JP5807775B2 - 操舵装置および十字継手 - Google Patents

Description

この発明は、十字継手を有する車両用の操舵装置、および、この操舵装置に用いられる十字継手に関する。

たとえば、特許文献１に開示された車両用操舵装置は、ステアリングに連結されたステアリングシャフトと、十字継手を介してステアリングシャフトに連結された中間シャフトと、別の十字継手を介して中間シャフトに連結されたピニオンシャフトと、ピニオンシャフトのピニオン歯に噛み合うとともに車輪に連結されたラックバーとを含んでいる。十字継手は、全体で十字をなす４つの軸部を有する十字軸で構成されている。ピニオンシャフトおよびラックバーによってラックアンドピニオン機構が構成されている。

この車両用操舵装置においてステアリングを操舵すると、その操舵トルク（ステアリングの回転）は、ステアリングシャフトおよび中間シャフトを順に経てピニオンシャフトに伝えられ、ピニオンシャフトが回転する。ピニオンシャフトの回転に連動して、ラックバーが直線運動しながら車輪を転舵させる。

特開２００７−３０９４７３号公報

十字継手および中間シャフト全体は、シャフトや十字軸やヨーク等の様々な部品で構成されているのだが、各部品には、寸法や材料等の違いに起因して、強度にばらつきがある。そのため、十字継手および中間シャフトが経年劣化で故障する場合において、故障部位（最初に破壊する箇所）を事前に特定することが困難である。故障部位を事前に特定できれば、十字継手および中間シャフトが故障後の一定期間においても最低限の機能を維持して修理工場へ自走できるような故障モードを実現することができる。

この発明は、かかる背景のもとでなされたもので、十字継手およびその周囲の部品（中間軸）において最初に破壊する箇所を事前に特定することができるようにして、故障後の一定期間も自走できるような故障モードを実現できる操舵装置および十字継手を提供することを目的とする。
また、この発明は、十字継手およびその周囲の部品を、それらの破壊が検知しやすいように破壊させることができる操舵装置を提供することを別の目的とする。

請求項１記載の発明は、ステアリング（２）側の第１接続エレメント（５）と、転舵輪（１１）側の第２接続エレメント（７）と、前記第１接続エレメントおよび第２接続エレメントを、各接続エレメントに交差する平面内で相互に回転自在に連結する十字継手（６）とを含み、ステアリングの操舵トルクを前記第１接続エレメントから前記第２接続エレメントに伝達することによって転舵輪を転舵させる操舵装置（１）において、前記十字継手の十字軸（２３）は、中心部と前記中心部から延び出た４つの軸部とを含み、前記４つの軸部のうちいずれか１つの軸部のみに脆弱部（６０）が形成されていることを特徴とする、操舵装置である。

請求項２記載の発明は、前記脆弱部は、前記十字軸の軸部（４６）の外周面に形成された切欠きを含むことを特徴とする、請求項１記載の操舵装置である。
請求項３記載の発明は、前記脆弱部は、前記十字軸の軸部を部分的に縮径させたくびれ部分を含むことを特徴とする、請求項１記載の操舵装置である。
請求項４記載の発明は、前記脆弱部は、前記十字軸の軸部の根元部分の外周面に形成されていることを特徴とする、請求項２または３記載の操舵装置である。

請求項５記載の発明は、前記脆弱部は、前記十字軸の軸部の外周面において、前記十字軸の移動方向における上流側端部および下流側端部のそれぞれに形成されていることを特徴とする、請求項４記載の操舵装置である。
請求項６記載の発明は、前記脆弱部は、前記十字軸の軸部の外周面において、周方向全域に亘って延びる環状に形成されていることを特徴とする、請求項４記載の操舵装置である。

請求項７記載の発明は、前記脆弱部には、焼入れ処理が施されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の操舵装置である。
請求項８記載の発明は、前記脆弱部は、前記十字軸において前記第１接続エレメントに連結された軸部（４６Ａ）に形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の操舵装置である。

請求項９記載の発明は、前記第１接続エレメントは、ステアリングに連結される入力軸（３）と前記第２接続エレメントとをつなぐ中間軸（５）を含み、前記第２接続エレメントは、ピニオン軸（７）を含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の操舵装置である。
請求項１０記載の発明は、前記十字継手は、前記脆弱部が形成された軸部が破壊されても、前記脆弱部が形成されていない３つの前記軸部によって、前記第１接続エレメントおよび第２接続エレメントを相互に回転自在に連結可能であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の操舵装置である。
請求項１１記載の発明は、ステアリング側の第１接続エレメントと、転舵輪側の第２接続エレメントとを、各接続エレメントに交差する平面内で相互に回転自在に連結し、中心部と前記中心部から延び出た４つの軸部とを含む十字軸を含む十字継手において、前記４つの軸部のうちの１つのみに脆弱部が形成されていることを特徴とする、十字継手である。

なお、上記において、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

請求項１および１１記載の発明によれば、十字継手では、十字軸が脆弱部において必ず最初に破壊するので、十字継手およびその周囲の部品において最初に破壊する箇所を事前に特定することができる。これにより、故障後の一定期間も自走できるような故障モードを実現できる。
請求項２記載の発明によれば、脆弱部を切欠きによって簡単に形成できる。

