JP6485056B2 - 自在継手 - Google Patents

Description

この発明は、一対のヨークと十字軸とニードル軸受を有する自在継手に関する。

自在継手の一例として、一対のヨークと、これらのヨークを連結する十字軸と、ニードル軸受を有する構造の自在継手がある。ヨークは、一対のアーム部と、これらのアーム部を連結する基部と、によりＵ字状に形成されている。アーム部に、十字軸の軸部を挿通する軸挿通穴が形成されている。
一方のヨークのアーム部間に他方のヨークのアーム部が、各ヨークの軸挿通穴の軸線同士が直交するように配置されている。ニードル軸受は、軸部の外側に配置された複数の針状ころと、複数の針状ころと軸挿通穴との間に配置された円環体を有する外輪と、を有する。ニードル軸受により、両ヨークの各軸挿通穴内で十字軸の四つの軸部がそれぞれ回転自在に支持されている。

このような自在継手用のニードル軸受として、外輪をなす環状体の軸方向一端（軸部の基端側）に、湾曲しながら軸部に向かう内向きフランジ部（カール）が形成されているものがある。この内向きフランジ部は、軸受内に異物や混入したり、軸受内のグリースが外部に流出したり、ニードルが外部に飛び出したりすることを防止する目的で設けられている。また、軸部の基端に密封装置を取り付けて、内向きフランジ部と軸部との間を密封することも行われている。

一対のヨークと十字軸とニードル軸受を有する自在継手の従来例としては、特許文献１および特許文献２に記載されたものが挙げられる。
特許文献１には、常に軸受ケースの軌道とトラニオンの軸線とを平行に維持することにより、偏負荷が発生しないようにし、寿命低下を防止することを目的として、軸受ケースの外側面を凸球面状にするとともに、ヨークの軸受穴内側面を凹球面状とし、軸受ケースとヨークの軸受穴内側面を球面嵌合することが記載されている。
特許文献２には、ニードルローラにエッジロードが発生することを防止することと、シール環の破損やニードルローラの転動不良を回避することを目的として、ジャーナル軸部の端部とシール環との間の中間位置で、ジャーナル軸部の各々の周囲にニードルローラを収容する段差窪みを設けることが記載されている。

特開２００２−８９５８４号公報 特開平９−１５１９５８号公報

上述の自在継手は、例えば、コラムアシスト式（操舵補助機構をステアリングコラム側に設けた）電動パワーステアリング装置を備えた車両のステアリング装置に、ステアリングコラム側からステアリングギヤ機構に対してトルクを伝達するステアリング軸の自在継手として使用される。この用途では、自在継手を構成するニードル軸受に高荷重が作用して、針状ころが外輪の内向きフランジに繰り返し強く衝突することで、内向きフランジ部に損傷が生じるおそれがある。
この発明の課題は、一対のヨークと十字軸とニードル軸受を有し、ニードル軸受の外輪をなす環状体の軸方向一端に内向きフランジ部を有する自在継手として、内向きフランジ
部に損傷が生じにくいものを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明の一態様は、下記の構成(1) 〜(4) を有する自在継手を提供する。
(1) 一対のヨークと、十字軸と、ニードル軸受と、を有する。前記ヨークは、一対のアーム部と、これらのアーム部を連結する基部と、によりＵ字状に形成されている。前記アーム部に、前記十字軸の軸部を挿通する軸挿通穴が形成されている。一方のヨークの前記アーム部間に、他方のヨークの前記アーム部が、各ヨークの前記軸挿通穴の軸線同士が直交するように配置されている。
(2) 前記ニードル軸受は、前記軸部の外側に配置された複数の針状ころと、前記複数の針状ころと前記軸挿通穴との間に配置された円環体を有する外輪と、を有する。前記ニードル軸受により、前記ヨークの各軸挿通穴内で前記十字軸の四つの軸部がそれぞれ回転自在に支持されている。

(3) 前記外輪は、前記環状体の軸方向一端に、湾曲しながら前記軸部に向かう内向きフランジ部を有し、前記内向きフランジ部は前記軸部の基端側に配置されている。
(4) 前記軸部は、前記内向きフランジ部内に配置される部分に周溝を有する。
この発明の他態様は、上記構成(1) 〜(3) と下記の構成(5) を有する自在継手を提供する。
(5) 前記内向きフランジ部と前記軸部との間を密封する密封装置を有する。前記軸部の基端部は、前記軸部の前記針状ころが配置されている先端部より細く形成されている。前記基端部に、前記内向きフランジ部と前記密封装置が配置されている。

