WO2004056638A1

WO2004056638A1 - 車両ステアリング用伸縮軸

Info

Publication number: WO2004056638A1
Application number: PCT/JP2003/016088
Authority: WO
Inventors: Masato Taniguchi; Yasuhisa Yamada
Original assignee: Nsk Ltd.
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2004-07-08
Also published as: AU2003289114A8; EP1584538A1; AU2003289114A1; US20060082120A1; JP2004196261A; EP1584538A4; CN1741931A

Abstract

　雄軸１の外周面と雌軸２の内周面とに夫々形成した複数対の軸方向溝３，５の間に、球状体７を配置し、雄軸の軸方向溝と球状体との間に、予圧用の板バネ９を介装し、雄軸１の外周面と雌軸２の内周面とに夫々形成した他の複数対の軸方向溝４，６の間に、円柱体８を配置し、しかも、球状体７が転動する雌軸２側の軸方向溝５の横断面の曲率半径は、球状体７の直径の５５％以下に設定してある。

Description

車両ステアリング用伸縮軸

技術分野

本発明は、車両のステアリングシャフトに組込み、雄軸と雌軸を相互に回転不能に且つ摺動自在に嵌合した車両ステアリング用伸縮軸に関する。

明田

背景技術

自動車の操舵機構部の伸縮軸には、自動車が走行する際に発生する軸方向の変位を吸収し、ステアリングホイール上にその変位や振動を伝えない性能が要求される。さらに、運転者が自動車を運転するのに最適なポジションを得るためにステアリングホイールの位置を軸方向に移動し、その位置を調整する機能が要求される。

これら何れの場合にも、伸縮軸は、ガタ音を低減することと、ステアリングホィ一ル上のガ夕感を低減することと、軸方向の摺動動作時における摺動抵抗を低減することとが要求される。

このようなことから、従来、伸縮軸の雄軸に、ナイロン膜をコ一ティングし、摺動部にグリースを塗布し、金属騒音、金属打音等を吸収または緩和するとともに、摺動抵抗の低減と回転方向ガ夕の低減を行ってきた。

しかし、使用経過によりナイ口ン膜の摩耗が進展して回転方向ガ夕が大きくなるといったことがある。また、エンジンルーム内の高温にさらされる条件下では、ナイロン膜は、体積変化し、摺動抵抗が著しく大きくなつたり、摩耗が著しく促進されたりするため、回転方向ガ夕が大きくなるといったことがある。

このようなことから、日本特開 2 0 0 1— 5 0 2 9 3号公報では、雄軸の外周面と雌軸の内周面とに夫々形成した複数対の軸方向溝の間に、両軸の軸方向相対移動の際に転動するトルク伝達部材（球状体）が嵌合してある。

さらに、 DE 3730393 C 2公報では、トルク伝達部材である球状体の径方向内方又は外方と、それぞれ対をなす軸方向溝との間に、トルク伝達部材（球状体）を介して雄軸と雌軸に予圧を付与するための予圧用の弾性体である板パネが設けてある。

これにより、トルク非伝達時には、板バネにより、トルク伝達部材である球状体を雌軸に対してガタ付きのない程度に予圧しているため、雄軸と雌軸の間のガ夕付きを防止することができ、雄軸と雌軸は、ガタ付きのない安定した摺動荷重で軸方向に摺動することができる。

また、トルク伝達時には、板パネにより、トルク伝達部材である球状体を周方向に拘束できるようになつているため、雄軸と雌軸は、その回転方向のガ夕付きを防止して、高剛性の状態でトルクを伝達することができる。

しかしながら、上述した日本特開 2001-50293号公報又は独国特許発明 DE3730393 C 2号公報では、球状体は、雌軸又は雄軸の軸方向溝の軌道面に、点接触することから、トルク負荷時には、接触圧力が過大になると、球状体と接触する軸方向溝の軌道面の表面には、圧痕が生じるといった虞れがある。その結果、このような場合には、軸方向溝の軌道面の圧痕により、摺動抵抗が大きくなり、又は不均一になるといったことがあり、また、圧痕は、応力集中による剥離や摩耗等の損傷の原因にもなるといったことがある。発明の開示

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、安定した摺動荷重を実現すると共に、回転方向ガタ付きを確実に防止して、高剛性の状態でトルクを伝達でき、しかも、製造コストを低減しつつ、耐久性を向上することができる車両ステアリング用伸縮軸を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る車両ステアリング用伸縮軸は、車両のステアリングシャフトに組込み、雄軸と雌軸を回転不能に且つ摺動自在に嵌合した車両ステアリング用伸縮軸において、