請求項３記載の発明によれば、十字軸の軸部を部分的にくびれさせることによって、脆弱部を簡単に形成できる。
請求項４記載の発明によれば、脆弱部を、十字軸における軸部の根元部分といった疲労が蓄積し易い箇所に設けることによって、十字軸を脆弱部において必ず最初に破壊させることができる。

請求項５記載の発明によれば、脆弱部を、十字軸の軸部における上流側端部および下流側端部に少なくとも設けておけば、十字軸を脆弱部において必ず最初に破壊させることができる。
請求項６記載の発明によれば、脆弱部を、十字軸の軸部の外周面の全周に設けておけば、十字軸を脆弱部において必ず最初に破壊させることができる。

請求項７記載の発明によれば、十字軸を脆弱部において瞬間破壊させることができる上に、十字軸が脆弱部において破壊したときに音を発生させることができるので、ステアリングの操作者に十字継手の破壊を確実に報知できる。つまり、十字継手およびその周囲の部品を、それらの破壊が検知しやすいように破壊させることができる。
請求項８記載の発明によれば、十字軸においてステアリングに近い側の軸部に脆弱部を設けておけば、十字軸が脆弱部において破壊したときに、十字継手の破壊をステアリングの操作者に直感的に報知できる。つまり、十字継手およびその周囲の部品を、それらの破壊が検知しやすいように破壊させることができる。

請求項９記載の発明によれば、比較的整備性の良い中間軸とピニオン軸とを連結する十字継手の十字軸に脆弱部が設けられているので、十字軸が脆弱部において破壊しても、中間軸の着脱によって十字軸の交換を容易に行うことができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る操舵装置１の概略構成を示す模式図である。 図２は、操舵装置１において十字継手６およびこの周囲の部分を抜き出して示した図である。 図３は、十字継手６の周辺における操舵装置１の分解斜視図である。 図４は、図２のＡ−Ａ線における断面図である。 図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る十字軸２３の側面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）とは直交する方向から十字軸２３を見た図である。 図６（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る十字軸２３の側面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）とは直交する方向から十字軸２３を見た図である。 図７（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る十字軸２３の側面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）とは直交する方向から十字軸２３を見た図であり、図７（ｃ）は、十字軸２３の斜視図である。 図８は、中間軸５の経年劣化を示すグラフである。

本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る操舵装置１の概略構成を示す模式図である。
図１を参照して、この実施形態における操舵装置１は、操舵部材２と、入力軸（ステアリングシャフト）３と、自在継手４と、中間軸５（第１接続エレメント）と、十字継手６と、ピニオン軸７（第２接続エレメント）と、ラックバー８と、ラックハウジング９とを主に含んでいる。

操舵部材２として、たとえば、ステアリング（ホイール）を用いることができる。操舵部材２には、入力軸３の一端が連結されている。入力軸３の他端と中間軸５の一端とが自在継手４によって連結されている。中間軸５の他端とピニオン軸７の一端とが十字継手６によって連結されている。つまり、中間軸５は、入力軸３とピニオン軸７との間に介在されて、入力軸３とピニオン軸７とをつないでいる。なお、入力軸３と、中間軸５と、ピニオン軸７とは、同一直線上に存在しない。

ピニオン軸７の他端にはピニオン７Ａが一体的に設けられている。ラックバー８は、車幅方向（図１の左右方向）に長手の棒状である。ラックバー８には、ピニオン７Ａと噛み合うラック８Ａが形成されており、ピニオン軸７およびラックバー８によってラックアンドピニオン機構が構成されている。
ラックハウジング９は、車幅方向に長手の中空体であり、車体（図示せず）に固定されている。ラックバー８は、ラックハウジング９内に挿通され、ラックハウジング９によって、軸受等（図示せず）を介して支持されている。この状態で、ラックバー８は、車幅方向にスライド可能である。ラックバー８の両端部は、ラックハウジング９の両外側へ突出しており、ラックバー８の各端部には、タイロッド１０が連結されている。タイロッド１０は、ナックルアーム（図示せず）を介して転舵輪１１に連結されている。

このような操舵装置１において、操舵部材２が操舵されて入力軸３が回転されると、ピニオン軸７も回転し、ピニオン軸７の回転がピニオン７Ａおよびラック８Ａによって、車幅方向に沿ったラックバー８のスライド（直線運動）に変換される。これにより、ラックバー８の両側の転舵輪１１の転舵が達成される。
図２は、操舵装置１において十字継手６およびこの周囲の部分を抜き出して示した図である。図３は、十字継手６の周辺における操舵装置１の分解斜視図である。図４は、図２のＡ−Ａ線における断面図である。

以下では、操舵装置１における十字継手６およびこの周囲の部分について詳しく説明する。
図２では、中間軸５の一部、十字継手６の全体およびピニオン軸７の一部が図示されている。
図３を参照して、中間軸５は、金属製の細長い円柱であり、その外径は、必要に応じて、軸線方向における任意の部分において縮径されたり拡径されたりしている。図３では、説明の便宜上、入力軸３および操舵部材２を点線によって追加で示している。中間軸５において、十字継手６に連結される端部５Ａの外周面には、全周に亘ってセレーション１５が形成されている。セレーション１５全体は、中間軸５の軸線方向（長手方向）から見て、環状につながったぎざぎざになっている。端部５Ａには、位置決め溝１６が形成されている。位置決め溝１６は、Ｕ字状に窪みつつ端部５Ａの周方向に延びる環状である。位置決め溝１６は、端部５Ａに形成されたセレーション１５を、中間軸５の軸線方向において二分している。