この発明の自在継手は、内向きフランジ部に損傷が生じにくいものである。

第一実施形態の自在継手を示す部分断面図である。 図１の自在継手の一部を拡大して示す部分断面図である。 第一実施形態の自在継手の作用を説明する図である。 第二実施形態の自在継手を示す部分断面図である。 図４の自在継手の一部を拡大して示す部分断面図である。 第二実施形態の自在継手の作用を説明する図である。 操舵補助力を付与する電動パワーステアリング装置をステアリングコラム側に備えた車両のステアリング装置の一例を示す全体構成図である。

以下、図面を用いて、この発明の実施形態について説明するが、この発明はこの実施形態に限定されない。
［第一実施形態］
＜構成の説明＞
図１に示すように、この実施形態の自在継手１は、一対のヨーク２と、十字軸３と、ニードル軸受４と、密封装置５を有する。
ヨーク２は、一対のアーム部２１と、これらのアーム部２１を連結する基部２２と、によりＵ字状に形成されている。ヨーク２の基部２２には、自在継手１で接続する軸がそれぞれ挿通される軸挿通穴２２ａと、軸挿通穴２２ａに挿通された軸をボルトで固定するためのボルト挿通穴２２ｂが形成されている。
十字軸３は、胴部３１と、胴部３１に十字状に夫々形成された四つの軸部３２と、で構成されている。ヨーク２の各アーム部２１に、十字軸３の軸部３２を挿通する軸挿通穴２
１ａが形成されている。

一方のヨーク２のアーム部２１間に、他方のヨーク２のアーム部２１が、各ヨーク２の軸挿通穴２１ａの軸線同士が直交するように配置され、各アーム部２１の軸挿通穴２１ａ内に、十字軸３の四つの軸部３２がそれぞれ、ニードル軸受４を介して配置されている。すなわち、ニードル軸受４により、各ヨーク２の軸挿通穴２１ａ内で十字軸３の四つの軸部３２がそれぞれ回転自在に支持されている。

図２に示すように、十字軸３の各軸部３２に、軸方向に延びる凹部３３が形成され、凹部３３にスパイダーピン３５が埋設されている。各軸部３２の先端部からスパイダーピン３５の頭部が突出している。軸部３２の胴部３１に近い側に、断面が半円弧状の周溝３２ａが形成されている。軸部３２は、周溝３２ａより先端の先端部３２１と、周溝３２ａより胴部３１側の基端部３２２とに分けられる。

ニードル軸受４は、各軸部３２の外周面に配置された複数の針状ころ４１と、外輪４２を有する。針状ころ４１の軸方向寸法Ｌ41は、軸部３２の先端面から周溝３２ａまでの寸法Ｌ32よりも短い。
外輪４２は、円環体４２１と内向きフランジ部４２２と底板部４２３からなり、内向きフランジ部４２２が円環体４２１の軸方向一端に、底板４２３が円環体４２１の軸方向他端に一体化されている。内向きフランジ部４２２は、円弧状に湾曲しながら円環体４２１の径方向内側に向かう形状を有する。内向きフランジ部４２２の内径Ｄ422 は、軸部３２の直径Ｄ32より大きい。つまり、軸部３２の周溝３２ａが形成されている部分の最小直径は、内向きフランジ部４２２の内径Ｄ422 より小さい。

内向きフランジ部４２２は、軸部３２の周溝３２ａの位置に配置されている。つまり、軸部３２は、内向きフランジ部４２２内に配置される部分に周溝３２ａを有する。
密封装置５は、芯金５１と弾性部材５２とからなり、弾性部材５２はリップ部５２ａと環状部５２ｂが一体化された形状を有する。芯金５１が十字軸３の胴部３１に固定され、弾性部材５２のリップ部５２ａが、外輪４２の内向きフランジ部４２２の外周部に接触している。弾性部材５２の円環部５２ｂは、軸部３２の基端部３２２に外嵌されている。密封装置５により、内向きフランジ部４２２と軸部３２との間が密封されている。