前記雄軸の外周面と前記雌軸の内周面とに夫々形成した少なくとも一対の軸方向溝の間に、前記両軸の軸方向相対移動の際に転動する球状体を配置し、前記雄軸側又は雌軸側の軸方向溝と、前記球状体との間に、前記球状体を介して前記雄軸と前記雌軸とに予圧を与える弾性体を介装し、

前記雄軸の外周面と前記雌軸の内周面とに夫々形成した他の少なくとも一対の軸方向溝の間に、前記両軸の軸方向相対移動の際に摺動する円柱体を配置し、前記球状体が転動する前記雄軸側又は雌軸側の軸方向溝の横断面の曲率半径を、前記球状体の直径の 5 5 %以下としたことを特徴とする。

このように、本発明によれば、球状体が転動する雄軸側又は雌軸側の軸方向溝の横断面の曲率半径は、球状体の直径の 5 5 %以下に設定してあることから、想定される最大ねじりトルク入力時でも、球状体と軸方向溝との間の接触圧力を 1 5 0 O M P a以下に抑えることができる。

このように、球状体と軸方向溝との間の接触圧力を 1 5 0 O M P a以下に抑えれば、伸縮軸の表面硬さが一般的な硬さ（例えば HV 2 6 0〜HV 3 0 0程度）であっても、圧痕の発生を確実に防止することができる。

従って、特に熱処理や表面硬化処理を施さなくても、圧痕の発生を確実に防止して、圧痕による摺動抵抗の増加や摩耗等の損傷を効果的に防止することができ、これにより、製造コストを低減しつつ、耐久性を向上することができる。また、本発明によれば、安定した摺動荷重を実現すると共に、回転方向ガタ付きを確実に防止して、高剛性の状態でトルクを伝達することができる。図面の簡単な説明

図 1 Aは、本発明の第 1実施の形態に係る車両ステアリング用伸縮軸の側面図であり、図 1 Bは、その斜視図である。図 2は、図 1 Aの A— A線に沿った横断面図である。

図 3は、伸縮軸の捩り剛性のための解析プログラムの計算モデルを示す模式図である。

図 4は、試作伸縮軸のねじり剛性試験結果を実線で、解析プログラムによる計算結果を破線で示すグラフである。

図 5 Aは、本発明の第 2実施の形態に係る車両ステアリング用伸縮軸の縦断面図であり、図 5 Bは、図 5 Aの b— b線に沿った横断面図である。

図 6は、第 2実施の形態に係る車両ステアリング用伸縮軸の分解斜視図である。図 7は、図 5 A、 5 B及び図 6に示す第 2実施の形態に示した伸縮軸の球状体と雌軸側軸方向溝との間の最大接触圧力の計算結果を示すグラフである。

図 8は、日本特開 2 0 0 1— 5 0 2 9 3号公報又は独国特許発明 D E 3 7 3 0 3 9 3 C 2号公報に開示した伸縮軸の球状体と雌軸側軸方向溝との間の最大接触圧力の計算結果を示すグラフである。

図 9は、本発明の実施の形態に係る車両ステアリング用伸縮軸を適用した自動車の操舵機構部の側面図である。発明の実施の形態

以下、本発明の実施の形態に係る車両ステアリング用伸縮軸を図面を参照しつつ説明する。

(車両用ステアリングシャフトの全体構成）

図 9は、本発明の実施の形態に係る車両ステアリング用伸縮軸を適用した自動車の操舵機構部の側面図である。

図 9において、車体側のメンバ 1 0 0にアツパブラケット 1 0 1とロアブラケット 1 0 2とを介して取り付けられたアツパステァリングシャフト部 1 2 0 (ステアリングコラム 1 0 3と、ステアリングコラム 1 0 3に回転自在に保持されたステアリングシャフト 1 0 4を含む）と、ステアリングシャフト 1 0 4の上端に装着されたステアリングホイール 1 0 5と、ステアリングシャフト 1 0 4の下端にユニバーサルジョイント 1 0 6を介して連結された口アステアリングシャフト部 1 0 7と、ロアステアリングシャフト部 1 0 7に操舵軸継手 1 0 8を介して連結されたピニオンシャフト 1 0 9と、ピニオンシャフト 1 0 9に連結したステアリングラック軸 1 1 2と、このステアリングラック軸 1 1 2を支持して車体の別のフレーム 1 1 0に弾性体 1 1 1を介して固定されたステアリングラック支持部材 1 1 3とから操舵機構部が構成されている。

