JP6524937B2 - 十字軸継手 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のステアリング装置などに用いられる十字軸継手に係り、詳しくは、十字軸を支持するヨークの強度向上を図る技術に関する。

ラックアンドピニオン式のステアリング装置では、ステアリングホイールの操作によるステアリングシャフトの回転がインターミディエイトシャフトを介してステアリングギヤのピニオンシャフトに伝達される。ステアリングシャフトとインターミディエイトシャフトとの間、インターミディエイトシャフトとピニオンシャフトとの間にはそれぞれ所定の交角が存在するため、連結部にそれぞれ自在継手が用いられる。

ステアリング装置用の自在継手としては、カルダンジョイント、フックスジョイント等とも呼ばれる十字軸継手が一般に用いられている。十字軸継手は、一対のアームが基部から延設された２つのヨークと、両ヨークを相対角度の変化自在に連結するスパイダーと、アームの軸受保持孔に圧入されてスパイダーのトルク伝達軸とアームとの相対回転を可能に支持する軸受とを有している。

十字軸継手としては、鋼板や鋼管を素材とする溶接構造品のヨークを有するもの（例えば、特許文献１）と、鋼材を素材とする鍛造成形品のヨークを有するもの（例えば、特許文献２）とが存在する。

また、十字軸継手用の軸受としては、鋼材切削加工品のベアリングカップにニードルローラを収容したソリッド型のニードルベアリング（例えば、特許文献１）の他、鋼板プレス成形品のシェルにニードルローラを収容したシェル型のニードルベアリング（例えば、特許文献２）が存在する。なお、溶接構造品のヨークとソリッド型のニードルベアリングとを有する十字軸継手は一般にプロペラシャフトなどの重荷重用であり、ステアリング装置では鍛造成形品のヨークとシェル型のニードルベアリングとを有する十字軸継手が多く用いられている。

特開２００３−６５３５３号公報 特開２００６−２７５０８６号公報

十字軸継手は、車両のエンジンルーム内の部品が事故による衝突で後退した際に、部品の後退の妨げにならないように揺動角が大きなものが要求されている。十字軸継手の揺動角を大きくするためには、ヨークのアームの幅を広げたり、アームの長さを長くする必要があった。

また、近年では電動式の操舵補助装置が用いられ、車室内に操舵補助装置を設置するものが採用されている。

特にステアリングシャフトに操舵補助力が付与されるコラムアシスト型の電動パワーステアリング装置の場合、十字軸継手が伝達する操舵トルクが大きくなることから、十字軸継手は高い強度が要求され、鍛造成形品のヨークとシェル型のニードルベアリングとを有する十字軸継手が多く用いられる一方で、部品の軽量化が要求されている。

本発明は、十字軸継手の揺動角を大きくするとともに、小型で強度を確保することを実現する十字軸継手を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、
ヨークに形成された一対のアームの径方向に互いに対向して、同一方向に貫通した軸受保持孔がそれぞれ設けられ、一対のアームの先端側において、軸受保持孔の周囲に径方向に均一の肉厚を構成する円弧部と、軸受保持孔の中心を通りアームが伸びる方向の仮想中心線Ｋから所望の揺動角よりも大きな角度βを与えたときの法線と円弧状の端部が交差する点と、軸受保持孔中心を通りアームの幅方向に伸びる仮想中心線Ｌよりもアームの先端側に設けられた曲部とを結ぶ斜面が形成されていることを特徴とする十字軸継手用ヨークを提供する。

これにより、十字軸継手の一方のヨークのアームの先端と他方のヨークのアームを繋ぐ基部との干渉を防止することができる。また、十字軸継手の一方のヨークのアームの先端を短くした分だけ、他方のヨークのアームの長さを短くすることもできる。

本発明によれば、 これにより、揺動角の大きな十字軸継手を構成することができる。また、十字軸継手の全長を短くすることで軽量かつ小型にすることを実現する十字軸継手用ヨーク及び十字軸継手を提供することができる。

実施形態に係る十字軸継手の半裁縦断面図である。 実施形態に係るヨークの側面図である。 実施形態に係るヨークの縦断面図である。 図２中のIV矢視図である。 実施形態の作用を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜実施形態の構成＞
図１に示すように、実施形態の十字軸継手１は、互いに同じ形状をした対向する２つのヨーク２と、両ヨーク２を相対角度の変化自在に連結するスパイダー４と、各ヨーク２の軸受保持孔２１に圧入されてスパイダー４のトルク伝達軸４２を回転自在に支持するニードルベアリング５とを主要構成要素としている。

スパイダー４は鋼を素材とする鍛造・切削加工品であり、立方体形状の中央部４１と、中央部４１の外周４面のそれぞれの中央部から、それぞれその面に垂直な方向に延びる４本のトルク伝達軸４２とを有している。各トルク伝達軸４２の先端側の軸心部分にはピン孔４３が穿孔され、このピン孔４３に位置決め用の樹脂ピン６０が挿入されている。