十字継手６は、第１継手ヨーク２１と、第２継手ヨーク２２と、十字軸２３と、軸受カップ２４とを含んでいる。
第１継手ヨーク２１は、たとえば金属の鋳造によって形成されている。第１継手ヨーク２１は、図３において中間軸５寄りにある基部２５と、１対の腕部２６と、スリット２７と、１対のフランジ２８とを一体的に含んでいる。

基部２５は、中空体であり、この実施形態では、略円筒状である。図３では、略円筒状の基部２５の中心軸と、中間軸５とが同一直線上に位置している。基部２５には、その中心軸が通る位置に挿通孔２９が形成されている。挿通孔２９は、基部２５を貫通する丸穴であり、挿通孔２９が、基部２５の中空部分を構成している。丸い挿通孔２９の中心軸（軸線）と基部２５の中心軸とは平行に延びている。基部２５において挿通孔２９を区画する内周面の全域には、セレーション３０が形成されている。セレーション３０全体は、基部２５の軸線方向（中心軸が延びる方向）から見て、環状につながったぎざぎざになっている。

１対の腕部２６のそれぞれは、基部２５の軸線方向に細長い薄板状であり、基部２５に一体的に設けられている。腕部２６は、図３の基部２５における中間軸５から遠い側の端部（図３における左端部）において、周方向に１８０°隔てた位置に１つずつ設けられており、基部２５から離れる方向（図３における左側）へ向けて延び出ている。そのため、基部２５および１対の腕部２６のまとまり（換言すれば、第１継手ヨーク２１の全体）を、基部２５の径方向外側から見ると、当該まとまりは、略Ｕ字状をなしている。基部２５では、１対の腕部２６の間の位置において、挿通孔２９が露出されている。１対の腕部２６は、平行に延びていて、それぞれの長さ方向における同じ位置には、嵌合穴３１が形成されている。嵌合穴３１は、基部２５の径方向において腕部２６を貫通する丸穴であり、腕部２６において基部２５から離れた先端部に形成されている。各腕部２６において、相手側の腕部２６と対向する面における先端には、段付き３２が形成されている。腕部２６において段付き３２が形成された部分は、他の部分よりも肉薄になっている。

スリット２７は、基部２５に形成されている。スリット２７は、基部２５の周上１箇所を、基部２５の軸線方向における一端２５Ａ側（図３において中間軸５寄りの右端側）から切り込んでいる。当該周上１箇所は、１対の腕部２６のうちのいずれかの腕部２６（図３における上側の腕部２６）と周方向で同じ位置である。スリット２７は、挿通孔２９に沿って（換言すれば、基部２５の中心軸に沿って）延びていて、基部２５の当該周上１箇所を切断している。そのため、スリット２７は、その全域において挿通孔２９と連通している。なお、スリット２７は、周方向で同じ位置にある腕部２６の嵌合穴３１には届いていない（連通していない）。一端２５Ａに関連して、各図における基部２５の他端には、符号２５Ｂを付している。他端２５Ｂから各腕部２６が延び出ている。

１対のフランジ２８は、基部２５において、スリット２７を形成するのに応じて必然的に形成された部分である。換言すれば、１対のフランジ２８は、基部２５においてスリット２７を挟んで対向する両側の部分である。１対のフランジ２８は、基部２５の軸線方向に沿って平行に延びる板状である。以降では、１対のフランジ２８のうち、一方（図３における手前側）をフランジ２８Ａとし、他方をフランジ２８Ｂと区別することがある。各フランジ２８には、ボルト孔３３が形成されている。各ボルト孔３３は、挿通孔２９の延びる方向（挿通孔２９の軸線方向）と直交する直交方向（１対のフランジ２８の対向方向でもある）に延びている。フランジ２８Ａのボルト孔３３と、フランジ２８Ｂのボルト孔３３とは、当該直交方向から見て一致している。フランジ２８Ｂのボルト孔３３における内周面にだけ、螺旋状のねじ部３４が形成されている。フランジ２８Ａの外面（図３における手前側の側面）において、ボルト孔３３が形成されている領域には、段付き３５が形成されている。フランジ２８Ａでは、段付き３５が形成された部分が、他の部分よりも肉薄になっている。

第２継手ヨーク２２は、金属製であり、第１継手ヨーク２１と同様に、たとえば鋳造で形成されている。第２継手ヨーク２２は、基部４０と、１対の腕部４１とを含んでいる。基部４０は、ピニオン軸７と直交する方向に延びる棒状である。腕部４１は、基部４０の長手方向における両端部に１つずつ設けられており、基部４０と直交する方向（図３では第１継手ヨーク２１側）に延びる板状である。１対の腕部４１は、平行に延びていて、それぞれの長さ方向における同じ位置には、嵌合穴４２が形成されている。嵌合穴４２は、基部４０の長手方向において腕部４１を貫通する丸穴であり、腕部４１において基部４０から離れた先端部に形成されている。