1 0 7が本発明の実施の形態に係る車両ステアリング用伸縮軸（以後、伸縮軸と記す）を用いている。ロアステアリングシャフト部 1 0 7は、雄軸と雌軸とを嵌合したものであるが、このような口アステアリングシャフト部 1 0 7には自動車が走行する際に発生する軸方向の変位を吸収し、ステアリングホイール 1 0 5上にその変位や振動を伝えない性能が要求される。このような性能は、車体がサブフレーム構造となっていて、操舵機構上部を固定するメンバ 1 0 0とステアリングラック支持部材 1 1 3が固定されているフレーム 1 1 0が別体となっておりステアリングラック支持部材 1 1 3がゴムなどの弾性体 1 1 1を介してフレーム 1 1 0に締結固定されている構造の場合に要求される。また、その他のケースとして操舵軸継手 1 0 8をピニオンシャフト 1 0 9に締結する際に作業者が、伸縮軸をいつたん縮めてからピニオンシャフト 1 0 9に嵌合させ締結させるため伸縮機能が必要とされる場合がある。さらに、操舵機構の上部にあるアツパステト部 1 2 0も、雄軸と雌軸とを嵌合したものであるが、このようト部 1 2 0には、運転者が自動車を運転するのに最適なポジションを得るためにステアリングホイール 1 0 5の位置を軸方向に移動し、その位置を調整する機能が要求されるため、軸方向に伸縮する機能が要求される。前述のすべての場合において、伸縮軸には嵌合部のガタ音を低減することと、ステアリングホイール 1 0 5上のガタ感を低減することと、軸方向摺動時における摺動抵抗を低減することが要求される。

(伸縮軸の第 1実施の形態）

図 1 A、 I Bに示すように、車両ステアリング用伸縮軸 (以後、伸縮軸と記す）は、相互に回転不能に且つ摺動自在に嵌合した雄軸 1と雌軸 2とからなる。

図 2に示すように、雄軸 1の外周面には、周方向に 1 2 0度間隔で等配した 3 個の略円弧状の溝 3、 4、 4が軸方向に延在して形成してある。これに対応して雌軸 2の内周面にも、周方向に 1 2 0度間隔で等配した 3個の略円弧状の溝 5、 6、 6が軸方向に延在して形成してある。軸方向溝 3、 5で第 1介装部が、軸方向溝 4、 6 ； 4 , 6で第 2介装部が形成されている。

雄軸 1の断面略円弧状の軸方向溝 3と、雌軸 2の断面略円弧状の軸方向溝 5との間に、軸方向に延びかつ断面略 M字形状の弾性体として後述する予圧用板パネ 9が設けてあり、板パネ 9の中央凹部と軸方向溝 5との間に複数個の第 1トルク伝達部材として剛体の球状体 7が転動自在に介装されて第 1のトルク伝達装置が構成されている。こうして、球状体 7は雄軸 1と雌軸 2との軸方向に相対移動の際には転動し、回転の際には板パネ 9に拘束されてトルクを伝達する。

雄軸 1の 2個の軸方向溝 4， 4は断面略円弧状若しくはゴシックァ一チ状であり、またこれに対応する雌軸 2の 2個の軸方向溝 6 , 6も断面略円弧状若しくはゴシックアーチ状である。軸方向に延びるこれらの対応する溝 4， 6間に雄軸 1 と雌軸 2との軸方向の相対移動を許し、回転の際にはトルクを伝達するための第 2トルク伝達部材として円柱体 8が摺動自在に介装されて第 2のトルク伝達装置が構成されている。

雄軸 1の軸方向溝 3の両側には、溝部 3 b、 3 bが溝 3に平行して軸方向に延在して形成され、軸方向溝 3と溝部 3 b、 3 bとの間に軸方向に峰状に延びる段部 3 a、 3 aが形成されている。板パネ 9は断面略 M字形状で、その両端部がそれぞれ溝部 3 b , 3 bの底部にまで延び、先端部が段部 3 a、 3 aをそれぞれ挟み込むように接触している。このようにして、板バネ 9の凹部 9 c、 9 cで雄軸 1の軸方向溝 3の両側の段部 3 a、 3 aに係止され、トルク伝達時、板パネ 9全体が周方向に移動できないようになっている。

板パネ 9は、トルク非伝達時には、球状体 7と円柱体 8、 8のそれぞれを雌軸 2に対してガタ付きのない程度に予圧する一方、トルク伝達時には、弾性変形して球状体 7を雄軸 1と雌軸 2の間で周方向に拘束する働きをするようになっている。