（ヨーク）
ヨーク２は、鋼から成り、図２、図３に示すように、雌セレーション２２ａを有するシャフト挿入孔２２が穿設された円筒状の基部２３と、基部２３の一方の端部から相手側のヨーク２に向けて延び、基部２３の径方向に対向した一対のアーム２４、２５とを有している。両アーム２４、２５には上述した軸受保持孔２１が同軸に形成されている。雌セレーション２２ａは、ブローチ加工などによって形成することができる。

図１に示すように、一方のヨーク２のシャフト挿入孔２２には、ステアリングシャフトなどの入力軸１０１が挿入され、他方のヨーク２のシャフト挿入孔２２には、インターミディエイトシャフトなどの出力軸１０２が挿入される。入力軸１０１および出力軸１０２の先端には、シャフト挿入孔２２の雌セレーション２２ａに対応する雄セレーション１０１ａ、１０２ａと、ボルト２９の軸部が係合する抜け止め溝１０１ｂ、１０２ｂとが形成されている。

基部２３には、図３に示すようにスリット２６と、ねじ孔２７が形成され、ねじ孔２７に対向するスリット２６を挟んで反対側の部分には、図２に示すようにボルト孔２８が設けられている。入力軸１０１あるいは出力軸１０２は、ボルト２９がボルト孔２８から挿入され、ねじ孔２７にねじ込まれることにより、基部２３に締め付けられてヨーク２と一体化される。

図４に示すように、アーム２４、２５の先端は、軸受保持孔２１の中心Ｏと同一の中心を持つ半径ｒで構成し、軸受保持孔２１の外周でアーム２４、２５の先端部分を１〜３ｍｍ程度で均一の肉厚となる円弧部３０と、後述する斜面３２、３２で構成されている。

図４に示すように、アーム２４、２５の先端には、軸受保持孔２１の中心Ｏを通りアーム２４が伸びる方向（図４の紙面左右方向）の仮想中心線Ｋから、角度βに位置する法線と円弧部３０とが交差するＱ点の接線が、軸受保持孔２１の中心Ｏを通ってアーム２４の幅方向（図４の紙面上下方向）に伸びる仮想中心線Ｌよりもアーム２４、２５の先端側の曲部（Ｐ点）まで伸び、この接線に沿って斜面３２が設けられている。

Ｐ点は、ニードルベアリング５を保持したときの保持力が低下しないように、アーム２４の幅方向の厚みがアーム２４の付け根からアーム２４の先端方向に向かってニードルベアリング５の円弧の両頂点を過ぎた位置まで同じ幅寸法とすることで、ニードルベアリング５の保持剛性を確保している。

また、十字軸継手１の一方のヨーク２の揺動時のアーム２４とアーム２５と他方のヨーク２のアーム２４とアーム２５の付け根との干渉を防ぐために、アーム２４の斜面３２上のＱ点からの接線（図４の破線）の内側にアーム２４を構成する必要がある。例えば、揺動角αを６０度とする場合には、角度βは６０度よりも大きな角度にＰ点を設けて、そこからアーム２４の幅方向側面のＰ点まで斜面３２を設けている。

斜面３２は、アーム２４の幅方向両側に設け、また、アーム２４、２５に同じものを設けると良い。更に、十字軸継手１を構成する２つのヨーク２に設けると良い。

斜面３２は、ヨーク２の鍛造又は鋳造において形成することができるが、鍛造又は鋳造の後、プレス加工でせん断したり、フライスカッタなどの回転切削工具でも形成することができる。

（ニードルベアリング）
図１に示すように、ニードルベアリング５は、鋼板プレス成形品のシェル５１にニードルローラ５５を収容した構成をしている。ニードルベアリング５は、スパイダー４のトルク伝達軸４２に被さり、軸受保持孔２１に圧入されて公知のカシメ加工（図示せず）で抜け止めされている。

シェル５１は、底部５２と、底部５２の周辺部から一方向に延びる円筒部５３と、底部５２とは反対側の円筒部５３の端部で、全周にわたって径方向内側に湾曲したカール部５４とを有している。シェル５１は、カール部５４側から、アーム２４、２５の外径側から内径側に向かって軸受保持孔２１に圧入される。

ニードルベアリング５は、トルク伝達軸４２のピン孔４３に嵌挿された樹脂ピン６０にシェル５１の底部５２が接触することにより、圧入時の位置決めがなされている。また、トルク伝達軸４２の基端には、ニードルベアリング５に塵埃などが入り込むことを防止すべく、全周にわたってカール部５４を覆い、接触するリップ６１ａを備えたシール６１が装着されている。