十字軸２３は、たとえば金属の鋳造や金属塊からの削り出し等によって形成されている。十字軸２３は、球体に近い略立方体をなすブロック状の中心部４５と、中心部４５から放射状に延び出た４つの軸部４６とを一体的に含んでいる。各軸部４６は円柱状であり、４つの軸部４６のうち、１対の軸部４６Ａは同一直線上にあり、残り１対の軸部４６Ｂは、軸部４６Ａと直交する方向に延びる同一直線上にある。そのため、４つの軸部４６は、全体で十字をなしている。各軸部４６では、中心部４５に連結された部分が、根元部分であり、中心部４５から最も離れた部分が、先端部分である。図３では、各軸部４６の先端部分の端面が、軸部４６の軸線方向（軸部４６が延びる方向）と直交する方向に沿って平坦になっている。

軸受カップ２４は、円筒状の蓋をなすカップ４８と、カップ４８内に嵌め込まれた環状の軸受４９とを含んでいる。カップ４８内に嵌め込まれた軸受４９は、カップ４８から外に露出されている。軸受４９として、環状に配置された複数のニードル５０（図４参照）を用いることができる。軸受カップ２４は、第１継手ヨーク２１の２つの腕部２６の嵌合穴３１と、第２継手ヨーク２２の２つの腕部４１の嵌合穴４２とに応じて、十字継手６全体で４つある。

このような十字継手６を組み立てつつ、中間軸５およびピニオン軸７と連結する手順について説明する。
まず、第１軸受ヨーク２１において各腕部２６の先端に治具（図示せず）を引っ掛けてこれらの腕部２６の間隔を一時的に広げる。その際、十字軸２３における１対の軸部４６Ａのうち、一方の軸部４６を、一方の腕部２６の嵌合穴３１に対して、１対の腕部２６の間から挿通し、他方の軸部４６を、他方の腕部２６の嵌合穴３１に対して、１対の腕部２６の間から挿通する。その後、治具を各腕部２６から外すと、腕部２６の弾性によって、１対の腕部２６の間隔が元の間隔まで狭まり、十字軸２３の１対の軸部４６Ａが、対応する腕部２６の嵌合穴３１に対して外れ不能に嵌め込まれた状態になる。

そして、各腕部２６の嵌合穴３１に対して、軸受カップ２４を外側から対向させる。このとき、軸受カップ２４では、カップ４８から露出された軸受４９が嵌合穴３１に対向するようにする。この状態で、軸受カップ２４を嵌合穴３１に接近させて、嵌合穴３１に嵌め込む。軸受カップ２４は、嵌合穴３１に対して圧入される。この際、各腕部２６の段付き３２には治具（図示せず）が引っ掛けられていて、各腕部２６が、軸受カップ２４の圧入に応じて撓まないようになっている。

軸受カップ２４の圧入が完了して状態では、各嵌合穴３１に嵌め込まれた軸受カップ２４の軸受４９の環状部分（環状に配置された複数のニードル５０）の内側に、対応する軸部４６Ａが挿通されており、十字軸２３は、第１軸受ヨーク２１の各腕部２６によって回転自在に支持されている（図４参照）。
次いで、第１軸受ヨーク２１と同じ手順で、治具（図示せず）を用いて第２軸受ヨーク２２の１対の腕部４１の間隔を一時的に広げる。その際、十字軸２３における残り１対の軸部４６Ｂのうち、一方の軸部４６を、一方の腕部４１の嵌合穴４２に対して、１対の腕部４１の間から挿通し、他方の軸部４６を、他方の腕部４１の嵌合穴４２に対して、１対の腕部４１の間から挿通する。その後、治具を各腕部４１から外すと、腕部４１の弾性によって、１対の腕部４１の間隔が元の間隔まで狭まり、十字軸２３の１対の軸部４６Ｂが、対応する腕部４１の嵌合穴４２に対して外れ不能に嵌め込まれた状態になる。

そして、各腕部４１の嵌合穴４２に軸受カップ２４を圧入によって嵌め込む。圧入が完了した状態では、各嵌合穴４２に嵌め込まれた軸受カップ２４の軸受４９の内側に、対応する軸部４６Ｂが挿通されており、十字軸２３は、第２軸受ヨーク２２の各腕部４１によって回転自在に支持されている（図４参照）。
以上によって、十字継手６が完成する。

以上のように完成した十字継手６において、図３に示すように、第１継手ヨーク２１の挿通孔２９に対して、基部２５の一端２５Ａ側から中間軸５の端部５Ａを挿通する。挿入後の中間軸５は、挿通孔２９と同軸状になっており、中間軸５では、端部５Ａのセレーション１５と、基部２５の挿通孔２９のセレーション３０とが、噛み合っている。つまり、基部２５は、挿通孔２９に挿通された中間軸５とセレーション嵌合している。このとき、端部５Ａの位置決め溝１６は、第１継手ヨーク２１の各フランジ２８のボルト孔３３と、中間軸５の軸線方向において同じ位置にある。