複数個の球状体 7は、保持器 1 2により保持してあり、球状体 7と保持器 1 2 は、摺動時、止め輪 1 1により、軸方向の移動を規制されるようになっている。以上のように構成した伸縮軸では、雄軸 1と雌軸 2の間に球状体 7と円柱体 8 を介装し、板バネ 9により、球状体 7と円柱体 8とを雌軸 2に対してガ夕付きのない程度に予圧してあるため、トルク非伝達時は、雄軸 1と雌軸 2の間のガ夕付きを確実に防止することができると共に、雄軸 1と雌軸 2は軸方向に相対移動する際には、ガタ付きのない安定した摺動荷重で搐動することができる。

なお、従来技術のように摺動面が純粋な滑りによるものであれば、ガタつき防止のための予圧荷重をある程度の荷重で留めておくことしかできなかった。それは、摺動荷重は、摩擦係数に予圧荷重を乗じたものであり、ガ夕つき防止や伸縮軸の剛性を向上させたいと願って予圧荷重を上げてしまうと摺動荷重が増大してしまうという悪循環に陥ってしまっていたのである。

その点、本実施の形態では一部に転がりによる機構を採用しているために著しぃ摺動荷重の増大を招くことなく予圧荷重を上げることができた。これにより、従来なし得なかったガ夕つきの防止と剛性の向上を摺動荷重の増大を招くことなく達成することができた。

本実施形態において、トルク伝達時には、板パネ 9が弾性変形して球状体 7を雄軸 1と雌軸 2の間で周方向に拘束すると共に、雄軸 1と雌軸 2の間に介装されている 2列の円柱体 8が主なトルク伝達の役割を果たす。

例えば、雄軸 1からトルクが入力された場合、初期の段階では、板パネ 9の予圧がかかっているため、ガタ付きはなく、板バネ 9がトルクに対する反力を発生させてトルクを伝達する。この時は、雄軸 1 ·板バネ 9 ·球状体 7 ·雌軸 2間のトルク伝達荷重と、雄軸 1 ·円柱体 8 ·雌軸 2間のトルク伝達荷重がつりあった状態で全体的なトルク伝達がされる。

さらにトルクが増大していくと、円柱体 8を介した雄軸 1、雌軸 2の回転方向のすきまの方が、球状体 7を介した雄軸 1 ·板パネ 9 ·球状体 7 ·雌軸 2間のすきまより小さい設定としてあるため、円柱体 8の方が球状体 7より反力を強く受け、円柱体 8が主にトルクを雌軸 2に伝える。そのため、雄軸 1と雌軸 2の回転方向ガ夕を確実に防止するとともに、高剛性の状態でトルクを伝達することがでさる。

なお、球状体 7は剛体のポールが好ましい。また剛体の円柱体 8は二一ドル口ーラが好ましい。

円柱体 (以後、ニードル口一ラと記す） 8は、線接触でその荷重を受けるため、点接触で荷重を受けるポールよりも接触圧を低く抑えることができるなど、さまざまな効果がある。したがって、全列をポール転がり構造とした場合よりも下記の項目が優れている。

·摺動部での減衰能効果が、ボール転がり構造に比べて大きい。よって振動吸収性能が高い。

•同じトルクを伝達するならば、ニードルローラの方が接触圧を低く抑えることができるため、軸方向の長さを短くできスペースを有効に使うことができる。

•同じトルクを伝達するならば、ニードルローラの方が接触圧を低く抑えることができるため、熱処理等によって雌軸の軸方向溝表面を硬化させるための追加工程が不要である。 •部品点数を少なくすることができる。

-組立性をよくすることができる。

•組立コストを抑えることができる。

このように二一ドルローラ 8は、雄軸 1と雌軸 2の間のトルク伝達のためのキ一の役割をするとともに、雌軸 2の内周面とすべり接触する。ニードルローラの使用が従来のスプライン嵌合と比較して、優れている点は下記のとおりである。 ·ニードルローラは大量生産品であり、非常に低コストである。

•ニードルローラは熱処理後、研磨されているので、表面硬度が高く、耐摩耗性に優れている。

·二一ドルローラは研磨されているので、表面粗さがきめ細かく摺動時の摩擦係数が低いため、搢動荷重を低く抑えることができる。

•使用条件に応じて、ニードルローラの長さや配置を変えることができるため、設計思想を変えること無く、さまざまなアプリケ一ションに対応することができる。

·使用条件によっては、摺動時の摩擦係数をさらに下げなければならない場合がある、この時ニードルローラだけに表面処理をすればその摺動特性を変えることができるため、設計思想を変えること無く、さまざまなアプリケーションに対応することができる。