＜実施形態の作用＞
例えば、実施形態に係る十字軸継手１がステアリング装置に用いられる場合、十字継手１は車両上のレイアウトによって、所定の揺動角に折れ曲がった状態に配置される。運転者がステアリング操作を行うと、ステアリングシャフト、即ち、入力軸１０１が所定の操舵トルクをもって回転し、その操舵トルクが十字軸継手１を介してインターミディエイトシャフト、即ち、出力軸１０２に伝達される。

また、十字軸継手１は車両のレイアウトによるものの通常の揺動角度は０〜３０度で使用される。しかし、車両のエンジンルーム内の部品が事故による衝突で後退した際に部品が後退し、十字軸継手に干渉若しくは、公知の衝撃吸収機構を有する中間軸と組合わせて使用し衝撃吸収した場合に、十字軸継手１の揺動角が大きくなる。

この際、本願のヨーク２の構造とすることにより、通常の揺動角度０〜３０度よりも大きい揺動角の時の十字軸継手１の一方のヨーク２の揺動時のアーム２４、２５と他方のヨーク２のアーム２４とアーム２５の付け根との干渉を防ぐことで、事故後の操舵が可能になる。さらに、十字軸継手１の一方のヨーク２の揺動時のアーム２４、２５と他方のヨーク２のアーム２４とアーム２５の付け根との干渉を防ぐことで軸が不用意に回転することを防止できるので、衝撃吸収がスムーズに行うことができる。

また、Ｐ点は、軸受保持孔２１の仮想中心Ｌよりもアーム２４の先端側に位置することで、ニードルベアリング５を保持したときの保持力が低下しないように、アーム２４の幅方向の厚みがアーム２４の付け根からアーム２４の先端方向に向かってニードルベアリング５の円弧の両頂点を過ぎた位置まで均等に設けられニードルベアリング５の保持剛性を確保することで、過大な捩りトルクを受けたときのニードルベアリング５の抜け力を確保することで十字軸継手１の捩り強度を確保できる。

また更に、図５（ａ）に示すように、本願のヨーク２の構造とすることで、アーム２４、２５とアーム２４、２５の付け根の間の寸法Ａを小さくすることができる。また、図５（ｂ）に示すように、本願のヨーク２の構造とすることで、揺動角αにおいて十字軸継手１が回転した時に生じるヨーク２とヨーク２のクリアランス寸法Ｂを小さくすることができる。これにより、十字軸継手１の軸方向の長さを小さくすることができるので、小型で軽量の十字軸継手１とすることができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限られるものではない。

例えば、ヨークを、鋼板や鋼管を素材とする溶接構造品としてもよい。その他、十字軸継手やヨークの具体的構成や具体的形状についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 十字軸継手
２ ヨーク
４ スパイダー
５ ニードルベアリング
２１ 軸受保持孔
２２ シャフト挿入孔
２２ａ 雌セレーション
２３ 基部
２４、２５ アーム
２６ スリット
２７ ねじ孔
２８ ボルト孔
２９ ボルト
３２ 斜面
４１ 中央部
４２ トルク伝達軸
４３ ピン孔
５１ シェル
５２ 底部
５３ 円筒部
５４ カール部
５５ ニードルローラ
６０ 樹脂ピン
６１ シール
６１ａ リップ
１０１ 入力軸
１０１ａ 雄セレーション
１０１ｂ 抜け止め溝
１０２ 出力軸
１０２ａ 雄セレーション
１０２ｂ 抜け止め溝

Claims (1)

1. 自動車のステアリング装置に用いられる十字軸継手であって、
   第１方向に沿って配置される一対の第１ヨーク及び第２ヨークと、
   前記第１ヨークと前記第２ヨークとを、互いの相対回転が可能な状態に連結するスパイダー及び軸受と、を備え、
   前記第１ヨーク及び前記第２ヨークのそれぞれは、前記第１方向に延びる基部と、当該基部から分岐して前記第１方向に交差する第２方向に対向して配置される一対のアームと、を有し、
   前記第１ヨーク及び前記第２ヨークの少なくとも一方において、
   前記一対のアームには、貫通した軸受保持孔がそれぞれ設けられ、前記一対のアームの前記第１方向の先端側の端部は、
   前記軸受保持孔の周囲に当該軸受保持孔の内周面に沿って設けられ前記軸受保持孔の径方向の肉厚が周方向に沿って均一である円弧部と、
   前記軸受保持孔の中心を通り前記第１方向に延びる第１仮想中心線からの中心角が第１の揺動角よりも大きな第１中心角である第２仮想中心線が、前記円弧部の外周面と交差する第１交差部と、当該第１交差部における接線と前記アームの側面とが交差する第２交差部であって前記軸受保持孔の中心を通り前記軸受保持孔の径方向のうち前記第１方向と直交する第３方向に延びる第３仮想中心線よりも前記アームの先端側に設けられた第２交差部と、を結ぶ斜面と、を含み、
   前記第１の揺動角は、前記ステアリング装置に衝突荷重が入力された状態での第１ヨークと第２ヨークとの交差角である、
   十字軸継手。

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