JP6217209B2 - Universal joint yoke - Google Patents
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Description
この発明は、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十字軸式自在継手(カルダンジョイント)を構成するヨークの改良に関する。 The present invention relates to an improvement in a yoke constituting a cross shaft universal joint (cardan joint) for connecting rotational shafts constituting a steering device so as to transmit torque.
自動車のステアリング装置は、図4に示す様に構成している。運転者が操作するステアリングホイール1の動きは、ステアリングシャフト2、自在継手3a、中間シャフト4、別の自在継手3bを介して、ステアリングギヤユニット5の入力軸6に伝達される。そして、このステアリングギヤユニット5に内蔵したラックアンドピニオン機構により左右1対のタイロッド7、7を押し引きし、左右1対の操舵輪に、前記ステアリングホイール1の操作量に応じた、適切な舵角を付与する様に構成している。尚、図示の例の場合、電動モータ25を動力源として、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も組み込んでいる。
The automobile steering device is configured as shown in FIG. The movement of the steering wheel 1 operated by the driver is transmitted to the input shaft 6 of the
この様なステアリング装置に組み込む中間シャフト4は、衝突事故の際に前記ステアリングホイール1が運転者側に突き上げられる事を防止するために、伸縮式のものを使用している。図5は、従来から一般的に使用されている伸縮式の中間シャフト4の構造の1例を示している。この中間シャフト4は、先端部(図5の左端部)外周面に雄スプライン部8を設けたインナシャフト9と、内周面にこの雄スプライン部8を挿入可能な雌スプライン部10を形成した円管状のアウタチューブ11とから成る。そして、これら雄スプライン部8と雌スプライン部10とをスプライン係合する事で、前記インナシャフト9と前記アウタチューブ11とを、伸縮自在に組み合わせている。又、これらインナシャフト9とアウタチューブ11との基端部に、それぞれ自在継手3a、3bを構成する一方のヨーク12a、12bの基端部を溶接固定している。
The intermediate shaft 4 incorporated in such a steering device uses a telescopic type in order to prevent the steering wheel 1 from being pushed up to the driver side in the event of a collision. FIG. 5 shows an example of the structure of a telescopic intermediate shaft 4 that has been generally used conventionally. The intermediate shaft 4 is formed with an inner shaft 9 provided with a male spline portion 8 on the outer peripheral surface of the tip portion (left end portion in FIG. 5) and a
図6は、前記両自在継手3a、3bとして使用可能な、従来から知られている自在継手の1例として、特許文献1に記載されたものを示している。図6に示した自在継手3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、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。これら基部14a、14bは、回転軸である、インナシャフト9若しくはアウタチューブ11の基端部(或いは、ステアリングシャフト2の前端部若しくは入力軸6の後端部)をトルクの伝達を自在に結合固定する為の結合孔16、16を設けている。即ち、前記インナシャフト9若しくはアウタチューブ11の基端部(或いは、ステアリングシャフト2の前端部若しくは入力軸6の後端部)の外周面に設けた雄セレーション部を、前記両結合孔16、16の内周面に設けた雌セレーション部とセレーション係合する事で、前記インナシャフト9若しくはアウタチューブ11(或いは、ステアリングシャフト2若しくは入力軸6)と前記両ヨーク12a、12bとをトルクの伝達を自在に結合固定している。又、前記各結合腕部15a、15bの先端にそれぞれ円孔17a、17bを、前記両ヨーク12a、12b毎に互いに同心に形成している。又、十字軸13は、4本の軸部18、18を、隣り合う軸部18、18の中心軸同士が互いに直交する状態で設けて成る。そして、これら各軸部18、18を前記各円孔17a、17bの内側に、それぞれカップシェル型のラジアルニードル軸受19、19を介して回転自在に支持し、前記自在継手3としている。
FIG. 6 shows one described in Patent Document 1 as an example of a conventionally known universal joint that can be used as the
上述の様な十字軸式自在継手を構成するヨークとして、特許文献2には、鋼板等、十分な剛性を有する金属板に、打ち抜き加工や曲げ加工等のプレス加工を施して成るヨークの構造が記載されている。又、特許文献3には、金属材料に塑性加工である鍛造加工を施して成るヨークの構造が記載されている。 As a yoke constituting the cross shaft type universal joint as described above, Patent Document 2 discloses a yoke structure formed by subjecting a metal plate having sufficient rigidity, such as a steel plate, to press working such as punching or bending. Have been described. Patent Document 3 describes a yoke structure formed by subjecting a metal material to forging which is plastic working.
