JPWO2003064877A1 - 十字軸継手 - Google Patents

Abstract

各々が分岐したアームを一体に有し各アームに対向する丸孔が形成された一対のヨークと、４つの端部軸部を有するスパイダーと、該ヨークの丸孔内にスパイダーの前記端部軸部をそれぞれ回転可能に支持する４つの軸受と、該軸受の各々はヨークの丸孔に内嵌された筒状部を有するカップと、該カップの内周面とスパイダーの前記端部軸部との間に介装された複数の転動体とから成る十字軸継手において、スパイダーの端部軸部は軸受内に転動体を介してシメシロ嵌合されている。

Description

技術分野
本発明は、車両用ステアリング装置等に用いられる十字軸継手に関する。特に本発明は、一対のヨークと十字状のスパイダーとから成り、ユニバーサルジョイントとしての機能を有する十字軸継手に関するものである。
背景技術
一般に、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のアッパーシャフトとロアーシャフトの間に、一対のヨークと十字状のスパイダーとから成り、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されている。
この十字軸継手は、例えば、特開２０００−１７０７８６号公報においては、ヨークの軸受孔に、複数のコロ転動体を含むニードル軸受を介して、スパイダーのスパイダー軸部が回転自在に嵌合され、このスパイダー軸部の軸芯に形成した円錐状孔に、ニードル軸受のカップ内面の軸芯に形成した球面状突部が嵌合・圧接した構成のものが開示されている。これにより、車輪から振動が伝わったとしても、スパイダー軸部とニードル軸受の間の微小隙間を一様に維持し、両者の干渉による異音の発生を防止している。
しかしながら、上記従来の十字軸継手においては、各部品の寸法精度が低い場合には、スパイダーをヨークに組み込む際、スパイダー軸部の円錐状孔に、ニードル軸受のカップ内面の球面状突部を適当な予圧で接触させることが困難になるため、スパイダー軸部とニードル軸受の間の微小隙間を一様に維持することができず、両者の干渉による異音が発生するという問題点があった。
一方、各部品の寸法精度を高くすると、異音の発生は防止することができるが、製造コストの高騰を招くという問題点があった。
また、スパイダー軸とニードル軸受がシメシロ（締め代）で当接する、いわゆるシメシロ嵌合の場合には、異音の発生を防止することはできるが、この場合、折り曲げトルクが大きく成る場合がある。また、通常の組み立てでは、コロ転動体、カップ、スパイダー軸に傷が付く可能性がある。このため、組み立て時に、スパイダー軸とニードル軸の心合わせを正確に行い、場合によっては組み込み速度を遅くする必要があり、結果として、組み立てに時間が掛かり、コスト高となっていた。
発明の開示
本発明は、上述した従来の不都合に鑑みてなされたものであって、製造コストの高騰を招くことなく、組み立てが容易で、スパイダー軸部とニードル軸受の干渉による異音の発生を確実に防止することができ、滑らかな操舵感が得られる十字軸継手を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明では、
各々が分岐したアームを一体に有し各アームに対向する丸孔が形成された一対のヨークと、
４つの端部軸部を有するスパイダーと、
該ヨークの丸孔内にスパイダーの前記端部軸部をそれぞれ回転可能に支持する４つの軸受と、
該軸受の各々はヨークの丸孔に内嵌された筒状部を有するカップと、該カップの筒状部の内周面とスパイダーの前記端部軸部との間に介装された複数のコロ転動体とから成る十字軸継手において、
前記ニードル軸受と前記スパイダー軸部とが前記転動体を介してシメシロ嵌合としてあり、そして前記コロ転動体は、その径が中央部近傍から両端部にかけて徐々に小さくなる形状に成形されていることを特徴としている。
