JP7091854B2 - 十字軸継手 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、車両用ステアリング装置に用いる十字軸継手に関する。

車両用ステアリング装置においては、例えばステアリングシャフトと中間シャフトの間に、一対のヨークと十字状のスパイダーとからなり、所定の折曲角度で回転しながらトルクを伝達する十字軸継手が介装してある。

このような十字軸継手は、例えば、十字軸継手を車両のエンジンの駆動力を変速機から終減速装置に伝達するプロペラシャフトに適用した発明を開示した特許文献１に示すように、ヨークの軸受孔にニードル軸受を介して、スパイダーの先端軸部が揺動自在に嵌合し、当該先端軸部を閉鎖するように形成されたベアリングカップの内底面には凸部が設けられ、当該凸部と先端軸部に設けられた突起とを当接させて相対回転をするようにしている。

また、例えば、車両用ステアリング装置に用いる十字軸継手の発明を開示した特許文献２に示すように、十字軸継手のフラットなスパーダー端面と、ベアリングカップの内底面に台形断面を持つ円錐台形状をした２つの凸部とを当接させて相対回転をするようにしている。

しかしながら、上記特許文献１のスパイダーの凸部の接触部分は、スパイダーの揺動により磨耗の進行が進むと凸部が無い双方フラットな面接触よりも双方が安定しない歪な接触になる虞があり同軸度の影響を受け易くバラ付いた場合、折り曲げトルクが増加する課題があった。また、上記特許文献２のスパイダーの凸部の接触部は、台形断面を持つ円錐形状をしているため、磨耗の進行により接触部の半径が大きくなり磨耗が締め代減少させる。この結果、面圧減少による回転トルク低下よりも、接触半径増加や摩擦係数変化による回転トルク増加となり、磨耗の進行に連れて接触圧が摩擦抵抗を増大させ、往復回転の際に折り曲げトルクが増加する課題があった。
また、折り曲げトルクが増加することによるステアリング装置の操舵安定性面での課題があった。

特開２００３－６５３５３号公報 特開２０１２－１５４４１４号公報

本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたものであって、スパイダーの軸部またはベアリングカップの接触部の回転トルクの増加を抑えることができる十字軸継手を提供し、折り曲げトルクを低減させることで操舵安定性の良好なステアリング装置が実現されることを目的とする。

上記の目的を達成するため、第一の発明の十字軸継手は、ヨークの軸受孔に、ニードル軸受を介して、スパイダーの軸部を揺動自在に嵌合し、前記軸部を密閉するように形成されたベアリングカップを備えた十字軸継手において、前記ベアリングカップの内底面中央部または前記軸部の先端面中央部のいずれかに円柱状の凸部を設けたことを特徴とする。
第二の発明は、第一の発明において、前記凸部の先端に一文字のすり割を設けたことを特徴とする。
第三の発明は、第一の発明において、前記凸部の先端に十文字のすり割を設けたことを特徴とする。
第四の発明は、第一の発明において、前記凸部を中空の円筒状したことを特徴とする。

本発明によれば、スパイダーの軸部またはベアリングカップの接触部の回転トルクの増加と磨耗を抑えることができる十字軸継手を提供し、折り曲げトルクを低減させることで操舵安定性の良好なステアリング装置が実現される。

本発明の十字軸継手を有するステアリング装置の全体を示した図である。 本発明の十字軸継手の一部を断面した側面図である。 （ａ）は、従来技術の十字軸継手のニードル軸受の一部要部断面で、（ｂ）は（ａ）のスパイダーの軸部の先端の磨耗状況の変移を説明する模式図で、（ｃ）は、本発明の十字軸継手のニードル軸受の一部要部断面で、（ｄ）は（ｃ）のベアリングカップの内底面中央部の凸部によるスパイダーの軸部の先端の磨耗状況の変移を説明する模式図である。 （ａ）と（ｂ）は、スパイダーの軸部の先端に設けられた凸部の磨耗状況の変移を説明する模式図である。 （ａ）は、凸部の先端に一文字のすり割を設けたことを示す図、（ｂ）は、十字のすり割りを設けたことを示す図である。 （ａ）は、スパイダーの軸部の先端に設けられた円筒部に潤滑剤を挿入した断面図であり、（ｂ）は、当該円筒部の磨耗が進み潤滑剤が円筒外部に流出していることを説明する模式図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