•二一ドルローラの外径違い品を安価に数ミク口ン単位で製造することができるため、二一ドルローラ径を選択することによって雄軸'二一ドルローラ '雌軸間のすきまを最小限に抑えることができる。よつて軸の捩り方向の剛性を向上させることが容易である。

一方、球状体（以後、ポールと記す） 7を部分的に採用したという点では、全列二一ドルローラでかつ、全列が摺動する構造と比較して、下記の項目が優れてレ^る

-ボールは摩擦抵抗が低いため、插動荷重を低く抑えられる。 •ポールの使用により予圧荷重を高くすることができ、長期にわたるガ夕つきの防止と高剛性が同時に得られる。

(伸縮軸のねじり剛性のための解析プログラムについて）

図 3は、伸縮軸の捩り剛性のための解析プログラムの計算モデルを示す模式図である。図 4は、試作伸縮軸のねじり剛性試験結果を実線で、解析プログラムによる計算結果を破線で示すグラフである。

球状体や円柱体を使用した伸縮軸のねじり剛性を計算機によつて解析するプログラムを作成した。雌軸を空間に固定し、伸縮軸の横断面（2次元）について、各球状体や円柱体にかかる力の釣り合い式と、雄軸にかかる力（球状体 Z円柱体 /バネ荷重と外部から与えられるねじりトルク）の釣り合い式を解く。

各要素の接点では、ヘルツの弾性接触理論に基づいて、 2物体の接近量と接触荷重の関係を考慮した。本プログラムでは、予圧を与えるパネモデルを設定できる。パネと接触する球状体と雄軸との 2要素の位置関係により、パネ荷重が発生する。

上記第 1実施の形態（図 1 A、 I B及び図 2 ) に示す試作伸縮軸に、解析プログラムを適用した。

雄軸 1と雌軸 2に、それぞれ、 3本の軸方向溝 3 , 4 , 4 ; 5， 6， 6があり、 1本の軸方向溝 3， 5には、複数の球状体 7が、残る 2本の軸方向溝 4 , 4； 6， 6には、円柱体 8， 8が介装してある。球状体 7には、雄軸 1に設置された板バネ 9によって予圧が与えられている。計算モデルを図 3に示す。

図 4に、試作伸縮軸のねじり剛性試験結果を実線で、解析プログラムによる計算結果を破線で示す。計算によるねじり剛性の変化は、実測値によく一致している。

解析プログラムに用いた弾性変形のモデルによって、実機の性能を十分な精度で予測できることが示された。解析プログラムによって計算される変形量や接触領域の大きさ、接触圧力などについても、実機使用時の状態を十分な精度でシミュレートできると考えられる。

(伸縮軸の第 2実施の形態）

図 5 Aは、本発明の第 2実施の形態に係る車両ステアリング用伸縮軸の縦断面図であり、図 5 Bは、図 5 Aの b— b線に沿った拡大横断面図である。図 6は、第 2実施の形態に係る車両ステアリング用伸縮軸の分解斜視図である。

上述した第 1実施の形態では、 1対の軸方向溝 3 , 5に、 1組の第 1トルク伝達部材 7を配置し、一対の軸方向溝 3 , 5に対して周方向に 1 2 0度間隔で等配した 2対の軸方向溝 4， 6に、 2個の第 2トルク伝達部材 8を配置している。これに対して、本第 2実施の形態では、図 5 A、 5 Bに示すように、周方向に 1 2 0度間隔で等配した 3対の軸方向に延びる溝 3， 5に、それぞれ弾性体として板パネ 9を介して第 1 トルク伝達部材として球状体 7を配置して第 1のトルク伝達装置が構成されている。これら 3対の軸方向溝 3、 5の間で、周方向に 6 0度間隔にそれぞれ配置された 3対の軸方向に延びる溝 4 , 6に、それぞれ第 2 トルク伝達部材として円柱体 8を配置して第 2のトルク伝達装置が構成されている。

第 2実施形態において、 3対の軸方向溝 3 , 5および板バネ 9の形状および構造は、第 1実施形態の軸方向溝 3， 5および板パネ 9の形状および構造にそれぞれ同様である。また、第 2実施形態において、 3対の軸方向に延びる溝 4 , 6の形状および構造はそれぞれ第 1実施形態の軸方向溝 4 , 6の形状および構造に同様である。