＜作用の説明＞
図３に示すように、トルク伝達時には、十字軸３の軸部３２に軸線を傾ける力が作用するが、この実施形態の自在継手１では、軸部３２が周溝３２ａで曲がるため、基端部３２２の軸線Ｊ１は傾くが、先端部３２１の軸線Ｊ２が傾くことが抑制される。これに対して、周溝３２ａがなく太さが一定の軸部では、全体が傾いて針状ころ４１を胴部３１側に押し出す力が生じて、針状ころ４１が内向きフランジ部４２２に衝突し易い。
よって、この実施形態の自在継手１によれば、針状ころ４１が内向きフランジ部４２２に衝突することが防止される。また、軸部３２が曲がる時、内向きフランジ部４２２は軸３２に接触しない。つまり、この実施形態の自在継手１では、内向きフランジ部４２２に損傷が生じにくい。

［第二実施形態］
＜構成の説明＞
図４に示すように、この実施形態の自在継手１Ａは、一対のヨーク２と、十字軸３Ａと、ニードル軸受４と、密封装置５を有する。
ヨーク２は、一対のアーム部２１と、これらのアーム部２１を連結する基部２２と、によりＵ字状に形成されている。ヨーク２の基部２２には、自在継手１で接続する軸がそれぞれ挿通される軸挿通穴２２ａと、軸挿通穴２２ａに挿通された軸をボルトで固定するた
めのボルト挿通穴２２ｂが形成されている。

十字軸３Ａは、胴部３１と、胴部３１に十字状に夫々形成された四つの軸部３２Ａと、で構成されている。ヨーク２の各アーム部２１に、十字軸３Ａの軸部３２Ａを挿通する軸挿通穴２１ａが形成されている。
一方のヨーク２のアーム部２１間に、他方のヨーク２のアーム部２１が、各ヨーク２の軸挿通穴２１ａの軸線同士が直交するように配置され、各アーム部２１の軸挿通穴２１ａ内に、十字軸３Ａの四つの軸部３２Ａがそれぞれ、ニードル軸受４を介して配置されている。すなわち、ニードル軸受４により、各ヨーク２の軸挿通穴２１ａ内で十字軸３Ａの四つの軸部３２Ａがそれぞれ回転自在に支持されている。

図５に示すように、十字軸３Ａの各軸部３２Ａに、軸方向に延びる凹部３３が形成され、凹部３３にスパイダーピン３５が埋設されている。各軸部３２Ａの先端部３２１からスパイダーピン３５の頭部が突出している。軸部３２Ａの基端部（胴部３１に近い部分）３２４は、先端部３２１よりも細く形成されている。つまり、軸部３２Ａは、胴部３１側に第一実施形態の周溝３２ａよりも幅広の周溝３２ｂを有し、この周溝３２ｂが形成されている部分が基端部３２４となっている。

ニードル軸受４は、各軸部３２Ａの外周面に配置された複数の針状ころ４１と、外輪４２を有する。針状ころ４１の軸方向寸法Ｌ41は、軸部３２Ａの先端部３２１の寸法Ｌ321 よりも短い。
外輪４２は、円環体４２１と内向きフランジ部４２２と底板部４２３からなり、内向きフランジ部４２２が円環体４２１の軸方向一端に、底板４２３が円環体４２１の軸方向他端に一体化されている。内向きフランジ部４２２は、円弧状に湾曲しながら円環体４２１の径方向内側に向かう形状を有する。
内向きフランジ部４２２の内径Ｄ422 は、軸部３２Ａの先端部３２１の直径Ｄ321 より大きい。つまり、基端部３２４の直径は、内向きフランジ部４２２の内径Ｄ422 より小さい。そして、内向きフランジ部４２２は、軸部３２Ａの基端部３２４の先端部３２１側に配置されている。

密封装置５は、芯金５１と弾性部材５２とからなり、弾性部材５２はリップ部５２ａと環状部５２ｂが一体化された形状を有する。芯金５１が十字軸３Ａの胴部３１に固定され、弾性部材５２のリップ部５２ａが、外輪４２の内向きフランジ部４２２の外周部に接触している。弾性部材５２の円環部５２ｂは、軸部３２Ａの基端部３２４の内向きフランジ部４２２が配置されている位置より胴部３１側に外嵌されている。
このように、軸部３２Ａの先端部３２１より細く形成された基端部３２４には、先端部３２１側に内向きフランジ部４２２が配置され、胴部３１に近い側に密封装置５が配置されている。密封装置５により、内向きフランジ部４２２と軸部３２Ａとの間が密封されている。