［ステアリング装置の構成］
図１は、本発明の十字軸継手を有するステアリング装置の構成を示し、一部を断面した正面図であって、電動パワーステアリング装置に適用した実施形態を示す。
なお、電動パワーステアリング装置において、コラムタイプ電動パワーステアリング装置の様にインタミシャフトよりも運転者寄りにパワーアシスト装置を設けた場合は、インタミのフリクションはアシスト装置のパワーにより掻き消されてしまい、運転者にはほとんど気にならないが、ピニオンタイプ電動パワーステアリング装置やラックアシスト電動パワーステアリング装置若しくは油圧のパワーステアリング装置車両では、運転者から見てインタミシャフトよりも下流にアシスト機構が存在するシステムでは、インタミシャフトのフリクションはダイレクトに運転者が感じる事ができ、それは不快適な転舵フィーリングと一般的に評価される。
なお、本実施形態の十字軸継手を採用するステアリング装置は、油圧式パワーステアリング、電動式パワーステアリング、その他いずれの形式のものでも良い。

図１に示すように、本発明の十字軸継手１５を有するステアリング装置は、車体後方側（図１の右側）にステアリングホイール１１を装着可能なステアリングシャフト１２と、このステアリングシャフト１２を挿通したステアリングコラム１３と、このステアリングシャフト１２に補助トルクを付与する為のアシスト装置（操舵補助部）２０と、このステアリングシャフト１２の車体前方側（図１の左側）に、図示しないラック／ピニオン機構を介して連結されたステアリングギヤ３０とを備える。

ステアリングシャフト１２は、雌ステアリングシャフト１２Ａと雄ステアリングシャフト１２Ｂとを、回転トルクを伝達可能に、かつ軸方向に関して相対移動可能にスプライン嵌合している。従って、上記雌ステアリングシャフト１２Ａと雄ステアリングシャフト１２Ｂとは、衝突時に、このスプライン嵌合部が相対移動して、全長を縮めることができる。

また、上記ステアリングシャフト１２を挿通した筒状のステアリングコラム１３は、アウターコラム１３Ａとインナーコラム１３Ｂとをテレスコピック移動可能に組み合わせており、衝突時に軸方向の衝撃が加わった場合に、この衝撃によるエネルギを吸収しつつ全長が縮まる、所謂コラプシブル構造としている。

そして、上記インナーコラム１３Ｂの車体前方側端部を、ギヤハウジング２１の車体後方側端部に圧入嵌合して固定している。また、上記雄ステアリングシャフト１２Ｂの車体前方側端部を、このギヤハウジング２１の内側に通し、アシスト装置２０の図示しない入力軸の車体後方側端部に連結している。

ステアリングコラム１３は、その中間部を支持ブラケット１４により、ダッシュボードの下面等、車体１８の一部に支承している。また、この支持ブラケット１４と車体１８との間に、図示しない係止部を設けて、この支持ブラケット１４に車体前方側に向かう方向の衝撃が加わった場合に、この支持ブラケット１４が上記係止部から外れ、車体前方側に移動するようにしている。

また、上記ギヤハウジング２１の上端部も、上記車体１８の一部に支承している。また、本実施形態の場合には、チルト機構及びテレスコピック機構を設けることにより、上記ステアリングホイール１１の車体前後方向位置、及び、高さ位置の調節を自在としている。このようなチルト機構及びテレスコピック機構は、従来から周知であり、本発明の特徴部分でもない為、詳しい説明は省略する。

上記ギヤハウジング２１の車体前方側端面から突出した出力軸２３は、十字軸継手１５を介して、中間シャフト１６の後端部に連結している。また、この中間シャフト１６の前端部に、別の十字軸継手１５を介して、ステアリングギヤ３０の入力軸３１を連結している。中間シャフト１６は、雄中間シャフト（雄シャフト）１６Ａの車体前方側に、雌中間シャフト（雌シャフト）１６Ｂの車体後方側が外嵌し、回転トルクを伝達可能に、かつ、軸方向に関して相対移動可能に嵌合している。

図示しないピニオンが、入力軸３１に結合している。また、図示しないラックが、このピニオンに噛み合っており、ステアリングホイールの回転が、タイロッド３２を移動させて、図示しない車輪を操舵する。

アシスト装置２０のギヤハウジング２１には、電動モータ２６のケース２６１が固定され、この電動モータ２６の図示しない回転軸にウォームが結合されている。出力軸２３には図示しないウォームホイールが取り付けられ、このウォームホイールに電動モータ２６の回転軸のウォームが噛合っている。