何れにしても上述の様な十字軸式自在継手を構成するヨークは、回転軸同士の間でのトルクの伝達に伴ってこの回転軸とヨークとの結合部に加わるモーメントに対する剛性を確保する事が重要になる。この理由に就いて、図7を参照しつつ説明する。即ち、トルクの伝達に伴って発生するモーメントに基づき、ヨーク12を構成する基部14の片端面と結合腕部15、15の内側面との連続部20、20に応力が加わる。特に、前述の図4に示した電動式パワーステアリング装置を組み込んだステアリング装置の場合、伝達すべきトルクが大きくなって、前記両連続部20、20に加わる応力も大きくなる。この様な応力は、これら両連続部20、20のうちで、これら両結合腕部15、15の内側面の周方向両端縁と前記回転軸の中心軸Oとを結ぶ仮想直線α、αと、結合孔16の開口縁部との交点X、Xに集中し易く、長期間の使用に伴いこれら各交点X、Xを起点として、前記ヨーク12に亀裂等の損傷が発生する可能性がある。この様な損傷の原因となる応力の集中を防止する為、図7の(B)に二点鎖線βで示す様に、連続部20の断面形状の曲率半径を大きくし、当該部分の肉厚を大きくする事が考えられる。但し、前記連続部20の断面形状の曲率半径を大きくすると、自在継手3(図6参照)を構成した場合に、相手ヨークと干渉し易くなって、ジョイント角(自在継手を構成する1対のヨークの中心軸同士の傾斜角度)を大きくできなくなったり、重量が増大すると言った問題が生じる。これに対し、回転軸の軸方向長さを長くする事で、この回転軸の別の回転軸に対する揺動変位幅を確保する事も考えられるが、二次衝突時のコラプスストロークを確保し難くなったり、ステアリング装置全体が大型化する可能性がある。又、前記回転軸からこの回転軸とヨークとの結合部に加わるモーメントが大きくなる可能性がある。
In any case, the yoke constituting the cross shaft type universal joint as described above ensures rigidity with respect to the moment applied to the connecting portion between the rotating shaft and the yoke as the torque is transmitted between the rotating shafts. Becomes important. The reason for this will be described with reference to FIG. That is, stress is applied to the
本発明は、上述の様な事情に鑑み、自在継手のジョイント角を確保しつつ、回転軸周りのモーメントに対する強度及び剛性を十分に確保できる自在継手用ヨークの構造を実現すべく発明したものである。 In view of the circumstances as described above, the present invention was invented to realize a universal joint yoke structure that can sufficiently ensure the strength and rigidity against the moment around the rotation axis while ensuring the joint angle of the universal joint. is there.
本発明の自在継手用ヨークは、基部と、1対の結合腕部とを備える。
このうちの基部は、回転軸の端部を結合固定する為の結合孔を有する。
又、前記両結合腕部は、前記基部の径方向反対側となる2箇所位置から軸方向片側に延出する状態で設けられている。
特に、本発明の自在継手用ヨークの場合、前記両結合腕部の内側面と前記基部の軸方向片端面との連続部を、断面形状の曲率半径が異なる複数の曲面若しくは平面を滑らかに連続させて成る複合曲面としている。そして、前記連続部のうちで、前記両結合腕部の内側面の周方向両端縁と前記回転軸の中心軸とを結ぶ仮想直線と、前記結合孔の開口縁部との交点を含む部分の断面形状の曲率半径を、この交点を含まない部分の断面形状の曲率半径より大きくしている(曲率を小さくしている)。
The yoke for a universal joint according to the present invention includes a base portion and a pair of coupling arm portions.