本発明の十字軸継手において、前記ニードル軸受と前記スパイダー軸部とが前記コロ転動体を介してシメシロ嵌合となっているので、スパイダー軸部はコロ転動体の中央部近傍のみにてシメシロ嵌合しているため、すなわちニードル軸受の中央部近傍のみにてシメシロ嵌合しているため、本発明の十字軸継手を車両用ステアリング装置に用いた場合、車輪から振動が伝わっても、コロ転動体の両端部近傍で、スパイダー軸部とコロ転動体との間及びカップ内径とコロ転動体との間の各々の微小隙間が一様に維持され、両者の干渉による異音の発生が防止される。
また、この構成によれば、ニードル軸受にスパイダー軸部を組み込む際、コロ転動体の先細り形状が、互いに挿入スペースを許容し、案内することになるため、コロ転動体、ベアリングカップ、スパイダー軸部に傷が付くことがないという効果がある。
本発明の十字軸継手において、前記スパイダー軸部は、その先端部外周辺に、所定幅の先細リテーパ形状の面取り部が形成されていることが好ましい。この構成により上記効果をさらに高めることができる。
本発明の十字軸継手を採用したステアリング装置は、高速走行時ステアリングホイールを操舵した時、敏速に操舵でき操縦安定性が向上する。
さらに、本発明の十字軸継手において、前記ベアリングカップ内のコロ転動体の前記スパイダー軸部の軸心方向の移動可能量が、少なくとも０．６ｍｍあることが好ましい。この構成によれば、コロ転動体の移動を許容するスペースが設けられているため、コロ転動体がベアリングカップ内側端面に接触しなくなり、折り曲げトルクがより小さくなり、滑らかな操舵感が得られる。
発明の実施の形態
以下、本発明の十字軸継手の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態を示す十字軸継手の部分切欠き断面を含む側面図、図２は図１の十字軸継手のＡ部を示す部分拡大図、図３は第２の実施形態を示す十字軸継手の部分切欠き断面図、図４は第３の実施形態を示す十字軸継手の部分切欠き断面図、図５は第４の実施形態を示す十字軸継手の部分切欠き断面図である。
先ず、本発明の第１の実施の形態について図１及び図２を参照して説明する。
図１及び図２に示すように、十字軸継手（ステアリング用ジョイント）１は、一対の板金製のヨーク７，８間に、十字状のスパイダー２を介装した構成である。ヨーク７は、筒状基部７ａと該筒状基部から軸方向に延び直径方向に対向する一対のアーム７ｂ、７ｂを一体に有している。この筒状基部７ａは、軸６に緩衝部１９を介して連結されている。緩衝部１９は、外筒２１と内筒２０及びこれらに挟持されたゴムより成るラバーブッシュ９から構成されている。内筒２０は軸６に外嵌・固定され、この内筒２０にピン１０が固定されている。軸６の内周面にはメススプライン２５が形成されている。ヨーク８は略筒状周面を形成し、周方向の一部で対向する一対の締付部を有する基部８ａと、該基部から軸方向に延び直径方向に対向する一対のアーム８ｂを一体に有している。
ヨーク７の各アーム７ｂの端部およびヨーク８のアーム８ｂの端部には、それぞれ対向して円形の軸受孔１８が形成されている。ヨーク７、８の軸受孔１８にはスパイダー２の端部の軸部１４がそれぞれ挿入されており、スパイダー軸部１４はそれぞれヨーク７、８の対応する軸受孔１８内にニードル軸受３を介して回転自在に支持されている。
ヨーク７、８の円形軸受孔１８とそれぞれ軸受３を介して回転自在に支持されたスパイダー２の端部軸部１４との構成は、すべて同じであるので、本明細書ではそのうち１つについて以下に詳細に説明する。
図２に示すように、スパイダー２のスパイダー軸部１４が、ヨーク７の軸受孔１８に、複数のコロ転動体１２を含むニードル軸受３を介して回転自在に嵌合されている。スパイダー軸部１４の先端部外周辺には、先細りテーパ形状の面取り部１５が形成されている。この面取り部１５は、その軸方向の幅はＬで、そのテーパ面は軸心方向に対して０．５°〜１．２°の角度θをなすように設定されている。