また、出力軸２３の中間部の周囲には、図示しないトルクセンサが設けられている。上記ステアリングホイール１１からステアリングシャフト１２に加えられるトルクの方向と大きさを、トルクセンサで検出し、この検出値に応じて、電動モータ２６を駆動し、ウォームとウォームホイールから成る減速機構を介して、出力軸２３に、所定の方向に所定の大きさで補助トルクを発生させる。

また、十字軸継手１５では、傾いた２つのシャフト間にトルクを伝達するとき、ここで生じる摩擦に因って、シャフトが同軸の場合と比べて、出力側のシャフトで必要とされる負荷よりも大きいトルクを入力側のシャフトに与えなければならない。２つのヨークを十字軸に対して揺動させるのに必要なトルクが折り曲げトルクといわれ、折り曲げトルクを低減させることでステアリングホイールの操舵フィーリングの良好なステアリング装置が実現される。

［十字軸継手の構成］
図２は、本発明の十字軸継手１５の一部を断面した側面図である。図２に示すように、十字軸継手１５は、一対のヨーク４、４の間に、十字状のスパイダー（十字軸ともいう。）５が介装してある。すなわち、ヨーク４の軸受孔４１に、ニードル軸受６を介して、スパイダー５先端の軸部５１が揺動自在に嵌合し、軸部５１の下部外周には、シール５２が嵌合している。

本実施形態のヨーク４は、板金、鍛造もしくは鋳造のいずれで製造しても良く、またヨーク４の材料は、鉄系、もしくはアルミ系のいずれであっても良い。
また、ベアリングカップ６１は、金属製の薄板をプレス加工された一端密閉型のシェル型外輪である。

ニードル軸受６は、ベアリングカップ６１、複数のニードル７０から構成されている。ベアリングカップ６１は有底筒状体であり、外径は１５～１６ｍｍである。ベアリングカップ６１はヨークのアームに形成された円形軸受孔内に圧入され、カシメによりヨーク４に抜け防止されている。ベアリングカップ６１の筒状部内周面とスパイダー５の軸部５１の外周面との間には複数のニードル７０が介装されている。このような構成により、軸部５１はヨークアームの対応する軸受孔４１内に軸受を介して回転自在に支持されている。

ベアリングカップ６１の外径は、約１５～１６ｍｍであり、ニードル７０の内接円径は、約１０ｍｍであり、ニードル７０の外径は、１．４～２．３ｍｍであり、ニードル７０の数は１６～２５本であり、その材料はＪＩＳ ＳＵＪ１～ＳＵＪ５である。

［円柱状凸部を設けた実施形態１］
実施形態１の十字軸継手１５では、ニードル軸受６のベアリングカップ６１の内底面中央部またはスパイダー５の軸部５１の先端面中央部のいずれかに円柱状凸部（円柱状突起部）を設けている。これにより、ニードル軸受６のベアリングカップ６１の内底面とスパイダー５の軸部５１の先端面との回転接触面の回転トルクを低減できる。
先ず、ベアリングカップ６１側に円柱状凸部を設けた場合について説明する。
図３（ｃ）は実施形態１の十字軸継手１５のニードル軸受６の一部要部断面で、図３（ｃ）に示すように、ニードル軸受６のベアリングカップ６１の内底面中央部（図面上、中心軸線を一点鎖線にて示す、以下、同じ。）には、所定の径Ｄを有する円柱状の凸部（円柱状の突起部）６３を設けている。
そして、ニードル軸受６は、ベアリングカップ６１の円柱状の凸部６３とスパイダー５の軸部５１の軸部先端の平面５１ａとが回転接触する。

ベアリングカップ６１の円柱状の凸部６３の材質の硬さが、前記軸部５１の先端の平面５１ａ側よりも柔らかい場合、回転接触すると、柔らかい側のベアリングカップ６１の円柱状の凸部６３が主に磨耗する。この磨耗が進んでも、図３（ｄ１）に示す軸部５１の平面５１ａに接触する円柱状の凸部６３が減るだけで、円柱状の径Ｄは一定のままである。すなわち、接触面積Ｃ４（６３）は変わらない。この場合、ニードル軸受側の磨耗による面圧（締め代）は減少により、折り曲げトルクは下がる。したがって、操作フィーリングは改善できる。
なお、図３（ｄ）の図面において、本実施形態の説明上、ベアリングカップ６１の記載を省略している（以下、図３（ｂ）、図４、図５及び図６においても同じ。）。