次いで、段付き３５が形成されたフランジ２８Ａ側に１本のボルト５１を配置する。このとき、ボルト５１では、頭部５１Ａよりもねじ部５１Ｂがフランジ２８Ａに近い位置にある。そして、ボルト５１をフランジ２８にねじ込んで、フランジ２８Ａのボルト孔３３と、フランジ２８Ｂのボルト孔３３とに、この順番でねじ部５１Ｂを通す。フランジ２８Ａのボルト孔３３を通ったねじ部５１Ｂは、中間軸５の端部５Ａの位置決め溝１６に嵌り込んでからフランジ２８Ｂのボルト孔３３に通される。これにより、中間軸５は、軸線方向において位置決めされ、基部２５の挿通孔２９から外れなくなる。

ボルト５１をある程度ねじ込むと、頭部５１Ａが段付き３５に収まるとともに、ねじ部５１Ｂが、フランジ２８Ｂのボルト孔３３におけるねじ部３４と噛み合う。この状態でさらにボルト５１を所定量ねじ込むと、頭部５１Ａによってフランジ２８Ａがフランジ２８Ｂ側へ押さえ付けられるとともに、フランジ２８Ｂがねじ部５１Ｂによってフランジ２８Ａ側へ引き寄せられることによって、フランジ２８Ａおよびフランジ２８Ｂがともに撓んで互いに接近する。このように各ボルト孔３３に共通のボルト５１が組み付けられることによってフランジ２８Ａおよびフランジ２８Ｂが互いに接近すると、これらのフランジ２８を有する基部２５全体が縮径し、挿通孔２９が狭まる。挿通孔２９が狭まることにより、中間軸５の端部５Ａのセレーション１５と、基部２５の挿通孔２９のセレーション３０とが、より強く噛み合い、挿通孔２９に挿通された中間軸５と基部２５とが密着する。

以上により、十字継手６に対する中間軸５の連結が完了する（図２参照）。
また、図３を参照して、第２継手ヨーク２２の基部４０の長手方向中央部に、金属製のピニオン軸７の一端部７Ｂを連結する。第２継手ヨーク２２とピニオン軸７とは、第１継手ヨーク２１の場合と同様にセレーション嵌合してもよいし、ねじ嵌合してもよい。これにより、十字継手６に対するピニオン軸７の連結が完了する。なお、第２継手ヨーク２２とピニオン軸７とは、セレーション嵌合またはねじ嵌合によって連結する以外に、当初から一体成形品であってもよい。

なお、先に第１継手ヨーク２１に中間軸５を連結するとともに、第２継手ヨーク２２にピニオン軸７を連結してから、第１継手ヨーク２１および第２継手ヨーク２２に十字軸２３を組み付けてもよい。
また、図１を参照して、自在継手４は、十字継手６と同じ構成（第１継手ヨーク２１、第２継手ヨーク２２、十字軸２３および軸受カップ２４）を有していてもよい。

以上のように十字継手６に対して中間軸５およびピニオン軸７が連結され、かつ、自在継手４に対して入力軸３および中間軸５が連結された状態において、操舵部材２を操作して所定方向に回転させる。すると、操舵部材２とともに、入力軸３が回転し、操舵部材２の操舵トルクが自在継手４を介して中間軸５にも伝達されて、中間軸５が操舵部材２と同じ方向に回転する。これにより、図３を参照して、中間軸５に連結された十字継手６の第１継手ヨーク２１が、操舵部材２と同じ方向に回転する。第１継手ヨーク２１の回転に連動して、十字軸２３において第１継手ヨーク２１の１対の腕部２６に支持された１対の軸部４６Ａが、中心部４５を中心として回転する。これにより、十字軸２３全体が中心部４５を中心として操舵部材２と同じ方向に回転することになり、十字軸２３の１対の軸部４６Ｂを支持する第２継手ヨーク２２が、十字軸２３と同じ方向、つまり、操舵部材２と同じ方向に回転し、ピニオン軸７が第２継手ヨーク２２と一体回転する。

ここで、前述したように中間軸５とピニオン軸７とは同一直線上にないことから（図１参照）、十字軸２３は、厳密には、中間軸５およびピニオン軸７のそれぞれを回転中心として、立体的に回転する。このときの十字軸２３には、中間軸５およびピニオン軸７のそれぞれを回転中心とした周方向に沿う力が作用するだけでなく、当該周方向に交差する方向にも力が作用することから、三次元における複合的な力が作用している。

このように、操舵装置１では、図１を参照して、操舵部材２の操舵トルクが、自在継手４によって入力軸３から中間軸５に伝達され、さらに、十字継手６によって中間軸５からピニオン軸７にも伝達されてピニオン軸７を回転させる。その結果、操舵装置１では、ピニオン軸７の回転に伴って、前述したようにラックバー８がスライドし、各転舵輪１１の転舵が達成される。また、以上より、十字継手６は、同一直線上にない（操舵部材２側の）中間軸５と（転舵輪１１側の）ピニオン軸７とを、これらの軸に交差する平面Ｘ内で相互に回転自在に連結していることがわかる。

次に、十字継手６の十字軸２３についてさらに説明する。
図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る十字軸２３の側面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）とは直交する方向から十字軸２３を見た図である。図６（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る十字軸２３の側面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）とは直交する方向から十字軸２３を見た図である。図７（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る十字軸２３の側面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）とは直交する方向から十字軸２３を見た図であり、図７（ｃ）は、十字軸２３の斜視図である。図８は、十字軸２３の経年劣化を示すグラフである。なお、図５〜図７における「側面図」とは、十字軸２３における４本全ての軸部４６の延びる方向に直交する方向から見た側面図のことを指している。