スパイダー軸部１４の軸径は９〜１０ｍｍ、その真円度、円筒度はそれぞれ０．００５ｍｍ以下、好適には０．００２ｍｍ以下である。また対向する２カ所の軸部１４の同軸度は０．０５ｍｍ以下、好適には０．０２ｍｍ以下である。面取り部１５の幅Ｌは０．５〜３．０ｍｍで、好適には１．０〜２．０ｍｍである。尚、面取り部１５の断面形状は直線であるが、曲線形状であっても良い。
スパイダー軸部１４の軸心に形成した軸方向孔１６にはスラストピース１７が挿入されている。スパイダー軸部１４の下部外周囲には、シール部材４が設けられている。
スラストピース１７は、ポリアセタール樹脂又はポリアミド樹脂等の合成樹脂製のピンである。スラストピース１７は、軸方向孔１６に挿入された状態では、スラストピース１７の端部が軸部１４の端面から突出するとともに、ベアリングカップ１１の底面に係合する。軸受カップ１１を圧入する際、スラストピース１７に圧縮弾塑性変形を生じさせるので、スパイダー２の軸部に軸方向の中心に向かう予圧が付与され、ヨークアーム７ｂ、７ｂに挟まれたスパイダー２を軸方向の所定位置に保持することができる。
ニードル軸受３は、ベアリングカップ１１、複数のコロ転動体１２、ベアリングカップ１１とスパイダー軸部１４間に充填されたグリース１３から成っている。グリース１３として、二硫化モリブデンを添加したものを用いることにより、より滑らかな操舵感が得られる。ベアリングカップ１１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１１はヨークのアームに形成された円形軸受孔１８内に圧入され、カシメ部１１ａによりヨーク１１に抜け防止されている。ベアリングカップ１１の筒状部内周面とスパイダー軸部１４の外周面との間には複数のコロ転動体１２が介装されている。このような構成により、スパイダー軸部１４はヨークアームの対応する軸受孔１４内に軸受３を介して回転自在に支持されている。
コロ転動体１２（以後、コロ１２と言う）は、その径Ｒが中央部近傍から両端部にかけて徐々に微小量だけ小さくなる形状に成形されている。径Ｒの減少量は、コロ１２の端面より中央部に向かって０．８ｍｍの位置で０．００４〜０．０２２ｍｍである。コロ１２は、その中央部近傍、即ち、コロ１２全長の１３〜７０％の領域Ｍで、スパイダー軸部１４及びニードル軸受３とシメシロ嵌合するように設定されている。このため、ニードル軸受３にスパイダー軸部１４を組み込む際の荷重を小さくすることができ、組立作業が容易となる。コロ１２の数は１６〜２５本であり、その材料はＪＩＳ ＳＵＪ１〜ＳＵＪ５である。
この構成において、スパイダー軸部１４の面取り部１５は、切削でも設けることが出来るが、スパイダー軸部１４と同時研削により設けることが出来、高精度のものが低コストで得られる。
ニードル軸受３にスパイダー軸部１４を組み込む際、コロ１２の先細り形状、及びスパイダー軸部１４の面取り部１５が、互いに挿入スペースを許容し、案内することになるため、コロ１２、ベアリングカップ１１、スパイダー軸部１４に傷が付き難く、付いたとしても微小なものに留めることができる。
また、スパイダー軸部１４は、ニードル軸受３と共に、コロ１２の中央部の領域Ｍにてシメシロ嵌合しているため、車輪から振動が伝わっても、コロ１２の両端部近傍で、スパイダー軸部１４とコロ１２との間及びベアリングカップ１１内径とコロ１２との間にできる微小隙間が一様に維持され、両者の干渉による異音の発生を防止することができる。
本実施形態の十字軸継手を採用したステアリング装置は、高速走行時ステアリングホイールを操舵した時、敏速に操舵でき操縦安定性が向上する。
さらに、領域Ｍが従来のコロより小さいので、シメシロ嵌合にも拘わらず転がり抵抗の増加が小さく、そのため折り曲げトルクが小さく滑らかな操舵感を得ることができる。