＜作用の説明＞
図６に示すように、トルク伝達時には、十字軸３Ａの軸部３２Ａに軸線を傾ける力が作用するが、この実施形態の自在継手１Ａでは、軸部３２Ａの基端部３２４が先端部３２１より細いため、基端部３２４が曲がってその軸線Ｊ３は傾くが、先端部３２１の軸線Ｊ２が傾くことが抑制される。これに対して、太さが一定の軸部では、全体が傾いて針状ころ４１を胴部３１側に押し出す力が生じて、針状ころ４１が内向きフランジ部４２２に衝突し易い。
よって、この実施形態の自在継手１Ａによれば、針状ころ４１が内向きフランジ部４２２に衝突することが防止される。また、軸部３２Ａの基端部３２４が曲がる時、内向きフランジ部４２２は軸３２Ａに接触しない。つまり、この実施形態の自在継手１Ａでは、内
向きフランジ部４２２に損傷が生じにくい。

［用途の説明等］
一対のヨークと十字軸とニードル軸受からなる自在継手に高トルク伝達機能が要求される用途の例として、操舵系に操舵補助力を付与する操舵補助機構の出力軸と、ステアリングギヤ機構との間に配設される用途が挙げられる。この用途の一例について以下に説明する。
コラムアシスト式電動パワーステアリング装置を備えた車両のステアリング装置の一例は、図７に示すように、ステアリングホイール６０１と、ステアリングシャフト６０２と、ステアリングコラム６０３と、操舵補助機構６０４と、ステアリングギヤ機構６０６を有する。

ステアリングシャフト６０２は、ステアリングコラム６０３の内部に軸心を中心に回転自在に支持されている。ステアリングコラム６０３は、下部を車両の前方に向けて傾斜させた姿勢で、車室内部の所定位置に固定されている。ステアリングホイール６０１は、ステアリングシャフト６０２のステアリングコラム６０３から上側に突出している部分に固定されている。

操舵補助機構６０４は、ステアリングシャフト６０２に操舵補助トルクを付与するウォーム減速機６１１と、ウォーム減速機６１１に操舵補助トルクを発生させる電動モータ６１２とを有する。ウォーム減速機６１１の出力軸６１４とステアリングシャフト６０２とは、操舵補助機構６０４内で図示しないトーションバーにより連結されている。
ウォーム減速機６１１の出力軸６１４には、自在継手６１７Ａを介して中間シャフト６１８が連結されている。中間シャフト６１８は、自在継手６１７Ｂを介して、ラックピニオン式のステアリングギヤ機構６０６のピニオン軸６１９に連結されている。ステアリングギヤ機構６０６のラック軸（図示せず）は、タイロッド６０５を介して、図示しない転舵輪に連結されている。

中間シャフト６１８は、自在継手６１７Ａに連結された雄軸６１８ａと、自在継手６１７Ｂに連結された雌軸６１８ｂとを備えている。雄軸６１８ａと雌軸６１８ｂはセレーション結合されている。
この例のステアリング装置は、運転者がステアリングホイール６０１を操舵すると、ステアリングホイール６０１に伝達された操舵トルクを図示しない操舵トルクセンサで検出すると共に、車速を図示しない車速センサで検出し、操舵トルクと車速とに基づいて図示しない操舵補助制御装置で、操舵状態での最適な操舵補助力を発生するように電動モータ６１２を駆動制御する。

これに伴い、電動モータ６１２で発生した操舵補助力が、ウォーム減速機６１１を介してステアリングシャフト６０２に伝達される。このように、操舵補助力がステアリングシャフト６０２に伝達されることにより、ウォーム減速機６１１の出力軸６１４から大きな操舵トルクが出力される。この操舵トルクが、自在継手６１７Ａ、中間シャフト６１８、自在継手６１７Ｂを介して、ステアリングギヤ機構６０６のピニオン軸６１９に伝達される。
ステアリングギヤ機構６０６は、ピニオン軸６１９に伝達された回転運動を、ステアリングギヤを構成するピニオンとこれに噛合するラックによって車幅方向の直線運動に変換し、タイロッド６０５を介して図示しない転舵輪に伝達して、転舵輪を転舵させる。