図３を参照して、本発明に係る十字軸２３には、脆弱部６０が形成されている。脆弱部６０は、操舵部材２側の第１継手ヨーク２１の各腕部２６に支持された（つまり、中間軸５に連結された）１対の軸部４６Ａのうちの一方（図３では上向きに延びている軸部４６Ｃ）に形成されている。
図３に示す脆弱部６０は、図５に示されており、軸部４６Ｃ（４６Ａ）の根元部分（中心部４５側の端部）の外周面において、当該外周面の周方向全域に亘って延びる環状に形成されている。図５の脆弱部６０は、Ｕ字状に窪む切欠きである。そのため、軸部４６Ｃの根元部分にＵ字状に窪む環状の切欠きを設けることによって脆弱部６０を簡単に形成できる。

一方、図６の脆弱部６０は、図５の脆弱部６０と同様に環状に形成された切欠きであるものの、Ｖ字状に窪んでいる点が、図５の脆弱部６０と異なる。図５および図６のいずれの脆弱部６０も、軸部４６Ｃの外周面を切削工具等で切欠くことによって形成される。
そして、図５および図６に示したように軸部４６Ｃの外周面を切削工具等で切欠くことによって脆弱部６０を形成する以外に、十字軸２３全体を鋳造で成形する際に軸部４６Ｃを根元部分において部分的に縮径させて（くびれさせて）くびれ部分を形成し、当該くびれ部分によって脆弱部６０を構成してもよい。十字軸２３の軸部４６Ｃを部分的にくびれさせる場合には、鋳造後に自動的に脆弱部６０が形成されるから、脆弱部６０を簡単に形成できる。

また、前述したように、十字軸２３は、操舵部材２（図３参照）の操舵に伴って、中心部４５を中心として回転する。これに応じて、脆弱部６０を、軸部４６Ｃの周方向全域に設けるのでなく（図５および図６参照）、図７に示すように、軸部４６Ｃの根元部分の外周面において、十字軸２３の移動方向（回転方向であり、図７（ａ）の点線矢印参照）における上流側端部および下流側端部のそれぞれに形成してもよい。

このような十字継手６および中間軸５のまとまりでは、十字継手６の十字軸２３が脆弱部６０において必ず最初かつ瞬間的に破壊するので、十字継手６および中間軸５において最初に破壊する箇所を事前に特定することができる。特に、脆弱部６０を、十字軸２３における軸部４６Ｃの根元部分といった疲労が蓄積し易い箇所に設けることによって、十字軸２３を脆弱部６０において必ず最初に破壊させることができる。この場合、軸部４６Ｃが、脆弱部６０での破壊に伴って、根元部分から折れる。

そして、脆弱部６０を、十字軸２３の移動方向における軸部４６Ｃの上流側端部および下流側端部に少なくとも設けたり（図７参照）、十字軸２３の軸部４６Ｃの外周面の全周に設けたりしておけば（図５および図６参照）、十字軸２３を脆弱部６０において必ず最初に破壊させることができる。
ここで、１対の軸部４６Ａの両方でなく、一方の軸部４６Ｃだけに脆弱部６０を設けることが好ましい。両方の軸部４６Ａに脆弱部６０が設けられていると、一度に両方の軸部４６Ａが破壊する場合が想定される。両方の軸部４６Ａが一度に破壊してしまうと、十字軸２３と第１ヨーク２１との連結状態が完全に解消されてしまうので、操舵部材２の操舵トルクが中間軸５からピニオン軸７に連結されなくなり、転舵輪１１を転舵させること（自走させること）が困難になってしまうからである（図１および図３参照）。

なお、脆弱部６０を軸部４６Ｃの前記上流側端部および下流側端部に設ける場合には（図７参照）、十字軸２３が立体的に回転することや、回転中の十字軸２３に対して三次元における複合的な力が作用することを考慮して、前記上流側端部および下流側端部のそれぞれにおいて、脆弱部６０をピンポイントの狭い範囲で設けるのではなく、軸部４６Ｃの周方向においてある程度の範囲に亘って設けておくとよい。そうすれば、当該複合的な力を脆弱部６０に確実に作用させることができるので、十字軸２３を脆弱部６０において必ず最初に破壊させることができる。

そして、図８のグラフでは、横軸を経過年数とし、縦軸を中間軸５全体（十字継手６も含む）の剛性（ねじり剛性）として、経過年数に応じて中間軸５の剛性が低下していく様子（中間軸５の経年劣化）を示しているのだが、十字継手６の十字軸２３に脆弱部６０を設けない場合における中間軸５の剛性は、ほぼ一定の度合いで０（零）まで徐々に低下する（点線部分参照）。そのため、十字軸２３のいずれかの軸部４６が破壊したときには、残りの全ての軸部４６も破壊手前の状態にあり、中間軸５全体の寿命がほぼ尽きている。よって、操舵部材２を操舵しても、操舵トルクを中間軸５からピニオン軸７に伝えて転舵輪１１を転舵させて自走することを継続するのは困難である（図１および図３参照）。また、このように中間軸５全体が徐々に劣化していく場合には、操舵部材２を操舵する者にとっても、中間軸５がどれ位劣化しているのかは、中間軸５全体が寿命になるまで検知しにくい。