第 2実施の形態の技術的背景として、車両毎の要求性能の違いから、捩り剛性の特性は様々なものが必要となる。従来、その要求特性が変わる度に、シャフトの直径を変えたり、或いは弾性体を使用したりして、構造を変えてその要求特性に応えている。

しかし、これらの場合、多種多様な構造や弾性特性の違う部品をそろえなければならず、部品点数の増加とコストの増大を招いている。このようなことから、本第 2実施の形態では、円柱体 8の外径違い品を安価に数ミクロン単位で製造することができるため、円柱体 8の直径を適宜選択又は組み合わせることにより、雄軸 1 ·円柱体 8 ·雌軸 2間の隙間を任意に設定することができる。以上から、車両の特性により異なる各種要求に対して、基本構造を変えることなく、また部品点数を増加させることなく、安価に応えることができる。

(解析プログラムによる伸縮軸のねじり剛性のシミュレーシヨン）

図 7は、第 2実施の形態（図 5 A、 5 B及び図 6 ) に示した伸縮軸の球状体と雌軸側軸方向溝との間の最大接触圧力の計算結果を示すグラフである。

本プログラムを、上記第 2実施の形態（図 5 A、 5 B及び図 6 ) に示す伸縮軸に適用した。車両用として想定される最大のねじりトルク 1 0 0 Nmを、雌軸 2 と雄軸 1の間に負荷した。

この場合、トルクは、主として雌軸 2と雄軸 1との間に介装されたニードル口 —ラ 8を介して伝達されるが、バネ予圧されているポール 7にも、トルクの一部が分担される。ニードルローラ 8は、雌軸 2と雄軸 1と線接触し、接触領域が広いため、接触荷重が大きくても、接触圧力は比較的小さくて問題にならない。一方、ボール 7は、雌軸 2側の軸方向溝 5や板パネ 9の表面に点接触する。トルク伝達のために、ボール 7が支持する荷重は、ニードルローラ 8に比べて小さいが、接触領域が狭い点接触のため、接触圧力は、著しく高くなる可能性がある。ねじりトルク 1 0 O Nmに対するポール 7と雌軸 2の軸方向溝 5との間の最大接触圧力を解析プログラムを用いて計算した結果を図 7に示す。

ここでは、軸方向溝 5の断面形状をゴシックアーチ形状とした。グラフの横軸は、雌軸 2側の軸方向溝 5の横断面の曲率半径をポール 7の直径に対する比で表している。断面の曲率半径が大きくなるにつれて、ボール 7と雌軸 2との間の最大接触圧力が高くなつており、雌軸 2側の軸方向溝 5が V溝（溝表面が平面、断面曲率半径無限大）の時には、 300 OMP a近い高圧になる。

このような大きな接触圧力がかかる場合、材料の硬さが十分でないと、ポール 7と接触する軌道表面に圧痕が生じるおそれがある。軌道表面に圧痕ができると摺動抵抗が大きく、また不均一になる。圧痕は、応力集中による剥離、摩耗など、損傷の原因にもなる。

圧痕の発生を防ぐために必要な硬さは、およそ次のように考えることができる。材料の降伏せん靳応力て Yとビッカース硬さ HVとの関係は、およそ次式で表される（吉田亨、設計技術者のための表面硬化技術、日刊工業新聞社)。

HV- 6 X て Y (1) ここで、 HV：材料のビッカース硬さ、 τ Y：材料の降伏せん断応力 [kg f /mm²] であり、

応力の単位を S I単位系とすると、おおよそ次式が成り立ち、

HV= 0. 6 X て Y (2) ここで、て Y：材料の降伏せん断応力〔MP a〕である。

一方、ヘルツ理論による最大接触圧力 Pm axと材料内部の最大せん断応力て ma Xには次の関係があり（例えば、 T. A.HARR I S， Ro 1 l i ng B e a r i ng A n a l y s i s _4^lh e d i t i on, J ohn Wi l e y & S o n s )、

線接触の場合、て max=0. 3 X Pma x

楕円接触の場合、おおよそて max= (1/3) XPmax (3) 材料に圧痕を生じさせないためには、最大せん断応力が材料の降伏せん断応力を超えないことが必要である。