尚、この実施形態では、緩衝部１９を示したが、代わりにラバーカップリングを組み付けても良い。又、本実施形態を適用したステアリング装置の任意の部位に、ラバーカップリング、この実施形態の緩衝部、他の形式の緩衝機構、スプライン嵌合に代表されるスライド機構、あるいは衝突時の変位吸収機構等を設けても良い。
また、この実施形態のようなガタの無い十字軸継手と、前記スライド機構のガタの無いものを併用することにより、ステアリング装置の全体系として異音発生をより効果的に防止することができる。また、一つの十字軸継手はそれぞれ４個のニードル軸受３，スパイダー軸部１４を有しているが、本実施の形態の十字軸継手は少なくともその１カ所以上に適用する。
さらに、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。
次に、第２の実施形態について図３を参照して説明する。
この第２実施形態は上記第１の実施形態と略同様であり、同一部材には同一番号を付しており、その部分の説明は省略する。異なっているのは、ニードル軸受２２のベアリングカップ２６底面の内側中央部に形成された内向き突起２３と、スパイダー軸部２４の端面が接触する形式のシェル型の十字軸継手３０に、本発明を適用している点である。
この実施形態においても、コロ１２は、その径Ｒが中央部近傍から両端部にかけて徐々に小さくなる形状とされ、スパイダー軸部２４の先端部外周辺には、幅Ｌの先細リテーパ形状の面取り部１５が形成されている。この第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を期待することができる。
尚、この第２の実施形態では、シェル型の十字軸継手を示したが、ソリッド型のものにも適用することができる。
次に、第３の実施形態について図４を参照して説明する。
この実施形態は上記第１の実施形態と略同様であり、同一部材には同一番号を付しており、その部分の説明は省略する。コロ１２は、上記実施形態同様、その径Ｒが中央部近傍から両端部にかけて徐々に小さくなる形状とされている。本実施形態が上記実施形態と異なっているのは、スパイダー軸部１４の面取り部１５を設けず、コロ１２の、ベアリングカップ１１内でのスパイダー１４軸方向の移動可能な合計量を０．６ｍｍとした点である。但し、この移動可能合計量は少なくとも０．６ｍｍであって、０．６ｍｍ以上あることが望ましい。即ち、コロ１２の長さをＴ、ベアリングカップ１１内のスパイダー軸部１４の軸心方向の内側スペースの幅をＳとすると、（Ｓ−Ｔ）≧０．６ｍｍである。
したがって、コロ１２がベアリングカップ１１スペース内のスパイダー１４軸心方向の中央に配置されているとすると、コロ１２はスパイダー１４軸心方向に０．３ｍｍ移動可能になる。
Ｍは、スパイダー軸部１４がニードル軸受３と共にコロ１２の中央部でシメシロ嵌合している範囲である。コロ１２の転動面１２′の表面粗さはＪＩＳによる１０点平均の粗さでＲｚ０．４μｍ程度、スパイダー軸１４の表面１４′はＲｚ１μｍ程度である。
この構成の場合、上記実施形態よりも組み立て時間が長くなり、コスト高となる場合があるが、コロ１２がベアリングカップ１１内側端面に接触しなくなるので、折り曲げトルクがより小さくなり、滑らかな操舵感を得ることができる。
第４の実施形態について図５を参照して説明する。この実施形態は、上記第２の実施形態と略同様であって、同一部材には同一番号を付しており、その部分の説明は省略する。異なっているのは、スパイダー軸部２４の面取り部１５は設けず、コロ１２の列を複数列（この実施形態の場合２列）として、コロ１２１列及びコロ１２２列を配置している点である。コロ１２１，１２２は、上記実施形態同様、その径Ｒが中央部近傍から両端部にかけて徐々に小さくなる形状とされている。コロ１２１，１２２のそれぞれの長さをＴ１，Ｔ２とすると、上記第３の実施形態と同様に、Ｓ−（Ｔ１＋Ｔ２）≧０．６ｍｍとしている。