一方、本発明のように十字軸２３に脆弱部６０を設けた場合における中間軸５の剛性は、脆弱部６０が設けられた軸部４６Ｃが、ある程度蓄積された疲労によって破壊しても（図８のグラフのポイントＰを参照）、残り全ての軸部４６は、必要十分な剛性を維持している。よって、中間軸５全体の剛性は、脆弱部６０が設けられた軸部４６Ｃが破壊したときに、ある程度の度合いで急激に低下するが、低下後においても、機能を発揮できる程度の大きさはあり、中間軸５全体が寿命になっておらず、製品として一定期間は機能できる（図８のグラフにおいてポイントＰ以降の実線部分を参照）。

具体的には、図３を参照して、軸部４６Ｃが破壊して折れた場合であっても、破壊していない軸部４６Ａ（軸部４６Ｃとは別の軸部４６Ａ）と第１ヨーク２１とが引き続き連結されていることから、当該軸部４６Ａおよび１対の軸部４６Ｂ（つまり、３つの軸部４６）を介して第１ヨーク２１から第２ヨーク２２に操舵トルクを伝達できる。また、第１ヨーク２１の腕部２６が回転に伴って第２ヨーク２２の腕部４１に当接することによっても、第１ヨーク２１から第２ヨーク２２に操舵トルクを伝達できる。そのため、操舵部材２を操舵しても、引き続き操舵トルクを中間軸５からピニオン軸７に伝えて転舵輪１１を転舵させることができるので、最寄りの修理工場等へ自走することができる。つまり、このように十字軸２３の１つの軸部４６（４６Ｃ）に脆弱部６０を設けておけば、自走できなくなる前に、中間軸５における十字軸２３の破壊をユーザに伝えることができる。そして、このように十字継手６およびその周囲の部品（中間軸５）において最初に破壊する箇所を、十字軸２３の脆弱部６０として事前に特定できることから、故障後の一定期間も自走できるような故障モード（図８のグラフにおける実線部分参照）を実現できる。

ここで、中間軸５において、寿命の他に、寿命よりも短い耐用年数があるとする。ここでの耐用年数とは、中間軸５が製品として機能できる期間であり、この期間を経過すると、寿命に達するまでのなるべく早い時期に中間軸５の必要部品（十字継手６の十字軸２３等）を交換することが望ましい。そして、前述したように十字軸２３が脆弱部６０において破壊するタイミングは、当該耐用年数の直後、かつ、寿命が経過するよりもかなり前であることが望ましい。このタイミングが耐用年数よりも前であれば、中間軸５（十字継手６も含む）が製品としてまだ機能できるのに、必要以上に早く十字軸２３を交換する無駄が生じ得るからであり、このタイミングが、寿命が経過する頃であれば、前述したように、いざ軸部４６Ｃが破壊したときには自走が困難な状態になっているからである。

なお、前述した実施形態では、脆弱部６０を、切欠きまたはくびれとして、軸部４６Ｃの根元部分の全周または周上２箇所に設けていて、さらに、当該切欠きまたはくびれの断面形状をＵ字形状やＶ字形状にしている（図５〜図７参照）。これらの脆弱部６０の構成は、都合に応じて適宜変更できる。たとえば、脆弱部６０を軸部４６Ｃの根元部分の全周または周上２箇所に設けるかは、加工の都合で決定してもよい。また、断面がＶ字形状の切欠きまたはくびれの脆弱部６０を適用すれば（図６参照）、応力がＶ字の脆弱部６０の角（最深部）に比較的集中し易いので、脆弱部６０における十字軸２３の破壊タイミングを早めることができる。逆に、この破壊タイミングを遅らせたいのであれば、応力集中が比較的緩やかな断面Ｕ字形状の切欠きまたはくびれの脆弱部６０を適用すればよい（図５参照）。

また、図５〜図７のいずれの十字軸２３においても、十字軸２３において操舵部材２に近い側（中間軸５に連結された側であり、操舵部材２の操舵トルクが最初に伝わる側）の軸部４６Ａ（４６Ｃ）に脆弱部６０を設けている（図３参照）。そのため、たとえば操舵部材２の操舵中において十字軸２３が脆弱部６０において破壊したときに、十字軸２３の急激な剛性低下（図８のポイントＰ参照）に伴って操舵部材２の遊びが急に増えることから、操舵部材２の操舵フィーリングの急激な変化によって、十字継手６の破壊を操舵部材２の操作者に直感的に報知できる。つまり、十字継手６およびその周囲の部品（中間軸５）を、それらの破壊が検知しやすいように破壊させることができる。なお、当該遊びに関して、脆弱部６０における十字軸２３の破壊に伴って、たとえば、操舵部材２を操舵するときに、７〜１０°程度の操舵角度分の遊びが急に発生するとよい。