Of these, the base has a coupling hole for coupling and fixing the end of the rotating shaft.
Further, both the connecting arm portions are provided so as to extend to one axial direction from two positions on the diametrically opposite side of the base portion.
In particular, in the case of the universal joint yoke according to the present invention, a continuous portion between the inner side surface of both the connecting arm portions and the one axial end surface of the base portion is smoothly continuous with a plurality of curved surfaces or planes having different curvature radii in cross-sectional shape. This is a composite curved surface. Of the continuous portion, a portion including an intersection of an imaginary straight line connecting both circumferential edges of the inner side surfaces of the coupling arm portions and the central axis of the rotating shaft and an opening edge portion of the coupling hole. The radius of curvature of the cross-sectional shape is made larger than the radius of curvature of the cross-sectional shape of the portion not including this intersection (the curvature is reduced).
上述の様に構成する本発明の自在継手用ヨークによれば、この自在継手用ヨークを組み込んだ自在継手のジョイント角を確保しつつ、回転軸周りのモーメントに対する強度及び剛性を十分に確保する事ができる。即ち、前記自在継手用ヨークを構成する1対の結合腕部の内側面と基部の片端面との連続部を複合曲面とすると共に、これら両連続部のうちで、これら両結合腕部の内側面の周方向両端縁と前記回転軸の中心軸とを結ぶ仮想直線と、この回転軸の端部を結合固定する為の結合孔の開口縁部との交点を含む部分の断面形状の曲率半径を、この交点を含まない部分の断面形状の曲率半径より大きくしている。この為、前記両連続部のうちで前記交点を含む部分に、回転軸同士の間でのトルクの伝達に伴い、この回転軸と前記自在継手用ヨークとの結合部に加わるモーメントに基づく応力が集中するのを防止できて、強度及び剛性を十分に確保できる。又、前記両連続部の肉厚が徒に厚くなる事を防止して、前記自在継手用ヨークを組み込んだ自在継手のジョイント角を確保できると共に、重量が増大するのを抑えられる。 According to the universal joint yoke of the present invention configured as described above, the joint angle of the universal joint incorporating the universal joint yoke is ensured, and the strength and rigidity against the moment around the rotation axis are sufficiently ensured. Can do. That is, the continuous portion of the inner surface of the pair of connecting arm portions constituting the universal joint yoke and the one end surface of the base portion is formed as a composite curved surface. The radius of curvature of the cross-sectional shape of the portion including the intersection of the imaginary straight line connecting the circumferential edge of the side surface and the central axis of the rotating shaft and the opening edge of the coupling hole for coupling and fixing the end of the rotating shaft Is larger than the radius of curvature of the cross-sectional shape of the portion not including this intersection. For this reason, a stress based on the moment applied to the joint between the rotary shaft and the universal joint yoke is transmitted to the portion including the intersection between the two continuous portions as torque is transmitted between the rotary shafts. Concentration can be prevented, and sufficient strength and rigidity can be secured. Further, it is possible to prevent the wall thickness of both the continuous portions from becoming excessively thick, to secure a joint angle of the universal joint incorporating the universal joint yoke, and to suppress an increase in weight.
