等しく形成されている。窪み部２２，２２，…及び窪み部３２，３２，…は、それぞれ４個以上形成されることが好ましい。

ヨークＡの円筒状管部２と、シャフト３の軸端部３ｊとは、第１及び第２実施形態と同様に摩擦溶接によって接合され、その接合部を摩擦溶接部Ｊとしている〔図４（Ｈ）参照〕。カラー材５は、円筒形状に形成されており、その内径はシャフト３の外径よりも大きく形成されている。カラー材５は、シャフト３の外周に対して挿入することができる程度の内径を有しているが、その挿入状態は、カラー材５の内周面がシャフト３の外周面に近接していることが好ましい。

カラー材５の軸方向長さは、前記ヨークＡの円筒状管部２の外周面に形成された窪み部２２，２２，…と、シャフト３の軸端部３ｊの外周面に形成された窪み部３２，３２，…との両方を覆うことができる程度の長さである。カラー材５は、シャフト３の軸方端部から挿入されて、ヨークＡの円筒状管部２までそのまま移動させ〔図４（Ｄ），（Ｆ）参照〕、円筒状管部２側の窪み部３２，３２，…と、シャフト３側の窪み部３２，３２，…に向かって、カラー材５の外周側を押圧して、変形部５２，５２，…をカシメにより形成し、該変形部５２，５２，…を窪み部２２，２２，…及び窪み部３２，３２，…に係止させる〔図４（Ｇ）参照〕。これによって、カラー材５を円筒状管部２及びシャフト３の外周側に固着することができる〔図４（Ｉ）参照〕。

前記ヨークＡの円筒状管部２の外周面に形成された窪み部２２，２２，…と、シャフト３の軸端部３ｊの外周面に形成された窪み部３２，３２，…に、カラー材５がカシメられることにより、ヨークＡとシャフト３が周方向に係止され、回転方向及び曲げ荷重に対する強度が高められる。

Ａ…ヨーク、１…二股状部、２…円筒状管部、３…シャフト、２２，３２…窪み部、
３ｊ…軸端部、４…被嵌合溝部、５…カラー材、５１…嵌合突起条、５２…変形部。

Claims

二股状部と円筒状管部とからなるヨークと、該ヨークの円筒状管部に金属接合される軸端部を有するシャフトと、前記ヨークの円筒状管部と前記シャフトの軸端部との接合部を跨ぐように装着されるカラー材とからなり、前記ヨークの円筒状管部には外周に沿って複数の窪み部が形成され、前記シャフトの軸端部には外周に沿って複数の窪み部が形成され、前記カラー材は、前記円筒状管部及び前記軸端部との接合部の外周側に配置されると共に前記円筒状管部と前記軸端部に形成された窪み部箇所に係止される変形部が前記カラー材にカシメにより形成され、前記カラー材は、前記ヨークの円筒状管部及び前記シャフトの軸端部に対して周方向に回転不能に固定されてなることを特徴とするヨークとシャフトの接合構造。
二股状部と円筒状管部とからなるヨークと、該ヨークの円筒状管部に摩擦接合される軸端部を有する中空のシャフトと、前記ヨークの円筒状管部と前記シャフトの軸端部との接合部を跨ぐように装着されるカラー材とからなり、前記ヨークの前記二股状部は二つの腕状片から構成され、該腕状片には肉厚基部が形成され、前記円筒状管部には軸方向に沿って貫通孔が形成され、前記円筒状管部の内周で且つ肉厚基部箇所と、前記シャフトの軸端部の内周には、前記接合部に亘って軸方向に沿う被嵌合溝部が設けられ、前記カラー材の外周には、軸方向に沿って前記被嵌合溝部に嵌合する嵌合突起条が形成され、該カラー材の嵌合突起条が前記被嵌合溝部に嵌合されてなることを特徴とするヨークとシャフトの接合構造。
二股状部と円筒状管部とからなるヨークと、該ヨークの円筒状管部に摩擦接合される軸端部を有する中空のシャフトと、前記ヨークの円筒状管部と前記シャフトの軸端部との接合部を跨ぐように装着されるカラー材とからなり、前記ヨークの前記二股状部は二つの腕状片から構成され、該腕状片には肉厚基部が形成され、前記円筒状管部には軸方向に沿って貫通孔が形成され、前記円筒状管部及び前記軸端部の内周は軸方向に直交する断面形状が前記肉厚基部箇所を長辺とする楕円形状に形成され、前記カラー材の外周は軸方向に直交する断面形状が楕円形状に形成され、前記カラー材の外周が、前記ヨークの円筒状管部及び前記シャフトの軸端部の内周に嵌合されてなることを特徴とするヨークとシャフトの接合構造。