そして、十字軸２３では、少なくとも脆弱部６０に焼入れ処理が施されている。具体的には、十字軸２３に脆弱部６０を形成した後に、脆弱部６０の表面に焼入れ処理を施している。焼入れ処理後の脆弱部６０の表面の硬さは、６０〜６４ＨＲＣとなっていることが好ましい。このように焼入れ処理を施すことにより、十字軸２３を脆弱部６０において瞬間破壊させることができる上に、十字軸２３が脆弱部６０で破壊したときに音を発生させることができるので、操舵部材２の操作者に十字継手６の破壊を確実に報知できる。つまり、十字継手６およびその周囲の部品（中間軸５）を、それらの破壊が検知しやすいように破壊させることができる。また、脆弱部６０に焼入れ処理を施すことで、脆弱部６０における強度のばらつきを抑えて、所定の疲労が溜まったときに必ず脆弱部６０において十字軸２３を破壊させることができるので、脆弱部６０における十字軸２３の破壊タイミングの推定が容易になる。

そして、比較的整備性の良い中間軸５とピニオン軸７とを連結する十字継手６の十字軸２３に脆弱部６０が設けられているので、十字軸２３が脆弱部６０において破壊しても、中間軸５の着脱によって十字軸２３の交換を容易に行うことができる（図１〜図３参照）。また、操舵装置１では、操舵部材２の操舵トルクの伝達系統において最初に壊れる部分（最弱部位）が、十字継手６の十字軸２３における中間軸５側の軸部４６Ｃ（４６Ａ）であることが事前に分かっていることから、十字軸２３や、十字継手６がつながった中間軸５を交換（保全）部品として予め用意しておけばよいので、保全性（換言すれば、メンテナンス性）の向上を図ることができる。

以上のように、本発明によれば、破壊箇所の特定が行いやすい十字軸２３に敢えて脆弱部６０を設け、さらに、脆弱部６０における十字軸２３の破壊後もしばらく自走できるように十字軸２３における１つの軸部４６Ａ（４６Ｃ）だけに脆弱部６０を設けている。このような構成によって、操舵装置１では、劣化によって最初に破壊する部位を明確にできるとともに、軸部４６Ｃが破壊しても修理工場まで自走させることを可能にすることで、車両全体の使い勝手の向上を図ることができる。

この発明は、以上に説明した実施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。
たとえば、脆弱部６０を軸部４６Ｃの根元部分に設けているが、脆弱部６０における十字軸２３の破壊タイミング等を調整するために、脆弱部６０を軸部４６Ｃの先端部分寄りに設けても構わない。

また、十字継手６において、第２継手ヨーク２２の構成が、第１継手ヨーク２１と同じであってもよい。また、この十字継手６は、操舵装置１に限らず、同一直線上に存在しない２つの軸を連結するどのような装置にも適用可能である。

１…操舵装置、２…操舵部材、３…入力軸、５…中間軸、６…十字継手、７…ピニオン軸、１１…転舵輪、２３…十字軸、４６…軸部、４６Ａ…軸部、４６Ｃ…軸部、６０…脆弱部、Ｘ…平面

Claims (11)

1. ステアリング側の第１接続エレメントと、転舵輪側の第２接続エレメントと、前記第１接続エレメントおよび第２接続エレメントを、各接続エレメントに交差する平面内で相互に回転自在に連結する十字継手とを含み、ステアリングの操舵トルクを前記第１接続エレメントから前記第２接続エレメントに伝達することによって転舵輪を転舵させる操舵装置において、
   前記十字継手の十字軸は、中心部と、前記中心部から延び出た４つの軸部とを含み、
   前記４つの軸部のうちいずれか１つの軸部のみに脆弱部が形成されていることを特徴とする、操舵装置。
2. 前記脆弱部は、前記十字軸の軸部の外周面に形成された切欠きを含むことを特徴とする、請求項１記載の操舵装置。
3. 前記脆弱部は、前記十字軸の軸部を部分的に縮径させたくびれ部分を含むことを特徴とする、請求項１記載の操舵装置。
4. 前記脆弱部は、前記十字軸の軸部の根元部分の外周面に形成されていることを特徴とする、請求項２または３記載の操舵装置。
5. 前記脆弱部は、前記十字軸の軸部の外周面において、前記十字軸の移動方向における上流側端部および下流側端部のそれぞれに形成されていることを特徴とする、請求項４記載の操舵装置。
6. 前記脆弱部は、前記十字軸の軸部の外周面において、周方向全域に亘って延びる環状に形成されていることを特徴とする、請求項４記載の操舵装置。
7. 前記脆弱部には、焼入れ処理が施されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の操舵装置。
8. 前記脆弱部は、前記十字軸において前記第１接続エレメントに連結された軸部に形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の操舵装置。
9. 前記第１接続エレメントは、ステアリングに連結される入力軸と前記第２接続エレメントとをつなぐ中間軸を含み、
   前記第２接続エレメントは、ピニオン軸を含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の操舵装置。
10. 前記十字継手は、前記脆弱部が形成された軸部が破壊されても、前記脆弱部が形成されていない３つの前記軸部によって、前記第１接続エレメントおよび第２接続エレメントを相互に回転自在に連結可能であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の操舵装置。
11. ステアリング側の第１接続エレメントと、転舵輪側の第２接続エレメントとを、各接続エレメントに交差する平面内で相互に回転自在に連結し、中心部と前記中心部から延び出た４つの軸部とを含む十字軸を含む十字継手において、前記４つの軸部のうちの１つのみに脆弱部が形成されていることを特徴とする、十字継手。

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