[実施の形態の第1例]
図1は、本発明の実施の形態の第1例を示している。尚、本例の特徴は、ヨーク12cを組み込んだ自在継手のジョイント角を確保しつつ、回転軸周りのモーメントに対する強度及び剛性を十分に確保する為の構造にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図6に示した従来構造の場合と同様であるから、重複する説明及び図示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。
[First example of embodiment]
FIG. 1 shows a first example of an embodiment of the present invention. The feature of this example is a structure for sufficiently ensuring the strength and rigidity against the moment around the rotation axis while securing the joint angle of the universal joint incorporating the
本例の場合、前記ヨーク12cを構成する1対の結合腕部15、15の内側面と基部14の片端面との連続部20a、20aを、断面形状に関する曲率半径が少なくとも隣接する部分同士で互いに異なる複数(図示の例の場合、3つ)の曲面と平面とを滑らかに連続させて成る複合曲面としている。即ち、前記両連続部20a、20aをそれぞれ、断面形状が部分円弧状で前記基部14の片端面と連続する内径側曲面部21と、断面形状が部分円弧状で前記結合腕部15の内側面と連続する外径側曲面部22と、これら内径側、外径側両曲面部21、22同士の間で、曲率半径が無限大である平坦面部23とを滑らかに連続させたものとしている。そして、前記内径側、外径側両曲面部21、22の曲率半径を適切に規制する事で、前記基部14の片端面に対する前記平坦面部23の傾斜角度を0〜20度程度とすると共に、前記連続部20aのうちで、前記両結合腕部15、15の内側面の周方向両端縁と結合孔16に結合固定した回転軸の中心軸Oとを結ぶ仮想直線α、αと、この結合孔16の開口縁部との交点X、Xを含む部分が、この平坦面部23に位置する様にしている。
In the case of this example, the
上述の様なヨーク12cは、鋼板等、十分な剛性を有する金属板に、打ち抜き加工や曲げ加工等のプレス加工を施す事により、或いは、金属材料に塑性加工である鍛造加工を施す事により造る。前記ヨーク12cをプレス加工により造る場合、金属板をプレス加工で打ち抜く際に、完成状態で前記両連続部20a、20aとなるべき部分を、曲率半径が異なる複数の曲線及び直線を滑らかに連続させた複合曲線状に打ち抜く。この様にして得た素板に曲げ加工を施す事で前記ヨーク12cを造る。これに対して、このヨーク12cを鍛造加工により造る場合には、金属材料を、その内面のうちで前記両連続部20a、20aと整合する部分の形状が、これら両連続部20a、20aの形状に見合う複合曲面状である金型内で塑性変形させる事により造る。
The
上述の様に構成される本例のヨーク12cによれば、このヨーク12cを組み込んだ自在継手のジョイント角を確保しつつ、このヨーク12cの結合孔16にその端部を結合固定した回転軸周りのモーメントに対する強度及び剛性を十分に確保できる。即ち、本例の場合、このモーメントに基づく応力が加わる、1対の結合腕部15、15の内側面と基部14の片端面との連続部20a、20aを、断面形状に関する曲率半径が異なる曲面と直線とを滑らかに連続させて成る複合曲面としている。特に、本例の場合には、前記両連続部20a、20aのうちで、前記モーメントに基づく応力が集中し易い、前記両結合腕部15、15の内側面の周方向両端縁と前記回転軸の中心軸Oとを結ぶ仮想直線α、αと、この結合孔16の開口縁部との交点X、Xを含む部分の断面形状を、曲率半径が無限大である平坦面部23、23としている。従って、前記モーメントに基づく応力が、前記各交点X、Xを含む部分に集中する事を防止できて、前記ヨーク12cの強度及び剛性を確保する事ができる。又、このヨーク12cの強度及び剛性を確保しても、前記両連続部20a、20aの肉厚が徒に厚くなる事を防止できて、前記ヨーク12cを組み込んだ自在継手のジョイント角を確保できると共に、このヨーク12cの重量の増大を抑えられる。
According to the
[実施の形態の第2例]
図2は、本発明の実施の形態の第2例を示している。本例のヨーク12dの場合、連続部20bを、断面形状が部分円弧状で基部14の片端面と連続する内径側曲面部21aと、断面形状が部分円弧状で結合腕部15の内側面と連続する外径側曲面部22aとを滑らかに連続させる事で構成している。本例の場合、前記内径側曲面部21aの曲率半径R21aを前記外径側曲面部22aの曲率半径R22aよりも大きく(R21a>R22a)している。そして、これら両曲率半径R21a、R22aを適切に調整し、前記結合腕部15の内側面の周方向両端縁と前記ヨーク12dに結合固定した回転軸の中心軸Oとを結ぶ仮想直線α{図1の(A)参照}と、結合孔16の開口縁部との交点Xを含む部分が、前記内径側曲面部21aに位置する様にしている。
その他の部分の構成及び作用は、上述した実施の形態の第1例と同様であるから、重複する説明は省略する。
[Second Example of Embodiment]
FIG. 2 shows a second example of the embodiment of the present invention. In the case of the
Since the configuration and operation of the other parts are the same as those in the first example of the above-described embodiment, redundant description is omitted.