図３（ｄ２）は、ベアリングカップ６１の円柱状の凸部６３の方が硬い場合の模式図で、軸部５１の平面５１ａの磨耗が進み、平面５１ａに円柱状の凹部Ｄ１が形成される。このとき、凸部Ｄ１の円柱縦壁分の接触面積は増えるが、ニードル軸受側の磨耗による面圧（締め代）減少によりフリクションは相殺されるため折り曲げトルクの上昇は抑えられる。
すなわち、図３（ｄ２）に示すように、平面５１ａには、凸部６３の磨耗する前の接触面積から回転接触によって軸部５１の平面５１ａの位置Ｄ１ａから深さＨだけ磨り減った凹部Ｄ１が形成されるものの、接触面積Ｃ５（６３）は不変で変わらない。

本願発明のニードル軸受におけるベアリングカップ６１の凸部６２とスパイダー５の軸部５１の軸部先端の平面５１ａとが回転接触した形態について、従来技術の形態を図３（ａ）、（ｂ）を用いて、その差異を説明する。なお、ここで説明する凸部６２には台形断面を持つ円錐台形状の球面形状が含まれる。
図３（ａ）は、従来技術の台形断面を持つ円錐台形状を持つ十字軸継手１５のニードル軸受６を示しており、ベアリングカップ６１の内底面中央部には、軸線方向断面において所定の曲率半径Ｒを有する曲面の凸部６２を設けられている。

凸部６２の材質の硬さが、軸部５１の軸部先端の平面５１ａの材質の硬さよりも柔らかい場合、凸部６２と平面５１ａとが回転接触すると凸部６２側が主に磨耗する。磨耗が進むと、図３（ｂ）の図面左側上部に示す凸部６２が軸線方向断面において所定の曲率半径Ｒであることから、軸部５１の軸部先端の平面５１ａに当接すると初期は、点接触Ｃ１（６２）であるが（図３（ｂ１）参照）、回転接触すると凸部６２の磨耗が進み接触面が増加（接触半径が増加、図３（ｂ２）参照。）する結果、摩擦抵抗を増大させ、折り曲げトルクが上昇する。さらに凸部６２の磨耗が進み接触面が増加（接触半径が増加、図３（ｂ３）参照。）すればより折り曲げトルクが上昇する。
このように従来技術のニードル軸受は面圧が下がるものの、凸部６２の半径の接触面増加に因るトルクアップの方が支配的で差し引きで折り曲げトルクが上昇する。

これに対し、実施形態１のようにベアリングカップ６１に円柱状凸部６３を設け、スパイダー５の軸部５１をベアリングカップ６１よりも材質を硬くすると、ベアリングカップ６１の円柱状の凸部６３側が磨耗しても、上記説明のとおり接触面積は変わらないため同軸度の影響を受け難くバラ付きがないため折り曲げトルクは下がる。
したがって、従来技術にあった曲面Ｒの凸部６２ではなく、実施形態１のように円柱状の凸部６３を設けることで、磨耗による接触半径の増加を抑えることにより、回転トルクの増加を抑える効果を奏することができる。

［円柱状凸部を設けた実施形態２］
次に、スパイダー５の軸部５１側に円柱状の凸部５３を設けた実施形態２について説明する。
図４（ａ）は、軸部５１の平面５１ａに円柱状の凸部５３を設けたニードル軸受６の軸部５１の正面図と側面図の模式図である。図４（ａ）に示すように、凸部５３は、径Ｄからなる円柱状に形成され、その平面５１ａから高さＨ１を有している。
図４（ｂ）は、回転接触により円柱状の凸部５３の先端が高さＨ２まで磨り減っていることを示している側面図である。図４（ｂ）に示すように、このときの接触面積Ｃ７（５３）は、接触当初の接触面積Ｃ６（５３）と変わらず、ニードル軸受側の磨耗による面圧（締め代）減少により、フリクションが低減される効果がある。

［グリース溜りを設けた実施形態１］
グリースはベアリングカップ６１と軸部５１間に充填されるが、さらに磨耗を軽減するためのグリース溜りが設けられる実施形態１として、一文字のすり割りＳ１または十文字のすり割りＳ２のグリース溜りを設けている。
本実施形態１では、円柱状の凸部５３の先端に溝加工により一文字のすり割りＳ１若しくは十文字のすり割りＳ２を設けている。例えば、図５（ａ）には、軸部５１の突起状の凸部５４に一文字のすり割りＳ１による潤滑用のグリース溜まりを設けることを示している。また、図５（ｂ）には、軸部５１の突起状の凸部５４に十文字のすり割りＳ２が形成されている。