て Y ≥ Tma x 、4) 式（2) (3) (4) より、 HV= 0. 6 X て Y ≥ 0. 6 X τ m a x = 0. 2 X Pma x

HV≥0. 2 X Pma x (5) ここで、 Pma x :最大接触圧力〔MP a〕である。

最大せん断応力は、材料の表面から少し内部に入ったところに発生するので、厳密には、最大接触圧力と最大せん断応力が発生する深さ位置での硬さが式（5) を満たさなければならない。しかし、通常の表面硬化処理では、表面が最も硬く、内部に向かうほど硬さが低下することを考えると、表面硬さについても、式（5) を満たす必要がある。

例えば、機械部品材料として広く用いられる機械構造用炭素鋼（J I S G4 051) では、焼なまし材の場合、硬さは高くても、ブリネル硬さ HB 190程度（例えば、 J I Sハンドブック [1] 鉄鋼し日本規格協会）、ピツカ一ス硬さに換算すると、 HV200程度（同資料）とされている。この場合、式（5) によれば、表面の永久変形による圧痕を防止するには、最大接触圧力 Pma Xは 100 OMP aを超えることはできない。

図 5 A、 5 B及び図 6に示す伸縮軸の製作には、切削などの機械加工に比べて、安価に製造できる塑性加工が好ましい。塑性加工では、加工硬化により、加工前に比べて材料の表面硬さが向上する。発明者らが塑性加工により試作した伸縮軸部品の表面硬さは、 HV260〜HV300程度であった。

塑性加工に伴う加工硬化により、表面硬さ HV300が得られたとき、式（5) によると、表面の永久変形による圧痕を防止するには、最大接触圧力 Pma Xは 150 OMP aを超えることはできない。

図 7に示した軸方向溝 5の曲率半径と最大接触圧力の計算結果によれば、 10 ONm負荷時にも、最大接触圧力 Pmaxを 150 OMP a以下とするには、軸方向溝 5の曲率半径をポ一ル 7の直径の 55 %以下にするとよいことがわかる。なお、日本特開 2001 - 50293号公報及び独国特許発明 DE 37303 93 C 2号公報には、雄軸と雌軸に形成した軸方向溝に複数のポールを介装して弾性体により予圧した構造が開示してある。

このようなボールスプラインタイプの伸縮軸について、解析プログラムを用いてポール接触部の接触圧力を計算してみた。

ここでは、図 5 A、 5 B及び図 6に示した伸縮軸から、 3本の二一ドルローラを取り除き、板バネによって予圧を負荷される 3列のポール群のみがねじりトルクを支持する構造について検討した。

ねじりトルク 1 0 O Nmに対するポールと雌軸との間の最大接触圧力を解析プログラムを用いて計算した結果を図 8に示す。

グラフの横軸は、図 7と同様、軸直角断面内の雌軸側の軸方向溝（ゴシックァーチ形状）の曲率半径をポールの直径に対する比で表している。図 7と同様、断面の曲率半径が大きくなるにつれて、ポールと雌軸との間の最大接触圧力が高くなっている。しかし、この構造では、入力トルクをすベてポールによって支持する必要があるため、雌軸側の軸方向溝の横断面の溝曲率半径がポールの直径の 5 2 %であっても、 3 0 0 O M P aを超える高圧になる。

ボール数やボール列数を増やしたり、ボール径を大きくしたりすることによつて、接触圧力を抑制することは可能であるが、その場合、伸縮軸全体の径ゃ長さが大きくなる欠点があり、製造コストも高くなる。

軸方向溝の曲率半径を小さくすることによって、接触圧力を低下させることも可能であるが、この場合は、ボール直径の 5 0 % (ポール半径）に極めて近い許容差の範囲に精度良く加工する必要があるため、やはりコストアップにつながる。接触圧力が 3 0 0 O M P a前後であっても、材料の硬さが十分高ければ、実用に供することができる。転がり軸受の場合、永久変形を起こさない荷重として基本静定格荷重が定められており、玉軸受では、最大接触圧力が 4 2 0 O M P aとなる荷重として定義されている。式（5 ) によれば、接触圧力 3 0 0 O M P aに対しては HV 6 0 0、接触圧力 4 2 0 O M P aに対しては HV 8 4 0の硬さが必要になる。従って、このような構造の場合、転がり軸受の製造過程に用いられるような熱処理や、それ以外の表面硬化処理が必要になる。

このような処理を施した場合、処理によって軌道面に変形が生じ、均一な摺動荷重が得られないおそれがある。また、熱処理などの表面硬化処理を行うこと自体もコストアップにつながるが、処理後の変形を取り除くために機械加工その他の処理が必要になった場合、さらに製造コストの上昇を招く。