[実施の形態の第3例]
図3は、本発明の実施の形態の第3例を示している。本例のヨーク12eの場合、連続部20cをそれぞれ断面形状が部分円弧状で、基部14の片端面と連続する内径側曲面部21bと、結合腕部15の内側面と連続する外径側曲面部22bと、これら内径側、外径側両曲面部21b、22b同士の間の曲面部24とを滑らかに連続させたものとしている。この曲面部24の曲率半径R24は前記内径側曲面部21bの曲率半径R21bよりも大きく(R24>R21b)、且つ、前記外径側曲面部22bの曲率半径R22bよりも大きく(R24>R22b)している。そして、前記結合腕部15の内側面の周方向両端縁と前記ヨーク12eに結合固定した回転軸の中心軸Oとを結ぶ仮想直線α{図1の(A)参照}と、結合孔16の開口縁部との交点Xを含む部分が、前記曲面部24に位置する様にしている。
その他の部分の構成及び作用は、前述した実施の形態の第1例と同様であるから、重複する説明は省略する。
[Third example of embodiment]
FIG. 3 shows a third example of the embodiment of the present invention. In the case of the
Since the configuration and operation of the other parts are the same as those in the first example of the above-described embodiment, redundant description is omitted.
1 ステアリングホイール
2 ステアリングシャフト
3、3a、3b 自在継手
4 中間シャフト
5 ステアリングギヤユニット
6 入力軸
7 タイロッド
8 雄スプライン部
9 インナシャフト
10 雌スプライン部
11 アウタチューブ
12、12a〜12e ヨーク
13 十字軸
14、14a、14b 基部
15、15a、15b 結合腕部
16 結合孔
17a、17b 円孔
18 軸部
19 ラジアルニードル軸受
20、20a、20b 連続部
21、21a、21b 内径側曲面部
22、22a、22b 外径側曲面部
23 平坦面部
24 曲面部
25 電動モータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Steering wheel 2
Claims (1)
この基部の径方向反対側となる2箇所位置から軸方向片側に延出する状態で設けられた1対の結合腕部とを備えた自在継手用ヨークに於いて、
これら両結合腕部の内側面と前記基部の軸方向片端面との連続部を、断面形状の曲率半径が異なる複数の曲面若しくは平面を滑らかに連続させて成る複合曲面とし、前記連続部のうちで、前記両結合腕部の内側面の周方向両端縁と前記回転軸の中心軸とを結ぶ仮想直線と、前記結合孔の開口縁部との交点を含む部分の断面形状の曲率半径を、この交点を含まない部分の断面形状の曲率半径より大きくしている事を特徴とする自在継手用ヨーク。 A base having a coupling hole for coupling and fixing the end of the rotating shaft;
In a universal joint yoke provided with a pair of coupling arm portions provided in a state of extending from one radial position to two axial positions opposite to the base in the radial direction,
A continuous portion between the inner side surface of both the connecting arm portions and the one axial end surface of the base portion is a curved surface or a composite curved surface formed by smoothly continuing a plurality of curved surfaces or planes having different curvature radii of the cross-sectional shape. Then, the radius of curvature of the cross-sectional shape of the portion including the intersection of the virtual straight line connecting the circumferential end edges of the inner side surfaces of the both connecting arm portions and the central axis of the rotating shaft and the opening edge portion of the connecting hole, A universal joint yoke characterized by being larger than the radius of curvature of the cross-sectional shape of the portion not including the intersection.
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