Ｍ１，Ｍ２は、スパイダー軸部２４がニードル軸受２２と共にコロ１２１，１２２の中央部でシメシロ嵌合している範囲である。コロ１２１，１２２の長さＴ１，Ｔ２は、異なる長さでも良いが、同じ長さの方が低コストになる。
この構成においても、上記第３の実施形態と同様の効果を期待することができるが、コロ数が増加することと、コロをベアリングカップ２６に組み付ける時間が長くなることからコスト高となる。
しかし、この実施形態ではコロ１２１径とコロ１２２径は略同一にしているが、コロ１２２径（カップ２５開放端側）をコロ１２１径よりもやや大きくすると効果的である。そのコロ１２１とコロ１２２の径差は０．００２〜０．０１０ｍｍに設定するのが好適である。この場合、コストは増加することになるが、捩じりトルクが負荷された場合のスパイダー軸部２４、コロ１２１、及びベアリングカップ２２の互いの接触面圧が低下するため、耐久性や使用寿命を向上させることができる。
また、コロ１２１列，１２２列の一方の列を隙間嵌合、他方の列をシメシロ嵌合の構成としても良い。
尚、上記４つの実施形態において、ヨーク７，８は板金製としたが、鍛造、鋳造の何れで作っても良く、その材料は鉄系、アルミ系の何れであっても良い。
図６は本発明の第５実施形態に係る十字軸継手の部分断面図である。
第５実施形態について図６を参照して説明する。この実施形態は、上記第２の実施形態と略同様であって、同一部材には同一番号を付しており、その部分の説明は省略する。本実施形態においても、コロ１２は、上記実施形態同様、その径Ｒが中央部近傍から両端部にかけて徐々に小さくなる形状とされている。本実施形態では、ニードル軸受２２にケージ３３が設けてある。この場合、カップ両端内面間隔をＭ、コロ１２の中央部を支えるケージ３３の枠部分の軸方向幅をそれぞれＳ１，Ｓ２，そしてローラ１２の長さをＮとするとき、Ｍ−Ｎ−Ｓ１−Ｓ２≧０．６ｍｍ
としている。
本実施の形態では、ケージ３３付きであるため、他の実施形態に比べコスト高である。しかし、コロ１２は互いに関係なく傾くため、総コロ型のように傾きが一方向になる場合は少ない。このため、スパイダー軸部２４が軸方向に動こうとする力は小さく、カップ２６の底壁の中央突起部２３とスパイダー軸部２４の端面との接触部の耐摩耗性が向上する。また、第７図に示すような３つのジョイントＪｔ１，Ｊｔ２，Ｊｔ３を有するステアリング装置あるいは２つのジョイントを有するステアリング装置において、当該ジョイントの少なくとも一つが本実施の形態の十字軸継手である。
以上説明したように、本発明によれば、十字軸継手において、ニードル軸受とスパイダー軸部とがコロ転動体を介してシメシロ嵌合となっているので、スパイダー軸部はコロ転動体（すなわちニードル軸受）の中央部近傍のみにてシメシロ嵌合しているため、車輪から振動が伝わっても、コロ転動体の両端部近傍で、スパイダー軸部とコロ転動体との間及びカップ内径とコロ転動体との間の各々の微小隙間が一様に維持され、両者の干渉による異音の発生が防止される。
本発明によれば、コロ転動体は、その径が中央部近傍から両端部にかけて徐々に小さくなる形状に成形されているので、ニードル軸受にスパイダー軸部を組み込む際、コロ転動体の先細り形状、コロ転動体、カップ、スパイダー軸部に傷が付き難く、付いたとしても微小なものに留めることができ、又その挿入荷重を小さくすることができる。したがって、滑らかな操蛇感を得ることができ、又製作コストの高騰を招くことなく、組み付け作業を容易に、短時間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す十字軸継手の部分切欠き断面を含む側面図である。
図２は、図１の十字軸継手のＡ部を示す部分拡大図である。
図３は、第２の実施形態を示す十字軸継手の部分切欠き断面図である。