独国特許発明 D E 3 7 3 0 3 9 3 C 2号公報では、ポールと相手部材との大きな接触圧力に関わるこのような問題点を回避するため、ポールと接触する面を硬さの高い板材（例えば熱処理されたばね鋼板）などで形成する構造が示されている。すべての接触部に板材を配置するには、複雑な形状の部品を複数用意する必要があり、コストがかかる。

上記第 2実施の形態（図 5 A、 5 B及び図 6 ) に、本発明を適用することにより、熱処理等の表面硬化処理を特に施さなくても、ポール 7が転動する軸方向溝 5の軌道部分の圧痕を防止することができる。上記の日本特開 2 0 0 1— 5 0 2 9 3号公報及び独国特許発明 D E 3 7 3 0 3 9 3 C 2号公報に比べて、低コストで、コンパクトな構造でありながら、滑らかな摺動特性と、ガ夕がなくかつ高いトルク伝達能力を有するステアリング用伸縮軸を供することができる。

なお、上記第 2実施の形態（図 5 A、 5 B及び図 6 ) では、ポール 7と接触する軸方向溝 5の軌道の断面形状をゴシックアーチ形状としたが、単一円弧や楕円、放物線などその他の曲線であっても、ポールと接触する接触点近傍の断面曲率半径について、同様に本発明を適用することができる。

また、ゴシックアーチと直線を組み合せた断面形状の軸方向溝についても、大きなねじりトルクが負荷された際は、ポールは、主としてゴシックアーチ断面部と接触するので、本発明が有効である。

また、形状、寸法や材料といった設計諸元について、例としていくつかとりあげたが、本発明は、それらに限定されるものではない。

ここでは、図 1 A、 I B及び図 2、図 5 A、 5 B及び図 6に示すように、雄軸 1側に予圧用の板バネ 9を設置し、ポール 7は、板パネ 9と雌軸 2上の軸方向溝 5に接触する形式について示した。逆に、雌軸 2側に板パネ 9を設置し、ポール 7が雄軸 1側の軸方向溝 3と直接接触する構造の場合には、雄軸 1側の軸方向溝 3の断面曲率半径について、本発明を適用することができる。

以上、本発明は、球状体 7が転走する雌軸 2または雄軸 1の軸方向溝の軌道の横断面の曲率半径を、球状体 7の直径の 5 5 %以下としたため、想定される最大ねじりトルク入力時でも、球状体 7と軸方向溝との間の接触圧力を 1 5 0 0 M P a以下に抑えることができ、特に熱処理や表面硬化処理をしなくとも、圧痕の発生を防止、圧痕による摺動抵抗の増加や、摩耗などの損傷を防止することができる。

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。以上説明したように、本発明によれば、球状体が転動する雄軸側又は雌軸側の軸方向溝の横断面の曲率半径は、球状体の直径の 5 5 %以下に設定してあることから、想定される最大ねじりトルク入力時でも、球状体と軸方向溝との間の接触圧力を 1 5 0 O M P a以下に抑えることができる。

このように、球状体と軸方向溝との間の接触圧力を 1 5 0 O M P a以下に抑えれば、伸縮軸の表面硬さが一般的な硬さ（HV 2 6 0〜HV 3 0 0程度）であつても、圧痕の発生を確実に防止することができる。

従って、特に熱処理や表面硬化処理を施さなくても、圧痕の発生を確実に防止して、圧痕による摺動抵抗の増加や摩耗等の損傷を効果的に防止することができ、これにより、製造コストを低減しつつ、耐久性を向上することができる。また、請求項 1によれば、安定した摺動荷重を実現すると共に、回転方向ガ夕付きを確実に防止して、高剛性の状態でトルクを伝達することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 車両のステアリングシャフトに組込み、雄軸と雌軸を回転不能に且つ摺動自在に嵌合した車両ステアリング用伸縮軸において、

前記雄軸の外周面と前記雌軸の内周面とに夫々形成した少なくとも一対の軸方向に延びる溝の間に、前記両軸の軸方向相対移動の際に転動する球状体を配置し、

前記雄軸側又は雌軸側の軸方向溝と、前記球状体との間に、前記球状体を介して前記雄軸と前記雌軸とに予圧を与える弾性体を介装し、

前記雄軸の外周面と前記雌軸の内周面とに夫々形成した他の少なくとも一対の軸方向溝の間に、前記両軸の軸方向相対移動の際に摺動する円柱体を配置し、前記球状体が転動する前記雄軸側又は雌軸側の軸方向溝の横断面の曲率半径を、前記球状体の直径の 5 5 %以下としたことを特徴とする車両ステアリング用伸縮軸。