これにより、ベアリングカップ６１と軸部５１間に単にグリースが充填されるだけであったものが、すり割りＳ１，Ｓ２がグリース溜まりとしてグリースが摺動面に供給されて磨耗をさらに抑制できる。
なお、図に示していないが、一文字のすり割りＳ１若しくは十文字のすり割りＳ２をベアリングカップ６１の内径凸先端に潤滑用のグリース溜まりを設けても本実施形態の範囲である。

［グリース溜りの実施形態２］
グリース溜りの実施形態２として、凸部５３を中空の円筒状にしている。
図６（ａ）に示すように、スパイダー５の軸部５１の突起状の円筒部５４を中央部が中空の径Ｄ１の凹部５４ａが形成された径Ｄからなる円筒形状としている。この円筒内部である凹部５４ａに、潤滑剤Ｇ（グリースや固体潤滑剤）を図６（ａ）に示すような初期状態において充填することで、円筒部５４の磨耗が進行した際に、図６（ｂ）に示すように、中央部分の潤滑剤Ｇが行き場を失い、その潤滑剤Ｇが流れ出る（図６（ｂ）の矢印符号がその状態である。）。

潤滑剤Ｇは、二硫化モリブデンを添加したグリースまたは固体潤滑剤（ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン））等が用いられる。
また、グリース溜り内に封入するグリースには、二硫化モリブデン以外にも例えば、イオウ系（Ｓ）極圧添加剤、イオウ－リン系（Ｓ－Ｐ）極圧添加剤、亜鉛－イオウ－リン系（Ｚｎ－Ｓ－Ｐ）極圧添加剤）を加えて、磨耗をさらに低減することもできる。

これにより、ベアリングカップ６１と軸部５１との間に単にグリースが充填されるだけであったものが、スパイダー５１の円筒部５４の磨耗がベアリングカップ６１との回転接触により進むと、円筒内部である凹部５４ａに充填されたグリースまたは固体潤滑剤が行き場をなくし外部流出することで潤滑が促進され磨耗を低減する効果が得られる。

なお、図には示していないが、グリース溜りの他の実施形態として、ベアリングカップ６１の内底面中央部に円筒状の凸部を設けても同様の作用効果が得られ本実施形態の範囲である。

以上、説明したように、本発明による十字軸継手１５は、スパイダー５の軸部またはベアリングカップの中央部の接触部を、凸（突起）部とすることで磨耗による接触半径の増加を抑えて回転トルクの増加を抑えることができる。さらに、本発明の十字軸継手１５によれば、円柱状の凸（突起）部のすり割りを設けることによる、または円筒状の凸（突起）部にグリース溜まりを設けてグリースが摺動面に供給されて磨耗を抑制できる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、種々変形可能である。例えば、本実施形態では、シェル型のニードル軸受を使用しているが、ソリッド型ニードル軸受を使用してもよい。また、対向する二軸をシェル型ニードル軸受、これと略直交する二軸をソリッド型ニードル軸受としてもよい。

１１ ステアリングホイール
１２ ステアリングシャフト
１２Ａ 雌ステアリングシャフト
１２Ｂ 雄ステアリングシャフト
１３ ステアリングコラム
１３Ａ アウターコラム
１３Ｂ インナーコラム
１４ 支持ブラケット
１５ 十字軸継手
１６ 中間シャフト
１６Ａ 雄中間シャフト
１６Ｂ 雌中間シャフト
１８ 車体
２０ アシスト装置
２１ ギヤハウジング
２３ 出力軸
２６ 電動モータ
２６１ ケース
３０ ステアリングギヤ
３１ 入力軸
３２ タイロッド
４ ヨーク
４１ 軸受孔
５ スパイダー（十字軸）
５１ 軸部
５２ シール
５３ 凸部（スパイダー側）
５４ 凸部（スパイダー側）
６ ニードル軸受
６１ ベアリングカップ
６２ 凸部（ベアリングカップ側）
６３ 凸部（ベアリングカップ側）
７０ ニードル

Claims (1)

1. ヨークの軸受孔に、ニードル軸受を介して、スパイダーの軸部を揺動自在に嵌合し、前記軸部を密閉するように形成されたベアリングカップを備えた十字軸継手において、
   前記ベアリングカップの内底面中央部または前記軸部の先端面中央部のいずれかに凸部を設け、
   前記凸部は、
   前記軸部の中心軸の軸回りの周方向に沿って延びる円筒部と、
   当該円筒部の径方向内側に設けられた固体潤滑剤と、を備えたことを特徴とする十字軸継手。

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