図４は、第３の実施形態を示す十字軸継手の部分切欠き断面図である。
図５は、第４の実施形態を示す十字軸継手の部分切欠き断面図である。
図６は、本発明の第５実施形態に係る十字軸継手の部分切り欠き断面図である。
図７は、本発明の上記実施形態の十字軸継手を少なくとも一つ採用した３つのジョイントを有するステアリング装置の概略図である。

Claims (9)

1. ヨークの軸受孔に、ベアリングカップ及び当該カップ内の複数のコロを含むニードル軸受を介して、スパイダー軸部を回転自在に嵌合することにより、ヨークにスパイダーを係合した構成の十字軸継手において、
   前記ニードル軸受と前記スパイダー軸部とが前記コロを介してシメシロ嵌合とし、そして
   前記コロは、その径が中央部近傍から両端部にかけて徐々に小さくなる形状に成形されていることを特徴とする十字軸継手。
2. 前記スパイダー軸部は、その先端部外周辺に、所定幅の先細リテーパ形状の面取り部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の十字軸継手。
3. 前記面取り部は、そのテーパ面が前記スパイダー軸部の軸心方向に対して０．５°〜１．２°の角度を有することを特徴とする請求項２に記載の十字軸継手。
4. 前記ベアリングカップ内のコロ転動体の前記スパイダー軸部の軸心方向の移動可能な合計量が、少なくとも０．６ｍｍ有ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の十字軸継手。
5. 前記ベアリングカップ内のコロ列は、複数列配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の十字軸継手。
6. 各々が分岐したアームを一体に有し各アームに対向する丸孔が形成された一対のヨークと、
   端部軸部を有するスパイダーと、
   該ヨークの丸孔内にスパイダーの前記端部軸部をそれぞれ回転可能に支持する軸受と、
   該軸受の各々はヨークの丸孔に内嵌されたカップと、該カップの内周面とスパイダーの前記端部軸部との間に介装された複数の転動体とから成る十字軸継手において、
   スパイダーの前記端部軸部は前記軸受内に前記転動体を介してシメシロ嵌合されている十字軸継手。
7. 各々が分岐したアームを一体に有し各アームに対向する丸孔が形成された一対のヨークと、
   端部軸部を有するスパイダーと、
   該ヨークの丸孔内にスパイダーの前記端部軸部をそれぞれ回転可能に支持する軸受と、
   該軸受の各々はヨークの丸孔に内嵌されたカップと、該カップの内周面とスパイダーの前記端部軸部との間に介装された複数の転動体とから成る十字軸継手において、
   前記転動体はコロであって、その径が長さ方向において中央部から両端部にかけて徐々に小さくなる形状である十字軸継手。
8. スパイダーの各端部軸部を該スパイダーを介して接続される一対のヨークの各端部に形成された対応する丸孔に回転可能に支持するために、ヨークの各端部に形成された丸孔に内嵌されたカップと該カップの内周面とスパイダーの前記端部軸部との間に介装された複数の転動体とから成る軸受において、
   スパイダーの前記端部軸部を前記転動体を介してシメシロ嵌合している十字軸継手用軸受。
9. スパイダーの各端部軸部分を該スパイダーを介して接続される一対のヨークの各端部に形成された対応する丸孔に回転可能に支持するために、ヨークの各端部に形成された丸孔に内嵌されたカップと該カップの内周面とスパイダーの前記端部軸部との間に介装された複数の転動体とから成る十字軸継手用軸受において、
   前記転動体はコロであって、その径が長さ方向において中央部から両端部にかけて徐々に小さくなる形状である十字軸継手用軸受。

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