このとき、操舵補助機構６０４の電動モータ６１２が、ステアリングホイール６０１に伝達された操舵トルクに応じた最適な操舵補助力を発生させるため、運転者はステアリングホイール６０１を軽く操舵することができる。
このように、操舵補助機構６０４がステアリングコラム６０３の出力側に設けられているため、ウォーム減速機６１１の出力軸６１４には大きな操舵トルクが作用する。この大きな操舵トルクが、自在継手６１７Ａ，６１７Ｂと中間シャフト６１８とを介してステアリングギヤ機構６０６に伝達される。

これらの自在継手６１７Ａ，６１７Ｂとして、ニードル軸受の外輪をなす環状体の軸方向一端に内向きフランジ部を有する自在継手を用いた場合、ニードル軸受に高荷重が作用して、針状ころが外輪の内向きフランジに繰り返し強く衝突することで、内向きフランジ部に損傷が生じるおそれがある。よって、これらの自在継手６１７Ａ，６１７Ｂとして、上記各実施形態の自在継手１，１Ａを用いることで、自在継手の内向きフランジ部に損傷が生じにくくなり、耐久性が向上する。

つまり、この発明の自在継手を、ステアリング装置を構成するシャフト同士の結合に適用することで、ステアリング装置自体の耐久性を向上できる。
よって、この発明の一態様である自在継手を備えた態様として、「操舵補助機構をステアリングコラム側に設けた電動パワーステアリング装置を備えた車両のステアリング装置であって、ステアリングコラム側からステアリングギヤ機構に対してトルクを伝達するステアリング軸の自在継手として、前記態様の自在継手を備えたステアリング装置」が挙げられる。

１ 自在継手
２ ヨーク
２１ アーム部
２１ａ アーム部の軸挿通穴
２２ 基部
２２ａ 基部の軸挿通穴
２２ｂ 基部のボルト挿通穴
３ 十字軸
３Ａ 十字軸
３１ 十字軸の胴部
３２ 十字軸の軸部
３２Ａ 十字軸の軸部
３２ａ 軸部３２の周溝
３２ｂ 軸部３２Ａの周溝
３２１ 軸部の先端部
３２２ 軸部３２の基端部
３２４ 軸部３２Ａの基端部
３３ 軸部の凹部
３５ スパイダーピン
４ ニードル軸受
４１ 針状ころ
４２ 外輪
４２１ 外輪の円環体
４２２ 外輪の内向きフランジ部
４２３ 外輪の底板部
５ 密封装置
５１ 芯金
５２ 弾性部材
５２ａ リップ部
５２ｂ 円環部
６ ステアリング装置
６１７Ａ，６１７Ｂ 自在継手
６１８ 中間シャフト
６１９ ピニオン軸
６２３，６２４ ヨーク

Claims (1)

1. 一対のヨークと、十字軸と、ニードル軸受と、を有し、
   前記ヨークは、一対のアーム部と、これらのアーム部を連結する基部と、によりＵ字状に形成され、前記アーム部に、前記十字軸の軸部を挿通する軸挿通穴が形成され、
   一方のヨークの前記アーム部間に、他方のヨークの前記アーム部が、各ヨークの前記軸挿通穴の軸線同士が直交するように配置され、
   前記ニードル軸受は、前記軸部の外側に配置された複数の針状ころと、前記複数の針状ころと前記軸挿通穴との間に配置された円環体を有する外輪と、を有し、
   前記ニードル軸受により、前記ヨークの各軸挿通穴内で前記十字軸の四つの軸部がそれぞれ回転自在に支持され、
   前記外輪は、前記環状体の軸方向一端に、湾曲しながら前記軸部に向かう内向きフランジ部を有し、前記内向きフランジ部は前記軸部の基端側に配置され、
   前記内向きフランジ部と前記軸部との間を密封する密封装置を有し、
   前記軸部の基端部は、前記軸部の前記針状ころが配置されている先端部より細く形成され、
   前記基端部に、前記内向きフランジ部と前記密封装置が配置されている自在継手。

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